课件：药物发现与计算机辅助设计简介.ppt

药物发现与计算机辅助设计简介,3,药物研究发展史 From The Phenomenological Era To The Biochemical & Cellular Era,偶然发现：青霉素的发现,先导化合物优化：头孢菌素、青蒿素衍生物,随机筛选：链霉素的发现,药物新用途：Viagra,青霉素的发现者弗莱明是英国细菌学家。1922年，他发现人的眼泪、唾沫及感冒后的鼻涕里都含有一种能溶解细菌的物质，并为它取名为溶菌酶。弗莱明认为，溶菌酶可用作抗生素。为了进一步研究溶菌酶的抗菌效果，他需要纯化的细菌。在当时的情况下，他只能用琼脂培养皿自己培养分离不同的细菌。一切都有条不紊按部就班地进行着，直到1928年夏天，弗莱明发现其中一只培养皿内的霉菌有点特别，霉菌周围没有细菌生长，但远处的细菌却正常生长。弗莱明对这一现象百思不得其解，但多年形成的科学素养让他觉得不该将这个奇怪的现象随便放过。敏锐细心的弗莱明不仅保留了原始的培养皿，而且还拍了照，并就此进行深入的研究。他将这种奇特的霉菌孢子取出，单独培养，接种上不同的细菌，结果发现有的细菌生长，有的则不生长。他又将该霉菌种入液体培养基中，也发现有的细菌生长，有的不生长。分析后发现，该霉菌能杀死炭疽杆菌、白喉杆菌、葡萄球菌、链球菌等凶猛的革兰氏阳性菌，而革兰氏阴性菌如痢疾杆菌、流感杆菌、伤寒杆菌等都不受影响。根据长期研究溶菌酶的经验，弗莱明推断这种霉菌一定是产生了一种抗菌物质，而这种抗菌物质有可能成为击败细菌的有效药物。按惯例，1929年，弗莱明将这种抗生素命名为青霉素。 由于当时的医学界不相信青霉素的治疗效果，而且弗莱明所在的研究所的所长也不支持对青霉进行深入研究，弗莱明只好孤军奋战。由于缺乏必要的实验条件、实验经费及合作者，他终究没有成功地将青霉素分离提纯出来，以进行临床试验。直到二战爆发，巨大的战争伤亡对抗菌药物产生了迫切的需求，凡是有可能抢救生命、防止感染死亡的药物都得到了前所未有的关注与支持，青霉素才被人从故纸堆中翻了出来。完善的设备、充足的经费以及弗洛力和钱恩等20多名病理学家、生物学家、细菌学家、医学家一年的分工合作，才奠定了青霉素的治疗学基础。青霉素这种特效药花了近十年的时间才走完从发现到临床应用的过程,“蓝色小精灵”-“万艾可“ 的发现,“万艾可“ 是“VIAGRA”（商品名）的中文译名，它的充满传奇色彩和令人惊羡的发现史与“VIAGRA之父”尼克特瑞德博士息息相关。尼克特瑞德是一位来自剑桥大学的有机化学博士，在1984年就进入美国辉瑞制药有限公司工作。 1986年，在他的领导下，美国辉瑞制药有限公司化学小组耗费巨资对大量具备扩张血管作用的心血管新药进行筛选研究的过程中，发现其中一种代谢产物Sildenafi（枸椽酸西地那非），虽然也可能具备扩张血管的作用，但经多次降压作用的筛选试验后，却确认其毫无心血管的舒张作用。药厂在给病入试服本药过程中，由于此种新药无心血管的舒张作用本欲悉数回收，医护人员竟然意外地发现：原本应归于淘汰之列的这种代谢产物Sildenafi，却有不少试药病人竟将药丸偷偷摸摸地隐藏起来。以后经过研究后才弄明白：原来，许多病人因为服用了此种药丸而使阴茎频繁勃起，如获至宝。随后，美国辉瑞药厂的药学家马上改变研究方向，转而重新设计临床试验方案，由此研制成功医治MED的口服类药物“伟哥”，随即引起极大的轰动。,14,药物研究与发展现状 Cost of Research & Development,一个新处方药的R&D花费，2002年已达到$802million,15,药物研究与发展现状 Investment Distribution,16,药物研究与发展现状 Revenue of Marketed Drug,只有3/10的药物面市后收入超过R&D花费,17,Why do projects fail?,Reasons for the failure of 198 new chemical compounds (NCEs) in clinical development,Kennedy. DDT 1997, 2: 436-444,(ADME),2004年默克公司的万络和辉瑞公司的塞来考昔，抗关节炎药物被公司自动收回。,2004年10月1日，默沙东公司宣布在全球范围内主动撤回治疗关节炎和急性疼痛的药物万络。万络的离去，让人惋惜它带走了默沙东公司一年25亿美元的收益；它1999年才问世，在全球市场上仅仅生存了5年。 