药物分子设计的策略_苗头和先导物的品质决定新药的成败

1、药物分子设计的策略:苗头和先导物的品质决定新药的成败郭宗儒3(中国医学科学院药物研究所, 北京100050摘要:苗头化合物2先导物2候, 节, 将创制过程分成研究和开发两个阶段, , 所以决定了临床前和临床研究的命运。, 苗头化合物演化, , 是在药效、药代、确定先导物、先导物优化; ; 先导物; 候选药物; 配体效率; 优化:文献标识码:A 文章编号:0513-4870(2008 09-0898-07收稿日期:2008204203. 3通讯作者Tel /Fax:86-10-83155752,E 2mail:zrguoi m m. ac . cnStrategy of molecul ar d

2、rug desi gn:hits, leads and drug candi datesG UO Zong 2ru3(Institute of M ateria M edica, Chinese A cade m y of M edical Sciences, B eijing 100050, China Abstract:H its, leads and drug candidates constitute three m illst ones in the course of drug discovery and devel opment . The definiti on of drug

3、 candidates is a critical point in the value chain of drug innovati on, which not only differentiates the research and devel opment stages, but more i m portantly, deter m ines the pers pective and destiny of the p re 2clinical and clinical studies . A ll outcomes fr om the devel opment stage are ac

4、tually attributed t o the che m ical structure of candidates . The quality of candidates, however, is restricted by the drug 2likeness of lead compounds, which in turn is decided by the characteristics of hits . The hit 2t o 2lead is t o p r ovide a p r om ising and druggable structure f or further

5、devel opment, whereas the op ti m izati on of lead compounds is a p r ocess t o transfor m an active compound int o a drug, which in essence is molecular mani pulati on in multi 2di m ensi onal s pace related t o phar macodyna m ic, phar macokinetic, physico 2che m ical, and safety p r operties . Th

6、is revie w discusses the strategic p rinci p les in hit discovery, lead identificati on and op ti m izati on, as well as drug candidate definiti on with p ractical exa mp les .Key words:molecular drug design; hit; lead; drug candidate; ligand efficiency; op ti m izati on 1新药创制的过程和知识价值链:确定候选药物是药物研发价值

7、链的中心环节新药的创制过程是将非药的活性化合物向成药转化, 以臻于满足安全、有效、稳定和质量可控的要求。转化过程由许多环节组成, 包括生物学方面的活性评价模型和评价方法; 在化学上是发现苗头化合物(hit 和(或 先导化合物(lead , 通过优化结构, 确定一批有成药前景的物质, 即候选药物(drug candidate ; 然后按照药政法规对候选药物进行系统的临床前研究, 经审批后进入临床I 期、II 期和III 期研究, 最终经批准上市应用。这是一条研究开发链, 其中确定候选药物是个重要环节, 它将研发链分为研究阶段(R 和开发阶段(D 。图1是新药创制过程的示意图。 图1新药研究与开发

8、过程上述诸环节构成了串行的知识价值链(临床前为并行试验 , 从技术和投入的层面上考察, 节是对前面环节的价值增量, 面各阶段的研发投入, , 间是不同的, 药物, 10%, 时程约5年。确定候选物对后面的环节有决定性影响, 因为其化学结构决定了后面开发所涉及的药学、药效、药代和安全的性质以及临床效果, 10%的贡献度决定了后面90%的命运, 所以优化先导物并确定候选药物对于新药创制的成败至关重要。候选药物的确定是新药研发成败的关键, 而候选药物的质量又取决于先导物的优劣和优化准则, 所以, 发现和确定高质量先导物是重要的起点。2苗头化合物的发现和向先导物的过渡创制新药的物质准备, 始自于发现苗

9、头化合物(hit , 苗头是指对特定靶标或作用环节具有初步活性的化合物。发现苗头物可有多种途径, 其中主要是用随机筛选的方法(天然产物和高通量筛选化合物库 和理性的方法(基于受体或配体结构和机制的分子设计 。基于片段的筛选方法也是最近用仪器分析和分子模拟相结合的技术, 是发现苗头和演化成先导物的有效方法1, 2。苗头化合物未必都能进入研究阶段, 是因为固有的缺陷不能发展成先导物, 例如活性表现为非特异作用、药代动力学不合理、物化性质差、毒副作用大、作用机制不明确和获得专利的可能性等存在的问题。活性强度并不是苗头的唯一指标。由苗头演化成先导物(hit 2t o 2lead 是必须经过的阶段, 以

