1、第三章药物分子设计的基本原理和方法设计和发现新药，寻找高效、低毒的新化学实体（NCE） 药物分子设计是新药研发的开端和基础。 人类已经成功研发许多药物，积累了一定的经验和理论。近年的分子生物学和计算机技术的发展，为从分子水平上进行药物设计奠定了基础，不断丰富和发展设计方法。 药物分子设计是通过研究分子（药物小分子和靶点生物大分子）的二维和三维结构，寻找具有药理活性的新化学实体。 药物设计的2个阶段：先导物的发现，先导物的优化。 作用靶点：受体、酶、离子通道及核酸。 借助分子生物学和计算机技术进行 靶点导向的药物设计。第一节:先导化合物的发现及优化方法 先导化合物的获得、结构优化、药效试验和构效
2、关系研究一 先导化合物的获得 1 从天然产物（植物、动物、微生物）中获得（1）从植物中获得 可可树叶中提取的活性成分可卡因-普鲁卡因-利多卡因；鸦片吗啡-左啡诺-喷他佐辛；青蒿素、紫杉醇、丁苯酞。 (2) 从动物中获得 从南美的一种毒蛇的毒液中提取的活性成分替罗普肽-卡托普利。（3）从微生物的代谢物中获得 四大素的发现、降血脂药洛伐他汀等。 2 从内源性物质获得 肾上腺素受体阻滞（拮抗）剂普萘洛尔（降压药）、1受体激动剂沙丁醇胺（治疗哮喘）。 组胺H1受体拮抗剂扑尔敏、息斯敏（抗过敏药）、H2受体拮抗剂西咪替丁、雷尼替丁（治疗胃酸分泌过多） 3 从合成的化合物中发现先导化合物 （1）磺胺药物的
3、发现 染料白浪多息磺胺类抗菌药、降糖药。 （2）合成的中间体 抗结核药-异烟肼，抗癌药安西他宾。 （3）化合物库（制药公司的化合物库，筛选 对新靶点的作用） （4）组合化学与高通量筛选 （5）计算机分子模拟、虚拟筛选。 4 从临床副作用发现先导化合物 由抗结核药异烟肼（服用者兴奋）-异丙烟肼（MAOI，治疗抑郁症）。 抗过敏药异丙嗪（具有外周神经作用）-氯丙嗪（强效安定药）-丙咪嗪（三环类抗抑郁药，5-HT重摄取抑制剂） 5 从药物代谢产物中发现先导化合物 镇静安眠药地西泮代谢物奥沙西泮劳拉西泮、替马西泮。抗抑郁药丙咪嗪地西帕明 二 先导化合物的优化方法 1 分子中环的改造开环 可卡因普鲁卡因
4、。吗啡左啡诺非那左辛、喷他佐辛。阿托品哌替啶（杜冷丁）-美沙酮OONOONCOOMeH2NHONABCDEHONABCEHONRABEHOMeMeR=CH2CH2Ph;CH2CH=CMe2 2 环的引入-增加分子的刚性，提高选择性作用，减少副作用。 诺氟沙星左氟沙星 受体阻滞剂（降压药）-色满卡林（钾离子通道开放剂，降压药）NOCOOHNHNNOCOOHNNOOHNOOHHNOOHNONCOHbata 3 分子中链状部分的改造 将药物分子中的碳链增长或缩短，可以改变活性，甚至改变活性类型 胡椒碱（抗癫痫）-桂皮酰胺化合物（增强了抗癫痫活性，减少了合成的难度。 去甲肾上腺素，R基团改变，活性发生
5、变化。OONH2OXNHOROHHOHNOHRR=H; Me; Et R=-CH2CH2CH3; -CH(CH3)2; -C4H9 4 电子等排体置换 （1）经典电子等排体、生物电子等排体概念 经典电子等排体：a)具有相同的电子数目和相同的电子排列的化合物或基团；它们具有相似的物理性质。如：CO,N2;CO2,N2O。b)H置换规则; 如：CH,N; CH2,O; CH3,F; NH,O; NH2,F; OH,F。C)最外层电子数目相同的原子或基团；如：N，P，As；O，S，Se；Cl，CN；-CH=CH-，-S-。都互称电子等排体。 生物电子等排体：大小、形状、电荷密度相似，产生相同或相反的
