精准代谢组学用于药物靶点开发

徐广

(1.徐州医科大学附属沭阳医院; 2.沭阳县人民医院，江苏 宿迁 223600)

药物靶点是药物与人体作用的结合位点，包括基因、受体、酶、离子通道、转运体、核酸等，通过药物与位点的结合影响生物学事件的改变，从而实现药物的治疗效果[1]。药物靶点数据库有PhID、Therapeutic Target Database (TTD)、DrugBank、Binding DB、PharmGKB等[2]。迄今已发现作为治疗药物靶点约800多个，超过50%的药物以受体为效应靶点，其中G-蛋白偶联受体(GPCR)靶点在受体靶点占据不大部分，成为最重要的作用靶点[3]；同时超过20%的药物以酶为靶点，特别是酶抑制剂类药物，在临床应用中也具有特殊地位；其他药物靶点信息尚未明确，涉及结构蛋白、膜转运体等作用靶点[4]。药物发现是个长久的过程，辨识疾病的生物学起源和潜在的靶点介导，是发现新药的第一步，药物靶点研究将对药物的发现和开发具有极其重要的促进作用，靶点辨识还需要更多新思路、新方法和新技术的介入[5]。随着基因组学、蛋白组学和代谢组学等技术的成熟和应用，更多涉及药物靶点开发的方法被探索，如何通过疾病本身精准发现药物靶点，精准代谢组学提供了前瞻性的思路，结合遗传学和精准医疗的策略，利用代谢组学对疾病本身的认识，通过特异性代谢物的修饰和生物学过程中代谢组的干预，从而寻找与疾病密切关联关系的重要靶点，为先导化合物的发现和药物靶点的筛选提供有力支撑[6-7]。

1 药物靶点发现新思路

1.1 代谢组学介导生物学事件解释

代谢组学是近年来兴起的一门科学，伴随系统生物学和精准医疗的发展和成熟，代谢组学展现出其他组学未曾有的优势，以一种新的研究思路，更好地理解和解决生物学问题[8]。尤其在药物靶点发现方面，具有直接体现生物学事件在代谢物层面的差异变化优势，代谢组的差异精准反映疾病的发生过程[9]。更多地涉及疾病作用靶点的代谢物可以被区分，有较好的药物靶点发现前景。有别于其他组学，在生物学事件发生的过程中，代谢组最直接反应生物学事件发生前后的差异变化，减少了中间过程的时间差而造成数据缺失。基因组学和蛋白组学是“事前性”的生物学事件变化，往往在生物学事件发生后，基因组的数据已回调正常，造成研究过程中的数据丢失，而代谢组可以更好得到真实的生物学事件的表型数据[10]。代谢组研究内容涉及临床样本、生物样本等的生命体小分子代谢产物，依托核磁共振仪、气相色谱质谱联用仪和高效液相色谱质谱联用仪平台的检测，并通过对差异代谢物和关键代谢物的研究，构建与疾病和生物学事件密切关联的代谢通路，依托特异性的功能代谢产物，寻找发现特异性的生物靶标，基于此开发药物用于疾病的预防、诊断和治疗[11]。

1.2 精准代谢组学明晰生物靶标

精准代谢组学在传统代谢组学的基础上整合遗传学、基因组学、蛋白质组学和精准医学，通过多学科数据分析和策略研究，鉴别与疾病发生发展密切关联的功能代谢产物，构建特异性的代谢组，明晰相关代谢通路[12]。基于此进一步理解疾病的发生发展过程，更精准的发现特异性的疾病诊断生物标志物，用于疾病的前期诊断和治疗后的效果评价，同时精准地对功能代谢物合成通路的阻断和代谢物本身的结构改造，参考磺胺类药物的作用机理，开发用于治疗特异性疾病的先导化合物[13]。精准代谢组学策略通过对代谢组和代谢通路的精准识别，可以精准到某一种疾病的某一种生物靶点，基于对该靶点特异性和敏感性的化合物的改造和筛选，更好的精准于某一类疾病的治疗。为了应对目前临床使用的药物耐药性问题，本综述提出的精准代谢组学策略，在传染性疾病的致病因子靶点发现方面，利用致病因子本身的特性进行结构改造开发先导化合物，从而降低致病菌本身的耐药，同时精准代谢组学在代谢性疾病的靶点群发现方面更具有优势，通过对多个靶点的干预，从而实现疾病的代谢云向健康组的代谢云转变，多靶点模式的作用方式干预，用于新型药物的开发，实现临床疾病的精准治疗[14-15]。

2 精准代谢组学用于药物靶点发现

2.1 致病因子靶点表征传染性疾病思路

在传染性疾病的感染过程中，从降低细菌致病因子和细菌致死合成的角度来发现药物靶点和靶点群[16]，见图1。细菌的一部分致病因子以小分子的形式释放[17]，例如一类致病菌释放的铁载体致病因子，通过细菌体内合成，细胞膜转运体外，与血红蛋白竞争性的结合铁离子及竞争生物体其他的微量金属离子(镍、锰、锌和钴等)，然后再经过跨膜转运供给细菌的生长繁殖需要，实现细菌感染和致病过程[13,18]。同时一类致病菌分泌的yersiniabactin铁载体可以螯合生物体免疫反应释放的毒性铜离子，进一步保护细菌，实现抵抗人体免疫反应的作用，在细菌感染和保护细菌方面发挥着至关重要的功能[19-20]。

