第四章 新药研究概论4课件.ppt

1、第四章 新药研究概论Outline of New Drug Research第一节 引言（Introduction） l 一、新药的研究与开发 新药的创制是一个系统工程，在研究与开发的过程中，涉及了多种学科与领域，包括药物化学、有机化学、药理学、毒理学、药剂学、分子药理学、分子生物学、生物信息学、计算机科学、以及药物分析化学、制药工艺学等。 新药创制药物分子设计（Molecular drug design）l 药物分子设计是指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（new chemistry entities， NCE）的分子操作。 药物分子设计原因l （1）（2）二、新

2、药创制的四要素 l （一） 药物作用靶标的确定l （二） 活性评价系统的建立l （三）先导化合物的发现l （四）先导化合物的优化 药物化学内容药物化学内容药理学范畴药理学范畴抗高血压的作用靶点三、药物分子设计的策略基础l 药物分子的多样性l 药物分子的互补性l 药物分子的相似性第二节 分子的多样性先导化合物的发现l 一、天然生物活性物质l 二、组合化学方法制备化学库一、天然产物具有的多样性，是先导化合物的重要来源l 自然界生物的多样性决定了天然化合物的多样性。植物、动物、微生物以及海洋生物等产生的各色各样的次级代谢物质（secondary metabolites）。l 我国有悠久的文明历史，中

3、草药和丰富的医药遗产，是发现先导物的宝库；民间治疗疾病的偏方验方，也是由天然物质获取先导物的来源。l 各种分离手段如层析法、电泳、凝胶过滤等方法的采用和包括X-线晶体学在内的仪器分析方法用于确定天然产物的化学结构、绝对构型和构象，使得分离鉴定天然产物的研究工作能够迅速、准确地完成，微量复杂结构成分也因使用先进的分离鉴定手段而得以成为有价值的先导物。青蒿素（Artemisinine）OOOOO 青蒿素ArtemisininOOOOORR=H 二氢青蒿素 DihydroartemisininR=CH3 蒿甲醚 ArtemetherR=COCH2CH2COOH 青蒿琥酯 Artesunate生物利用

4、度低生物利用度低复发率较高复发率较高水溶性差水溶性差生物利用度提高生物利用度提高紫杉醇(Paclitaxel) NHOOHCOROH3COHOOHROOCOC6H5AcOOR=Ph， R=Ac 紫杉醇R=t-Bu， R=H Docetaxel含量少(0.02%)，溶解度低，生物利用度差洛伐他汀(lovastain) OCH3HOHOOOH3CH3CH3COHCOONaHOFCH(CH3)2Hfluvastain阿伐他汀阿伐他汀(atorvastatin)NOHCOOHHOFCONH羟甲戊二酰辅酶A还原酶抑制剂CH3CO-SCoAOCOOHSCoAHOCH3OHCOOHHOCH3胆固醇多步甲羟戊

5、酸HMG-CoAHMG-CoA还原酶NADPH洛伐他汀洛伐他汀二、组合化学l 组合化学是近十年发展起来的化学合成的新方法，是药物化学的一个重要组成部分。l 组合化学是基于一系列组建模块（building block），可能发生不同的组合方式，从而可快速合成数目巨大的化学实体，构建化合物库，配合高通量筛选（high throughput screening，HTS），在同一时间内合成数目众多、用于生物评价的群集分子，如肽类、寡核苷酸和非聚合型的有机化学分子。经典合成法和组合化学法比较组建模块与形成化合物数量间的关系l 以代数级数增加组建模块的数目，所生成的化合物数虽则成几何级数的增加。一个分子中

6、连接的模块数模块总数为10个模块总数为100个3103106410410851051010组合化学和高通量筛选Gordeev等用固相法合成1,4-二氢吡啶组合库FmocHN20%哌 啶DMF分 成 10份R2OR1OO2a2jDCM 4A MS.10个 反 应 容 器合 并R2OR1ONH3a3j分 成 30份R3R4OO4a4c 5a5c30个 反 应 容 器HArOR2OArOR1NHR4OOR33%TFA，DCMNR2OR3OArHR3R4O 6A6C 30个 反 应 容 器每 个 含 有 10种 化 合 物H2N5a5j10种种23种种410种种5第三节 分子的互补性先导化合物的发现l

