药物分子设计的策略(全)

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( hit to lead)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。 •
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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30 min; 静脉注射的清除率( clearance)低于35 mL/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 ]。
• 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;
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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。
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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1 µmol·L - 1 (酶) ～ 0.1 µmol·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。
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由苗头演化成先导物还可用骨架迁越( scaffold hopping)的方法,例如由全反式维甲酸(8, 可视作苗头物)经芳维甲( arotinoid acid, 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 ] 。
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。
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• 式中, R 为气体常数, T为绝对温度, ∆G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 =∆G /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 ] 。 •
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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c log P或分布系数log D 0～3.0, 确保被优化的分子的溶解性和分配性低限[ 8 ] 。
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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( ligand efficiency, 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(∆G) (式1) ,然后∆G除以非氢原子 数N非氢原子(式2) 。 ∆G = - RT·lnKd (1)
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 新药创制的过程和知识价值链: 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( drug candidate) ;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。
• ⑥ 改善溶解性和化学稳定性。 • 在分子的非药效团部位引入溶解性基团, 消除化学不稳定原子或基团。根据药物的 作用部位调节化合物的脂-水分配性。
• ⑦提高安全性。 • 在高于药理有效浓度(或剂量)下试验化 合物的不良反应或毒性,确保候选药物的安 全性。进行细胞毒试验和对心肌hERG钾通 道抑制试验等。
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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log P 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。
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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 = 80 µmol·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) 。
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。
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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 ] 。 •
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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。
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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;
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。
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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。
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先导物的质量判断与保障
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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 ] 。 [
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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( frovatrip tan, 7) (图2) ,临床用于治疗偏 头疼[ 3 ] 。
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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, clog P值低于3,概括为“片段3规则( rule of three) ”。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。
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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。
• 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行初 步药代动力学试验,用大鼠或犬评价口服生 物利用度, 化合物在血浆中浓度和时间的关 系(Cmax , Tmax , AUC等) ,消除半衰期和 清除率等;
• ⑤运用药物化学知识指导优化设计。 • 整合各种生物学方法的试验结果,达到对 药效强度和选择性、药代(ADME)的合理配 置,以判断受试化合物是否在一定的时间内 在作用部位达到足够的药物浓度,确保产生 药效作用;