（应用化学专业论文）集成化计算机化学网络平台的设计与初步实现.pdf

中文摘要 中文摘要 随着计算机和网络技术的迅速发展，计算机辅助有机合成设计( c o m p u t e r a s s i s t e d0 r g a l l i cs y l l t l l e s i s ，c a o s ) 、计算机辅助药物设计( c o m p u t e ra s s i s t e d d m gd e s i 口，c a d d ) 、化学信息学( c h e m o i n f 0 胁a t i c s ) 均取得了长足进展。构 建一个面向有机合成、药物发现的虚拟组合衍生系统，利用网络对现有化学信息 进行表达和管理，对已有数据进行快速检索和挖掘，对分子和反应进行组合、优 化和筛选，利用组合化学、构效关系、数学分析优化合成路线，必将对促进有机 合成和生物制药的研究和发展有相当积极的作用。 本论文所描述的集成化计算机化学网络平台就是一个基于以上思想而设计的 面向有机合成、药物发现的化学网络信息平台。本平台以n l ( m o ls d k 分子开 发包为基础，以u n 和w i n d o w s 操作系统下a p a c h e 为服务器，以m y s q l 为 数据库，以p h p 为网络开发语言的组合衍生数据库系统。该系统解决了传统结 构所带来的计算耗时长、资源无法充分利用、用户必须在线长期等待结果的问 题，实现了资源利用最大化、操作使用方便化、结果算法合理化的目的 本平台采取开放式的构造，能够集成多个应用程序，有很强的扩展性，主要 包括有“开发服务”、“学习交流”、“文献数据”、“信息发布”等几个方面内容，今 后还将增加其它新的功能，进一步完善。 本平台突出的特点是完成了“开发服务”中组合化学平台的设计和应用，用户 通过网络平台提交目标化合物通式或反应通式，用平台提供的1 0 7 个取代基或用 户自己提交的取代基替换通式中的r 基团，从而组合生成数目巨大的以目标化 合物为核心的组合化学分子库。用户提交的目标化合物不同，相应生成的库也不 同。利用组合分子库用户可以筛选出可能具有较好活性的化合物。同时，用户也 可以提交目标化合物通式从平台的通式反应数据库中搜寻通式反应，为用户发现 合成路径提供参考。 本平台通过一系列的修正和调试，已经初步达到了实用化的目的，并成功进 行组合的应用实例，这也充分证明本平台的正确性和实用性。 总的来说，本论文提供了一个用于新药发现的网络平台，为药物分子设计发 现最优先导化合物提供了一条高效、廉价、快速的参考途径，同时它也可作为实 验室的工作和学习平台。 关键词：药物发现，网络平台，组合化学，数据库，化学信息学 a b s t r a c t a b s t r a c t n l er 印i dg r o 、 t ho fc o m p u t e ra n dn e t 、v o r kt e c h n o l o g i e sg r e a t l yi m p o r v e dt 1 1 e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra s s i s t e do r g a m cs y l l t l l e s i s ( c a o s ) ，c o m p u t e ra s s i s t e d d r u gd e s i g n ( c a d d ) ，c h e m o i n f o m a t i c s av i r t u a lc o m b i n a t o r i a ll i b r a r _ yg e n e r a t i o n s y s t e mw o u l db eau s e 如lp l a t f o n nf o ro r g 砌cs y l l t l l e s i sa 1 1 dd m gd i s c o v e r yb yu t i l i z m g t h ea v a i l a b i ec h e m i c a id a t a b a s e sa n di 1 1 f i o m a t i o nt e c h n o i o g yt op e r f o m ls t m c t u r a ld a t a m i n i n g ，s y n t h e t i cp a 山o p t i m i z i n ga n dm a s s i v e1 i b m r ys c r e e l l i n gs t u d i e si n v o l v i n gt h e d i s c i p l i n e s o fc o m b i n a t o r i a l c h e m i s 仃y ，q u a l l t i t a t i v es t m c m r a l a c t i v i t ) ，p r o p e r t y r e i a t i o n s l l i pa n ds v l l 也e s i sd e s i 蛐 t h ei n t e r 酽a