新药设计与开发的基本途径和方法 先导化合物的发现ppt课件.ppt

第四章新药设计与开发的基本途径和方法 内容 引言Introduction先导化合物的发现Leaddiscovery先导化合物的优化Leadoptimization Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 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 从中药青蒿中分离出的抗疟有效成分青蒿素 为新型结构的倍半萜过氧化物 对耐氯喹的疟原虫有极高的杀灭作用 口服活性低 溶解小 复发率高 后采用结构修饰的方法合成了抗疟效果更好的蒿甲醚和青蒿素琥珀酸酯 疗效比青蒿素高5倍 且毒性比青蒿素低 青蒿素 青蒿 天然生物活性物质作为先导物 屠呦呦获2011年拉斯克奖获奖理由是发现青蒿素 2011年拉斯克奖日前揭晓 中国科学家屠呦呦获得其中的临床医学奖 获奖理由是 因为发现青蒿素 一种用于治疗疟疾的药物 挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命 天然生物活性物质作为先导物 羟基喜树碱 水溶性较差 毒性大 托泊替康 天然生物活性物质作为先导物 紫杉醇 根 枝叶以及树皮 紫杉特尔 天然生物活性物质作为先导物 可卡因 普鲁卡因 叶 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 以生物化学为基础发现先导物 以生物大分子或复合物为靶点酶 酶抑制剂受体 激动剂 拮抗剂离子通道 阻断剂 开放剂核酸 反义药物从内源性活性物质 酶反应过程 底物 过渡态 产物 与受体作用过程 配体 激动剂 拮抗剂 生化级联反应过程等出发 H2受体拮抗剂类抗溃疡药 选定靶点 组胺H2受体 胃壁细胞中存在刺激胃酸分泌的组胺H2受体确立研发目标 抑制胃酸分泌药物 得到拮抗H2受体的抗胃溃疡新药建立动物筛选模型 麻醉兔灌胃从H2受体天然激动剂 组胺入手 以其为先导结构 保留咪唑环 改变侧链 开始优化 发现 组胺的作用在20世纪40年代 发现涉及变态反应 损伤和胃分泌的生理调节 抗组胺药物 有效地减弱组胺的许多反应抗过敏疾病 现在把这批抗组胺药叫作H1受体拮抗剂 但不能拮抗胃部组胺对胃酸分泌的促进作用 H1和H2受体 人们猜想 存在组胺受体的两个亚型H2受体可能在胃壁细胞存在与胃酸分泌有关 开始研究H2受体拮抗剂 1964年 以药物学家Black博士为首的研究小组 开始H2受体拮抗剂的研究工作要得到抑制胃酸分泌的药物抗胃溃疡 组胺的结构改造 从组胺的结构改造出发因H1受体拮抗剂无抑制胃酸分泌的作用 假想的H2受体拮抗剂 发现微弱作用的拮抗剂 四年研究200多个组胺衍生物发现N 胍基组胺有抗H2受体作用证实了设想 第一个H2受体拮抗剂 侧链增长为四碳原子链端换为碱性较弱的甲基硫脲 得到咪丁硫脲拮抗作用较N 胍基组胺强100倍 且选择性好口服无效 动态构效分析方法 咪丁硫脲的构效分析 组胺 1 4 互变异构体 近80 阳离子只占少部分 约3 咪丁硫脲阳离子 分子数为40 1 4 互变异构体最少 两者占优势的质点各不相同 研究方向 假设 如果拮抗剂的优势质点与组胺的相同 则拮抗作用可能增强 1 4 互变异构体为组胺的优势质点明确研究方向通过 基的变化 增加 1 4 互变异构体的量 得到甲硫咪脲 侧链次甲基换成硫原子形成吸电子的含硫四原子链环的5位接上的甲基使环上电子云密度增加 甲硫咪脲 咪丁硫脲 甲硫咪脲证实了设想 生理pH下 甲硫咪脲的 1 4 异构体占优势体外试验 拮抗活性比咪丁硫脲强8 9倍体内试验 对抗组胺或五肽内泌素引起的胃酸分泌作用 强5倍活性和安全性都达到临床试验的要求 甲硫咪脲被枪毙 在初步的临床研究中 观察到肾损伤和粒细胞缺乏症试验被迫终止 研究功亏一篑 我们接到公司的电话 说甲硫咪脲遭到禁用 之后 我们不得不牵着手过河 因为生怕有人会跳河 