6、生物活性的基团或结构片段，均称之为生物电子等排体。 羧基、四氮唑基；磺酸基、磺胺基；苯、吡啶、噻吩、呋喃。（2）电子等排体的应用 例1：降糖药氨磺丁脲和甲磺丁脲。 例2：抗过敏药曲吡那敏、氯苯那敏H2NSNHNHOOOMeSNHNHOOONNNNNCl 例3：尿嘧啶、5-氟尿嘧啶 例4：强心药硫马唑、伊索马唑 HNNHOOHHNNHOOFNNHNMeOMeONHNMeOMeO 5 拼合原理 治疗效果相同的药物拼合在一起。 例1：阿司匹林+扑热息痛=贝诺酯 例2：肼基哒嗪+受体阻滞剂=普齐地洛 例3：氨苄西林+舒巴坦NSHNONH2OOOOONSONNONHOHHNH2N 第二节 药物的潜伏化前
7、药及生物前体 将具有活性的物质（原药）转变成体外无活性或低活性的化合物，进入体内后，经酶促反应或化学作用，转变成原药，发挥药理作用；称之为药物的潜伏化。具有2种方式：前药和生物前体。 与原药相比，前药或生物前体应具有更优良的理化性质或药代动力学性质。 一 前药和生物前体的概念 前药：将原药以共价键的方式，与特定的基团或片段连接，得到的修饰物；在体外无活性；进入体内后，经过酶催化的水解反水解反应应，释放出原药。 生物前体：体外无活性的化学物质，进入体内后，经过酶催化发生氧化、还原或其氧化、还原或其他反应，他反应，转化成具有生物活性的药物。 二 设计前药的方法 1 原药分子中具有-OH、或-COO
8、H，可以转化成酯的形式。 2 原药分子中具有-NH2，可以转化成酰胺、亚胺或曼尼希碱。 3 原药分子中具有-C=O，可转化成缩酮的形式。 三 设计前药的目的或意义 设计前药的目的是改善原药的动力学性质或理化性质。 （1）提高生物利用度 氨苄西林酯化后，转化成匹氨西林；5-氟尿嘧啶转化成酰胺化物。NSHNONH2OOOOOHNNOOROFR= Me; Et; -Ph （2）延长作用时间 氟奋乃静的羟基用癸酸酯化后，肌肉注射，由于脂溶性增大，可缓慢进入到血液中，释放出原药，延长作用时间。NSCF3NNORR=H; R= （3）提高药物的选择性，降低毒副作用 治疗前列腺癌的乙烯雌酚，经磷酸酯化后，可
9、以富集到前列腺部位，提高了作用的选择性。HOOHHO3POOPO3H 多巴胺治疗帕金森症，经酰胺化和酯化后，可以穿越血脑屏障，经水解后，释放多巴胺。OOHNNOOOOOHNNOOO+HOHONH2 （4）提高水溶性 青蒿素口服生物利用度低，经琥珀酸酯化，制成钠盐，增大了水溶性，可注射给药。OOMeOOMeOOMeOMeOCOCH2CH2COONaOO （5）改善不良的物理性质 氯霉素经酯化后，可去除苦味。ORO2NOHNHCOCHCl2R=H; R=-COC15H31 四 生物前体举例 经过体内的氧化或还原反应，转化成活性产物。 舒林酸、6-脱氧阿西洛韦FCOOHMeHSOFCOOHMeHSN
10、NNNH2NCH2OCH2CH2OHNNNNH2NCH2OCH2CH2OHOH 第三节：构效关系和计算机辅助药物设计第三节：构效关系和计算机辅助药物设计 构效关系是药物分子设计与合成的重要研究内容之一；其结果对药物的开发具有重要的指导意义。计算机技术的进步，使定量构效关系研究成为现实，计算机技术在药物分子的设计越来越重要。 药物的分子结构与生物活性的关系，简称为构效关系（Structure-activity relationships） 定量构效关系是新药设计的一种研究方法，可以用于先导化合物的优化，是计算机辅助药物设计的重要内容，包括2DQSAR和3DQSAR。 1868年，A=f(c),A