7、 一、分子识别l 配体与受体相互作用的本质是分子识别。l 分子识别是由于两个分子的多个特定的原子或基团性质的互补性和空间的适配所驱动的，这种特异性的本质是双方的互补性。l 药物与受体的分子识别和相互作用，大都形成非共价键作用，与维持机体的生物大分子的空间结构的键合力在本质上是相似的（氢键、静电引力和疏水作用）。l 药物和受体分子构象变化，诱导契合。二、基于受体结构的药物分子设计l 确定并了解受体分子的三维结构，特别是受体与配体分子形成的复合物的三维结构，是基于受体结构的分子设计的前提。l 受体蛋白的空间结构可用X-线晶体衍射方法、核磁共振方法、同源蛋白法以及计算化学与分子图形学结合。卡托普利(

8、Captopril)NCCHCH2HSCH3OCOOH血管紧张素转化酶抑制剂2-benzylsuccinic acid & succinic acid binding to enzyme 羧肽酶A血管紧张素转化酶Development of Captopril Succinyl-L-Proline D-2-methyl-Succinyl-L-Proline3-Mercaptopropanoyl-L-Proline IC50 200nm1000 times than Succinyl-L-ProlineCaptoprilIC50 1.7nmNCH2HSOCOOHCH3NCH2HSOCOOHNCH

9、2COCOOHOHOCH3NCH2COCOOHOHOHIV蛋白水解酶抑制剂NNNOHR1OHR2OHOHHILe50 Ile50NNOOOHOOHAsp25 AsP25Asp25 AsP25ILe50 Ile50IC50=0.27nmol/L人免疫缺陷病毒蛋白水解酶三、反义寡核苷酸l 基于DNA或信使RNA (mRNA)的结构，设计寡核苷酸是药物分子设计的一种方法。l DNA双螺旋的互补性结合是通过核酸A与T、G与C之间的氢键所维持。DNA的两个重要的功能DNAmRNA细胞分裂蛋白质DNA复制复制转录转录翻译翻译反义寡核苷酸与mRNA结合的模式图AGATCCATCTAGGT反义寡核苷酸l 反义

10、寡核苷酸指基于DNA或mRNA的结构，根据核酸之间碱基互补原理，设计能与DNA或者mRNA发生特异性结合的互补链，分别阻断核酸的转录和翻译功能，从而阻断与病理过程有关的核酸或蛋白质（酶或受体）的生物合成。l 许多疾病的原因是基因组的缺陷或在基因转录或翻译过程中的失常，迄今为止研究的比较清楚的是癌症和病毒性疾病。反义寡核苷酸作为药物应满足条件l 容易合成并可大量制备；l 在体内稳定，能够耐受核酸酶对它的磷酸二酯键的水解；l 能够进入并停留在靶组织处；l 能够穿越细胞膜；l 能够与靶细胞内核酸发生作用，但不与其它生物大分子反应。反义核苷酸分子结构的要求l 反义寡核苷酸要有一定的长度，链长一般152

11、0碱基。增加核苷酸数会通过选择性，因而降低毒副作用，但超过25个碱基的寡核苷酸难以透过细胞膜，不宜作为反义寡核苷酸。l 由于寡核苷酸的磷酸二酯键很容易被核酸酶水解，可把反义寡核苷酸制成核苷酸模拟物，包括改变磷酸二酯、脱氧核糖、碱基和末端的结合物。设计反义寡核苷酸的修饰位点O碱基OPOXOOO碱基POXOOO碱基RO天然碱基A,G,C,TX=O 天然磷酸二酯X=CH2 甲基膦酸酯X=氧烷基 磷酸三酯X=S 硫酸酯X=烷基磷酰胺酯（胺伯胺，二烷胺， 吡咯烷，哌啶或吡嗪）构型聚赖氨酸或羧甲基右旋糖结合物NNNNNH2NNNNNH2NH2NNNOSO4,SiO2(烷基),CH2COO,CONH,CH2

