1、大家好大家好2 第十一章第十一章 基于片断的药物设计基于片断的药物设计Fragment-based drug discoveryFBDD3学习要求：学习要求：掌握：掌握：基于片段药物设计的基本思路；基于片段药物设计的优基于片段药物设计的基本思路；基于片段药物设计的优 点；片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。点；片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。熟悉：熟悉：磁共振检测技术的分类和原理；磁共振检测技术的分类和原理；SAR-by-NMR的原理的原理 和应用；和应用；Tether和二次和二次Tether技术的原理；结晶筛选技术的原理；结晶筛选 的研究流程。的研究流程。了解：了解：基于
2、片段药物设计的发展历史；基于片段药物设计与高基于片段药物设计的发展历史；基于片段药物设计与高 通量筛选的比较；基于片段药物设计的成功实例。通量筛选的比较；基于片段药物设计的成功实例。4From Leach AR,Hann MM,Burrows JN et al.Fragment screening:an introduction.Mol.BioSyst.,2006,2:429-446对靶标认识水平不同的药物分子设计对靶标认识水平不同的药物分子设计有蛋白质晶体结构只有药效团特征只有相关蛋白质组什么都不知道基于结构的设计基于药效团的设计有目标的化合物库多样性化合物库对靶标的认识程度化合物的多样性5
3、苗头和先导物的发现途径苗头和先导物的发现途径 天然活性物质天然活性物质 基于结构的分子设计基于结构的分子设计 随机筛选随机筛选 虚拟筛选虚拟筛选6问题的出现问题的出现 以靶标为核心的新药研发，切入点是用体外方法评价以靶标为核心的新药研发，切入点是用体外方法评价活性。活性。苗头化合物苗头化合物(hit)多以活性强度为衡量标准。多以活性强度为衡量标准。hit-to-lead和先导物优化，大都加入或变换基团，以增加与靶标和先导物优化，大都加入或变换基团，以增加与靶标结合的机会和强度。结合的机会和强度。7 一般一般“不敢不敢”去除基团或片断，以免丢失参与结合的去除基团或片断，以免丢失参与结合的原子或基
4、团原子或基团(即药效团即药效团)。高通量筛选的化合物过于高通量筛选的化合物过于“成熟成熟”，留给后续的结构，留给后续的结构变换的余地小，导致投入变换的余地小，导致投入-产出比低。产出比低。8基于片段分子设计的优点基于片段分子设计的优点(高通量筛选的不足高通量筛选的不足)发现苗头的概率很低。理论计算，含有发现苗头的概率很低。理论计算，含有30个个C、N、O、S原子的化合物有原子的化合物有1060种，而高通量筛选的化合物数即种，而高通量筛选的化合物数即使以百万计使以百万计(106)，筛选也只占很少部分。，筛选也只占很少部分。化合物分子量比较大，亲脂性强，优化成药的难度大。化合物分子量比较大，亲脂性
5、强，优化成药的难度大。组合化学库尤甚。组合化学库尤甚。1.可以探索更为广阔的空间可以探索更为广阔的空间9 片段分子，符合三规则的片段数目的片段分子，符合三规则的片段数目的分子量分子量160的的含上述原子化合物数为含上述原子化合物数为107，筛选的分子（片段库）为，筛选的分子（片段库）为103104 个。发现苗头的几率高。个。发现苗头的几率高。公司之间的化合物的结构类型相似，筛选靶标相同，公司之间的化合物的结构类型相似，筛选靶标相同，易有知识产权之纠葛。易有知识产权之纠葛。102.命中率高命中率高 片段分子具有体积小和复杂程度低的特征，理论上更片段分子具有体积小和复杂程度低的特征，理论上更加容易
6、与药靶结合，加上片段筛选技术的灵敏度高，因此加容易与药靶结合，加上片段筛选技术的灵敏度高，因此具有比较高的筛选命中率。具有比较高的筛选命中率。11 基于片段筛选的命中率是高通量筛选的基于片段筛选的命中率是高通量筛选的10-1000倍。倍。从筛选的质量上看，高通量筛选所得到的活性化合物虽然从筛选的质量上看，高通量筛选所得到的活性化合物虽然可能和药靶具有比较高的亲和力，但是当具体到分子中各可能和药靶具有比较高的亲和力，但是当具体到分子中各个子结构，他们很难与对应的药靶活性位点区域有最佳的个子结构，他们很难与对应的药靶活性位点区域有最佳的结合。结合。分子量比较低的片段分子相对比较容易能和药靶局部分子
