长期以来，制药公司一直遵循着“一种疾病、单一靶点、单个分子”的药物开发思路。在靶向GPCR药物发现领域，针对单一靶点筛选药物的工作屡见不鲜（图1），尤其是随着近年来GPCR结构解析方法的进步，高分辨率的受体结构大大加速了基于结构药物的发现进程。

而，大多数疾病的发病机理复杂多样，即使是同一种疾病其症状表现也各不相同。神经精神疾病，如精神分裂症（Schizophrenia）、痴呆症（Dementia）、抑郁症（Depression）等，是典型的例子。这些疾病的症状涉及精神错乱、认知功能障碍等多方面，仅仅针对单一靶点的药物往往难以满足治疗需求。

图1 基于GPCR结构虚拟筛选药物

在这种背景下，多靶点、多功效活性的药物（polypharmacological drugs，PPD）的研发显得尤为重要。以精神分裂症和痴呆症为例，患者既可能出现幻觉、妄想、行为怪异等精神错乱症状，也可能表现出记忆力减退、学习与推理能力下降等认知功能障碍。这种情况下，针对多种症状的药物可能会更有效地治疗患者。然而，过去多靶点的药物往往是偶然发现，设计具有多靶点、多功效活性的药物一直是药物设计领域面临的挑战。

2024年3月28日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心汪胜研究组联合上海科技大学iHuman研究所程建军研究组，中国科学院上海药物所徐华强研究组，在 Cell 期刊发表了题为：Flexible Scaffold-based Cheminformatics Approach for Polypharmacological Drug Design 的研究论文。

该研究创新性地提出了一种基于可变骨架的化学信息学方法（FSCA），用于设计多靶点、多功效活性的药物。通过建立“配体结合模式预测其功效活性”和“药效团拼合” 的理念，研究团队利用化学信息学的方法从ChEMBL和Enamine两大化合物库中鉴别出具有可变构象特征的多环化学骨架。随后，他们采用与抗精神病药物通用型药效团—氟苯环杂合的策略，成功合成了具备5-HT1AR激动活性、5-HT2AR拮抗活性的前体药物分子IHCH-7179。通过一系列临床前动物模型的验证，研究团队展示了IHCH-7179分子在抗精神错乱和缓解认知功能障碍方面的药效潜能。

该研究针对精神分裂症与痴呆症等疾病的临床用药需求，提出了基于靶点结构和骨架结构信息理性设计多靶点、多功效活性药物的新方法。

FSCA设计多靶点、多功效活性化合物

中枢系统的血清素在情绪调节和认知功能中发挥着重要作用。血清素受体是许多抗精神病药物、抗焦虑药物、认知改善药物的主要作用靶点。其中，血清素2A受体（5-HT2AR）是致幻剂（例如LSD）和非典型抗精神病药物的关键作用靶点。匹莫范色林（pimavanserin）是一种选择性拮抗5-HT2AR的药物，在缓解精神分裂症、阿尔兹海默症和帕金森病相关的精神错乱症状方面表现出显著的临床疗效，但并未能延缓患者的认知减退进程。另一方面，血清素1A受体（5-HT1AR）的激动剂（例如tandospirone）能够改善老年痴呆症患者的精神错乱症状。在精神分裂症治疗中，Tandospirone与典型抗精神病药物haloperidol联用可同时改善精神错乱和部分认知功能。然而，考虑到抗精神病药物通常是多巴胺D2受体的拮抗剂，长期抑制该受体会导致认知功能的恶化。因此，设计同时具有5-HT1AR激动剂和5-HT2AR拮抗剂活性，并且规避多巴胺D2受体拮抗活性的多靶点分子，有望在更广泛的精神疾病领域，如精神分裂症、痴呆症中得以应用。

通过结合模式预测功效活性

通过结合模式预测药效活性是设计多靶点、多功效活性药物的核心理念。作用于血清素受体家族的药物通常由两部分药效团构成：第一药效团与第二药效团。第一药效团通常结合于正位结合口袋（Orthosteric binding pocket，OBP），第二药效团则结合于延伸性结合口袋（Extended binding pocket，EBP）。

总结已解析的血清素受体-药物复合物结构，该研究发现了两种常见的结合模式。激动剂如LSD、麦角胺（ergotamine）等采取了“舒展向上”的结合姿势，即第一药效团的四环骨架呈现近似平面构型，而第二药效团向上伸向膜外一侧，结合于浅表结合口袋（shallow binding pocket，SBP）；而拮抗剂如卢美哌隆（lumateperone）则更倾向于采取“弯折向下”的结合模式，即第一药效团四环骨架在中间连接处呈现弯折构象，而第二药效团向下伸向跨膜核心区的深部结合口袋（Deep binding pocket，DBP）。因此，理想的多靶点分子应该具备多变构象，在5-HT1AR中采取“舒展向上”的结合姿势，激活该类型受体；在5-HT2AR中采取“弯折向下”的结合姿势，并抑制该类型受体的活性。

可变构象骨架赋予化学分子的活性多态性

“北冥有鱼，其名为鲲……化而为鸟，其名为鹏。”庄周在《逍遥游》中描绘了一幅大象无形的绮丽画卷。如同鲲鹏，可变形骨架赋予药物分子结构柔性，使其在结合不同类型受体时也可以发生类似的形态转化，通过调整分子本身构象状态和结合姿势，以适配不同受体口袋的形状，对受体活性进行调节。

