分子生物學課程 · 單機網頁
Galectin-3 是一個會辨認 β-半乳糖的凝集素。它的醣辨識區又淺又極性，很適合拿來練習：結構怎麼讀、口袋怎麼定、藥效團怎麼寫、藥庫與模型怎麼建、docking 分數為什麼不能單獨相信，以及設計完之後還要經過合成評估、細胞、動物、專利與臨床。
先摸一下結合溝
Subsite C 是半乳糖的主辨識位。乳糖或 N-乙醯乳糖胺結合時，半乳糖坐在這裡，旁邊的葡萄糖或 N-乙醯葡萄糖胺伸向 subsite D。
Galectin 是一群能辨認 β-D-半乳糖苷的可溶性凝集素。人的 Galectin-3 由 LGALS3 編碼，UniProt 編號 P17931，成熟蛋白大約 250 個胺基酸。它是這個家族裡唯一的 chimeric 成員：N 端是一段富含脯胺酸與甘胺酸、像膠原蛋白的重複區，負責寡聚化；C 端才是大約 130 個胺基酸的 carbohydrate-recognition domain，簡稱 CRD。
這份網頁把後續設計都收斂在 細胞外 CRD 的醣結合溝。如果疾病機制其實來自細胞內、不靠醣的功能，再強的醣模擬物也不會回答那個問題。
CRD 是一個 β 三明治。結合溝被習慣分成 subsite A、B、C、D、E。這個分法最早來自 galectin-9 與五糖的結合，後來被用在整個 galectin 家族。入門晶體結構是 PDB 1A3K：人源 Galectin-3 CRD 與 N-乙醯乳糖胺。
溝的兩側才是親和力被拉高的地方。Subsite B 靠近 Arg144，subsite E 靠近 Arg186。資料夾裡那篇 2026 年的藥物化學論文，就是在證明：取代基可以被有意識地送到 B 或送到 E，而不是靠 docking 分數碰運氣。
選適應症時要寫清楚假說：你要阻斷的是細胞外凝集素功能，還是腫瘤免疫排除，還是器官纖維化。假說會決定後面接的是吸入、口服、單用還是併用免疫檢查點抑制劑。
天然配體很弱。乳糖多半在毫莫耳等級；硫代雙半乳糖苷（thiodigalactoside, TDG）進到數十微莫耳；真正被做成候選藥物的，是在雙糖兩側再長出芳香取代基。
| 分子 | 類型 | 教學上要記住的事 |
|---|---|---|
| 乳糖、LacNAc | 天然雙糖 | 只佔 subsite C+D，親和力不足以當藥，適合作為碎片起點。 |
| TDG | C2 對稱的硫苷雙半乳糖 | 兩個半乳糖都能坐進 C。翻轉 180° 後交互作用相同。 |
| GB0139（TD139） | TDG 兩側接芳香基，吸入給藥 | 論文中的配體 7。對 Galectin-3 CRD 是低奈米莫耳。Galecto 的 IPF 試驗未達標。 |
| GB1211 | 可口服的小分子 Galectin-3 抑制劑 | 正在與 pembrolizumab 併用，測黑色素瘤與頭頸鱗癌。 |
| Belapectin（GR-MD-02） | 多醣，靜脈輸注 | 同時認識 galectin-3 與 galectin-1，開發方向是 MASH 肝硬化。 |
論文用螢光偏振測到的解離常數大致是：硫代乳糖 180 μM、TDG 58 μM、單側芳香基的雙糖約 0.7–1.3 μM、兩側都有芳香基的配體 7（GB0139）11 nM、不對稱的配體 8 為 13 nM。葡萄糖加上同一個芳香基（配體 2）即使到 400 μM 仍測不到結合。半乳糖這個辨識元素不能省。
從 TDG 的 58 μM 到 GB0139 的 11 nM，親和力大約提升五千倍。提升來自兩側芳香基與 subsite B、E 的接觸，不是把糖換掉。
狀態會變。下面整理到 2026 年 10 月，正式數字以 ClinicalTrials.gov 與原始公告為準。
| 試驗 | 設計 | 結果與意義 |
|---|---|---|
