第三章藥物分子設計的基本原理和方法第四章藥物研發(fā)總論課件

第三章

藥物分子設計的基本原理和方法設計和發(fā)現(xiàn)新藥，尋找高效、低毒的新化學實體（NCE）第三章

藥物分子設計的基本原理和方法設計和發(fā)現(xiàn)新藥，尋找高效1

藥物分子設計是新藥研發(fā)的開端和基礎。人類已經(jīng)成功研發(fā)許多藥物，積累了一定的經(jīng)驗和理論。近年的分子生物學和計算機技術的發(fā)展，為從分子水平上進行藥物設計奠定了基礎，不斷豐富和發(fā)展設計方法。藥物分子設計是通過研究分子（藥物小分子和靶點生物大分子）的二維和三維結構，尋找具有藥理活性的新化學實體。藥物設計的2個階段：先導物的發(fā)現(xiàn)，先導物的優(yōu)化。作用靶點：受體、酶、離子通道及核酸。借助分子生物學和計算機技術進行靶點導向的藥物設計。藥物分子設計是新藥研發(fā)的開端和基礎。2第一節(jié):先導化合物的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化方法先導化合物的獲得、結構優(yōu)化、藥效試驗和構效關系研究一先導化合物的獲得1從天然產(chǎn)物（植物、動物、微生物）中獲得（1）從植物中獲得可可樹葉中提取的活性成分可卡因---普魯卡因---利多卡因；鴉片嗎啡---左啡諾---噴他佐辛；青蒿素、紫杉醇、丁苯酞。(2)從動物中獲得從南美的一種毒蛇的毒液中提取的活性成分替羅普肽---卡托普利。（3）從微生物的代謝物中獲得四大素的發(fā)現(xiàn)、降血脂藥洛伐他汀等。第一節(jié):先導化合物的發(fā)現(xiàn)及優(yōu)化方法32從內(nèi)源性物質(zhì)獲得腎上腺素—β受體阻滯（拮抗）劑普萘洛爾（降壓藥）、β1受體激動劑沙丁醇胺（治療哮喘）。組胺—H1受體拮抗劑撲爾敏、息斯敏（抗過敏藥）、H2受體拮抗劑西咪替丁、雷尼替?。ㄖ委熚杆岱置谶^多）第三章藥物分子設計的基本原理和方法第四章藥物研發(fā)總論課件4

3從合成的化合物中發(fā)現(xiàn)先導化合物（1）磺胺藥物的發(fā)現(xiàn)染料白浪多息—磺胺類抗菌藥、降糖藥。（2）合成的中間體抗結核藥--異煙肼，抗癌藥安西他賓。（3）化合物庫（制藥公司的化合物庫，篩選對新靶點的作用）（4）組合化學與高通量篩選（5）計算機分子模擬、虛擬篩選。3從合成的化合物中發(fā)現(xiàn)先導化合物54從臨床副作用發(fā)現(xiàn)先導化合物由抗結核藥異煙肼（服用者興奮）--異丙煙肼（MAOI，治療抑郁癥）?？惯^敏藥異丙嗪（具有外周神經(jīng)作用）--氯丙嗪（強效安定藥）--丙咪嗪（三環(huán)類抗抑郁藥，5-HT重攝取抑制劑）5從藥物代謝產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)先導化合物鎮(zhèn)靜安眠藥地西泮—代謝物奧沙西泮—勞拉西泮、替馬西泮?？挂钟羲幈溧骸匚髋撩?從臨床副作用發(fā)現(xiàn)先導化合物6

