精準代謝組學用于藥物靶點開發

徐廣

(1.徐州醫科大學附屬沭陽醫院; 2.沭陽縣人民醫院，江蘇 宿遷 223600)

藥物靶點是藥物與人體作用的結合位點，包括基因、受體、酶、離子通道、轉運體、核酸等，通過藥物與位點的結合影響生物學事件的改變，從而實現藥物的治療效果[1]。藥物靶點數據庫有PhID、Therapeutic Target Database (TTD)、DrugBank、Binding DB、PharmGKB等[2]。迄今已發現作為治療藥物靶點約800多個，超過50%的藥物以受體為效應靶點，其中G-蛋白偶聯受體(GPCR)靶點在受體靶點占據不大部分，成為最重要的作用靶點[3]；同時超過20%的藥物以酶為靶點，特別是酶抑制劑類藥物，在臨床應用中也具有特殊地位；其他藥物靶點信息尚未明確，涉及結構蛋白、膜轉運體等作用靶點[4]。藥物發現是個長久的過程，辨識疾病的生物學起源和潛在的靶點介導，是發現新藥的第一步，藥物靶點研究將對藥物的發現和開發具有極其重要的促進作用，靶點辨識還需要更多新思路、新方法和新技術的介入[5]。隨著基因組學、蛋白組學和代謝組學等技術的成熟和應用，更多涉及藥物靶點開發的方法被探索，如何通過疾病本身精準發現藥物靶點，精準代謝組學提供了前瞻性的思路，結合遺傳學和精準醫療的策略，利用代謝組學對疾病本身的認識，通過特異性代謝物的修飾和生物學過程中代謝組的干預，從而尋找與疾病密切關聯關系的重要靶點，為先導化合物的發現和藥物靶點的篩選提供有力支撐[6-7]。

1 藥物靶點發現新思路

1.1 代謝組學介導生物學事件解釋

代謝組學是近年來興起的一門科學，伴隨系統生物學和精準醫療的發展和成熟，代謝組學展現出其他組學未曾有的優勢，以一種新的研究思路，更好地理解和解決生物學問題[8]。尤其在藥物靶點發現方面，具有直接體現生物學事件在代謝物層面的差異變化優勢，代謝組的差異精準反映疾病的發生過程[9]。更多地涉及疾病作用靶點的代謝物可以被區分，有較好的藥物靶點發現前景。有別于其他組學，在生物學事件發生的過程中，代謝組最直接反應生物學事件發生前后的差異變化，減少了中間過程的時間差而造成數據缺失。基因組學和蛋白組學是“事前性”的生物學事件變化，往往在生物學事件發生后，基因組的數據已回調正常，造成研究過程中的數據丟失，而代謝組可以更好得到真實的生物學事件的表型數據[10]。代謝組研究內容涉及臨床樣本、生物樣本等的生命體小分子代謝產物，依托核磁共振儀、氣相色譜質譜聯用儀和高效液相色譜質譜聯用儀平臺的檢測，并通過對差異代謝物和關鍵代謝物的研究，構建與疾病和生物學事件密切關聯的代謝通路，依托特異性的功能代謝產物，尋找發現特異性的生物靶標，基于此開發藥物用于疾病的預防、診斷和治療[11]。

1.2 精準代謝組學明晰生物靶標

精準代謝組學在傳統代謝組學的基礎上整合遺傳學、基因組學、蛋白質組學和精準醫學，通過多學科數據分析和策略研究，鑒別與疾病發生發展密切關聯的功能代謝產物，構建特異性的代謝組，明晰相關代謝通路[12]。基于此進一步理解疾病的發生發展過程，更精準的發現特異性的疾病診斷生物標志物，用于疾病的前期診斷和治療后的效果評價，同時精準地對功能代謝物合成通路的阻斷和代謝物本身的結構改造，參考磺胺類藥物的作用機理，開發用于治療特異性疾病的先導化合物[13]。精準代謝組學策略通過對代謝組和代謝通路的精準識別，可以精準到某一種疾病的某一種生物靶點，基于對該靶點特異性和敏感性的化合物的改造和篩選，更好的精準于某一類疾病的治療。為了應對目前臨床使用的藥物耐藥性問題，本綜述提出的精準代謝組學策略，在傳染性疾病的致病因子靶點發現方面，利用致病因子本身的特性進行結構改造開發先導化合物，從而降低致病菌本身的耐藥，同時精準代謝組學在代謝性疾病的靶點群發現方面更具有優勢，通過對多個靶點的干預，從而實現疾病的代謝云向健康組的代謝云轉變，多靶點模式的作用方式干預，用于新型藥物的開發，實現臨床疾病的精準治療[14-15]。

2 精準代謝組學用于藥物靶點發現

2.1 致病因子靶點表征傳染性疾病思路

在傳染性疾病的感染過程中，從降低細菌致病因子和細菌致死合成的角度來發現藥物靶點和靶點群[16]，見圖1。細菌的一部分致病因子以小分子的形式釋放[17]，例如一類致病菌釋放的鐵載體致病因子，通過細菌體內合成，細胞膜轉運體外，與血紅蛋白競爭性的結合鐵離子及競爭生物體其他的微量金屬離子(鎳、錳、鋅和鈷等)，然后再經過跨膜轉運供給細菌的生長繁殖需要，實現細菌感染和致病過程[13,18]。同時一類致病菌分泌的yersiniabactin鐵載體可以螯合生物體免疫反應釋放的毒性銅離子，進一步保護細菌，實現抵抗人體免疫反應的作用，在細菌感染和保護細菌方面發揮著至關重要的功能[19-20]。