7、量比较低的片段分子相对比较容易能和药靶局部区域形成较好的匹配。区域形成较好的匹配。1201002003004005006007001 mM100 M 1M 10 nM 1 nM药物药物HTS苗头物苗头物药物候选物药物候选物片断化合物片断化合物药效强度相对分子质量Rees et al.,Nature Rev.Drug Disc.2004上市的口服药物平均分子量为上市的口服药物平均分子量为340。处于处于 I 期临床试验的候选药物，分期临床试验的候选药物，分子子 量小于量小于400的成功率为的成功率为50%，分子量加大，成功率降低。分子量加大，成功率降低。Fragment Rule of 3 MW
8、 300#H-Bond Donor=3#H-Bond Acceptors=3cLogP=3#Rotatable bonds=33.发现新药的可行性高发现新药的可行性高13 高通量筛选所得化合物的分子量范围一般在高通量筛选所得化合物的分子量范围一般在250-600之间，高通量筛选活性一般在微摩尔级，而药物分子的分之间，高通量筛选活性一般在微摩尔级，而药物分子的分子量范围一般在子量范围一般在300-500之间，活性一般为一至数十个钠之间，活性一般为一至数十个钠摩尔。如果将高通量筛选所得活性化合物优化为候选新药，摩尔。如果将高通量筛选所得活性化合物优化为候选新药，既要在活性方面有较大幅度的提高，而分
9、子量又不能有过既要在活性方面有较大幅度的提高，而分子量又不能有过大的跳跃，难度显然比较大。大的跳跃，难度显然比较大。14 而片段的分子量范围在而片段的分子量范围在120-250，活性一般在钠摩尔，活性一般在钠摩尔至微摩尔级，在片段优化至候选药物的优化过程中，分子至微摩尔级，在片段优化至候选药物的优化过程中，分子量和生物活性呈线性增长关系，更加符合新药发现的一般量和生物活性呈线性增长关系，更加符合新药发现的一般规律，可行性也强。规律，可行性也强。15高通量筛选高通量筛选16 高通量筛选高通量筛选(High throughput screening，HTS)技术技术是指以分子水平和细胞水平的实验方
10、法为基础，以微板形是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机分析以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机分析处理实验数据，在同一时间检测数以千万的样品，并以得处理实验数据，在同一时间检测数以千万的样品，并以得到的相应数据库支持运转的技术体系；到的相应数据库支持运转的技术体系；17 HTS具有微量、快速、灵敏和准确等特点。简言之就具有微量、快速、灵敏和准确等特点。简言之就是可以通过一次实验获得大量的信息，并从中找到有价值是可以通过一次实验
11、获得大量的信息，并从中找到有价值的信息。的信息。18片片 断断 及及 其其 特特 征征 片断是比类药分子小的化合物，分子量或非氢原子片断是比类药分子小的化合物，分子量或非氢原子数低于类药性化合物。数低于类药性化合物。化学结构比类药分子简单。化学结构比类药分子简单。片断应易溶于水，因需要高浓度试液方呈现与靶标的片断应易溶于水，因需要高浓度试液方呈现与靶标的结合信号。结合信号。结构上有可以延伸的位置、原子或基团。结构上有可以延伸的位置、原子或基团。19基于片断分子设计的研究方法基于片断分子设计的研究方法 一般来说，基于片段分子的设计研究可以分为三一般来说，基于片段分子的设计研究可以分为三个阶段：片
12、段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于个阶段：片段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于片段构建新分子。片段构建新分子。201.片段库的建立：片段库的建立：需要考虑三个因素：库容量、化学结构多样性和类药需要考虑三个因素：库容量、化学结构多样性和类药性，类药性符合三规则。性，类药性符合三规则。21Fragment Rule of 3 MW 300#H-Bond Donor=3#H-Bond Acceptors=3cLogP=3（#Rotatable bonds=3）222.片段库的筛选：片段库的筛选：筛选和识别与靶蛋白弱结合的活性片段筛选和识别与靶蛋白弱结合的活性片段3.结构信息的确定结构信息
