药物设计与合成课件vLecture-02(Lipinski五规则)

1、先导化合物的发现7/26/20221发现活性化合物的主要方法新药研究的起始点，就是苗头化合物 (先导化合物) 的发现。传统的新药研究，苗头化合物可以通过化学合成大量化合物进行逐步筛选得到；或通过天然化合物发现。7/26/20222苗头化合物的发现 苗头化合物 (hits或hit compounds) 首先是针对若干预先设定的生物模型而言。在相关的生物试验中，结果是可重复的；化合物的结构得到确认，并具有高纯度；对目前所研究的靶标具有特异性；潜在的结构新颖性；良好的化学来源；分子对特定的靶标具有亲和能力。7/26/20223先导化合物的发现 苗头化合物的确认 (confirmation and v

2、alidation of hits) 和先导化合物的发现苗头化合物必须表现出相应的活性；苗头化合物不能显示心脏毒性 (hERG相关的毒性)。苗头化合物的类似结构必须显示明确的构效关系；苗头化合物不能带有化学活性的官能团；苗头化合物应该能够进行专利保护。7/26/20224苗头化合物或先导化合的发现途径现有的活性分子进行结构改造以提高其活性；对一系列化合物进行生物活性筛选；对生物及医学上的新发现进行进一步探索；针对造成疾病的特定靶标进行理想药物设计。7/26/202251. 现有分子的结构改造：类似物的制备作用强度增加；具有更好的特异性的活性特征；改进安全性；剂型的改进：使得医生容易操作，或者患

3、者更容易接受。在制药行业，最流行的策略之一是合成已知活性分子的类似物。其目的是从一个已知的活性成份出发，通过一系列的化学转化，制备新的分子。7/26/20226不同类型的类似物Me-too类似物：类似物具有化学和药理学上的类似性 。也称为模仿药物，或快速追踪药物等；Structural analogs：类似物只具有化学上的类似性 ；Functional analogs：类似物具有类似的药理学性质，但具有完全不同的化学结构。Analogy来源于拉丁和希腊语analogia。主要用来描述结构和功能的相似性。类似物与原来的化合物具有相同的化学及疗效上的类似性。7/26/202271.1. Me-to

4、o 化合物7/26/20228Me-too 化合物Me-too类似物通常可以认为是“完全的”或“真正的”类似物(模仿化合物) 。通常，me-too类的化合物是最早上市的药物的改进型。例如它们可以具有药理学、药效学或生物药学上的优势。这类药物的主要目的是企业和市场的原因。7/26/202291.2. 结构类似物药物雌二醇 Estradiol睾丸酮 testosterone很多结构类似物，其药理活性很不同。7/26/202210结构类似物药物物很多结构类似物，其药理活性很不同。Flosequinan，氟司喹南，血管扩张和强心药物。Norfloxacin，氟诺沙星，抗生素7/26/2022111.3

5、. 功能类似物药物Diazepam：精神抑郁性焦虑、紧张、不安、失眠等症。惊厥和顽固癫性痫Zopiclone：改善失眠症状。 Zolpidem：左沛眠，改善失眠症状。与dopamine 和 the benzodiazepine受体作用模式相同。7/26/2022122. 系统筛选 Systematic Screening采用动物模型或生物模型对一个新化合物进行筛选。结合常数实验，酶抑制的测定，以及所筛选的化合物离体器官或细胞的活性等。对若干具有代表性和原创性化学结构的化合物进行深入的药理学研究。 “广泛筛选 extensive screening”。大量化合物 (几百到几千) 进行单一模型的研

6、究。这种方法即“随机筛选 random screening”。7/26/202213广泛筛选 Extensive screeningRacemic zopiclone: Rhne-Poulenc Rorer merged with Hoechst Marion Roussel to form Aventis. 治疗失眠。National Cancer Institute program in 1967. Developed commercially by Bristol-Myers Squibb (BMS). Trademark “TAXOL”7/26/202214随机筛选 Random sc