11、代表生物活性，c代表化合物的结构特征，活性与化合物的结构呈函数关系。 定量构效关系：选择适当数学模型，应用药物分子的理化参数、结构参数和拓扑参数及生物活性，对药物分子化学结构与生物活性间的关系进行定量分析，建立活性与结构的定量关系，建立数学方程式，依据研究的结果，指导药物化学结构的进一步优化。 一 二维定量构效关系Hansch分析法 Hansch分析法认为：药物分子呈现活性是药物小分子与生物大分子相互作用的结果，这种相互作用与分子的各种热力学性质有关，热力学性质具有加和性，Hansch分析法又称为线性自由能相关模型。 1 数学表达式： Log1/C=-a2+b+c+dEs+k或 Log1/C=
12、-alogP2+blogP + c+dEs+k Log1/C代表生物活性参数，或logP代表疏水参数，代表电性参数，Es代表立体特征参数，除电性参数外，其余具有加和性。在Hansch方程的表达式中，有时使用I作为指示变量，是半定量参数，只有1和0两个值。当分子中存在某个特定的取代基时，I值为1，不存在时I值为0，其意义是描述不能用连续变量表达的分子结构特征。 2 参数的物理意义 （1）疏水参数logP 疏水参数代表分子的疏水性能，即脂水分配系数。可由实验方法测得，P为某化合物在达到平衡时，有机相中的浓度与水相中的浓度比值，P=Co/Cw，由于数值较大，多采用logP的形式。有机相通常为正辛醇，
13、能较好的反应体内的运输环境，可用摇瓶法直接测定或HPLC法间接测定。HPLC测定的是化合物的保留时间，数值与摇瓶法的数值线性相关，可进行换算。可由手册或数据库中查询或用专业软件计算。 疏水参数具有加和性，当研究同系物时，可用取代基的疏水参数代替疏水参数，或用加和的方法计算整个化合物的logP。 LogP=Log P-H +x+Fx 其中LogP是整个分子的脂水分配系数对数值，Log P-H为母体化合物脂水分配系数对数值，x为各取代基疏水参数的总合，Fx是各取代基加和时的校正值之和。可以通过查表获得。 （2）电性参数 电性参数可用Hammett常数（芳香化合物的取代基的诱导和共轭效应之和）Taf
14、t常数*（脂肪族化合物的取代基的诱导和共轭效应）或诱导效应参数或共轭效应参数表达，可通过相关手册查到。 另外也可用分子的偶极距、解离常数或IR、UV、NMR、MS等谱学数据作为电性参数。 （3）立体参数 可用取代基的taft Es参数、摩尔折射率、范德华体积或STERIMOL多维立体参数表示。 3 Hansch分析法在药物分子设计中应用 （1）Hansch分析法的基本要求 所设计的化合物应是同源化合物，具有相同的基本母核，作用于同一受体。化合物的物理化学性质差异要大，所选择的参数不能具有相关性，每一个参数都应对活性有直接的影响。化合物的生物活性数据变化幅度应大于一个对数单位（相差10倍）。化合
15、物的数目至少是所选用参数的5倍。 （2） Hansch分析法的操作程序 a)从先导化合物出发，设计并合成首批化合物； b)测定化合物的活性； c)确定或计算化合物及取代基的各种理化参数或常数； d)用计算机程序，求出一个或几个显著相关的方程式。 e)用所得到的方程指导第二批化合物的合成，并预测活性。（3 3）HanschHansch分析法举例分析法举例喹喏酮抗菌药物的优化。 先导物喹啉羧酸，合成71个同源化合物。 活性由最低抑菌浓度（mol/L）表示。 选择11个参数，1-位取代基的STERIMOL长度、6-取代基的Taft立体参数、6、7、8-位取代基疏水参数之和、6、7、8-位取代基诱导参
