单细胞新药研发导论|| 药靶发现

开刊词||单细胞新药研发导论
单细胞新药研发导论|| 新药研发管线

将单细胞研究的基本思路与新药研发的成熟管线结合起来。

人类开展药物筛选的方法与科学技术的发展密不可分，先后经历了活体评价（神农尝百草）、器官/组织筛选，再到现代的分子靶向、细胞表型等方法。在这个历程中，单细胞技术将怎样推进药靶的发现呢？

在讲单细胞技术加速药靶发现之前，我们先来理解一下什么叫药靶以及相关的几个问题：

• 什么是药靶
• 如何发现药靶
• 人体药靶是有限的吗
• 如果药的概念扩展了，药靶的概念会怎样扩展
• 细胞本身可以作为药（或载体），也可以做为药靶吗

药物与机体生物大分子的结合部位即药物靶点。药物作用靶点涉及受体、酶、离子通道、转运体、免疫系统、基因等。可见，药靶不是有机体中天然存在的，它是疾病固有的特征，举两个例子：

• 程序性死亡受体-1（PD-1）： PD-1属于CD28超家族成员，是由268个氨基酸组成的I型跨膜蛋白。可在T细胞、B细胞等免疫细胞表面表达。不过在T细胞未活化时，几乎不表达PD-1，仅在T细胞活化之后，PD-1才在T细胞表面表达。PD-L1在多种实体瘤中持续表达，如肺癌、肝癌、乳腺癌、鳞状细胞癌以及卵巢癌等。通过PD-L1与T细胞表面PD-1结合，就如同给T细胞使用了障眼法，对肿瘤细胞视而不见，使其逃避了免疫系统的监视及杀伤，继续逍遥法外。

• 肿瘤微环境。组织缺氧是一个引人关注的肿瘤微环境中的治疗靶点，目前研究中的两种治疗策略为生物还原药物和分子靶向药。如HIF-1a作为一种转录因子，在肿瘤缺氧时可以被激活，从而使肿瘤细胞可以更好地适应缺氧环境。开发HIF-1a抑制剂则可以使之失去这种适应能力，进而利用缺氧杀死癌细胞。这个故事告诉我们，靶点并不只是某个蛋白那么简单。

但是生物大分子依然使一类最大的经典靶点，那么仅看人体的生物大分子的话，人体到底有多少潜在靶点呢？在后基因组时代我们可以回答这个问题，人类共有20000--25000个蛋白质编码的基因，加上人体微生物基因组编码蛋白基因，这个总量是可以衡量的。研究表明大约有5000个潜在的可成药的大分子靶点适合用于小分子药物开发，另外有3200个靶点可适用与生物学治疗。

以上，我们简单明白了靶点的基本性质，那么我的单细胞分析流程可以从哪些方面来入手药靶发现呢？

首先，单细胞技术把我们认识靶点的精度拉到组织器官和生物大分子之间，这就是生命的基本单位：细胞。把细胞的类型和状态及其表达的基因、受体配体、通路、TCR/BCR、酶、离子通道、转运体的改变放入到新药研发的流程中我们不难发现，单细胞技术几乎重新为这个管线新着了一遍色。

单细胞水平的靶点更加接近真是世界。如EGFR调控的下游信号通路主要有RAS-RAF-MAPK通路和PI3K-AKT -mTOR通路，是细胞增殖和存活的重要信号通路，针对肿瘤细胞，EGFR是抗癌药物的重要靶点。那么肿瘤细胞还有哪些特有的通路呢？这时候我们可以做一个差异分析，于是，单细胞水平的生物标志物（biomarker）和靶点（target）是那样的接近：

• 生物标志物可用于预测药物靶标的可行性
• 生物标志物帮助找出潜在靶点在哪类细胞上
• 生物标志物可以帮助选择合适治疗的人群，提高新药临床实验的成功率

随着单细胞多组学和空间技术的成熟，基于系统生物学和生物信息学的生物标志物及靶标发现系统日益成熟，人们得以快速确定与疾病发生、发展密切相关的关键因素，以发现新生物标志物和新靶标。

参考：
白东鲁，沈竞康，《创新药物研发经纬》，2019
Blass,白仁仁（译）《药物研发基本原理》，2019
Sarah Middleton,《Cell types to targets Single cell RNA sequencing for drug discovery》
阿波斯托利亚－玛蒂亚·钦巴瑞多，等 编 赵维莅，张俊 主译《癌症转化医学研究中的靶向治疗 》

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Single-Cell Sequencing for Drug Discovery and Drug Development 2017
Single-Cell Mass Cytometry of Differential Immune and Drug Responses Across a Human Hematopoietic Continuum 2011
Heath, J., Ribas, A. & Mischel, P. Single-cell analysis tools for drug discovery and development. Nat Rev Drug Discov 15, 204–216 (2016). https://doi.org/10.1038/nrd.2015.16
DRUG-NEM: Optimizing drug combinations using single-cell perturbation response to account for intratumoral heterogeneity

https://otd.harvard.edu/explore-innovation/technologies/single-cell-high-throughput-drug-screening