14-藥物設(shè)計及基因診斷與治療

生物信息學(xué)主講教師：王莉藥物設(shè)計及基因診斷與治療第十二講主要內(nèi)容：

一、藥物基因組學(xué)二、藥物蛋白質(zhì)組學(xué)三、藥物設(shè)計四、構(gòu)效關(guān)系和計算機(jī)輔助藥物設(shè)計五、基因診斷與治療一、藥物基因組學(xué)有同樣病癥的患者對于同一種藥物出現(xiàn)不同治療效果藥物遺傳學(xué)（pharmacogenetics）藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）藥物基因組學(xué)的重點：個體遺傳差異對藥物反應(yīng)的不同作用。不是研究疾病的內(nèi)在分子機(jī)理。1957年：個體之間酶活性的遺傳差異引起不同的、甚至相反的藥物反應(yīng)。許多藥物代謝酶的催化活性、專一性都被廣泛研究。例：細(xì)胞色素P-450s

代謝降解大約40～50％的藥物，并顯示基因多肽性。對于大多數(shù)藥物來說，P-450s的活性決定了藥物在體內(nèi)的存在時間和存在量。（活性低：中毒；活性高：抵抗）

多肽性位點：與疾病相關(guān)的某種等位基因可作為對有不同藥物反應(yīng)的患者進(jìn)行分類的指標(biāo)。（不需要是藥物作用靶點，該位點只需要與藥物反應(yīng)有相關(guān)性）個體藥物反應(yīng)差異：藥代動力學(xué)差異（pharmacokinetics）藥物動力學(xué)差異（pharmacodynamics）

即：藥物與藥物靶點相互作用的差異。多種基因與環(huán)境因素一起作用導(dǎo)致不同藥物反應(yīng)的個體差異。藥物基因組學(xué)作用：鑒定藥物代謝途徑的基因和疾病相關(guān)基因。所以，必須構(gòu)建一種可以解析涉及藥物反應(yīng)和疾病的復(fù)雜基因鏈系統(tǒng)的整個基因組范圍的定位圖譜。（遺傳差異的快速測定）功能基因組學(xué)作用：鑒定功能基因，特別是疾病相關(guān)基因；并研究各種生物過程的分子機(jī)制和疾病的分子機(jī)理，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點及開發(fā)新的藥物。（功能基因的快速鑒定）二、藥物蛋白質(zhì)組學(xué)作為藥物作用的靶分子，核酸存在幾點缺陷：①核酸的同源性使得藥物的選擇性差、毒性大。②大多數(shù)疾病都是表征在蛋白質(zhì)水平而非基因水平。③將核酸結(jié)合的藥物釋放到相應(yīng)組織是研究瓶頸。④很多疾病是多基因合作結(jié)果，有遺傳上的多肽性，很難找到關(guān)鍵基因做靶標(biāo)。藥物蛋白質(zhì)組學(xué)：應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法對在基因表達(dá)水平上的疾病和藥物作用效果進(jìn)行分析。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能夠促進(jìn)靶點的發(fā)現(xiàn)和篩選模型的建立?？赏ㄟ^對疾病與正常細(xì)胞中蛋白質(zhì)組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)一些疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)（作為藥物篩選的靶點或相關(guān)疾病的分子標(biāo)志）。還可通過疾病發(fā)生的不同階段蛋白質(zhì)的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一些疾病不同時期的蛋白標(biāo)志物。（抗腫瘤藥物、抗感染藥物、靶向信號傳導(dǎo)分子的治療）蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)控構(gòu)成了真正的藥物作用機(jī)制。還可反過來在蛋白質(zhì)層面上考察待篩化合物的藥效學(xué)，加速先導(dǎo)化合物的鑒定與優(yōu)化。三、藥物設(shè)計藥物分子的設(shè)計與合成：該階段的工作是藥物是否開發(fā)成功的最重要的階段，是藥物開發(fā)的開端。主要的研究內(nèi)容是：先導(dǎo)化合物的篩選及優(yōu)化，藥理模型的建立及藥效試驗，毒性的初步試驗。