二先導化合物的優(yōu)化方法1分子中環(huán)的改造—開環(huán)可卡因—普魯卡因。嗎啡—左啡諾—非那左辛、噴他佐辛。阿托品—哌替啶（杜冷?。?-美沙酮二先導化合物的優(yōu)化方法72環(huán)的引入--增加分子的剛性，提高選擇性作用，減少副作用。諾氟沙星—左氟沙星β受體阻滯劑（降壓藥）--色滿卡林（鉀離子通道開放劑，降壓藥）2環(huán)的引入--增加分子的剛性，提高選擇性作用，減少副作用83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基團改變，活性發(fā)生變化。3分子中鏈狀部分的改造94電子等排體置換（1）經(jīng)典電子等排體、生物電子等排體概念經(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；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；如：N，P，As；O，S，Se；Cl，CN；-CH=CH-，-S-。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或結構片段，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。4電子等排體置換10（2）電子等排體的應用例1：降糖藥氨磺丁脲和甲磺丁脲。例2：抗過敏藥曲吡那敏、氯苯那敏（2）電子等排體的應用11例3：尿嘧啶、5-氟尿嘧啶例4：強心藥硫馬唑、伊索馬唑例3：尿嘧啶、5-氟尿嘧啶125拼合原理治療效果相同的藥物拼合在一起。例1：阿司匹林+撲熱息痛=貝諾酯例2：肼基噠嗪+β受體阻滯劑=普齊地洛例3：氨芐西林+舒巴坦5拼合原理13第二節(jié)藥物的潛伏化—前藥及生物前體將具有活性的物質(zhì)（原藥）轉變成體外無活性或低活性的化合物，進入體內(nèi)后，經(jīng)酶促反應或化學作用，轉變成原藥，發(fā)揮藥理作用；稱之為藥物的潛伏化。具有2種方式：前藥和生物前體。與原藥相比，前藥或生物前體應具有更優(yōu)良的理化性質(zhì)或藥代動力學性質(zhì)。第二節(jié)藥物的潛伏化—前藥及生物前體14一前藥和生物前體的概念前藥：將原藥以共價鍵的方式，與特定的基團或片段連接，得到的修飾物；在體外無活性；進入體內(nèi)后，經(jīng)過酶催化的水解反應，釋放出原藥。生物前體：體外無活性的化學物質(zhì)，進入體內(nèi)后，經(jīng)過酶催化發(fā)生氧化、還原或其他反應，轉化成具有生物活性的藥物。一前藥和生物前體的概念15二設計前藥的方法1原藥分子中具有-OH、或-COOH，可以轉化成酯的形式。2原藥分子中具有-NH2，可以轉化成酰胺、亞胺或曼尼希堿。3原藥分子中具有-C=O，可轉化成縮酮的形式。二設計前藥的方法16三設計前藥的目的或意義設計前藥的目的是改善原藥的動力學性質(zhì)或理化性質(zhì)。（1）提高生物利用度氨芐西林酯化后，轉化成匹氨西林；5-氟尿嘧啶轉化成酰胺化物。三設計前藥的目的或意義17（2）延長作用時間氟奮乃靜的羥基用癸酸酯化后，肌肉注射，由于脂溶性增大，可緩慢進入到血液中，釋放出原藥，延長作用時間。（2）延長作用時間18（3）提高藥物的選擇性，降低毒副作用治療前列腺癌的乙烯雌酚，經(jīng)磷酸酯化后，可以富集到前列腺部位，提高了作用的選擇性。第三章藥物分子設計的基本原理和方法第四章藥物研發(fā)總論課件19

多巴胺治療帕金森癥，經(jīng)酰胺化和酯化后，可以穿越血腦屏障，經(jīng)水解后，釋放多巴胺。多巴胺治療帕金森癥，經(jīng)酰胺化和酯化后，可以穿越血20（4）提高水溶性青蒿素口服生物利用度低，經(jīng)琥珀酸酯化，制成鈉鹽，增大了水溶性，可注射給藥。（4）提高水溶性21（5）改善不良的物理性質(zhì)氯霉素經(jīng)酯化后，可去除苦味。第三章藥物分子設計的基本原理和方法第四章藥物研發(fā)總論課件22

四生物前體舉例經(jīng)過體內(nèi)的氧化或還原反應，轉化成活性產(chǎn)物。舒林酸、6-脫氧阿西洛韋四生物前體舉例23第三節(jié)：構效關系和計算機輔助藥物設計構效關系是藥物分子設計與合成的重要研究內(nèi)容之一；其結果對藥物的開發(fā)具有重要的指導意義。計算機技術的進步，使定量構效關系研究成為現(xiàn)實，計算機技術在藥物分子的設計越來越重要。藥物的分子結構與生物活性的關系，簡稱為構效關系（Structure-activityrelationships）定量構效關系是新藥設計的一種研究方法，可以用于先導化合物的優(yōu)化，是計算機輔助藥物設計的重要內(nèi)容，包括2DQSAR和3DQSAR。第三節(jié)：構效關系和計算機輔助藥物設計24

