#中山大学新药研究概论1,2,3节

1、第四章 药研究概论 Outline Of Drug Research第一节引言 (Introduction新药的创制是一个系统项目，在研究与开发的过程中，涉及了多种学科与领域，包括有分子生物 学，生物信息学、分子药理学、药物化学、计算机科学、以及药物分析化学、药理学、毒理学、药剂 学、制药工艺学等。这些环节的有机配合，可以促进新药研制的质量与速度，使创制的新药更具有安全 性、有效性和可控性。安全、可靠和可控性是药物的基本属性。在一定意义上，这些属性是由药物的化 学结构所决定的。显然，构建药物的化学结构是创制新药的起始点和主要组成部分，药物分子设计 (Molecular drug design则

2、是实现新药创制的主要途径和手段。所谓药物分子设计是指通过科学的构思和理性的策略，构建具有预期药理活性的新化学实体(new chemical entities， NCE的分子操作。近年来，新药的研究与开发虽然有显著的进步，但成功率仍很低，就世界范围统计，创制一个全新 药物并上市，一般需要从进行三期临床研究的2 5个候选物中得到，后者则需要 6 5 个化合物进行临床一期实验 , 为此，要在 21个进行了慢性毒性的化合物中选取，这又需要合成6200 个化合物，这全过程需时 13年，耗资大约 3亿美元。成功率低的原因是，要求新研制的药物比临床应用的药物的上述性质更为 优良，特别对难以治疗的和慢性疾患有

3、更迫切的需求，例如恶性肿瘤，心脑血管病，与衰老相关的疾 病，内分泌失调，免疫性疾病，中枢神经系统和病毒性疾病等。判断疗效的时间长，同时对安全性也要 求长时间的实验观察，例如，对慢性毒性和致癌、致畸和致突变、生殖和围产期毒理等实验。这样，要 求新研制的药物在药效学、药代动力学和毒理学等多方面的生物学性质优于已有的药物，需从相当大基 数的候选化合物中严格地挑选，以尽可能满足上述的要求。为了提高这种成功的概率，并尽量降低人力 和物力的耗费，采用科学和理性的设计方法是非常必要的。新药的创制，大体分 4个阶段：生物靶点的选择；检测系统的确定；先导化合物的发现； 先导化合物的优化。创制新药，首先应确定防治

4、的疾病目标，并选定药物作用的靶点。皆知，病理过程 由多个环节构成，当某个环节或靶点被抑制或切断，则可达到治疗的目的。因此，生物靶点的选定是研 制新药的起步点。随着人类基因组计划的实行和分子生物学方法的应用，越来越多的药物作用靶点被认 知，一些新颖的重要的酶和受体成为研制独特作用机理的药物的新靶点。作用靶点选定后，需要建立对其作用可评价的检验测定的生物模型，一般开始是用离体方法，在分 子水平、细胞水平，或离体器官进行活性评价，在此基础上用实验动物的病理模型进行体内实验。显 然，这些体外或体内模型应定性和定量地反映出药物对所选定的靶点的作用方式和程度，并与临床的病 理过程相关联。以上两个方面体现了

5、创制新药中药理学的准备。在化合物或物质上的准备，则是药物化 学和分子设计的任务。药物分子设计大体可分成两个阶段，即先导化合物的产生(1ead discovery 和先导化合物的优化(1ead optimization 。先导化合物又称原型物，简称先导物，是通过各种途径或方法得到的具有某种 生物活性的化学结构。先导物未必是可实用的优良药物，可能因为药效不强，特异性不高，药代动力学 性质不合理，或毒性较大等缺点，不能直接药用，但作为新的结构类型和线索物质，对进一步结构修饰 和改造，即先导物的优化，却是非常重要的。为了进行先导化合物的优化，前人积累的各种经验性法则或规律是重要的借鉴或依托。许多药物的

6、/ 26 研制成功都有其必然性，偶然寓于必然之中。对成功的过程和背景材料加以研究和系统化，可总结出经 验性规律，即化学结构与生物活性间的关系，利用这些定性或定量的规律性变化加以引伸或扩展，特别 是计算机辅助进行优化设计，对先导物进行结构变换或修饰，以使生物学性质臻于完善，达到安全、有 效和可控的药用目的。先导化合物的产生和优化是个相继发生的分子和化学操作，前者是基础，是前 提，是优化过程的必要准备；而优化是先导物的必然归宿，两个过程互相联系，相辅相成。第 二节先导化合物的 产生( Lead di scover y先导化合物的产生可有多种途径 : 天然生物活性物质，例如，动物、植物、海洋生物、微