7、reening天然化合物compactin (mevastatin) 和 lovastatin 通过抑制HMG-CoA还原酶的活性来阻断胆固醇的合成。Simvastatin和pravastatin是其半合成类似物。7/26/202215高通量筛选 High-throughput screening从上世纪80年代开始，机器人的出现和体外研究方法的小型化，使研究人员可以将上面第一种和第二种筛选方法结合起来。一个医药公司可以很容易地在30-50个不同的生物模型上对几千个化合物进行筛选。目前的主要问题是为这些筛选体系提供更多的化合物。7/26/202216高通量筛选的样品来源公司自有的化合物 com

8、pany collection购买的化合物植物提取物中的粗提物发酵液。对植物粗提物或发酵液，只有当它们在筛选后表现出生物活性后才会对发酵液中的活性物质进行分离和结构鉴定。 7/26/202217对合成中间体的筛选 Screening of synthesis intermediates合成的中间体与最终产物有着不可分割的联系，它们通常含有一些最终产物中的官能团，因此不能排除合成中间体会表现出一些药理活性。雷米封的发现最初是磺胺类药物的中间体。7/26/202218对合成中间体的筛选 Screening of synthesis intermediates二氢叶酸还原酶抑制剂如甲氨碟呤 (met

9、hotrexate) 可用于治疗白血病。中间体Mercaptopurine：高活性、高毒性。Azathioprine：(硝基)咪唑，6-巯基嘌呤的前药。免疫抑制剂。用于器官移植。别嘌呤醇：抑制黄嘌呤氧化酶的活性。可用于治疗痛风。7/26/202219从旧有药物中发现新的先导化合物 New leads from old drugsSOSA：Selective Optimization of Side Activities。对一个新的药理学靶点，使用熟知的药物分子进行筛选。这种筛选的数目一般是1000个左右，这些化合物的生物利用度，毒性等都已研究，同时在人体实验时也证实具有疗效。筛选所得到的苗头化

10、合物都是类药的。对苗头化合物进行结构优化。这种结构优化可以是传统方法，或平行合成或组合化学方法。其目的是提高新化合物与目标靶标的亲和性，与此同时降低所合成的化合物与其他靶标的亲和性。7/26/202220从旧有药物中发现新的先导化合物New leads from old drugs制备原有药物的类似物；将所观察到的原来化合物的一些“副作用”变成主要的药效效果；同时降低甚至消除原有的药理活性。7/26/202221从旧有药物中发现新的先导化合物New leads from old drugs大多数药物，除了其主要的病理活性外，还或多或少有一个或多个副作用。它们和主要的靶标有很强的作用，同时也和其

11、他非主要靶标有或多或少的作用。绝大多数的非主要靶标都和药物的主要疗效都没有直接关系。消除化合物对原有靶标的亲和性，而原来药物所表现出的副作用成为了主要作用。7/26/2022223. 对生物信息进行发掘Exploitation of Biological Information对人体实验所取得的信息的发掘对动物实验所取得的结果进行发掘对植物和微生物中的实验结果进行发掘7/26/202223民族药的研究 (民族药理学) ethnopharmacology强心剂洋地黄苷、鸦片类药物、金鸡树碱类药物等；断肠草的种子Strophantus seeds中得到强心苷；毒扁豆Calabar beans中得到

12、毒扁豆碱；蛇根木 (印度萝芙木，Rauwolfia serpentine)：被印度人使用了几个世纪作为退热、打癫、虫蛇咬伤的药物。利血平(reserpine)。7/26/202224民族药的研究 (民族药理学) ethnopharmacology利血平 (reserpine)，高血压药。7/26/202225药物副作用的临床观察Promethazine异丙嗪，最早是抗组胺药物phenothiazine吩噻嗪的衍生物。其非常重要的安定效果最初并未被人所发现。Laborit等临床医生发现了这种副作用，并且引导研究朝着有利的方向进行，最终得到了更好的类似物。在这种发现的推动下，最终导致了chlorp

13、romazine氯丙嗪的诞生。这个化合物是一类新的系列药物，即安定药(抗精神病药) 的原型。First-generation H1 receptor antagonist镇吐,抗晕眩,晕动症以及镇静催眠antagonist of dopamine receptors D2/D3/D57/26/202226药物副作用的临床观察Minoxidil (米诺地尔)血管舒张药，降压。7/26/202227旧药的新用途 New uses for old drugs Thalidomide：1956 年西德一家公司 Chemie Grunenthal 首先将 Thalidomide 以商品名 Conterg