如果能明晰更多的小分子类致病因子，对传染性疾病感染过程的理解和基于此开发药物可以提供更好的思路，代谢组学的引入可以从根本上解决这个问题，通过代谢组学的主成分分析、偏最小二乘判别式分析和热图分析，为找到功能分子和差异目标化合物提供可行依据，再经过一级质谱、同位素质谱和二级质谱实验实现化合物的定性定量鉴定，实现目标化合物和未知化合物的结构表征，再结合致病因子基因的功能和蛋白质组的数据，发现更多的关联致病因子，表征感染性最高、敏感性最好和选择性最优的致病因子，整合参与合成的酶及蛋白，构建该致病因子的生物合成通路，明晰其致病过程，基于此可以作为传染性疾病特异性的生物标志物用于疾病的诊断，同时阻断致病因子上游通路和利用致病因子的特洛伊木马策略，开发具有高抗菌活性的药物用于传染性疾病，从而实现疾病的精准诊断和治疗[21]。

特洛伊木马策略是基于致病因子的细菌体内外转运，对致病因子进行结构改造，络合抗生素或者致病因子功能基团改造，通过细菌跨膜转运，从而使细菌产生致死合成，从而杀灭细菌的方法。有相关研究报道，在致病性大肠杆菌中对其一种铁载体enterobactin进行特洛伊木马改造，成功开发出新型抗生素[22]。利用精准代谢组学技术，可以精准的发现和疾病密切关联关系的致病因子，相比于已经开发的enterobactin-siderophore抗生素，本策略更加精准于传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关联，较已开发的铁载体抗生素更具优势。 本策略通过对疾病的更好理解，实现新型药物的靶点的开发和先导化合物的发现[23]。

图1精准代谢组学整合遗传学策略用于传染性疾病的治疗策略

Figure1Precise metabonomics integrated genetics strategy for the treatment of infectious diseases

2.2 代谢云靶点关联代谢性疾病探索

代谢性疾病种类繁多，其发生发展过程较为复杂，如何在众多的代谢物中寻找最有效的关键分子成为代谢类疾病研究的关键[24]，见图2。代谢组学整合生物化学和蛋白组学的策略被用于复杂性代谢疾病的研究[25]。例如肝癌疾病的相关研究，目前的甲胎蛋白用于肝癌的预防诊断存在较多的不足，影响甲胎蛋白变化的因素较多，临床中不能够有效的排除相关的干扰，同时基于甲胎蛋白等代谢物的特异性靶点药物也未曾上市，临床应用中仍然存在特异性诊断不准确的问题[26-27]。

精准代谢组学通过不同阶段肝癌样本(涉及肝炎、肝硬化、肝占位、不同时期肝癌样本)的非靶标代谢组实验和靶标代谢组实验，经过相关代谢组学分析，在满足受试者工作特征曲线(ROC曲线)的代谢物中寻找与肝癌发生发展呈线性或特异曲线关系的特异功能代谢物组，该代谢物组具有较高的肝癌特异性和敏感性，开发基于此类疾病的特异性诊断试剂盒，具有较高的疾病关联属性和疾病特异性，很好的应用于疾病的早起诊断和预防[28]。同时整合功能基因和特异性蛋白的改变和异常表达，构建疾病发生的可能通路，精准的选取其中关键的功能分子作为药物靶点，开发新型药物[29]。精准代谢组学策略可以精准到代谢性疾病的某一种生物靶点，结合疾病的发生发展过程，更加有效的发现与疾病本身密切相关的特异性和敏感性靶点，基于此进行先导化合物筛选，更好的精准于代谢性疾病的治疗，同时为了应对目前临床使用的药物耐药性问题，精准代谢组学在代谢性疾病的靶点群发现方面更具有优势，通过对多个靶点的干预，从而实现疾病的代谢云向健康组的代谢云恢复，即疾病状态的代谢关联图谱向健康状态的代谢图谱转变，以多靶点模式的探索为中心，开发多靶点的多个药物组方，用于新型药物的开发和已有的药物的优化组合，更好地实现代谢性疾病的诊断和治疗。

图2精准代谢组学策略用于代谢性疾病的靶点发现
Figure2Accurate metabonomics strategy for target discovery of metabolic diseases

3 总结

在药物靶点的开发过程中，精准代谢组学策略更加注重疾病的精准，其最终目的是实现疾病的精准治疗，目前对疾病本身的理解和基于疾病本身的精准治疗较少，随着国家大健康战略的深入推进，精准医疗的策略思想也被应用到药物发现过程中。本策略应用代谢组学、遗传学、精准医学等生命科学的平台、技术、研究方法和思路，以疾病和生物学事件为出发点，更好的寻找在疾病发生过程中的关键点，其最终目的是回答和解决生物学事件，理解功能特异分子的关键靶点作用和开发新型药物，从疾病发生发展的全局和关联关系出发，精准到治疗靶点和靶点群，在对疾病深刻的理解基础上，实现新型先导化合物的发现，更好的减少在新药开发过程的无效筛选，基于已发现的特异性小分子化合物，利用特洛伊木马策略和代谢云干预策略，精准修饰特异性代谢位点，靶向作用于生物学事件密切关联的关键酶或蛋白，开发新型先导化合物、新型药物组方和特异性诊断试剂盒，基于此探索新药靶点，更好作用于特异性疾病，从而实现疾病的精准诊断和精准治疗。