药物分子设计的基本原理和方法第四章药物研发总论.ppt

第三章 药物分子设计的基本原理和方法 设计和发现新药，寻找高效、低毒 的新化学实体（NCE） 药物分子设计是新药研发的开端和基础 。 人类已经成功研发许多药物，积累了 一定的经验和理论。近年的分子生物学和 计算机技术的发展，为从分子水平上进行 药物设计奠定了基础，不断丰富和发展设 计方法。 药物分子设计是通过研究分子（药物小 分子和靶点生物大分子）的二维和三维结 构，寻找具有药理活性的新化学实体。 药物设计的2个阶段：先导物的发现，先 导物的优化。 作用靶点：受体、酶、离子通道及核酸 。 借助分子生物学和计算机技术进行 靶点 导向的药物设计。 第一节:先导化合物的发现及优化方法 先导化合物的获得、结构优化、药效试验和构 效关系研究 一 先导化合物的获得 1 从天然产物（植物、动物、微生物）中获得 （1）从植物中获得 可可树叶中提取的活性成分可卡因-普鲁卡因 -利多卡因；鸦片吗啡-左啡诺-喷他佐辛；青 蒿素、紫杉醇、丁苯酞。 (2) 从动物中获得 从南美的一种毒蛇的毒液中提取的活性成分替 罗普肽-卡托普利。 （3）从微生物的代谢物中获得 四大素的发现、降血脂药洛伐他汀等。 2 从内源性物质获得 肾上腺素受体阻滞（拮抗） 剂普萘洛尔（降压药）、1受体激 动剂沙丁醇胺（治疗哮喘）。 组胺H1受体拮抗剂扑尔敏、息 斯敏（抗过敏药）、H2受体拮抗剂西 咪替丁、雷尼替丁（治疗胃酸分泌过 多） 3 从合成的化合物中发现先导化合物 （1）磺胺药物的发现 染料白浪多息磺胺类抗菌药、降糖药。 （2）合成的中间体 抗结核药-异烟肼，抗癌药安西他宾。 （3）化合物库（制药公司的化合物库，筛 选 对新靶点的作用） （4）组合化学与高通量筛选 （5）计算机分子模拟、虚拟筛选。 4 从临床副作用发现先导化合物 由抗结核药异烟肼（服用者兴奋）-异 丙烟肼（MAOI，治疗抑郁症）。 抗过敏药异丙嗪（具有外周神经作用） -氯丙嗪（强效安定药）-丙咪嗪（三环 类抗抑郁药，5-HT重摄取抑制剂） 5 从药物代谢产物中发现先导化合物 镇静安眠药地西泮代谢物奥沙西泮 劳拉西泮、替马西泮。抗抑郁药丙咪嗪 地西帕明 二 先导化合物的优化方法 1 分子中环的改造开环 可卡因普鲁卡因。吗啡左啡诺非那左 辛、喷他佐辛。阿托品哌替啶（杜冷丁）- 美沙酮 2 环的引入- 增加分子的刚 性，提高选择 性作用，减少 副作用。 诺氟沙星左 氟沙星 受体阻滞剂 （降压药）- 色满卡林（钾 离子通道开放 剂，降压药） 3 分子中链状部分的改造 将药物分子中的碳链增长或缩短，可以改变 活性，甚至改变活性类型 胡椒碱（抗癫痫）-桂皮酰胺化合物（增强 了抗癫痫活性，减少了合成的难度。 去甲肾上腺素，R基团改变，活性发生变化。 4 电子等排体置换 （1）经典电子等排体、生物电子等排体概念 经典电子等排体：a)具有相同的电子数目和相同的 电子排列的化合物或基团；它们具有相似的物理性 质。如：CO,N2;CO2,N2O。b)H置换规则; 如： CH,N; CH2,O; CH3,F; NH,O; NH2,F; OH,F。C)最 外层电子数目相同的原子或基团；如：N，P，As； O，S，Se；Cl，CN；-CH=CH-，-S-。都互称电子等 排体。 生物电子等排体：大小、形状、电荷密度相似 ，产生相同或相反的生物活性的基团或结构片段， 均称之为生物电子等排体。 羧基、四氮唑基；磺酸基、磺胺基；苯、吡啶 、噻吩、呋喃。 （2）电子等排体的应用 例1：降糖药氨磺丁脲和甲磺丁脲。 