每个人都沮丧得不得了 得到西咪替丁 用电子等排体胍的取代物替换硫脲基在胍的亚氨基氮上引入氰基减少碱性西咪替丁的活性 临床作用和副作用都符合临床要求 甲硫咪脲 西咪替丁 西咪替丁上市 第一个H2受体拮抗剂药物1976年在英国率先上市 西咪替丁的发现历程 项目负责人的感受 最好的研究都是那些能真正高度投入的人所完成的 这些人会非常努力地想得到一个结果 如果你提出反面意见 他们会拼了老命跟你辩到底 派杰 西咪替丁研究负责人 西咪替丁在治疗上的成功 改变传统用抗酸剂和手术的胃溃疡的治疗方法胃溃疡治疗上的 泰胃美 革命 西咪替丁在商业上的成功 上市时20美元100粒药学史上第一个每年的销售额超过十亿美元的药物 1988年的诺贝尔生理医学奖 诺贝尔奖摘录 However theresearchworkcarriedoutbyBlack ElionandHitchingshashadamorefundamentalsignificance Whiledrugdevelopmenthadearliermainlybeenbuiltonchemicalmodificationofnaturalproducts theyintroducedamorerationalapproachbasedontheunderstandingofbasicbiochemicalandphysiologicalprocesses 传统的筛选方法 西咪替丁可能的原子组合达三百亿种 如全部合成 需一千八百万化学家工作四年 合理药物设计 RationalDrugDesign在生理病理知识基础上提出相对合理的假说 来设计药物的化学结构 药物和靶 雷尼替丁的发现 Glaxo公司亦步亦趋的追踪西咪替丁的研究开发公司的me tooH2受体拮抗剂药物开始时研究四唑衍生物 未能成功 雷尼替丁的发现 选择呋喃环 并用环外的二甲氨基以使其有类似咪唑环的碱性终于得到了成功 雷尼替丁 西咪替丁 侧链与咪丁硫脲相同 雷尼替丁的发现 为什么用呋喃环作母体 估计与主研人员的个人经验有关博士工作为呋喃衍生物的研究 其它H2受体拮抗剂 H2受体拮抗剂的构效关系 脒脲基团 芳环部分 四原子链 5 羟色胺受体激动剂 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 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 药物对机体有多种药理作用 用于治疗的称治疗作用 其他的作用通常称为毒副作用在某些情况下 一药物的毒副作用可能对另一种疾病有治疗作用 可从已知药物的毒副作用出发找到新药 或将毒副作用与治疗作用分开而获得新药 基于临床副作用观察产生的先导物 例如吩噻嗪类抗精神失常药氯丙嗪及其类似物 是由结构类似的抗组胺药异丙嗪的镇静副作用发展而来的 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 基于生物转化发现先导物 药物通过体内代谢过程 可能被活化 也可能被失活 甚至转化成有毒的化合物 采用这类先导物 得到优秀的药物的可能性较大 甚至直接得到比原来药物更好的药物 例如 抗抑郁药丙咪嗪和阿米替林的代谢物去甲丙咪嗪和去甲阿米替林 抗抑郁作用比原药强 且有副作用小 生效快的优点 保泰松的代谢活化 抗炎药 抗炎药 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 联苯双酯 Bifendate我国创制的肝炎治疗的降酶药物 发现 现代药学方法研究中药五味子的基础上得到治疗肝炎的药物 工程院士 五味子 五味子蜜丸和粉剂 中医常用的滋补强壮药在20世纪70年代初 发现五味子蜜丸和粉剂有降低病毒性肝炎病人血清谷丙转氨酶 SGPT 的作用能改善患者的症状 五仁醇 水煎剂无效果仁的酒精提取物有降谷丙转氨酶的作用 其他部分均无效 五仁醇 片剂上市五味子仁的乙醇提取物制成用于临床治疗慢性肝炎确有降谷丙转氨酶的作用 