万络是新一代非甾体抗炎药，其实大多数非甾体抗炎药有着与生俱来的副作用，而万络的诞生恰恰是想避免传统的非甾体抗炎药的副作用。始料不及的是，它却出现了另一方面的副作用，尽管发生的几率不算太高。 非甾体抗炎药具有抗炎、抗风湿作用，但在化学结构上又与抗炎、抗风湿的肾上腺皮质激素（甾体）迥然不同。 非甾体抗炎药的鼻祖要属阿司匹林了。古希腊及古罗马人用柳树皮的浸出液治疗炎症、疼痛及发热，后来证明其中起作用的成分是水杨酸。再后来德国拜耳公司化学合成了阿司匹林（乙酰水杨酸）并正式用于临床。1948年第一个不是水杨酸类的非甾体抗炎药保泰松问世后，非甾体抗炎药家族迅速扩大，吲哚美辛、双氯芬酸、布洛芬、萘普生等也相继问世。 在解热镇痛的同时，绝大多数非甾体抗炎药常见的不良反应是对消化系统的损害，这个不良反应从阿司匹林就开始了 1971年，专家用环氧化酶（COX）理论解释了非甾体抗炎药的作用机理。研究发现，阿司匹林可以抑制COX，从而阻断花生四烯酸转化为前列腺素，而前列腺素是炎症介质，并与疼痛产生有关，抑制了COX就产生了抗炎止痛作用。20年后，研究者又发现，COX存在两种同功酶，即COX1和COX2。一般认为COX1是生理性酶，维持人体生理平衡。而COX2是病理性酶，参与炎症性前列腺素的合成。传统的非甾体抗炎药同时抑制这两种酶，其治疗效果来自于对COX2的抑制，而其胃肠系统的不良反应则与抑制COX1有关。于是药学家们集中精力开始研发只抑制COX2的非甾体抗炎药，这种药被称为特异性COX2抑制剂，人们对这种新药翘首以待。 1998年和1999年，根据COX理论研制的两个昔布类特异性COX2抑制剂相继诞生了。第一个是塞来昔布辉瑞公司的西乐葆，另一个就是罗非昔布默沙东公司的万络。与传统的非甾体抗炎药相比，昔布类胃肠道不良反应的发生率显著降低，这正是人们希望见到的。但天有不测风云。几个月前，一项为期3年的名为“万络预防腺瘤性息肉”的多中心、前瞻性、随机双盲临床试验提前结束。该项研究课题提示，在服用万络18个月以后的病人中，发生确定性心血管事件的相对危险增加了，这个结果迫使默沙东公司在全球召回万络。,19,药物研究与发展现状,Marketed small-molecule drug targets by biochemical class,Hopkins and Groom, Nature Rev. Drug Disco. 2002 1(9):727-730,21,药物开发流程 Drug Discovery & Development,此阶段目的： 确定药物作用靶点； 确定与靶点作用的先导化合物； 优化先导化合物； 筛选最佳分子进入下一阶段 4-5年,此两阶段的目的： 生产出安全、有效的治疗药物 8-10年,In silico In vitro (tissue or cell from animal or human) In vivo (animal, human),80%-90% of potential drugs fail in the development phase (pre)clinical trials,Causes: ADMET , efficacy and side effects,A = Absorption, D = Distribution, M = Metabolism, E = Excretion, T = Toxicity,22,药物开发流程 Drug Discovery & Development,Investigation New Drug,New Drug Application,23,药物开发流程 Drug Discovery & Development,时间分配,24,药物开发流程 Drug Discovery & Development,25,药物开发流程 The Discovery Phase,Genomics, proteomics, and biopharm Bioinformatics & molecular biology High-throughput screening & assays Virtual screening and library design Combinatorial chemistry Docking In vitro & in silico ADME testing Other computational methods,26,药物开发流程 The Development