第3章 藥物設(shè)計的基本原理和方法 (2)課件

第三章藥物設(shè)計的基本原理和方法

(BasicPrinciplesandMethodsofDrugDesign)1第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)主要內(nèi)容第一節(jié)概論（Introduction）第二節(jié)先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的方法和途徑(ApproachesforLeadDiscovery)第三節(jié)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化（Leadoptimization)第四節(jié)藥物的結(jié)構(gòu)與藥效關(guān)系(Structure-ActivityRelationships)第五節(jié)定量構(gòu)效關(guān)系方法簡介第六節(jié)計算機輔助藥物設(shè)計（Computer-AidedDrugDesign,CADD)2第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)藥物化學(xué)第三章藥物設(shè)計的基本原理和方法Charpter3BasicPrinciplesandMethodsofDrugDesign第一節(jié)概論（Introduction）

新藥設(shè)計的目的是尋找具有高效、低毒的新化學(xué)實體(newchemicalentities,NCE)

藥物化學(xué)設(shè)計和發(fā)現(xiàn)新藥藥物設(shè)計兩個階段先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)（leaddiscovery）先導(dǎo)化合物的優(yōu)化(leadoptimization)3第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)因先導(dǎo)化合物存在著某些缺陷，如活性不夠高，化學(xué)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，毒性較大，選擇性不好，藥代動力學(xué)性質(zhì)不合理等，需要對先導(dǎo)化合物進行化學(xué)修飾，使之發(fā)展為理想的藥物，這一過程稱為先導(dǎo)化合物的優(yōu)化。先導(dǎo)化合物

(leadcompound):簡稱先導(dǎo)物，又稱原型物，是通過各種途徑得到的具有一定生理活性的化學(xué)物質(zhì)。先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和尋找有多種多樣的途徑和方法。4第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)目前發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的新的進展還有通過組合化學(xué)的大規(guī)模篩選或應(yīng)用反義核苷酸技術(shù)等。

第二節(jié)先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)的方法和途徑(ApproachesforLeadDiscovery)先導(dǎo)化合物是通過各種途徑或方法得到的具有一些生物活性的化合物，可進一步優(yōu)化而得到供臨床使用的藥物.發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的途徑和方法很多，主要有以下幾種：①通過隨機發(fā)現(xiàn)；②從天然產(chǎn)物的活性成分中發(fā)現(xiàn)；③以體內(nèi)生命基礎(chǔ)過程和生物活性物質(zhì)為基礎(chǔ)而發(fā)現(xiàn)；④基于體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化的代謝產(chǎn)物而發(fā)現(xiàn)，⑤觀察臨床副作用而發(fā)現(xiàn)；⑥基于生物大分子的結(jié)構(gòu)而發(fā)現(xiàn)等。5第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)一、隨機發(fā)現(xiàn)（AccidentallyDiscovery）

在藥物化學(xué)發(fā)展歷史中，通過偶然事件而意外發(fā)現(xiàn)了先導(dǎo)化合物，進而發(fā)展了一類新型藥物。例子很多如青霉素的發(fā)現(xiàn)。1929年，英國醫(yī)生Fleming發(fā)現(xiàn)已接種金黃色葡萄球菌的平面皿被霉菌污染，污染物鄰近細菌明顯遭到溶菌。他聯(lián)想到可能是霉菌的代謝產(chǎn)物對金黃色葡萄球菌有抑制作用，因此把這種霉菌放在培養(yǎng)液中培養(yǎng)，結(jié)果培養(yǎng)液有明顯的抑制革蘭氏陽性菌的作用。從此揭開了青霉素研究的序幕。6第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)二、從天然藥物的活性成分中獲得(FromActiveComponentOfNaturalResources)天然藥物是人類使用最早的藥物，從天然產(chǎn)物如動物、植物、海洋生物、礦物中得到的有效成分，往往有獨特的結(jié)構(gòu)和藥理作用，是先導(dǎo)化合物的重要來源之一。另外，某些微生物的代謝產(chǎn)物常常也具有活性成分，人類已從細菌培養(yǎng)液中分離出了不少抗生素。這些均是天然產(chǎn)物的活性成分，可直接作為藥物使用，同時又是良好的先導(dǎo)化合物，可發(fā)展多種合成和半合成類的藥物。目前臨床應(yīng)用的不少藥物是直接從植物中提取到的。如抗腫瘤藥長春堿、抗瘧藥奎寧、心血管藥物利血平、鎮(zhèn)痛藥嗎啡、解癌藥阿托品，由細菌發(fā)酵得到的青霉素、四環(huán)素、阿霉素等，7第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)由于天然產(chǎn)物資源有限，有效成分含量一般很低，而且大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往要進行結(jié)構(gòu)簡化，保留必要的藥效團結(jié)構(gòu)，才能發(fā)展成為便于合成的藥物。在藥物化學(xué)發(fā)展中，這種例子處處可見。如最早從南美洲古柯中的麻醉物質(zhì)可卡因（

