1、第五章 新药研究概论Outline of Drug Research新药研究 1 新药研发 R&D of New Drugs 新药 新药研发过程 新药研发涉及学科 新药研发特点 2 药物分子设计 Molecular Drug Design 概念及内容 3 先导化合物 Lead Compound1.1 New Drugs 新药系指我国未生产过的药品。按审批管理的要求，新药分为中药、化学药品和生物药品（新药审批办法） 新化学实体 NCE new chemical entities 首次成为药品的新化学结构1 新药研发 R&D of New Drugs1.2 新药研发过程 1、制定研究计划，设计并实
2、施实验方案，获得潜在新化学实体（NCE）或新化合物 2、临床前研究，获得在研新药 IND（investigational new drug） 西药临床前22项（新药证书，25项） 中药临床前19项（新药证书，22项）1.2 新药研发过程 3、临床试验（或临床验证），获得新药批件 NDA（new drug approval） 药品注册管理办法 Phase I: 2030例健康受试者 Phase II: 不少于100例典型患者 Phase III: 不少于300例患者 4、上市后研究，四期临床（临床药理） 一类试生产期，Phase IV: 2000例发现I 期II 期III 期IV 期政府审批临床
3、前研究临床实验平均约15年AtorvastatinSimvastatinLansoprazoleErythropoietinOlanzapineErythropoietinSertralineCelecoxibGabapentinEsomeprazole 辛伐他汀兰索拉唑促红细胞生成素奧氮平艾美拉唑舍曲林塞来考昔 关节炎加巴喷丁抗癫痫药 1.3 新药研发是一项系统工程，涉及多个学科 分子生物学 分子药理学 生物信息学 药物化学 计算机科学 药物分析化学 药理学 毒理学 药剂学 制药工艺学1.4 新药研发特点 投资高 周期长 风险高 利润高 竞争激烈药物作用的三个重要相给药剂量剂型崩解药物溶出可
4、被吸收的药物药物利用度吸收、分布、代谢、排泄可产生作用的药物生物利用度药物与靶点相互作用效应药剂相药代动力相药效相1.2 药物分子设计2 药物分子设计 药物的基本属性（安全性、有效性、稳定性、可控性），在一定意义上，由药物的化学结构所决定 药物分子设计是实现新药创制的主要途径和手段 通过科学的构思和理论的规划，构建具有预期药理活性的新化学实体的分子操作。 * 创制新药的四要素 生物靶标的选择 检测模型的确定 先导化合物的发现 先导化合物的优化Molecular drug design 药物分子设计由多学科相互穿插，交替进行药物设计学分子生物学结构生物学基因组生物信息学数学统计学药物化学有机药物
5、化学计算机科学计算化学分子药理学一般药理学先导化合物 Lead compound 概念：简称先导物（Lead），是指新发现的对某种靶标和模型呈现明确药理活性的化合物。 A lead is a representative of a compound series with sufficient potential (as measured by potency, selectivity, pharmacokinetics, physicochemical properties, novelty, and absence of toxicity) to progress to a full dr
6、ug development program. 应与 hit 相区别药物分子设计的策略基础 分子的多样性、互补性和相似性构成了设计方法的策略基础 分子的多样性（diversity）是先导物发现的物质基础 分子的互补性（complementarity）是分子识别和受体-配体结合的基础和推动力 分子的相似性（similarity）在不同的层次上有不同的含义先导物发现先导物优化互补性相似性多样性包容性反相似性不相似性Lead discovery分子的多样性天然生物活性物质组合化学组合生物合成和组合生物催化基于临床副作用观察产生先导物虚拟筛选分子的互补性基于生物大分子结构和作用机理的药物分子设计反义寡