例2：抗过敏药曲吡那敏、氯苯那敏 例3：尿嘧啶、5-氟尿嘧啶 例4：强心药硫马唑、伊索马唑 5 拼合原理 治疗效果相同的药物拼合在一起。 例1：阿司匹林+扑热息痛=贝诺酯 例2：肼基哒嗪+受体阻滞剂=普齐地洛 例3：氨苄西林+舒巴坦 第二节 药物的潜伏化前药及生物前体 将具有活性的物质（原药）转变成体外 无活性或低活性的化合物，进入体内后， 经酶促反应或化学作用，转变成原药，发 挥药理作用；称之为药物的潜伏化。具有2 种方式：前药和生物前体。 与原药相比，前药或生物前体应具有更 优良的理化性质或药代动力学性质。 一 前药和生物前体的概念 前药：将原药以共价键的方式，与特定 的基团或片段连接，得到的修饰物；在体 外无活性；进入体内后，经过酶催化的水 解反应，释放出原药。 生物前体：体外无活性的化学物质，进 入体内后，经过酶催化发生氧化、还原或 其他反应，转化成具有生物活性的药物。 二 设计前药的方法 1 原药分子中具有-OH、或-COOH，可以 转化成酯的形式。 2 原药分子中具有-NH2，可以转化成酰 胺、亚胺或曼尼希碱。 3 原药分子中具有-C=O，可转化成缩酮 的形式。 三 设计前药的目的或意义 设计前药的目的是改善原药的动力学性质或 理化性质。 （1）提高生物利用度 氨苄西林酯化后，转化成匹氨西林；5-氟尿 嘧啶转化成酰胺化物。 （2）延长作用时间 氟奋乃静的羟基用癸酸酯化后，肌肉 注射，由于脂溶性增大，可缓慢进入到血 液中，释放出原药，延长作用时间。 （3）提高药物的选择性，降低毒副作用 治疗前列腺癌的乙烯雌酚，经磷酸酯 化后，可以富集到前列腺部位，提高了作 用的选择性。 多巴胺治疗帕金森症，经酰胺化和酯化 后，可以穿越血脑屏障，经水解后，释放 多巴胺。 （4）提高水溶性 青蒿素口服生物利用度低，经琥珀酸 酯化，制成钠盐，增大了水溶性，可注射 给药。 （5）改善不良的物理性质 氯霉素经酯化后，可去除苦味。 四 生物 前体举例 经过体 内的氧化 或还原反 应，转化 成活性产 物。 舒林酸 、6-脱氧 阿西洛韦 第三节：构效关系和计算机辅助药物设计 构效关系是药物分子设计与合成的重要研 究内容之一；其结果对药物的开发具有重要的 指导意义。计算机技术的进步，使定量构效关 系研究成为现实，计算机技术在药物分子的设 计越来越重要。 药物的分子结构与生物活性的关系，简称为 构效关系（Structure-activity relationships） 定量构效关系是新药设计的一种研究方法， 可以用于先导化合物的优化，是计算机辅助药 物设计的重要内容，包括2DQSAR和3DQSAR。 1868年，A=f(c),A代表生物活性，c代 表化合物的结构特征，活性与化合物的结 构呈函数关系。 定量构效关系：选择适当数学模型， 应用药物分子的理化参数、结构参数和拓 扑参数及生物活性，对药物分子化学结构 与生物活性间的关系进行定量分析，建立 活性与结构的定量关系，建立数学方程式 ，依据研究的结果，指导药物化学结构的 进一步优化。 一 二维定量构效关系Hansch分析法 Hansch分析法认为：药物分子呈现活性是药 物小分子与生物大分子相互作用的结果，这种相 互作用与分子的各种热力学性质有关，热力学性 质具有加和性，Hansch分析法又称为线性自由能 相关模型。 1 数学表达式： Log1/C=-a2+b+c+dEs+k或 Log1/C=-alogP2+blogP + c+dEs+k Log1/C代表生物活性参数，或logP代表疏水参数，代表电性 参数，Es代表立体特征参数，除电性参数外，其余具有加和性。在 Hansch方程的表达式中，有时使用I作为指示变量，是半定量参数，只 有1和0两个值。