药物筛选与优化

药物筛选与优化1药物筛选与优化口服药物的共性：Lipinski归纳的“类药5规则”(RuleofFive)，概括了类药的最低标准，即分子量在500以下；氢键的给体不超过5个；氢键的接受体不超过10个；计算的分配系数(正辛醇-水系统)clogP值不超过5。上述原则只限于化合物经被动扩散机理的吸收，90%的口服药物违背上述规则不超过1项。化合物的柔性不宜过强。否则会存在许多种构象(RB<=5)化合物不得含有重金属和反应活性基团。2天然活性物质高通量筛选基于配体或底物的分子设计基于药物的副作用基于代谢作用幸运Serendipity基于片段的药物发现先导化合物发现31、天然活性物质直接作药物Reserpine：肾上腺素能神经元阻断性抗高血压药，提取于萝芙木属多种植物2、天然活性物质作先导物，适当分子变换Paclitaxel:促进微管蛋白聚合，阻止其在有丝分裂的功能，治疗卵巢癌、乳腺癌、恶性黑色素瘤。docetaxel:水溶性增加，活性〉紫杉醇，无交叉耐药1.天然生物活性物质作为先导物43、改造天然产物LDL-C:引起动脉粥状样硬化、心肌梗死桔青霉Penicilliumcitrinum提纯得到LovastatinLovastatinKi=1nMKm=10mM5statinsAtorvastatin(Lipitor,bestsale)FluvastatinPitavastatin(Nisvastatin)6青蒿素青蒿素Artemisinin黄花蒿Artemisiaannula蒿甲醚Artemether(NovartisPCT)生物利用度较低复发率高7喜树碱羟基喜树碱Hydroxycamptothecin喜树(中国）Camptothecaacuminata拓扑替康Topotecan（GSK2007）水溶性较差，毒性大作用于DNAtopoisomeraseI（化疗药物）治疗SCLC，卵巢癌，结肠癌8南美洲古柯ErythroxylumcocaLam局麻药可卡因Cocaine普鲁卡因Procaine（1905）Lidocaine（1943Synthesis;1949onmarket)9动物毒素蛇毒Bungarotoxin，N2受体拮抗剂肌松药蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓药鱼毒Tetrodotoxin，钠通道阻断剂心血管药物蜂毒Apamin，钙通道阻断剂和钾通道开放剂心血管药物102、高通量筛选（HTS）多靶标对化合物库的筛选（目前的主要筛选方法）立体筛选方法的灵敏性、微量化、自动化大容量多样性化合物库组合化学

Combinatorialchemistry同时制备含众多分子的化合物库以代数级数增加构建块的数目，库容量则以几何级数增加与高通量筛选（high-throughputscreening,HTS）技术结合，可极大地加快先导物发现和优化的速度平行合成和混分合成固相合成和液相合成小分子组合合成计算机辅助设计及虚拟库合成Cons:Lowhitrate:0.001%LowdruggabilityHighfalsepositiverate11首创新药的竞争壁垒：分子发现技术我国在HTS技术上与跨国巨头药企存在代差高通量筛选（HTS）适用于经典的激酶等靶点分子文库规模宏大跨国药企长期积累筛选平台高度自动化设施庞大投资高高度依赖药物研发经验的分子确认12组合生物合成

Combinatorialbiosynthesis基本原理基因变异（混合、匹配、交换、突变等）基因克隆多种变异的酶系多种非天然的天然物质13聚酮合酶催化合成红霉素14岩白菜内酯的生物催化组合库15Impactofhigh-throughput

screeninginbiomedicalresearchMacarron,R.NATUREREVIEWSDRUGDISCOVERY10:188-195(2011)163、基于配体或底物的分子设计酶反应过程：酶抑制剂酶结构底物、过渡态、产物结构ACEI、COX-2、GABA-T、MAO抑制剂等抗代谢物：酶抑制剂，合成致死与受体作用过程：激动剂或拮抗剂受体结构配体结构肾上腺素能药物、胆碱能药物、甾体药物等175-hydroxytryptamine(5-HT)：神经递质，低水平--〉偏头痛5-HTreceptorisomers:5-HT1,5-HT2,5-HT3Activity(5-HT1)=2(vs.5-HT)Activity(5-HT2)=1/25Sumatriptan（GSK，2009expired)：Activity(5-HT1)=¼对5-HT2,5-HT3，多巴胺和肾上腺能受体无作用Structuralbasisformolecularrecognitionatserotoninreceptors.

