药物设计学PPT课件

精品课件,1,第十一章基于片断的药物设计Fragment-baseddrugdiscoveryFBDD,魏丹丹,精品课件,2,学习要求：掌握：基于片段药物设计的基本思路；基于片段药物设计的优点；片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。熟悉：磁共振检测技术的分类和原理；SAR-by-NMR的原理和应用；Tether和二次Tether技术的原理；结晶筛选的研究流程。了解：基于片段药物设计的发展历史；基于片段药物设计与高通量筛选的比较；基于片段药物设计的成功实例。,精品课件,3,FromLeachAR,HannMM,BurrowsJNetal.Fragmentscreening:anintroduction.Mol.BioSyst.,2006,2:429-446,对靶标认识水平不同的药物分子设计,精品课件,4,苗头和先导物的发现途径,天然活性物质基于结构的分子设计随机筛选虚拟筛选,精品课件,5,问题的出现,以靶标为核心的新药研发，切入点是用体外方法评价活性。苗头化合物(hit)多以活性强度为衡量标准。hit-to-lead和先导物优化，大都加入或变换基团，以增加与靶标结合的机会和强度。,精品课件,6,一般“不敢”去除基团或片断，以免丢失参与结合的原子或基团(即药效团)。高通量筛选的化合物过于“成熟”，留给后续的结构变换的余地小，导致投入-产出比低。,精品课件,7,基于片段分子设计的优点(高通量筛选的不足),发现苗头的概率很低。理论计算，含有30个C、N、O、S原子的化合物有1060种，而高通量筛选的化合物数即使以百万计(106)，筛选也只占很少部分。化合物分子量比较大，亲脂性强，优化成药的难度大。组合化学库尤甚。,1.可以探索更为广阔的空间,精品课件,8,片段分子，符合三规则的片段数目的分子量160的含上述原子化合物数为107，筛选的分子（片段库）为103104个。发现苗头的几率高。公司之间的化合物的结构类型相似，筛选靶标相同，易有知识产权之纠葛。,精品课件,9,2.命中率高片段分子具有体积小和复杂程度低的特征，理论上更加容易与药靶结合，加上片段筛选技术的灵敏度高，因此具有比较高的筛选命中率。,精品课件,10,基于片段筛选的命中率是高通量筛选的10-1000倍。从筛选的质量上看，高通量筛选所得到的活性化合物虽然可能和药靶具有比较高的亲和力，但是当具体到分子中各个子结构，他们很难与对应的药靶活性位点区域有最佳的结合。分子量比较低的片段分子相对比较容易能和药靶局部区域形成较好的匹配。,精品课件,11,0,100,200,300,400,500,600,700,1mM,100M1M10nM1nM,药物,HTS苗头物,药物候选物,片断化合物,药效强度,相对分子质量,Reesetal.,NatureRev.DrugDisc.2004,上市的口服药物平均分子量为340。处于I期临床试验的候选药物，分子量小于400的成功率为50%，分子量加大，成功率降低。,FragmentRuleof3MW300#H-BondDonor=3#H-BondAcceptors=3cLogP=3#Rotatablebonds=3,3.发现新药的可行性高,精品课件,12,高通量筛选所得化合物的分子量范围一般在250-600之间，高通量筛选活性一般在微摩尔级，而药物分子的分子量范围一般在300-500之间，活性一般为一至数十个钠摩尔。如果将高通量筛选所得活性化合物优化为候选新药，既要在活性方面有较大幅度的提高，而分子量又不能有过大的跳跃，难度显然比较大。,精品课件,13,而片段的分子量范围在120-250，活性一般在钠摩尔至微摩尔级，在片段优化至候选药物的优化过程中，分子量和生物活性呈线性增长关系，更加符合新药发现的一般规律，可行性也强。,精品课件,14,高通量筛选,精品课件,15,高通量筛选(Highthroughputscreening，HTS)技术是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机分析处理实验数据，在同一时间检测数以千万的样品，并以得到的相应数据库支持运转的技术体系；,精品课件,16,HTS具有微量、快速、灵敏和准确等特点。简言之就是可以通过一次实验获得大量的信息，并从中找到有价值的信息。