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这个化合物真的没有问题吗?–药物研发领域里的坏蛋们

本文来自Chem-Station日文版 その化合物、信じて大丈夫ですか? 〜創薬におけるワルいヤツら〜 DAICHAN

翻译投稿 炸鸡 校对 HaoHu

在新药研发的第一线,高通量筛选(HTS)是早期的常用技术。
在日本,围绕着国立大学组建的公开数据库正在不断走向完善化,研究人员们现在也能很轻松地进行HTS。
然而,研究界的公开公开数据库完善程度上却比不上企业私有的数据库。因此无论我们是使用公开数据库筛选化合物或是我们不借助公开数据库,从自己选择的化合物中筛选化合物,我们都要对筛选系统的准确性或选中化合物的合适性做细致﹑精密的检验。
PAINS是什么

这次介绍的“PAINS”是指在筛选或表型筛选的时候,容易引起假阳性等问题的“坏蛋们”。
PAINS是“Pan-assay interference compounds”的缩写,指的是在各种分析系统中表现出药理活性(选择性地抑制或激活靶点),但实际上却表现出无差别反应性的化合物。
即在“ frequent hitter”中被 当作“垃圾”般处理的化合物们。
可惜的是,常常有研究者对这种由PAINS引起的“假数据”深信不疑,认为这就是他们要找的化合物(或是绝口不提假阳性的可能),研究者们就这样把论文发表出去了。此类事情屡见不鲜。
在2014年,提出PAINS这个概念的Baell等人在他们发表于Nature上的文章的COMMENT里,非常形象地描绘出了“PAINS”[1]

图1 PAINS图(来自文献1)

看起来真的是全员恶人啊。
在这些“恶人”中,有日文版Chem-Station过去经常报道的姜黄素(穿黄色衬衫的大叔)。
早在2017年就有文章明确指出姜黄素没有明确的治疗效果。
姜黄素被指出有以下几个问题:①由于其本身就带有荧光,因此在荧光发光的分析中容易显现出假阳性现象;②对生物分子表现出covalent binder(共价键性质的分子)的性质;③可能会破坏生物膜。
Rhodanine也是一种有名的PAINS化合物。Ene-Rhodanine和治疗糖尿病周围神经病变的药物Epalrestat的骨架类似,即所谓的Michael受体型covalent binder,不乏有人质疑Rhodanine的实际效果。
Michael受体除了修饰各种生物分子外,还通过促进转录因子Nrf2的激活而表现出广泛的生理活性。还有其他PAINS化合物,它们能干扰氧化还原循环,捕获分析系统中所含的金属或者拥有不稳定的化学性质[1]

学术上用的公开数据库中已知的PAINS化合物就占到了5~12%[1]。我认为其中一个原因可能是学术上用的公开数据库里的化合物主要是由从试剂供应商处购买的试剂组成的。这不是试剂供应商的错,而是那些没有经过判断就把试剂纳入公开数据库的人的错。

PAINS在对照实验里是否有用武之地呢?

刊登在Nature上的那篇文章指出姜黄素﹑表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)﹑Genistein﹑白藜芦醇等化合物(图2)尽管表现出无差别活性,但经常被应用到很多分析的对照实验中。
笔者所在的实验室以前也用过白藜芦醇做对照实验…(在此我表示反省)。扁扁的分子被粘的到处都是,总而言之就是碍手碍脚的感觉。。
当然不可否认白藜芦醇确实具有抗氧化性。但是因为白藜芦醇没有特别的选择性的生理活性所以最好尽快停止在重要实验的对照实验里用到白藜芦醇
然而这些关于天然化合物或其衍生物的生理活性的论文直到2020年还在频繁出现。用了很久的天然化合物几乎没什么可以作为新药的利用价值了。

图2 经常被用在对照实验的天然化合物的结构

也有许多论文提出这一观点:即使PAINS不能作为药品开发的先导化合物,但是可以作为工具化合物。不过有人提出反对意见,理由是工具化合物也必须显现正确的药理学性质。
市面上售卖的工具化合物往往数mg就高达几万块rmb,从医药化学的角度来看,这些化合物中不乏有很多值得怀疑。当然,它可能在培养的细胞系统水平上显示出某些作用,但是当用于体内测试时,它可能会被新陈代谢所破坏,或者其生物利用度可能首先受到破坏。学术界的生物学家不知道这个事实,他们在次品身上花费了宝贵的金钱和资源,最后陷入了“啊?为什么不起作用?”的疑惑。
正在有陆续报道PAINS类结构的化合物。即使是经验丰富的医学化学专家也很难知道其全部内容,但至少要记住Nature图中的PAINS化合物的结构以减少额外浪费资源的危险。
PubChem也刊登了PAINS有关的文章,感兴趣的读者请搜索下。

NO PAINS, NO GAINS ?

最后介绍一个虽然误把PAINS当成目标化合物但是最后成功躲开了死局的案例[2,3]
醌式结构(醌类)是最频繁出现的一类PAINS,很容易引起问题。以聚糖水解酶(PARG)为靶点,通过HTS(高通量筛选)从1400000多个化合物筛选出来的唯一一个化合物就是醌类化合物1。论文的作者们通过精密的靶点验证和in silico的scafflod hopping(粗略说就是改变基本骨架的方法)获得了与活性相关的结构,最终筛选出了不含PAINS结构的化合物2(图3)。虽然这类的案例很罕见,但是能把原本认为是“垃圾”的化合物重新利用起来。可以说是“变废为宝”了。

图3 通过Scaffold hopping把PAINS除去的活性化合物的案例

学术界的基础研究对药物开发毫无意义。

尽管这句话看上去很悲观,但从笔者(笔者的工作背景是新药研发)看来不无道理。
尤其是很多强调自己是做学术药物研发的研究者们,他们往往都只注意想要的活性而忽略因化合物化学性质引起的假阳性的可能性。不仅如此,很多人在查阅论文的时候甚至不知道PAINS所谓何物。
我希望未来想研究药物化学的研究者们能意识到PAINS的存在。

参考文献

1. Baell, J. B.; Walters, M. A, Nature ,2014. 513. 481. DOI: 10.1038/513481a
2. Baell, J. B.; Nissink, J. W. M, ACS Chem. Biol, 2018, 13, 36. DOI: 10.1021/acschembio.7b00903
3. James, D. I.; Sminth, K. M.; Jordan, A. M.; Fairweather, E. E.; Griffiths, L. A.; Hamilton, N. S.; Hitchin, J. R.; Hutton, C. P.; Jones, S.; Kelly, P.; McGonagle, A. E.; Small, H.; Stowell, A. I.; Tucker, J.; Waddell, I. D.; Waszkowycz, B.; Ogilvie, D. J. ACS Chem. Biol, 2016, 3179. DOI: 10.1021/acschembio.6b00609

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