随着药物发现中使用的筛选技术的进步，包括基于细胞测定、AI和结构生物学的方法，人们提高了筛选命中率，并能够识别出以前被认为是难以成药靶点的候选药物。然而，候选药物在临床试验中的失败率仍然非常高，缺乏疗效是主要原因之一。一般来说，有四个可能的原因可以解释候选药物因疗效而失败率高的原因：对治疗疾病所需的药理作用缺乏了解；选择了不合适的靶点以达到预期效果；选择了不能有效调节靶点的候选药物；以及未能充分表征候选药物的全部效果，并在合适的患者群体中评估药物。

第一和第二个原因根源于缺乏对疾病病理生理学的全面了解，这始终是新药发现的挑战，尤其是对于更复杂的疾病，单一靶点可能无法确定为疾病的关键原因，并且该疾病患者之间存在相当大的异质性。而对于后两种原因，更深入的表征越来越重要，因为药物疗效的“质量”，至少对于G蛋白偶联受体（GPCR）来说，远不止通常评估的激活途径，如cAMP信号传导，还有更多 “功效”可以用于治疗，如偏向性信号传导和变构调节。因此，充分了解候选分子的药理学特征，能够发掘更复杂的药理学潜力，可以更好地明确候选分子药效，增加候选药物进入临床试验的成功概率。

在体外研究中，GPCR靶向化合物的药理学命中率优化通常研究四个特征：结合模式（正构或变构）、亲和力、功效和相互作用动力学。

结合模式

化合物是以正构还是变构的方式结合靶标是关于其作用模式所需的关键信息，因为它区分了化合物与内源性激动剂引起的持续生理活性相互作用的体内特征。此外，如果一种化合物具有变构作用，它将具有正构药物所不具备的特性。例如，变构调节剂可以产生更微妙的作用，如信号传导的有限减少，而不是消除反应，或增强内源性激动剂的作用。

亲和力

与药物靶点接触需要多大浓度的药物？药物的亲和力表明组织中受体的结合浓度；具体而言，药物对特定受体的亲和力为Kd−1，Kd是一种浓度，当药物浓度等于Kd时，组织中50%的受体被药物占据。

功效

分子的治疗价值可能是由于它所具有的一系列功效，而不仅仅是一种活性。例如，β-肾上腺素受体阻滞剂理论上对心力衰竭有益，但在16种测试心力衰竭疗效的β-阻滞剂中，只有卡维地洛显示出真正的治疗效果。那么问题来了，为什么都具有β-阻滞剂特性，而这么多分子都对心力衰竭无效？在这种情况下，关键可能是卡维地洛的一系列功效（阻断β2-肾上腺素受体和α1-肾上腺素受体、抗氧化作用、抗内皮素作用和抗增殖特性），而不是单一的药物特性。这些数据表明，候选药物在体内传递的信号可能比以前认为的要异质得多，并且在复杂的体内研究中，为候选分子尽可能多地确定其功效可能是非常有用的。

与靶标相互作用的动力学

药物在体内与靶标结合的时间长度可能是候选药物在治疗效果和选择性方面总体特征的一个非常重要的部分。事实上，有一些治疗效果的例子更多地取决于药物-靶标复合物在体内的寿命，而不是效力。例如，血管紧张素II 1型受体拮抗剂，其由于动力学而表现出作为抗高血压药物的显著分化。

体内分子评估包括药物在靶标室中的存在、靶结合和停留时间（可能与体外结合和停留的时间不同）、有效性的研究，以及更复杂的药理学分析，以更好地确定候选疗效。

药物在靶标室中的存在

这包括研究药物吸收和分布的药代动力学。在这个阶段，必须得到四个问题的答案：（1）给药的剂量吸收了多少？（2） 被吸收的药物在体内分布在哪里？（3） 药物在体内停留多长时间？（4） 必须多久给药一次才能达到血浆稳态浓度？了解药代动力学参数及其对体内靶标获取的影响对于新药候选药物至关重要。

体内靶标结合和停留时间

药物必须在体内与治疗靶点接触才能有效。例如，如果是由于巨大的分布体积，那么药物在体内的半衰期很长是没有用的。这是因为药物可能被隔离在脂肪组织等地方，在这些情况下，治疗室中可能不存在药物。药物与靶标接触的时间应与产生治疗效果所需的时间相当，这可以通过药物-靶标复合物足够的药代动力学特征和有利的koff和kon率来实现的。

有效性

以疗效为重点的临床试验（通常为II期）和以疗效为中心的临床试验之间存在差异（通常为III期）。II期进行疗效试验以确定该药物是否对人体有任何作用；为了检测这一点，基线需要尽可能统一，以提供观察效果的能力，这通常是通过选择狭窄的患者群体来实现的。相比之下，III期试验要在更异质的患者群体中进行有效性试验，以确定真正的治疗效果。这是一个更严格的标准，也是许多药物失败的原因。