14、an 在西德生产上市。在当时Thalidomide被认为是最安全的镇定剂。作用快、不成瘾、也无毒性，同时也发现它对抑制怀孕造成的呕吐非常有效，因此使它在欧洲广为使用。1961年11月全面回收并禁止上市日本约有1000名英国400名北欧约有280名畸形婴儿出生。7/26/202228Thalidomide的新用途抗炎、免疫调节 及抑制血管增生的作用；FDA在1998年核准用于麻风病人的麻风结节性红斑；HIV感染所造成的一些并发症，如口腔溃烂、腹泻等。抗血管新生(Anti-angiogenesis Activity)的作用, 可用于solid tumor及其它疾病的治疗。7/26/202229工业

15、产品中化合物活性的偶然发现硝化甘油。引起血管舒张等毒副作用。以及后来很多脂肪醇的亚硝酸酯被用作治疗心绞痛，以及用作脑血管舒张剂。Disulfiram：双(二乙基硫代氨基甲酰)二硫化物Tetraethylthiurame disulfide最初在橡胶工业中作为抗氧化剂。Probucol普罗布考。该化合物最初也用来作为塑料和橡胶的抗氧化剂，后来作为抗高脂蛋白药。Disulfiram 戒酒Probucol7/26/202230对动物实验观察结果的进一步发掘生物碱(长春碱)的抗癌作用。在一些民族药中，长春花具有抗糖尿病的美誉。在实验中，未发现其降血糖的活性，却频繁地观察到实验动物死于急性败血病。白血球

16、大量减少。不同的长春花属的植物中分离到30种生物碱，其中包括长春碱vinblastine, 环氧长春碱vinleurosine, 长春新碱vincristine及异长春碱(长春罗定, vinrosidine)等。可治疗白血病及肿瘤等。7/26/202231长春碱长春碱 vinblastine7/26/202232有计划的及理性的新药研究对造成疾病的机理及相关分子靶标的理解。分子靶标包括靶标可以是酶、受体、离子通道。信息传导蛋白、转运蛋白或DNA等。分子生物学及结构生物学的发展使研究者可以对数百个靶标进行确认和结构解析。更科学地进行药物设计：理性药物设计。Rational Drug Design

17、; Planned Drug Design7/26/202233 ACE抑制剂的制备ACE催化两个反应，这两个反应均在调节动脉血压中起重要作用。(1) 将血管紧张素I转变为血管紧张素II。前者是一个非活性的十肽，后者是一个活性非常高的八肽，具有强烈的血管收缩作用。 Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe | His-Leu(2) 将一个九肽缓激肽bradykinin去活化。该九肽为高活性的血管扩张剂。 Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg7/26/202234 ACE抑制剂的制备第一个ACE抑制剂是teprotide。Pyro-Trp-

18、Pro-Arg-Pro-Glu-Ile-Pro-Pro-OH1965年从巴西的一种毒蛇的毒液中分离。口服生物利用度较差。7/26/202235 Squibb公司ACE抑制剂的制备(1975)牛胰羧肽酶A与底物的作用牛胰羧肽酶A与ACE都属于羧肽酶。牛胰羧肽酶A：从C-端切掉一个氨基酸。ACE：从C-端切掉两个氨基酸。7/26/202236 ACE抑制剂的制备羧肽酶A的活性部位含有三个非常重要的与底物作用的部分：一个亲电中心，与羧基官能团形成离子键；一个可以和肽链C-端氨基酸形成氢键的部位；以及一个锌原子，牢固地固定在酶的活性部位，与肽链的倒数第二个氨基酸形成配位键 (使之容易断开)。7/26/

19、202237 ACE抑制剂的制备ACE与底物的作用N-丁二酰脯氨酸将和上面所提到的羧肽酶的活性部位作用：脯氨酸的羧基与酶之间的离子键、其酰胺键与酶之间的氢键、丁二酰胺与锌之间存在的配位键。7/26/202238 ACE抑制剂的制备：先导化合物7/26/202239 ACE抑制剂的制备：先导化合物的结构优化接下来的任务是对N-丁二酰-L-脯氨酸进行结构优化，寻找一些与ACE活性部位作用更强的化合物。与酶的疏水口袋的作用;寻找一个好的与锌配位的基团。对酶的疏水口袋的作用是通过向丁二酸基团中引入甲基 (考虑到位置异构及对映异构，共有四种可能性)。7/26/202240 ACE抑制剂的制备：先导化合物