寻找五味子的有效成分 五味子乙醇提取物中分离到七种单体成分均为木脂素类似物 五味子的有效成分 五味子甲素无效其它都能使四氯化碳引起的小鼠高谷丙转氨酶降低五味子乙素含量最高 有效成分 先导化合物 7例慢性肝炎的试验 疗效较好为开发合成新的抗肝炎药物提供了先导化合物 五味子丙素 在七种单体中 五味子丙素为新分离出的单体 有较好的降谷丙转氨酶作用含量仅占0 08 五味子丙素的全合成 为确证其化学结构确证了五味子丙素的结构为五味子丙素 体不是最初认定的结构后命名为五味子丙素 体的结构进行药理研究 初步的药理研究 五味子丙素的全合成难度大 不能提供样品作药理研究 10步 把全合成中得到的中间体和类似物共31个 进行初步的药理研究 药物合成的中间体作为先导物 体 体 次甲二氧基与降酶作用有关 有16个化合物表现出肯定的降酶活性苯环上有次甲二氧基的有效物质占15个 进一步的研究 选择五味子丙素 体的中间体联苯双酯及二苯乙烯作了进一步的研究通过临床比较 放弃了二苯乙烯 得到新药 联苯双酯 发展为保肝药物化学结构较简单 合成易 利于生产 几无毒性尽管生物活性不是最高于八十年代初在我国上市 供临床使用 研究开发历程 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 组合化学 Combinatorialchemistry 的方法产生先导物 在上世纪八十年代初 科学家提出一种新药研究的新思路 即对含有数十万乃至数百万个化合物的化学品库进行同步的合成和筛选 这一方法现叫做组合化学 CombinationalChemistry 组合化学化合物库的构建是将一些基本小分子如氨基酸 核苷酸 单糖等通过化学或生物合成的手段装配成不同的组合 由此得到大量具有结构多样性的化合物分子 组合化学 CombinatorialChemistry 传统化学合成 组合化学合成 苯并二氮卓类化合物组合化学合成 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 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 Rationaldrugdesign 合理药物设计是依据生命科学研究中所揭示的包括酶 受体 离子通道 核酸等潜在的药物作用靶点 再参考其内源性配基或天然底物的化学结构特征来量体裁衣的设计药物分子 以发现选择性作用于靶点的新药 这样设计出来的药物往往具有活性强 选择性高和副作用小等特点 Structure baseddrugdesignMechanism baseddrugdesign Structure baseddrugdesign 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 Mechanism baseddrugdesign GABA转氨酶抑制剂 氨己烯酸 Vigabatrin 蛋白酶的过渡态类似物抑制剂 GABAaminotransferaseinhibitor Vigabatrin 氨己烯酸 抗癫痫药 氨基丁酸 GABA 是哺乳动物中枢神经系统内的主要抑制性递质 GABA的降解主要由GABA转氨酶 GABA T 催化 脱氨基生成琥珀酸半醛 再经琥珀酸半醛脱氢酶 SSADH 催化生成琥珀酸 进入三羧酸循环 氨基丁酸 GABA 的降解 氨基丁酸 琥珀酸半醛 琥珀酸半醛脱氢酶 琥珀酸 GABA转氨酶 L 谷氨酸 L 谷氨酸脱羧酶 增加脑内 氨基丁酸 GABA 浓度可以提高GABA能系统的神经抑制作用 进而可用于治疗多种神经系统疾病如癫痫 帕金森病 亨廷顿舞蹈症 Alzheimer病等 最近发现增加脑内GABA浓度还有阻断药物依赖的作用 一种增加GABA浓度的方法是设计可通过血脑屏障并选择性抑制GABA转氨酶 GABA T 的化合物 因此GABA转氨酶 GABA T 已经被确认为中枢神经系统药物的靶点 氨己烯酸为 氨基丁酸 