16、数之和、指示变量I等（当化合物分子中含有哌嗪基时I=1，其余基团为0）。N1OCOOHR8R7R6R12345NOCOOHNFHN 定量方程式： Log 1/MIC = -0.362(Log 1/MIC = -0.362(0.25)(L1)2+3.036(0.25)(L1)2+3.036(2.21)L1- 2.21)L1- 2.499(2.499(0.55)(Es6)2-3.345(0.55)(Es6)2-3.345(0.73)Es6 +0.986 (0.73)Es6 +0.986 (0.24)0.24) I7-0.734(I7-0.734(0.27)I7N-CO -1.023(0.27)I7
17、N-CO -1.023(0.23) (B4(8)20.23) (B4(8)2 +3.742(+3.742(0.92)(B4(8)-0.205(0.92)(B4(8)-0.205(0.05) (6,7,8)2-0.05) (6,7,8)2-0.485(0.485(0.10)6,7,8 -0.681(0.10)6,7,8 -0.681(0.39) 6,7,80.39) 6,7,8 -4.571(-4.571(0.271)0.271) 11 11个参数：个参数：L1L1：1-1-取代基取代基STERIMOLSTERIMOL长度，长度，Es6Es6：6-6-取代基的取代基的TaftTaft立体参数；立
18、体参数；B4B4：分子宽度，：分子宽度，I I：指示变量；：指示变量；6 6，7 7，8 8取代基取代基的疏水参数及电性参数，的疏水参数及电性参数，7-N7-N的诱导参数。的诱导参数。 据此计算出的环丙沙星的Log 1/MIC=6.38;实测值6.63. 4 Hansch分析法的用途及局限性 定量指导先导化合物的优化，用于解释药物作用机理，推测可能的受体模型，研究其他药代动力学的定量关系。 2D-QSAR，只考虑化合物与受体作用的位点，没有考虑化合物与受体结合时的构象变化，没有反映出分子构象和构型对活性的影响。不能定量描述三维结构与生物活性的关系。只能优化先导物。 二二 计算机辅助药物设计（计
19、算机辅助药物设计（CADDCADD） 三维定量构效关系（3D-QSAR）是以药物小分子和生物大分子的三维结构特征为基础，分析并建立起来的结构与活性的定量构效关系，是计算机模拟技术、分子力学、药物化学、生物生理学等学科综合运用的一门技术。 CADD包括基于作用机理的药物设计（Mechanism Based Drug Design）:依据药物的作用机理，从靶点出发，考虑药物与受体的作用过程，模拟药物在体内吸收、转运、代谢等过程，进行药物的分子设计。尽管该种方法合理，但考虑因素过多，不太成熟，目前还没有设计成功的例子。 基于结构的药物设计（Structure Based Drug Design）依据
20、靶点结构或药物分子结构进行的药物设计方法，比较成熟，在药物分子设计中广泛应用。 分为两种方法：直接药物设计和间接药物设计。 1 1 直接药物设计直接药物设计 直接药物设计又称之为全新药物设计。是在作用已知靶点结构的前提下，进行药物设计的一种方法。 在已知的生物大分子（受体）结构的基础上，确定与小分子（药物）的结合位点，依据位点的形状和性质，按照结构互补、适配的原则，构建出小分子的结构。 受体的三维结构可通过X-单晶衍射技术直接获得或多维NMR方法间接获得。用计算机模拟技术研究受体与药物结合部位的性质，如静电场、疏水场、氢键等作用位点的信息，依据结合部位的几何结构和化学特征，运用数据库搜寻的方法