7、核苷酸Lead discovery and optimization分子的相似性基于内源性配体分子的药物设计过渡态类似物肽模拟物生物电子等排置换类似物变换药物合成的中间体基于代谢转化天然生物活性物质作为先导物 天然生物活性物质来源广泛 植物 动物 微生物 海洋生物 矿物天然生物活性物质作为先导物 天然生物活性物质的特点 新颖的结构类型（分子多样性） 独特的药理活性 资源有限及地域性差异 有效成分含量很低 大多数结构复杂，作用强度不同天然生物活性物质作为先导物 青蒿素青蒿素Artemisinin黄花蒿Artemisia annula蒿甲醚ArtemetherOOOOOOOOOOCH3生物利用度较
8、低复发率高天然生物活性物质作为先导物 喜树碱羟基喜树碱Hydroxycamptothecin喜树Camptotheca acuminata拓扑替康TopotecanNNOOOOHHONNOOOOHHON(CH3)2水溶性较差，毒性大组合化学Combinatorial chemistry 同时制备含众多分子的化合物库 以代数级数增加构建块的数目，库容量则以几何级数增加 与高通量筛选（high-throughput screening, HTS）技术结合，可极大地加快先导物发现和优化的速度组合合成Combinatorial synthesis 平行合成和混分合成 固相合成和液相合成 小分子组合合成
9、 计算机辅助设计及虚拟库合成 八学期选修课“组合化学与新药研究”组合生物合成Combinatorial biosynthesis 基本原理基因变异（混合、匹配、交换、突变等）基因克隆多种变异的酶系多种非天然的天然物质组合生物催化Combinatorial biocatalysis 基本原理变异酶系或微生物酶系催化小分子化合物转化多种人工的天然化合物岩白菜内酯的生物催化组合库 OOOHHOCH3OOHOHOHOOOOHHOCH3OOHOHOHOOHOOOHHOCH3OOHOHOHOClOOHOHOHHOOOOOHHOCH3OOHOHO脂肪酶酰化糖苷化糖苷酶氧化卤过氧化酶氯代首轮衍生物20个酰化：
10、酯，酰胺碳酸酯氨甲酸酯糖苷化：糖苷氨基糖苷糖酸苷氧化还原：羟基化氧化脱甲基化卤化：氯代溴代碘代第二轮衍生物共600个岩白菜内酯OOOHHOCH3OOCOR1OCOR2OCOR3O基于临床副作用观察产生的先导物 作用与作用的分离HOHOCHOHCH2NHRRHCH3CH2CH3CH(CH3)2C(CH3)2CH2Ph receptor activity receptor activity100200600.2510010002000400065000 blocking异丙嗪的镇静作用 NSCH2CH(CH3)N+(CH3)3NSCH2CH2CH2N(CH3)2ClNSCH2CH(CH3)N(CH
11、3)2Promethazine异丙嗪（抗过敏药）Chlorpromazine氯丙嗪（安定）Thiazinamium噻丙胺（支气管扩张）磺胺家族的发展Mafenide(antiinfectious)Tolbutamide (antidiabetic)SNChlorothiazide (saluretic)Cycloguanil (antimalarial)Methylthiouracil(antithyroid)DDS (antileprosy)ClNNNCH3H3CNH2H2NNHNOCH3HSNH2SOOH2NCH2SOOH2NNH2SNHNClSH2NOOOOCH3SOONHCONHC4H
12、9NH2SOOH2N筛选发现先导物 随机与非随机筛选 Random/nonrandom screening 高通量筛选 High-throughput screening (HTS) 虚拟筛选 Virtual screeningVirtual screening 用计算机筛选的方法称为虚拟筛选，或称in silico筛选 ，成为in silico-in vitro-in vivo模式 。 用一系列“基于知识的滤片”对虚拟库“筛选”，以“浓缩”出能够满足预定标准的化合物。 这些滤片包括类药性(drug like)，药代动力学性质，毒性，知识产权问题以及与受体的互补性或与配体的相似性等，是通过数据
13、库搜寻和计算化学实现的。 Virtual screening虚虚拟拟库库专专利利指指导导设设计计库库类类药药原原则则药药代代性性质质潜潜在在毒毒性性受受体体结结构构里宾斯基提出的类药性用于筛选lead Lipinski归纳的“类药5规则”(Rule of Five)，概括了类药的最低标准：化合物的分子量小于500道尔顿；化合物结构中的氢键给体 (包括羟基、氨基等)的数量不超过5个；化合物中氢键受体的数量不超过10个；化合物的脂水分配系数的对数值 (logP)在-2到5之间；化合物中可旋转键的数量不超过10个。 简化后的四规则去掉了关于可旋转键的数量限制；三规则进一步去掉了对氢键受体数量的限制。