t e ds y s t e mo fac h e m i c a l i n f 0 n a t i c sp l a t f o 肌d e s c r i b e di nt 1 1 et 1 e s i s i sb a s e do nt h ep m s p e c t sa b o v e t h e m d 锄e n t a lk n o w - h o wi s 也es d k ( s o r d e v l ( i t ) n a m e dn k m o lt h ee n v i r o m e n ti sb “l to nb o t l lu n a n dw i n d o w ss v s t e m 、v i t h a p a c h e t h ed a t af l o wi sc o n 仃0 1 l e db yp h pc o d e sa t l dm y s q lt h em a i nf e a t u r eo f m es y s t e mi st 1 1 e1 0 n g - t e 玎no p e r a t i o nh a n d l i n gi no r d e rt os a t i s 母t h er e q u i r e m e n to f q u e 叮，m a t c h ，c o m b i n a t i o na n de n 岫e m t i o l l so fc h e m i c a ls 由n l c t u r e sa 1 1 dr e a c t i o n s u s e r sd on o tn e e dt ow a i to n l i n ea 1 1m et i m ed u r i n gt h ep r o c e s s i n g t h eo p e 衄e so ft 1 1 ea r c h i t e c h t u r eo fm es y s t e mi sa n o m c ri m p o r t a n tf e a t u r ef o r 如n h e rd e v e l o p m e n t s i tc a l lb ee a s i l ye x t e n d e dt oi n v o l v eo m e rs e c t i o n so rb l o c k s ， s u c ha s d e v e l o p m e n ts e r v i c e s ，c o m m u l l i c a t i 0 1 l s ，1 i b r a r ya 1 1 dd a t a a n db r o a d c a s t b o a r d s of 缸t 1 1 em a i np r o g r e s sm a d ef o rm es y s t e mi s 山es e r v i c eo fc o m b i n a t o r i a l e n u m e r a t i o no fm a s s i v el i b 谢e s b ye n u m e r a t i n gm e2 e n e cs c a 疗b l df r o mt h eu s e r u s i n g t h es u b s t i t u e n t so f f e r e d 访p l a c e o fm er f o u p s ，v a r i o u sa r l l o u l l t so f c o m b i n a t o r i a ll i b r a r i e sw 订ib eg e n e r a t e d 、i mm et a r g e t e do rd i v e r s eo r i e m a t i o n s ， d e p e n d so nt h eu s e r so p t i o n s t h es y s t e mi sn e x i b l eb e c a u s et h es t n i c t u r e si nt h e 1 i b r a r i e sd e p e n do nm es c a f r 0 1 da 1 1 dt 1 1 es u b s t i t u e n t sc h o s e nb vm eu s e r s i na d d i t i o n m u s e r sc a na l s oc h o o s et os e a r c h 血eg e n e r i cs y n t l l e s i sd a t a b a s et of i n dp r o p e rr e a c t i o n s f o rm es c a 仃j l d c o n c u r r e n t l yt 1 1 es e n ，i c eo fc o m b i l l a t o r i a ll i b m r yg e n e r a t i o nh a db e e nc o m p i l e d s u c c