12、CH2SCH2硫代寡核苷酸l5GCCCAAGCTGGCATCCGCA-3 10 20 抗炎药l5TTGCTTCCATCTTCCTCGTC-3 10 20 抗艾滋病药阿福韦生第四节 分子的相似性先导化合物的发现和优化一、基于内源性配体分子的药物设计l 一些内源性物质例如激素、维生素、神经递质等过多或过少产生时，造成异常的失衡和病理状态。它们及其代谢中间体或产物，都可以作为生物活性物质设计的出发点，对它们的结构变换，或增强原生理或生化过程，或阻断、拮抗原过程，对异常的机体功能起到调节或纠正作用。l 模拟内源性分子的化学结构，通过改变分子的某些原子、基团或片断，或模仿分子的形状和性质，仍保持对受体的

13、分子识别能力，以激活受体的作用（激动剂），或阻断受体的功能（拮抗剂）。（一）氟尿嘧啶HNNOHOHNNOFHO胸腺嘧啶合成酶（二）甲氨蝶呤NNNNRH2NCH2NCONHCHCH2CH2COOHR1COOH12345678R R1 OH H 叶酸NH2 CH3 甲氨喋呤二氢叶酸还原酶二、过渡态类似物l 模拟过渡态的结构，并使之成为稳定的化合物，设计酶的抑制剂，是药物设计的一种重要方法。淘宝才智在线旺旺有心成晨QQ75409349042腺苷脱氨酶抑制剂的设计NNNH2OOHOHNNHOHNNH2NOOHOHNNHOOHHNNOOOHOHNNHOHNNHOOHOHNNHOCH2OH1,6-二氢-6

14、-羟甲基嘌呤核苷腺苷脱氨酶NHOOHO HNNHOCH2O HHNconform ycinNHOO HNNHOCH2O HHNdeoxyconform ycin三、肽模拟物l 生物活性肽如激素、神经递质、细胞因子等有多种生物活性，与相应受体结合，过多或过少会引发特异生理作用。l 然而肽作为药物具有许多缺点，例如口服生物利用度低；难以穿越血脑屏障；在体内易被水解失活；注射异源性肽会产生过敏反应；具有多种构象，产生副作用。l 为克服这些缺点，对肽结构进行化学结构修饰，成为肽模拟物。肽模拟物l 肽模拟物是一类能够模拟肽分子与受体或酶的相互作用，成为可激活或阻断某种生物活性的非肽、类肽或拟肽。l 其特

15、征是，用非肽或拟肽作骨架，在适宜的位置连接药效团，使得药效团的空间分布相似于肽的活性构象的药效团分布。肽的结构修饰l 常用的方法是通过氨基酸的变换，限制肽的构象。l 例如-碳的氢原子被烷基取代， -氨基的烷基化，引入、-不饱和双键，引入或并合脂环，L-构型变成D-构型氨基酸， -氨基酸替换-氨基酸等。l 骨架的改变，由于不能被水解酶识别，因而增加了代谢稳定性。糖蛋白IIb/IIIa受体拮抗剂H2NNHNHONHHNHNONONHOCH3OCOOHCH3NHOCH3OOHNOCH3ONONHH2N1.51.7nm非肽类抑制剂罗昔非班IC50=0.25nmol.L-1肽类抑制剂DMP728防治血小

16、板聚集防治血小板聚集四、生物电子等排置换lMe-too，me-better五、剖裂物、同系物、插烯物、合环和开环l 相似性原理的应用，还可以根据先导物的结构复杂性和要达到的目的而变换。l 结构复杂的先导物可设计剖裂物。l 分子大小适中的化合物则可用同系物、插烯物、合环和开环等变换。（一）剖裂物l 先导物为天然产物，结构一般比较复杂，常常用剖裂方法，作分子剪切进行结构优化。镇痛药NOHCH3OOHNCH3OHNRRCH3OHNCOOC2H5CH3吗啡 吗啡喃苯并吗啡烷 哌替啶（二）同系物l 同系物是指分子之间的差异只是亚甲基数的不同所构成的化合物系列，这是最常见的优化方法。l 烷基链的增长或缩短

17、，会影响化合物的疏水性和立体性(尤其是含支链如叔丁基)，但对电性影响较小。l 通过对同系物增加或减少饱和碳原子数，改变分子的大小可以优化先导物。2-(3-烷氧基-哌嗪基-)-1,2,5,6-四氢-1-甲基吡啶NNORNCH3l R=CH3 C4H9l 亲和力Ki (mol.L-1) 850 17M1受体激动剂利福喷汀（ Rifapentine）OH3COHOHNHROHOCH3OOHCH3COOCH3CH3CH3OHCH3CH3CH3ONNCH3NCHR=NNNCH利福喷汀（ Rifapentine）Rifampine）药效增加210倍烷基碳数对药理活性影响l 同系物活性的变换随化合物类型与活

