建立配体优化的随机背景：系统性单原子扰动揭示亲和力与药代动力学的拮抗景观

《Nature》：Development of a random background to understand ligand optimization

　　

配体优化是药物发现的核心，从最初命中化合物到治疗候选药物通常需要设计并合成数百个类似物^1,2。这一过程的效率尚不明确，部分原因在于缺乏可供优化比较的随机背景。这样的随机背景可能源于对起始配体进行系统性随机小取代，并衡量任何单一扰动使亲和力或效能（potency）或其他性质获得显著改善的可能性。近期文献提示，约有10%的微小修饰类似物能将母体化合物的效能提高十倍或以上^3,4，但这一数字受到报道偏倚、有意改进和组间变异性的干扰。为了开始建立配体优化的背景预期，研究人员在此对跨越六个靶标的18个先导分子进行了系统性单原子修饰；共合成了257个化合物。出乎意料的是，这些随机小扰动类似物中有11.3%将效能提高了十倍或以上。相反，它们通常具有较差的体外药代动力学（pharmacokinetics, PK）特性。尽管有可能找到一些类似物，其效能增加补偿了较差的暴露和半衰期，从而在体内产生更有效的化合物，但总体而言，研究揭示了一个配体优化的受挫景观（frustrated landscape）。本研究开始为配体效能优化建立背景预期，并提供了一种简单的实现策略，同时也开始量化该领域在超越体外效能方面所面临的挑战。

研究背景：配体优化是药物发现的核心，但优化效率长期缺乏量化基准，原因之一是没有可用于比较的随机背景。以往基于ChEMBL数据库的回顾性分析虽然提示约10%的类似物可十倍改善效能，但受成功偏倚、扰动类型混杂和组间不可重复性等因素影响，无法提供可靠预期。为了建立配体优化的背景预期，研究人员选取18个母体配体，覆盖三个G蛋白偶联受体（GPCR）：α_2A肾上腺素能受体（α_2AAR）、μ-阿片受体（μOR）、大麻素受体2型（CB₂）；一个转运体：血清素转运体（SERT）；以及两个可溶酶：AmpC β-内酰胺酶（AmpC）和SARS-CoV-2宏结构域1（Mac1）。研究人员对这些母体进行系统性、无偏的单原子取代（H→CH₃、H→Cl、H→OH、H→F、芳环C→N），共合成257个类似物，并测定其活性与体外药代动力学（PK）性质。结果发现11.3%的类似物亲和力或效能提高十倍或以上，但这些类似物通常体外PK更差，揭示配体优化存在“受挫景观”。该研究发表在《Nature》。

主要技术方法：利用RDKit枚举所有可合成的单原子取代类似物；采用多种功能测定（cAMP GloSensor、放射性配体竞争结合、转运体摄取、酶抑制、HTRF）评估活性变化；测定微粒体稳定性、血浆稳定性、血浆蛋白结合、溶解度、hERG抑制和PAMPA渗透性等体外PK参数；使用X射线晶体学（Mac1复合物，分辨率0.97–1.02 ?）和冷冻电镜（α_2A–’4905–G蛋白复合物，约2.8 ?）解析结构；并用FEP+自由能微扰和ADMET-AI、ADMETlab 3.0、Deep-PK进行计算预测。母体化合物来自已发表文献或公开数据集（如ASAP Discovery）。

结果：

系统性小改变类似物：对18个母体逐一进行单原子修饰，排除成本过高或改变净电荷的分子，最终合成257个类似物。

母体与小改变类似物间的亲和力或效能变化：实验显示23%的类似物活性变化不超过两倍，30%降低十倍以上；29个（11.3%）类似物活性提高十倍或以上，出现在5个靶标和10个母体系中。甲基取代最易产生十倍以上改善，氯取代次之；氟和芳环C→N很少改善。十倍以上改善的类似物其单原子配体效率和亲脂效率（LipE）显著升高，表明改善并非仅由疏水性驱动。母体分子量、pK_i、结合位点体积等与改善概率无强相关。

活性变化的结构基础：解析了Mac1与母体及多个类似物的高分辨晶体结构，以及α_2A–’4905复合物的冷冻电镜结构。结构显示部分效应可事后解释，但难以先验预测，例如氯取代导致侧链重排、甲基类似物出现多重结合构象，超高清结构揭示了以往可能被低估的构象异质性。

配体亲和力或效能与PK的受挫景观：在6个体外PK参数中，每个参数均有部分类似物改善≥3倍，但效能提高≥10倍的29个类似物无一同时改善代谢稳定性、渗透性和游离分数三项关键指标；多个PK参数与效能提高呈负相关。甲基和氯等最常改善效能的取代基最不利于PK，而芳环C→N则相反。大多数PK参数之间相互独立，表明优化面临多维度的受挫景观。

类似物性质的预测：FEP+预测的219个相对结合自由能（ΔΔG）中有188个误差在±2 kcal/mol以内，但方向判断仍有限；三种ADMET工具对游离分数和渗透性的预测与实验相关（ρ约0.4–0.5），其余PK参数基本无相关，说明当前计算方法不足以替代系统性实验。

用于改进镇痛药的多参数优化：α_2A激动剂’4905由单甲基取代使效能提高52倍，尽管体外PK（游离分数和微粒体半衰期）下降，但在小鼠甩尾、神经病理性疼痛和热板实验中，’4905的体内镇痛效力显著强于母体’3629，且不弱于已知最强α_2A激动剂PS75，表明受挫景观仍可导航。

讨论与结论：研究提出四个关键发现：一，系统性小扰动有11.3%的十倍改善概率，建立背景预期；二，效能改善常伴随PK恶化，量化了配体优化的受挫景观；三，当前计算方法（FEP+和ADMET工具）预测能力有限，不足以替代实验；四，存在效能提升足以补偿PK损失的类似物。局限性包括类似物数量和靶点有限、以微粒体代替肝细胞可能漏检某些代谢，以及多数化合物仅测体外而非体内PK。结论：11.3%的系统性无偏小扰动使类似物亲和力或效能提高十倍或以上，初步建立了显著配体优化的背景预期；同时PK伴随恶化会降低体内暴露和半衰期，抵消效能改善。导航这一多参数空间是药物化学的核心，本研究支持发展定量模型以应对这一挑战。