e s s 如l l ya 1 1 ds e v e r a lp r i m e r t e s tc a s e sh a db e e nd o n e 、v i mt 1 1 ee x 口e c t e dr e s u l t s i ns u m m a r y ，也ew o t k sb e l l i n d s 协e s i sm a d eaw e bb a s e dp l a t f o 哪f o rd m g d i s c o v e r y ，f o rf i n d i n gm o r ea 1 1 db e t t e r1 e a d se a s i l y ，c o s t l e s s l ya i l dq u i c l ( 1 y a l s o ，i tc a n b ee x t e n d e df o rf h r t h e rr e a u i r e m e n t s 丘o mt l el a b o r a t o r v k e yw o r d s ：d r u gd i s c o v e r y ，w e bp l a t f o h n ，c o m b i n a t o r i a lc h e m i s 缸y ，d a t a b a s e ， c h e m o i n f b m a t i c s i i 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：刁p s 套 2 0 0 6 年5 月2 6 日 v v vt _ ，j vh 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印j 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名- f 惨 7 一厶年上月如日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 襁 学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： ? 辫粼? 熬：霉蒸瓣 5 年) 于1 0 年) ：， ，。 于2 0 年) 第一章前言 第一章前言弟一早月ui 一、现代药物发现的发展趋势 药物的研究是一个相当繁琐的过程。过去传统的药物研究是“试探一失败一 再试探”，完全是靠实验来随机筛选药物而没有非常具体理论的指导，带有较大 的盲目性。经过二十世纪现代科学的发展，现在“设计”药物已经在向实用性方面 成功地迈进。比如，阿斯匹林能镇痛解热，是经过实验才发现的，但它为什么能 镇痛解热，在相当长的时期内并不清楚。现在的药物设计，是先弄清道理，然后 再去设计、创制出药物：过去仅知道得胃溃疡炎是胃酸分泌过多所致，直到发现 了组胺h 2 受体，才知道如果能阻断h 2 受体，人就不会过多分泌胃酸，于是寻 找治疗胃溃疡炎药物的过程就成了寻找h 2 受体阻断剂的过程，现在雷尼替丁、 法莫替丁等药物全球的销售额已达几十亿美元之巨，成为药物中的“重磅炸弹”。 近年来，随着科技水平的提高，药物的发现已经已经成为了一个综合了多个 学科的复杂的研究、探索过程，其主要步骤可以简要概括为从基因到蛋白质、从 蛋白质到先导化合物，再对先导化合物进行优化和评估这样一个循环往复、螺旋 式上升的模式。新技术、一些新方法，如计算机技术、现代合成技术、生物技 术的不断应用和药物化学和分子生物学、遗传学、免疫学、酶学等学科的发展和 相互渗透，大大加快了新药研究开发的速度。一些新兴学科越来越多地渗入到新 药的发现和前期研究中。化学、物理学、结构生物学、计算机和信息科学等学科 与药物研究的交叉、渗透与结合日益加强，使得新药研究的面貌发生了重大变 化，出现了一些新的研究领域和具有重大潜力的新技术。 新药研究与创新正朝着以下六大方式转变：一、创制新颖的分子结构类型 ( n e wc h e m i c a le n t i t y ，n c e ) 突破性新药研究开发；二、创制“m e t o o ” 新药一一模仿性新药研制开发；三、已知药物的进一步研究开发一一延伸性新药 研究开发；四、应用现代新药生物技术，开发新的生化药物；五、现有药物的药 1 第一章前言 剂学研究开发一一发展制剂新产品；六、应用现代新技术对老产品的生产工艺进 行重大的技术革新和技术改造。 二、计算机技术和药物设计的结合 计算机在化学中的应用起源很早，如计算机辅助有机合成设计( c o m p u t e r a s s i s t e do r g a n i cs y n t h e s i s ，c a o s ) 从二十世纪6 0 年代就开始了【2 】，随后，计算 机辅助药物设计( c o m p u t e ra s s i s t e dd m gd e s i 印，c a d d ) 【3 1 、化学信息学 ( c h e m o i n f o n n a t i c s ) 【4 】均取得了长足进展。经过近4 0 多年的发展，计算机化学 几乎在化学的每一分支领域都获得了丰硕的成果，计算机已成为化学研究的重要 工具之一。