GABA 类似物 具有抗癫痫作用 其作用机制为 不可逆地抑制GABA转氨酶 GABA T 提高脑内GABA浓度而发挥作用 临床研究结果表明 氨已烯酸为治疗严重癫痫患儿有效而安全的一种抗癫痫药 并对智力障碍的癫痫患者亦有效 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 反义技术作为分子生物学的新型抗基因技术 目前不仅广泛应用于生理学 病理学 药理学的基础研究 而且已成为药物发展的新兴策略 利用这一技术开发的药物称为反义药物 通常是指反义寡核苷酸 即人工合成的DNA或RNA单链片段 专门设计的反义寡核苷酸能与特异mRNA的特定序列相杂交 在基因水平阻止致病蛋白质的产生 从而发挥治疗作用 与传统药物相比 反义药物具有更高的特异性 更优的疗效和更低的毒性 因此 反义药物越来越成为人们研究和开发的热点 反义核苷酸Antisenseoligonucleotides 能够与DNA或信使RNA发生特异性结合 分别阻断核酸的转录或翻译功能 阻止与病理过程相关的核酸或蛋白质的生物合成 这种可与DNA或信使RNA结合的互补链称作反义寡核苷酸 所以认为这类药物从根本上干预了遗传信息的复制 转录或翻译 理论上应为治本药物 反义核苷酸Antisenseoligonucleotides 反义核苷酸主要用于基因治疗 如由基因组的缺陷或在转录或翻译过程中的失常而发生的疾病 如癌症 病毒性疾病及遗传性疾病 碱基配对是反义核酸作用的基础 反义核苷酸Antisenseoligonucleotides 反义寡核苷酸的分子大小是设计的重要环节12 25范围 15 20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 肽核酸等 局部修饰 碱基杂环 硫代 甲基磷酸酯等 骨架类似物 肽核酸PeptideNucleicAcids PNA 1991年丹麦Nielsen发现肽核酸 PNA 是一类以多肽骨架取代糖磷酸主链的DNA类似物 能特异性 高亲和力的与单 双股DNA和RNA结合 形成用途广泛的二聚体和三聚体 PNA以化学性质与核糖磷酸结构完全不同的 2 氨基乙基 甘氨酸结构单元作为骨架 碱基部分通过亚甲基羰基连接于主骨架 PNA在结构上很好的模拟了DNA 碱基与骨架间隔3个键 相邻碱基间隔6个键 空间大小与天然核酸相近 加上结构上其它一些特性 使得PNA保持了对核酸的特异性识别能力 肽核酸的特点 将核酸分子中带电荷的磷酸戊糖骨架置换成电中性 非手性 类似多肽的骨架 整个分子不带电荷 这样就避免了与核酸杂交时的静电排斥 结构不同于核酸又区别于多肽 生物稳定性极高 不易被核酸酶 多肽酶及蛋白酶降解 具有相当高的热稳定性以及独特的耐离子强度变化性质 根据PNA的代谢稳定性 主要将其用于抑制基因表达的反义药物研究领域 国外几家制药及生物技术公司 ISIS PE等公司均投入大量精力从事开发研究 第一个反义药物 福米韦生Fomivirsen 福米韦生 fomivirsen 是FDA批准上市的第一个反义药物 由21个硫代脱氧核苷酸组成 核苷酸序列为5 GCGTTTGCTCTTCTTCTTGCG 3 lowercase deoxyribose DNA s phosphorothioatelinkage 通过与人类巨细胞病毒 CMV mRNA互补碱基系列相结合 产生反义抑制 从而抑制CMV的复制 发挥特异而强大的抗病毒作用 用于局部治疗艾滋病 AIDS 病人并发的CMV视网膜炎 疗效维持久 给药次数少 不良反应轻 对CMV不产生耐药性 福米韦生作为第一个批准上市的反义药物 其意义不仅仅为传统概念上的新药上市 更深远的是反义技术作为药物发展的新兴策略已结出果实 它将作为药物发展的一个里程碑 促使更多的反义药物诞生 许多反义药物正在研究和开发中 随着反义技术在药物发展中的不断应用 研究的不断进展 必将导致一大批反义药物用于临床 造福人类 Leaddiscovery 