,精品课件,17,片断及其特征,片断是比类药分子小的化合物，分子量或非氢原子数低于类药性化合物。化学结构比类药分子简单。片断应易溶于水，因需要高浓度试液方呈现与靶标的结合信号。结构上有可以延伸的位置、原子或基团。,精品课件,18,基于片断分子设计的研究方法,一般来说，基于片段分子的设计研究可以分为三个阶段：片段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于片段构建新分子。,精品课件,19,1.片段库的建立：需要考虑三个因素：库容量、化学结构多样性和类药性，类药性符合三规则。,精品课件,20,FragmentRuleof3MW300#H-BondDonor=3#H-BondAcceptors=3cLogP=3（#Rotatablebonds1mM40M5.2M720nMLE0.320.400.290.29FQ0.570.760.740.84,IC50=72nMLE=0.32FQ=0.97,精品课件,86,片断连接：FKBP抑制剂,用核磁共振研究FKBP抑制剂，称作SARbyNMR。用15N标记的FKBP筛选片断库的结合作用，观察和确定酰胺键的15N-和1H化学位移的变化。筛选两种分子1和2有弱结合作用。连接成3为强抑制剂。,精品课件,87,123Kd2M100M49nM非氢原子数261745LE(kcal/mol)0.300.320.22FQ0.790.641.06,精品课件,88,片断连接：他克林形成挛药,胆碱酯酶有两个结合位点：深部窄口处的催化部位和暴露于水相的外部位点。将适宜长度的碳链连接他克林，提高了活性。,精品课件,89,Ki=0.018M(小鼠)IC50=0.59M(大鼠脑)HANo=15LE=0.57FQ=0.98,IC50=0.0004M(大鼠脑)HANo=37LE=0.35FQ=1.25,精品课件,90,片断连接：他克林与另一弱作用片断形成强抑制剂,Sharpless等用环加成反应将两个不同的抑制剂片断经连接基生成fmole级的高活性胆碱酯酶抑制剂,精品课件,91,Ki=1.1M(小鼠)HANo=31LE=0.26FQ=0.80,Ki=0.018M(小鼠)HANo=15LE=0.57FQ=0.98,Ki=0.00000041M(小鼠)HANo=48LE=0.35FQ=1.80,精品课件,92,片断融合：自组装碳酸酐酶抑制剂,两个片断独立结合于邻近的两个位点，化学活性功能基自组装成亚胺，还原生成高活性抑制剂,精品课件,93,片断融合：用质谱方法研究U1061ARNA抑制剂,U1061ARNA是抗微生物感染的靶标。质谱法可在高浓度下进行。可给出结合信息：化学计量性，竞争结合性。化合物1和2可同时结合于靶标，二者非竞争性结合，位点不同，相距邻近。1和2融合一起，提高了活性。,IC5040M41M0.064MNoHA121931LE0.320.500.31FQ0.481.020.97,精品课件,94,分子量,分布系数,药代过膜性生物利用度,药代半衰期代谢稳定性,药效配体效率,药效配体亲脂效率,分子体积,杂原子数,分子表面积,氢键接受体,氢键给体,可旋转性键,极性表面积,分子量和分布系数是优化物化性质、药效学、药代动力学的高度概括,精品课件,95,药物代谢通常分为两相：第相（phase）代谢。第相（phase）代谢。,（一）代谢,精品课件,96,第相主要是官能团化反应：药物在酶的催化下进行氧化、还原、水解和羟化等过程，在药物分子中引入或使药物分子暴露出极性基团，如-OH、-SH、-COOH和-NH2等。,精品课件,97,第相为结合反应：相代谢产物或原型药物在酶的影响下与内源性小分子成分，如葡萄糖醛酸、硫酸、甘氨酸或谷胱甘肽，经共价键结合，生成极性强或水溶性的药理失活结合物，随尿和胆汁排出体外。,精品课件,98,1.1芳环的氧化含芳环药物的氧化代谢是以生成酚的代谢产物为主，羟基化反应主要发生在芳环的对位。,苯妥英,精品课件,99,1.2烯烃的氧化：由于烯烃化合物比芳香烃的键活性高，因此烯烃化合物也会被代谢生成环氧化合物中间体，比前面的稳定。例如抗癫痫药物卡马西平只有通过代谢转化为环氧化物中间体后才具有抗惊厥活性。,精品课件,100,精品课件,101,1.3胺的氧化含氮药物的氧化代谢主要发生在两个部位：一是在和氮原子相连接的碳原子上，发生N-脱烷基化和脱氨反应；另一是发生N-氧化反应。