20、的结构优化2的异构体Merck Squibb 与酶的活性中心发生疏水作用 7/26/202241高通量筛选产生的背景直到上个世纪80年代前后，在分子层次上关于药物作用靶标的信息还很少。先导化合物及新药发现基本上都是基于对少量化合物的药理学模型所得到的研究数据。上市的药物基本上都来自于一些具有良好药学性质的先导化合物。这些先导化合物可以是天然化合物，或者其他已经上市的药物。7/26/202242高通量筛选产生的背景早期的筛选不论是随机筛选也好，或者是有目的的筛选也好，其筛选的量本身都不大；筛选的方法主要是手工操作，通常是在动物模型上进行；这时筛选出来的化合物往往就作为药物而不是先导化合物或苗头化

21、合物。7/26/202243高通量筛选产生的背景上世纪80年代末的高通量：每周筛选几百个样品。在过去的20年里，药物发现的观念已经有了较大的改变。分子生物学、自动化、组合化学及信息学的发展。研究的方法的转变：基于靶标的，有目的的研究。7/26/202244高通量筛选产生的背景在过去的20年里，药物发现的观念已经有了较大的改变，由化学主导变成生物学主导；研究的方法已经转变为基于靶标的，有目的的研究。其推动力是分子生物学、自动化、组合化学及信息学的发展。7/26/202245高通量筛选产生的背景在过去的20年里，药物发现的观念已经有了较大的改变，研究的方法已经转变为基于靶标的，有目的的研究；在很多

22、药物研发的机构，通过高通量筛选high-throughput screening (HTS)或超高通量筛选ultrahigh-throughput screening (uHTS)，对上千个化合物的筛选可在生物学的分子靶标或细胞过程层次很快地完成。在先导化合物优化过程中，高通量筛选还可用于对药物的某些特性如溶解性或细胞色素P450抑制等进行评估。7/26/202246各种筛选方法对新药研究的贡献各种筛选手段已经成功地用于药物和先导化合物的发现中。对天然化合物的提取液进行筛选，接下来对相应的活性组分进行分离：多个生物学靶点同时进行。对微生物发酵产物进行筛选。环孢霉素类化合物的发现：真菌提取液进行

23、抗微生物活性筛选。7/26/202247环孢霉素 (Cyclosporin)对真菌提取液进行抗微生物活性筛选，分离到了很多环孢霉素类化合物，后来发现这些化合物具有免疫抑制活性。January 31, 1972, by employees of Sandoz (now Novartis) in Basel, Switzerland。7/26/202248高通量筛选的核心对特定的生物学靶标使用大量化合物进行筛选要求化合物的量大，结构具有多样性。高通量筛选与组合化学互相促进。7/26/202249高通量筛选的特点历史上采用高通量的手段来发现新颖的先导化合物往往受到化合物来源的限制，以及缺乏一些经过很

24、好确认的生物学靶标。分子生物学的进步为研究人员提供了很多有效的药物靶标，使得研究人员可以在分子水平或细胞水平对药物进行筛选。自动化及信息学的发展为所筛选的化合物库的组织及对大量数据的收集和解释提供了强有力的工具和手段。组合化学和高通量合成方法使研究人员可以制备大量的化合物来进行筛选。7/26/202250高通量筛选的特点这些新技术的综合使用，使得研究人员可以采取高通量筛选的方法来确认先导化合物；合成方法的改进使他们可以在相对较短的时间内，对大量的不同结构的化合物针对一些精心设计的生物学靶标进行筛选。7/26/202251高通量筛选：化合物库进行筛选的化合物的数目通常可达百万以上。对化合物库大小