1868年，A=f(c),A代表生物活性，c代表化合物的結構特征，活性與化合物的結構呈函數(shù)關系。定量構效關系：選擇適當數(shù)學模型，應用藥物分子的理化參數(shù)、結構參數(shù)和拓撲參數(shù)及生物活性，對藥物分子化學結構與生物活性間的關系進行定量分析，建立活性與結構的定量關系，建立數(shù)學方程式，依據(jù)研究的結果，指導藥物化學結構的進一步優(yōu)化。1868年，A=f(c),A代表生物活性，c代表25一二維定量構效關系—Hansch分析法Hansch分析法認為：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果，這種相互作用與分子的各種熱力學性質(zhì)有關，熱力學性質(zhì)具有加和性，Hansch分析法又稱為線性自由能相關模型。1數(shù)學表達式：Log1/C=-aЛ2+bЛ+cσ+dEs+……+k或Log1/C=-alogP2+blogP+cσ+dEs+……+kLog1/C代表生物活性參數(shù)，Л或logP代表疏水參數(shù)，σ代表電性參數(shù)，Es代表立體特征參數(shù)，除電性參數(shù)外，其余具有加和性。在Hansch方程的表達式中，有時使用I作為指示變量，是半定量參數(shù)，只有1和0兩個值。當分子中存在某個特定的取代基時，I值為1，不存在時I值為0，其意義是描述不能用連續(xù)變量表達的分子結構特征。一二維定量構效關系—Hansch分析法262參數(shù)的物理意義（1）疏水參數(shù)logP疏水參數(shù)代表分子的疏水性能，即脂水分配系數(shù)?？捎蓪嶒灧椒y得，P為某化合物在達到平衡時，有機相中的濃度與水相中的濃度比值，P=Co/Cw，由于數(shù)值較大，多采用logP的形式。有機相通常為正辛醇，能較好的反應體內(nèi)的運輸環(huán)境，可用搖瓶法直接測定或HPLC法間接測定。HPLC測定的是化合物的保留時間，數(shù)值與搖瓶法的數(shù)值線性相關，可進行換算?？捎墒謨曰驍?shù)據(jù)庫中查詢或用專業(yè)軟件計算。2參數(shù)的物理意義27疏水參數(shù)具有加和性，當研究同系物時，可用取代基的疏水參數(shù)Л代替疏水參數(shù)，或用加和的方法計算整個化合物的logP。LogP=LogP-H+∑Лx+∑Fx其中LogP是整個分子的脂水分配系數(shù)對數(shù)值，LogP-H為母體化合物脂水分配系數(shù)對數(shù)值，∑Лx為各取代基疏水參數(shù)的總合，∑Fx是各取代基加和時的校正值之和?？梢酝ㄟ^查表獲得。疏水參數(shù)具有加和性，當研究同系物時，可用取代基的疏水參28（2）電性參數(shù)電性參數(shù)可用Hammett常數(shù)σ（芳香化合物的取代基的誘導和共軛效應之和）Taft常數(shù)σ*（脂肪族化合物的取代基的誘導和共軛效應）或誘導效應參數(shù)或共軛效應參數(shù)表達，可通過相關手冊查到。另外也可用分子的偶極距、解離常數(shù)或IR、UV、NMR、MS等譜學數(shù)據(jù)作為電性參數(shù)。（3）立體參數(shù)可用取代基的taftEs參數(shù)、摩爾折射率、范德華體積或STERIMOL多維立體參數(shù)表示。（2）電性參數(shù)293Hansch分析法在藥物分子設計中應用（1）Hansch分析法的基本要求所設計的化合物應是同源化合物，具有相同的基本母核，作用于同一受體?；衔锏奈锢砘瘜W性質(zhì)差異要大，所選擇的參數(shù)不能具有相關性，每一個參數(shù)都應對活性有直接的影響?；衔锏纳锘钚詳?shù)據(jù)變化幅度應大于一個對數(shù)單位（相差10倍）?；衔锏臄?shù)目至少是所選用參數(shù)的5倍。3Hansch分析法在藥物分子設計中應用30（2）Hansch分析法的操作程序a)從先導化合物出發(fā)，設計并合成首批化合物；b)測定化合物的活性；c)確定或計算化合物及取代基的各種理化參數(shù)或常數(shù)；d)用計算機程序，求出一個或幾個顯著相關的方程式。e)用所得到的方程指導第二批化合物的合成，并預測活性。（2）Hansch分析法的操作程序31（3）Hansch分析法舉例—喹喏酮抗菌藥物的優(yōu)化。

