背景
靶向蛋白質(zhì)降解技術(targeted protein degradation,TPD)是一種新型的藥物發(fā)現(xiàn)策略,其通過調(diào)節(jié)宿主蛋白降解系統(tǒng)來發(fā)揮治療效果。通過誘導致病靶蛋白的快速降解發(fā)揮治療作用。TPD技術不用重視靶蛋白本身機制,無需競爭位點,結合上就直接將靶蛋白泛素化標記后降解[1]。它在治療癌癥、傳染性、炎癥和神經(jīng)退行性疾病等方面顯示出了巨大的潛力,特別是對于那些具有“不可成藥”的致病蛋白靶點的疾病。
TPD技術根據(jù)作用原理不同又分為PROTAC和分子膠。PROTAC即靶向蛋白降解嵌合體(Proteolysis-Targeting Chimeras),是一種利用泛素-蛋白酶系統(tǒng)(Ubiquitin-Proteasome System, UPS)對靶蛋白進行降解的藥物開發(fā)技術。PROTAC一端是結合E3連接酶的配體,另一端是結合細胞內(nèi)靶蛋白的配體,配體間由連接子連接。PROTAC通過把靶蛋白招募到E3泛素連接酶附近來實現(xiàn)靶蛋白的多泛素化,Z后被蛋白酶降解。分子膠是一類小于500Da的小分子,與PROTAC相比,其中兩個配體通過靈活的接頭連接,該接頭可以扭轉和轉動并允許兩種蛋白質(zhì)接觸,相當于重塑E3連接酶受體表面性質(zhì),通過向內(nèi)拉扯兩個蛋白,誘導或增強兩個蛋白的相互作用力,從而達到降解目標蛋白的目的。
由于TPD的機制特殊,僅需少量給藥就可發(fā)揮藥效,這也給它的安全性和活性評價帶來一定難度。藥物的代謝產(chǎn)物分析在藥物安全性和活性評價過程中起到了至關重要的作用,目前對代謝物的查找主要依賴質(zhì)譜技術。
高分辨質(zhì)譜ZenoTOF 7600 系統(tǒng)既含有根據(jù)化學鍵鍵能強弱產(chǎn)生二級質(zhì)譜碎片的CID模式,又含有基于低能電子和帶電離子相互作用,從而產(chǎn)生更加豐富碎片的EAD模式,可以為藥物代謝位點的確認帶來巨大的幫助[2]。近年來TPD技術在新藥研發(fā)中備受關注,已開發(fā)多種PROTAC及分子膠藥物的代謝產(chǎn)物鑒定方案,尤其是使用EAD技術進行了關鍵代謝位點的確認,本文將介紹其中的3種方案。
方案一:利用 ZenoTOF 7600準確鑒定PROTAC藥物GNE-987的I相氧化代謝物
GNE-987是一種降解溴結構域蛋白4(BRD4)的PROTAC,由VHL配體、BRD4配體與間隔基團組成,具有皮摩爾級別的BRD4降解活性,所以這也給它的安全性和活性評價帶來了一定難度。
本文采用體外肝微粒體孵育的方式制備代謝物樣品,通過 ZenoTOF 7600高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)對樣品中PROTAC藥物GNE-987的I相氧化代謝產(chǎn)物進行定性分析。在本實驗中,使用 ZenoTOF 7600系統(tǒng)中的CID碎裂模式結合其特有的EAD碎裂模式對PROTAC藥物GNE-987的I相氧化代謝產(chǎn)物的代謝位點進行了確認,為代謝產(chǎn)物結構的準確鑒定提供了理論依據(jù)。
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圖1. GNE-987單氧化代謝產(chǎn)物的CID和EAD譜圖;a圖為CID碎裂二級譜,通過二級碎片歸屬只能確定氧化發(fā)生在右側的碳鏈上,b圖為EAD碎裂二級譜,通過一系列-CH和-CHOH的二級碎片可判斷氧化發(fā)生位點
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圖2. GNE-987雙氧化代謝產(chǎn)物的CID和EAD譜圖。a圖為CID碎裂二級譜,通過二級碎片及精確質(zhì)量數(shù)只能推測為雙氧化代謝物。b圖為EAD碎裂二級譜,通過一系列-CH和-CHOH的二級碎片可判斷兩個氧化位點
方案二:利用 ZenoTOF 7600系統(tǒng)進行PROTAC藥物ARV-110的代謝產(chǎn)物鑒定
ARV-110是第一款進入臨床試驗的PROTAC藥物,主要靶點是AR(雄激素受體),臨床用于治療轉移性去勢抵抗前列腺癌。本方法采用 ZenoTOF 7600高分辨系統(tǒng)對肝微粒體孵育方式進行處理的PROTACT藥物ARV-110進行代謝產(chǎn)物分析。采用 Molecule Profiler軟件進行數(shù)據(jù)分析,結合ZenoTOF 7600獨特的EAD碎裂方式對代謝位點進行預測。