| GALACTIC-1 NCT03832946 | 吸入 GB0139 3 mg，對照安慰劑，52 週，對象是未用標準抗纖維化藥的 IPF。 | 2023 年 8 月公布未達主要終點（FVC 下降速率）。GB0139 組平均下降 316.6 mL，安慰劑 127.4 mL。兩組的 galectin-3 都上升，沒有證實標的佔有。開發中止。 |
| NCT05913388 | 口服 GB1211 併用 pembrolizumab，對照 pembrolizumab 加安慰劑。對象是轉移性黑色素瘤與頭頸鱗癌。第二期。 | 登錄狀態為進行中、不再招募。它說明一個方向：Galectin-3 抑制劑被拿來搭配免疫治療，而不是單藥包打纖維化。 |
| NAVIGATE NCT04365868 | Belapectin 靜脈給藥，對象是尚未有食道靜脈曲張的 MASH 肝硬化。 | 依登錄資料，試驗在 2026 年進入原訂第三期之前停止，已收集的 18 個月資料改以 2b 期分析。主要終點沒有達標。開發公司其後另規劃一項第三期，數字與設計以最新登錄為準。 |
奈米莫耳親和力沒有保護 GALACTIC-1。給藥路徑、標的佔有、病人是否已在用其他藥、以及終點選得對不對，都可以讓一個強結合分子停下來。
不要從隨機的類藥庫開始。Galectin-3 的已知配體告訴你，合格分子幾乎都保留 β-半乳糖那個辨識元素，再往 B 與 E 生長。一條適合課程實作的路線是：
論文實際做的是這條路線的結構版：他們沒有盲篩，而是合成一組只差在「糖核心是否對稱、芳香基在哪一側」的類似物，再用核磁共振看每個分子坐進哪一個 subsite。
Binding pocket 不是「蛋白質表面上看起來凹的地方」，而是配體真正接觸、而且那些接觸會影響親和力的殘基集合。
定義完成後請把它分成可作業的區塊，而不是一個大球：C 是半乳糖錨點，D 是第二個糖，B 與 E 是可設計的取代基口袋，A 在雙糖配體裡常常是空的。Docking 盒子要蓋住整條溝，但又不要大到讓糖漂到蛋白質背面。
若手邊只有空的 CRD，先把乳糖或 TDG 對回去，或改用有配體的結構。空口袋的側鏈方向，尤其是精胺酸，不一定等於結合狀態。
藥效團不是分子圖，而是一組必須在空間中同時出現的化學特徵。對這個 CRD，最少要寫下五件事：
經典的片段篩選是：收集符合「三規則」的小碎片，用核磁共振、表面電漿共振或晶體學找出弱結合者，再把碎片長大或接在一起。Galectin-3 不適合從完全隨機的碎片庫開始，因為口袋在等一個很特定的半乳糖。
Habanová 等人（J. Med. Chem. 2026, 69, 21164–21180）把這件事做成一個可教學的模型。核心只有兩個雙糖：硫代雙半乳糖苷有一條穿過硫原子的 C2 對稱軸；硫代乳糖沒有。兩者都能佔住 C 與 D，但翻轉之後命運不同。
翻轉前後是同一個熱力學狀態。雙側都有取代基時，分子會同時面對 B 與 E，你無法指定只修飾其中一側。
葡萄糖不能佔住 subsite C，所以翻轉被罰分。取代基因此可以只被送到 B，或只被送到 E。
他們在糖上安裝帶氟的芳香三唑，讓 19F NMR 分辨取代基落在 B（約 −113.6 ppm）還是 E（約 −112.9 到 −113.4 ppm）。蛋白質 NMR 也對得上：配體 4 擾動 Arg144 一帶，配體 6 主要擾動 Ile171 與 Gln187。結合熱量學則用 FPA 與 ITC，兩者的 Kendall τ 為 0.94。ITC 顯示結合由焓驅動，熵是不利的。
OpenFE 的自由能微擾和實驗親和力相關（對 ITC 的 R² 為 0.84，對 FPA 為 0.86），但高估了單芳香基化合物對 subsite B 的偏好。兩個 pose 並存所能賺到的構型熵，上限大約是 RT ln 2，在 298 K 約 0.41 kcal/mol。所以改用不對稱骨架，不會因為「少了一種結合方向」而付出很大的親和力代價。
片段長大的順序可以記成：半乳糖錨在 C → 加上第二個糖佔 D → 只在需要的那一側加芳香基。每長一步都要用結合實驗與構型實驗接受或拒絕，而不是只看結構圖好不好看。