10、达到先导物的标准和具有优化的前景。先导化合物的质量直接影响研发的速度和成败, 这可由上市的新药与其先导物有很高的结构相似性加以佐证。例如Pr oudfoot 分析比较了29个上市新药和它们的先导物结构, 发现多数具有结构相3。, , 是趋于类药的过程。、, 例如乙酰胆碱(1 可视作苗头, 由此过渡为先导物(2 , 经构象限制得到(3 , 电子等排置换, 成功发现蕈毒碱M1激动剂西维美林(cevi m eline, 4 (图2 , 用于治疗阿茨海默病3。由52羟色胺(5, 苗头 发展成先导物(6 , 经成环限制构象, 得到52HT 1B 激动剂夫罗曲普坦(fr ovatri p tan, 7 (

11、图2 , 临床用于治疗偏头疼3。由苗头演化成先导物还可用骨架迁越(scaff old hopp ing 的方法, 例如由全反式维甲酸(8, 可视作苗头物 经芳维甲(ar otinoid acid, 9, 先导物 4得到新型维甲酸RAR 受体激动剂他米罗亭(ta m ibar otene,10 治疗急性髓细胞白血病5和维甲RXR 激动剂贝沙罗汀(bexar otene, 11 (图3 治疗皮肤T 细胞淋巴瘤6。3先导物的标准先导物无统一的标准, 而且不同的药物类别标准也不同, 但从优化过程的判断, 往往有普遍认可的标准, 即类药特征(drug 2like , 反映在药效学、药代动力学和物理化学性

12、质上应达到一定的要求。在药效学上, 首要前提是先导物具有活性。先导物的活性强度一般在1mol L -1(酶 011mol L -1(受体 范围; 应在细胞水平上呈现活性, 因为酶(或受体 和细胞试验的区别, 还在于后者涉及过膜、多靶标和特异性作用; 有明确的作用机制、方式和环节; 先导物应存在剂量(浓度 和活性的相关性; 有明确的构效关系(S AR , 以表明药理活性是特异性作用。在药代动力学性质上, 应达到吸收、分布、代谢和排泄(ADME 的基本要求, 例如口服生物利用度(F 大于10%, 以确保起码的口服吸收性; 消除半衰期(T 1/2 大于30m in; 静脉注射的清除率(clearan

13、ce 低于35mL m in -1kg -1, 大鼠肝细胞的清除率低于14L /min /106细胞, 对人肝微粒体的清除率低 图2 图3由苗头演化成先导化合物实例于23L m in -1mg -1, 以显示与细胞色素P450有较弱的作用(不是底物、抑制剂或诱导剂 , 保障先导物有起码的代谢稳定性; 分布容积V d 大于015L kg -1; 与血浆蛋白的结合率低于9915%, 以避免发生药物2药物相互作用7。在物理化学性质上, 先导物的相对分子质量宜低于400, 以便在优化过程中有较大化学空间添加原子、基团或片段和增加相对分子质量的余地; 水溶解性应大于10g mL -1; 脂水分配系数cl

14、 og P 或分布系数l og D 0310, 确保被优化的分子的溶解性和分配性低限8。在化学结构上, 先导化合物一般含脂肪或芳香环数15个, 可旋转的柔性键215个, 氢键给体不超过2个, 氢键接受体不多于8个。偏离这些结构因素不能保障上述的药效、药代和物化性质。此外, 先导化合物的结构及其类型还应有新颖性, 能够获得专利以保障研发药物的知识产权。4先导物的质量判断与保障4. 1先导物应有较大的化学空间进行优化遴选苗头或先导物仅以活性强度作为指标, 忽视其他因素是不利于新药研发的。相对分子质量大的先导物与靶标的结合力强, 活性一般高于低分子量的化合物。这似乎是优点, 但也未必, 因为结构中往