二十一世纪是信息化的时代，而数据发掘是信息时代必然的产物。伴 随着信息爆炸的过程，如何充分而有效地利用信息成为数据发掘所要解决的主要 问题。在药物设计领域，已知的和未知的化合物构成了浩瀚的化学空间。如何找 到可靠的先导结构早已经是新药设计迫在眉睫的课题。相比较而言，组合化学扩 大了探索的空间，构效关系在这个空间内建立了局部的模型，而数据发掘则为利 用局部模型在广阔空间进行探索提供了有效的手段。 构建一个面向有机合成、药物发现的虚拟组合衍生系统，利用网络的形式对 现有化学信息进行表达和管理，对已有数据进行快速检索和挖掘，对分子和反应 进行组合、- 优化和筛选，利用组合化学、构效关系、数学分析优化合成路线，必 将对促进有机合成和生物制药的研究和发展有相当积极的作用。 药物发现【5 1 研究的主要步骤包括从基因到蛋白质、从蛋白质到先导化合物、 再对先导化合物进行优化和评估。可以看出，在目前的社会经济条件下，每个步 骤、每个环节都离不开计算机。药物发现在本质上是一个筛选优化一评估，再筛 选优化一评估的循环，在这个过程中，分子模拟、组合化学【6 】、构效关系以及数 据发掘的研究是计算机大显身手的地方。即使如此，根据美国药物研究与生产 ( p h r m a ) 的统计，目前超过8 9 的待选化合物由于不能满足各种理化指标而 被放弃而只有6 是由于市场方面的原因而没有成功。因此这方面仍然有巨大的 研究空间。 2 第一章前言 三、我国新药研究的进展 在当今发现新药的研究越来越困难的情况下，因为以上技术的应用，使世界 每年首次上市的新药仍然能够保持在4 0 5 0 个左右，其中日本占其中1 3 ，美国 占1 5 ，欧洲十国占1 3 。我国虽然在实施了诸如药品专利和行政保护等正策后， 重视与加强了创新药物的研制，但力度太小，投入太少，短期内难以见到成效， 9 0 年代上市药物仅有2 个，所占比重极低。 从新药开发方法上来说，今年我国密切注视国际上新药研究开发的新进展， 积极吸收先进的技术和方法。新药筛选已经从靠经验，靠机遇过渡为依靠新理论 为指导，并积极掌握了自动化试验技术。计算机辅助设计技术也得到了比较广的 应用，设计出了一批有开发前景的新结构化合物。如中科院上海药物所承担的国 家8 6 3 项曰“基于蛋白质和核酸三维结构知识的药物设计”，对一系列具有重要的 药理作用的药物进行了三维定量构效关系和计算辅助药物设计的理论研究，发现 了一些活性超过左旋氧氟沙星的化合物和活性超过银杏内酯的化合物【7 】o 四、研发内容和意义 本论文所描述的集成化计算机化学网络平台就是一个基于以上思想而设计的 面向有机合成、药物发现的化学网络信息平台。本平台以n l m o ls d k 分子开 发包为基础，以u n 和w i n d o w s 操作系统下a p a c h e 【8 】为服务器，以m y s q l 【9 】 为数据库，以p h p 为网络开发语言的组合衍生数据库系统。该系统解决了传 统结构所带来的计算耗时长、资源无法充分利用、用户必须在线长期等待结果的 问题，实现了资源利用最大化、操作使用方便化、结果算法合理化的目的。 目前，在本平台上完成了组合衍生服务程序。通过该程序，用户能够根据目 标分子搜索可能存在的通式反应并对目标分子和反应进行有选择的计算机虚拟组 合，产生大量的相关分子以统一的格式输出，可传递给专门的筛选程序进行打分 评估，删除大部分相关性较小的分子，留下小部分相关性较大的分子供药物开发 者分析和筛选，这就给用户提供了一条的发现先导化合物的有利途径。 3 第一章前言 例如，当需要用酰胺作为组合衍生的核心模板时，可以以酰胺通式分子( 图 1 1 ) 为搜索目标在反应通式数据库中搜索，在默认搜索精度下可以得到1 1 5 个 r 八n r ， ，。：八。f “r 6 = 。 = 。 = 。 笙二至堕亘 8 9 1 0 x o o ”o 一一。t 一吖n 一y o 图1 2 搜索结果示例 图1 2 中显示的是部分的搜索结果。考虑到1 1 5 个反应的数量偏多，有些 结果和期望相差甚远，可以提高搜索精度到完全匹配，这样得到了7 个通式反 应，如图1 3 所示： 1 2 4 “、 o “ 。r i y 8 。r 艮y “ o 一“一 钆一“一n r 4 n h 2 r r 2 r 3 o r 2 5 0 日。 r 4 。 = = = 。 弋 第一章前言 5 r 2 h s & y “ r 3 n h 2 - 一 卧r 4 一n h 2 卜 r 4 n h 2 p ，艮y 队一艮y r 2 h o “ r 3 h “ r 4 uu 幽l 一3 精确搜索结果示例 精确搜索的7 个结果都包含在粗略的1 1 5 个结果之内，节省了用户审查的时 间。 以上搜索的过程涉及了化学分子和反应的计算机表达，化学信息挖掘，化学 信息的数据存贮以及分子匹配等内容。 以搜索的结果作为基础，用户可以选择任何一个通式反应进行组合衍生。组 合衍生是指从一个带有r 基团的分子骨架出发，通过对各个r 基团位置进行各 种各样的取代，从而得到所有可能的取代产物。本论文实现的系统不仅能进行组 合衍生操作，而且能够检索有机反应通式数据库，找出能够生成分子骨架的适当 反应，具有更强的实用性。 