天然生物活性物质以生物化学为基础发现先导物基于临床副作用观察产生先导物基于生物转化发现先导物药物合成的中间体作为先导物组合化学的方法产生先导物基于生物大分子结构和作用机理设计先导物反义核苷酸幸运及筛选发现的先导物 幸运发现的先导物 抓住意外机遇青霉素的发现苯二氮卓的发现顺铂的发现 青霉素的发现 英国圣玛利学院的细菌学家亚历山大 弗莱明一九二八年开始研究葡萄球菌 观察在不同条件下各种葡萄球菌的生长状况 有一次 他发现在一只培养球菌的碟子上原来生长得很好的葡萄球菌忽然消失了 这一偶然现象引起了弗莱明的深思 这是什么原因呢 他经过仔细观察后发现 原来是一些偶然落到培养基上的青霉菌在葡萄球菌的培养碟内生长起来了 碟内葡萄球菌的消失 说明青霉菌具有杀死葡萄球菌的能力 这正是弗莱明所期待已久的 青霉素的发现 他从青霉菌中提炼出了一小瓶透明的液体 并将这种液体滴到长满葡萄球菌的培养碟内 几小时后 培养碟内的葡萄球菌全部溶化了 他又将这种液体注射到兔子身上 兔子照样生活得很好 证明这种液体对动物和人没有毒性 这种能够杀菌的物质被命名为 青霉素 弗莱明和他的助手把这些极有价值的发现写成科学论文 发表在一九二九年英国的一本医学杂志上 弗莱明指出 青霉素在治疗一些由细菌引起的疾病方面是很有作用的 弗莱明的偶然发现导致了青霉素的诞生 但是要把它实际应用于医疗上却还有一段艰难的路程 因为这种绿色霉菌所分泌的青霉素毕竟太少 而且提纯的手续又非常麻烦 大量生产时有许多困难都难以克服 所以在当时弗莱明还没有办法来解决这些实际问题 尽管这是一项十分有意义的工作 他也不得不停顿下来 青霉素在弗莱明实验室的试管里沉睡了十年之久 弗莱明的遗憾 11年后的重新发现 11年过去了 牛津大学的病理学家霍华施 弗洛里教授从书堆里找到了弗莱明11年前写成的论文 对这种能够杀死多种病菌的青霉素产生了浓厚兴趣 他认为当时青霉素未能投入生产的原因是没有依靠集体的力量 于是 在一次科学家的集会上 他将自己的想法告诉了大家 会上除了生物学家外 还有化学家恩斯特 钱 科学家们怀着对病人深切的同情开始了对青霉素的联合实验研究工作 化学家恩斯特 钱用化学方法从培养液的滤液里提炼青霉素 经过几十个昼夜的奋战 一种纯度很高的青霉素终于诞生了 经过实验效果很好 但是为了提高青霉素的产量 还必须找到更好的菌种 他们分离出了几百种霉菌 最后终于从垃圾堆里的一块西瓜皮上分离出了第832号留菌苗株 这种霉菌不仅能在培养液的表面上繁殖 而且还能深入到培养液里生长 所以它的产量提高了两倍 他们还动员了许多义务劳动者 搜集了一切可以利用的材料 采用了营养丰富的培养液 开始了大规模生产 使产量提高到十倍以上 短短的两年时间 青霉素就已经能普遍用于医疗上了 1945年诺贝尔医学奖 如果说 原子弹是第二次世界大战中杀伤力量最强的武器 那么 青霉素就是从这个战场拯救生命最多的药物 难怪有人把原子弹 雷达和青霉素并列为第二次世界大战期间的三大科学发明 为了表彰这一造福人类的贡献 弗莱明 钱 弗洛里于1945年 共同获得诺贝尔医学奖 SirAlexanderFleming ErnstBorisChain SirHowardWalterFlorey 筛选发现先导物 随机与非随机筛选Random nonrandomscreening高通量筛选High throughputscreening HTS 虚拟筛选Virtualscreening Virtualscreening 用计算机筛选的方法称为虚拟筛选 或称insilico筛选 成为insilico invitro invivo模式 Virtualscreening 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 druglike 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 是通过数据库搜寻和计算化学实现的 类药性 Lipinski规则是药物分子设