7、生物等体内 的活性成分，以及矿物有效成分；组合化学方法制备化合物库，辅以高通量或自动化筛选，是近年来发 展的寻找和优化先导物的新途径；一些重要的内源性物质，例如，与疾病相关酶系的底物，受体的配体 等，是衍化先导物的重要根据；基于生物大分子例如核酸，酶，受体，生物膜等的三维结构进行分子设 计，即基于结构的分子设计 (structure based molecular design ；基于生物大分子与配体小分子作 用机理进行分子设计，即基于机理的分子设计(mechanism-based molecular design，通过化学和分子模拟，是产生先导物的重要方法；根据化合物活性的多样性或临床使用中

8、发现的副作用，可作为先导物 质，创制新药；天然产物或合成的活性化合物的合成中间体也可成为先导物的来源；随机筛选，一药多 筛，以及偶然发现，也可产生先导化合物。一、天然生物活性物质 在药物发展的早期阶段，利用天然活性物质几乎是唯一的治疗手段，时至今日，从动植物和微生物体 内分离鉴定具有生物活性的物质，仍然是先导物甚至是药物的主要来源。天然活性成分往往有新颖的结构 类型，新型结构常常有独特的药理活性。自然界生物的多样性决定了天然化合物的分子多样性，多样性的天然产物，是先导化合物的重要来 源。植物、动物、微生物以及海洋生物等在进化过程和物竞天择的竞争环境中，为了自身的生存和种群的 繁衍，制造了各色各

9、样的次级代谢物质 (secondary metabolites ，这些物质是用于化学吸引昆虫或动物 以帮助传播种子和繁衍后代，或者为了保护自己免被周围环境的生物或不适条件所毁灭。例如，植物产生 一些萜类物质模拟昆虫激素，青霉菌产生青霉素并向周围分泌，抑制与其共存的细菌生长；一些植物为了 保存自己不被动物吃掉，产生诸如有强心作用的苷类，或作用于中枢神经系统的生物碱，或产生不愉快味 道、引起呕吐的物质等乙动物脏器中提取的激素，虽然有些可直接作为药物，但更多作为先导物。我国有悠久的历史，丰富的医药遗产，是发现先导物的宝库；民间治疗疾病的偏方验方，也是获取先 导物的来源。采用各种分离手段，如色谱法 (

10、 液相色谱、气相色谱和薄层色谱等 ，电泳、凝胶过滤等方 法，包括高分辨核磁共振谱、质谱、 X线晶体衍射以及与色谱法联用在内的现代分离分析方法的应用， 以确定天然成分的化学结构、构型和构象，配以微量快速大规模的筛选方法，使得分离鉴定天然活性产物 的研究工作能够快捷准确地完成；微量复杂结构成分也因使用先进的分离鉴定和生物评价手段而得以成为 有价值的线索物质。动物和人体内源性以及自体活性物质，例如，神经递质、激素、前列腺素。多肽等微 量活性成分，也成为创制新药的先导化合物。( 一 膏蒿素青蒿素 ( Artemisinine , Qing Hao Su ,4-1 是我国学者自黄花蒿 ( Artemis

11、ia annula 分离出的倍半萜/ 26类化合物，具有强效抗疟作用，对于氯奎耐药的恶性疟原虫 (Plasmodium berghei 感染的小鼠有明显治 疗作用。青蒿素分子中含有的过氧键证明是必要的药效团；内酯键经硼氢化钠还原生成半缩醛，为二氢青 蒿素(4 2，仍保持活性。因为青蒿素的生物利用度较低；而且复发率较高，而(4 2或其甲基化产物蒿甲醚 (4 3 和琥珀酸单酯钠青蒿琥酯 (4 4 的生物利用度提高，临床已用于治疗各种疟疾。( 二 长春花生物碱自长春花 (Vinca rosea 分离的长春新碱 (Vincristine， 4 5和长春碱 (Vinblastina ， 4 6，是吲哚化

