发现较大药物分子的细胞摄取途径

UCSF和ArcInstitute科学家的最新发现为克服药物发现中的基本挑战开辟了新的可能性。在优化药物与其靶标的密合度与药物穿过细胞膜并首先到达该靶标的能力之间可能存在权衡。

现在，UCSF的KevanShokat和ArcInstitute和UCSF的LukeGilbert的研究小组发表在《科学》杂志上的一项新研究报告发现了一种细胞摄取途径，这种途径对于由连接的亚基组成的较大药物分子特别重要。可以利用这些知识来创造新药物，尽管它们体积大且复杂以最佳地结合其靶标，但可以被靶细胞有效吸收。

大多数传统药物都是小分子，遵循简单的分子规则，促进良好的细胞摄取和有利的化学特性——包括对分子大小和分子表面粘性化学基团数量的限制。

然而，许多关键的药物靶点，例如通常与癌症有关的激酶，由于特异性问题而众所周知难以用传统药物靶向——“有超过500种人类激酶在药物结合的口袋中非常相似，选择性地针对这个家族的单个成员并导致不良的药物副作用是一项艰巨的挑战，”这项新研究的第一作者KevinLou解释说。

为了缓解这些问题并获得以前被认为“不可药化”的新细胞靶点，一些较新的药物类别变得更大更复杂。但是只有少数这样的例子远远超出了典型的化学规则并且对细胞内靶标保持非常有效的药物作用。

Gilbert解释说，总的来说，“人们一直不愿意设计、合成和测试此类分子，因为它们远远超出了人们认为它们不会进入细胞的标准药物设计规则。”重要的是，这些具有多个部分的较大药物分子通常对其目标更具特异性——它们有两个分子键，必须同时适合两个相邻的锁，从而提高特异性。

但目前尚不清楚这些大型药物如何进入细胞，或者我们可以遵循哪些设计规则来开发利用这种分子联系来实现高效力和特异性的新药。通过揭示允许这些药物进入我们细胞的细胞通道，这项新研究“使科学家能够超越标准药物设计规则进行思考，并考虑更大的连接分子是否可以以新的方式靶向蛋白质或靶向我们以前认为无法靶向的蛋白质，”说吉尔伯特。

当您不知道自己在寻找什么，甚至根本不知道一条新途径是否存在时，您如何找到一条新途径?一种有效的方法是进行全基因组功能筛选，测试单个基因对细胞过程的重要性。几年前，吉尔伯特率先开发了CRISPRi和CRISPRa筛选，其中CRISPR机器与引导RNA文库一起使用，以分别降低或提高人类基因组中一个基因的表达水平。当应用于数百万个细胞库时，每个细胞在不同的基因上得到不同的修饰，研究人员可以确定哪些基因操作导致了感兴趣的功能结果的差异。

在这种情况下，这意味着寻找基因表达操作，使其与未连接的对应物相比，使细胞对连接的药物分子更敏感或更具抵抗力，并追溯以确定哪些基因对调整这一过程很重要。

Shokat和Gilbert的团队在人类白血病细胞系中进行了这些成对的CRISPRi(基因抑制)和CRISPRa(基因激活)筛选，然后用一种大型相关的实验性抗癌药物RapaLink-1进行治疗。

研究人员立即发现，与其组成分子的反应相比，相关药物对某些基因操作的反应明显，这意味着与传统药物相比，RapaLink-1依赖于不同的细胞进入和/或药物作用途径药物小分子。令人鼓舞的是，许多结果相互加强：抑制特定基因可能导致细胞对药物产生耐药性，而激活同一基因会促进对药物的敏感性。

最引人注目的结果是一组三个密切相关的基因，它们似乎促进了RapaLink-1的活性，但对未关联的药物没有影响。这些基因编码干扰素诱导的跨膜(IFITM)蛋白，这些蛋白以其在抗病毒防御中的作用而闻名，但之前没有证据表明它们会影响药物的作用。仅通过调节IFITM蛋白的水平，该团队就可以将RapaLink-1药物的效力大幅提高约30倍。

科学家们研究了659种不同的细胞类型，发现IFITM表达水平与对RapaLink-1的敏感性之间存在很强的相关性，支持不同类型细胞的普遍作用。并扩展到更大的一组17种不同的连接和未连接的药物分子，研究人员确定IFITM基因表达的影响在不同类型的连接药物中是一致的。

先前的研究表明，IFITM蛋白位于我们细胞的表面，可识别许多不同类型的病毒，并阻止它们进入我们的细胞——从而阻止感染。但是它们与细胞对RapaLink-1的反应有什么关系呢?该团队测量了细胞吞噬荧光版本的RapaLink-1和相关药物的能力。

“我永远不会忘记我们第一次能够看到在IFITM表达较低的细胞中RapaLink-1摄取较少的那一刻，”Lou说。反之亦然：提高IFITM水平会增加药物进入细胞的速度。另一方面，IFITM蛋白表达水平对未连接的“传统”药物穿过细胞膜的程度没有影响。

利用他们学到的知识，Shokat实验室接下来设计了两种新的关联药物，他们假设这两种药物可能会利用这种细胞进入途径。他们通过两种已知的白血病蛋白BCL-ABL1抑制剂(称为达沙替尼和asciminib)的接头连接组合生成DasatiLink-1。由于每种药物都在目标蛋白上结合了一个不同的口袋，研究人员推断，连接的版本可以将自己固定在两个接触点上，就像一把双管钥匙插入两把锁，从而提高其特异性和有效性。

他们还设计了BisRoc-1，将化疗药物罗格列胺的两个分子连接在一起，使其能够桥接药物蛋白质靶标的两个拷贝。值得注意的是，尽管这两种药物都违反了传统的药物设计原则，但Shokat和Gilbert团队表明，这两种药物都能进入细胞，与它们的预期目标紧密结合，并且与未连接的版本一样有效。链接版本独特地依赖于目标细胞中的IFITM蛋白表达，支持IFITM通路在许多类型的链接分子中的一般作用。

引人注目的是，研究人员表明，DasatiLink-1仅对BCL-ABL1激酶具有极强的特异性，这与未连接时其两种成分药物的更宽松的特异性不同。“需要多管齐下的结合机制的连接抑制​​剂更具选择性，”Lou解释说，只要它们能够有效进入细胞，就具有很大的优势。

由于这项研究，我们现在了解了连接药物进入人体细胞的主要细胞通道。这不仅回答了生物医学中一个长期存在的问题，还为更好的分子接头设计铺平了道路，可以利用这种进入途径获得更高的药物有效性和特异性。吉尔伯特建议，未来有可能“利用介导药物摄取的途径，如IFITM，以促进药物摄取，甚至靶向药物以选择细胞类型。”

增加IFITM表达的治疗可能会与具有挑战性的药物结合使用，以促进它们进入细胞并使它们更接近它们的分子靶标。这一重要途径的发现扩展了我们在未来新治疗药物设计中可以探索的分子特征的前沿。