18、性特征的不同，无固定规律。肾上腺素能激动剂NHR2HOHOOH R2 = H 去甲肾上腺素 R2 = CH3 肾上腺素 R2 =i-C3H7, C(CH3)3减弱升血压受体受体有时烷基碳数的变化还会引起药理作用的翻转。（三）插烯物l 分子中引入双键形成插烯物。l 双键的引入改变了分子的构型、构象和分子形状，生物活性会有较大的影响。l 双键的加入，可认为添加了功能基，可增强生物活性。例如含双键的巴比妥药物的镇静作用强于饱和化合物，顺式苯丙烯酸具有植物生长调节作用，而无插烯的苯甲酸和饱和的苯丙酸则无此活性。插烯原理（Vinylogy principle） l 插烯原理是：分子A-B可以制成 A-(

19、CH=CH)n-B，n1，2，3，或A、B处于苯环的邻位或对位，在电性分布上A、B基团犹如直接相连。l 设计新药时根据插烯原理，有时可以得到活性相似或活性更强的药物。普鲁卡因局麻作用COOCH2CH2N(C2H5)2H2N普鲁卡因COOCH2CH2N(C2H5)2H2N插烯普鲁卡因CH=CH局麻作用局麻作用胡椒碱NH2OOONHROX胡椒碱抗癫痫作用桂皮酰胺类注意l A、B被乙烯基或共轭多烯链分开，由于空间距离的变化，有时对生物活性有较大的影响。（四）开环和闭环l 饱和链状化合物闭环成环状化合物或环状化合物开环成链状物是药物设计中常见的方法。l 闭环或开环后，对分子的形状，表面积和构象引起的变

20、化，会对药代动力学有影响，也会直接或间接地影响药效学。l 药效团或重要功能基的立体配置，可经合环方法将柔性的结构“固定”于特定的构象，有利于提高药理作用的特异性和确定药效构象。l 链状肽环合成环肽，构象受到限制，可提高选择性作用，而且也增加了代谢稳定性。药效构象的确定HOHONH(CH3)2HON(CH3)2HOHON(CH3)2OHN,N-二甲基多巴胺 3,4-环合物 4,5-环合物活性强二乙基环合成环戊基OONOCH3CH3 喷托维林OONCH3CH3OCH3CH3止咳药奥昔拉定常用的变换常用的变换二乙胺基环合成吡咯烷基N+OHCH3三环氯胺Cl-N+CH3OHCH3CH3 曲地碘铵抗胆碱

21、药物I-常用的变换常用的变换氧氟沙星NOCOOHNFNCH3OCH3氧氟沙星NOCOOHC2H5NFNH3C培氟沙星NOCOOHNFNCH3CH3OPC-7241六、药物合成的中间体l 合成天然活性物质或在药物合成的反应中，产生的中间体与目的物之间，结构往往具有相似性或相关性，或有相同的药效团配置，这时合成的中间体会呈现与终产物相似或相同的活性。（一）硫脲和肼类药物H2NSO2NHSNN磺胺噻二唑NHNNH2SNHOCH3阿密硫脲CONHNH2异烟肼抗结核药（二）联苯双酯（Bifendate） CH3OOCH3OOOO五味子丙素OOOOCOOCH3COOCH3OCH3OCH3联苯双酯七、基于代

22、谢转化l 机体通过生物转化反应，使药物代谢失活或代谢活化。在化学结构上原药与代谢物是具有相似性的。l 在药物化学上，利用代谢活化原理，设计前药；利用代谢失活，设计软药。（一）前药l 前药是将有药理活性的原药与某种化学基团、片断或分子经共价键形成暂时性键合。这样形成的新化学实体，本身无活性，到达体内的适当时刻或部位，经机体代谢作用或化学水解过程，裂解掉暂时的转运基团，生成原药，呈现药理活性。Prodrug l Prodrug is refered to a pharmacologically inactive compound that is transformed by the mammali