庫裡每個分子最好帶著標註：核心是對稱還是不對稱、芳香基預期落在 B 還是 E、是否保留 β-半乳糖。這些標註會讓後面的 docking 失敗可以被解釋，而不是只剩下一欄分數。
先決定模型要預測什麼。對這個題目，有用的任務是：這個分子還認不認 subsite C、親和力大概落在哪個級數、以及它比較像坐進 B 還是 E。不要一開始就訓練「能不能治胰臟癌」。
這篇論文就是一個現成的失敗教材：自由能計算和實驗親和力的相關不差，pose 的人口比例仍然算錯。模型可以進流程，不能取代 19F NMR、蛋白質化學位移或共晶。
| 工具 | 角色 | 用在 Galectin-3 時要注意 |
|---|---|---|
| AutoDock Vina、Vina-GPU | 開源初篩 | 速度快，適合課程把整庫跑過。對淺而極性的溝，分數解析度有限。 |
| GNINA | 以卷積網路重新評分 | 可把 Vina 的 pose 再排一次。仍要用 Trp181 與 subsite C 檢查。 |
| DOCK6 | 學術用的錨點與成長 | 概念上接近片段長大，適合從半乳糖錨點長出去。 |
| Glide、GOLD、MOE | 藥物化學常用的商業套件 | 可以強制氫鍵或疏水面朝向 Trp181。約束比換軟體更重要。 |
| DiffDock、共摺疊模型 | 由人工智慧直接出 pose | 高極性的醣不是它們最穩的題目。沒有對回 1A3K 或抑制劑共晶之前，不能採用。 |
| OpenFE | 自由能，不是 docking | 論文用來計算每一個 pose 的結合自由能。相關性好，仍會偏置 B。 |
實務上的最小組合是：一個會產生 pose 的 docking 程式，加上你手寫的交互作用檢查，再加上一種獨立的實驗。多裝幾個程式不會自動讓答案變正確。
分數是排序用的，不是解離常數。下面這張清單可以對著每一個你想留下的 pose 勾一次。硫代乳糖如果被放成「葡萄糖在 C、半乳糖在 D」，直接淘汰，不必進入自由能計算。
勾完 7 項，這個 pose 才值得拿去跟 FPA、ITC 或 NMR 比較。
論文裡 FEP 把單芳香基配體的 B 方向判得太好，實驗卻看到 B 與 E 差不多。所以「更貴的計算」仍然是假說。構型的標準答案在光譜與晶體，不在分數最低的那一行。
Docking 或生成模型交出名單之後，設計才開始。這一靶點比較可靠的做法，是把骨架鎖住，只生成或只列舉取代基。
生成式工具，例如以口袋為條件的擴散模型，或 REINVENT 這一類在骨架上長取代基的程式，適合放在這一步。請把它們的輸出當成新的藥庫，重新做第 14 步的檢查。生成模型很常為了看起來像藥而拿掉醣上的羥基，那會直接丟掉 subsite C。
留下分子時同時看四欄：預測或實測的親和力、對 Galectin-1 的選擇性、水溶性，以及下一步逆合成給的可及性。只按 docking 分數排序，會把無法合成、或只是黏在 Trp181 上的芳香分子排到最上面。
逆合成是從目標分子往回推，看它能不能由可購買的砌塊組出來。對醣模擬物，關鍵難點通常是 β 糖苷鍵的立體化學，以及羥基要不要保護，而不是找出一個會動的碳–碳鍵就結束。
| 工具 | 你可以拿它做什麼 |
|---|---|
| AiZynthFinder | 開源。適合把一整個聚焦庫的合成可及性先排一次。 |
| ASKCOS | 由麻省理工發展的路線規劃，可看建議的砌塊與反應類型。 |
| IBM RXN for Chemistry | 由反應資料預測可能的單步轉換，用來檢查某一個斷鍵合不合理。 |
| Synthia | 商業路線設計，常被藥化團隊用來比較多條全合成。 |
| Spaya、Molecule.one、PostEra Manifold | 偏重可購買砌塊與委託合成的可及性。 |
