第二章藥物篩選與發(fā)現(xiàn)（設(shè)計(jì)）

Chapter2Drugscreening&discovery(design)口服藥物的共性：Lipinski歸納的“類藥5規(guī)則”(RuleofFive)，概括了類藥的最低標(biāo)準(zhǔn)，即分子量在500以下；氫鍵的給體不超過(guò)5個(gè)；氫鍵的接受體不超過(guò)10個(gè)；計(jì)算的分配系數(shù)(正辛醇-水系統(tǒng))clogP值不超過(guò)5。上述原則只限于化合物經(jīng)被動(dòng)擴(kuò)散機(jī)理的吸收?；衔锏娜嵝圆灰诉^(guò)強(qiáng)。否則會(huì)存在許多種構(gòu)象(RB<=5)化合物不得含有重金屬和反應(yīng)活性基團(tuán)。基于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在受體結(jié)構(gòu)信息已知的情況下，可根據(jù)結(jié)合部位的三維結(jié)構(gòu)信息，用分子對(duì)接方法，對(duì)互補(bǔ)性好、評(píng)分高的化合物，可預(yù)計(jì)有較強(qiáng)的親和力。若不知受體的三維結(jié)構(gòu)，可根據(jù)藥效團(tuán)特征篩選虛擬庫(kù)，并以不同程度的限制條件，“濾除”與藥效團(tuán)無(wú)相似性的分子。知識(shí)產(chǎn)權(quán)的預(yù)測(cè)化合物具備自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利保護(hù)(IP)的前景，是開發(fā)決策的重要指標(biāo)，篩選虛擬庫(kù)和組合庫(kù)時(shí)要剔除已被其它專利覆蓋或有可能侵權(quán)的化合物。所以，完備的化合物檢索查新系統(tǒng)可確保化合物結(jié)構(gòu)的新穎性。()天然活性物質(zhì)高通量篩選基于配體或底物的分子設(shè)計(jì)基于藥物的副作用基于代謝作用幸運(yùn)Serendipity基于片段的藥物發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)1、天然活性物質(zhì)直接作藥物：利血平，萬(wàn)古霉素（糖肽類抗生素）Reserpine：腎上腺素能神經(jīng)元阻斷性抗高血壓藥，提取于蘿芙木屬多種植物2、天然活性物質(zhì)作先導(dǎo)物，適當(dāng)分子變換：紫杉醇，長(zhǎng)春堿Paclitaxel:促進(jìn)微管蛋白聚合，阻止其在有絲分裂的功能，治療卵巢癌、乳腺癌、惡性黑色素瘤。docetaxel:水溶性增加，活性〉紫杉醇，無(wú)交叉耐藥1.天然生物活性物質(zhì)作為先導(dǎo)物3、改造天然產(chǎn)物L(fēng)DL-C:引起動(dòng)脈粥狀樣硬化、心肌梗死桔青霉Penicilliumcitrinum提純得到LovastatinLovastatinKi=1nMKm=10mMstatinsAtorvastatin(Lipitor,bestsale)FluvastatinPitavastatin(Nisvastatin)青蒿素青蒿素Artemisinin黃花蒿Artemisiaannula蒿甲醚Artemether(NovartisPCT)生物利用度較低復(fù)發(fā)率高喜樹堿羥基喜樹堿Hydroxycamptothecin喜樹(中國(guó)）Camptothecaacuminata拓?fù)涮婵礣opotecan（GSK2007）水溶性較差，毒性大作用于DNAtopoisomeraseI（化療藥物）治療SCLC，卵巢癌，結(jié)腸癌南美洲古柯ErythroxylumcocaLam局麻藥可卡因Cocaine普魯卡因Procaine（1905）Lidocaine（1943Synthesis;1949onmarket)動(dòng)物毒素蛇毒Bungarotoxin，N2受體拮抗劑肌松藥蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓藥魚毒Tetrodotoxin，鈉通道阻斷劑心血管藥物蜂毒Apamin，鈣通道阻斷劑和鉀通道開放劑心血管藥物2、高通量篩選（HTS）多靶標(biāo)對(duì)化合物庫(kù)的篩選（目前的主要篩選方法）立體篩選方法的靈敏性、微量化、自動(dòng)化大容量多樣性化合物庫(kù)組合化學(xué)