14、 上述原则只限于化合物经被动扩散机理的吸收。 化合物的柔性不宜过强。否则会存在许多种构象 化合物不得含有重金属和反应活性基团。药代动力学性质 临床试验被终止淘汰的候选药物40%是由于药代动力学不合理造成的 决定药物能够穿越细胞膜并在胞浆中转运的性质是分子的化学结构，表现在分子量，离解常数，亲脂性，极性表面积，以及形成氢键的数目等 药物的代谢转化主要在肝脏中发生。将细胞色素P450 2D6和3A4催化中心的三维结构作为药效团，可用于预测未知化合物的代谢命运。通过分析化合物的三维结构与半衰期的相关性，可以来预测未知物的代谢模式 毒性的预测 基于已有化合物的毒性和结构特征，经线性判别分析和多重回归分
15、析得到的模型，可用来预测未知物的毒性。 基于知识的专家系统(knowledge-based system)的软件如DEREK，可批处理化合物的致癌性、致畸性、致突变性、刺激性、皮肤敏感性、急性毒性和神经毒等。另一个基于知识的专家系统是HazardExpert程序，通过输入化合物名称、给药途径、剂量和用药时程，程序可给出结果。基于结构的设计 在受体结构信息已知的情况下，可根据结合部位的三维结构信息，用分子对接方法，对互补性好、评分高的化合物，可预计有较强的亲和力。若不知受体的三维结构，可根据药效团特征筛选虚拟库，并以不同程度的限制条件，“滤除”与药效团无相似性的分子。 知识产权的预测 化合物具备
16、自主的知识产权和专利保护的前景，是开发决策的重要指标，筛选虚拟库和组合库时要剔除已被其它专利覆盖或有可能侵权的化合物。所以，完备的化合物检索查新系统可确保化合物结构的新颖性。 基于生物大分子结构和作用机理设计先导物 合理药物设计 Rational drug design 合理药物设计即以药物作用靶点的三维结构和生物化学作用机制为基础进行药物设计的方法 Structure-based drug design Mechanism-based drug designStructure-based drug design 了解生物大分子（受体）的三维结构，特别是与配体分子形成的复合物的三维结构，是前提
17、 大分子与小分子的结合模式是基础 多种方法并用 数据库搜寻 分子碎片连接 从头构建HIV proteaseComplex of HIV protease and its inhibitorACE抑制剂ACE的功能羧肽酶A的作用模式肽类抑制剂的结合模式羧烷基脯氨酸卡托普利依那普利等Mechanism-based drug design GABA转氨酶抑制剂氨己烯酸 酶的过渡态类似物抑制剂GABA aminotransferase inhibitor-VigabatrinH2NCOOHCOOHH2NCOOHCOOHHOHOOCCOOHL-Glutamic acidL-glutamic acid d
18、ecarboxylase Aminobutyric acid (GABA) GABA aminotransferase (GABA-T)Succinic semialdehyde (SSA) SSA dehydrogenase (SSADH)Succinic acid反义核苷酸Antisense oligonucleotides 反义寡核苷酸的分子大小是设计的重要环节 1225范围，1520较佳 反义核苷酸的类似物 局部修饰（碱基杂环、硫代、甲基磷酸酯等） 骨架类似物（PNA等）Lead discovery and optimization分子的相似性基于内源性配体分子的药物设计过渡态类似物肽
19、模拟物生物电子等排置换类似物变换药物合成的中间体基于代谢转化从内源性活性物质发现先导物 酶反应过程：酶抑制剂 酶结构 底物、过渡态、产物结构 ACEI、COX-2、GABA-T、MAO抑制剂等 抗代谢物：酶抑制剂，致死合成 与受体作用过程：激动剂或拮抗剂 受体结构 配体结构 肾上腺素能药物、胆碱能药物、甾体药物等5羟色胺受体激动剂NHCH2CH2NR1R2RNHCH2CH2N(CH3)2H3CNHSO2CH2脑内5-HT水平降低会引起偏头痛变换结构以提高对5-HT1受体选择性激动活性5-HT1激动剂舒马普坦（Sumatriptan）用于治疗偏头痛NHCH2CH2NH2HO3 先导化合物的优化