当分子中存在某个特定的取代基时，I值为1，不存在 时I值为0，其意义是描述不能用连续变量表达的分子结构特征。 2 参数的物理意义 （1）疏水参数logP 疏水参数代表分子的疏水性能，即脂水分 配系数。可由实验方法测得，P为某化合物在 达到平衡时，有机相中的浓度与水相中的浓 度比值，P=Co/Cw，由于数值较大，多采用 logP的形式。有机相通常为正辛醇，能较好 的反应体内的运输环境，可用摇瓶法直接测 定或HPLC法间接测定。HPLC测定的是化合物 的保留时间，数值与摇瓶法的数值线性相关 ，可进行换算。可由手册或数据库中查询或 用专业软件计算。 疏水参数具有加和性，当研究同系物时 ，可用取代基的疏水参数代替疏水参数， 或用加和的方法计算整个化合物的logP。 LogP=Log P-H +x+Fx 其中LogP是整个分子的脂水分配系数对 数值，Log P-H为母体化合物脂水分配系数 对数值，x为各取代基疏水参数的总合 ，Fx是各取代基加和时的校正值之和。可 以通过查表获得。 （2）电性参数 电性参数可用Hammett常数（芳香化合物的 取代基的诱导和共轭效应之和）Taft常数*（脂 肪族化合物的取代基的诱导和共轭效应）或诱导 效应参数或共轭效应参数表达，可通过相关手册 查到。 另外也可用分子的偶极距、解离常数或IR、UV 、NMR、MS等谱学数据作为电性参数。 （3）立体参数 可用取代基的taft Es参数、摩尔折射率、范 德华体积或STERIMOL多维立体参数表示。 3 Hansch分析法在药物分子设计中应用 （1）Hansch分析法的基本要求 所设计的化合物应是同源化合物，具 有相同的基本母核，作用于同一受体。化 合物的物理化学性质差异要大，所选择的 参数不能具有相关性，每一个参数都应对 活性有直接的影响。化合物的生物活性数 据变化幅度应大于一个对数单位（相差10 倍）。化合物的数目至少是所选用参数的 5倍。 （2） Hansch分析法的操作程序 a)从先导化合物出发，设计并合成首批 化合物； b)测定化合物的活性； c)确定或计算化合物及取代基的各种理 化参数或常数； d)用计算机程序，求出一个或几个显著 相关的方程式。 e)用所得到的方程指导第二批化合物的 合成，并预测活性。 （3）Hansch分析法举例喹喏酮抗菌药物的 优化。 先导物喹啉羧酸，合成71个同源化合物。 活性由最低抑菌浓度（mol/L）表示。 选择11个参数，1-位取代基的STERIMOL长度、 6-取代基的Taft立体参数、6、7、8-位取代基疏 水参数之和、6、7、8-位取代基诱导参数之和、 指示变量I等（当化合物分子中含有哌嗪基时I=1 ，其余基团为0）。 定量方程式： Log 1/MIC = -0.362(0.25)(L1)2+3.036(2.21)L1- 2.499(0.55)(Es6)2-3.345(0.73)Es6 +0.986 (0.24) I7-0.734(0.27)I7N-CO -1.023(0.23) (B4(8)2 +3.742(0.92)(B4(8)-0.205(0.05) (6,7,8)2- 0.485(0.10)6,7,8 -0.681(0.39) 6,7,8 -4.571(0.271) 11个参数：L1：1-取代基STERIMOL长度，Es6：6-取代基 的Taft立体参数；B4：分子宽度，I：指示变量；6，7，8取 代基的疏水参数及电性参数，7-N的诱导参数。 据此计算出的环丙沙星的Log 1/MIC=6.38;实测 值6.63. 4 Hansch分析法的用途及局限性 定量指导先导化合物的优化，用于解释 药物作用机理，推测可能的受体模型，研 究其他药代动力学的定量关系。 