药物设计课件.ppt

1、2022年3月21日星期一1药物设计中国科学院上海药物研究所中国科学院上海药物研究所2022年3月21日星期一2Drug Discovery and Development 2-3 years3-4 years New drug discovery is one of the most exciting and stimulating challenges.Random Screen 10, 000 20, 000 compoundsLead CompoundsAnd OptimizationDrug CandidatesPre-clinical Studyclinical Study(pha

2、se I, II, III)Market2-3 years2-3 yearsnHow long: 10-12 yearsnHow much: US$250-350 million, 20% increase per yearnWhat result: 1 of 7 new drugs can recover the investment and get profit?2022年3月21日星期一3人们的理想梦想能否设计药物？理论化学计算机和信息科学分子生物学药物设计2022年3月21日星期一4锁钥原理 药物设计中最基本的原理 是 “ 锁 钥 原 理 ”（ Emil Fischer，1894年），

3、即药物在体内与特定的靶标作用，并引起靶标分子的结构和功能的变化KEYLOCK2022年3月21日星期一5药物设计方法 间接药物设计基于药物小分子结构 2D-QSAR 3D-QSAR 药效基团模型方法 直接药物设计基于受体生物大分子结构 从头设计方法 数据库搜寻2022年3月21日星期一6 Hansch分析（1962）Hansch分析实际上是性质性质关系模型定量构效关系 现代药物设计的尝试是由定量构效关系研究开始的kdEcbaCs2/1logkdEcPbPaCs2)(loglog/1log2022年3月21日星期一7三维定量构效关系 一般采用化合物周围的静电场、范德华力场、氢键场和疏水场的空间分

4、布作为化合物结构描述变量 Distance Geometry（GM Crippen, 1979） CoMFA（RD Cramer III, 1988） CoMSIA（ Gerhard Klebe 1994）2022年3月21日星期一8CoMFA COEFFICIENT CONTOUR MAPSREGRESSION EQUATIONBio = y + aS001 + bS002 + . +mS998 + nE001 + .+ zEmPLSQSAR TABLELATTICE6.85.1EmS002S001BioCpdnCpd2Cpd1+CoMFA方法2022年3月21日星期一9OOOOOOOOHM

5、eOHHOHtBu12345678910111213141516171819 20 21 222324252627282930)(, ,Stetic FieldElectrostatic FieldHydrophobicity Field银杏内酯类似物银杏内酯类似物2022年3月21日星期一10CompoundsRIC50 ( M)Ginkgolide B0.128New 1PhCH2OCH2-0.0404New 2aPhCH2OCH2-0.0588New 2bp-ClC6H5CH2-0.0289OOOOOOOROMeOHHOHtBu12345678910111213141516171819

6、20 21 222324252627282930)(, ,OOOOOOOOHMeOHHROtBu12345678910111213141516171819 20 21 222324252627282930)(, ,New 1New 2Chen JZ, Hu LH, Jiang HL, Gu JD, Zhu WL, Chen ZL, Chen KX, Ji RY. A 3D-QSAR study on ginkgolides and their analogues with comparative molecular field analysis. Bioorg Med Chem Lett 19

7、98 Jun 2;8(11):1291-6 2022年3月21日星期一11一个一个QSARQSAR研究成功的例子是治疗早老性痴呆症研究成功的例子是治疗早老性痴呆症(AD)(AD)药物药物E2020(donepezil,2)E2020(donepezil,2)的开发的开发1414，商品名为，商品名为AriceptAricept 。CardozoCardozo等等15,1615,16通过对一系列二氢茚酮和苄基哌啶类化通过对一系列二氢茚酮和苄基哌啶类化合物进行了合物进行了构象分析构象分析、分子形状比较分子形状比较和和QSARQSAR研究，获得研究，获得了一系列对乙酰胆碱酯酶了一系列对乙酰胆碱酯酶(A

8、ChE(AChE) )有较高活性的二氢茚酮有较高活性的二氢茚酮苄基哌啶类化合物，经过进一步的药理和临床前研究，苄基哌啶类化合物，经过进一步的药理和临床前研究，选定化合物选定化合物E2020E2020进入临床研究获得成功。最后进入临床研究获得成功。最后E2020E2020由由日本日本EisaiEisai公司开发，公司开发，19961996年通过美国食品与药品管理年通过美国食品与药品管理局局(FDA)(FDA)批准上市，是目前用于治疗批准上市，是目前用于治疗ADAD效果较好的药物效果较好的药物之一之一OOONE20202022年3月21日星期一12药效基团模型方法 药效基团通常是那些可以与受体结合

