药物分子设计的策略(全)

药物分子设计的策略

1新药创制的过程和知识价值链:确定候选药物是药物研发价值链的中心环节

新药的创制过程是将非药的活性化合物向成药转化,以臻于满足安全、有效、稳定和质量可控的要求。转化过程由许多环节组成,包括生物学方面的活性评价模型和评价方法;在化学上是发现苗头化合物(hit)和(或)先导化合物(lead),通过优化结构,确定一批有成药前景的物质,即候选药物(drugcandidate);然后按照药政法规对候选药物进行系统的临床前研究,经审批后进入临床I期、II期和III期研究,最终经批准上市应用。这是一条研究开发链,其中确定候选药物是个重要环节,它将研发链分为研究阶段(R)和开发阶段(D)。图1是新药创制过程的示意图。上述诸环节构成了串行的知识价值链(临床前为并行试验),从技术和投入的层面上考察,每个环节是对前面环节的价值增量,后面的环节凝集了前面各阶段的研发投入,所以越到后期价值含量越高。在新药研发链上,各个环节的价值贡献度和占用时间是不同的,其中先导物的发现和优化以确定候选药物,大约占总价值链的10%,时程约5年。确定候选物对后面的环节有决定性影响,因为其化学结构决定了后面开发所涉及的药学、药效、药代和安全的性质以及临床效果,10%的贡献度决定了后面90%的命运,所以优化先导物并确定候选药物对于新药创制的成败至关重要。候选药物的确定是新药研发成败的关键,而候选药物的质量又取决于先导物的优劣和优化准则,所以,发现和确定高质量先导物是重要的起点。2苗头化合物的发现和向先导物的过渡

创制新药的物质准备,始自于发现苗头化合物(hit),苗头是指对特定靶标或作用环节具有初步活性的化合物。发现苗头物可有多种途径,其中主要是用随机筛选的方法(天然产物和高通量筛选化合物库)和理性的方法(基于受体或配体结构和机制的分子设计)。基于片段的筛选方法也是最近用仪器分析和分子模拟相结合的技术,是发现苗头和演化成先导物的有效方法[1,2]。苗头化合物未必都能进入研究阶段,是因为固有的缺陷不能发展成先导物,例如活性表现为非特异作用、药代动力学不合理、物化性质差、毒副作用大、作用机制不明确和获得专利的可能性等存在的问题。活性强度并不是苗头的唯一指标。由苗头演化成先导物(hittolead)是必须经过的阶段,以达到先导物的标准和具有优化的前景。先导化合物的质量直接影响研发的速度和成败,这可由上市的新药与其先导物有很高的结构相似性加以佐证。例如Proudfoot分析比较了29个上市新药和它们的先导物结构,发现多数具有结构相似性,而且相对分子质量和logP值变化不大[3]。所以,由苗头向先导物的过渡,是趋于类药的过程。结构变换最常见的方法是电子等排置换原子、基团或片段,例如乙酰胆碱(1)可视作苗头,由此过渡为先导物(2),经构象限制得到(3),电子等排置换,成功发现蕈毒碱M1激动剂西维美林(cevimeline,4)(图2),用于治疗阿茨海默病[3]。由5羟色胺(5,苗头)发展成先导物(6),经成环限制构象,得到5-HT1B激动剂夫罗曲普坦(frovatriptan,7)(图2),临床用于治疗偏头疼[3]。由苗头演化成先导物还可用骨架迁越(scaffoldhopping)的方法,例如由全反式维甲酸(8,可视作苗头物)经芳维甲(arotinoidacid,9,先导物)[4]得到新型维甲酸RAR受体激动剂他米罗亭(tamibarotene,10)治疗急性髓细胞白血病[5]和维甲RXR激动剂贝沙罗汀(bexarotene,11)(图3)治疗皮肤T细胞淋巴瘤[6]。3先导物的标准

先导物无统一的标准,而且不同的药物类别标准也不同,但从优化过程的判断,往往有普遍认可的标准,即类药特征(drug-like),反映在药效学、药代动力学和物理化学性质上应达到一定的要求。在药效学上,首要前提是先导物具有活性。先导物的活性强度一般在1μmol·L-1(酶)～0.1μmol·L-1(受体)范围;应在细胞水平上呈现活性,因为酶(或受体)和细胞试验的区别,还在于后者涉及过膜、多靶标和特异性作用;有明确的作用机制、方式和环节;先导物应存在剂量(浓度)和活性的相关性;有明确的构效关系(SAR),以表明药理活性是特异性作用。

在药代动力学性质上,应达到吸收、分布、代谢和排泄(ADME)的基本要求,例如口服生物利用度(F)大于10%,以确保起码的口服吸收性;消除半衰期(T1/2)大于30min;静脉注射的清除率(clearance)低于35mL/min/kg,大鼠肝细胞的清除率低于14μL/min/106细胞,对人肝微粒体的清除率低于23μL/min/mg,以显示与细胞色素P450有较弱的作用(不是底物抑制剂或诱导剂),保障先导物有起码的代谢稳定性;分布容积Vd大于015L/kg;与血浆蛋白的结合率低于99.5%,以避免发生药物-药物相互作用[7]。在物理化学性质上,先导物的相对分子质量宜低于400,以便在优化过程中有较大化学空间添加原子、基团或片段和增加相对分子质量的余地;水溶解性应大于10μg/mL;脂水分配系数clogP或分布系数logD0～3.0,确保被优化的分子的溶解性和分配性低限[8]。在化学结构上,先导化合物一般含脂肪或芳香环数1～5个,可旋转的柔性键2～15个,氢键给体不超过2个,氢键接受体不多于8个。偏离这些结构因素不能保障上述的药效、药代和物化性质。此外,先导化合物的结构及其类型还应有新颖性,能够获得专利以保障研发药物的知识产权。4先导物的质量判断与保障