ZenoTOF 7600高分辨系統(tǒng)中的Zeno trap離子阱集功能可進行二級碎片離子的富集從而得到高靈敏度的二級譜圖用于低含量代謝物的譜圖解析;CID碎裂模式結合EAD碎裂模式可得到更豐富的二級碎片信息,在判斷到代謝路徑的同時為代謝物結構式的預測及代謝位點的判斷提供依據(jù)。Molecule Profiler軟件可同時處理CID和EAD數(shù)據(jù),從大量基質(zhì)背景中快速提取代謝物的一級和二級質(zhì)譜峰并自動進行代謝物的結構預測。
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圖3. Molecule Profiler軟件中的結果查看界面,軟件可同時處理CID和EAD數(shù)據(jù),并根據(jù)二級譜圖信息預測代謝物的結構式信息
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圖4. RT 5.9 min和RT 6.3 min處兩個葡萄糖醛酸化代謝物m/z 495.2446的EAD二級譜圖及特征碎片結構歸屬,圖中結構式圈出部分為碎片對應的結構位置,通過EAD中的差異二級碎片分別對兩個保留時間的葡萄糖醛酸化代謝位點進行了判斷。在CID模式下由于產(chǎn)生的多為丟掉葡萄糖醛酸基團后的碎片因此較難進行具體的代謝位點判斷。
方案三:CID和EAD碎裂模式準確鑒定分子膠藥物Mezigdomide的氧化代謝產(chǎn)物異構體
分子膠藥物Mezigdomide的主要藥理作用包括抗炎、免疫調(diào)節(jié)和抗腫瘤等,臨床主要用于治療風濕性關節(jié)炎和紅斑狼瘡,也可與其他藥物聯(lián)用作為多發(fā)性骨髓瘤的輔助用藥。
本文使用 ZenoTOF 7600高分辨系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集,使用Molecule Profiler軟件進行快速分析,找到肝微粒體孵育樣本中Mezigdomide的代謝物。ZenoTOF 7600系統(tǒng)中的Zeno trap功能,可以對低豐度的代謝產(chǎn)物二級質(zhì)譜碎片進行富集,從而提高其二級質(zhì)譜圖的質(zhì)量;結合CID和EAD碎裂產(chǎn)生的豐富的二級譜圖信息對Mezigdomide的兩個氧化代謝物進行了準確的代謝位點分析。
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圖5. 兩個氧化代謝產(chǎn)物的CID譜圖與母藥的CID圖對比。通過與母藥對比可判斷氧化發(fā)生的大致范圍,但無法確定具體的代謝位點
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圖6. 兩個氧化代謝產(chǎn)物的EAD圖與CID圖的對比。通過EAD中多個特征的二級碎片信息,可較準確的判斷具體的氧化位點
總結
藥物代謝產(chǎn)物分析是新藥研發(fā)流程中重要的一環(huán),是決定藥物能否上市的關鍵因素之一,而代謝位點的確認也是代謝產(chǎn)物分析中的難點。ZenoTOF 7600高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)中特有的Zeno trap功能可以對二級質(zhì)譜碎片進行富集,尤其對于PROTAC及分子膠這類給藥量低的藥物,通過富集后的高質(zhì)量二級譜圖可進行低含量代謝物分析。ZenoTOF 7600高分辨質(zhì)譜系統(tǒng)中含有CID和EAD兩種碎裂方式,其中新型的EAD碎裂方式在葡萄糖醛酸化、氧化、脫氫及戊二酰胺水解等代謝位點確認方面可以得到關鍵的二級碎片信息,幫助解決代謝位點分析中的難題。
參考文獻
1. Louise M. Sternicki, Jim Nonomiya, Miaomiao Liu, et al. Native Mass Spectrometry for the Study of PROTAC GNE-987-Containing Ternary Complexes [J]. Chem Med Chem, 2021, 16, 1-6.
2. Enhanced drug metabolite identification using collisioninduced dissociation (CID) and electron-activated dissociation (EAD), technical note MKT-29204-A
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