15、往有“冗余”的原子或基团, 对吸收、过膜和代谢等是不利的因素, 以致活性强度被不利因素折扣或抵销了, 而且过多的原子减小了化学修饰空间, 难以添加更有益的基团。所以相对分子质量不宜过大、单凭活性强度不能作为确定先导物的唯一标准9, 10, 以避免错误的导向。传统的高通量筛选(HTS 所筛选的化合物, 往往忽略分子的成药性, 即使发现了高活性化合物, 却也会因药代或物化性质等缺陷而无研发前途。基于片段筛选的方法是用相对分子质量低的分子进行筛选, 虽然只与靶标的一部分结合, 因而活性较弱, 但这样的片段分子有它的长处:首先, 相对分子质量低的分子与靶标结合的原子效率较高; 第二, 分子结构简单,

16、优化设计与合成比较容易; 第三, 所筛选的化合物数量不多, 只有千余个, 结构简单, 还提高了与靶标蛋白的结合和匹配的几率。Congreve 等11分析了一系列苗头物片段的结构特征, 发现相对分子质量大都低于300, 氢键的给体或接受体低于或等于3个, cl og P 值低于3, 概括为“片段3规则(rule of three ”。这个规则对于筛选具有良好物化和药代性质、有发展前景的苗头化合物是有指导意义的。009药学学报Acta Phar maceutica Sinica 2008, 43(9 :898-904 图4 4. 2配体效率质量, LE 概念, (苗头、先导物、 中每个原子对结合能

17、的贡献, 在选取先导物和优化过程中是有用的参数12。配体效率整合了Andre ws 特定的功能基的结合能贡献13和Kuntz 提出的每个原子实际的实验结合力14, 用以估价苗头和先导物与受体结合的能力。配体效率(LE 的计算方法首先是将复合物结合常数K d 转换为在温度300K 的结合的自由能(G (式1 , 然后G 除以非氢原子数N 非氢原子(式2 。G =-RT ln K d(1式中, R 为气体常数, T 为绝对温度, G 单位是kcal mol -1。每个原子的自由能贡献即配体效率用式2表示:LE =G /N非氢原子(2配体效率将化合物的相对分子质量与其活性强度统一起来, 用以比较活性

18、化合物的质量, 评价先导物的成药性。所以, 随机筛选应选取有较高配体效率的化合物, 而相对分子质量低、结构简单的化合物往往有较高的配体效率, 具有提高活性的潜力15。4. 3配体效率指导优化的实例研究蛋白激酶B (PK B 抑制剂, 发现化合物12有弱活性(I C 50=80mol L -1, 但因相对分子质量低, 有较高的配体效率(LE =0147 , 优化结构要求化合物的配体效率保持在0130以上。基于PK B 与化合物12的三维结合特征, 发现在苯环对位的结合部位有负性基团和较大的腔穴, 因而合成了含有碱性基团的13和14, 增强了活性, 虽相对分子质量, LE 值。加入新的苯环, 化1

19、5和16仍维持了相同的配体效率, 最后在新的苯环上引入卤素, 得到高活性的17和1816(图4, 表1 。表1化合物1218的I C 50值和LE 值化合物I C 50/mol L -1LE /kcal mol -10101801445先导物的优化5. 1优化的目的先导化合物的优化是将有活性的化合物转化成药物、将非药演化成候选药物的过程, 是通过药物化学方法将临床对药物的要求体现在结构优化和改造中, 使药物的安全性、药效学、药动学、代谢稳定性和药学(物理化学 等性质同步地构建于一个分子之中, 所以, 优化是在多维空间中通往候选药物的分子操作。在新药的研发链中越到后面的环节价值的增量越大, 此时

20、如若失败造成的损失越严重, 因此在优化阶段对无成药前景的化合物要尽早地摒弃, 为此, 需要用体外或动物体内的试验模型预测并模拟对人体的作用, 将试验结果实时地反馈于新一轮的设计与合成中, 直至化合物的诸多性质达到最佳匹配。5. 2优化的内容提高化合物对靶标分子的选择性或特异性。如果研发的是作用于双(或多 靶标化合物, 不仅对双靶标有选择性作用, 而且作用强度应相近或匹配。要试验对同源靶蛋白或蛋白亚型是否有作用, 由于109郭宗儒:药物分子设计的策略:苗头和先导物的品质决定新药的成败同源蛋白之间的结构与功能有相似性, 往往因选择性不强, 导致产生不良反应; 用细胞或功能性试验评价活性强度。亲和力