Cocaine），經(jīng)結(jié)構(gòu)簡化，除去五元環(huán)，得到β-優(yōu)卡因，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，酯的結(jié)構(gòu)是必需的藥效團，而雜環(huán)是可以簡化的，繼續(xù)簡化得到對氨基苯甲酸酯類局部麻藥普魯卡因（Procaine）。

8第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)青蒿素（Artemisinin）是我國從植物黃花筒中發(fā)現(xiàn)的抗瘧有效成分，是一個優(yōu)良的先導(dǎo)物。對其10位結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到醚類和酯類結(jié)構(gòu)，如蒿甲醚（Artemether）和青蒿硫酯（Artesunat），活性均超過青蒿素。1010109第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)從紅豆杉樹皮中分離出的紫杉醇（Paclitaxel，Taxol）是一種二萜化合物類的抗癌藥。但紅豆杉樹生長慢，來源有限，紫杉醇含量低，約為0.01%,而且水溶性差,以它作為先導(dǎo)物進行結(jié)構(gòu)修飾，優(yōu)化得到半合成的多西他賽（Docetaxel,Taxotere）,水溶性好，抗腫瘤作用比紫杉醇強1倍。隨著陸地資源的日益減少，海洋生物是新的先導(dǎo)化合物來源。海洋生物的生活環(huán)境與陸地生物匯異，海洋生物的多樣性、復(fù)雜性和特殊性使海洋天然產(chǎn)物也具有多樣性、復(fù)雜性和特殊性。10第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)

三、以體內(nèi)內(nèi)源性活性物質(zhì)作為先導(dǎo)化合物

(FromImmanentActiveSubstance）人體是由各種細胞、組織形成的統(tǒng)一機體．通過各種生化反應(yīng)和生理過程來調(diào)節(jié)機體的正常功能。研究這些主化反應(yīng)和生理調(diào)節(jié)過程，可發(fā)現(xiàn)藥物設(shè)計的新靶點，也是先導(dǎo)化合物設(shè)計的源頭之一。生命學(xué)科的發(fā)展，為尋找具有生物活性的先導(dǎo)化合物開辟了廣闊前景。通過研究分子藥理學(xué)，以作用于體內(nèi)的酶、受體、離子通道等活性物質(zhì)為靶點，分析其作用機理，可以使藥物設(shè)計更為合理，是目前發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的重要途徑。體內(nèi)的內(nèi)源性活性物質(zhì)除受體、酶外，還有神經(jīng)系統(tǒng)所釋放的各種神經(jīng)介質(zhì)，如乙酸膽堿；內(nèi)分泌系統(tǒng)所釋放的調(diào)節(jié)物質(zhì)（如胰島素）、各種氨基酸（如γ-氨基丁酸）及各種多肽（如腦啡肽）等。體內(nèi)這些活性物質(zhì)的配體和自動調(diào)節(jié)控制過程中的每一個環(huán)節(jié)都是藥物設(shè)計的靶點，可視為廣義的先導(dǎo)化合物，是藥物設(shè)計的新思路。11第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)

