本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
这是深入探讨药物发现中基本科学挑战的系列文章的第三部分。以下是其他部分：1, 2.
任何惊悚片或动作片都应该让我们确信，击败敌人的首要也是最重要的策略是进入他的堡垒或营地。一旦你进入内部，在实现目标之前还有很长的路要走，但在你突破这个最基本的第一个障碍之前，你什么都做不了。
药物也是如此。在药物能够治愈小男孩的白血病之前，在药物能够恢复老年痴呆症患者的认知功能之前，在药物能够帮助烧伤消防员的免疫系统抵抗感染之前，它必须做一件非常简单的事情——进入细胞。
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令人惊讶的是，这个过程比看起来复杂得多。
细胞壁是进化的奇迹，它是生物分子的多样组合，它不仅仅是阻止可疑分子货物进入的被动屏障，还是生化活动的动态缩影。众所周知，一个世纪以来，细胞壁由嵌入蛋白质的脂质双层组成，许多蛋白质横跨双层的宽度。这些蛋白质不仅仅坐在那里提供物理屏障，而是在不断工作，充当分子机器，水平和垂直移动，相互结合，在内部穿梭货物，并且经常在此过程中翻转。它们都依靠稳定的 ATP（三磷酸腺苷）供应来满足其能量需求。
并非所有药物都需要进入细胞——特别是，如果它们与细胞外部的受体蛋白相互作用，它们有时可以起作用——但大多数药物确实需要进入细胞。脂质双层的基本物理化学性质为药物发现带来了第一个挑战，它突出了我们之前提到的多变量优化困境。问题是：有两种分子，疏水性（亲油或亲脂）和亲水性（亲水）。为了使药物溶于水中——水是细胞的沐浴液，也是人体的主要成分——它需要是亲水性的，但为了使其通过细胞的脂膜，它需要是疏水性的。因此，这些特性彼此正交（并非药物设计者唯一一次遇到这种情况），因此优化其中一个特性通常会使另一个特性变得更差。如果你使化合物过于疏水，它很可能会穿过膜，但它一开始就不会溶于水。如果你使它在水中过于溶解，它就会过于亲水而无法穿过油性细胞膜。在实践中，药物设计者通过在这两个变量之间取得平衡来实现膜渗透性，但预测这种平衡通常很困难。简单的疏水性测量通常与膜渗透性不相关。因此，分子的一个非常基本的物理特性对药物进入细胞构成了第一个障碍。
但是，即使你拥有具有正确疏水/亲水比率的化合物，进化也会串通起来确保你的生活仍然不容易。如果你考虑一下进化的方式，那就完全有道理了。细胞作为一个单元出现在辐射、有毒化学物质和机械搅拌的海洋中。它需要策略来尽可能多地阻止物质进入，如果这意味着偶尔排出有用的分子（如药物），那就随它去吧。细胞的进化也发生在它不知道未来救生药物的时候，因此它没有理由让这些药物特别容易进入其内部并扰乱其分子机制。
由于细胞宁愿安全也不愿后悔，它进化出了一支名副其实的非凡蛋白质部队，其明确的目的是将外来化合物排出。其中最引人注目的是一种蛋白质，其功能会让詹姆斯爵士（戴森吸尘器闻名）流泪。这种蛋白质被称为 P-糖蛋白外排多药转运蛋白 (PgP)。这个花哨的名字只是掩盖了一个事实，它本质上是一个嵌入膜内的简单但高效的泵，旨在排出药物。它是终极的保镖；即使是那些具有合适疏水性和亲水性混合物的药物，当它们遇到 PgP 时也会颤抖并迅速退出。事实上，该蛋白质是在发现某些癌症对某些药物产生耐药性时被发现的；发生的情况是这些药物被泵出或“外排”。更糟糕的是，这些药物的存在增加了蛋白质的表达。后来发现，各种各样的药物与 Pgp 结合并增加其表达，从而降低了其在细胞内的有效浓度；它仍然是某些癌症耐药性的主要机制之一。在众多问题中，这意味着你必须给患者比通常更高的药物剂量，以弥补因 PgP 外排而损失的剂量，这种情况会增加副作用的倾向。