21、试验不能代表生物功能, 对于高亲和力的化合物应进一步在靶标高表达的细胞系上试验, 评价活性和功能; 提高化合物的代谢稳定性。用克隆的人细胞色素P450, 试验是否是重要CYP 亚型的底物、诱导剂或抑制剂。用肝微粒体和肝细胞温孵试验评价代谢类型和速率。代谢稳定性对于保障化合物的活性、避免药代动力学的复杂性和降低毒副作用是很重要的; 整体动物的药代动力学试验。进行初步药代动力学试验, 物利用度, 化合物(C max , T max , , ; 。整合各种生物学方法的试验结果, 达到对药效强度和选择性、药代(ADME 的合理配置, 以判断受试化合物是否在一定的时间内在作用部位达到足够的药物浓度, 确

22、保产生药效作用; 改善溶解性和化学稳定性。在分子的非药效团部位引入溶解性基团, 消除化学不稳定原子或基团。根据药物的作用部位调节化合物的脂2水分配性。提高安全性。在高于药理有效浓度(或剂量 下试验化合物的不良反应或毒性, 确保候选药物的安全性。进行细胞毒试验和对心肌hERG 钾通道抑制试验等。5. 3先导物优化举例5. 3. 1胆固醇吸收抑制剂为了降低机体对先导物的代谢, 既要着眼于分子的整体性, 也要注意个别功能基的特性。细胞色素P450氧化酶(CYP 有亲脂性结合位点, 亲脂性化合物往往发生CYP 代谢作用。例如分子中烯丙基和苄基的亚甲基常常是CYP3A4的氧化代谢位点。抑制胆固醇吸收的化

23、合物SCH 248461(19 (图5 含有无取代基的苄基, 为了防止亚甲基氧化, 用氧原子代替亚甲基, 但又会因p 2共轭使苯环的对位易被羟基化, 为此, 同时引入氟原子得到SCH 253079(20 (图5 , 20仍保持降胆固醇活性, 提高了代谢稳定性17。为防止亚甲基的氧化, 也可在碳上引入羟基, 同时苯环对位引入氟原子, 成功的研制出(2118(图5 。, 增加了研5. . 酶抑制剂磷酸二酯酶E4CDP 2840(22 (图6 可解除气管收缩, 用于治疗哮喘病, 但半衰期短, 代谢稳定性差(松猴t 1/2=1h , 系因分子内有较多的代谢位点:苯环A 容易发生氧化, 为此在对位引入六

24、氟羟乙基得到23(图6 以减少羟基化; 苯环B 的邻位甲氧基和环戊氧基可发生去烷基化, 生成儿茶酚并氧化成邻醌, 产生细胞毒作用。为避免此氧化代谢, 用二氟甲氧基代替烷氧基得到24(图6 , 由于降低了碳的电荷密度, 增加了稳定性; 吡啶环可发生N 2葡醛酸苷化, 将吡啶进行N 2氧化, 得到L 2791, 943(25 (图6 , 25的稳定性显著提高(t 1/2=48h , 降低了用药剂量, 提高了有效性19。5. 3. 3神经激肽22受体拮抗剂化合物26(图7 对神经激肽22(neur okinin 22, NK 22 受体拮抗活性p A =819, 临床用于治疗尿失禁, 但易被人肝微粒

25、体N 2去甲基化而失效, t 1/2 120 m in, log D = 117, 30 ( UK2 224671 处于临床试验研究 , 治疗尿失 禁 。这个实例用 5 个有代表性的化合物“ 浓缩了 ” 公开发表的 44 个目标化合物的结果 ,用以阐述优化 图 6 磷酸二酯酶抑制剂 图 7 神经激肽 2 受体拮抗剂 2 904 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2008, 43 ( 9 : 898 - 904 2930 - 2941. 7 Baxter A , Bennion C, Bent J, et al H it2to 2 . Lead: the discov

26、ery of potent, orally bioactive triazolethiol CXCR2 recep tor antagonists J . B ioorg M ed Chem Lett, 2003, 13: 2625 - 2628. 8 Flower DR. Molecular infor matics: sharpening drug design cutting edge. in D rug Design. Cutting edge s app roaches M . Ed by Flower DR. RS C, 2002: 1 . 52. 9 Teague SJ, Dav

