本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
這是深入探討藥物發現中基本科學挑戰的系列文章的第三部分。以下是其他部分：1, 2.
任何驚悚片或動作片都應該讓我們確信，擊敗敵人的首要也是最重要的策略是進入他的堡壘或營地。一旦你進入內部，在實現目標之前還有很長的路要走，但在你突破這個最基本的第一個障礙之前，你什麼都做不了。
藥物也是如此。在藥物能夠治癒小男孩的白血病之前，在藥物能夠恢復老年痴呆症患者的認知功能之前，在藥物能夠幫助燒傷消防員的免疫系統抵抗感染之前，它必須做一件非常簡單的事情——進入細胞。
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令人驚訝的是，這個過程比看起來複雜得多。
細胞壁是進化的奇蹟，它是生物分子的多樣組合，它不僅僅是阻止可疑分子貨物進入的被動屏障，還是生化活動的動態縮影。眾所周知，一個世紀以來，細胞壁由嵌入蛋白質的脂質雙層組成，許多蛋白質橫跨雙層的寬度。這些蛋白質不僅僅坐在那裡提供物理屏障，而是在不斷工作，充當分子機器，水平和垂直移動，相互結合，在內部穿梭貨物，並且經常在此過程中翻轉。它們都依靠穩定的 ATP（三磷酸腺苷）供應來滿足其能量需求。
並非所有藥物都需要進入細胞——特別是，如果它們與細胞外部的受體蛋白相互作用，它們有時可以起作用——但大多數藥物確實需要進入細胞。脂質雙層的基本物理化學性質為藥物發現帶來了第一個挑戰，它突出了我們之前提到的多變數最佳化困境。問題是：有兩種分子，疏水性（親油或親脂）和親水性（親水）。為了使藥物溶於水中——水是細胞的沐浴液，也是人體的主要成分——它需要是親水性的，但為了使其透過細胞的脂膜，它需要是疏水性的。因此，這些特性彼此正交（並非藥物設計者唯一一次遇到這種情況），因此最佳化其中一個特性通常會使另一個特性變得更差。如果你使化合物過於疏水，它很可能會穿過膜，但它一開始就不會溶於水。如果你使它在水中過於溶解，它就會過於親水而無法穿過油性細胞膜。在實踐中，藥物設計者透過在這兩個變數之間取得平衡來實現膜滲透性，但預測這種平衡通常很困難。簡單的疏水性測量通常與膜滲透性不相關。因此，分子的一個非常基本的物理特性對藥物進入細胞構成了第一個障礙。
但是，即使你擁有具有正確疏水/親水比率的化合物，進化也會串通起來確保你的生活仍然不容易。如果你考慮一下進化的方式，那就完全有道理了。細胞作為一個單元出現在輻射、有毒化學物質和機械攪拌的海洋中。它需要策略來儘可能多地阻止物質進入，如果這意味著偶爾排出有用的分子（如藥物），那就隨它去吧。細胞的進化也發生在它不知道未來救生藥物的時候，因此它沒有理由讓這些藥物特別容易進入其內部並擾亂其分子機制。
由於細胞寧願安全也不願後悔，它進化出了一支名副其實的非凡蛋白質部隊，其明確的目的是將外來化合物排出。其中最引人注目的是一種蛋白質，其功能會讓詹姆斯爵士（戴森吸塵器聞名）流淚。這種蛋白質被稱為 P-糖蛋白外排多藥轉運蛋白 (PgP)。這個花哨的名字只是掩蓋了一個事實，它本質上是一個嵌入膜內的簡單但高效的泵，旨在排出藥物。它是終極的保鏢；即使是那些具有合適疏水性和親水性混合物的藥物，當它們遇到 PgP 時也會顫抖並迅速退出。事實上，該蛋白質是在發現某些癌症對某些藥物產生耐藥性時被發現的；發生的情況是這些藥物被泵出或“外排”。更糟糕的是，這些藥物的存在增加了蛋白質的表達。後來發現，各種各樣的藥物與 Pgp 結合並增加其表達，從而降低了其在細胞內的有效濃度；它仍然是某些癌症耐藥性的主要機制之一。在眾多問題中，這意味著你必須給患者比通常更高的藥物劑量，以彌補因 PgP 外排而損失的劑量，這種情況會增加副作用的傾向。