蛋白质结构的未知（部分如上图所示）只是阻碍了进展，最近才通过 X 射线晶体学部分破译，即使这样也没有真正起到帮助作用。毫不夸张地说，蛋白质的结构和内部极其丑陋；1280 个氨基酸的 12 个跨膜链在膜中蜿蜒数次，因此蛋白质的一部分在细胞外部，另一部分在内部，一个 6000 Å3 的巨大内部腔和一个神奇复杂的药物结合和挤出机制，在此过程中，蛋白质会发生巨大的机械运动。这种运动可以比作你最喜欢的购物中心里旋转门的运动；一旦药物进入，PgP 就会让它调转方向并将其踢出去。当它在脂质双层中蜿蜒前进并将自己包裹在药物周围时，如果不是它给药物发现者带来的巨大痛苦，这种分子机器的精确性将是完全令人钦佩的。
这就是为什么 PgP 使药物发现如此困难的问题：几乎不可能预测哪些类型的分子可能会被 PgP 泵出。通常，药物设计者基于从大量数据中得出的经验法则来缩小可能逃脱特定蛋白质贪婪拥抱的分子列表；例如，导致副作用的特定蛋白质可能对含有氮的苯环具有明显的偏爱，另一种可能喜欢带正电荷的氨基酸，还有一种可能偏爱长的疏水碳链。在每种情况下，药物设计者都可以修改其化合物的结构，并去除相关的、不需要的化学附着物，这将使它们对这些蛋白质的吸引力降低。但是，对于 PgP，没有任何关于它喜欢咀嚼哪些类型分子的线索。PgP 就像世界上最肥胖的人，它会把所有进入它体内的东西变成肉酱，无论是西兰花还是芝士汉堡。一本关于药物特性的著名书这样写道
“PgP 的底物特异性非常广泛。已知分子量范围为 250 到 1850 的化合物会被 PgP 转运。底物可以是芳香的、非芳香的、线性的或圆形的。它们可以是碱性的、酸性的、两性离子的或不带电的。一些底物是疏水的，另一些是亲水的，还有一些是两亲的（疏水性和亲水性的组合）。”
作者本可以简单地说“PgP 会与宇宙中的一切物质结合并排出，除了可能的人类灵魂”来省去这些话。显而易见的是，这种对各种类型的每个分子的描述并不完全是药物设计者合理添加修饰以防止 PgP 结合的指南。我本人参与了一个项目，其中整个“理性”的药物设计过程进展非常顺利——化学结构的明确变化有助于提高活性——直到我们发现这些化合物正在被 PgP 大量排出。此时，我们的大干一场的方法戛然而止，我们发现自己从理性设计的阳光下被转移到了 PgP 介导的混乱之夜。在我们之前自信地跨越一片灯火通明的景观时，我们现在发现自己闭着眼睛在黑暗中摸索。这就像掉进深渊一样。对我们现有的分子进行任何合理的修改都无法确保存在无 PgP 的状态。从那时起，这主要关乎直觉、直觉和最后一搏。
具有讽刺意味的是，在现实中，有时认为 PgP 的结合非常复杂以至于难以规避，因此最好的策略实际上可能是挥动魔杖并暂时忘记它。尽管这看起来违反直觉，但这种策略意味着，防止 PgP 药物结合的最佳方法通常是简单地增加化合物的被动扩散，使其足以淹没任何 PgP 启用的挤出。基本上，你只需不断提高一个过程的幅度，直到它能够超越相反的过程。现在，公平地说，也有一些蛋白质可以抓住你的药物并像良性的守卫一样将其转运到细胞内部。但是——你猜对了——你也无法真正预测这些蛋白质会与哪些类型的分子结合。
这是关于什么使药物发现如此困难的系列文章的第三部分。仅仅基于基本特性，就很难在药物中设计出使其能够通过细胞膜的特性。即使你成功地实现了这种微妙的平衡，细胞膜中也会嵌入像 PgP 这样的蛋白质，其明确的目的是排出你的药物。更糟糕的是，事实证明，很难准确预测 PgP 可以与哪些类型的分子结合。
原因 1：药物通过调节蛋白质的功能起作用。很难准确找出哪些蛋白质参与了疾病。即使找到了这些蛋白质，也很难知道它们 的活性是否可以被小分子药物控制。
原因 2：由于自然界并没有真正优化其蛋白质以与药物结合，即使搜索了数百万种分子（无论是天然的还是人工的），也很难找到与蛋白质结合的先导化合物。而且，即使发现了一个先导化合物，我们也不能确定如何将其转化为具有良好性质的药物。
原因 3：将药物送入细胞非常困难，部分原因是其基本化学性质，部分原因是自然界创造了特定的蛋白质，其作用是阻止药物进入。更糟糕的是，我们仍然不太清楚这些蛋白质到底会阻止哪些类型的药物进入，因此我们必须通过反复试验才能找到那些能够逃脱它们控制并进入细胞的药物。