13、的确定 磁共振、质谱和磁共振、质谱和X-射线单晶衍射技术都能直接或射线单晶衍射技术都能直接或者间接地进行结构信息的测者间接地进行结构信息的测定。定。4.基于片段构建新分子基于片段构建新分子2324由苗头物发展成先导物的性质变化由苗头物发展成先导物的性质变化参数参数 苗头物均值苗头物均值 先导物均值先导物均值 增量增量分子量分子量 174.1 382.8 207.7氢键给体氢键给体 1.7 1.7 0氢键接受体氢键接受体 2.9 5.6 2.7非氢原子数非氢原子数 12.8 28.5 15.7增量大增量大25由先导物发展成药物的性质变化由先导物发展成药物的性质变化参数参数 先导物均值先导物均值
14、成药后均值成药后均值 增量增量分子量分子量 272.0 314.0 42.0氢键给体氢键给体 0.8 0.8 0氢键接受体氢键接受体 2.2 2.5 0.3Clog P 1.9 2.4 0.5非氢原子数非氢原子数 19 22 3增量小增量小26FBDD的背景的背景1 Andrews分析了分析了200个药物和抑制剂的结合常数与结个药物和抑制剂的结合常数与结构的关系，得出了构的关系，得出了10 个常见功能基和原子对结合能的贡个常见功能基和原子对结合能的贡献均值。献均值。带电荷基团带电荷基团极性基团极性基团非极性基团非极性基团功能基功能基N+PO2-4CO2COOH卤素卤素NO,S醚醚C(sp3)C
15、(sp2)结合能结合能*11.510.08.23.42.51.31.21.10.80.7*kcal/mol27带电荷的基团与受体结合的贡献强于极性基团，极性基带电荷的基团与受体结合的贡献强于极性基团，极性基团又强于非极性基团。团又强于非极性基团。28FBDD的背景的背景2 Kuntz等分析了等分析了150个含有个含有167个原子构成的离子或个原子构成的离子或化合物与受体的结合常数，按照下式计算了结合常数与系化合物与受体的结合常数，按照下式计算了结合常数与系统自由能变化的关系，进而推定出每个原子对结合的贡献。统自由能变化的关系，进而推定出每个原子对结合的贡献。G结合结合=G复合物复合物 G参比态
16、参比态=RTlnK29 当非氢原子数在当非氢原子数在15个以内，结合能随原子数的增加个以内，结合能随原子数的增加而线性增高，平均每个原子的贡献为而线性增高，平均每个原子的贡献为1.5 kcal/mol；超过；超过15个原子后结合能的变化趋于不变，成为非线性变化，这个原子后结合能的变化趋于不变，成为非线性变化，这种现象归因为非热力学因素。种现象归因为非热力学因素。Andrews和和Kuntz的研究为配体效率概念奠定了基础。的研究为配体效率概念奠定了基础。30配体效率配体效率(ligand efficiency,LE)分子大小影响物化和药代性质。分子大小影响物化和药代性质。减少苗头、先导物中冗余原
17、子的必要性。减少苗头、先导物中冗余原子的必要性。配体效率是衡量苗头物或先导物以及优化的化合物配体效率是衡量苗头物或先导物以及优化的化合物的质量的参数，表征化合物的活性效率。的质量的参数，表征化合物的活性效率。31 系指配体系指配体(苗头、先导物、优化物等苗头、先导物、优化物等)中每个原子对结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个有用的指标。合能的贡献，在选取先导物和优化过程中是个有用的指标。32计算方法：计算方法：首先是将复合物结合常数首先是将复合物结合常数Kd转换为在温度转换为在温度300K的结的结合的自由能合的自由能(G)。G-RT.lnKd=1.37 pKd G除以非氢原
18、子数，得出每个原子的自由能贡献即配体除以非氢原子数，得出每个原子的自由能贡献即配体效率，用下式表示：效率，用下式表示：LE=G/N非氢原子非氢原子33配体亲脂性效率配体亲脂性效率 配体效率是将化合物的活性在分子大小的尺度上加配体效率是将化合物的活性在分子大小的尺度上加以表征，是优化过程中监测化合物的活性、物化性质和成以表征，是优化过程中监测化合物的活性、物化性质和成药性程度的一个指标。药性程度的一个指标。34 还可用配体还可用配体-亲脂性效率指数亲脂性效率指数(ligand-lipophilicity efficiency,LLE)表征先导物和优化的质量。表征先导物和优化的质量。LLE 的定义
19、是的定义是 pIC50(或或pKi)-CLogP(或或 LogD)35契契 合合 质质 量量在结构优化中，当分子量的加大，即使活性增大，配体在结构优化中，当分子量的加大，即使活性增大，配体效率却变化不大，甚至减小。以致不能反映和揭示优化过效率却变化不大，甚至减小。以致不能反映和揭示优化过程的实际状态。程的实际状态。Reynolds等提出了配体的契合质量的概念等提出了配体的契合质量的概念(fit quality,FQ)，以消除因分子量加大，以消除因分子量加大，LE的变化被掩饰和拉平的效的变化被掩饰和拉平的效应。应。36 计算方法是将化合物的非氢原子数归一和标度化，计算方法是将化合物的非氢原子数归