9、位点形成氢键、静电相互作用、范德华相互作用、或疏水相互作用的原子或官能团。N2.95 - 3.95 3.48 - 4.48 5.88 - 6.88 2022年3月21日星期一13ABCd1d2d3ABCd1d2d3ABCd1d2d3Molecular ModelingConformational AnalysisQSAR/3D-QSAR3D-PharmacophoreQuery Structure 3D-Databases ACD-3D & CSD3D-Structural SearchUNITY, ISIS-3D ABCd1d2d3Lead CandidatesPharmacological

10、 ScreenStructural ModificationDrug Candidates for Pre-clinic TestABCd1d2d3ReceptorBiophaseABCABCPharmacophore Mapping2022年3月21日星期一14基于结构的药物设计(1982年) 根据靶标生物大分子的结构，设计能与其结合的小分子化合物 从头药物设计从头药物设计（de novo drug design） 数据库搜寻数据库搜寻（分子对接，Docking）2022年3月21日星期一15从头药物设计 碎片连接法 碎片生长法2022年3月21日星期一16碎片连接法ONH4+ONH4+20

11、22年3月21日星期一17碎片生长法1234NH4+5NH4+6ONH4+2022年3月21日星期一18数据库搜寻（分子对接） 第一个基于结构的药物设计程序DOCK由加州大学旧金山分校的ID Kuntz 小组（1982）开发2022年3月21日星期一192022年3月21日星期一20药物设计成功的例子 4个已上市的HIV-1蛋白酶抑制剂类药物的研制过程中，计算机辅助药物设计起了重要作用 2个凝血酶抑制剂已进入临床研究 抗感冒药物（神经氨酸酶抑制剂）即将上市 治疗青光眼疾病的药物（碳酸酐酶抑制剂）上市 治疗糖尿病药物（醛糖还原酶抑制剂）上市2022年3月21日星期一21HIV-1 蛋白酶晶体结构

12、活性位点HIV-1蛋白酶抑制剂设计蛋白酶抑制剂设计2022年3月21日星期一22第一个被批准的HIV-1蛋白酶药物：Saquinavir（沙奎那韦 ）HIV-1PR切断Tyr-Pro、Phe-Pro的酰胺键哺乳类动物多肽内切酶设计底物模拟物抑制剂所需的最短长度抑制剂中心带羟基的碳原子倾向于R构型Saquinavir Ki=0.12nM 1995年被FDA批准上市2022年3月21日星期一23Ritonavir（利托那韦 ）HIV-1 PR具有C2对称性哺乳类动物的蛋白酶的结合位点的对称性较差设计对称性抑制剂以不对称的结合方式与 HIV-1 PR 结合对哺乳动物的蛋白酶有意料不到的抑制作用抑制剂

13、末端对口服生物利用度的影响设计不对称抑制剂Ritonavir1996年被FDA批准上市2022年3月21日星期一24Indinavir（茚地那韦 ） 天冬氨酸蛋白酶抑制剂结构特征能与具有催化活性的天冬氨酸中的羰基形成氢键的羟基二肽模拟物结构羟基乙烯等排物结构Ki=0.52nM，并且对哺乳动物的蛋白酶不显示抑制作用。于1996年被FDA批准上市2022年3月21日星期一25取代结构水的抑制剂2022年3月21日星期一26结构水Ile50 和 Ile50抑制剂氢键氢键整合到新的抑制剂中药效基团搜寻含苯环的化合物难于放置取代基七元环化合物准备进入临床2022年3月21日星期一272022年3月21日

14、星期一282022年3月21日星期一29 基于HIV-1衣壳蛋白(Capsid Protein)与Cyclophilin A作用机理寻找新的抗HIV病毒抑制剂CapsidCypAPVHAGPIAPDav-HAGPI-Bn2022年3月21日星期一30抗癌药物 胸苷酸合成酶胸苷酸合成酶OHH3COSO3OOOOHHO复合物晶体结构分子对接IC50为7m已知药物2022年3月21日星期一31抗寄生虫药物-疟原虫半胱氨酸蛋白酶抑制剂结构改造药理测试分子对接同源模建NNHHNNOHOOHONNHOHOOHONOOOH10MIC50=150nM新型新型PPAR (过氧化物增殖活化因子受体过氧化物增殖活化