Combinatorialchemistry同時(shí)制備含眾多分子的化合物庫(kù)以代數(shù)級(jí)數(shù)增加構(gòu)建塊的數(shù)目，庫(kù)容量則以幾何級(jí)數(shù)增加與高通量篩選（high-throughputscreening,HTS）技術(shù)結(jié)合，可極大地加快先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化的速度平行合成和混分合成固相合成和液相合成小分子組合合成計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及虛擬庫(kù)合成Cons:Lowhitrate:0.001%LowdruggabilityHighfalsepositiverate組合生物合成

Combinatorialbiosynthesis基本原理基因變異（混合、匹配、交換、突變等）基因克隆多種變異的酶系多種非天然的天然物質(zhì)聚酮合酶催化合成紅霉素巖白菜內(nèi)酯的生物催化組合庫(kù)Impactofhigh-throughput

screeninginbiomedicalresearchMacarron,R.NATUREREVIEWSDRUGDISCOVERY10:188-195(2011)3、基于配體或底物的分子設(shè)計(jì)酶反應(yīng)過(guò)程：酶抑制劑酶結(jié)構(gòu)底物、過(guò)渡態(tài)、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)ACEI、COX-2、GABA-T、MAO抑制劑等抗代謝物：酶抑制劑，致死合成與受體作用過(guò)程：激動(dòng)劑或拮抗劑受體結(jié)構(gòu)配體結(jié)構(gòu)腎上腺素能藥物、膽堿能藥物、甾體藥物等5-hydroxytryptamine(5-HT)：神經(jīng)遞質(zhì)，低水平--〉偏頭痛5-HTreceptorisomers:5-HT1,5-HT2,5-HT3Activity(5-HT1)=2(vs.5-HT)Activity(5-HT2)=1/25Sumatriptan（GSK，2009expired)：Activity(5-HT1)=?對(duì)5-HT2,5-HT3，多巴胺和腎上腺能受體無(wú)作用Structuralbasisformolecularrecognitionatserotoninreceptors.

(2013)Science340:610-6145-HT3受體阻斷劑MetoclopramideBlockdopamine&5-HT3止吐，胃動(dòng)力藥CleboprideDopamineblocker胃動(dòng)力不變5-HT3blocker>clebopride300folds無(wú)dopamine拮抗Setrons:治療腫瘤化療引起的惡心嘔吐granisetronpalonosetronOndansetron血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin-convertingenzyme,ACE)抑制劑Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-LeuAsp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-PheACE（angiotensinII:強(qiáng)效收縮血管）Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-ArgAngiotensinIBradykinin:血管舒張劑ACEArg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-ProHypotheticalactivesiteofcarboxypeptidaseAHypotheticalbindingofinhibitorstoACEcaptoprilenalaprilEnalaprilat(enalapril的代謝活性組分）ACE小分子擬肽抑制劑ACE的功能羧肽酶A的作用模式肽類抑制劑的結(jié)合模式羧烷基脯氨酸卡托普利依那普利等CrystalStructureoftheHumanAngiotensin-ConvertingEnzyme-LisinoprilComplex(2003)Nature421:551H2受體拮抗劑類抗?jié)兯?/p>

選定靶點(diǎn)－組胺H2受體(確立研發(fā)目標(biāo)－抑制胃酸分泌藥物)