分子中鏈狀部分的改造：將藥物分子中的碳鏈增長或縮短，可以改變活性，甚至改變活性類型。胡椒堿（抗癲癇）--桂皮酰胺化合物（增強了抗癲癇活性，減少了合成的難度。去甲腎上腺素，R基團(tuán)的改變，活性發(fā)生變化。①電子等排體置換經(jīng)典電子等排體：a)具有相同的電子數(shù)目和相同的電子排列的化合物或基團(tuán)；它們具有相似的物理性質(zhì)。如：CO,N2;CO2,N2O。b)H置換規(guī)則;如：CH,N;CH2,O;CH3,F;NH,O;NH2,F;OH,F。C)最外層電子數(shù)目相同的原子或基團(tuán)；如：N，P，As；O，S，Se；Cl，CN；-CH=CH-，-S-等都互稱電子等排體。生物電子等排體：大小、形狀、電荷密度相似，產(chǎn)生相同或相反的生物活性的基團(tuán)或結(jié)構(gòu)片段，均稱之為生物電子等排體。羧基、四氮唑基；磺酸基、磺胺基；苯、吡啶、噻吩、呋喃。例1：降糖藥氨磺丁脲和甲磺丁脲，延長了半衰期，降低了毒性。例2：抗過敏藥曲吡那敏、氯苯那敏②拼合原理治療效果相同的藥物拼合在一起。貝諾酯普齊地洛氨芐西林+舒巴坦四、構(gòu)效關(guān)系和計算機(jī)輔助藥物設(shè)計構(gòu)效關(guān)系是藥物分子設(shè)計與合成的重要研究內(nèi)容之一；其結(jié)果對藥物的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使定量進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系研究成為現(xiàn)實，計算機(jī)技術(shù)在藥物分子的設(shè)計越來越重要。構(gòu)效關(guān)系（Structure-activityrelationship）：

藥物的分子結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系，簡稱為構(gòu)效關(guān)系。1.藥物產(chǎn)生生物活性的本質(zhì)藥物進(jìn)入體內(nèi)后，經(jīng)過吸收、轉(zhuǎn)運到達(dá)作用部位，與特定的組織或靶點相互作用，影響其功能，通過系列的生化作用，產(chǎn)生生物活性。產(chǎn)生活性的本質(zhì)是藥物分子與體內(nèi)的特定組織活靶點的相互作用。根據(jù)作用方式，可將藥物分為結(jié)構(gòu)非特異性藥物和結(jié)構(gòu)特異性藥物。結(jié)構(gòu)非特異性藥物的活性主要取決于分子的各種理化性質(zhì)，與分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，當(dāng)結(jié)構(gòu)有所變化時，活性變化不大。結(jié)構(gòu)特異性藥物的活性與分子的理化性質(zhì)有關(guān)外，主要受分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，這與靶點的相互作用有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)稍微改變，直接影響活性。作用于同一靶點的藥物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中通常具有相同的結(jié)構(gòu)片段，稱之為藥效團(tuán)，與活性密切相關(guān)，其余的部分對活性影響不大。廣義的藥效團(tuán)的定義是，具有相同的疏水、電性、立體性質(zhì)及相似的構(gòu)象，能與靶點的特定部位匹配，發(fā)生作用的三維空間結(jié)構(gòu)部分。①藥物的理化性質(zhì)對活性的影響無論何種給藥方式，藥物要進(jìn)入血液循環(huán)，通過各種生物膜，到達(dá)作用部位，并達(dá)到有效濃度，與靶點相互作用，才能呈現(xiàn)活性。由于生物膜的固有結(jié)構(gòu)，藥物分子必須具有一定的疏水性，才能穿越生物膜。有些化合物在體外具有良好的活性，但進(jìn)入體內(nèi)后，活性消失，這與藥物分子的理化性質(zhì)有關(guān)。因此，在藥物的設(shè)計過程中，不但要考慮活性的大小，同時要考慮藥物的理化性質(zhì)。

藥物的理化性質(zhì)直接影響藥物的動力學(xué)性質(zhì)（吸收、分布、代謝、排泄）。

對藥效影響較大的因素是：溶解度、脂水分配系數(shù)和解離度。②藥物與靶點的相互作用對活性的影響到達(dá)作用部位的藥物分子，只有與靶點相互作用，才能發(fā)揮生理作用，表現(xiàn)出生物活性。藥物分子與靶點的相互作用，與藥物的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，尤其是結(jié)構(gòu)特異性藥物。

相互作用方式可分為2種類型:

a)可逆作用：包括靜電作用、氫鍵、疏水、范德華力、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物。電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物：二甲苯與硝基苯。b)不可逆作用：通過形成共價鍵相互作用，藥物分子與靶點相連，使其失去作用；如抗癌藥烷基化劑、β-內(nèi)酰類抗生素和抗炎藥阿司匹林。但是臨床上應(yīng)用的大部分藥物是通過可逆性相互作用呈現(xiàn)活性。藥物分子中各基團(tuán)對藥效的影響藥物分子的整體結(jié)構(gòu)決定藥效，但分子中的特定基團(tuán)或片段對藥效影響巨大。烴基或芳烴基可增加脂溶性和范德華力，尤其是作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物，脂溶性較大。鹵素主要是氟和氯，可改變脂水分配系數(shù)，引起整體分子的電荷密度變化。-OH、-SH、-SO3H、-COOH、-CONH-可以增加水溶性，提供氫鍵的受體或供體，對分子的活性具有重要影響。氨基對分子的活性影響亦較明顯。一級胺的活性最大，但往往毒性亦較大。分子的電荷分布對活性的影響對氨基苯甲酸二乙氨基乙酯具有麻醉作用，而對硝基苯甲酸二乙氨基乙酯則沒有麻醉作用。立體因素對活性的影響