23、an system into an active substance by either chemical or metabolic means.l This included both compounds that are designed to undergo a transformation in order to yield an active substance and those that were discovered by serendipity to do so. 前药生成和作用模式药物暂时转运基团化学合成体内再生药物暂时转运基团共价键前药前药的特征 l 1. 原药与暂时转运

24、基团以共价键连接，在体内可断裂，形成原药。l 2. 前药无活性或活性低于原药。l 3. 前药或暂时转运基团无毒性。l 4. 前药在体内产生原药的速率是快速的，以保障原药在作用部位有足够的药物浓度，并且在体内应当尽量减少前药的直接代谢。 原药分子中可形成前药的基团包括：l OHl COOHl NH2（CONH2）l C=O 前药修饰的目的l 1. 增加脂溶性以提高吸收性能l 2. 部位特异性l 3. 增加药物的化学稳定性l 4. 消除不适宜的制剂性质l 5. 延长作用时间丁酰噻吗洛尔ONHC(CH3)3ORNNSNO R=H （噻吗洛尔） pKa=9.2 lgP=-0.04治疗青光眼降低眼压透过

25、角膜的能力增加46倍R=CH3CH2CH2CO（丁酰噻吗洛尔） lgP=2.08海他西林NSCH3CH3COOHOCHCO-NHNH2氨苄西林(Ampicillin)NSCH3CH3COOHONHNOCH3CH3 海他西林（hetacillin）口服生物利用度低口服生物利用度低谷酰胺左旋多巴HOHONCO(CH2)2CHCOOHHCOOHNH2谷酰胺左旋多巴肾脏中具有较高活性的谷氨酸转移酶和芳香氨基酸脱羧酶肾脏多巴胺 谷氨酸 CO2扩张肾脏血管N不同酰肼对单胺氧化酶抑制作用的组织特异性CONHNHCH(CH3)2化合物心肌儿茶酚胺增加脑内5-羟色胺增加比值1001001.0752503.314

26、5600.4HOOC(CH2)2CH(NH)CONHNHCH(CH3)2CH3(CH2)14CONHNHCH(CH3)2前列腺素E2OHOHOOHO软化子宫颈使子宫成熟OHOOHOCOCH3OO前列腺素E2乙酰苯酯毛果芸香酸二酯NNCH3CH3OO水解容易毛果芸香碱NNOCORCOORCH3CH3毛果芸香酸二酯降低眼压，治疗青光眼NNOHCOORCH3CH3酶促毛果芸香酸单酯氯霉素棕榈酯CHCHO2NCH2OCOC15H31OHNHCOCHCl2水溶解度小，无苦味，无活性林可霉素和氯洁霉素棕榈酸酯NCH3CHO-NHC3H7CHCHOHOHOCOC15H31SCH3CH3RR=OH 林可霉素酯

27、R=Cl 氯洁霉素酯无苦味，无活性雌二醇烯醇醚(EBCO)OOO长效氟奋乃静NSCH2CH2CH3CF3NNCH2CH2ORR= H 氟奋乃静长效R=COC6H13 氟奋乃静庚酸酯6.抗体导向酶催化前药（ADEPT)(Antibody-directed Enzyme Prodrug Therapy) l 抗体对应于相应的抗原有高度的识别能力和特异性结合，因而将抗体作为载体与酶相连结，应显示很强的靶位特异性和选择性，把酶带到到有表面抗原的细胞和组织处。l 前药在体内代谢或水解生成原药，呈现药理活性。抗体导向酶催化前药的原理l 将单克隆抗体与酶经共价键合制成偶联物，注射到含有对应抗原的动物体内，由

28、于单克隆抗体的导向作用，使偶联物聚集在有表面抗原的细胞周围。经一段时间后，体内给予前药，则细胞附近的酶将前药转变为活性形式，发挥疗效。而正常组织中，由于缺乏抗原，含酶的偶联物分布较少，因而前药不会被活化。药理作用前药抗体导向酶催化前药作用模式酶单克隆抗体对应抗原的动物注射导向表面抗原周围细胞原药偶联物偶联物抗体导向酶催化前药的酶系l 羧肽酶G2、羧肽酶A0、碱性磷酸酶、糖苷酶、胞嘧啶核苷脱氨酶、青霉素酰胺酶、内酰胺酶等。（1）碱性磷酸酶l 碱性磷酸酶没有免疫原性，可以活化许多前药，它对底物结构的特异性不高。l 人的碱性磷酸酶与人源性单抗偶联物，在正常组织存在会因前药水解而产生毒性。用牛小肠的碱