15、因子受体)-激动剂的发现激动剂的发现 实例实例1 1抗抗IIII型糖尿病药物型糖尿病药物NR1NR2LBDDBD/配体配体配体配体AGGTCA n AGGTCADR1DR153核受体分子模型核受体分子模型NR:核受体NR1=NR2: 同型二聚NR1NR2:异型二聚Nature 395,137-143(1998)核受体配体结合区的三种不同构象状态 H12通过构象变化发挥了关键性作用通过构象变化发挥了关键性作用-52-48-44-40-365.56.06.57.07.58.08.5-44-42-40-38-36-346.57.07.58.08.59.0A Experimental Activiti

16、esChemScoresB Experimental ActivitiesChemScores构建虚拟筛选模型构建虚拟筛选模型大规模虚拟筛选大规模虚拟筛选 Number of Compound2.4million10,000600300150Drug Like Expert SelectDeep VSInitial VS76Experiment数据库数据库分子对接分子对接Biacore 3000测试结合活性测试结合活性Compounds testedHits with Ki(M)10-410-510-610-71427652239Hit Rate (%)53.5236.6216.206.34经

17、虚拟筛选得到的候选分子再经实验筛选经虚拟筛选得到的候选分子再经实验筛选PPAR100M687655 10M16526 1M1231罗格列酮 0.3 M碎片拆分碎片拆分76 活性化合物活性化合物 + 已知配体已知配体100 碎片碎片100 碎片碎片50 碎片碎片虚拟库设计虚拟库设计100X100X50 化合物化合物虚拟筛选和类药性分析虚拟筛选和类药性分析有机合成和生物测试有机合成和生物测试40 候选化合物候选化合物, Ki 1 M DC041015 Ki=6.5nM2022年3月21日星期一41分子对接分子对接活性部位活性部位外周结合部位外周结合部位链接链接 -13.4 -19.0 -20.9

18、0.0新化合物新化合物实例实例2 2乙酰胆碱酯酶抑制剂的设计乙酰胆碱酯酶抑制剂的设计2022年3月21日星期一42结构测定结构测定药物设计药物设计有机合成有机合成药理研究药理研究抑制剂抑制剂IC50第一第一循环循环第二第二循环循环第三第三循环循环100 M7 M14 nM9 nM新药发现新药发现2022年3月21日星期一43基于作用机理的药物设计 基于结构的药物设计方法仅仅考虑了化合物与受体生物大分子之间的相互结合，未考虑其他作用 而一个好的药物还应该具有 良好的输运、分布性质 良好的代谢性质 必须考虑基于作用机理的药物设计2022年3月21日星期一44NNNN药物代谢药物与受体的相互作用药物

19、输运药物与受体的动态结合过程基于作用机理的药物设计2022年3月21日星期一45复杂生物大分子计算2022年3月21日星期一46 计算方法的发展计算方法的发展 超级计算机（美国蓝色基因超级计算机（美国蓝色基因(Blue Gene)计计划）划） 量子化学计算方法目前可以计算量子化学计算方法目前可以计算1000个原个原子组成的蛋白质分子子组成的蛋白质分子2022年3月21日星期一47O(N)O(N3) or higher ijijijijcoreijijFHE)(21线性标度量子化学计算方法生物大分子计算的有力武器分而歼之分而歼之(Divide-and-Conquer)孙子兵法孙子兵法2022年3

20、月21日星期一48 IBM 10亿美元 1000万亿次/每秒 “蓝色基因” 专门用于深入研究蛋白质的结构和功能关系、寻找疾病的成因和可能的疗法、研制新药和阐明细菌及病毒的抗药性等。2022年3月21日星期一49NIH万亿次计算时代的分子生物医药 蛋白质蛋白质蛋白质和蛋白质蛋白质和蛋白质核酸的识别和组装核酸的识别和组装老年性痴呆症，转录因子的功能老年性痴呆症，转录因子的功能 大系统，整个功能单元大系统，整个功能单元 膜蛋白，信号传导，膜蛋白，信号传导， 代谢途径，代谢途径， 病毒衣壳蛋白，疾病的药物的作用机理病毒衣壳蛋白，疾病的药物的作用机理 长时间（微妙）分子动力学模拟长时间（微妙）分子动力学

21、模拟构象变化，构象变化， 蛋白质折叠，离子在通道中的传输蛋白质折叠，离子在通道中的传输 大规模量子化学计算大规模量子化学计算 培养新一代计算化学家和计算生物学家培养新一代计算化学家和计算生物学家2022年3月21日星期一50分子动力学分子动力学(MD)(MD)F tm a tr ttiiii( )( )( ) 22, i=1,2,.N (N=number of atoms).,(, 21niirrrVrF2022年3月21日星期一51分子动力学(MD) 利用运动方程计算系统的性质 静态性质 动态性质 模拟 化学反应 蛋白质折叠、去折叠 配体与受体的结合2022年3月21日星期一522022年3