2D-QSAR，只考虑化合物与受体作用的 位点，没有考虑化合物与受体结合时的构 象变化，没有反映出分子构象和构型对活 性的影响。不能定量描述三维结构与生物 活性的关系。只能优化先导物。 二 计算机辅助药物设计（CADD） 三维定量构效关系（3D-QSAR）是以药物小分子 和生物大分子的三维结构特征为基础，分析并建立 起来的结构与活性的定量构效关系，是计算机模拟 技术、分子力学、药物化学、生物生理学等学科综 合运用的一门技术。 CADD包括基于作用机理的药物设计（Mechanism Based Drug Design）:依据药物的作用机理，从靶 点出发，考虑药物与受体的作用过程，模拟药物在 体内吸收、转运、代谢等过程，进行药物的分子设 计。尽管该种方法合理，但考虑因素过多，不太成 熟，目前还没有设计成功的例子。 基于结构的药物设计（Structure Based Drug Design）依据靶点结构或药物分子结构进行的药物 设计方法，比较成熟，在药物分子设计中广泛应用 。 分为两种方法：直接药物设计和间接药物设计 。 1 直接药物设计 直接药物设计又称之为全新药物设计 。是在作用已知靶点结构的前提下，进行 药物设计的一种方法。 在已知的生物大分子（受体）结构的 基础上，确定与小分子（药物）的结合位 点，依据位点的形状和性质，按照结构互 补、适配的原则，构建出小分子的结构。 受体的三维结构可通过X-单晶衍射技术直接 获得或多维NMR方法间接获得。用计算机模拟技 术研究受体与药物结合部位的性质，如静电场 、疏水场、氢键等作用位点的信息，依据结合 部位的几何结构和化学特征，运用数据库搜寻 的方法，确定结构适配、相互作用的小分子结 构。即可用于发现新的先导物，也可用于优化 先导物。 受体结合部位的确定及其性质是CADD研究的 关键，通常是部分重要的氨基酸残基。 直接药物设计的常用方法：分子对接法（ docking）、活性位点分析法（Active Site Analysis ASA）、3 模板定位法 （1）分子对接法（docking），亦称数据 库搜寻法。建立大量小分子化合物的三维 结构数据库，用商用软件dock程序，将数 据库中的小分子与靶点大分子进行对接（ docking），通过不断优化小分子的化合 物结构，寻找小分子与靶点大分子作用的 最佳构象，计算作用能，以此为判据，在 三维小分子数据库中搜寻与靶点受体的结 合位点作用最强的分子。合成或购买该化 合物，进行活性测试。如抗HIV药物沙奎 那韦的研发。 （2） 活性位点分析法（Active Site Analysis ASA ） 研究靶点大分子作用部位的形状和理化性质，确 定与其相互作用的基团或片断，在按照一定的化学原 理将各基团或片断连接起来，得到完整分子。另外的 一种方法是由相互作用的基团或片断出发，逐渐生成 整个分子。进行活性测试。 3 模板定位法 该方法与活性位点分析法相似，首先依据结合位 点，确定药效团，确定与受体相互作用的模板分子， 通过延伸生长、旋转得到基本骨架，按照靶点空腔的 大小，设计出小分子的一级结构，从数据库中搜寻与 结合位点相互作用的原子或基团，进行连接，形成二 级结构。 2 间接药物设计（Indirect Drug Design） 在作用靶点结构不清楚的情况下，进行计算机辅 助药物设计的方法。该种方法是以小分子的结构为基 础，从一组小分子化合物的结构和生物活性数据出发 ，研究结构与活性的定量构效关系，进行药物分子设 计。首先确定活性强的小分子的优势构象，以此代替 活性构象，推测受体的活性部位形状和作用方式，得 到虚拟受体模型，设计新的小分子。 