藥物設(shè)計(jì)基本原理和方法

1,第二章 藥物設(shè)計(jì)基本原理和方法,Basic Principles of Drug Design,2,主要內(nèi)容：先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合的優(yōu)化,3,一、新藥開發(fā)的兩階段,先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)（Lead Generation）先導(dǎo)化合物優(yōu)化（Lead Optimization） 兩者相輔相成,NCE,lead discovery,lead optimization,4,先導(dǎo)化合物L(fēng)ead compound,簡(jiǎn)稱先導(dǎo)物（Lead），是指新發(fā)現(xiàn)的對(duì)某種靶標(biāo)和模型呈現(xiàn)明確藥理活性的化合物。有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的具有一定活性的化合物是現(xiàn)代新藥研究的出發(fā)點(diǎn),5,先導(dǎo)化合物L(fēng)ead compound,A chemical structure or series of structures that show activity and selectivity in a pharmacological or biochemically relevant screen.The structure of the lead compound is then modified by synthesis to amplify the desired activity and to minimize or eliminate the unwanted properties.,6,二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)Approaches for lead discovery,7,（1）用藥物的副作用開發(fā)新藥（2）通過(guò)藥物代謝研究得到先導(dǎo)物（3）以現(xiàn)有突破性藥物作先導(dǎo),1、改進(jìn)和優(yōu)化已有藥物,First Strategy: Improvement of existing drugs,8,（1） 用藥物的副作用開發(fā)新藥,藥物對(duì)機(jī)體有多種藥理作用用于治療的稱治療作用其他的作用通常稱為毒副作用藥物的毒副作用可能對(duì)另一種疾病有治療作用可從已知藥物的毒副作用出發(fā)找到新藥或?qū)⒍靖弊饔门c治療作用分開而獲得新藥,9,如:異煙肼(Isoniazid)是抗結(jié)核藥物，臨床發(fā)現(xiàn)部分病人服用后出現(xiàn)與結(jié)核病人體征不相符的情緒高漲，這引起了醫(yī)學(xué)界的注意。經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)是由于異煙肼具有抑制單胺氧化酶的副作用，于是以異煙肼為先導(dǎo)化合物，發(fā)展了單胺氧化酶抑制劑類抗抑郁藥，異丙煙肼是其中一例。,（1） 用藥物的副作用開發(fā)新藥,10,異丙嗪的鎮(zhèn)靜作用,異丙嗪(Promethazine)是抗過(guò)敏藥，研究其構(gòu)效關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，將支鏈的異丙基用直鏈的丙基替代時(shí)，抗過(guò)敏作用下降，而精神抑制副作用增強(qiáng)，由此啟發(fā)找到了新的先導(dǎo)化合物氯丙嗪(Chlorpromazine),11,（2）藥物代謝研究得到先導(dǎo)物,藥物研究的先導(dǎo)物選擇其活化形式避免代謝失活或毒化的結(jié)構(gòu) 采用這類先導(dǎo)物，得到優(yōu)秀的藥物的可能性較大甚至直接得到比原來(lái)藥物更好的藥物,12,百浪多息（Prontosil）,磺胺類抗菌藥,（2）藥物代謝研究得到先導(dǎo)物,13,（3）以突破性藥物作先導(dǎo),近年來(lái)隨著生理生化機(jī)制的了解，得到了一些疾病治療的突破性的藥物不僅在醫(yī)療效果中，也在醫(yī)藥市場(chǎng)上取得了較大的成功，原型藥物（Prototype Drug）隨之出現(xiàn)了大量的“Me-too”藥物,A me-too drug is a compound that is structurally very similar to already known drugs, with only minor pharmacological differences.,14,“Me-too”藥物,特指具有自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的藥物其藥效和同類的突破性的藥物相當(dāng)以現(xiàn)有的藥物為先導(dǎo)物進(jìn)行研究避開“專利”藥物的產(chǎn)權(quán)保護(hù)的新藥研究 比全新結(jié)構(gòu)藥物的創(chuàng)制研究難度低、風(fēng)險(xiǎn)小、成功率高是新藥研究的一條重要途徑,是由仿制向創(chuàng)制轉(zhuǎn)軌的捷徑。