體內(nèi)的組胺有多種生物活性，組胺的受體有H1、H2等亞型，可產(chǎn)生不同的生理活性。以H受體的配體組胺為先導(dǎo)化合物，保留乙胺鏈，對咪唑部分進行改造，設(shè)計出了H1受體拮抗劑，因而發(fā)展了H1受體拮抗劑類的抗過敏藥。組胺作用于H2受體時，可刺激胃酸分泌。通過研究H2受體的功能和組胺的結(jié)構(gòu)后，以組胺為先導(dǎo)物進行化學(xué)修飾，發(fā)現(xiàn)了H2受體拮抗劑類抗?jié)兯幬?，如西咪替?。–imetidine）等，用于潰瘍病的治療。12第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)四、從藥物代謝產(chǎn)物中尋找(FromMetaboliteofDrugs)藥物進入體內(nèi)后發(fā)生的代謝過程實質(zhì)上是藥物在體內(nèi)發(fā)生的化學(xué)轉(zhuǎn)化過程。大部分藥物在體內(nèi)代謝的結(jié)果主要是失活和排出體外，但有些藥物卻發(fā)生代謝活化或產(chǎn)生其他新的作用，轉(zhuǎn)化為保留活性、毒副作用小的代謝物，這樣的代謝產(chǎn)物可成為新的先導(dǎo)化合物。研究藥物代謝過程和發(fā)現(xiàn)活性代謝物是尋找先導(dǎo)化合物的途徑之一。

最經(jīng)典的例子是磺胺類藥物的發(fā)現(xiàn)。偶氮化合物百浪多息(Prontosil)在體外抑菌實驗中無活性，但注射進入人體后可以抑制葡萄球菌的感染。研究發(fā)現(xiàn)百浪多息到體內(nèi)經(jīng)P-450酶催化還原可生成活性代謝物磺胺（Sulfonilamide），磺胺就成為了磺胺類抗菌藥的先導(dǎo)化合物?；前奉愃幬锎蠖嗑哂袑Π被交酋０返幕灸负?，磺酰胺氮上的氫多為各種雜環(huán)所取代，迄今已開發(fā)出了五十多種磺胺類抗菌藥，磺胺甲噁唑是目前常用的確胺類藥物之一。13第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)苯二氮卓類藥物地西泮（Diazepam，安定）在體內(nèi)經(jīng)氧化代謝生成奧沙西泮（Oxazepam）仍具有較強的催眠作用，而且副作用比地西泮小，受此啟發(fā)，又發(fā)展了替馬西泮(Temazepam)、勞拉西泮（Lorazepam）等3位羥基取代的鎮(zhèn)靜催眠藥。14第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)五、通過觀察藥物的臨床副作用或者老藥新用(FromObservingSide-effectofMedicineorNewPurposeofOldDrugs)以現(xiàn)有藥物為先導(dǎo)化合物，觀察其副作用，可開發(fā)出具有新的治療作用的藥物。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。

15第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)異丙嗪(Promethazine)是抗過敏藥，研究其構(gòu)效關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，將支鏈的異丙基用直鏈的丙基替代時，抗過敏作用下降，而精神抑制副作用增強，由此啟發(fā)找到了新的先導(dǎo)化合物氯丙嗪(Chlorpromazine)，并對氯丙嗪的取代基、側(cè)鏈、三環(huán)分別進行改造設(shè)計，不僅使吩噻嗪類藥物發(fā)展成了一類主要的抗精神病藥，還開發(fā)出了三環(huán)類抗抑郁藥16第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)六、基于生物大分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計得到

(BasedonStructureofBiologicMolecular)計算機輔助藥物設(shè)計的方法:常常是以體內(nèi)生理活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)或功能為出發(fā)點，選擇與這些生理作用相關(guān)的酶或受體為藥物作用靶點，以已知的受體（酶）抑制劑或激動劑為先導(dǎo)化合物。近幾年，世界各地先后有二十多個實驗室通過研究HIV蛋白水解酶的作用及酶的三維結(jié)構(gòu)，運用計算機輔助藥物設(shè)計的方法，設(shè)計出了不少HIV蛋白酶抑制劑類抗艾滋病藥物。

17第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（ACE）抑制劑是從其天然底物血管緊張素轉(zhuǎn)化酶的結(jié)構(gòu)研究出發(fā)設(shè)計合成的。腎素-血管緊張素系統(tǒng)（RAS）在高血壓的發(fā)生中起重要作用，其中血管緊張素轉(zhuǎn)化酶是該系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，它屬于金屬蛋白酶，能催化十肽的血管緊張素