具体方法包括：比较分子场分析法（Comparative Molecular Field Analysis CoMFA） 分子形状分析法（Molecular Shape Analysis，MSA ） 、距离几何法（Distance Geometry DG）和 （1）比较分子场分析法（Comparative Molecular Field Analysis CoMFA） 药物小分子与靶点相互作用时，主要是 通过静电、疏水和范德华力等非共价键作 用，活性的大小与相互作用力场的大小和 方向有关。用小分子周围的静电场、范德 华力场、氢键场的空间分布作为化合物的 结构特征，用计算机程序建立活性与各立 场空间分布之间的定量关系，并建立相互 作用模型，以此设计并预测活性。 具体操作方法： 对小分子的结构进行优化，确定优势构 象，并计算各原子的电荷密度。 按照合理的叠加规则，把重叠的各化合 物的优势构象放在一个能包容全部化合物 的空间网格中。 依据化合物的分子结构与靶点的作用方 式，选择合适的探针，在网格中移动。 探针每移动一个步长，计算其在空间网 格上与各原子的相互作用能量，包括立体 能和静电能。 将计算出的能量值与实测的活性值建立起 定量构效关系。用偏最小二乘法和交叉验证 确定立场与活性的QSAR方程。 建立能量等高线。用红、蓝、黄、绿不同 的颜色代表。绿色和黄色区域代表立体场与 化合物活性的关系，绿色区域代表引入体积 较大的基团有利于活性的提高；黄色区域代 表引入较小的基团有利于活性的提高。红色 和蓝色的区域代表静电对活性的影响，红色 区域代表引入负电性基团有利于活性的提高 ，蓝色区域代表引入正电性基团有利于活性 的提高。P59 青蒿素化合物的设计。 （2）分子形状分析法（Molecular Shape Analysis，MSA） 首先确定具有活性的小分子的优势构象，以现 有活性最强的小分子的优势构象为模板，进行分 子构象叠加，求出分子形状参数L0（重叠长度） 、S0（重叠面积）、V0（重叠体积）等，建立活 性与参数的定量关系，并据此进行新的小分子设 计。 （2）距离几何法（Distance Geometry DG） 构建药物小分子的三维模型，计算优势构象， 求出各原子间距离的矩阵（S），用若干矩阵表示 整个分子的模型。以活性最高小分子的优势构象 ，设计一些结合空的结合位点，以活性最低的小 分子的优势构象设计一些实的结合位点，以此为 矩阵的上下限，进行数据库搜寻。 第四章：药物研发程序 药物开发的基本过程 药物分子的设计与合成-临床试验- 上市 一 药物分子的设计与合成 该阶段的工作是药物是否开发成功的 最重要的阶段，是药物开发的开端。主要 的研究内容是：先导化合物的筛选及优化 ，药理模型的建立及药效试验，毒性的初 步试验。 二 临床试验 药物上市之前，要按管理规范进行、 、和期临床试验。 期临床试验：主要考察药物的安全性、 药代动力学和服用药物的剂量，不考察药物 的治疗效果。 受试者是健康的志愿者，在试验期间，不 能服用其他药物、饮酒和咖啡及吸烟。其目 的是防止其与药物的相互作用。 首先确定药物的剂量确定最大耐受剂 量。 起始剂量为动物试验中出现毒性剂量的 1/10。每组剂量用6-12人服用药物，2-4人 服用安慰剂，服用药物后，进行药代动力学 的研究，确定代谢物，进行安全性评估；逐 渐增大剂量，直到观察到副反应的出现，该 剂量为最大耐受剂量。以后的试验研究所使 用的剂量均要小于最大耐受剂量。 考察药物与食物的相互作用；药物与其 他药物的相互作用，对吸收和代谢是