浅谈老药新用研究策略

“Although a bit of an exaggeration, there is a lot of truthin the saying that we do not need to find new drugs; rather we need to find thepatients who can benefit from existing drugs”

 ——Christopher Lipinski

一个新药的发现必然经历非药～类药～成药的转化历程，需要承担高额的投入和未知的风险，据统计，研发新药并成功上市需耗时13～15年，平均花费20亿～30亿美元，随着对药物安全性及有效性的要求不断提高，开发新药的成本还将持续上涨，根据Eroom定律，每隔9年新药研发成本就会大幅上升。鉴于近年来新药临床研究的高失败率，寻找现有药物的新适应症成为极具吸引力及优化药企成本/效益的新策略。在老药的原适应症以外开发新用途的过程就称为老药新用，当然，“老药”其实不仅限于现有已上市药物，还应该包含曾/现处于临床前或临床研究中的潜在候选物。近年来，老药新用作为药物开发策略越来越受到重视，并由此诞生了大量的新适应症药物(Table 1)，同时，研究人员也积累了丰富的开发经验和研究策略。接下来，本文将对老药新用的研究策略进行浅析。

▼策略一：基于现有药物的副作用进行开发

基于现有药物副作用的偶然发现是早期老药新用的最主要策略，并由此开发了一系列的新适应症药物，如达泊西汀，氯丙嗪，依洛尼塞，非那雄胺，米诺地尔，西地那非，托吡酯等。

1.达泊西汀的早泄适应症

礼来开发的达泊西汀最初主要作为镇痛和抗抑郁药物，然而由于其起效快，且半衰期较短，不能实现每日给药一次，因此成为抗抑郁药物的一大缺陷。但是，研究人员在临床应用中观察到选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRI)具有延迟射精的副作用。这一副作用的发现立即触动了当时研究人员的敏感神经，要知道当时的美国有超过20％的男性存在早泄问题。考虑到SSRI这一可能的新用途，结合达泊西汀有利的药代动力学特征——起效迅速及半衰期短，贴合了男性早泄的临床需求，先前的致命缺陷反而成了新适应症的独特优势。不久，临床试验于2001年启动，并于2009年被FDA批准用于治疗早泄，成为治疗早泄的第一款口服药物。

2.心血管到勃起功能障碍，再到肺动脉高压

最初，辉瑞公司开发的磷酸二酯酶-5(PDE5)抑制剂西地那非主要用于缓解心绞痛的临床研究。然而，临床实验中却没有显示出有利的心血管效应。相反，研究人员发现该药的主要不良反应是异常强烈而持久的勃起，其后研究发现PDE5也是介导勃起生化途径中的关键酶。由此，可快速吸收，对心率和血压无明显影响的西地那非掀起了一股男性性功能障碍药物研发热潮，西地那非，伐地那非，他达那非等被相继开发上市。其中，他达那非作为一种口服、长效、高度肺靶向的选择性PDE5抑制剂，能够在肺组织中通过一氧化氮途径持续起到缓解肺动脉高压的作用，成为新一代肺动脉高压药物。

▼策略二：基于已有作用机制进行开发

1.度洛西汀治疗应力性尿失禁(SUI)

20世纪80年代，礼来公司研发的度洛西汀最初作为抗抑郁药，其作用机制是阻断5-羟色胺和去甲肾上腺素在突触间隙的再摄取。考虑到脊髓中5-羟色胺和去甲肾上腺素还能通过控制尿道括约肌以增加尿道阻力以防止尿失禁，研究人员首先在动物模型上进行了相关的概念验证，发现度洛西汀能够通过5HT受体机制抑制膀胱活动并通过5HT2和α-1-肾上腺素能机制增强外尿道括约肌强度。因此，应力性尿失禁(SUI)成为度洛西汀的新适应症，SUI是一种以腹内压力急剧增加为特征的尿液泄漏，如笑，咳嗽和打喷嚏均可诱发尿失禁，在此之前除了手术治疗和失禁垫，尚无任何有效药物。