20、生物电子等排 Bioisosterism 类似物变化的一般方法 前药软药 大分子药物 孪药生物电子等排 Bioisosterism 1919, Langmuir，无机化学 原子总数相同，电子总数相同，电子的排列状态相同的分子或原子团，叫做电子等排体 Isosteres，或译同电异素物 同电异素物的物理性质有惊人的相似之处 N2CO, N2OCO2, NO3-CO32- 生物电子等排 Bioisosterism 1921, Hckle 1925, Grimm，有机化学 具有同数的价电子的分子或原子团，不论是否包含同数的原子或总数相同的电子，都叫做电子等排体 1932, Erlenmeyer，药物
21、化学 原子团中只有边界电子 boundary electrons 或外围电子 outer electrons 的数目是决定电子等排体的条件 用电子等排体性质相似的原理研究药理作用与化学结构的关系 50 Friedman, 生物电子等排 外围电子数目相同或排列相似，具有相同生物活性或拮抗生物活性的原子、基团或部分结构，即生物电子等排体Friedmans Bioisosteres I: F Cl Br I; OH SH SeH; NH2; CH3 II: O S Se Te; NH; CH2 III: N P As Sb Bi; CH IV: C Si N+ P+ As+ Sb+ (S+) V:
22、-CH=CH- -S- -O- -NH- (in aromatic ring)生物电子等排 Bioisosterism 70 Burger classical isosteres nonclassical isosteres 1. Univalent atoms and groups a. CH3 NH2 OH F b. Cl PH2 SH c. Br i-Pr d. I t-Bu 2. Bivalent atoms and groups a. -CH2- -NH- -O- -S- -Se- -COCH2R -CONHR -CO2R -COSR 3. Trivalent atoms and g
23、roups a. -CH= -N= b. -P= -As= 4. Tetravalent atoms a. CSi b. =C= =N+= =P+= 5. Ring equivalents a. -CH=CH- -S- b. -CH= -N= c. -O- -S- -CH2- -NH-Classical Isosteresnonclassical isosteres 1. Hydroxy group OH NHCOR NHSO2R CH2OH NHCONH2 NHCN CH(CN)2 2. Halogen F Cl Br I CF3 CN N(CN)2 C(CN)3 3. Ether -O-
24、-S- 4. Carbonyl groupCNNCNC CNC OC CCNCNS OSOOSO2NRCONRCHCNnonclassical isosteres 5. Carboxylic acid group 6. Thiourea 7. Spacer group OOOHNHNOOONNOHCH3NOOHNNNNHCOOH SO2NHR SO3H PO(OH)NH2 PO(OH)OC2H5 CONHCNNHCNH2CHNO2NHCNH2NCNNHCNH2Snonclassical isosteres 8. Catechol 9. Pyridine 10. HydrogenHNNNOHON
25、ROHOOOHOHOHON+R3N+RNO2NH F类似物变化的一般方法 剖裂物 同系物 引入烯键 合环和开环 大基团的引入、去除或置换 改变基团的电性 生物电子等排 孪药 A-(CH2)n-B 彼此互为同系物 同系物的理化性质及生物活性的变化无统一规律 递变 gradation 交替 alternation 翻转 inversion同系物变换abcdea. 溶解度 mol106/lb. 对伤寒杆菌的毒性 浓度倒数 l/mol106c. 降低水表面张力 至50达因/cm2的 浓度 mol106/ld. 25C时蒸汽压 mm104 e. 水/棉子油中的 分配系数103正第一醇123 456787