構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的氨基酸具有手性，故手性藥物的活性有所不同。（A）Z、E異構(gòu)體對活性的影響不同的異構(gòu)體中各基團(tuán)的相對位置不同，故對活性具有較大的影響。如乙烯雌酚，反式體有效而順式體無效?？咕癫∷幝绕锗鐕嵉捻樖襟w的作用比反式體強5-10倍。（B）手性對活性的影響

a一種異構(gòu)體有活性，另一異構(gòu)體無活性。如甲基多巴，只有左旋體具有降壓作用。b不同的光學(xué)異構(gòu)體活性大小不同。如D（-）異丙腎上腺素的支氣管擴(kuò)展作用比其對映體強50-800倍。c不同的光學(xué)異構(gòu)體呈現(xiàn)不同類型的活性。如氯胺酮（K粉），S（+）氯胺酮具有麻醉作用，R（-）氯胺酮具有興奮作用。麻黃堿具有收縮血管、增高血壓和舒張支氣管，可用作血管收縮藥和平喘藥，而光學(xué)異構(gòu)體偽麻黃堿沒有收縮血管、增壓作用，只能擴(kuò)張支氣管。d光學(xué)異構(gòu)體呈現(xiàn)相等的生物活性。如催眠藥苯巴比妥鈉、抗組胺藥異丙嗪的兩種異構(gòu)體生物活性相同，作用強度相等。（C）構(gòu)象異構(gòu)體對活性的影響構(gòu)象異構(gòu)體是指同一化合物的各基團(tuán)空間排列順序相同，但位置不同。只有與靶點作用部位互相匹配的結(jié)構(gòu)才呈現(xiàn)活性。藥物分子與受體相互作用，與受體互補匹配的構(gòu)想成為藥效構(gòu)象。藥效構(gòu)象不一定是分子的優(yōu)勢構(gòu)象。a藥物分子的結(jié)構(gòu)相同，作用于同一受體，構(gòu)象不同，產(chǎn)生的活性強弱不等。如鎮(zhèn)痛藥倍他羅定和阿法羅定，二者為對映異構(gòu)體，倍他羅定的穩(wěn)定構(gòu)象與嗎啡構(gòu)想相似，其鎮(zhèn)痛活性是阿法羅定的6倍。b同一分子的構(gòu)象不同，作用于不同的受體，產(chǎn)生不同的生物活性。如組胺的反式構(gòu)象作用于H1受體，引起過敏，而扭曲構(gòu)象作用于H2受體，引起胃酸分泌。c分子的優(yōu)勢構(gòu)象為藥效構(gòu)象，呈現(xiàn)生物活性。如多巴胺

。d等效構(gòu)象:藥物分子的組成不同，但具有相同的藥效團(tuán)，構(gòu)象相似，產(chǎn)生相同或相近的生物活性，也稱之為構(gòu)象的等效性。如維甲酸、芳維加和丁羥胺酸，均具有誘導(dǎo)細(xì)胞分化的活性。

定量構(gòu)效關(guān)系是新藥設(shè)計的一種研究方法，可以用于先導(dǎo)化合物的優(yōu)化，是計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的重要內(nèi)容，包括2DQSAR和3DQSAR。1868年，A=f(c),A代表生物活性，c代表化合物的結(jié)構(gòu)特征，活性與化合物的結(jié)構(gòu)呈函數(shù)關(guān)系。

定量構(gòu)效關(guān)系：選擇一定的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用藥物分子的理化參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)及生物活性，對藥物分子化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，建立活性與結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，建立數(shù)學(xué)方程式，依據(jù)研究的結(jié)果，指導(dǎo)藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。2.二維定量構(gòu)效關(guān)系（2D-QSAR）和先導(dǎo)物優(yōu)化Hansch分析法:

Hansch分析法又稱為線性自由能相關(guān)模型。藥物分子呈現(xiàn)活性是藥物小分子與生物大分子相互作用的結(jié)果，這種相互作用與分子的各種熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，熱力學(xué)性質(zhì)具有加和性。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：Log1/C=-aЛ2+bЛ+cσ+dEs+……+k或