还是以酰胺分子为例，当r 1 和r 2 分别可能为4 种分子片断时，最少能衍 生出4 4 种具体的分子，如图1 4 所示。 r 1r 2 c c 6 。 = 。 艮 丫。 盯p叮护 第一章前言 c 。c n o 义 o o c c c 叫一从。 图1 4r 1 和r 2 取代反应物与组合产物 7 n n 。火，。八 第二章计算机辅助药物设计 第二章计算机辅助药物设计 一、传统药物发现的途径 药物必须具有有效性、安全性和可控性。决定这些属性最根本的是药物的化 学结构因素，因此，药物发现是设计和寻找在结构上、作用性质上或治疗学上具 有新颖性的新化学实体( n c e s ) 。 新药研究大致分为新药发现、i 临床前研究和i | 缶床研究与应用等主要阶段，其 关键是新药发现( d m gd i s c o v e r y ) 。通过不同的途径和手段发现某一物质的生物 活性作用，是创制新药的起点和前提。药物的临床前研究( p r e c l i l l i cr e s e a r c h ) 是 对发现的生物活性物质进行普通药理学、药效动力学、药代动力学、毒理学等全 面的和必需的试验，只有各项指标都符合要求才能进入l 临床研究( c l i l l i c r e s e a r c h ) 。临床研究是在常人和患者人体上作安全性实验，进一步证实药物的 治疗作用和安全性以及可能存在的药物不良反应。临床研究可分为i 期、i i 期和 i i i 期，只有临床研究过关，药物才能进入临床应用如见图2 1 】。 药物发现药物开发药物应用 临床研究与应用 i 期临床研究 i i 期临床研究 i i i 期临床研究 不良反应监测 圈2 1新药研究的基本过程 8 第二章计算机辅助药物设计 新药发现的最主要途径和手段是药物筛选( d m gs c r e e n i n g ) 和药物分子设计 ( m o l e c u l a rd n j gd e s i g n ) ，后者分为先导化合物的产生( 1 e a dd i s c o v e r y ) ，又称 先导化合物的衍生( 1 e a dg e n e r a t i o n ) 和先导化合物的优化( 1 e a do p t i r i l i z a t i o n ) 。 先导化合物( 1 e a dc o m p o u n d ) ，简称先导物，亦称原型物( p r o t o t y p e ) ，是通过 各种途径、方法或手段获得的，具有一定生物活性的新的结构类型化学结构。先 导化合物还不一定是可直接使用的优良的药物，因为它可能存在活性不高，特异 性差，副作用大，毒性作用大或药物代谢动力学性质差等缺点。但是可以在此新 结构的基础上作先导化合物的优化，即作进一步的结构修饰和改造，提高活性和 特异性。改善药物代谢动力学特性，衍生出选择性高、安全性好、活性大的新药 物。先导化合物的优化以产生的先导化合物为基础，依靠各种经验理论、方法和 手段，延伸、预测其化合物的生物活性，以发现该结构类型的新的药物。由此可 见，药物分子设计是先导化合物的产生以及在此基础上优化过程。计算机辅助有 效地贯穿于先导化合物的产生和优化全过程，并给其带来革命性的变化。药物发 现的主要途径有：药物的偶然发现与随机筛选、天然有效成分作为先导化合物、 已有药物作为先导化合物、以药物合成中间体为先导化合物。 2 1 1 药物的偶然发现与随机筛选 早期的药物主要是偶然发现的。虽然这种偶然性越来越小，但是也不能排除 这种偶然性。现在发现药物活性的有效方法是筛选( s c r e e l l i n g ) ，即在实验评价 化合物生物活性的筛选模型上从众多的化合物中挑选出有生物活性化合物的过 程。筛选分为随机筛选( r a n d o ms c r e e n i i l g ) 和定向筛选( d e d i c a t e ds c r e e n m g ) 。 随机筛选，又称普筛，是在各种来源的化学实体中作各种所需的生物活性的广泛 筛选或一药多筛，其筛中率是极低的。据美国加州的w h m o o s 报道，在美国如 果以随机筛选方法开发出一个成功的新药产品，首先要从约1 万个化合物中筛选 出5 0 0 个有生物活性的化合物，经体外药理筛选，从中挑选出2 5 0 个进行临床前 的动物体内试验，这一阶段的实验完成以后，最终也许只有5 个能被批准进行人 体的临床试验，在这5 个化合物中只有1 个有可能最终成为注册新药。 9 第二章计算机辅助药物设计 虽然随机筛选盲目性很大，但可以得到新结构类型或新作用特点的先导化合 物。比如对土壤中的微生物作抗生素普筛，发现了一些新的抗生素族，可以作为 先导化合物。定向筛选是以特定的生物活性为指标，筛选出具该生物活性的药 物。定向筛选常用于先导化合物优化的药理测试。 筛选模型( s c r e e n i n gm o d e l ) 可以是整体水平、组织器官水平、细胞水平甚 至分子水平，它主要分为体内( mv i v o ) 和体外( mv i t r o ) 两大类。体内模型采 用实验动物病理模型试验，一般用于新药开发一体外模型一般用于新药发现，它 有分子、亚细胞、细胞和离体组织器官等层次。