先導物喹啉羧酸，合成71個同源化合物?；钚杂勺畹鸵志鷿舛龋╩ol/L）表示。選擇11個參數(shù)，1-位取代基的STERIMOL長度、6-取代基的Taft立體參數(shù)、6、7、8-位取代基疏水參數(shù)之和、6、7、8-位取代基誘導參數(shù)之和、指示變量I等（當化合物分子中含有哌嗪基時I=1，其余基團為0）。（3）Hansch分析法舉例—喹喏酮抗菌藥物的優(yōu)化。32定量方程式：Log1/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)(∑Л6,7,8)2-0.485(±0.10)∑Л6,7,8-0.681(±0.39)∑ζ6,7,8-4.571(±0.271)11個參數(shù)：L1：1-取代基STERIMOL長度，Es6：6-取代基的Taft立體參數(shù)；B4：分子寬度，I：指示變量；6，7，8取代基的疏水參數(shù)及電性參數(shù)，7-N的誘導參數(shù)。據(jù)此計算出的環(huán)丙沙星的Log1/MIC=6.38;實測值6.63.定量方程式：334Hansch分析法的用途及局限性定量指導先導化合物的優(yōu)化，用于解釋藥物作用機理，推測可能的受體模型，研究其他藥代動力學的定量關系。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合時的構象變化，沒有反映出分子構象和構型對活性的影響。不能定量描述三維結構與生物活性的關系。只能優(yōu)化先導物。4Hansch分析法的用途及局限性34二計算機輔助藥物設計（CADD）

三維定量構效關系（3D-QSAR）是以藥物小分子和生物大分子的三維結構特征為基礎，分析并建立起來的結構與活性的定量構效關系，是計算機模擬技術、分子力學、藥物化學、生物生理學等學科綜合運用的一門技術。CADD包括基于作用機理的藥物設計（MechanismBasedDrugDesign）:依據(jù)藥物的作用機理，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、轉運、代謝等過程，進行藥物的分子設計。盡管該種方法合理，但考慮因素過多，不太成熟，目前還沒有設計成功的例子?；诮Y構的藥物設計（StructureBasedDrugDesign）依據(jù)靶點結構或藥物分子結構進行的藥物設計方法，比較成熟，在藥物分子設計中廣泛應用。分為兩種方法：直接藥物設計和間接藥物設計。二計算機輔助藥物設計（CADD）351直接藥物設計直接藥物設計又稱之為全新藥物設計。是在作用已知靶點結構的前提下，進行藥物設計的一種方法。在已知的生物大分子（受體）結構的基礎上，確定與小分子（藥物）的結合位點，依據(jù)位點的形狀和性質(zhì)，按照結構互補、適配的原則，構建出小分子的結構。1直接藥物設計36受體的三維結構可通過X-單晶衍射技術直接獲得或多維NMR方法間接獲得。用計算機模擬技術研究受體與藥物結合部位的性質(zhì)，如靜電場、疏水場、氫鍵等作用位點的信息，依據(jù)結合部位的幾何結構和化學特征，運用數(shù)據(jù)庫搜尋的方法，確定結構適配、相互作用的小分子結構。即可用于發(fā)現(xiàn)新的先導物，也可用于優(yōu)化先導物。受體結合部位的確定及其性質(zhì)是CADD研究的關鍵，通常是部分重要的氨基酸殘基。直接藥物設計的常用方法：分子對接法（docking）、活性位點分析法（ActiveSiteAnalysisASA）、3模板定位法受體的三維結構可通過X-單晶衍射技術直接獲得或多維NM37（1）分子對接法（docking），亦稱數(shù)據(jù)庫搜尋法。建立大量小分子化合物的三維結構數(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行對接（docking），通過不斷優(yōu)化小分子的化合物結構，尋找小分子與靶點大分子作用的最佳構象，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合位點作用最強的分子。合成或購買該化合物，進行活性測試。如抗HIV藥物沙奎那韋的研發(fā)。（1）分子對接法（docking），亦稱數(shù)據(jù)庫搜尋法。建立大38（2）活性位點分析法（ActiveSiteAnalysisASA）研究靶點大分子作用部位的形狀和理化性質(zhì)，確定與其相互作用的基團或片斷，在按照一定的化學原理將各基團或片斷連接起來，得到完整分子。另外的一種方法是由相互作用的基團或片斷出發(fā)，逐漸生成整個分子。進行活性測試。3模板定位法該方法與活性位點分析法相似，首先依據(jù)結合位點，確定藥效團，確定與受體相互作用的模板分子，通過延伸生長、旋轉得到基本骨架，按照靶點空腔的大小，設計出小分子的一級結構，從數(shù)據(jù)庫中搜尋與結合位點相互作用的原子或基團，進行連接，形成二級結構。（2）活性位點分析法（ActiveSiteAnalys392間接藥物設計（IndirectDrugDesign）在作用靶點結構不清楚的情況下，進行計算機輔助藥物設計的方法。該種方法是以小分子的結構為基礎，從一組小分子化合物的結構和生物活性數(shù)據(jù)出發(fā)，研究結構與活性的定量構效關系，進行藥物分子設計。首先確定活性強的小分子的優(yōu)勢構象，以此代替活性構象，推測受體的活性部位形狀和作用方式，得到虛擬受體模型，設計新的小分子。具體方法包括：比較分子場分析法（ComparativeMolecularFieldAnalysisCoMFA）分子形狀分析法（MolecularShapeAnalysis，MSA）、距離幾何法（DistanceGeometryDG）和2間接藥物設計（IndirectDrugDesign40（1）比較分子場分析法（ComparativeMolecularFieldAnalysisCoMFA）藥物小分子與靶點相互作用時，主要是通過靜電、疏水和范德華力等非共價鍵作用，活性的大小與相互作用力場的大小和方向有關。用小分子周圍的靜電場、范德華力場、氫鍵場的空間分布作為化合物的結構特征，用計算機程序建立活性與各立場空間分布之間的定量關系，并建立相互作用模型，以此設計并預測活性。（1）比較分子場分析法（ComparativeMolec41