,15,Me-too drug,H2受體拮抗劑類抗?jié)兯?16,二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)Approaches for lead discovery,17,2、篩選,廣泛篩選 Extensive screening隨機(jī)篩選 Random Screening中間體篩選The screening of synthesis intermediates高通量篩選High-throughput screening虛擬篩選 Virtual screening,Second Strategy: Systematic Screening,18,Virtual screening,用計(jì)算機(jī)篩選的方法稱為虛擬篩選，或稱in silico篩選 ， 成為in silico-in vitro-in vivo模式 。用一系列“基于知識(shí)的濾片”對(duì)虛擬庫(kù)“篩選”，以“濃縮”出能夠滿足預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)的化合物。這些濾片包括類藥性(drug like)，藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，毒性，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題以及與受體的互補(bǔ)性或與配體的相似性等，是通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋和計(jì)算化學(xué)實(shí)現(xiàn)的。,19,類藥性,Lipinski歸納的“類藥5規(guī)則”(Rule of Five)，概括了類藥的最低標(biāo)準(zhǔn):分子量在500以下；氫鍵的給體不超過(guò)5個(gè)；氫鍵的接受體不超過(guò)10個(gè)；計(jì)算的分配系數(shù)(正辛醇-水系統(tǒng))ClogP值不超過(guò)5。,20,ADMET,ADMET (藥物的吸收, 分配, 代謝, 排泄和毒性)藥物動(dòng)力學(xué)方法是當(dāng)代藥物設(shè)計(jì)和藥物篩選中十分重要的方法。A：吸收 Absorption D：分配 Distribution M：代謝 MetabolismE ：排泄 Excretion T： 毒性 Toxcity,21,二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)Approaches for lead discovery,22,3、利用自然界生物資源,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物天然生物活性物質(zhì)來(lái)源廣泛 植物 動(dòng)物 微生物 海洋生物 礦物,Third Strategy: Exploitation of biological information,23,目前臨床應(yīng)用的不少藥物是直接從植物中提取到的。可直接作為藥物使用，同時(shí)又是良好的先導(dǎo)化合物，可發(fā)展多種合成和半合成類的藥物。天然生物活性物質(zhì)的特點(diǎn) 新穎的結(jié)構(gòu)類型（分子多樣性） 獨(dú)特的藥理活性 資源有限及地域性差異 有效成分含量很低 大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作用強(qiáng)度不同,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物,24,南美洲古柯,普魯卡因（Procaine）,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物,25,結(jié)構(gòu)修飾，優(yōu)化得到半合成的多西紫杉醇（Taxotere）,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物,從紅豆杉樹皮中分離出的抗癌藥紫杉醇,26,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物,1929年，英國(guó)醫(yī)生Fleming發(fā)現(xiàn)青霉素，從此揭開了青霉素研究的序幕。,27,天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物,?？舅厥菑暮Ｑ笊镏蟹蛛x出的一種劇毒物質(zhì)，有望成為新型心血管藥物和抗癌化療藥物。,28,二、先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)Approaches for lead discovery,29,4、合理藥物設(shè)計(jì) Fourth Strategy: Planned research and rational approaches,以藥物作用靶點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)和生物化學(xué)作用機(jī)制為基礎(chǔ)進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)。基于機(jī)理的藥物設(shè)計(jì) Mechanism-based drug design基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì) Structure-based drug design,30,H1受體拮抗劑類的抗過(guò)敏藥H2受體拮抗劑類抗?jié)兯幬?