20、一和标度化，得到相应的得到相应的LE-Scale，分子中不同原子数，分子中不同原子数，LE-Scale值不值不同，按如下定义：同，按如下定义：LE-Scale 0.064+0.873e(-0.026HA)或将幂式展开：或将幂式展开：LE-Scale 0.0715+(7.5382/HA)+(25.7079/HA2)+(361.4722/HA3)37 FQ将上述的非线性标准化，使配体之间的结合效率有将上述的非线性标准化，使配体之间的结合效率有可比性。可比性。38契契 合合 质质 量量非氢原子数非氢原子数pIC50配体效率若以非氢原子数与配体效率作若以非氢原子数与配体效率作图，原子数在图，原子数在1
21、025的化合物的化合物配体效率呈线性变化。配体效率呈线性变化。当非氢原子低于当非氢原子低于20时，最大亲和时，最大亲和力与原子数成线性关系；超过力与原子数成线性关系；超过20后活性趋于不变或下降。后活性趋于不变或下降。39非氢原子数非氢原子数 LE scale 相邻差值相邻差值 10 0.7204 11 0.6972 0.0232 12 0.6685 0.0287 13 0.6367 0.0318 14 0.6091 0.0276 15 0.5809 0.0282 16 0.5545 0.0264 17 0.5300 0.0245 18 0.5072 0.0228 19 0.4877 0.01
22、95 20 0.4672 0.0205 21 0.4494 0.0178 22 0.4331 0.0167 23 0.4179 0.0152 24 0.4039 0.0149 25 0.3908 0.0131 26 0.3787 0.0121 27 0.3674 0.0113 28 0.3568 0.0106 29 0.3471 0.0097 30 0.3378 0.0093 40基于片断的药物设计：方法的整合基于片断的药物设计：方法的整合性性片断化合物库片断化合物库(约约1000-2000个化合物个化合物)体外活性筛选体外活性筛选 结构生物学：复合物结构生物学：复合物X-线晶体学或线晶体学或
23、 NMR或或MS 计算机分子设计辅助计算机分子设计辅助 药物设计和化学合成药物设计和化学合成 活性评价活性评价 结构生物学或分子对接结构生物学或分子对接 构效分析构效分析 确定先导物确定先导物 41片断化合物库片断化合物库体外筛选评价体外筛选评价达到规定活性达到规定活性复合物单晶结构复合物单晶结构是是否否计算机辅助设计计算机辅助设计药物化学合成药物化学合成达到规定活性达到规定活性是是否否确定先导物确定先导物42片断化合物举例片断化合物举例NNHNNHNN H2N HN H2NNOH3CC O O HHO HFC O O HN H2C O O HB rOC H3O HH ONNOH3CHNNNN
24、NOHONH3COHNNOOHHNNC F3H3CN H243NNHH7C3NH2ONNHNH2ONNCO O HSNSCO O HOONSOOCH3NOO CH3HNONH2NClOHClHNNH2ONOOHHOCOOHSNH3CO OCOOHNNOH44NNHNNNH2NNH2SCH3NNHNOHNOBrHOOCCOOHOHNH2NNNH2HNOHNH245CH3SNCOOHOOHOHOCNHOCNHONCH3OHHNOHOCOOHOC O O H46NCH3CH3ClClNClONOCH3HHNNOCH3CH3NOH3COHOHHONH2NNHNNNNClOCH3H3COHSNNNH2N
25、O OHNOHOHNHNCH3OOH3C47片断分子片断分子受体结合部位受体结合部位片断连接片断连接片断分子分别筛选与组合库比较片断分子分别筛选与组合库比较6 X 6片断组合库片断组合库48随机筛选随机筛选基于结构的基于结构的新方法新方法筛选低分子量、低筛选低分子量、低亲和力片段亲和力片段 药靶结构信息药靶结构信息优化或连接优化或连接与药靶亲和力高并与药靶亲和力高并且类药性强且类药性强49FBDD需要有灵敏的检测手段需要有灵敏的检测手段NMR方法：方法：Skinner AL,and Laurence JS.J Pharm Sci.2008,97:4670 X-ray方法：方法：Jhoti H