29、性磷酸酶与抗体偶联，提高特异性。依托泊苷OOOCH3OOROCH3OOOOCH3OHHOR= H EtoposideR=PO3Na2 Etoposide phosphateN-羟基丝裂霉素C膦酸酯NOOCH3HNROOCH3NHCH2OCONH2R= H N-羟基丝裂霉素C膦酸酯R=PO3Na2 N-羟基丝裂霉素C膦酸酯（2）糖苷酶OOO-OHOHOHONCH2CH2ClCH2CH2Cl+N(C4H9)4ADEPTIC50=34mol.L-1葡糖苷酶HONCH2CH2ClCH2CH2Cl对羟基苯胺氮芥对羟基苯胺氮芥ProdrugIC50=1890mol.L-1癌细胞葡糖苷酶抗体导向催化前药示意

30、图人结肠癌细胞抗体CEA抗原-葡糖苷酶细胞毒作用S对羟基苯胺氮芥对羟基苯胺氮芥OOO-OHOHOHONCH2CH2ClCH2CH2Cl+N(C4H9)4IC50=34mol.L-1（3）内酰胺酶l 内酰胺酶是细菌产生的分解内酰胺类抗生素的水解酶，哺乳动物体内没有此酶。l 将头孢菌素与细胞毒类药物如长春新碱或苯胺氮芥相连的前药，毒性作用大大降低。l 癌胚抗原的抗体与内酰胺酶的偶联物可提高这些前药的抗癌作用。长春碱前药NSCOOROCH2CONHO NHO长春碱NSCOOHOCH2CONHCH2OH+ CO2 + 长春碱OO癌细胞内酰胺酶抗体导向催化前药示意图FabCEM231CEA抗原-内酰胺酶

31、内酰胺酶细胞毒作用S长春碱长春碱NCOOROCH2CONHOO NHO长春碱（二）软药（二）软药l 软药指一类本身有生物活性的化学实体，当在体内起作用后，经预料的和可控制的代谢作用，转变成无活性和无毒性的化合物。l 软药的活性通常是在局部呈现药理作用，当分布扩散到其他部位时，会迅速代谢失活，从而避免出现不良反应和毒性。l 水解酶的酯酶是最常用于软药设计的靶酶。Soft-drugl Soft drug are active compounds that, after exerting their desired pharmacological effect, are designed to un

32、dergo metabolic inactivation to give a nontoxic product.基于无活性代谢产物的软药l 软药设计使用最多的是基于无活性代谢产物的软药。l 其基本原理是将已知的药物或无活性的代谢产物为先导物，经电子等排，设计的新化合物具有活性，但经一步代谢步骤而失活。1. 阿片样镇痛软药NCH2CH2COOCH3NCOC2H5C6H5CO2CH3NCH2CH2R1NCOC2H5C6H5RNCH2CH2COOHNCOC2H5C6H5R软药设计无活性代谢物 瑞芬太尼 t1/2=1021min 不会蓄积中毒，减少呼吸抑制的危险R1=苯基， R2=H 芬太尼R1=苯基

33、， R2=COOCH3卡芬太尼2.受体拮抗剂软药OHNCH3OCH3OHCH3OHNCH3HOOHCH3OHNCH3OCH3OHCH3OHOHNCH3HOOHCH3OOHNCH3OOHCH3ORnOHNCH3OOHCH3OHOnCH3CH3代谢失活软药设计软药 无活性代谢物美托洛尔 O去甲基美托洛尔无活性代谢物羟基美托洛尔H阿达洛尔OHNCH3OOHCH3O治疗老年青光眼硬药（硬药（Hard-drug)lHard drugs are compounds designed to contain those structural characteristics necessary for pharmacological activity but in a form not susceptible to metabolic or chemical transformation.lIn this way, the production of any toxic metabolite is avoided, and there is an increased efficiency of action.N-十四烷氧甲基吡啶嗡NCH2CH2CH2(CH2)12CH3不反应NCH2OC(CH2)12CH3O酶促反应NCH2OHN+ HCHO+ CH3(CH2)12COOH快速