1（AI）在C末端裂解生成可使血管收縮的八肽的血管緊張素Ⅱ。ACE的底物與酶的作用模型顯示:在末端亮氨酸的負離子與酶的正電離子形成靜電結(jié)合，在

R1和R2處分別與

ACE的空穴相互作用。一個重要的結(jié)合部位是與Zn2+以四面體過渡態(tài)形式結(jié)合（圖3－1）根據(jù)天然底物末端三肽的結(jié)構(gòu)特點及其與酶的作用方式，設(shè)計了琥珀酰脯氨酸為先導(dǎo)化合物。它的活性不夠強，經(jīng)優(yōu)化，找到卡托普利（Captopril），其結(jié)構(gòu)中的巰基比羧基更能與Zn2+礦形成穩(wěn)定的過渡態(tài)，對ACE的抑制作用很強。

18第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)七、通過組合化學(xué)會成得到(ByCombinatorialChermsny)

組合化學(xué)是近十幾年發(fā)展起來的化學(xué)合成的新方法，是藥物化學(xué)一個重要的組成部分。該方法可以快速合成數(shù)目巨大的化學(xué)實體，構(gòu)建化合物庫，配合高通量篩選（high-throughputscreening，HTS），為人類發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化先導(dǎo)化合物提供了新的途徑，它實際上是以隨機篩選和廣泛篩選為基礎(chǔ)的一種尋找新先導(dǎo)化合物的高效率方法。利用化學(xué)庫尋找藥物先導(dǎo)化合物是近年來新藥研究中的一個熱點。19第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)組合化學(xué)最初主要用在核酸和多肽的合成，把一些簡單分子如各種氨基酸、單糖、核苷酸或有機小分子等作為構(gòu)建模塊，設(shè)計不同的排列組合順序及連接方式把它們連接起來。一般在特殊的含有48孔或96孔的組合會成議中，一次加料同步合成。該法的特點是可同時制備大量的結(jié)構(gòu)多樣的分子，可同時篩選活性，并建立龐大的化合物庫。組合化學(xué)的合成方法：設(shè)計組合合成方法：可以平行地合成，也可以系統(tǒng)地合成，或混合地進行合成。

固相合成和液相合成20第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)八、從藥物合成的中間作中發(fā)現(xiàn)

(FromSyntheticIntermediates)

一些藥物合成的中間體，由于與目的化合物結(jié)構(gòu)上有相似性，經(jīng)過篩選也可發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物。如早期在尋找抗結(jié)核藥物時，F(xiàn)ox設(shè)計合成硫代縮氨脲的衍生物，其合成路線如下：

異煙醛與硫代氨基脲縮合得到目的物，將合成過程的中間體異煙肼同時進行藥理活性實驗時，發(fā)現(xiàn)異煙肼的抗結(jié)核活性超過目的物，故放棄目的物的研究，將異煙肼推上臨床。

21第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)另一個典型的例子是抗腫瘤藥物安西他濱(Ancitabine，環(huán)胞苷，Cyclocytidine)的發(fā)現(xiàn)。阿糖胞苷（Cytarabie）是干擾DNA合成的抗腫瘤藥物，其合成是以D-阿拉伯糖為起始原料，經(jīng)多步反應(yīng)生成環(huán)胞苷，再用開環(huán)得到的。后來發(fā)現(xiàn)其中間作環(huán)胞苷不僅具有抗腫瘤作用，且副作用輕，在體內(nèi)代謝速度比阿糖胞苷慢，故作用時間長，可用于各種白血病的治療。

22第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)九、其他新發(fā)展的方法(NewMethodsDrugDiscovery)

1．反義寡核苷酸

反義寡核苷酸（Antisenseoligonucleotides，ASON）是發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的新途徑之一。Izant等人于1984年首次提出反義寡核苷酸技術(shù)，該技術(shù)是根據(jù)核酸間堿基互補原理，利用一小段外源性的人工或生物合成的特異互補RNA或DNA片斷，與靶細胞中的MA或DNA通過減基互補結(jié)合，通過這種寡核苷酸鍵抑制或封閉其基因的表達。與反義寡核苷酸相似的是反義DNA，是用一小段人工會成的約8～23堿基組成的脫氧核苷酸單鏈，與靶mRNA形成堿基配對的DNA-mRNA雜交鏈，從而封閉某一特定基因片段。