26、et al.Curr Opin Chem Biol.2007,11:48 SPR方法：方法：Neumann T et al.Curr Top Med Chem.2007,7:1630 MS方法：方法：Annis DA et al.Curr.Opin.Chem.Biol.2007,11:51 50一、磁共振技术一、磁共振技术 基本原理在于配体与生物大分子结合后，许多基本原理在于配体与生物大分子结合后，许多NMR参数（如化学位移）会发生改变，通过检测并分析这些数参数（如化学位移）会发生改变，通过检测并分析这些数据，可以判定配体是否与受体结合、结合的强度以及结合据，可以判定配体是否与受体结合、结合的
27、强度以及结合的模式。的模式。51NMR筛选片段的方法一般可分为两种：检测配体的筛选筛选片段的方法一般可分为两种：检测配体的筛选 检测受体的筛选检测受体的筛选52基态基态激发态激发态基态基态时间不同时间不同分子大小有关分子大小有关分子大，时间短分子大，时间短分子小，时间长分子小，时间长延长预测时间，只检测小分子药物延长预测时间，只检测小分子药物检测配体的筛选检测配体的筛选53普通条件普通条件小分子化合物的小分子化合物的NMR靶蛋白靶蛋白延迟延迟再次检测再次检测未结合靶蛋白可检测未结合靶蛋白可检测结合靶蛋白不可检测结合靶蛋白不可检测混合物与靶蛋白结合，混合物与靶蛋白结合，有的峰消失，表示有有的峰消
28、失，表示有活性活性提取分离提取分离54检测受体的筛选检测受体的筛选 先决条件是必须知道靶蛋白的结构，要求靶蛋白需先决条件是必须知道靶蛋白的结构，要求靶蛋白需进行进行15N标记，这样才能保证靶蛋白标记，这样才能保证靶蛋白NMR谱能准确识别每谱能准确识别每个酰胺结合位点的特征峰。个酰胺结合位点的特征峰。55 原理是当小分子与靶蛋白结合后，会改变蛋白质结原理是当小分子与靶蛋白结合后，会改变蛋白质结合位点的局部化学环境，通过合位点的局部化学环境，通过15N标记蛋白的二维标记蛋白的二维15N和和1H异核单量子相关谱，可以找出各酰胺信号异核单量子相关谱，可以找出各酰胺信号15N和和1H的化学的化学位移变化
29、。位移变化。56 如果片段有结合，相关氨基酸残基的酰胺信号就会发如果片段有结合，相关氨基酸残基的酰胺信号就会发生位移，因此这种方法不仅可检测到片段是否有结合，而生位移，因此这种方法不仅可检测到片段是否有结合，而且还能检测结合在靶蛋白的哪个位置。且还能检测结合在靶蛋白的哪个位置。57 通过二维通过二维15N异核单量子相关谱中异核单量子相关谱中15N和和1H的化学的化学位移的变化来检测是否有小分子与靶蛋白结合。位移的变化来检测是否有小分子与靶蛋白结合。58 配体与靶蛋白的结合常数可以通过化学位移的变化和配体与靶蛋白的结合常数可以通过化学位移的变化和配体浓度的关系测得，这样可以筛选得到结合于生物靶分
30、配体浓度的关系测得，这样可以筛选得到结合于生物靶分子活性位点亚区域的低亲和配体，将这些配体进行连接可子活性位点亚区域的低亲和配体，将这些配体进行连接可以得到具有较高亲和力的配体，然后通过对作用于每个亚以得到具有较高亲和力的配体，然后通过对作用于每个亚区域的片段进行优化和重新组装便得到所期望的高亲和性区域的片段进行优化和重新组装便得到所期望的高亲和性配体。配体。59二、质谱技术：非共价结合二、质谱技术：非共价结合1.电喷雾电离质谱方法：电喷雾电离质谱方法：将所筛选的片段与靶蛋白配成混合液，然后设定合将所筛选的片段与靶蛋白配成混合液，然后设定合适的离子化条件，将片段适的离子化条件，将片段-靶蛋白复
31、合物从液相转化为靶蛋白复合物从液相转化为气相，并测定复合物的质荷比，这样可以得到结合片段气相，并测定复合物的质荷比，这样可以得到结合片段的分子量，进而确定是哪一个片段与药靶结合。的分子量，进而确定是哪一个片段与药靶结合。60 之后，用各种色谱技术分离得到片段之后，用各种色谱技术分离得到片段-靶蛋白复合物，靶蛋白复合物，并将片段从复合物上解离下来，通过浓度测定，计算得到并将片段从复合物上解离下来，通过浓度测定，计算得到片段的亲和力。片段的亲和力。612.Tether方法：共价结合方法：共价结合 靶蛋白的半胱氨酸残基巯基与连有二硫键侧链的片段靶蛋白的半胱氨酸残基巯基与连有二硫键侧链的片段形成新的二
