近年来，共价药物设计越来越受到药物化学家们的关注。相比于传统的非共价药物，共价药物有着高活性、高选择性、低剂量、低脱靶率、抗耐药性等优点。然而，共价药物的毒性问题让人们对共价药物仍然存在顾虑。因此，理解共价药物与靶标作用的生物化学机制，对高效、安全地设计共价药物至关重要。
传统药物通过非键作用与靶标结合，这些作用包括静电相互作用、氢键作用、范德华相互作用和疏水作用等；而共价药物除了非键作用还与靶标形成较强的化学键，结合更加紧密， 由于共价结合药物由于涉及电子转移，传统基于分子力学方法无能为力，因此，量子化学方法在更高精度的电子水平层面去研究共价药物与靶点的共价结合机制就再合适不过了。
运用量子力学-分子力学组合（QM/MM）的多尺度模拟方法，详尽地阐明了治疗糖尿病的共价药物维格列汀（VIL）和沙格列汀（SAX）与靶标DPP-4作用的生物化学机制，并从酶催化的角度揭示了导致两种药物活性差异的原因（图1）。
图1. 两种共价药物在靶标DPP-4活性口袋中可能经历的生物化学反应过程，图片来源： ACS catalysis.
传统药物通过非键作用与靶标结合，这些作用包括静电相互作用、氢键作用、范德华相互作用和疏水作用等；而共价药物除了非键作用还与靶标形成较强的化学键，结合更加紧密，同时也使得作用机制更为复杂，给药物设计带来了挑战。如图2所示，传统非共价药物的活性主要由动力学常数k1和k-1决定，研究中通常用IC50值（达到50%抑制效果时抑制剂的浓度）来表征；而共价药物的活性通常不能用IC50值来衡量，其活性主要由k2、k-2和k3决定。当共价药物不能被靶标自身代谢时，也即k3不存在或很小时：如果k2远远大于k-2，药物与靶标结合是不可逆的，药物-靶标停留时间最长，同时也可能带来大的毒性；如果k-2与k2接近，药物与靶标结合是可逆的，其药物-靶标停留时间主要由k-2决定。当共价药物能被靶标自身代谢时，药物与靶标结合是伪不可逆的，其药物-靶标停留时间主要由k3决定。
图2. 共价药物与靶标可能的作用模式，图片来源：ACS catalysis.
文章作者通过QM/MM MD伞形采样获得了这两种药物（VIL和SAX）与靶标DPP-4共价结合及代谢过程的自由能曲线（图3）。模拟结果预示了VIL为伪不可逆共价抑制剂，而SAX为可逆共价抑制剂，与药物代谢实验相吻合，很好地解释了它们的药效差异。更重要的是，作者通过动态结构分析找出了导致这两种共价药物性质差异的潜在原因。在水解（代谢）反应中，反应中心由平图结构变成四面体结构，这将导致-CNH基团顺时针转动。如图4所示，在VIL中-CNH基团的转动是允许的；而在SAX中，三元环的空间立体排斥阻止了-CNH基团的旋转，从而导致水解反应不能发生，也即SAX不能被DPP-4自身代谢。因此，文章从酶反应动力学层面揭示了药物作用机理及活性差异的来源，对共价药物设计具有启发意义。
图3. 共价结合及代谢过程的自由能曲线
图4. 两种共价药物水解过程的代表结构，图片来源：ACS catalysis.
参考文献
Wang, Y.; Zhang, F.; Diao, H.; Wu, R.* The Covalent Inhibition Mechanism of Antidiabetic Drugs-Vildagliptin vs Saxagliptin. ACS Catal. 2019, 9, 2292~2302.