遴选苗头或先导物仅以活性强度作为指标,忽视其他因素是不利于新药研发的。相对分子质量大的先导物与靶标的结合力强,活性一般高于低分子量的化合物。这似乎是优点,但也未必,因为结构中往往有“冗余”的原子或基团,对吸收、过膜和代谢等是不利的因素,以致活性强度被不利因素折扣或抵销了,而且过多的原子减小了化学修饰空间,难以添加更有益的基团。所以相对分子质量不宜过大、单凭活性强度不能作为确定先导物的唯一标准[9,10],以避免错误的导向。传统的高通量筛选(HTS)所筛选的化合物,往往忽略分子的成药性,即使发现了高活性化合物,却也会因药代或物化性质等缺陷而无研发前途。基于片段筛选的方法是用相对分子质量低的分子进行筛选,虽然只与靶标的一部分结合,因而活性较弱,但这样的片段分子有它的长处:首先,相对分子质量低的分子与靶标结合的原子效率较高;第二,分子结构简单,优化设计与合成比较容易;第三,所筛选的化合物数量不多,只有千余个,结构简单,还提高了与靶标蛋白的结合和匹配的几率。Congreve等[11]分析了一系列苗头物片段的结构特征,发现相对分子质量大都低于300,氢键的给体或接受体低于或等于3个,clogP值低于3,概括为“片段3规则(ruleofthree)”。这个规则对于筛选具有良好物化和药代性质、有发展前景的苗头化合物是有指导意义的。4.2配体效率

为了衡量苗头物或先导物以及优化的化合物的质量,提出了配体效率(ligandefficiency,LE)概念,以表征化合物的活性效率。配体效率系指配体(苗头、先导物、优化物等)中每个原子对结合能的贡献,在选取先导物和优化过程中是有用的参数[12]。配体效率整合了Andrews特定的功能基的结合能贡献[13]和Kuntz提出的每个原子实际的实验结合力[14],用以估价苗头和先导物与受体结合的能力。配体效率(LE)的计算方法首先是将复合物结合常数Kd转换为在温度300K的结合的自由能(ΔG)(式1),然后ΔG除以非氢原子数N非氢原子(式2)。ΔG=-RT·lnKd(1)式中,R为气体常数,T为绝对温度,ΔG单位是kcal·mol-1。每个原子的自由能贡献即配体效率用式2表示:LE=ΔG/N非氢原子(2)配体效率将化合物的相对分子质量与其活性强度统一起来,用以比较活性化合物的质量,评价先导物的成药性。所以,随机筛选应选取有较高配体效率的化合物,而相对分子质量低、结构简单的化合物往往有较高的配体效率,具有提高活性的潜力[15]。4.3配体效率指导优化的实例

研究蛋白激酶B(PKB)抑制剂,发现化合物12有弱活性(IC50=80μmol·L-1),但因相对分子质量低,有较高的配体效率(LE=0.47),优化结构要求化合物的配体效率保持在0.30以上。基于PKB与化合物12的三维结合特征,发现在苯环对位的结合部位有负性基团和较大的腔穴,因而合成了含有碱性基团的13和14,增强了活性,虽相对分子质量增大,但仍保持了较高的LE值。加入新的苯环,化合物15和16仍维持了相同的配体效率,最后在新的苯环上引入卤素,得到高活性的17和18[16](图4,表1)。5先导物的优化

5.1优化的目的

先导化合物的优化是将有活性的化合物转化成药物、将非药演化成候选药物的过程,是通过药物化学方法将临床对药物的要求体现在结构优化和改造中,使药物的安全性、药效学、药动学、代谢稳定性和药学(物理化学)等性质同步地构建于一个分子之中,所以,优化是在多维空间中通往候选药物的分子操作。在新药的研发链中越到后面的环节价值的增量越大,此时如若失败造成的损失越严重,因此在优化阶段对无成药前景的化合物要尽早地摒弃,为此,需要用体外或动物体内的试验模型预测并模拟对人体的作用,将试验结果实时地反馈于新一轮的设计与合成中,直至化合物的诸多性质达到最佳匹配。5.2优化的内容①提高化合物对靶标分子的选择性或特异性。如果研发的是作用于双(或多)靶标化合物,不仅对双靶标有选择性作用,而且作用强度应相近或匹配。要试验对同源靶蛋白或蛋白亚型是否有作用,由于同源蛋白之间的结构与功能有相似性,往往因选择性不强,导致产生不良反应;②用细胞或功能性试验评价活性强度。亲和力试验不能代表生物功能,对于高亲和力的化合物应进一步在靶标高表达的细胞系上试验,评价活性和功能;③提高化合物的代谢稳定性。用克隆的人细胞色素P450,试验是否是重要CYP亚型的底物、诱导剂或抑制剂。用肝微粒体和肝细胞温孵试验评价代谢类型和速率。代谢稳定性对于保障化合物的活性、避免药代动力学的复杂性和降低毒副作用是很重要的;④整体动物的药代动力学试验。对于有可能成为候选药物的分子进