25、没有限制。有人认为从200到300万个化合物；有人认为，为了保证对所有的靶标能发现真正意义上的苗头化合物，所需的化合物的数目可能达到2400万之多！7/26/202252高通量筛选：化合物库公司以前新药开发时的样品，组合化学或高速合成产生的化合物;从学术界获得或商业机构购买的化合物；来源于植物的天然化合物；来源于动物或微生物的化合物 (不论是纯化合物，还是提取物或混合物)。7/26/202253高通量筛选的化合物库：公司样品前期新药开发遗留下来的混合物，由于在当时情况下的研究工作通常是集中在一个特定的限定的领域，可能缺乏结构上的多样性。对筛选化合物进行分析也表明，很多留下来的化合物由于长时间存

26、放过程中发生分解，可能不适合进行筛选。肯定这些活性样品的结构及测量其含量，在对苗头化合物进行评估过程的初期，是标准化的工作之一。7/26/202254早期高通量筛选的化合物库早期组合化学方法制备的化合物主要是基于合成上的可行性，及结构上的多样性。化合物往往具有较高的分子量，较大的亲脂性，其纯度经常不能保证。7/26/202255近期高通量筛选的化合物库现今的高通量合成的重点主要集中在化合物的质量，而不是单纯地追求化合物的数目。类药特性是考虑的主要因素，甚至在药物合成开始之前就已经是考虑的主要因素。化合物库的设计通常是集中在针对特定的靶标导化合物。7/26/202256商业渠道购买化合物的局限性

27、通过商业渠道购买化合物来组建一个化合物库的时候，首先考虑的是结构的多样性，以及类药性或类先导性。这些结构是从公开渠道获得的。因此，某个公司得到的一些化合物或类似结构通常也会在很多其他公司筛选的名单内。一旦这些化合物被确认为先导化合物，如果不对这些化合物进行全面的结构改造，往往不能满足知识产权方面的要求。7/26/202257天然化合物与高通量筛选天然化合物自然具有结构上的多样性和复杂性。从合成的角度，这些天然化合物通常很难在其活性部位进行修饰，来进行相应的构效关系研究。在过去十几年间，通过筛选的方法得到的药物中，没有来自于天然化合物的先导化合物。7/26/202258天然化合物与高通量筛选在过

28、去十几年间，获得批复的通过筛选的方法得到的药物中，没有来自于天然化合物的先导化合物。分子的复杂程度超过一定限度后，它与其靶标发生有效结合的可能性就降低。复杂结构的分子在与其靶标相互作用时有很多种情况，但其中并非所有的作用方式都会产生相应的生物学效应。对于复杂分子，很难在这些众多的作用中，找出足够多的与靶标的有效作用。7/26/202259高通量筛选：筛选方法在上世纪90年代初期，高通量筛选主要是通过手工完成，其筛选的量大概是每周数百个化合物。目前筛选上百万个化合物也只需一个月甚至更短的时间。这种进步主要归功于自动化技术和高密度反应板的出现，以及相应的检测手段的改进。7/26/202260容易造

29、成假阳性的活性有机官能团具有很高化学活泼性的基团，如烷基化试剂、酰基化试剂或带有还原性的基团。在样品筛选过程中不适合出现的官能团。这些基团在被检测的样品中有可会给出带有欺骗性的结果，或具有类似于表面活性剂的性质或使分子聚集的特性。在筛选过程中通过非选择性的机理给出一些假阳性的结果。7/26/202261Lipinski 的五规则Lipinskis Rule of 5 (Ro5) 产生背景：组合化学合成及高通量筛选高通量筛选倾向于给出体积较大的、不溶的亲脂性候选药物。这些药物往往很难在临床中得到进一步的进展。Lipinski对USAN数据库中的药物进行考察，总结这些药物的规律。化合物的分子性质(

30、分子量、logP，氢键给体和受体的数目)与其成为可接受的口服吸收药物之间的关系。7/26/202262Lipinski 的五规则：口服吸收 (渗透)Lipinskis Rule of 5 (Ro5)Lipinskis rule says that, in general, an orally active drug has no more than one violation of the following criteria:Not more than 5 hydrogen bond donors (nitrogen or oxygen atoms with one or more hydrogen atoms);Not more than 10 hydrogen bond acceptors (nitrogen or oxygen atoms);A molecular weight under 500 daltons;An octanol-water partition coefficient logP of less than 5;Not more than 10 rotatable bonds.7/26/202263Hit-