2.沙利度胺用于麻风结节性红斑和多发性骨髓瘤

20世纪50年代，沙利度胺因其在最初的适应症—治疗孕吐导致海豹肢而声誉不佳，致使德国颁布了Arzneimitteltelsetz法，要求证明上市药物的安全性。沙利度胺的再利用也是非常偶然的，麻风结节性红斑(ENL)是一种以强烈的，持续性疼痛的结节和炎症为特征的急症，甚至会导致失明。1964年，一位ENL患者因严重疼痛而几个星期持续失眠，但当时接诊的马塞大学医院极度缺药，沙利度胺是医院仅有的镇静类药物，Jacob Sheskin博士认为该药的镇静作用可能会帮助患者入睡，于是给其处方了沙利度胺。几周后，患者不仅奇迹般地治愈了失眠，而且也治愈了麻风结节性红斑疼痛，因此沙利度胺作为唯一一款治疗ENL的药物引起了世界卫生组织的关注。世界卫生组织对4552例患者进行的临床试验显示，约有99％的患者在2周内病情获得完全缓解。并于1998年，批准其用于治疗ENL，商品名“Thalomid”。随后的机制研究表明沙利度胺是一种有效的肿瘤坏死因子α抑制剂，具有抗血管生成特性。该作用机制使其成为抗癌治疗的候选药物，并合理解释了其在人类胎儿肢体发育中的致畸作用。此后，92％的沙利度胺被超适应症用于癌症治疗，2006年，FDA批准其用于治疗多发性骨髓瘤。

▼策略三：基于基因组、药理学网络和信号通路分析

舒尼替尼和达沙替尼用于乳腺癌脑转移

癌症具有异质性和复杂性等特性，由于个体癌症的遗传异质性，不存在某一种特效药能治疗所有癌症类型或亚型。有研究人员据此开发出了快速高效的老药新用策略，该策略由6个计算模块和2个乳腺癌脑转移实验模块组成(Figure 1)。计算模块包括差异分析、富集分析、癌信号桥(CSB)分析、网络机制分析、生存分析和再定位分析，两个实验模块包括靶标验证和药效测定。首先，收集脑、肺和骨转移患者的乳腺癌肿瘤群的微阵列数据用于计算分析，通过Partek和Ingenuity Pathway Analysis进行差异和富集分析以鉴定在具有组织特异性转移的患者和没有转移的患者之间差异表达最多的基因(基因标记，P <0.001，Student'st-检验)。

癌信号桥(CSB)分析是将信号通路与癌症相关蛋白联系起来，CSBs组成的特定网络联系是蛋白-蛋白相互作用(PPI)网络中常见的联系模式，这其中PPI只包括在某一信号通路中至少具有一种蛋白和该信号通路之外的至少一种癌症相关蛋白相互作用的模式才被定义为CSB。如此，则能在CSB中通过PPI信息发现未知的作用机制。例如，特定的CSB含有BRCA1，HSPA8，GRB2和NPM1四种蛋白，能够形成四种PPIs：BRCA1↔HSPA8，BRCA1↔NPM1，GRB2↔HSPA8和GRB2↔NPM1。NPM1的编码基因通过未知机制进行突变导致急性早幼粒细胞白血病。通过运用CSB，NPM1能够基于GRB2蛋白与EGF通路相联系，或基于BRCA1蛋白与E2F转录因子通路相联系。网络机制分析(Network mechanism analysis)主要基于差异分析和富集分析结果以及CSB信号网络。基于网络建模，获得的前网络信号涉及最大数量的信号通路，并且包括基因标签中差异最大的基因。然后应用生存分析模块将假定的信号通路与患者的可用临床信息(例如无转移生存时间)相关联。迭代地进行路径的分层聚类和Kaplan-Meier生存分析以过滤出对患者存活和转移发生至关重要的高置信度蛋白途径，以蛋白质和基因为靶点的具有高置信度的药物具有很高的干扰癌细胞中特定基因谱的潜力。研究人员通过使用计算模块确定了15个再定位的候选药物。其中有10种药物满足中枢神经系统药物的“类药五规则”，表明其有可能穿透血脑屏障。其中，舒尼替尼(批准用于治疗晚期肾细胞癌和胃肠道间质瘤)和达沙替尼(批准用于治疗慢性髓性白血病)，之前尚无报道将其与乳腺癌的脑转移相联系，通过它们在信号传导网络中的靶标(RET和KDR，舒尼替尼；FYN，达沙替尼)，采用实验模块验证。结果表明，这两种药物均显示出显著降低脑转移的潜力，目前正处于乳腺癌脑转移II期临床试验阶段。