药物通常由两个或多个药效团拼合而成。这些药效团结合于不同的受体口袋，引发受体不同的构象，从而产生不同的药效活性。在遵循了“药效团拼合”与“结合模式决定功效活性”的设计理念，该研究开展了多靶点、多功效药物的设计工作。

首先，寻找具备可变构象特征的多环骨架。由于靶向血清素受体的药物通常含有芳香苯环结构，因此从ChEMBL和Enamine化合物库中鉴定出的可变构象多环骨架需具备以下三个特征：1）第1环或第1环合并第4环是芳香环；2）第2非芳香环含有一个sp3杂化的氮原子；3）第3非芳香环含有一个质子化、带正电的氮原子，便于第二药效团的拼合连接以及与胺能受体的保守氨基酸D3.32通过盐桥互作锚定；连接第2环和第3环的C-N键由于氮原子的sp3-sp2杂化轨道的可逆转化特性使得多环骨架具备构象柔性。

图3 可变多环骨架的筛选流程

其次，将鉴别出的10个多环骨架与4-氟苯基团通过丁酮基linker连接虚拟合成完整的化合物分子。随后，利用课题组前期解析的5-HT1AR（PDB ID: 7E2Z）和5-HT2AR（PDB ID: 7WC8）结构进行分子对接筛选，最终得到7个分子，它们可以分别采取“舒展向上”与“弯折向下”的结合模式。在结合血清素受体5-HT1AR时，多环骨架呈现近平面构象，结合于OBP，而丁酮基linker连接的4-氟苯基团则舒展向上，结合于开放的浅表口袋。而在结合血清素受体5-HT2AR时，由于跨膜螺旋TM7和第二胞外环ECL2的靠近收缩，浅表口袋坍缩，并且受到TM7和ECL2氨基酸侧链组成的疏水夹层环境的影响，多环骨架呈现弯折构象。由于连接的第3环氮原子位置偏下，4-氟苯基团只能采取向下结合的模式，结合于跨膜核心区的DBP。

最后，体外细胞功能学实验结果印证了实体分子的多功效活性。该研究选取了代表性的3环和4环骨架，分别合成了IHCH-7162和IHCH-7179，它们均表现出5-HT1AR激动剂、5-HT2AR拮抗剂的双重活性。随后该研究以IHCH-7179为代表，通过解析其与5-HT1AR和5-HT2AR复合物的结构，进一步佐证了IHCH-7179在5-HT1AR与5-HT2AR中分别采取“舒展向上”与“弯折向下”的结合模式。随后的结构分析表明，多巴胺D2受体的药物结合口袋的结构特征与5-HT1AR类似，因此，通过该类方法设计的多靶点分子具有多巴胺D2受体激动活性，规避了现有药物长期抑制多巴胺D2受体导致认知恶化。

临床前动物模型验证IHCH-7179药效

IHCH-7179分子的多靶点、多功效活性可能赋予其具有广泛的药效。为此，研究人员运用多种行为学模型测试IHCH-7179分子在治疗精神错乱和认知功能障碍方面的药效潜能。在小鼠精神错乱模型中，IHCH-7179展现出优异的抗精神病样症状的效果。首先，它能有效地抑制LSD诱发的小鼠摇头幻觉反应（HTR），小鼠摇头幻觉反应是一种常见的精神错乱症状。其次，IHCH-7179还能有效缓解LSD诱发的前脉冲抑制障碍（PPI），这是一种感觉运动控制障碍，常见于精神分裂症、强迫症和亨廷顿舞蹈症等病人。再者，在MK-801诱发的躁狂多动症状方面，IHCH-7179也表现出显著的改善作用。

在认知行为模型方面，水迷宫测试和新物体识别测试是常用的评估认知功能的行为学实验。IHCH-7179在这两个测试中都显示出了积极的药效活性，不仅能缓解MK-801诱发的空间导航和学习记忆障碍，还能有效逆转MK-801诱发的新物体识别障碍，进一步证明了针对5-HT1AR与5-HT2AR两类受体设计出的多靶点药物分子在认知功能方面的潜在疗效。

最后，在APP/PS1早老性痴呆小鼠模型中， IHCH-7179能够部分改善认知症状，这对于治疗早老性痴呆具有重要意义。这些结果表明，IHCH-7179可能成为一种潜在的多靶点、多功效药物，具备用于治疗多种精神疾病和认知功能障碍的潜力。

综上所述，这项研究的成果为针对精神分裂症、痴呆症等复杂精神疾病的多靶点药物设计提供了新的思路和方法。该研究提出了一种巧妙的药物设计方法（FSCA）：通过筛选具有可变构象特征的药效团骨架适配不同受体口袋产生多样化的结合模式，从而实现多靶点、多功效的药效活性。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心陈章成博士、余竞助理研究员、上海科技大学iHuman研究所王欢副研究员、上海药物所徐沛雨博士（现在MIT现为MIT和Broad研究所博士后）为该论文的共同第一作者。分子细胞科学卓越创新中心汪胜研究员、上海科技大学iHuman研究所程建军研究员、中国科学院上海药物所徐华强研究员为论文通讯作者。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/abstract/S0092-8674(24)00237-X

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