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香港浸会大学、香港中文大学与上海交通大学联合发表硬骨抑素药物发现系统综述

2022-05-19

近日,香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所张戈教授团队、香港中文大学中医学院张保亭教授团队与上海交通大学附属第六人民医院骨质疏松科章振林教授团队作为共同通讯作者在《药学学报》英文刊(Acta Pharmaceutica Sinica B, IF11.413)联合发表题目为“Drug discovery of sclerostin inhibitors (doi.org/10.1016/j.apsb.2022.01.012)的系统综述。香港浸会大学精准医学与创新药物研究所余思凡博士(博士后)、香港浸会大学罗守辉骨与关节疾病转化医学研究所李迪杰博士(博士后)及香港中文大学中医学院张宁同学(博士研究生)为该综述的共同第一作者。

硬骨抑素是骨细胞分泌的一种蛋白,具有三个特定的结构区,分别为loop 1loop 2loop 3(图1a)。该蛋白可通过与低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6结合来负向调节Wnt信号通路,从而抑制骨形成并促进骨吸收。

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1. 硬骨抑素的结构。备注: C为半胱氨酸;K为赖氨酸;R为精氨酸;S为硫

这篇综述总结了硬骨抑素的结构、功能以及与之相关的信号通路和疾病,提出硬骨抑素不仅与骨质疏松密切关联,也与成骨不全、低磷佝偻病和少肌症等其他肌肉骨骼系统疾病存在联系,这促使硬骨抑素成为Wnt相关的肌肉骨骼系统疾病的一个很有前景的治疗靶点。由于硬骨抑素在力学响应的分子机制中扮演了重要角色,对于长期卧床患者、长期空间飞行乘员等缺乏机械刺激的人群,抑制硬骨抑素是预防和治疗废用性骨质流失的重要潜在靶点。此外,新发现的研究证据提示高表达的硬骨抑素会促进癌症、肥胖和糖尿病及慢性肾脏病等发展,这表明它也有可能成为这些疾病的潜在的治疗靶点。该综述一方面系统总结了硬骨抑素对上述疾病的促进作用,全面总结了临床人群和动物模型中硬骨抑素的生理病理水平、使用遗传学手段(过表达/敲除硬骨抑素基因)和药理学手段(补充硬骨抑素蛋白/硬骨抑素中和抗体)抑制/过量硬骨抑素导致的生理病理表型改变和治疗效果。另一方面,也总结了硬骨抑素在类风湿性关节炎、心血管疾病中的保护作用,并指出有证据表明硬骨抑素会参与心血管保护功能,抑制它可能会增加心血管疾病发生的概率。

这篇综述也总结了靶向硬骨抑素的三种不同类型抑制剂的研究进展(单克隆抗体、适配子和小分子抑制剂)(图2)。作为美国食品药品监督管理局批准的第一个硬骨抑素(靶向loop 2和部分loop 3)抑制剂-单克隆抗体romosozumab在治疗绝经后骨质疏松症中表现出优异的有效性,但在临床三期中表现出较高的心血管疾病风险。此外,romosozumab只能通过注射给药,这可能会导致偏好口服治疗的患者产生依从性的问题。

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2. 三种不同类型的硬骨抑素抑制剂和它们被批准或潜在的一些治疗适应症

 

该综述针对由romosozumab在临床上治疗骨质疏松引起的安全性、依从性问题等进行了讨论:

1)在安全性问题上,综述建议在硬骨抑素的三个loop结构区去寻找不参与贡献硬骨抑素保护心血管但参与贡献抑制骨形成的特定的loop结构区作为潜在分子靶点,对于开发新一代不增加心血管疾病风险的硬骨抑素抑制剂具有重要意义。

2)在依从性问题上,综述建议通过开发口服的硬骨抑素小分子抑制剂来解决。

3)药物研发相当耗费时间、人力和物力,而人工智能可在实际合成和体内体外验证前能高效预测分子靶点和配体之间的相互作用。因此,综述建议可以利用人工智能辅助开发靶向硬骨抑素特定loop结构区小分子抑制剂(图3)。

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3. 人工智能辅助开发靶向硬骨抑素特定loop区小分子抑制剂的设计流程图

 

4)硬骨抑素被单抗抑制以后,DKK-1会补偿性升高。因此,开发靶向上述两个蛋白的双特异性抑制剂是一种必要的策略。综述展望了双特异性抑制剂的设计方向和分析了需要解决的难点(图4)。

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同时靶向硬骨抑素和DKK1双特异性抑制剂的设计。备注:a为双特异性抗体;b为双特异性适配子;c为双特异性小分子偶合物;1)靶向硬骨抑素loop 32)阻断loop 2可以与抗体结合的某些反应位点;3)在每个固定的抗原结合位点引进不同的偶联官能团;4)调节双特异性适配子的长度(删减和添加碱基),以保持双特异性适配子对靶标的结合亲和力;5)连接臂的设计应同时考虑自身的稳定性和不影响适配子的活性;6)引入一些官能团来增强偶合物与靶点的结合亲和性,减少其脱靶效应;7)小分子偶合物的连接臂应该是亲水的,在几个小时内可被裂解。

 

5)适配子在体内消除半衰期都特别短,这严重限制了它们的成药性。常用的聚乙二醇修饰虽能提高适配子半衰期,但效果仍不令人满意。为了解决硬骨抑素适配子的成药性瓶颈,需开发新一代适配子长效修饰策略。

研究工作得到了科技部国家重点研发计划(2018YFA0800802)、香港优配研究基金(HKBU 14100218CUHK 14108816)、广东省基础与应用基础研究基金(2019B1515120089)及深圳市科技创新委员会基金(JCYJ20160229210357960)的资助。

 

论文信息:Yu S, Li D, Zhang N, Ni S, Sun M, Wang L, Xiao H, Liu D, Liu J, Yu Y, Zhang Z, Yeung STY, Zhang S, Lu A, Zhang Z, Zhang B, Zhang G, Drug discovery of sclerostin inhibitors, Acta

Pharmaceutica Sinica B 2022, 12, 2150-2170. (doi.org/10.1016/j.apsb.2022.01.012)

 

论文连接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211383522000259