藥物分子設(shè)計(jì)的策略(全)

藥物分子設(shè)計(jì)的策略

1新藥創(chuàng)制的過(guò)程和知識(shí)價(jià)值鏈:確定候選藥物是藥物研發(fā)價(jià)值鏈的中心環(huán)節(jié)

新藥的創(chuàng)制過(guò)程是將非藥的活性化合物向成藥轉(zhuǎn)化,以臻于滿(mǎn)足安全、有效、穩(wěn)定和質(zhì)量可控的要求。轉(zhuǎn)化過(guò)程由許多環(huán)節(jié)組成,包括生物學(xué)方面的活性評(píng)價(jià)模型和評(píng)價(jià)方法;在化學(xué)上是發(fā)現(xiàn)苗頭化合物(hit)和(或)先導(dǎo)化合物(lead),通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu),確定一批有成藥前景的物質(zhì),即候選藥物(drugcandidate);然后按照藥政法規(guī)對(duì)候選藥物進(jìn)行系統(tǒng)的臨床前研究,經(jīng)審批后進(jìn)入臨床I期、II期和III期研究,最終經(jīng)批準(zhǔn)上市應(yīng)用。這是一條研究開(kāi)發(fā)鏈,其中確定候選藥物是個(gè)重要環(huán)節(jié),它將研發(fā)鏈分為研究階段(R)和開(kāi)發(fā)階段(D)。圖1是新藥創(chuàng)制過(guò)程的示意圖。上述諸環(huán)節(jié)構(gòu)成了串行的知識(shí)價(jià)值鏈(臨床前為并行試驗(yàn)),從技術(shù)和投入的層面上考察,每個(gè)環(huán)節(jié)是對(duì)前面環(huán)節(jié)的價(jià)值增量,后面的環(huán)節(jié)凝集了前面各階段的研發(fā)投入,所以越到后期價(jià)值含量越高。在新藥研發(fā)鏈上,各個(gè)環(huán)節(jié)的價(jià)值貢獻(xiàn)度和占用時(shí)間是不同的,其中先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化以確定候選藥物,大約占總價(jià)值鏈的10%,時(shí)程約5年。確定候選物對(duì)后面的環(huán)節(jié)有決定性影響,因?yàn)槠浠瘜W(xué)結(jié)構(gòu)決定了后面開(kāi)發(fā)所涉及的藥學(xué)、藥效、藥代和安全的性質(zhì)以及臨床效果,10%的貢獻(xiàn)度決定了后面90%的命運(yùn),所以?xún)?yōu)化先導(dǎo)物并確定候選藥物對(duì)于新藥創(chuàng)制的成敗至關(guān)重要。候選藥物的確定是新藥研發(fā)成敗的關(guān)鍵,而候選藥物的質(zhì)量又取決于先導(dǎo)物的優(yōu)劣和優(yōu)化準(zhǔn)則,所以,發(fā)現(xiàn)和確定高質(zhì)量先導(dǎo)物是重要的起點(diǎn)。2苗頭化合物的發(fā)現(xiàn)和向先導(dǎo)物的過(guò)渡