高灵敏度、高特异性的筛选模型 能提高筛选的成功率。酶技术、免疫学技术、与受体结合等新技术的发展，使筛 选方法达到微量化、分子化。筛选模型所需的靶酶和受体可以通过基因工程制 备。药物生物利用度、药物代谢动力学的筛选模型则用于药物代谢作用的筛选。 2 1 2 天然有效成分作为先导化合物 天然存在的生物活性物质是先导化合物甚至是药物的主要来源。天然化合物 的多样性和生物有效性赋予一些独特类型的化合物独特的生物和药理活性。 中草药绝大部分为植物药，这是一个产生先导化合物的巨大宝库。植物、动 物、微生物和海洋生物在进化过程中形成了化学结构丰富多样的物质，以利于自 身生存和繁殖。这些物质往往具有生物活性作用，能借作药用。动物和人体内源 性物质、神经递质和激素等是微量、强效的活性成分，是很好的先导化合物。一 些矿物的有效成分也具有药理作用。 2 1 3 已有药物作为先导化合物 现有的临床曾经使用或正在使用的药物可以作为发现新药的线索，即以原有 药物为基础，改造发展为另一类新药。例如可以通过增强药效、减少副作用、利 用毒副作用、利用药物在体内代谢的活性代谢物等来设计新药。 1 0 第二章计算机辅助药物设计 2 1 4以药物合成中间体为先导化合物 在化学合成或生物合成药物时，往往使用一些中间体片段，这些中间体的化 学结构与药物的基本结构有时具有相关性，或药效基团基本相似，这时合成中间 体可以作为先导化合物，进而发展成为与原合成药物性质相似或更优良的药物。 二、组合化学方法产生先导化合物 由于依靠人工合成化合物和天然化合物来寻找先导化合物仍满足不了筛选的 速度和广度，在此需求的驱动下，二十世纪9 0 年代初在固相合成技术的基础上 发展起来的组合化学技术，已成功地应用于先导化合物的产生。 组合化学( c o m b i n a t o r i a lc h e m i s 田) 是利用组合论的思想和理论，将构建块 通过化学合成、生物合成等手段，平行或交叉地、系统地、反复地共价连接，产 生分子多样性的大量化合物群体，不需确证单一化合物的结构而是建立有序排列 的组合化学库( c o m b i n a t o r i a l1 i b r a r y ) ，并进行优化选择的方法学与技术。 通过组合化学合成技术，可以高效率地对大批量( 数十万个甚至十亿个) 结 构差异性悬殊、性能特异的化合物作同步合成，并配以群集筛选和高通量筛选【1 3 技术，对以化合物库形式存在的化合物作大规模地、快速地、高灵敏度地自动筛 选，寻找具有生物活性的先导化合物。 组合化学以群集筛选( m a s ss c r e e n i l l g ) 又称库筛选( 1 i b 删了s c r e e n m g ) 的方法进行，它的特点是群集化、实时化、自动化。群集化，也就是运用组合策 略，同时对组合化学库中的样品以特定的生物学指标筛选有特异生物活性的化合 物，它打破了传统的单个合成、逐一纯化、逐一筛选的药物研究模式，与常规随 机筛选相比不仅在量上大规模放大，在质上也有很大的差别。实时化，即直接、 同步、快速、灵敏、连续地测定组合化学库中的成分，根据筛选目标选用不同的 生物学指标和不同测定方法达到筛选目的。自动化，即使用信息技术作化学或生 物学分析，并自动处理分析结果。 群集筛选大规模采用自动化技术，信息处理计算机化、生物评价微量化和灵 敏化，发展成为高通量筛选( h i 曲t h r o u g h p u ts c r e e 血g ，h t s ) 。h t s 作多孔板、 1 1 第二章计算机辅助药物设计 多通道自动测定，它包含有自动化操作系统、高灵敏度检测系统和数据管理系 统。自动化操作系统应用机器人技术，代替人工进行自动加样、稀释、转移、洗 脱、混合、孵温、检测等操作，各步骤做到程序化，因而减少了人工误差，实验 结果更为准确和可靠。高灵敏度检测系统采用可见光紫外光比色法、荧光比色 法、同位素放射活性测定和生物发光、化学发光等多方面生物评价测定技术。数 据管理系统应用计算机软件，对数据作采集、计算、储存、显示、传输等信息处 理。现在h t s 系统通用的形式是9 6 孔板，正在向3 8 4 孔、8 6 4 孔甚至1 5 3 6 孔 发展，筛选通量进一步提高，实现超高通量筛选( u l t r a 1 1 i 曲t 1 1 r o u g h p u ts c r e e l l i n g ， u h t s ) ，每天可筛选2 0 万个化合物。 在缺少活性分子结构信息的情况下，对合成的组合化学库进行筛选的目的是 找到生物活性分子，属于随机筛选。但由于组合化学筛选的化合物数目十分巨 大，得到活性化合物的可能性也就较大。当定向合成和功能性筛选有效结构的化 学类似物，建立构效关系以优化结构时，则属于定向筛选。 组合化学方法与合理药物设计寻求合理性的思想相反，其基本策略是追求多 样性、广泛性，因此被称为非合理药物设计( i r m t i o n a ld r u gd e s i 印) ，但此称呼 似乎有失公正。以组合化学方法寻找先导化合物，量大、快速、经济、灵敏、准 确，因此成为药物设计的又一新途径，是一条发现新药先导化合物的高速公路。 