32、硫键，一般来说，应用形成新的二硫键，一般来说，应用Tether方法筛选的含有方法筛选的含有二硫键片段有三个部分组成：二硫键片段有三个部分组成：片段母体、连接基团和离去片段母体、连接基团和离去基团。基团。62 其次，将片段库中的片段（各个片段分子量不同）其次，将片段库中的片段（各个片段分子量不同）都连上相同的巯基侧链，然后将靶蛋白置入片段的高都连上相同的巯基侧链，然后将靶蛋白置入片段的高浓度溶液中。浓度溶液中。当活性片段和靶蛋白结合时，片段和靶蛋白间不当活性片段和靶蛋白结合时，片段和靶蛋白间不仅能够形成共价的二硫键，而且片段还会与半胱氨酸仅能够形成共价的二硫键，而且片段还会与半胱氨酸残基附近的活
33、性口袋结合，从而形成比其他片段更稳残基附近的活性口袋结合，从而形成比其他片段更稳定的片段定的片段-靶蛋白共价复合物，占主导地位。靶蛋白共价复合物，占主导地位。63 这样根据复合物的分子量就可以在质谱图上轻易地识这样根据复合物的分子量就可以在质谱图上轻易地识别活性片段；而且根据插入的半胱氨酸残基位置的不同，别活性片段；而且根据插入的半胱氨酸残基位置的不同，还可以判断活性片段的结合位置。还可以判断活性片段的结合位置。64三、三、X-射线单晶衍射技术射线单晶衍射技术65片断演化成先导物的三种模式片断演化成先导物的三种模式l片断的生长片断的生长片断只结合于受体的部分结合位点片断只结合于受体的部分结合位
34、点以受体结合的第一个片断为核心，经理性设计，以受体结合的第一个片断为核心，经理性设计，在邻近处逐渐生长成活性强的较大分子在邻近处逐渐生长成活性强的较大分子66片断的连接片断的连接与受体结合的相邻的两个片断经连接基连接成与受体结合的相邻的两个片断经连接基连接成活性强的较大分子活性强的较大分子67片断的融合片断的融合与受体结合的相互交盖或甚近的两个片断与受体结合的相互交盖或甚近的两个片断合并成活性强的较大分子合并成活性强的较大分子68片断生长：蛋白激酶片断生长：蛋白激酶B(PKB)抑制剂先导物抑制剂先导物优化结构要求化合物的配体效率保持在优化结构要求化合物的配体效率保持在0.30 以上。以上。基于
35、基于PKB与苗头物的三维结合特征，发现在苯环对位与苗头物的三维结合特征，发现在苯环对位的结合部位有负性基团和较大的腔穴。的结合部位有负性基团和较大的腔穴。69合成了含有碱性基团的化合物，活性提高，虽分子量合成了含有碱性基团的化合物，活性提高，虽分子量增大，仍保持了增大，仍保持了LE值。值。加入新的苯环，仍维持了相同的配体效率。加入新的苯环，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。最后在新的苯环上引入卤素，得到高活性。70N NH3CN NH3CNH2N NNH2N NNH2N NNHN NNH2ClN NNHClHHHHHHHIC50(M)80 12 3.0 0.51 0
36、.20 0.031 0.018 No HA 10 15 15 20 23 21 24 LE(kcal/mol)0.47 0.48 0.61 0.43 0.40 0.49 0.44 FQ 0.70 0.83 1.05 0.92 0.96 1.09 1.097172片断生长片断生长:周期蛋白依赖的激酶抑制剂周期蛋白依赖的激酶抑制剂 周期蛋白依赖的激酶周期蛋白依赖的激酶(CDK)活性取决于周期蛋白活性取决于周期蛋白的存在，其表达水平与细胞周期相关。抑制的存在，其表达水平与细胞周期相关。抑制CDK可抑制可抑制肿瘤生长。肿瘤生长。73两个氢键和芳环疏水作用两个氢键和芳环疏水作用MW=316 IC50=0
37、.66M LE=0.38LQ=0.85Leu81羰基形成氢键羰基形成氢键,Ile10 and Leu134与苯环的疏水作用与苯环的疏水作用MW=118 IC50=185M LE=0.57FQ=0.7674MW=187 IC50=97M LE=0.39FQ=0.64另一思路是去除苯并环另一思路是去除苯并环,活性减弱活性减弱,但但LE未未降降MW=258 IC50=0.85M LE=0.44FQ=0.90简化后的吡唑简化后的吡唑4位可向外生长位可向外生长,氢键给体有利于结合氢键给体有利于结合.活性明显提高活性明显提高,LE大增大增752333NNNOHNOHNFMW=337 IC50=0.14M
38、LE=0.39FQ=0.97NNNOHNOHNFFFMW=373 IC50=0.003M LE=0.45FQ=1.19苯甲酰胺的活性略增苯甲酰胺的活性略增,LE降低降低.苯环离开羰基苯环离开羰基明面明面51,说明不稳定说明不稳定苯环苯环2,6位双取代稳定了构象位双取代稳定了构象,活性提升活性提升,但进入细胞能力弱但进入细胞能力弱,ClogP过大过大,分子内氢键所致分子内氢键所致.76NNNOHNOHNNHFFNNNOHNOHNNHClClMW=395 IC50=0.047M LE=0.42FQ=1.06二氯取代二氯取代,对酶和细胞活性均明显增高对酶和细胞活性均明显增高MW=362 IC50=0