用法是：把候選物變成 SMILES，看程式是否找得到保留 β 立體化學的路線、砌塊貴不貴、步驟會不會比論文裡那組類似物更長。排完之後交給會做醣化學的人判斷。軟體的第一名路線不是實驗配方。論文本身也示範了另一種選擇：配體 7（GB0139）是買來的對照，其他類似物才自己合成。不一定每一個對照分子都要從頭做。
建議的順序是：先用 FPA 把庫排成弱、中、強；對最有興趣的幾個做 ITC，確認化學計量接近 1:1，而且緩衝液改變時焓沒有跟著大變（論文以此說明結合沒有淨的質子轉移）；再用 19F 或蛋白質 NMR 確認取代基在 B 還是 E。然後才進細胞。
細胞實驗要對著假說選，而不是只報一個存活率。若假說是免疫調節，看 T 細胞功能；若假說是腫瘤細胞行為，看遷移；若假說是纖維化，看成纖維細胞的活化標記。Galectin-3 的細胞外功能可以用重組蛋白加上細胞表面的醣來重建；只加化合物、不提供這個結合事件，陰性結果無法解釋。
三個詞不要互換。GB0139 對純化 CRD 是奈米莫耳親和力，吸入後仍沒有在 IPF 試驗證明臨床藥效。中間缺的是標的佔有和疾病終點，不是再多一個 docking 分數。
這裡選胰臟導管腺癌，是因為 Galectin-3 在這個腫瘤裡常被連到基質與免疫排除，而且臨床上已經有人把 Galectin-3 抑制劑拿去搭配 PD-1 抗體。動物實驗要回答的是這條假說，不是「腫瘤會不會變小一點點」。
讀值可以包括腫瘤負荷、存活、CD8 T 細胞是否進入腫瘤、以及基質標記。血清 Galectin-3 可以當伴隨數據，但不能單獨當成標的佔有，GALACTIC-1 已經示範過它會誤導。抑制劑若是針對人的 CRD 設計，要另外確認它認不認鼠的 Galectin-3。
模式由假說決定。只做裸鼠皮下瘤，無法支持一個免疫假說。動物實驗也必須走實驗動物委員會與 3R，網頁不提供劑量或操作流程。
論文公開不等於你可以商業使用。TDG 雙芳香基、GB0139、GB1211、belapectin 各自有申請人與權利範圍。開始列舉大庫之前就該搜，否則很容易設計出一個已經被主張的骨架。
可專利性問的是「你的分子新不新、相對於舊分子有沒有非顯而易見的效果」。自由實施問的是「你做出來會不會踩到別人的請求項」。兩件事都要做。學術上引用論文、重現一個已知抑制劑來當對照，和要把新分子推進商業開發，是不同的判斷。
假設候選物是一個新的口服 CRD 抑制劑，假說是：在轉移性胰臟癌中，阻斷細胞外 Galectin-3 可以讓免疫治療更容易作用。規劃時先寫目標產品輪廓，再寫期別。
| 要先寫死的內容 | |
|---|---|
| 目標產品輪廓 | 口服、對 Galectin-3 優於或至少不同於 Galectin-1、能夠和標準治療或 PD-1 抗體併用、有一個可測的標的佔有指標。 |
| 進入人體之前 | 純化蛋白的 Kd、細胞裡對得上假說的藥效、免疫完整動物的方向性結果、安全性與暴露量。沒有這些，不討論期別。 |
| 第一期 | 晚期實體瘤，可以包含胰臟癌。主要看安全性與藥物動力學，並事先定義什麼叫做標的佔有。不要用「血清 Galectin-3 升高」反過來證明藥已經結合。 |
| 第二期 | 轉移性胰臟癌，隨機比較標準治療與標準治療加抑制劑，或免疫治療與免疫治療加抑制劑。主要終點用客觀反應率或無進展存活，並用 Galectin-3 高表現做探索性分層。 |
GALACTIC-1 的教訓要寫進計畫：親和力、給藥路徑和終點是三件獨立的事；沒有標的佔有時，陰性結果不能解釋。NAVIGATE 的教訓是：終點（食道靜脈曲張）一旦選錯或效應不夠，整個適應症故事會停在 2b 期。黑色素瘤與頭頸癌的 GB1211 試驗則提醒，Galectin-3 目前比較像併用夥伴，而不是單藥。
這是教學用的規劃骨架，不是臨床方案，也不能當作醫療建議。試驗登錄、終點與法規要求都以當下的主管機關文件為準。
本頁說明公開文獻中的製藥流程，用來上課。它不是操作規程，不提供合成條件、劑量或動物實驗步驟。