27、is AM , Leeson PD , et al The design of . leadlike combinatorial libraries J . Angew Chem ( Int Ed Engl , 1999, 24: 3743 - 3748. 10 Lahana R. How many leads from HTS? J . D rug D iscov Today, 1999, 4: 447 - 448. 11 Congreve M , Carr R , M urray C, et al A“ rule of three ” . for fragment2based lead d

28、iscovery? J . D rug D iscov Today, 2003, 8: 876 - 877. 12 Abad2Zapatero C, M etz JT L igand efficiency indices as . guideposts for drug discovery J . D rug D iscov Today, 2004, 10: 465 - 469. 13 Andrew s PR , Craik DJ, M artin JL. Functional group contributions to drug2recep tor interactions J . J M

29、 ed Chem , 1984, 27: 1648 - 1657. 14 Kuntz I, Chen K, Sharp KA , et al The maxim al affinity . of ligands J . Proc Natl Acad Sci USA , 1999, 96: 9997 - 10002. 15 Hann M , Leach AR , Harper G Molecular comp lexity . and its i pact on the p robability of finding leads for drug m discovery J . J Chem I

30、nf Comput Sci, 2001, 41: 856 864. 16 Saxty G, Woodhead SJ, Berdini V. et al Identification . of inhibitors of p rotein kinase B using fragment2based lead discovery J . J M ed Chem , 2007, 50: 2293 - 2296. 17 Dugar S, Yubile N , Clader JW. et al M etabolis and . m structure activity data based drug d

31、esign: discovery of ( - SCH 2 53079 an analog of the potent cholesterol absorp tion inhibitor ( - 2SCH48461 J . B ioorg M ed Chem , 1996, 6: 1271 - 1274. 18 Huynh T, Afonso A , Davis HR J r, et al D iscovery of 1 2 . ( 4 2fluorophenyl 2( 3R 2 3 2( 4 2fluorophenyl 2( 3S 2 hydroxyp ropyl 2( 4S 2( 4 2h

32、ydroxyphenyl 2 2azetidinone 2 ( SCH 58235 : a designed, potent, orally active inhibitor of cholesterol absorp tion J . J M ed Chem , 1998, 41: 973 - 980. 19 Chauret N , Guay D , L i C, et al I p roving metabolic . m stability of phosphodiesterase 2 inhibitors containing a 4 substituted catechol: p r

33、evention of reactive intermediate formation and covalent binding J . B ioorg M ed Chem Lett, 2002, 12: 2149 - 2152. 20 M acKenzie AR , M archington AP, M iddleton DS, et al . Structure2activity relationship s of 1 2alkyl2 2( 3, 4 2 5 dichlorophenyl 2 2 2 2 ( 3 2substituted 2 2azetidinyl 5 1 ethyl 2

34、2 iperidones 1. Selective antagonists of the 2p . neurokinin 2 recep tor J . J M ed Chem , 2002, 45: 2 5365 - 5377. (例如作用于外周的药物较少进入中枢系统 , 反之 亦然 ,适宜的半衰期 , 较低的血浆蛋白结合率 , 与 细胞色素 P450 无相互作用 ( CYP 的底物 、 抑制剂或 诱导剂等 ; 良好的物理化学性质 , 例如水溶性 、 离解性 、 分配性 、 化学稳定性和多晶性等 , 这些会影 响生物药剂学与制剂的质量 ; 安全性预试验 , 如 致突变致畸试验 ,围产期毒性试验 、 对心肌 hERG钾 通道的抑制试验 、 用大鼠和 (或 犬作数周的多剂量 耐受性观察 。这些试验中任何一项出现问题 , 应终 止开发 ; 选择多个候选药物 , 避免单打一 。候选 药物的开发有很强的时效性 , 为防止首选开发的化 合物夭折而贻误时间 , 往往同时有后续跟进的药物 ( back 2up candidate 。后续药物一般与首选物的结 构类似 ,药理作用机制相同 。后续药物的跟随开发 到什么程度 ,取决于首选候选药物的命运 。 7 结语 新药研发是高投入 、 周期长和多学科综合的技 术创新 。为了降低研发的风险 , 就需要在新药创制 价值链的重要节点上 ,设定质