39、.14M LE=0.31FQ=0.79AT7519于于10M 对对 P450 1A2,2D6,3A4,2C9,2C19的抑制作的抑制作用用1 mM，且只有且只有R构型与酶结合，构型与酶结合，H3CC H3OH2NC H3C lC lOH2NOO HC lC lOH2NONOHH3CC H3OH2NONOOH84 晶体衍射表明，伯氨基与晶体衍射表明，伯氨基与Asp189的羧基、的羧基、Ser190的羰基以及的羰基以及Gly219形成氢键，苯基与亚乙基与形成氢键，苯基与亚乙基与S1疏水强疏水强结合。美西律虽配体效率只有结合。美西律虽配体效率只有0.32，但水溶性很好，且，但水溶性很好，且口服生物利
40、用度口服生物利用度F=90%，pKa=9.2，碱性不象既有的，碱性不象既有的uPA抑制剂过强，故是良好的起始物。抑制剂过强，故是良好的起始物。H3CC H3OH2NC H3C lC lOH2NOO HC lC lOH2NONOHH3CC H3OH2NONOOH85 根据萘脒具有活性说明苯环的对位有空间，可引入根据萘脒具有活性说明苯环的对位有空间，可引入酸性基团，去掉侧链甲基以消除手性原子，将酸性基团，去掉侧链甲基以消除手性原子，将2,6-二甲基二甲基换成二氯，换成二氯，IC5040 M，在晶体结构的引导下，酰苯胺，在晶体结构的引导下，酰苯胺的的 IC50=5.2 M，IC50=720 nM，最
41、后经，最后经SAR设计化合物设计化合物活性提高活性提高10倍，倍，IC50=72 nM。对大鼠具有良好药代动力。对大鼠具有良好药代动力学性质，半衰期学性质，半衰期t1/2=7.5 h，F=60%H3CC H3OH2NC H3C lC lOH2NOO HC lC lOH2NONOHH3CC H3OH2NONOOH86H3CCH3OH2NCH3ClClOH2NOOHClClOH2NONOHH3CCH3OH2NONOOHIC50 1 mM 40 M 5.2 M 720 nMLE 0.32 0.40 0.29 0.29FQ 0.57 0.76 0.74 0.84H3COH2NONNClOH3CCH3H
42、 IC50=72 nMLE =0.32 FQ=0.9787片断连接：片断连接：FKBP抑制剂抑制剂 用核磁共振研究用核磁共振研究FKBP抑制剂，称作抑制剂，称作SAR by NMR。用。用15N 标记的标记的FKBP筛选片断库的结合作用，观筛选片断库的结合作用，观察和确定酰胺键的察和确定酰胺键的15N-和和1H化学位移的变化。化学位移的变化。筛选两种分子筛选两种分子1和和2有弱结合作用。连接成有弱结合作用。连接成3为强抑为强抑制剂。制剂。88 1 2 3Kd 2 M 100 M 49 nM非氢原子数非氢原子数 26 17 45LE(kcal/mol)0.30 0.32 0.22FQ 0.79
43、0.64 1.06NOOC O O C H3O C H3O C H3O C H3ONO HH OHNOOO C H3O C H3O C H3OONH OOO HH89片断连接：他克林形成挛药片断连接：他克林形成挛药胆碱酯酶有两个结合位点：胆碱酯酶有两个结合位点：深部窄口处的催化部位和暴露于水相的外部位点。深部窄口处的催化部位和暴露于水相的外部位点。将适宜长度的碳链连接他克林，提高了活性。将适宜长度的碳链连接他克林，提高了活性。90NNH2NNNHNHKi=0.018M(小鼠小鼠)IC50=0.59M(大鼠脑大鼠脑)HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98IC50=0.0004M(大鼠脑
44、大鼠脑)HA No=37 LE=0.35 FQ=1.2591片断连接：片断连接：他克林与另一弱作用片断形成强抑制剂他克林与另一弱作用片断形成强抑制剂Sharpless等用环加成反应将两个不同的抑制剂片断经等用环加成反应将两个不同的抑制剂片断经连接基生成连接基生成fmole级的高活性胆碱酯酶抑制剂级的高活性胆碱酯酶抑制剂92NNH2NCH3CH3CH3NNH2NH2NNNNNNH2NH2NH+Ki=1.1M(小鼠小鼠)HA No=31 LE=0.26 FQ=0.80Ki=0.018M(小鼠小鼠)HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98Ki=0.00000041M(小小鼠鼠)HA No=4
