导读
靶向-组织外药物接触是制约候选药物治疗窗口的一个重要不良反应来源。在中枢神经系统的疾病中，具有脑部限制药理学的药物是非常理想的。作者报告了一种策略，通过使用脑渗透性mTOR抑制剂RapaLink-1和脑渗透性FKBP12配体RapaBlock，实现对哺乳动物雷帕霉素（mTOR）的抑制，同时在其他地方疏导mTOR活性。作者表明，这种药物组合减轻了mTOR抑制剂的全身效应，但保留了RapaLink-1在胶质母细胞瘤异种移植中的疗效。我们进一步提出了一种通用方法，从已知的药物支架中设计出可渗透细胞的、依赖FKBP12的激酶抑制剂。这些抑制剂对RapaBlock的失活很敏感，能够对其各自的激酶靶点进行大脑限制性抑制。
论文ID
题目：Brain-restricted mTOR inhibition with binary pharmacology
期刊：Nature
IF：69.504
发表时间：2022年9月14日
通讯作者单位：霍华德-休斯医学研究所
DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05213-y
主要内容：
当两种药物结合使用时，它们改变了一种叫做雷帕霉素复合物靶点1的蛋白质复合物的活性，使其在大脑中受到抑制，但在体内却没有受到抑制，从而能够治疗小鼠的脑肿瘤而没有全身性的毒性。
药物化学家和药理学家梦想着如何将药物特异性地引导到选定的器官。一个特别具有挑战性的目标是大脑：许多药物不容易通过血脑屏障（BBB），或被积极地从大脑中抽出。如果要投放的药物也显示出对整个身体（系统）的不良影响，情况就更复杂了。其中一种药物是雷帕霉素，它能阻止肿瘤生长，但也被用作器官移植期间的免疫抑制剂。雷帕霉素及其半合成衍生物，抑制一种称为雷帕霉素复合物1（TORC 1）的蛋白质复合物。作者提出了一种创新的化学方法，将雷帕霉素的作用限制在大脑中，从而消除不良的全身性影响，如免疫抑制。他们将一种高亲和力的雷帕克（RapaLink-1）与一种新开发的分子（RapaBlock）结合在一起，这种分子可以阻止TORC1的全身抑制，但不能进入大脑。
TORC1调节着许多基本的生物过程，包括细胞增殖、自身免疫、代谢和癌症。Rapalogs已被成功用于减缓肿瘤的生长1，以及治疗中枢神经系统的疾病。
为了稳定地抑制TORC1，雷帕霉素必须与一种叫做FKBP12的细胞蛋白和一种叫做雷帕霉素机械靶标（mTOR）的蛋白质的雷帕霉素结合域（FRB域）形成复合物，后者是TORC1的一部分。这通过最初形成FKBP12-雷帕霉素或FRB-雷帕霉素复合物而发生。Zhang及其同事开发的RapaBlock分子是FKBP12的高亲和力配体（一种结合分子），并阻止其与雷帕霉素结合。由于FKBP12-雷帕霉素复合物比FRB-雷帕霉素复合物要稳定得多（解离常数（Kd）约为0.2纳摩尔，而FRB-雷帕霉素复合物为26微摩尔），RapaBlock阻止了 "准不可逆 "的FKBP12-雷帕霉素-FRB三方复合物的形成，从而使TORC1基本上自由运作。
Zhang等人是如何设计RapaBlock分子的？他们在FKBP12的合成配体（称为SLF）和高亲和力的天然配体（FK506）的基础上建立了两个结构多样的分子库。然后作者测试了所得到的分子是否有能力阻止雷帕霉素或其衍生物RapaLink-1对TORC1的抑制。RapaLink-1是由雷帕霉素与mTOR激酶抑制剂（与mTOR的催化ATP结合袋结合）组成。通过与FRB结构域和ATP结合位点的结合，RapaLink-1与TORC1结合得非常紧密。
Zhang等人发现，雷帕霉素可以被低亲和力的SLF衍生物所阻碍，但RapaLink-1只被高亲和力的FK506衍生物所大量拦截。因此，他们选择了一种FK506衍生物作为RapaBlock，它综合了三个关键特性：第一，它对FKBP12具有高亲和力（Kd为1.6 nM）；第二，它不能进入大脑；第三，它不能与钙神经蛋白结合（钙神经蛋白与FK506-FKBP12复合物结合，引发免疫抑制）。这些特点使RapaBlock能够将全身性的FKBP12封存在体内，阻断RapaLink-1的活性，防止其对免疫的干扰。由于RapaBlock不能穿透BBB，RapaLink-1在中枢神经系统中的作用不会受到抑制。
向大脑输送化合物的要求很高，已经开发了一些工具来预测一种化学物质是否能够穿透BBB。一个广泛使用的例子是多参数优化（MPO）算法，它结合了六个关键的物理化学特性（包括分子的拓扑极性表面积、亲脂性和分子量）。MPO评分为4分或更高，预示着血液和大脑中的药物水平有良好的平衡性。新版的mTOR抑制剂（如mTOR激酶抑制剂，在结构和功能上与雷帕霉素无关）已被优化以进入大脑。例如，PQR620的MPO为3.8，脑血比达到1-1.5，视剂量而定。
雷帕霉素（1.25）、RapaLink-1（1.0）和RapaBlock（1.25）的MPO得分预示着脑部渗透率非常低。这一点在雷帕霉素及其衍生物依维莫司中得到了证实，其最大的脑血比约为1:100。尽管如此，雷帕霉素和依维莫司可以减少结节性硬化综合症患者的癫痫发作（该病是由大脑中TORC1过度激活引起的）。因此，雷帕霉素、其衍生物和RapaLink-1的作用似乎是由一种水槽效应主导的，它将到达大脑的少量化合物困在准不可逆的三方FKBP12-雷帕霉素-TORC1复合物中。
与这种模式相一致，Zhang等人发现，将RapaLink-1和RapaBlock结合在一起可以延长两种胶质母细胞瘤脑瘤小鼠模型的生存期，还可以减少其中一种模型的肿瘤生长。此外，以前的一项研究表明，RapaLink-1和RapaBlock的组合也可成功应用于酗酒的小鼠模型。联合使用这两种药物可以阻止大脑中阿肯色核的TORC1信号传导，减少酒精的渴望和消费，并防止RapaLink-1引起的肝脏毒性、葡萄糖不耐受和体重下降。
Zhang等人还建立了RapaLink-1-RapaBlock和Rapamycin-RapaBlock相互作用和大脑渗透的模型。他们预测，需要1μM左右的RapaBlock血浆浓度来拦截雷帕霉素，以及大约10μM的RapaBlock，以大幅度保护TORC1信号免受RapaLink-1的抑制。这些浓度在治疗环境中很难达到，因此药理动力学和RapaBlock对FKBP12的亲和力等特性将需要改进。
最后，作者声称，将作用于细胞内的药物（如蛋白激酶抑制剂）与FK506衍生的FKBP12结合模块相结合，将产生其他可编程的抑制剂，可以通过RapaBlock引导到大脑而不是身体。作者使用的分子确实在细胞内积累，但它们对BBB的穿透力仍需得到证明。总的来说，没有类似于FKBP12-rapamycin-TORC1三方复合体的 "靶向陷阱"，用于拟议的可编程药物。但是，随着进一步的研究和完善，Zhang及其同事令人印象深刻的化学策略应该为器官特异性药物靶向开辟新的途径。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05213-y
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