23第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)目前這種技術(shù)在抗病毒和抗腫瘤藥物等以核酸為靶點的藥物中已有不少成功的例子。如對乙型肝炎病毒(HBV),就是以HBV的

DNA為靶位，設(shè)計反義DNA，抑制HBV的復(fù)制而治療乙肝。1995年Korba首次針對HBV的C區(qū)、S區(qū)和前SI區(qū)基因而設(shè)計合成的反義DNA，可顯著抑制ABV在細胞培養(yǎng)系統(tǒng)中的復(fù)制和表達。

2001年Robaczewska通過靜脈給藥，證實反義DNA可選擇性地抑制北京鴨乙型肝炎病毒在鴨肝臟中的復(fù)制和表達。

由于合成后的未修飾的反義DNA對核酸酶的抵抗力較弱，不能用于臨床治療，還需克服其在體內(nèi)的穩(wěn)定性差、不易透過細胞膜，與靶序列的親和力較低等許多問題，故以合成的反義DNA為先導(dǎo)化合物，對其進行化學(xué)修飾?？尚揎椀姆椒ㄓ校簩α姿岫ユI進行疏代修飾，或?qū)α姿嵝揎?，或在核糖?ˊ-端、3ˊ-端偶聯(lián)某些基因或某些具有高級結(jié)構(gòu)的核酸片段。另外，可對堿基的雜環(huán)進行修飾，引人親脂性基團或改變其電負性使其易透過細胞膜等。

24第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)

一般來說，當(dāng)獲得受體大分子的三維結(jié)構(gòu)以及與藥物結(jié)合部位的信息后，可以采用計算機分子模擬技術(shù)，分析受體與藥物結(jié)合部位的性質(zhì)，如靜電場、疏水場、氫鍵作用等位點的分布，分析藥效團的模型，運用數(shù)據(jù)庫搜尋與受體作用位點相匹配的分子，可發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物。2．計算機輔助藥物設(shè)計25第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)3．綜合技術(shù)平臺目前最快速的發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的途徑是被各國稱為綜合技術(shù)平臺的方法，簡單說就是用液相串聯(lián)質(zhì)譜（

LCMS／MS）作為化合物的分離和分析結(jié)構(gòu)的工具，與藥理學(xué)、組合化學(xué)的高通量篩選、計算機輔助設(shè)計、分子生物學(xué)、受體（酶）學(xué)，及化學(xué)基因組學(xué)等學(xué)科結(jié)合起來，可迅速而大量地確定具有不同活性藥物的基本母核（scaffold），作為先導(dǎo)化合物?；瘜W(xué)基因組學(xué)是近年發(fā)展的基因組與藥物設(shè)計相交叉的學(xué)科，基本思路是基于靶標(biāo)活性部位的抑制劑的設(shè)計及合成。目前，隨著人類基因組的研究，大量的疾病相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)，使得藥物作用的靶標(biāo)分子急劇增加，為藥物設(shè)計開辟了廣闊前景。

26第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法(2)藥物篩選的方法多種多樣，概括起來大致有如下幾種：藥物發(fā)現(xiàn)的基本方式有兩種：意外發(fā)現(xiàn)(被動方式)和藥物篩選(主動方式)①隨機篩選．這是最經(jīng)典的一種藥物篩選方式．在歷史上曾發(fā)揮過重要作用，特別在20世紀50~60年代較為普遍。現(xiàn)在應(yīng)用的許多有效治療藥物都是通過隨機篩選得到的。該方法目前還在使用，其特點是能夠發(fā)現(xiàn)全新結(jié)構(gòu)的藥物，但發(fā)現(xiàn)新藥的概率較低。要保證藥物隨機篩選的成功率，就必須有足夠的被篩選樣品量和廣泛的藥物作用篩選方法．從篩選的樣品著，既可以是人工合成的化合物，也可以是從天然產(chǎn)物中提取的化學(xué)成分。27第3章藥物設(shè)計的基本原理和方法