45、8 LE=0.35 FQ=1.8093片断融合：自组装碳酸酐酶抑制剂片断融合：自组装碳酸酐酶抑制剂两个片断独立结合于邻近的两个位点，化学活性功能两个片断独立结合于邻近的两个位点，化学活性功能基自组装成亚胺，还原生成高活性抑制剂基自组装成亚胺，还原生成高活性抑制剂94片断融合：用质谱方法研究片断融合：用质谱方法研究U1061A RNA抑制剂抑制剂U1061A RNA是抗微生物感染的靶标。是抗微生物感染的靶标。质谱法可在高浓度下进行。质谱法可在高浓度下进行。可给出结合信息：化学计量性，竞争结合性。可给出结合信息：化学计量性，竞争结合性。化合物化合物1和和2可同时结合于靶标，二者非竞争性结合，位点不
46、同，相距邻近。可同时结合于靶标，二者非竞争性结合，位点不同，相距邻近。1和和2融合一起，提高了活性。融合一起，提高了活性。NNOCH3CH3OHOHNOCH3OHOHNONNOCH3+IC50 40 M 41 M 0.064M No HA 12 19 31 LE 0.32 0.50 0.31 FQ 0.48 1.02 0.9795分子量分子量分布系数分布系数药代药代 过膜性过膜性 生物利用度生物利用度药代药代 半衰期半衰期代谢稳定性代谢稳定性药效药效 配体效率配体效率药效药效 配体亲脂效率配体亲脂效率分子体积分子体积杂原子数杂原子数分子表面积分子表面积氢键接受氢键接受 体体氢键给体氢键给体可旋
47、转性键可旋转性键极性表面积极性表面积分子量和分布系数是优化物化性质、药效学、药代动力学的高度概括分子量和分布系数是优化物化性质、药效学、药代动力学的高度概括96药物代谢通常分为药物代谢通常分为两相两相：第第相（相（phase）代谢）代谢。第第相（相（phase）代谢）代谢。（一）代谢（一）代谢97第第相主要是官能团化反应：相主要是官能团化反应：药物在酶的催化下进行药物在酶的催化下进行氧化、还原、水氧化、还原、水解和羟化解和羟化等过程，在药物分子中引入或使药物分等过程，在药物分子中引入或使药物分子暴露出极性基团，如子暴露出极性基团，如-OH、-SH、-COOH和和-NH2等。等。98第第相为结合
48、反应：相为结合反应：相代谢产物或原型药物在酶的影响下相代谢产物或原型药物在酶的影响下与与内源性小分子内源性小分子成分，如成分，如葡萄糖醛酸、硫酸、甘葡萄糖醛酸、硫酸、甘氨酸或谷胱甘肽氨酸或谷胱甘肽，经共价键结合，生成极性强或，经共价键结合，生成极性强或水溶性的药理失活结合物，随尿和胆汁排出体外。水溶性的药理失活结合物，随尿和胆汁排出体外。99苯妥英苯妥英100101102103104105NH2O+NH3106ONH2ClONHCH3Cl氯胺酮氯胺酮107利多卡因利多卡因 108109110111112113114115116117118 实际上绝大多数药物的代谢都比较复杂，其引用药实际上绝大
49、多数药物的代谢都比较复杂，其引用药物的生物效应变化多样，综合有以下几种：物的生物效应变化多样，综合有以下几种：1.代谢灭活：将活性药物代谢为无活性的物质；代谢灭活：将活性药物代谢为无活性的物质；2.代谢活化：将无活性的药物代谢为有活性的物质；代谢活化：将无活性的药物代谢为有活性的物质；3.活性不变：将活性物质代谢为仍有活性的物质；活性不变：将活性物质代谢为仍有活性的物质；4.毒性增加：将无毒性或毒性小的药物代谢为毒性物质；毒性增加：将无毒性或毒性小的药物代谢为毒性物质；5.导致药理作用改变。导致药理作用改变。119二、先导化合物的优化二、先导化合物的优化（一）先导化合物的一般优化方法（一）先导
50、化合物的一般优化方法1.剖裂与拼合剖裂与拼合 剖裂是指将先导化合物剖析成两个或数个亚结构，通剖裂是指将先导化合物剖析成两个或数个亚结构，通过合成或构效关系可以优选出简化的基本结构或药物，吗过合成或构效关系可以优选出简化的基本结构或药物，吗啡到哌替啶。啡到哌替啶。120N H2H2NNNSOONH2H2NSOONH2121 拼合与剖裂相反，是合成出比先导物的分子结构中附拼合与剖裂相反，是合成出比先导物的分子结构中附加某种具有相同生物活性或不同生物活性的部分构造，以加某种具有相同生物活性或不同生物活性的部分构造，以达到设计对称或者非对称双效药的目的。达到设计对称或者非对称双效药的目的。122 设计