26、.06.66.25.85.45.04.64.23.83.43.02.6logAnumber of carbon atoms 合环和开环 合环使构象固定，影响药效学性质 药效不变 药效增强 药效降低 产生新药效 活性构象的研究 改变药动学性质，可用于设计前药合环和开环氧氟沙星 Ofloxacin培氟沙星 PefloxacinNOCOOHFNNH3COCH3NOCOOHFNNH3C作用增强大基团的引入、去除或置换 引入大基团往往造成生物活性很大变化, 甚至造成作用翻转 在易变结构附近引入障碍基团，可稳定易变部位 将稳定基团换以易变基团，可使作用限于局部或迅速代谢失活，减轻副作用 引入极性或离子性基
27、团，可限制药物分布改变基团的电性 诱导效应: 由于元素电负性的不同，分子内电荷沿着单键移动所产生的静电引力 共轭效应: 分子中存在的共轭或p共轭，由于电子的离域化而导致电荷的流动负诱导效应的吸电子性强弱顺序 -NH3+, -NR3+, -NO2, -CN, -COOH, -COOR, -CHO, -COR, -F, -Cl, -Br, -OH, -OR, -SH, -SR, -CH=CH2, -CR=CR2, -CCH正诱导效应的推电子性强弱顺序-CH3, -CH2R, -CHR2, -CR3, -COO-诱导效应（+I/-I）Inductive effect共轭效应（+R/-R）Resona
28、nce Effect 同时具有-R和-I的基团 -NO2, -CN, -CHO, -COR, -COOH, -COOR, -CONH2, -CF3 同时具有+R和+I的基团 -O-, -S-, -CH3, -CR3 同时具有+R和-I的基团 -F, -Cl, -Br, -I, -OH, -OR, -OCOR, -SH, -SR, -NH2, -NR2, -NHCOR孪药 Twin drugs 拼合原理 Association principle 药理作用的类型 拼合结构的专属性 有效剂量 拼合的方式 孪药 两个相同的或不同的先导物或药物经共价键连接，缀合成新的分子，称作孪药。双分子孪药BDHP
29、NitrendipineNO2HNCOO(CH2)4OOCH3CCOOC2H5CH3H3CC2H5OOCCH3NHNO2NO2NHCOOCH3CH3C2H5OOCH3C基于生物转化发现先导物 磺胺的发现百浪多息 ProntosilH2NNNSO2NH2NH2磺胺 SulfonilamideH2NSO2NH2磺酰胺类药物前药的概念 前药（prodrug）泛指一类体外活性较小或无活性，在体内经酶或非酶作用，释出活性物质而发挥药理作用的化合物。 生物前体（bioprecursor） 载体连接前药（carrier-linked prodrug） 前药特指将活性药物（原药）与某种化学基团、片段或分子（或
30、称暂时转运基团）经共价键连接，生成的新化学实体。前药概念的提出 Albert, A. (1958) Chemical aspects of selective toxicity. Nature (London) 1958; 182: 421-423. 提出前药概念，描述经过生物转化后才显示出药理作用的任何化合物 Harper, N. J. Drug latentiation. J. Med. Pharm. Chem. 1959; 1: 467-500. 提出药效潜伏化概念，通过对生物活性化合物的化学修饰形成新的化合物，后者在体内酶的作用下释放出母体化合物而发挥作用。生物前体（bioprecur
31、sor）SH3COHCH3COOHFin vivoSH3CHCH3COOHF非甾抗炎药舒林酸（sulindac）的还原性生物活化载体连接前药NH2OHNNOSOOOONH2OHNNOSOOOOONH2OHNNOSOHOOHO+HCHO+in vivoin vivoCO2H3CCHOCH3CH2OH+匹氨西林Pivampicillin巴氨西林Bacampicillin氨苄西林Ampicillin口服氨苄西林前药 氨苄西林的口服吸收率为40，其前药几乎可以定量吸收（9899%） 前药在血液中释放氨苄西林的速度快（不 超过15 min） 巴氨西林释放出的载体是体内存在的物质，所以巴氨西林的耐受性比匹