創(chuàng)制新藥的物質(zhì)準(zhǔn)備,始自于發(fā)現(xiàn)苗頭化合物(hit),苗頭是指對(duì)特定靶標(biāo)或作用環(huán)節(jié)具有初步活性的化合物。發(fā)現(xiàn)苗頭物可有多種途徑,其中主要是用隨機(jī)篩選的方法(天然產(chǎn)物和高通量篩選化合物庫(kù))和理性的方法(基于受體或配體結(jié)構(gòu)和機(jī)制的分子設(shè)計(jì))。基于片段的篩選方法也是最近用儀器分析和分子模擬相結(jié)合的技術(shù),是發(fā)現(xiàn)苗頭和演化成先導(dǎo)物的有效方法[1,2]。苗頭化合物未必都能進(jìn)入研究階段,是因?yàn)楣逃械娜毕莶荒馨l(fā)展成先導(dǎo)物,例如活性表現(xiàn)為非特異作用、藥代動(dòng)力學(xué)不合理、物化性質(zhì)差、毒副作用大、作用機(jī)制不明確和獲得專(zhuān)利的可能性等存在的問(wèn)題?；钚詮?qiáng)度并不是苗頭的唯一指標(biāo)。由苗頭演化成先導(dǎo)物(hittolead)是必須經(jīng)過(guò)的階段,以達(dá)到先導(dǎo)物的標(biāo)準(zhǔn)和具有優(yōu)化的前景。先導(dǎo)化合物的質(zhì)量直接影響研發(fā)的速度和成敗,這可由上市的新藥與其先導(dǎo)物有很高的結(jié)構(gòu)相似性加以佐證。例如Proudfoot分析比較了29個(gè)上市新藥和它們的先導(dǎo)物結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)多數(shù)具有結(jié)構(gòu)相似性,而且相對(duì)分子質(zhì)量和logP值變化不大[3]。所以,由苗頭向先導(dǎo)物的過(guò)渡,是趨于類(lèi)藥的過(guò)程。結(jié)構(gòu)變換最常見(jiàn)的方法是電子等排置換原子、基團(tuán)或片段,例如乙酰膽堿(1)可視作苗頭,由此過(guò)渡為先導(dǎo)物(2),經(jīng)構(gòu)象限制得到(3),電子等排置換,成功發(fā)現(xiàn)蕈毒堿M1激動(dòng)劑西維美林(cevimeline,4)(圖2),用于治療阿茨海默病[3]。由5羥色胺(5,苗頭)發(fā)展成先導(dǎo)物(6),經(jīng)成環(huán)限制構(gòu)象,得到5-HT1B激動(dòng)劑夫羅曲普坦(frovatriptan,7)(圖2),臨床用于治療偏頭疼[3]。由苗頭演化成先導(dǎo)物還可用骨架遷越(scaffoldhopping)的方法,例如由全反式維甲酸(8,可視作苗頭物)經(jīng)芳維甲(arotinoidacid,9,先導(dǎo)物)[4]得到新型維甲酸RAR受體激動(dòng)劑他米羅亭(tamibarotene,10)治療急性髓細(xì)胞白血病[5]和維甲R(shí)XR激動(dòng)劑貝沙羅汀(bexarotene,11)(圖3)治療皮膚T細(xì)胞淋巴瘤[6]。3先導(dǎo)物的標(biāo)準(zhǔn)

先導(dǎo)物無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),而且不同的藥物類(lèi)別標(biāo)準(zhǔn)也不同,但從優(yōu)化過(guò)程的判斷,往往有普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn),即類(lèi)藥特征(drug-like),反映在藥效學(xué)、藥代動(dòng)力學(xué)和物理化學(xué)性質(zhì)上應(yīng)達(dá)到一定的要求。在藥效學(xué)上,首要前提是先導(dǎo)物具有活性。先導(dǎo)物的活性強(qiáng)度一般在1μmol·L-1(酶)～0.1μmol·L-1(受體)范圍;應(yīng)在細(xì)胞水平上呈現(xiàn)活性,因?yàn)槊?或受體)和細(xì)胞試驗(yàn)的區(qū)別,還在于后者涉及過(guò)膜、多靶標(biāo)和特異性作用;有明確的作用機(jī)制、方式和環(huán)節(jié);先導(dǎo)物應(yīng)存在劑量(濃度)和活性的相關(guān)性;有明確的構(gòu)效關(guān)系(SAR),以表明藥理活性是特異性作用。

在藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)上,應(yīng)達(dá)到吸收、分布、代謝和排泄(ADME)的基本要求,例如口服生物利用度(F)大于10%,以確保起碼的口服吸收性;消除半衰期(T1/2)大于30min;靜脈注射的清除率(clearance)低于35mL/min/kg,大鼠肝細(xì)胞的清除率低于14μL/min/106細(xì)胞,對(duì)人肝微粒體的清除率低于23μL/min/mg,以顯示與細(xì)胞色素P450有較弱的作用(不是底物抑制劑或誘導(dǎo)劑),保障先導(dǎo)物有起碼的代謝穩(wěn)定性;分布容積Vd大于015L/kg;與血漿蛋白的結(jié)合率低于99.5%,以避免發(fā)生藥物-藥物相互作用[7]。在物理化學(xué)性質(zhì)上,先導(dǎo)物的相對(duì)分子質(zhì)量宜低于400,以便在優(yōu)化過(guò)程中有較大化學(xué)空間添加原子、基團(tuán)或片段和增加相對(duì)分子質(zhì)量的余地;水溶解性應(yīng)大于10μg/mL;脂水分配系數(shù)clogP或分布系數(shù)logD0～3.0,確保被優(yōu)化的分子的溶解性和分配性低限[8]。在化學(xué)結(jié)構(gòu)上,先導(dǎo)化合物一般含脂肪或芳香環(huán)數(shù)1～5個(gè),可旋轉(zhuǎn)的柔性鍵2～15個(gè),氫鍵給體不超過(guò)2個(gè),氫鍵接受體不多于8個(gè)。偏離這些結(jié)構(gòu)因素不能保障上述的藥效、藥代和物化性質(zhì)。此外,先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)及其類(lèi)型還應(yīng)有新穎性,能夠獲得專(zhuān)利以保障研發(fā)藥物的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。4先導(dǎo)物的質(zhì)量判斷與保障