Log1/C=-alogP2+blogP+cσ+dEs+……+kHansch分析法在藥物分子設(shè)計中的應(yīng)用：①Hansch分析法的基本要求所設(shè)計的化合物應(yīng)是同源化合物，具有相同的基本母核，作用于同一受體?；衔锏奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)差異要大。所選擇的參數(shù)不能具有相關(guān)性，每一個參數(shù)都應(yīng)對活性有直接的影響。化合物的生物活性數(shù)據(jù)變化幅度應(yīng)大于一個對數(shù)單位（相差10倍）?；衔锏臄?shù)目至少是所選用參數(shù)的5倍。②Hansch分析法的操作程序從先導(dǎo)化合物出發(fā)，設(shè)計并合成首批化合物；測定化合物的活性；確定及計算化合物及取代基的各種理化參數(shù)或常數(shù)；用計算計程序，求出一個或幾個顯著相關(guān)的方程。用所得到的方程指導(dǎo)第二批化合物的合成，并預(yù)測活性。③Hansch分析法的用途及局限性

用途：定量指導(dǎo)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化，用于解釋藥物作用機(jī)理，推測可能的受體模型，研究藥代動力學(xué)的定量關(guān)系。

局限性：2D-QSAR只考慮化合物與受體作用的位點，沒有考慮化合物與受體結(jié)合時的構(gòu)象變化，沒有反映出分子構(gòu)象和構(gòu)型對活性的影響。不能定量描述三維結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系，只能優(yōu)化先導(dǎo)物。

三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）：是以藥物小分子和生物大分子的三維結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，分析并建立起來的結(jié)構(gòu)與活性的定量構(gòu)效關(guān)系，是計算機(jī)模擬技術(shù)、分子力學(xué)、藥物化學(xué)、生物生理學(xué)等學(xué)科綜合運用的一門技術(shù)。3.計算機(jī)輔助藥物設(shè)計（CADD）CADD包括：基于作用機(jī)理的藥物設(shè)計（MechanismBasedDrugDesign）：依據(jù)藥物的作用機(jī)理，從靶點出發(fā)，考慮藥物與受體的作用過程，模擬藥物在體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運、代謝等過程，進(jìn)行藥物的分子設(shè)計。盡管該種方法合理，但考慮因素過多，不太成熟，目前還沒有設(shè)計成功的例子?；诮Y(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計（StructureBasedDrugDesign）：依據(jù)靶點結(jié)構(gòu)或藥物分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的藥物設(shè)計方法。比較成熟，在藥物分子設(shè)計時得到了較為廣泛的應(yīng)用?？煞譃閮煞N方法：直接藥物設(shè)計和間接藥物設(shè)計。①直接藥物設(shè)計（DirectDrugDesign）

直接藥物設(shè)計又稱之為全新藥物設(shè)計，是在作用靶點結(jié)構(gòu)已知的前提下，進(jìn)行藥物設(shè)計的一種方法。

以已知的生物大分子（受體）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定與小分子（藥物）的結(jié)合位點，依據(jù)位點的形狀和性質(zhì)，按照結(jié)構(gòu)互補、適配的原則，構(gòu)建出小分子的結(jié)構(gòu)。

受體的三維結(jié)構(gòu)可通過X-單晶衍射技術(shù)直接獲得或多維NMR方法間接獲得。用計算機(jī)模擬技術(shù)研究受體與藥物結(jié)合部位的性質(zhì)，如靜電場、疏水場、氫鍵等作用位點的信息，依據(jù)結(jié)合部位的幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征，運用數(shù)據(jù)庫搜尋的方法，確定結(jié)構(gòu)適配、相互作用的小分子結(jié)構(gòu)。（即可用于發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)物，也可用于優(yōu)化先導(dǎo)物）

受體的結(jié)合部位的確定及其性質(zhì)是CADD研究的關(guān)鍵，通常是部分重要的氨基酸殘基。

直接藥物設(shè)計常用方法：分子對接法（docking）、活性位點分析法（ActiveSiteAnalysisASA）、模板定位法。分子對接法：亦稱數(shù)據(jù)庫搜尋法。建立大量小分子化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，用商用軟件dock程序，將數(shù)據(jù)庫中的小分子與靶點大分子進(jìn)行對接（docking），通過不斷優(yōu)化小分子的化合物結(jié)構(gòu)，尋找小分子與靶點大分子作用的最佳構(gòu)象，計算作用能。以此為判據(jù)，在三維小分子數(shù)據(jù)庫中搜尋與靶點受體的結(jié)合位點作用最強的分子。合成或購買該化合物，進(jìn)行活性測試。（如抗HIV藥物沙奎那韋的研發(fā)）②間接藥物設(shè)計（IndirectDrugDesign）在作用靶點結(jié)構(gòu)不清楚的情況下，進(jìn)行計算機(jī)輔助藥物設(shè)計的方法。該種方法是以小分子的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從一組小分子化合物的結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù)出發(fā)，研究結(jié)構(gòu)與活性的定量構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)行藥物分子設(shè)計。首先確定活性強的小分子的優(yōu)勢構(gòu)象，以此代替活性構(gòu)象，推測受體的活性部位形狀和作用方式，得到虛擬受體模型，設(shè)計新的小分子。