22、月21日星期一53布朗动力学SF TktDBr = 0tD22S2022年3月21日星期一542022年3月21日星期一552022年3月21日星期一56生物大分子三维结构模建生物大分子三维结构模建2022年3月21日星期一57预测蛋白质三维结构的主要计算方法 同源模建法(homology) 根据蛋白质一级序列的相似性预测蛋白质的三维结构 穿针引线法(threading) 根据蛋白质序列与某已知结构的相容性预测蛋白质三维结构 从头预测法(ab initio) 从氨基酸序列以及氨基酸在水溶液中的物化性质来推测蛋白质结构2022年3月21日星期一58FKKIKVLGSGAFGTVYKGLWIPEG

23、EKVKIPVAIKELREATSPKANKEILDEAYVMASVDNPHVCRLLGICLTSTVQLITQLMPFGCLLDYVREHKDNIGSQYLLNWCVQIAKGMNYLEDRRLVHRDLAARNVLVKTPQHVKITDFGLAKLLGAEEKEYHAEGGKVPIKWMALESILHRIYTHQSDVWSYGVTVWELMTFGSKPYDGIPASEISSILEKGERLPQPPICTIDVYMIMVKCWMIDADSRPKFRELIIEFSKMARD蛋白质结构预测三维结构序列2022年3月21日星期一59药物靶标生物大分子三维结构模建 生物大分子的三维结构是药物设计的重

24、要基础 采用同源模建方法建立了一批药物作用靶标生物大分子的三维结构 阿片-, -和k-受体； 多巴胺D1和D2受体； 人体乙酰胆碱酯酶和丁酰胆碱酯酶； 钾离子通道的孔区结构等2022年3月21日星期一60432CHCH2NR1R2OCH2CH3H+Modeling of Fentanyl Analogs Binding to Opioid Receptor1. R1=R2=H2. R1=CH3, R2=H3. R1=CH3, R2=OHComoundsRelative analgesic potencymorphine1cis-3-MF1300(+)-(3R,4S,2 S)-OMF16,000

25、(-)-(3S, 4R, 2 S)-OMFNo activity2022年3月21日星期一61Tang Y, Chen KX, Jiang HL, Wang ZX, Ji RY, Chi ZQ. Molecular modeling of mu opioid receptor and its interaction with ohmefentanyl. Chung Kuo Yao Li Hsueh Pao 1996 Mar;17(2):156-60 2022年3月21日星期一62NNOOHCH3HHydrogen-BondInteractionSer329Tyr148Leu200Ile144T

26、rp192Asp147Tyr326His297Electrostatic Interaction- InteractionHydrogen-Bondand ElectrostaticInteractionHydrophobicInteraction- Interaction2022年3月21日星期一637.08.09.010.011.012.0-160 -150 -140 -130 -120 -110 -100EbindBinding affinity4.05.06.07.08.09.0-160-150-140-130-120-110-100Ebind-logED50Correlation b

27、etween binding energies (Ebinds) (kcal/mol) and binding affinities, pKis (square points and dashed line) and pKs (cyclic points and solid line).Correlation between binding energies (Ebind) (kcal/mol) and analgesic activities (-logED50).pKi = -1.846-0.08771Ebind (n=7, r=0.901, r2=0.812, F=21.548, s=0

28、.834) PK=2.288 -0.06147Ebind (n=8, r =0.883, r2=0.780, F=21.277, s=0.574) -logED50 = -3.101-0.0800Ebind (n=13, r=0.893, r2=0.797, F=43.228, s=0.568) Xu H, Lu YF, Partilla JS, Zheng QX, Wang JB, Brine GA, Carroll FI, Rice KC, Chen KX, Chi ZQ, Rothman RB. Opioid peptide receptor studies, 11: involveme

29、nt of Tyr148, Trp318 and His319 of the rat mu-opioid receptor in binding of mu-selective ligands. Synapse 1999 Apr;32(1):23-8. Clinical Psychopharmacology Section, Division of Intramural Research, NIDA, NIH, PO, Baltimore, Maryland 21224, USA. 2022年3月21日星期一64药物研究的发展趋势药物研究的发展趋势2022年3月21日星期一65人类基因组学人类

30、基因组学重要疾病致病基因序列重要疾病致病基因序列由其编码的蛋白产物由其编码的蛋白产物蛋白质的结构蛋白质的结构 蛋白质的功能蛋白质的功能药物设计药物设计人类基因组学与药物设计2022年3月21日星期一66Patho-GeneCoded ProteinsFolding PredicationF u n c t i o n a l MappingS i m i l a r t o Known ProteinsNovel ProteinsStructural GenomicsMarcotte EM. Detecting Protein Function and protein-Protein Inte