遴選苗頭或先導(dǎo)物僅以活性強(qiáng)度作為指標(biāo),忽視其他因素是不利于新藥研發(fā)的。相對(duì)分子質(zhì)量大的先導(dǎo)物與靶標(biāo)的結(jié)合力強(qiáng),活性一般高于低分子量的化合物。這似乎是優(yōu)點(diǎn),但也未必,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)中往往有“冗余”的原子或基團(tuán),對(duì)吸收、過(guò)膜和代謝等是不利的因素,以致活性強(qiáng)度被不利因素折扣或抵銷(xiāo)了,而且過(guò)多的原子減小了化學(xué)修飾空間,難以添加更有益的基團(tuán)。所以相對(duì)分子質(zhì)量不宜過(guò)大、單憑活性強(qiáng)度不能作為確定先導(dǎo)物的唯一標(biāo)準(zhǔn)[9,10],以避免錯(cuò)誤的導(dǎo)向。傳統(tǒng)的高通量篩選(HTS)所篩選的化合物,往往忽略分子的成藥性,即使發(fā)現(xiàn)了高活性化合物,卻也會(huì)因藥代或物化性質(zhì)等缺陷而無(wú)研發(fā)前途。基于片段篩選的方法是用相對(duì)分子質(zhì)量低的分子進(jìn)行篩選,雖然只與靶標(biāo)的一部分結(jié)合,因而活性較弱,但這樣的片段分子有它的長(zhǎng)處:首先,相對(duì)分子質(zhì)量低的分子與靶標(biāo)結(jié)合的原子效率較高;第二,分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,優(yōu)化設(shè)計(jì)與合成比較容易;第三,所篩選的化合物數(shù)量不多,只有千余個(gè),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還提高了與靶標(biāo)蛋白的結(jié)合和匹配的幾率。Congreve等[11]分析了一系列苗頭物片段的結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)相對(duì)分子質(zhì)量大都低于300,氫鍵的給體或接受體低于或等于3個(gè),clogP值低于3,概括為“片段3規(guī)則(ruleofthree)”。這個(gè)規(guī)則對(duì)于篩選具有良好物化和藥代性質(zhì)、有發(fā)展前景的苗頭化合物是有指導(dǎo)意義的。4.2配體效率

為了衡量苗頭物或先導(dǎo)物以及優(yōu)化的化合物的質(zhì)量,提出了配體效率(ligandefficiency,LE)概念,以表征化合物的活性效率。配體效率系指配體(苗頭、先導(dǎo)物、優(yōu)化物等)中每個(gè)原子對(duì)結(jié)合能的貢獻(xiàn),在選取先導(dǎo)物和優(yōu)化過(guò)程中是有用的參數(shù)[12]。配體效率整合了Andrews特定的功能基的結(jié)合能貢獻(xiàn)[13]和Kuntz提出的每個(gè)原子實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)合力[14],用以估價(jià)苗頭和先導(dǎo)物與受體結(jié)合的能力。配體效率(LE)的計(jì)算方法首先是將復(fù)合物結(jié)合常數(shù)Kd轉(zhuǎn)換為在溫度300K的結(jié)合的自由能(ΔG)(式1),然后ΔG除以非氫原子數(shù)N非氫原子(式2)。ΔG=-RT·lnKd(1)式中,R為氣體常數(shù),T為絕對(duì)溫度,ΔG單位是kcal·mol-1。每個(gè)原子的自由能貢獻(xiàn)即配體效率用式2表示:LE=ΔG/N非氫原子(2)配體效率將化合物的相對(duì)分子質(zhì)量與其活性強(qiáng)度統(tǒng)一起來(lái),用以比較活性化合物的質(zhì)量,評(píng)價(jià)先導(dǎo)物的成藥性。所以,隨機(jī)篩選應(yīng)選取有較高配體效率的化合物,而相對(duì)分子質(zhì)量低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的化合物往往有較高的配體效率,具有提高活性的潛力[15]。4.3配體效率指導(dǎo)優(yōu)化的實(shí)例