,精品课件,102,精品课件,103,含伯胺基的化合物容易进行脱氨基反应，如苯丙胺易发生氧化脱氨。若伯氨基直接与叔碳原子相连，则不能发生脱氨基反应，因为不能进行氨基-C的羟基化中间过程，如全身麻醉剂氯胺酮进行N-脱甲基反应后得到的代谢物不能再进行脱氨反应。,精品课件,104,+NH3,苯丙胺,精品课件,105,氯胺酮,精品课件,106,对于叔胺和仲胺化合物，叔胺的脱烷基化反应速度比仲胺快。,利多卡因,精品课件,107,1.4醚及硫醚的氧化含氧化物的氧化代谢以醚类药物为主，醚类药物在微粒体混合功能酶的催化下，进行O-脱烷基化反应。,精品课件,108,1.5醇和醛的氧化,醇羟基的药物在体内醇脱氢酶的催化下，脱氢氧化得到相应的羰基化合物。,精品课件,109,大部分伯醇在体内很容易被氧化生成醛，但醛不稳定，在体内醛脱氢酶等酶的催化下进一步氧化生成羧酸；仲醇中的一部分可被氧化生成酮，也有不少仲醇不经氧化而和叔醇一样经结合反应直接排出体外。,精品课件,110,2.还原反应,精品课件,111,2.1羰基的还原酮羰基是药物结构中常见的基团，通常在体内经酮还原酶的作用，生成仲醇。脂肪族和芳香族不对称酮羰基在酶的催化下，立体专一性还原生成一个手性羟基，主要是S-构型，即使有其他手性中心存在亦是如此。,精品课件,112,2.2硝基和偶氮化合物的还原,芳香族硝基在代谢还原过程中，在CYP450酶系消化道细菌硝基还原酶等酶的催化下，还原生成芳香氨基。,精品课件,113,偶氮基的还原在很多方面和硝基还原相似，该反应也是在CYP450酶系、NADPH-CYP450还原酶及消化道某些细菌的还原酶的催化下进行的。氧的存在通常也会抑制还原反应的进行。还原中，偶氮键先还原生成氢化偶氮键，最后断裂形成两个氨基。,精品课件,114,精品课件,115,3、水解反应（hydrolysis）水解反应是具有酯和酰胺类药物在体内代谢的主要途径，如羧酸酯、硝酸酯、磺酸酯、酰胺等药物在体内代谢生成相应的酸及醇或胺。,精品课件,116,4.结合反应是在酶的催化下将内源性的亲水反应物如葡萄糖醛酸、硫酸、氨基酸、谷胱甘肽等结合到原药物或第相的药物代谢产物中。通过结合使药物去活化以及产生水溶性的代谢物，有利于从尿和胆汁中排泄。,精品课件,117,实际上绝大多数药物的代谢都比较复杂，其引用药物的生物效应变化多样，综合有以下几种：1.代谢灭活：将活性药物代谢为无活性的物质；2.代谢活化：将无活性的药物代谢为有活性的物质；3.活性不变：将活性物质代谢为仍有活性的物质；4.毒性增加：将无毒性或毒性小的药物代谢为毒性物质；5.导致药理作用改变。,精品课件,118,二、先导化合物的优化（一）先导化合物的一般优化方法1.剖裂与拼合剖裂是指将先导化合物剖析成两个或数个亚结构，通过合成或构效关系可以优选出简化的基本结构或药物，吗啡到哌替啶。,精品课件,119,推断Prontosil在体内代谢为sulfanilamide，而产生抗菌作用。,百浪多息,磺胺,精品课件,120,拼合与剖裂相反，是合成出比先导物的分子结构中附加某种具有相同生物活性或不同生物活性的部分构造，以达到设计对称或者非对称双效药的目的。,精品课件,121,设计挛药就是一种方法。是指将两个相同或不同的先导化合物或药物经共价键连接，缀合成的新分子，在体内代谢生成以上两种药物而产生协同作用，增强活性或产生新的药理活性，或者提高作用的选择性。如贝诺酯,精品课件,122,2.对先导化合物结构作局部变换或修饰的类似物优化对生物活性起决定作用的基团确定之后，最常用的方法就是变化取代基，如增加或减少基团等操作，在药物分子中引入体积较大的基团，阻碍与酶或受体相互作用；其他基团引入、去除或置换的优化。,精品课件,123,有时与靶点相互作用的取代基并不在最合适位置，通过由基团的变换引起分子电荷分布改变、基团电性的优化等可有效的增加活性。,精品课件,124,（二）先导化合物的特殊优化方法1.生物电子等排原理经典的生物电子等排体是指一些原子或基团，因外围电子数目相同或排列相似，而产生相似或拮抗的生物活性并具有相似物理或化学性质的分子或基团。,精品课件,125,1一价原子或基团类电子等排体,精品课件,126,2二价原子或基团类电子等排体,精品课件,127,3三价原子或基团类电子等排体,精品课件,128,4四价原子或基团类电子等排体,精品课件,129,广义的等排体概念，即非经典的等排体不局限于经典的电子等排体，分子中即使没有相同的原子