31、ractions from Genome Sequences. Science 1999, 385: 751-3.Drug Design SBDD and/or MBDD2022年3月21日星期一6717 MARCH 2000 VOL 287 SCIENCE, 1960DNA 2%核受体 2 %离子通道 5 %未知 7 %激素和细胞因子 1 1 %酶 28%受体 4 5%治疗药物的作用靶点总数4832022年3月21日星期一68潜在的药物作用新靶点潜在的药物作用新靶点离子通道离子通道G G蛋白偶联蛋白偶联受体受体酶酶核受体核受体2022年3月21日星期一69本世纪初，人类基因组研究计划取得了重

32、大成就。一大批本世纪初，人类基因组研究计划取得了重大成就。一大批疾病相关基因、病原体基因被发现，其功能研究取得重要疾病相关基因、病原体基因被发现，其功能研究取得重要进展，为药物研究开创了前所未有的机遇。各国科学界和进展，为药物研究开创了前所未有的机遇。各国科学界和企业界抓住机遇，竞相开展企业界抓住机遇，竞相开展从基因功能到药物从基因功能到药物的研究。的研究。基因组研究开启了药物研究的新时代基因组研究开启了药物研究的新时代! !1900-2003500靶标靶标6000种药物种药物基因组基因组蛋白质组蛋白质组基因和蛋基因和蛋白质芯片白质芯片1990-20035000靶标靶标2000-20102-3

33、万种新药万种新药2000-2030( ( TRENDS in Pharmacological Sciences TRENDS in Pharmacological Sciences ) )2022年3月21日星期一70新先新先导化导化合物合物10001000多个多个高血压相高血压相关基因关基因药敏药敏主要主要调控调控蛋白蛋白新的新的ACE-2ACE-2抑抑制剂制剂洛克菲勒大学洛克菲勒大学NovartisBcr-Abl基因基因STI571Millennium创新药物的创新药物的 研究思路研究思路、研究方向研究方向、技术路线技术路线 都发生了都发生了深刻变化。形成了深刻变化。形成了“从基因到药物从

34、基因到药物”的崭新研究模式。的崭新研究模式。2022年3月21日星期一71Combinatorial Library DesignR2R1R1R2R2R1R2R1R2R1R2R12022年3月21日星期一72ChemicalsACDDockVirtual LibraryScaffold SelectionAddition AgentsAddition AgentsmkjkikijFFPFFPMS12nMSMSnjiji1nMSMDnii1|Tanimoto2mol1mol2mol1mol2mol1molFPFPFPFPFPFPnMSMDnii12022年3月21日星期一73.氢键静电疏水疏水氢

35、键静电静电氢键疏水组合空间组合空间超网格划分MDDR基团碎片库集中库连接遗传算法评价分子对接Focus Library Design2022年3月21日星期一74靶标结构库靶标结构库小分子数据库小分子数据库结合自由能精确计算结合自由能精确计算分子动力学模拟分子动力学模拟NNNR1R2虚拟组合库虚拟组合库2千万千万有机分子有机分子7000 药物药物500靶标靶标1000靶标靶标2030k 药物药物?先导化合物的宝藏先导化合物的宝藏10%为什么需要虚拟筛选为什么需要虚拟筛选? ?T. N. Doman, et al., J. Med. Chem., 2002, 45: 2213-21虚拟筛选与虚拟

36、筛选与高通量筛选对比高通量筛选对比Doman等等14以以II型糖尿病的靶点型糖尿病的靶点蛋白酪氨酸磷酸酯酶蛋白酪氨酸磷酸酯酶1B（PTP1B）抑制剂的发现为例，比较了高通量筛选和虚拟筛选方法，其结果列于图。抑制剂的发现为例，比较了高通量筛选和虚拟筛选方法，其结果列于图。从中可以看到，经过虚拟筛选后再进行生物学测试，其从中可以看到，经过虚拟筛选后再进行生物学测试，其“命中率命中率”比随机比随机的高通量筛选提高了的高通量筛选提高了1,700倍。倍。2022年3月21日星期一77理论化学理论化学分子模拟分子模拟药物化学药物化学化学合成化学合成分子生物学分子生物学结构生物学结构生物学细胞生物学细胞生物学药理学药理学基因组学、基因组学、生物信息学生物信息学数学、物理数学、物理计算机科学计算机科学药物设计学2022年3月21日星期一78in silicoin vitroin vivoComputer ScienceChemistryBiology展望谢谢大家