组合化学与合理药物设计从两个不同的方面设计新药，好比用鱼网与鱼叉，互相 补充，成为二十一世纪药物研究的主要途径。 三、合理药物设计 最近发展起来一种药物设计的新方法，称为合理药物设计( r a t i o n a ld m g d e s 追n ) ，不仅可以进行先导化合物的优化，更重要的是能进行新的先导化合物的 人工设计，从而提供了与传统方法不同的药物设计的新途径。合理药物设计是基 于结构的药物设计、基于性质的药物设计和基于机理的药物设计的综合。 合理药物设计，就是基于对疾病过程的分子病理生理学的理解，根据靶点的 分子结构，并参考效应子的化学结构特征设计出对该疾病有治疗作用的药物分 1 2 良好、选择性作用于靶点 往往活性强，作用专一， 具有合理性，可以大大减 明显地优于传统的广泛药 药物设计的区别见图2 一 第二章计算机辅助药物设计 i 药物经济学研究i i i 药物销售i i 图2 2 合理药物设计与传统药物设计的对比 新 药 开 发 新 药 上 市 新药发现 厂，、l 药物筛选 第二章计算机辅助药物设计 生命科学基础研究结果表明，内源性活性物质或外源性小分子药物能作为特 异性配基( 1 i g a l l d ) 作用于机体内的靶点( t a r g e t ) ，从而引发生物活性。靶点主 要指受体，广义上的受体包括酶、核酸、细胞膜、脂蛋白、离子通道、抗原、多 糖、运输载体等。效应子与靶点通过“锁一钥”机理相互作用，两者之间须形状互 补，或通过各自的变构作用以适应对方的构象要求而契合，还需性质互补，如静 电相互作用、氢键相互作用、疏水性相互作用等：此外还有溶剂效应，药物与受 体的协调运动等。对药物和药物作用靶点的结构在分子水平上的全面、准确的了 解，是进行基于结构的药物设计( s t m c t u r e - b a s e dd m gd e s i g no rs t m c t u r e - b a s e d r a t i o n a ld m gd e s i 印) 的基础，从而引导先导化合物发现走向理性化。基于结构的 药物设计根据结构来源，分为基于配基结构药物设计( 1 i g a l l ds t r u c t u r e - b a s e dd m g d e s 追n ) 和基于受体结构的药物设计( r e c 印t o rs 仃u c t u r e - b a s e dd m gd e s i g l l ) 。结 构来源不同，进行设计的方法就不同。也有学者将基于受体结构的药物设计简称 为基于结构的药物设计。 虽然基于结构的药物设计是一种崭新的、高效的药物分子设计方法，但仍存 在着一系列问题需要解决。如生物大分子( 靶点) 的结构特征还不易获得，为直 接药物设计带来困难；间接药物设计也牵涉到受体配基相互作用的方式问题， 目前认识还不深刻，因此现在还不能真正地完全定量一预测药物的活性，设计出 的全新化合物需人工合成以证实是否具有生物活性。药物的体内吸收、转运、分 布和代谢等问题，在药物设计时需加以考虑，这些药物代谢动力学性质与药物分 子的结构有关。基于性质的药物设计( p r o p e n y _ b a s e dd m gd e s i g l l ) 就是根据药物 结构和理化性质的关系，设计药物效应动力学性质良好的、选择性作用于靶点的 甚至靶向到达靶点的、药效强、副作用小的药物。 合理药物设计的基础是关于与疾病过程有关的靶点的理论知识，包括结构功 能及其作用机制，作用途径等的研究，牵涉到生物化学、分子生物学、结构生物 学、酶学、病理学、遗传学等生命学科。如果疾病的全过程能够阐明，靶点的结 构、功能、靶点与药物的作用方式、产生生理活性的机理以及药物在体内的代谢 途径能够完全了解清楚，那么就有可能通过抑制某些与疾病有关的生理、生化过 1 5 第二章计算机辅助药物设计 程来阻断疾病的发生，同时考虑药物在体内的转运、分布和代谢等因素，使之发 挥最大的药效。从合理药物设计的角度来看，基于结构的药物设计上升到了基于 机理的药物设计( m e c h a n j s m - b a s e dd m gd e s i g n ) 新的高度。显然，人类需要更 多、更详尽的生命科学知识来进行基于结构和机理的合理药物设计，这也是药物 设计的目标和方向。 到现在为止，全世界共有5 0 0 多个靶点已经阐明，从而为药物筛选或药物设 计提供了依据。比如根据已知的与疾病有关的蛋白质的结构知识设计药物，已有 了不少成功的例子，如胸苷酸合成酶( t h y m i d y l a t es y l l t h a s e ) 抑制剂和二氢叶酸 还原酶( d i h y d r o n a t er e d u c t a s e ) 抑制剂作为抗癌药物；嘌呤核苷磷酸化酶 ( p 血n en u c l e o s i d ep h o s p h o t y l a s e ) 抑制剂作为化疗剂和免疫抑制剂；肾素( 即血 管紧张肽原酶，r e n i n ) 抑制剂用作抗高血压药物；h 蛋白酶抑制剂用于治疗 艾滋病；流感病毒结合剂作为抗病毒药物：还有与凝血酶有关的抗凝药；与血红 蛋白相关的治疗镰状红细胞贫血药物；与磷酯酶a 2 有关的抗炎药：与1 蛋白 酶有关的抗心肌梗塞药物；与肿瘤蛋白质( p 2 1 ) 有关的抗癌药和与人类白血球 弹性酶有关设计是基于羧肽酶a ( c a r b o x y p e p t i d a s ea ) 和嗜热菌蛋白酶 ( m e m o l y s i n ) 的同源蛋白结构：l 肾素抑制剂则基于同源的天冬氨酸蛋白酶 ( a s p a n i cp r o t e i n a s e ) 等。 