Figure 1  An overview of the technical pipeline for cancer drugrepositioning. (摘自Zhao et al. Novel modeling of cancer cell signaling pathways enablessystematic drug repositioning for distinct breast cancer metastases. CancerRes., 2013, 73, 6149–6163).

▼策略四：基于新靶标确证(老药脱靶效应)

抗抑郁药阿莫沙平用于缓解伊立替康的毒性

伊立替康是一种常见的I型DNA拓扑异构酶抑制剂，用于恶性肿瘤，如脑癌，结肠癌和肺癌，以及难治性淋巴瘤。迟发性腹泻是其主要的不良反应，发生率高达88％，大约20%-30％的患者因严重腹泻(CTCAE等级3-4)而必须终止治疗。该副作用严重降低了患者的生活质量，并限制了伊立替康的临床应用范围及强化治疗方案。研究表明，肠道细菌的β-葡萄糖醛酸酶(GUS)能够将无毒的伊立替康代谢产物SN-38G转化成有毒的SN-38，从而诱导肠道副作用。GUS是一个全新的药物靶标，尚无有效的先导化合物，于是研究人员筛选了Prestwick Chemical Library^® (www.prestwickchemical.com)中的1280个已上市药物，其中抗抑郁药阿莫沙平被确定为抵抗细菌GUS最有希望的潜在药物之一。其后研究表明，阿莫沙平及其主要代谢产物7-羟基阿莫沙平和8-羟基阿莫沙平均为GUS抑制剂，能够协同作用抑制伊立替康诱导的腹泻。作为具有已知药物性质和安全性的老药，抗抑郁药阿莫沙平能够在相对较短的时间内用于伊立替康组合化疗方案。

▼结论与展望

老药具有经证实的药物代谢动力学性质及安全性，因此老药新用策略将避免由ADMET引起的临床高失败率，从而降低研发成本，并缩短开发上市的时间。在老药新用开发策略中基于临床偶然发现的确促成了许多成功的案例，但往往处于相对被动的研发状态，现有的基于靶标或表型筛选的传统方法也是老药新用有力的开发策略。这些传统方法仍有较多缺陷，首先是药物可获得的难易程度，尽管许多供应商提供各种常用的化合物，但却不可能涵盖全世界已批准或研究过的所有候选化合物。美国国家卫生研究院的转化科学库存有3800个经批准或研究的化合物实体，其提供了免费的电子资源，但用于筛选的小分子化合物只能通过有限的合作获得。其次，即使该筛选仅限于现有上市药物，大量筛选平台的应用仍然超过了任何一家制药公司的运营能力。以罕见病为例子，根据FDA罕见病定义，美国国内大约有6000种罕见病，其中大多数没有有效的医疗方案及筛选模型。因此，基于计算的方法正在成为系统性老药新用研究的主流，综合运用药物分子-靶标相互作用，PPIs，靶标-疾病关联，信号通路和药理网络，疾病相关基因组学，临床监察及大数据健康记录等公开数据，将能够进一步减少老药新用研发过程的投入，提高新适应症命中率。

参考文献

1.Ashburn, T.T. and Tor, K.B. (2004) Drugrepositioning: identifying and developing new uses for existing drugs. Nat.Rev. Drug Discovery, 3, 673–683.

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3.Zhao, H., Jin, G., Cui, K., Ren, D.,Liu, T., Chen, P., Wong, S., Li, F., Fan, Y., Rodriguez, A., Chang, J., andWong, S.T.C. (2013) Novel modeling of cancer cell signaling pathways enables systematic drug repositioning for distinct breast cancer metastases. CancerRes., 73, 6149–6163.

4.Norbert H., Helmut B. Drug Selectivity:An Evolving Concept in Medicinal Chemistry, First Edition, 2018.