具體操作方法：對小分子的結構進行優(yōu)化，確定優(yōu)勢構象，并計算各原子的電荷密度。按照合理的疊加規(guī)則，把重疊的各化合物的優(yōu)勢構象放在一個能包容全部化合物的空間網(wǎng)格中。依據(jù)化合物的分子結構與靶點的作用方式，選擇合適的探針，在網(wǎng)格中移動。探針每移動一個步長，計算其在空間網(wǎng)格上與各原子的相互作用能量，包括立體能和靜電能。具體操作方法：42將計算出的能量值與實測的活性值建立起定量構效關系。用偏最小二乘法和交叉驗證確定立場與活性的QSAR方程。建立能量等高線。用紅、藍、黃、綠不同的顏色代表。綠色和黃色區(qū)域代表立體場與化合物活性的關系，綠色區(qū)域代表引入體積較大的基團有利于活性的提高；黃色區(qū)域代表引入較小的基團有利于活性的提高。紅色和藍色的區(qū)域代表靜電對活性的影響，紅色區(qū)域代表引入負電性基團有利于活性的提高，藍色區(qū)域代表引入正電性基團有利于活性的提高。P59青蒿素化合物的設計。將計算出的能量值與實測的活性值建立起定量構效關系。用偏43（2）分子形狀分析法（MolecularShapeAnalysis，MSA）首先確定具有活性的小分子的優(yōu)勢構象，以現(xiàn)有活性最強的小分子的優(yōu)勢構象為模板，進行分子構象疊加，求出分子形狀參數(shù)L0（重疊長度）、S0（重疊面積）、V0（重疊體積）等，建立活性與參數(shù)的定量關系，并據(jù)此進行新的小分子設計。（2）距離幾何法（DistanceGeometryDG）構建藥物小分子的三維模型，計算優(yōu)勢構象，求出各原子間距離的矩陣（S），用若干矩陣表示整個分子的模型。以活性最高小分子的優(yōu)勢構象，設計一些結合空的結合位點，以活性最低的小分子的優(yōu)勢構象設計一些實的結合位點，以此為矩陣的上下限，進行數(shù)據(jù)庫搜尋。（2）分子形狀分析法（MolecularShapeAna44第四章：藥物研發(fā)程序藥物開發(fā)的基本過程藥物分子的設計與合成----臨床試驗----上市一藥物分子的設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。第四章：藥物研發(fā)程序藥物開發(fā)的基本過程45二臨床試驗藥物上市之前，要按管理規(guī)范進行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ期臨床試驗。Ⅰ期臨床試驗：主要考察藥物的安全性、藥代動力學和服用藥物的劑量，不考察藥物的治療效果。受試者是健康的志愿者，在試驗期間，不能服用其他藥物、飲酒和咖啡及吸煙。其目的是防止其與藥物的相互作用。二臨床試驗46首先確定藥物的劑量—確定最大耐受劑量。起始劑量為動物試驗中出現(xiàn)毒性劑量的1/10。每組劑量用6-12人服用藥物，2-4人服用安慰劑，服用藥物后，進行藥代動力學的研究，確定代謝物，進行安全性評估；逐漸增大劑量，直到觀察到副反應的出現(xiàn)，該劑量為最大耐受劑量。以后的試驗研究所使用的劑量均要小于最大耐受劑量?？疾焖幬锱c食物的相互作用；藥物與其他藥物的相互作用，對吸收和代謝是否有影響，考察受試藥物能否與其他藥物合用。進行藥代動力學的研究—考察吸收、分布和藥物的排泄。首先確定藥物的劑