，如西咪替丁（Cimetidine），用于潰瘍病的治療。,西咪替?。–imetidine）,Mechanism-based drug design,組胺,西咪替丁,31,Structure-based drug design,血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑ACEI,32,傳統(tǒng)藥物化學(xué)的主要方法:1、烷基鏈或環(huán)結(jié)構(gòu)改造2、生物電子等排3、前藥4、軟藥5、硬藥6、孿藥,三、先導(dǎo)化合物的優(yōu)化Lead Optimization,33,1、烷基鏈或環(huán)結(jié)構(gòu)改造Alterations of Compound with Alkyl or Ring,同系物引入烯鍵環(huán)結(jié)構(gòu)的改變官能團(tuán)的改變,34,2、生物電子等排 Bioisosteris,電子等排體元素周期表中同族元素最外層的電子數(shù)目相等，它們的理化性質(zhì)亦相似擴(kuò)大到外層電子數(shù)相等的原子、離子或分子“生物電子等排體”具有相似的物理和化學(xué)性質(zhì)，又能產(chǎn)生相似的生物活性的相同價(jià)鍵的基團(tuán)有時(shí)這也被稱作非經(jīng)典的電子等排體,35,藥物設(shè)計(jì)中常用的生物電子等排體,36,生物電子等排體原理設(shè)計(jì)優(yōu)化先導(dǎo)化合物特點(diǎn)：,第一，用生物電子等排體替代時(shí)，往往可以得到相似的藥理活性。通過(guò)藥物設(shè)計(jì)可以得到新的化學(xué)實(shí)體或類似物。,me-too drug,37,第二，用生物電子等排體替代后，可能產(chǎn)生拮抗的作用，常常應(yīng)用這種原理設(shè)計(jì)代謝拮抗劑類的藥物第三，用生物電子等排體替代后得到的化合物，毒性可能會(huì)比原藥低。第四，用生物電子等排體替代后，還能改善原藥的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。,生物電子等排體原理設(shè)計(jì)優(yōu)化先導(dǎo)化合物特點(diǎn)：,38,3、前藥（Prodrug）,藥物分子進(jìn)入人體要面臨的其中一關(guān)就是肝臟，因?yàn)橐谶@里被代謝轉(zhuǎn)化?；蛘哒f(shuō)“解毒”，被“解毒”的藥物分子多半就沒(méi)有了藥理活性，這個(gè)效應(yīng)也被稱為“首過(guò)效應(yīng)”。藥物分子就像沖鋒的士兵，雖然斗志高昂，可是能沖過(guò)肝臟的防線，多半也都損兵折將。怎么辦？“潛伏”起來(lái)！,39,前藥的概念,前藥（prodrug）泛指一類體外活性較小或無(wú)活性，在體內(nèi)經(jīng)酶或非酶作用，釋出活性物質(zhì)而發(fā)揮藥理作用的化合物。載體連接前藥（carrier-linked prodrug）生物前體（bioprecursor）制備前藥的一般方法 醇類：酯、縮醛或縮酮 羧酸類：酯、伯酰胺、酸酐 胺類：酰胺、亞胺、偶氮 脒類：氨基甲酸酯 羰基類：縮醛,40,生物前體（bioprecursor）,非甾抗炎藥舒林酸（sulindac）的還原性生物活化,41,載體連接前藥,42,載體連接前藥,將藥物分子和一個(gè)叫“二氫吡啶”的載體連在一塊，經(jīng)過(guò)偽裝的分子脂溶性很好，能夠闖入血腦屏障進(jìn)入大腦,43,利用前藥原理，可使先導(dǎo)化合物的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)得到改善，但一般不增加其活性 提高藥物的選擇性 增加藥物的穩(wěn)定性 延長(zhǎng)藥物作用時(shí)間 改善藥物的吸收，提高生物利用度 改善藥物的溶解性 降低藥物的毒副作用,前藥設(shè)計(jì)目的及作用：,44,4、軟藥（Soft-drug）,“硬藥”（hard drug）在歷史上曾有人試圖設(shè)計(jì)一類在體內(nèi)不受任何酶攻擊的有效藥物，以避免有害代謝物的產(chǎn)生 “軟藥” （soft drug）容易代謝失活的藥物使藥物在完成治療作用后，按預(yù)先規(guī)定的代謝途徑和可以控制的速率分解、失活并迅速排出體外軟藥設(shè)計(jì)的方法可減少藥物蓄積的副作用,45,阿曲庫(kù)銨（Atracuriun）,在生理pH和體溫下，由于季氮原子的位上的強(qiáng)吸電子作用，可進(jìn)行Hoffmann消除鏈上的雙酯的可被血漿中的酯酶水解 避免肌肉松弛藥的蓄積中毒,46,孿藥 Twin Drug,孿藥（twin drug） 是指將兩個(gè)相同或不同的先導(dǎo)化合物或藥物經(jīng)共價(jià)鍵連接，綴合成的新分子，在體內(nèi)代謝生成以上兩種藥物而產(chǎn)生協(xié)同作用，增強(qiáng)活性或產(chǎn)生新的藥理活性，或者提高作用的選擇性。 拼合原理 Association principle藥理作用的類型拼合結(jié)構(gòu)的專屬性有效劑量拼合的方式,47,一是將兩個(gè)作用類型相同的藥物，或同一藥物的兩個(gè)分子，拼合在一起，以產(chǎn)生更強(qiáng)的作用，或降低毒副作用，或改善藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等等。,孿