蛋白質結構的未知（部分如上圖所示）只是阻礙了進展，最近才透過 X 射線晶體學部分破譯，即使這樣也沒有真正起到幫助作用。毫不誇張地說，蛋白質的結構和內部極其醜陋；1280 個氨基酸的 12 個跨膜鏈在膜中蜿蜒數次，因此蛋白質的一部分在細胞外部，另一部分在內部，一個 6000 Å3 的巨大內部腔和一個神奇複雜的藥物結合和擠出機制，在此過程中，蛋白質會發生巨大的機械運動。這種運動可以比作你最喜歡的購物中心裡旋轉門的運動；一旦藥物進入，PgP 就會讓它調轉方向並將其踢出去。當它在脂質雙層中蜿蜒前進並將自己包裹在藥物周圍時，如果不是它給藥物發現者帶來的巨大痛苦，這種分子機器的精確性將是完全令人欽佩的。
這就是為什麼 PgP 使藥物發現如此困難的問題：幾乎不可能預測哪些型別的分子可能會被 PgP 泵出。通常，藥物設計者基於從大量資料中得出的經驗法則來縮小可能逃脫特定蛋白質貪婪擁抱的分子列表；例如，導致副作用的特定蛋白質可能對含有氮的苯環具有明顯的偏愛，另一種可能喜歡帶正電荷的氨基酸，還有一種可能偏愛長的疏水碳鏈。在每種情況下，藥物設計者都可以修改其化合物的結構，並去除相關的、不需要的化學附著物，這將使它們對這些蛋白質的吸引力降低。但是，對於 PgP，沒有任何關於它喜歡咀嚼哪些型別分子的線索。PgP 就像世界上最肥胖的人，它會把所有進入它體內的東西變成肉醬，無論是西蘭花還是芝士漢堡。一本關於藥物特性的著名書這樣寫道
“PgP 的底物特異性非常廣泛。已知分子量範圍為 250 到 1850 的化合物會被 PgP 轉運。底物可以是芳香的、非芳香的、線性的或圓形的。它們可以是鹼性的、酸性的、兩性離子的或不帶電的。一些底物是疏水的，另一些是親水的，還有一些是兩親的（疏水性和親水性的組合）。”
作者本可以簡單地說“PgP 會與宇宙中的一切物質結合並排出，除了可能的人類靈魂”來省去這些話。顯而易見的是，這種對各種型別的每個分子的描述並不完全是藥物設計者合理新增修飾以防止 PgP 結合的指南。我本人參與了一個專案，其中整個“理性”的藥物設計過程進展非常順利——化學結構的明確變化有助於提高活性——直到我們發現這些化合物正在被 PgP 大量排出。此時，我們的大幹一場的方法戛然而止，我們發現自己從理性設計的陽光下被轉移到了 PgP 介導的混亂之夜。在我們之前自信地跨越一片燈火通明的景觀時，我們現在發現自己閉著眼睛在黑暗中摸索。這就像掉進深淵一樣。對我們現有的分子進行任何合理的修改都無法確保存在無 PgP 的狀態。從那時起，這主要關乎直覺、直覺和最後一搏。
具有諷刺意味的是，在現實中，有時認為 PgP 的結合非常複雜以至於難以規避，因此最好的策略實際上可能是揮動魔杖並暫時忘記它。儘管這看起來違反直覺，但這種策略意味著，防止 PgP 藥物結合的最佳方法通常是簡單地增加化合物的被動擴散，使其足以淹沒任何 PgP 啟用的擠出。基本上，你只需不斷提高一個過程的幅度，直到它能夠超越相反的過程。現在，公平地說，也有一些蛋白質可以抓住你的藥物並像良性的守衛一樣將其轉運到細胞內部。但是——你猜對了——你也無法真正預測這些蛋白質會與哪些型別的分子結合。
這是關於什麼使藥物發現如此困難的系列文章的第三部分。僅僅基於基本特性，就很難在藥物中設計出使其能夠透過細胞膜的特性。即使你成功地實現了這種微妙的平衡，細胞膜中也會嵌入像 PgP 這樣的蛋白質，其明確的目的是排出你的藥物。更糟糕的是，事實證明，很難準確預測 PgP 可以與哪些型別的分子結合。
原因 1：藥物透過調節蛋白質的功能起作用。很難準確找出哪些蛋白質參與了疾病。即使找到了這些蛋白質，也很難知道它們 的活性是否可以被小分子藥物控制。
原因 2：由於自然界並沒有真正最佳化其蛋白質以與藥物結合，即使搜尋了數百萬種分子（無論是天然的還是人工的），也很難找到與蛋白質結合的先導化合物。而且，即使發現了一個先導化合物，我們也不能確定如何將其轉化為具有良好性質的藥物。
原因 3：將藥物送入細胞非常困難，部分原因是其基本化學性質，部分原因是自然界創造了特定的蛋白質，其作用是阻止藥物進入。更糟糕的是，我們仍然不太清楚這些蛋白質到底會阻止哪些型別的藥物進入，因此我們必須透過反覆試驗才能找到那些能夠逃脫它們控制並進入細胞的藥物。