薛定谔软件 | FEP 策略打造高选择性 TYK2 抑制剂

大规模自由能扰动（FEP+）首次在药物研发中的应用

广泛采用一种新颖的物理方法来预测溶解度

首次发现具有FEP+的新型皮科莫拉核心

一、设计挑战

JAK/TYK激酶是多种炎症性疾病中的关键信号分子。例如，在银屑病中，炎症是由干扰素和细胞因子释放增加驱动，而这些释放由这些JAK/TYK激酶调控。迄今为止，上市药物已靶向这些多结构域蛋白复合物的JH1激酶结构域。然而，这些获批的JAK抑制剂药物因非选择性抑制其他JAK激酶（JAK1、JAK2、JAK3）而存在与心脏功能、血栓和血栓相关的安全性问题。

Nimbus Therapeutics的科学家们开始着手解决这一挑战，目标是开发一种强效且高度选择性的TYK2抑制剂，既能提升临床活性，又避免靶外副作用。2016年，Nimbus和薛定谔科学家合作开展该项目，最初聚焦催化的JH1激酶结构域，随后基于文献中有前景的数据，转向调控领域JH2。

二、靶向TYK2 JH1催化结构域：利用大规模FEP+实现TYK2选择性和溶解度的突破

TYK2在JAK家族中的高度序列相似性带来了显著的选择性挑战——TYK2、JAK1、JAK2和JAK3配体结合位点几乎相同。为了设计一种高度选择性和高效分子，既能保持活性又避免离靶负荷，团队利用大规模物理模拟区分激酶间的结合。首先，利用FEP+计算自由能扰动预测TYK2靶标效力，以及JAK2和JAK3靶外效力。¹随后，团队引入了一种利用绝对FEP+预测水溶度的新方法，以解决建模过程中ADME的特性。²

有了这些建模方法，项目的下一个转折点是开发了一项大规模的FEP+评分活动，以应对这一多参数优化（MPO）挑战。团队利用丰富的药物化学和建模专业知识，计数出4000个高质量的创意分子，全部通过了MM-GBSA和物理性质过滤器的初步分诊。³随后使用FEP+对分子的效力、选择性和溶解度进行评分（见图1）。实现FEP+评分的大规模应用需要大规模部署FEP+到云计算资源中，自此后已成为常用方法。最终，基于FEP+计算，46种分子被优先用于合成，其中9种在后续实验测试中符合项目的效力、选择性和溶解度标准。结果是，开发出一种针对TYK2 JH1结构域的候选基因，对JAK2具有高度选择性，对JAK1和JAK3则具有中等选择性。

三、通过FEP+全新核心设计和虚拟筛选，转向TYK2 JH2变构域

大约在同一时期，百时美施贵宝的科学家们的新研究证实，通过靶向JH2变构位点，可以实现高度选择性的TYK2抑制剂。⁴项目团队做出了重要决定——转向开发针对JH2调控域的TYK2抑制剂。这一生物学验证，加上TYK2和JAK家族成员伪激酶结构域的深度结构赋能，为团队提供了多管齐下、基于结构的设计策略的机会。

FEP+被用于指导化合物设计策略，并进行新核探索，最终鉴定出吡拉唑-吡啶和吡啶-咪唑核心，这些核心表现出有前景的效力和结构域选择性，但受限于若干ADME缺陷（见图2）。⁵基于结构的大规模虚拟筛选使得利用Glide和WScore对240万商业化合物进行基于已知JH2晶体结构的受体模型群进行筛选，从而产生三种结构上不同的命中类别（见图2）。⁵每次命中都显示出一定程度的JH2亲和力，但基于吡唑-嘧啶核心与BMS发布的吡唑吡啶核心的立体和电子相似性，最终被选为进一步探索对象。这些基于结构的设计努力使团队在三个月内从这些命中中识别出多个皮科莫拉JH2支架。

为了推进这些命中，团队再次采用了MPO范式，采用了大规模建模，这次分为两个阶段。首先，对物理化学性质进行了快速建模以及被动渗透性，以确保化合物能够进入资源密集型FEP+模型，并使合成过程保持在合理的化学空间内。其次，化合物经过严格的FEP+效力预测——靶向是picomol活性。所有模型和多目标文件均被收集在薛定谔的云端企业信息学平台LiveDesign中，集成在不同的LiveReports中，团队将共同审查不同设计目标。利用该MPO策略，团队对TYK2 JH2及其他JAK家族激酶结构域进行了平行配体FEP+建模，以设计具有高JH2亲和力和JAK家族结构域选择性的类似物。

在转向变构型TYK2项目两年内，团队就宣布为开发候选项目。NDI-034858是一种精确调校以靶向TYK2的JH2结构域的picomoral抑制剂，其极为干净的选择性谱（见图3）可见一斑。

2022年11月，Nimbus报告了2b期临床试验中NDI-034858每日一次口服给药的积极结果。⁶此外，到2023年2月，武田已收购该项目。⁷现称为TAK-279的这种高度选择性的口服TKY2抑制剂，在治疗银屑病及多种免疫介导疾病方面具有同类最佳潜力。⁸