Phase,临床前研究 Pre-clinical Studies,药效&副作用,药物的作用机制 动物安全性和毒性（包括急性和慢性的毒性研究） ADME参数（药代动力学） 生物利用度，口服生物利用度 药物剂型试验,广泛的动物实验,相应参数,27,药物开发流程 The Development Phase,临床试验 Clinical Trials 测试药物对人的安全性与有效性 一期临床： 初步测试对人的安全性，药代动力学（ADMET），药物-药物，药物-食物相互作用 20-80例健康志愿受试者，为期一年 二期临床： 测试疗效、适应症和不良反应（与安慰剂对照） 200-300例患者，为期两年 三期临床： 长期使用后出现的不良反应，继续考察新药的疗效 1000-5000例患者，为期三年,28,现代药物研究四大技术支柱,分子生物学、基因组学及蛋白质组学 Molecular Biology, Genomics and Proteomics 发现疾病靶标,29,现代药物研究四大技术支柱,组合化学 Combinatorial Chemistry,3222=24种组合,31,现代药物研究四大技术支柱,高通量筛选 High Through-put Screening 一天可测量100,000个化合物 可能有几万对蛋白质靶体表现出活性 需筛选出2-3类最有可能成为药物的化合物重点研究,32,涵盖的学科 Disciplines Involved,化学,合成、分离、扩大生产,生物学,生物模型、 生物试验（in vitro, in vivo）,生物技术,克隆、分离、功能基因组学、 确认疾病相关靶体、试验确认,建模,计算机辅助药物设计,33,药物研究与发展现状,目前最热门的几类药物 心血管系统药物 胃肠道系统药物 心理健康类药物 老年疾病类药物 抗癌药物,IC50是指被抑制一半时抑制剂的浓度，这里的反应可以是酶催化反应，抗原抗体反应等。在凋亡方面，可以理解为一定浓度的某种药物诱导肿瘤细胞凋亡50%，该浓度称为50%抑制浓度，即凋亡细胞与全部细胞数之比等于50%时所对应的浓度，IC50值可以用来衡量药物诱导凋亡的能力，即诱导能力越强，该数值越低，当然也可以反向说明某种细胞对药物的耐受程度。 转化生长因子-（transforming growth factor-,TGF-)是属于一组新近发现的调节细胞生长和分化的TGF-超家族。这一家族除TGF-外，还有活化素（activins)、抑制素（inhibins)、缪勒氏管抑制质（Mullerian inhibitor substance,MIS)和骨形成蛋白（bone morpho-genetic proteins,BMPs）。TGF-的命名是根据这种细胞因子能使正常的成纤维细胞的表型发生转化，即在表皮生长因子（EGF）同时存在的条件下，改变成纤维细胞内壁生长特性而获得在琼脂中生长的能力，并失去生长中密度信赖的抑制作用。TGF-与早先报道的从非绿猴肾上皮细胞BSC-1所分泌的生长抑制因子是同一物,研究问题的分类,根据受体的化学和几何结构是否已知 把研究的问题分成两大类 对接问题（Docking Problem） 和确定药效结构问题 （Identifying the Pharmacophore 药效团 ）,包括4个步骤：受体模型的建立；小分子库的产生；计算机筛选和命中化合物的后处理。 第一步，受体模型的建立： 1）大分子结构获取 蛋白质结构的准备是虚拟筛选的重要一步。虚拟筛选的蛋白靶标的结构可以从PDB库中直接下载使用 也可以通过和家族中同源蛋白的序列、结构信息比较，同源模建而得,虚拟筛选,2）接着是结合位点的描述，选择合适的配体结合口袋对分子对接至关重要,一种是直接从配体受体复合物结构中抽出；,选择口袋有两种方式：,如果没有复合物结构，则需要根据生物功能如结合、突变等实验信息来手动选择结合部位,第三步，对接和打分，这一步是虚拟筛选的核心步骤。,对接操作就是把每个小分子放到受体蛋白的配体结合位点，优化配体构像和位置，使之与受体有最佳的结合作用，给最佳结合构象打分，对所有化合物根据打分排序，然后从化合物库中挑出打分最高的小分子。,最后一步是命中化合物的后处理,通过计算分子的类药性质ADME/T (吸收absorption、器官分布distribution、体内代谢metabolism、排泄excretion 和毒性toxicity)性质的估算，排除那些不具有类药性质的分子。,通过以上四步处理，大部分分子从化合物库中剔除，形成一