如果能明晰更多的小分子類致病因子，對傳染性疾病感染過程的理解和基于此開發藥物可以提供更好的思路，代謝組學的引入可以從根本上解決這個問題，通過代謝組學的主成分分析、偏最小二乘判別式分析和熱圖分析，為找到功能分子和差異目標化合物提供可行依據，再經過一級質譜、同位素質譜和二級質譜實驗實現化合物的定性定量鑒定，實現目標化合物和未知化合物的結構表征，再結合致病因子基因的功能和蛋白質組的數據，發現更多的關聯致病因子，表征感染性最高、敏感性最好和選擇性最優的致病因子，整合參與合成的酶及蛋白，構建該致病因子的生物合成通路，明晰其致病過程，基于此可以作為傳染性疾病特異性的生物標志物用于疾病的診斷，同時阻斷致病因子上游通路和利用致病因子的特洛伊木馬策略，開發具有高抗菌活性的藥物用于傳染性疾病，從而實現疾病的精準診斷和治療[21]。

特洛伊木馬策略是基于致病因子的細菌體內外轉運，對致病因子進行結構改造，絡合抗生素或者致病因子功能基團改造，通過細菌跨膜轉運，從而使細菌產生致死合成，從而殺滅細菌的方法。有相關研究報道，在致病性大腸桿菌中對其一種鐵載體enterobactin進行特洛伊木馬改造，成功開發出新型抗生素[22]。利用精準代謝組學技術，可以精準的發現和疾病密切關聯關系的致病因子，相比于已經開發的enterobactin-siderophore抗生素，本策略更加精準于傳染性疾病中致病菌的高致病因子，有更好的致病菌分布和致病性關聯，較已開發的鐵載體抗生素更具優勢。 本策略通過對疾病的更好理解，實現新型藥物的靶點的開發和先導化合物的發現[23]。

圖1精準代謝組學整合遺傳學策略用于傳染性疾病的治療策略

Figure1Precise metabonomics integrated genetics strategy for the treatment of infectious diseases

2.2 代謝云靶點關聯代謝性疾病探索

代謝性疾病種類繁多，其發生發展過程較為復雜，如何在眾多的代謝物中尋找最有效的關鍵分子成為代謝類疾病研究的關鍵[24]，見圖2。代謝組學整合生物化學和蛋白組學的策略被用于復雜性代謝疾病的研究[25]。例如肝癌疾病的相關研究，目前的甲胎蛋白用于肝癌的預防診斷存在較多的不足，影響甲胎蛋白變化的因素較多，臨床中不能夠有效的排除相關的干擾，同時基于甲胎蛋白等代謝物的特異性靶點藥物也未曾上市，臨床應用中仍然存在特異性診斷不準確的問題[26-27]。

精準代謝組學通過不同階段肝癌樣本(涉及肝炎、肝硬化、肝占位、不同時期肝癌樣本)的非靶標代謝組實驗和靶標代謝組實驗，經過相關代謝組學分析，在滿足受試者工作特征曲線(ROC曲線)的代謝物中尋找與肝癌發生發展呈線性或特異曲線關系的特異功能代謝物組，該代謝物組具有較高的肝癌特異性和敏感性，開發基于此類疾病的特異性診斷試劑盒，具有較高的疾病關聯屬性和疾病特異性，很好的應用于疾病的早起診斷和預防[28]。同時整合功能基因和特異性蛋白的改變和異常表達，構建疾病發生的可能通路，精準的選取其中關鍵的功能分子作為藥物靶點，開發新型藥物[29]。精準代謝組學策略可以精準到代謝性疾病的某一種生物靶點，結合疾病的發生發展過程，更加有效的發現與疾病本身密切相關的特異性和敏感性靶點，基于此進行先導化合物篩選，更好的精準于代謝性疾病的治療，同時為了應對目前臨床使用的藥物耐藥性問題，精準代謝組學在代謝性疾病的靶點群發現方面更具有優勢，通過對多個靶點的干預，從而實現疾病的代謝云向健康組的代謝云恢復，即疾病狀態的代謝關聯圖譜向健康狀態的代謝圖譜轉變，以多靶點模式的探索為中心，開發多靶點的多個藥物組方，用于新型藥物的開發和已有的藥物的優化組合，更好地實現代謝性疾病的診斷和治療。

圖2精準代謝組學策略用于代謝性疾病的靶點發現
Figure2Accurate metabonomics strategy for target discovery of metabolic diseases

3 總結

在藥物靶點的開發過程中，精準代謝組學策略更加注重疾病的精準，其最終目的是實現疾病的精準治療，目前對疾病本身的理解和基于疾病本身的精準治療較少，隨著國家大健康戰略的深入推進，精準醫療的策略思想也被應用到藥物發現過程中。本策略應用代謝組學、遺傳學、精準醫學等生命科學的平臺、技術、研究方法和思路，以疾病和生物學事件為出發點，更好的尋找在疾病發生過程中的關鍵點，其最終目的是回答和解決生物學事件，理解功能特異分子的關鍵靶點作用和開發新型藥物，從疾病發生發展的全局和關聯關系出發，精準到治療靶點和靶點群，在對疾病深刻的理解基礎上，實現新型先導化合物的發現，更好的減少在新藥開發過程的無效篩選，基于已發現的特異性小分子化合物，利用特洛伊木馬策略和代謝云干預策略，精準修飾特異性代謝位點，靶向作用于生物學事件密切關聯的關鍵酶或蛋白，開發新型先導化合物、新型藥物組方和特異性診斷試劑盒，基于此探索新藥靶點，更好作用于特異性疾病，從而實現疾病的精準診斷和精準治療。