21、，确定结构适配、相互作用的小分子结构。即可用于发现新的先导物，也可用于优化先导物。 受体结合部位的确定及其性质是CADD研究的关键，通常是部分重要的氨基酸残基。 直接药物设计的常用方法：分子对接法（docking）、活性位点分析法（Active Site Analysis ASA）、3 模板定位法 （1）分子对接法（docking），亦称数据库搜寻法。建立大量小分子化合物的三维结构数据库，用商用软件dock程序，将数据库中的小分子与靶点大分子进行对接（docking），通过不断优化小分子的化合物结构，寻找小分子与靶点大分子作用的最佳构象，计算作用能，以此为判据，在三维小分子数据库中搜寻与靶点受
22、体的结合位点作用最强的分子。合成或购买该化合物，进行活性测试。如抗HIV药物沙奎那韦的研发。 （2） 活性位点分析法（Active Site Analysis ASA） 研究靶点大分子作用部位的形状和理化性质，确定与其相互作用的基团或片断，在按照一定的化学原理将各基团或片断连接起来，得到完整分子。另外的一种方法是由相互作用的基团或片断出发，逐渐生成整个分子。进行活性测试。 3 模板定位法 该方法与活性位点分析法相似，首先依据结合位点，确定药效团，确定与受体相互作用的模板分子，通过延伸生长、旋转得到基本骨架，按照靶点空腔的大小，设计出小分子的一级结构，从数据库中搜寻与结合位点相互作用的原子或基团
23、，进行连接，形成二级结构。 2 间接药物设计（Indirect Drug Design） 在作用靶点结构不清楚的情况下，进行计算机辅助药物设计的方法。该种方法是以小分子的结构为基础，从一组小分子化合物的结构和生物活性数据出发，研究结构与活性的定量构效关系，进行药物分子设计。首先确定活性强的小分子的优势构象，以此代替活性构象，推测受体的活性部位形状和作用方式，得到虚拟受体模型，设计新的小分子。 具体方法包括：比较分子场分析法（Comparative Molecular Field Analysis CoMFA） 分子形状分析法（Molecular Shape Analysis，MSA） 、距离几
24、何法（Distance Geometry DG）和 （1）比较分子场分析法（Comparative Molecular Field Analysis CoMFA） 药物小分子与靶点相互作用时，主要是通过静电、疏水和范德华力等非共价键作用，活性的大小与相互作用力场的大小和方向有关。用小分子周围的静电场、范德华力场、氢键场的空间分布作为化合物的结构特征，用计算机程序建立活性与各立场空间分布之间的定量关系，并建立相互作用模型，以此设计并预测活性。 具体操作方法： 对小分子的结构进行优化，确定优势构象，并计算各原子的电荷密度。 按照合理的叠加规则，把重叠的各化合物的优势构象放在一个能包容全部化合物的空
25、间网格中。 依据化合物的分子结构与靶点的作用方式，选择合适的探针，在网格中移动。 探针每移动一个步长，计算其在空间网格上与各原子的相互作用能量，包括立体能和静电能。 将计算出的能量值与实测的活性值建立起定量构效关系。用偏最小二乘法和交叉验证确定立场与活性的QSAR方程。 建立能量等高线。用红、蓝、黄、绿不同的颜色代表。绿色和黄色区域代表立体场与化合物活性的关系，绿色区域代表引入体积较大的基团有利于活性的提高；黄色区域代表引入较小的基团有利于活性的提高。红色和蓝色的区域代表静电对活性的影响，红色区域代表引入负电性基团有利于活性的提高，蓝色区域代表引入正电性基团有利于活性的提高。P59 P59 青