慢性使用组胺H2受体阻滞剂后溃疡治疗的有效性丧失（真实例子）

急性时，组胺H2受体阻断药物可减少胃酸分泌并使溃疡愈合，但一些H2阻断剂在慢性治疗中会失去活性；这归因于H2受体的细胞表面表达增加。用反向激动剂观察到活性损失，但用中性拮抗剂没有观察到。这是因为在受体的持续细胞合成面前，反向激动剂阻止细胞表面的受体激活，以及随后的正常受体内化。中性拮抗剂不能阻止受体自发激活，也不能阻止受体内化。尽管并非所有的反向激动剂都产生耐受性，但当分子在体内测试时，了解这种情况的发生可能是非常重要的。

α-肾上腺素受体激动剂升高血压失败（模拟）

在这种假设的情况下，已知在体外收缩血管的α-肾上腺素受体激动剂在体内不会升高中心核心血压。随后的分析表明，这种激动剂虽然非常有效，但其效力来源于高亲和力而非高效力。这种化合物仅在非常敏感的组织中产生激动剂作用，但实际上可以在低敏感性的组织中作为拮抗剂。这个例子的教训是要确定激动剂功效的实际质量的价值。

未能增加阿尔茨海默病中胆碱能神经传递下降（模拟）

一个假设的例子是补偿阿尔茨海默症患者胆碱能信号的下降，为此，给予乙酰胆碱受体正变构调节剂（PAM），但症状没有明显改善。后续研究表明，PAM主要通过增加乙酰胆碱对受体的亲和力来产生对激动剂信号的增敏作用。考虑到阿尔茨海默病患者的胆碱能信号传导正在下降，这一切只会在较低浓度的神经元乙酰胆碱下产生同样低水平的刺激，但不会增加最大反应。这个例子的教训是要明白PAM效应的分子机制，从而能够选择增加激动剂效力而不是亲和力的PAM。

未能缓解用于糖尿病治疗的GLP-1受体激动剂的副作用（模拟）

GLP-1受体激动剂用于糖尿病治疗，但由于GLP-1受体的持续直接激活，已观察到此类药物的恶心和脱敏的副作用。理论上，GLP-1受体PAM只会产生胰岛素增强作用。然而，除了增强GLP-1激动剂外，许多实验性PAM还表现出直接激动作用，而这种作用必须在敏感的测试系统中才能确定。这个例子的教训是要评估PAM中可能的直接激动剂作用，以确定当不存在GLP-1受体激动剂时是否激活GLP-1受体。

CCR5内化剂未能对HIV-1感染产生活性（真实例子）

HIV-1通过与趋化因子受体CCR5的相互作用感染细胞，因此减少HIV-1感染的潜在机制是CCR5的内化。众所周知，趋化因子会内化CCR5，但内化过程的结果可能是可变的。例如，趋化因子CCL5快速内化受体，只是使它们快速循环回到细胞表面；在这种情况下，CCL5对HIV-1感染几乎没有影响。其他趋化因子，如AOP-RANTES，将受体内化并引导其进入细胞降解机制，从而阻止其重新出现在细胞表面。这个例子的教训是要在受体内化机制的测定中进一步表征内化受体的处置。

偏向性血管紧张素受体调节剂在心力衰竭中的失败（真实例子）

TRV027是一种针对心力衰竭研究的偏向性血管紧张素II 1型受体调节剂。在一项针对急性心力衰竭患者的IIb期随机、双盲、安慰剂对照剂量范围试验中，TRV027没有显示出更优越的疗效。尽管TRV027主要是一种血管紧张素受体拮抗剂，但它增加了一些功效（β-arrestin激动剂）。然而，试验设计涉及短期48–96小时输注TRV027，终点评估30天后对症状和生存率的影响；这不是一种会检测到TRV027独特活性的设计。此外，患者队列似乎没有充分考虑肾素-血管紧张素活性，因此提供了一个负面背景，在此背景下，血管紧张素受体拮抗的任何益处都不会明显。这个例子的教训是，对候选分子进行临床评估可能需要提高敏锐度来辨别独特的价值。

新药发现和开发的整个过程是许多技术和策略的复杂组合，这些技术和策略涉及鉴定以所需方式与药物靶标相互作用的分子，以及将体外和动物模型中确定的药理学特征与患者的临床活性联系起来。种种的药物开发失败的例子表明，该过程的起点（靶标识别和验证）和终点（对所选候选药物进行充分的表征和评估）之间存在沟壑。因此，以比以前更精确的方式表征新的候选药物，更接近“了解你的分子”的目标，将为药物开发带来更好的结果。

参考文献：

1. Know your molecule: pharmacological characterization of drug candidates to enhance efficacy and reduce late-stage attrition. Nat Rev Drug Discov.2024 Jun 18