建立動(dòng)物篩選模型－麻醉兔灌胃從H2受體天然激動(dòng)劑－組胺入手，以其為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，保留咪唑環(huán)，改變側(cè)鏈，開始優(yōu)化IIb/IIIa糖蛋白受體拮抗劑血栓形成的關(guān)鍵步驟是纖維蛋白原與血小板IIb/IIIa受體結(jié)合。被IIb/IIIa受體識(shí)別和相互作用的主要區(qū)段是纖維蛋白原的三肽片斷Arg-Gly-Asp（RGD）。蛇毒或水蛭素中含有RGD的線形或環(huán)狀肽，是阻斷IIb/IIIa受體活化從而抑制血小板聚集的藥效團(tuán)。含有或模擬RGD結(jié)構(gòu)的肽或擬肽可作為纖維蛋白原的拮抗劑，是創(chuàng)制抗血栓藥物的一個(gè)新途徑。RGDSibrofibanRoxifiban4、SOSA磺胺治療細(xì)菌感染時(shí)，發(fā)現(xiàn)利尿作用.Acetazolamide口服利尿Dichlorphenamidechlorthiazidehydrochlorthiazidecyclothiazide長(zhǎng)效利尿藥bendroflumethiazide長(zhǎng)效利尿藥Sulfasomizole治療傷寒病，胰島素釋放急性和持久性低血糖sulfasomizoleCarbutamide,更強(qiáng)的降糖作用，治療糖尿病Iproniazid治療結(jié)核病，情緒提高抑制單胺氧化酶MAO靶標(biāo)抑郁型精神病Isoniazid無(wú)抗抑郁iproniazidphenelzinetranylcypromineselegiline抗抑郁藥Zaprinast抗過(guò)敏藥擴(kuò)張血管、降血壓抑制PDE5：治療心絞痛cGMP：擴(kuò)張血管，增加血流量sildenafilcGMP

NO

第二信使增強(qiáng)勃起功能(ED)模擬創(chuàng)新：代謝活化活性代謝物作為先導(dǎo)物前藥設(shè)計(jì)代謝失活軟藥設(shè)計(jì)5、基于代謝作用抗瘧藥環(huán)氯胍保泰松的代謝活化6、幸運(yùn)結(jié)構(gòu)解析錯(cuò)誤PenicillinChlordiazepoxide(Roche)cisplatincarboplatinoxaliplatinlobaplatinMoregoodluck:7.FBDD的理論框架：結(jié)合能的加和性35Jencks,PNAS1981;Farmeretal.,TrendPharmSci1982低分子量化合物更好匹配與靶點(diǎn)的互作36Hann,JChemInfComputSci2001FBDD的特色FBSandHTSarehighlycomplementary生物物理的方法檢測(cè)蛋白-苗頭化合物的結(jié)合Smallisbetter(efficientlysamplechemicalspace,higherhitrate,higherLigandEfficiency,lessfalsepositiveresults,novelPPItargets,intuitive)~10937~1060生化/細(xì)胞表型苗頭化合物到藥物的分子特性變化片段分子滿足類藥三原則：分子量≤300氫鍵給體數(shù)≤3氫鍵給體數(shù)≤3

clogP≤3額外：可旋轉(zhuǎn)鍵≤3極性表面積≤60

?2大部分口服藥物滿足類藥五原則FragmentsScreeningmethods篩選方法分子庫(kù)初次篩選蛋白量?jī)?yōu)勢(shì)/劣勢(shì)晶體衍射1K不適用>10mg

低命中率，低通量

廣泛用于后期優(yōu)化核磁共振1K適用>10mg

高命中率(2~8%,可藥性).假陽(yáng)性結(jié)果較少ITC1–2K不適用~gSPR2–5K適用~mg

需要三周機(jī)時(shí)

和NMR結(jié)果交叉驗(yàn)證HCS5–30K適用

不同靶點(diǎn)需開發(fā)不同的生物分析技術(shù)（難以外包）假陽(yáng)性結(jié)果較多片段篩選的技術(shù)手段39FBDD廣泛適用于各類靶點(diǎn)40Johnson,JMC2016FragmentLibraryTargetX-ray/NMRStructuresbcaNMRCompetitiveBindingExperimentEvolutionValidationBiacoreHSQC*Hubbardetal(2007),CurrTopicsMedChem,7,1568BiacoreFragmentBasedLeadDiscovery42Structure-guidedhit-to-leadevolutionVenetoclax2016年FDA批準(zhǔn)BAShukeretal.,Science

1996FBDD的開創(chuàng)性成果FragmentsScreeningmethods苗頭化合物-先導(dǎo)化合物的優(yōu)化策略4323策略2:片段增長(zhǎng)策略1:片段連接策略3:片段自組裝Clinicalcandidatesoffragment-derivedcompoundsErlanson,NatRevDrugDisc

2016443drugsapproved(Vemurafenib,Venetoclax,Erdafitinib)>3candidatesinPhaseIII>10candidatesinPhaseII>20ca