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为开发高亲和力 Galectin-8N（Gal-8N）抑制剂，瑞典研究人员设计相关化合物库，发现新相互作用，为药物设计提供新思路。
在生命科学的微观世界里，药物研发就像一场精密的 “分子拼图游戏”，科学家们努力寻找能精准嵌入蛋白质靶点的小分子，以治疗各种疾病。其中，小分子与特定蛋白质之间的非共价相互作用至关重要，它是大多数药物发挥作用的关键，但这种相互作用却十分难以预测，蛋白质 - 配体复合物中还有许多未被充分认识的非共价相互作用。
Galectin 家族蛋白在众多生理和病理过程中扮演着重要角色，Galectin-8（Gal-8）就是其中一员。Gal-8 是一种串联重复半乳糖凝集素，含有两个不同的碳水化合物识别域（CRD），能调节先天和适应性免疫反应，还与一些细胞内病原体共定位。更重要的是，Gal-8 基因 LGALS8 在多种肿瘤中的表达比 Gal-1 和 Gal-3 更显著，在癌症的发生发展，尤其是血管生成和淋巴管生成过程中发挥关键作用，因此，Gal-8 成为极具潜力的药物靶点。
Gal-8 的两个 CRD（C - 末端和 N - 末端 CRD）亲和力和特异性不同，研究人员将目光聚焦于 N - 末端（Gal-8N），旨在开发对 Gal-8N 具有纳米摩尔亲和力且对其他半乳糖凝集素具有选择性的抑制剂。在此之前，虽然针对 Gal-8N 的研究有一定进展，但仍未找到能显著提高亲和力和选择性的理想策略，尤其是对于半乳糖 2 位的修饰，其潜在价值尚未被充分挖掘。
为了攻克这些难题，瑞典的研究人员开展了深入研究。他们的研究成果发表在Communications Chemistry期刊上。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。分子对接计算用于辅助设计化合物，通过合理预测取代基对结合的影响，筛选出有潜力的化合物进行合成。等温滴定量热法（ITC）和荧光偏振测定法被用于精确评估化合物与 Gal-8N 的结合亲和力及热力学参数。X 射线晶体学技术解析了化合物与 Gal-8N 复合物的晶体结构，直观呈现结合模式。量子力学计算和能量分解分析则进一步探究了相互作用的本质。
研究人员首先设计了一系列基于先导化合物 1 的 d - 半乳糖苷类 Gal-8N 抑制剂，通过在半乳糖 2 位引入不同取代基，包括取代的 2 - O - 苄基、三唑 - 苯基、环烷基和羧甲基等，期望能与 Gal-8N 中的 Trp86、Arg45、Arg59 和 / 或 Arg69 等氨基酸残基形成额外相互作用，从而提高亲和力。
亲和力评估结果显示，部分化合物展现出了不同程度的活性。其中，2 - O - 环丙基衍生物 22 对 Gal-8N 的结合效果较好，其 Kd 值为 1.02 μM，这得益于 Gal-8N 平坦且暴露于水的结合位点，使形成范德华力和疏水相互作用的取代基能适度提升结合能力。羧酸盐 16a - c 对 Gal-8N 具有较高亲和力，如 16a 的 Kd 值达到 460 nM，2 - O - 羧甲基衍生物 29 的 Kd 值为 500 nM，二者通过与 Arg45 或 Arg69 侧链的胍基形成盐桥来提高亲和力，成为首批具有纳摩尔 Kd 值的 Gal-8N 抑制剂，但对其他半乳糖凝集素的选择性提升有限。
化合物 11 的表现格外引人注目。它对 Gal-8N 具有高纳摩尔亲和力（Kd 值为 800 nM），对 Gal-8N 与 Gal-1、Gal-3 相比分别具有约 13 倍和 2 倍的选择性。热力学分析表明，与 1 相比，29 的 2 - O - 羧甲基（含游离羧酸盐）增加了结合焓，但伴有轻微熵损失；而 11 的炔丙基使结合更具焓驱动性，且结合时熵罚更高。这一结果与传统认知中溶剂暴露的精氨酸形成熵驱动的离子相互作用不同。
为解释 11 这种独特的结合行为，研究人员通过 X 射线晶体学解析了 11 与 Gal-8N 的复合物晶体结构。结果发现，11 的 2 - O - 炔丙基部分直接靠近 Arg45 的胍基，二者距离在两个独立拷贝中分别为 3.2 ? 和 3.4 ?。量子力学计算显示，Arg45 的 LUMO 与 11 炔基的 HOMO 虽无明显重叠，但距离符合经典阳离子 - π 相互作用的阈值，且能量分解分析表明二者存在 π - π* 相互作用，结合能为 - 3.4 kcal mol?1，电子从炔烃流向胍基，证实了这种非经典阳离子 - π 相互作用的存在。
研究结论表明，研究人员成功设计并合成了一系列 Gal-8N 抑制剂，发现了 2 - O - 炔丙基 - d - 半乳糖苷（11）与 Gal-8N 结合时存在非经典阳离子 - π 相互作用，这一相互作用此前在小分子配体 - 蛋白质复合物中从未被发现和报道。这种相互作用使得乙炔基能够成功替代羧酸盐靶向关键精氨酸残基暴露于水的胍基部分，仅导致轻微的亲和力损失，但通过调整焓贡献优化了整体结合。这一发现为配体设计提供了重要的新思路，揭示了正确选择与精氨酸相互作用的基团能够改变配体的热力学特征，从熵驱动转变为焓驱动相互作用，为药物设计提供了可系统利用的指导原则，有望推动基于 Gal-8N 靶点的药物研发取得新突破，为癌症及相关免疫疾病的治疗带来新的希望。