(2013)Science340:610-614185-HT3受体阻断剂MetoclopramideBlockdopamine&5-HT3止吐，胃动力药CleboprideDopamineblocker胃动力不变5-HT3blocker>clebopride300folds无dopamine拮抗Setrons:治疗肿瘤化疗引起的恶心呕吐granisetronpalonosetronOndansetron19血管紧张素转化酶（angiotensin-convertingenzyme,ACE)抑制剂Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-LeuAsp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-PheACE（angiotensinII:强效收缩血管）Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-ArgAngiotensinIBradykinin:血管舒张剂ACEArg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro20HypotheticalactivesiteofcarboxypeptidaseA21HypotheticalbindingofinhibitorstoACE22captoprilenalaprilEnalaprilat(enalapril的代谢活性组分）ACE小分子拟肽抑制剂ACE的功能羧肽酶A的作用模式肽类抑制剂的结合模式羧烷基脯氨酸卡托普利依那普利等CrystalStructureoftheHumanAngiotensin-ConvertingEnzyme-LisinoprilComplex(2003)Nature421:55123H2受体拮抗剂类抗溃疡药

选定靶点－组胺H2受体(确立研发目标－抑制胃酸分泌药物)

建立动物筛选模型－麻醉兔灌胃从H2受体天然激动剂－组胺入手，以其为先导结构，保留咪唑环，改变侧链，开始优化242526IIb/IIIa糖蛋白受体拮抗剂血栓形成的关键步骤是纤维蛋白原与血小板IIb/IIIa受体结合。被IIb/IIIa受体识别和相互作用的主要区段是纤维蛋白原的三肽片断Arg-Gly-Asp（RGD）。蛇毒或水蛭素中含有RGD的线形或环状肽，是阻断IIb/IIIa受体活化从而抑制血小板聚集的药效团。含有或模拟RGD结构的肽或拟肽可作为纤维蛋白原的拮抗剂，是创制抗血栓药物的一个新途径。RGDSibrofibanRoxifiban274、选择性优化副作用（SOSA）磺胺治疗细菌感染时，发现利尿作用.Acetazolamide口服利尿Dichlorphenamidechlorthiazidehydrochlorthiazidecyclothiazide长效利尿药bendroflumethiazide长效利尿药28Sulfasomizole治疗伤寒病，胰岛素释放急性和持久性低血糖sulfasomizoleCarbutamide,更强的降糖作用，治疗糖尿病Iproniazid治疗结核病，情绪提高抑制单胺氧化酶MAO靶标抑郁型精神病Isoniazid无抗抑郁iproniazidphenelzinetranylcypromineselegiline抗抑郁药29Zaprinast抗过敏药扩张血管、降血压抑制PDE5：治疗心绞痛cGMP：扩张血管，增加血流量sildenafilcGMP

NO

第二信使增强勃起功能(ED)模拟创新：30代谢活化活性代谢物作为先导物前药设计代谢失活软药设计5、基于代谢作用31抗疟药环氯胍32保泰松的代谢活化336、幸运结构解析错误34PenicillinChlordiazepoxide(Roche)cisplatincarboplatinoxaliplatinlobaplatinMoregoodluck:357.FBDD的理论框架：结合能的加和性36Jencks,PNAS1981;Farmeretal.,TrendPharmSci1982低分子量化合物更好匹配与靶点的互作37Hann,JChemInfComputSci2001FBDD的特色FBSandHTSarehighlycomplementary生物物理的方法检测蛋白-苗头化合物的结合Smallisbetter(efficientlysamplechemicalspace,higherhitrate,higherLigandEfficiency,lessfalsepositiveresults,novelPPItargets,intuitive)~10938~1060生化/细胞表型苗头化合物到药物的分子特性变化片段分子满足类药三原则：分子量≤300氢键给体数≤3氢键给体数≤3

clogP≤3额外：可旋转键≤3极性表面积≤60

Å2大部分口服药物满足类药五原则39FragmentsScreeningmethods筛选方法分子库初次筛选蛋白量优势/劣势晶体衍射1K不适用>10mg

低命中率，低通量

广泛用于后期优化核磁共振1K适用>10mg

高命中率(2~8%,可药性).假阳性结果较少ITC1–2K不适用~gSPR2–5K适用~mg

需要三周机时

和NMR结果交叉验证HCS5–30K适用

不同靶点需开发不同的生物分析技术（难以外包）假阳性结果较多片段筛选的技术手段40FBDD广泛适用于各类靶点41Johnson,JMC2016FragmentLibraryTargetX-ray/NMRStructuresbcaNMRCompetitiveBindingExperimentEvolutionValidationBiacoreHSQC*Hubbardetal(2007),CurrTopicsMedChem,7,1568BiacoreFragmentBasedLeadDiscovery4243Structure-guidedhit-to-leadevolutionVenetoclax2016年FDA批准BAShukeretal.,Science

1996FBDD的开创性成果FragmentsScreeningmethods苗头化合物-先导化合物的优化策略4423策略2:片段增长策略1:片段连接策略3:片段自组装Clinicalcandidatesoffragment-derivedcompoundsErlanson,NatRevDrugDisc

2016456drugsapproved(Vemurafenib,Venetoclax,Erdafitini