26、蒿素化合物的设计。 （2）分子形状分析法（Molecular Shape Analysis，MSA） 首先确定具有活性的小分子的优势构象，以现有活性最强的小分子的优势构象为模板，进行分子构象叠加，求出分子形状参数L0（重叠长度）、S0（重叠面积）、V0（重叠体积）等，建立活性与参数的定量关系，并据此进行新的小分子设计。 （2）距离几何法（Distance Geometry DG） 构建药物小分子的三维模型，计算优势构象，求出各原子间距离的矩阵（S），用若干矩阵表示整个分子的模型。以活性最高小分子的优势构象，设计一些结合空的结合位点，以活性最低的小分子的优势构象设计一些实的结合位点，以此为矩阵的
27、上下限，进行数据库搜寻。第四章：药物研发程序 药物开发的基本过程 药物分子的设计与合成-临床试验-上市 一 药物分子的设计与合成 该阶段的工作是药物是否开发成功的最重要的阶段，是药物开发的开端。主要的研究内容是：先导化合物的筛选及优化，药理模型的建立及药效试验，毒性的初步试验。 二 临床试验 药物上市之前，要按管理规范进行、和期临床试验。 期临床试验：主要考察药物的安全性药物的安全性、药代动力学药代动力学和服用药物的剂量剂量，不考察药物的治疗效果。 受试者是健康的志愿者，在试验期间，不能服用其他药物、饮酒和咖啡及吸烟。其目的是防止其与药物的相互作用。 首先确定药物的剂量确定最大耐受剂量。 起始
28、剂量为动物试验中出现毒性剂量的1/10。每组剂量用6-12人服用药物，2-4人服用安慰剂，服用药物后，进行药代动力学的研究，确定代谢物，进行安全性评估；逐渐增大剂量，直到观察到副反应的出现，该剂量为最大耐受剂量。以后的试验研究所使用的剂量均要小于最大耐受剂量。 考察药物与食物的相互作用；药物与其他药物的相互作用，对吸收和代谢是否有影响，考察受试药物能否与其他药物合用。 进行药代动力学的研究考察吸收、分布和药物的排泄。 4-8名志愿者，药物要进行同位素标记。如需要，应进行特殊群体的志愿者，如老年人、肾脏和/或肝功能不全者的试验，考察药代动力学。 最后进行生物等效试验。不同剂型的等效试验，如胶囊和
29、片剂。 如毒性比较大的药物，需要对患病的志愿者进行试验，如抗艾滋病和癌症的药物。 期临床试验需时一年，100-200名志愿者，许0.25-0.3亿美元。 期临床试验-评估药物的治疗价值、考察药代动力学和短期安全性。可分为前期期临床试验和后期期临床试验，大约需要2年。 前期期临床试验需要限量的患者，考察治疗效果和副作用；如果存在明显的副作用，终止临床试验。 后期期临床试验需要大量的患者，进行双盲、安慰剂对照试验；考察不同剂量和给药方式的治疗效果。每组需要20-80名志愿者。 救护性治疗：哮喘病患者、癌症和艾滋病患者，对照药需采用传统药物。 临床试验-进一步考察药物的治疗效果和药物的安全性。 试验
30、的方案与期临床试相似，进行双盲、对照试验，但服用的剂量固定。可分为前期期临床试验和后期期临床试验，大约需要3年。前期期临床试验在注册申请之前，后期期临床试验在获得批准之前进行。如果临床试验效果良好，继续进行长期安全性和副作用的试验，包括与其他药物相互作用的研究。 临床试验-药物上市后的跟踪及反馈，观察是否有不常见的副作用和没有预测到的副反应出现。考察特殊群体的治疗效果。 一般来说，在药物设计阶段合成的10000个化合物中，500个进入动物试验，10个进入期临床试验，最终1个药物上市。1987年，1个新药的平均研发费用是11.4亿美元。 三 合成工艺研究和质量控制 合成工艺研究贯穿整个的药物研发过程，确定最优工艺路线，优化工艺条件，减少环境污染，降低生产成本。 是Me-To药物和现有药物的主要研究内容。 药物质量控制也是药物合成必须考虑的内容。