研究蛋白激酶B(PKB)抑制劑,發(fā)現(xiàn)化合物12有弱活性(IC50=80μmol·L-1),但因相對(duì)分子質(zhì)量低,有較高的配體效率(LE=0.47),優(yōu)化結(jié)構(gòu)要求化合物的配體效率保持在0.30以上?；赑KB與化合物12的三維結(jié)合特征,發(fā)現(xiàn)在苯環(huán)對(duì)位的結(jié)合部位有負(fù)性基團(tuán)和較大的腔穴,因而合成了含有堿性基團(tuán)的13和14,增強(qiáng)了活性,雖相對(duì)分子質(zhì)量增大,但仍保持了較高的LE值。加入新的苯環(huán),化合物15和16仍維持了相同的配體效率,最后在新的苯環(huán)上引入鹵素,得到高活性的17和18[16](圖4,表1)。5先導(dǎo)物的優(yōu)化

5.1優(yōu)化的目的

先導(dǎo)化合物的優(yōu)化是將有活性的化合物轉(zhuǎn)化成藥物、將非藥演化成候選藥物的過(guò)程,是通過(guò)藥物化學(xué)方法將臨床對(duì)藥物的要求體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改造中,使藥物的安全性、藥效學(xué)、藥動(dòng)學(xué)、代謝穩(wěn)定性和藥學(xué)(物理化學(xué))等性質(zhì)同步地構(gòu)建于一個(gè)分子之中,所以,優(yōu)化是在多維空間中通往候選藥物的分子操作。在新藥的研發(fā)鏈中越到后面的環(huán)節(jié)價(jià)值的增量越大,此時(shí)如若失敗造成的損失越嚴(yán)重,因此在優(yōu)化階段對(duì)無(wú)成藥前景的化合物要盡早地摒棄,為此,需要用體外或動(dòng)物體內(nèi)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)并模擬對(duì)人體的作用,將試驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)地反饋于新一輪的設(shè)計(jì)與合成中,直至化合物的諸多性質(zhì)達(dá)到最佳匹配。5.2優(yōu)化的內(nèi)容①提高化合物對(duì)靶標(biāo)分子的選擇性或特異性。如果研發(fā)的是作用于雙(或多)靶標(biāo)化合物,不僅對(duì)雙靶標(biāo)有選擇性作用,而且作用強(qiáng)度應(yīng)相近或匹配。要試驗(yàn)對(duì)同源靶蛋白或蛋白亞型是否有作用,由于同源蛋白之間的結(jié)構(gòu)與功能有相似性,往往因選擇性不強(qiáng),導(dǎo)致產(chǎn)生不良反應(yīng);②用細(xì)胞或功能性試驗(yàn)評(píng)價(jià)活性強(qiáng)度。親和力試驗(yàn)不能代表生物功能,對(duì)于高親和力的化合物應(yīng)進(jìn)一步在靶標(biāo)高表達(dá)的細(xì)胞系上試驗(yàn),評(píng)價(jià)活性和功能;③提高化合物的代謝穩(wěn)定性。用克隆的人細(xì)胞色素P450,試驗(yàn)是否是重要CYP亞型的底物、誘導(dǎo)劑或抑制劑。用肝微粒體和肝細(xì)胞溫孵試驗(yàn)評(píng)價(jià)代謝類(lèi)型和速率。代謝穩(wěn)定性對(duì)于保障化合物的活性、避免藥代動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性和降低毒副作用是很重要的;④整體動(dòng)物的藥代動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。對(duì)于有可能成為候選藥物的分子進(jìn)