随着科学研究的发展，在基因组学、蛋白质组学、生物信息学、生物芯片技 术的推动下，将发现更多的药物作用新靶点，为药物设计带来更明朗的前途。预 计到2 叭o 年将发现5 0 0 0 个靶点，到2 0 3 0 年将达到2 5 0 0 0 0 个。未来的医药领域 的研究空间将会变得无限宽广。另一方面，化学、物理学、生物学、计算机和信 息科学等学科与药物研究的结合、交叉与渗透日益紧密，将会产生更多的新技 术、新方法和新进展，为合理药物设计提供保障。可以预料，科学家以基因组学 的成果为基础，依据已破译的基因序列和功能及其表达蛋白质的功能，找出控制 某种疾病的基因，针对相应的靶点进行药物设计或筛选，会真正实现基于机理药 物设计。 1 6 第二章计算机辅助药物设计 四、先导化合物的优化 先导化合物可能活性不强，作用特异性低，也可能药物代谢动力学性质不佳 或存在不良作用即a d m e 厂r ( a b s o r p t i o n ，d i s 埘b u t i o n ，m e t a b o l i s m ，e x c r e t i o na n d t o x i c i t y ) 性质不过关，不能直接药用。因此，需要对先导化合物作结构改造和修 饰，以改善药效学和药动学性质，获得疗效好、毒副作用小的新药结构，这一过 程称为先导化合物的优化( o p i t i m z a t i o n ) 。优化是基于结构的药物设计和基于性 质的药物设计的重要手段。 优化的方法一般都是经验性的操作，需要药物化学家以理论知识、经验和直 觉来判别，经反复实验证实，来设计新的药物。先导化合物优化的一个非常重要 的理论是药物的化学结构与生物活性的相关，在定性构效关系研究( s a r ) 的基 础上，发展成定量的构效关系研究( q s a r ) ，直至现代的三维定量构效关系研 究( 3 d 0 s a r ) 模型的建立和处理，可以定量地描述化合物的结构和化学参 数、物理参数、化学性质、生物活性，以统计学方法分析处理，以计算机作为辅 助，可以建立精确的结构和生物活性的相关关系，以此作指导，进行结构优化， 设计出新的化合物分子。三维定量构效关系是计算机辅助药物设计的重要内容之 一。计算机辅助药物设计在优化过程中仍需药物化学的经验来设定条件，作干预 和判断。 五、计算机辅助药物设计分类 计算机辅助药物设计方法包括三类： 基于配体的药物设计( 1 i g a l l d - b a s e dd r u gd e s 追n ) ，这类方法根据已知的配体 结构设计新的配体，主要包括定量构效关系( 0 s a r ) 方法和药效团模型方法， 前者又分为2 d q s a r 和3 d q s a r 方法。 基于受体的药物设计( r e c 印t o r - _ b a s e dd m gd e s i 萨) ，这类方法又称为基于 结构的药物设计，主要根据受体的三维结构设计能与之匹配的配体，包括基团生 长法( b u i d i n g ) 、模板连接法( 1 i r l k i n g ) 以及分子对接法( d o c k i n g ) 。 1 7 第二章计算机辅助药物设计 基于机制的药物设计( m e c h a i l i s m _ b a s e dd r u gd e s i g l l ) ，这类方法在基于结 构的药物设计基础之上，进一步考虑了药物与受体的动态结合过程，药物对受体 构象的调节以及药物在体内的传输、分布和代谢。随着新世纪生命科学、计算机 科学的发展，这种考虑药物作用的不同机理和全部过程的药物设计方法，将会更 加完善，在新药的发现中发挥更大的作用。 计算机辅助药物设计的另一种重要策略和方法是虚拟药物筛选( i ns i l i c o s c r e e n i n 2 ) 。它是指利用各种计算方法对化合物数据库进行“筛选”，从而大大减 少工作量与成本，加快新药发现步伐。 为此，本系统构建了一个基于m y s q l 和n k m o ls d k 、面向有机合成、药 物发现的集成化计算机化学网络平台，为用户合理药物设计提供一个良好平台， 用户能够根据所需对所选择的目标分子进行有目的性的化学组合，从而生成具有 大量的分子的组合分子库，再利用已有的筛选方法进行自动筛选，结合靶点分 析，寻找具有生物活性的先导化合物，为用户提供一种简便、快捷、可靠性较 高、效率较好、费用低廉的合理药物设计方法。 六、本系统的框架 本论文的工作为构建了面向药物设计的一个综合网络平台，实现了一套面向 药物发现的组合衍生数据库系统，平台具有良好的可操作性，较强的可扩展性， 并且易于维护和管理。具体