32、氨西林更好 口服巴氨西林后与肌注等摩尔氨苄西林的血药浓度相当 前药用量（0.8-1.0g/d）比氨苄西林用量（2.0g/d）少得多 匹氨西林和巴氨西林在体外无抗菌活性，只有在体内释放出氨苄西林后才表现出活性前药的特征 原药与载体一般以共价键连接 前药可在体内断裂形成原药，为可逆性或生物可逆性药物 前药应无活性或活性低于原药 前药与载体分子应无毒性 前药在体内产生原药的速率应是快速动力学过程，以保障原药在作用部位快速释放，有足够的药物浓度，并应尽量减低前药的直接代谢。制备前药的一般方法 醇类：酯、缩醛或缩酮 羧酸类：酯、伯酰胺、酸酐 胺类：酰胺、亚胺、偶氮 脒类：氨基甲酸酯 羰基类：缩醛或缩酮、
33、噁唑啉、噻唑啉、亚胺、肟NOOHO前药的应用 增加脂溶性以改善吸收和分布 提高作用部位特异性 提高化学稳定性 消除不适宜的制剂性质 延长作用时间 增加水溶性 提高作用部位特异性 部位指向性药物输送 Site-directed drug delivery 能增加或选择性转运原药到达作用部位的前药 部位特异性药物释放 Site-specific drug release 虽然全身分布，但只在靶器官才产生作用的前药Site-directed drug delivery 异丙酰肼中酰基对选择性转运的影响异丙酰肼异烟肼L-谷氨酰异丙肼棕榈酰异丙肼单胺的增加率（）心脏 大脑100 10075 250145
34、 60比率1.03.30.4NNHOHNNHOHNNH2HOOCH3-(CH2)14NHOHNSite-directed drug delivery 由于胆酸药物复合体可被胆酸转运系统识别，故胆酸可用于肝脏特异性靶向给药NHO(CH2)n-OOHOHCO2HDrug Site-specific drug releaseOOOOHOHOOHOOOHOHOOHOOHCortisone 可的松葡糖苷糖苷酶大肠HOCCC2H5C2H5OHNaO3POCCC2H5C2H5OPO3NaDiethylstilbestrol 己烯雌酚磷酸酯酶前列腺细菌大肠抗炎 Site-specific drug relea
35、seHNCO2H OHOHOCOOHNH2NH2HOHODopamine 多巴胺谷胺酰左旋多巴肾脏谷胺酰转肽酶脱羧酶HN(CH3)3CCOO(CH3)3CCOONCH3ON+CH3(CH3)3CCOO(CH3)3CCOOHNO酶促氧化中枢酶促水解中枢BBB三节前药 Tripartate prodrugCarrierLinkerDrugenzymeCarrierLinkerDrug+spontaneouslyLinkerDrug+协同前药 Mutual prodrugSultamicillin 舒他西林NSOHNONH2OOOOSNOOO大分子药物载体系统聚合物前药Polymer chainSo
36、lubilizerSpacerDrugHomingdevice大分子药物载体系统聚合物前药IgzyxNHCHCONHCHCNHCHCOOO-NHNHOOONClCl抗体导向酶催化前药Antibody-Directed Enzyme Prodrug Therapy, ADEPTTarget 表面抗原单克隆抗体 酶前药原药软药 Soft drug 软药是指一类本身有治疗效用或生物活性的化学实体，当在体内起作用后，经预料的和可控的、通常为一步反应的代谢作用，转变成无活性和无毒性的化合物。 硬药的软性类似物 以无活性代谢物为线索设计软药软药 Soft drug 与已知硬药的结构很相似 在非必须结构部位
37、有易变结构 主要或唯一的代谢途径是可预知的 通过结构修饰可以调控代谢速率 代谢产物的毒性和活性极低 只需简单的代谢反应，不需P450参与的酶促过程硬药的软性类似物氯化十六烷基吡啶鎓抗真菌药LD50 = 103 mg/kgSoft analogLD50 = 4110 mg/kgN + HCHON+CH2OH.Cl- + CH3(CH2)12COOHesteraseN+CH2OC(CH2)12CH3.Cl-ON+CH2CH2CH2(CH2)12CH3.Cl-硬药的软性类似物N+CH3OONCH3CH3溴吡斯的明 Pyridostigmine降低低密度脂蛋白所需剂量下毒性太大N+CH2OCOC(CH3)3OONCH3CH3NOONCH3CH3+ (CH3)3C-CO2H + HCHOsoft analog药物制剂创新新药 一般属于新药分类3类。 特点：短平快项目。 如：紫杉醇注射液脂质体 两性霉素B注射液脂质体、微乳等 干扰素注射液PEG化的干扰素要 求 掌握新药研发过程 了解先导化合物的发现过程 了解先导化合物优化的主要途径和方法