12、合物的二聚偶联物，最初认为长春花提取液有降血糖作用，但实验表明无降血糖活性，但可使血 液中白细胞减少。长春花生物碱与微管蛋白结合阻止徽管蛋白聚合，使细胞周期停止在间期阻断了细 胞分裂而死亡。长春新碱的抗癌活性高于长春碱，而后者在植物中的含量是前者的100倍，因而可用半合成方法将长春碱转化为长春新碱。然而，长春新碱和长春碱都有神经毒作用，用半合成力法将其甲酯转 变成酰胺，为长春地辛 (Vindeline ， 4 7，后者以硫酸盐用于临床，其作用与长春新碱基本相同。根 据 这类生 物碱的生物合成 途径， Potier 等合成了 5失碳15， 20失水长春碱，称作诺 维本 (Navelbene ，

13、48，诺维本的药效学和药代动力学限制均强于天然的生物碱，临床已用于治疗小细胞 肺癌和乳腺癌等。( 三 喜树碱自 中 国 特 有 植 物 喜 树 (Camptotheca acumulata 得 到 的 含 并 合 的 喹 啉 生 物 碱 喜 树 碱 (Camp- tothecin ，4 9具有强效抗癌作用，分子中的内酯环和内酰胺基团是抗癌的必需基团，可认为是药效 团。喜树碱的抗癌作用机理是抑制DNA拓扑异构酶 1。喜树碱的毒性较大，水溶解度低，不能直接在临床应用，可于芳环上引入各种基团，例如，9，10或 11位引入氨基或羟基可显著提高活性，但12位取代，则降低活性。为了增加喜树喊的水溶性，可制

14、成含氨基或羧基的前药，例如，10羟基 9二甲胺甲基喜树碱拓扑替康 (Topotecan ，4-10 和水溶性前药伊立替康 (Irinitecan ， 4 11已在临床应用。/ 26( 四 紫杉醇自红豆杉属 ( Taxus 植物树皮中分裂得到的紫杉醇 (Paclitaxel ，412具有强效抗肿瘤作用。虽然 其作用靶点是微管蛋白，但与长春碱对微管蛋白的作用相反，紫杉醇促进微管蛋白的聚合，并使其稳定 化，从而阻止了微管蛋白在有丝分裂中的功能。临床上使用紫杉醇治疗卵巢癌，乳腺癌和恶性黑素瘤， 效果显著。紫杉醇的缺点是在植物体内含量少，溶解度低，生物利用度差。以紫杉醇为先导物，进行了 系统结构修饰，提

15、示 C13侧链对于抗癌作用非常重要，环丁氧烷也是必要的药效团。含叔丁基的类似物(Docetaxel ， 4 13增加了水溶解性，活性强于紫杉醇，且无交叉耐药性，已于临床使用( 五 大环内酯类抗生囊大环内酯系指具有 14或 16员环内酯结构的抗生素，环上一般连有2个或多个糖基，主要用于治疗上、下呼吸道感染。其作用机理是抑制细菌依赖于RNA的蛋白质合成，与细菌的核糖体50s 亚基发生可逆性结合，抑制蛋白质的合成。典型的药物是红霉素(4 14。红霉素有较明显的胃肠道刺激作用，研究表明，在酸催化下， 6位羟基与 9位酮基形成半缩酮，再与 12位羟基生成缩酮，该过程是红霉素产生胃肠道刺激 和失去抗菌作用

16、的主要原因。为避免缩酮的生成，将6位羟基甲醚化，得到克拉霉素 (Clarithromycin ，4 15，临床应用表明，克拉霉素对胃肠道的刺激很小，而且，因脂溶性增加，口服生物利用度提高， 化学稳定性较好，因而改善了抗菌作用。另一个大环内酯是阿奇霉素 (Azithromycin ，416是在 C9和Cl0 之间插入 N CH3的扩环产物，与红霉素相比，阿奇霉素提高了对酸的稳定性，半衰期长，可日服一次，抗菌广谱。/ 26( 六 美伐他汀 某些微生物的次级代谢产物与人体内的正常代谢产物的结构具有相似性，这可能是在生物的长期进化 过程中保存下来的，以致微生物的代谢产物可能对人体的某个生化过程有干预作

17、用。自真菌 Penicillium citrinum 和从 Aspergillus terreus 的培养液中分别得到的美伐他汀 (Mevastatin ， 4 17和麦维诺林 (Mevinolin ，4-18 ，可选择性地抑制羟甲基戊二酰辅酶 A(HMGCoA还原酶，该酶是催化 3羟基 3甲基 戊二酸辅酶 A还原成 3， 5二羟基 3甲基戊酸的反应，后者是体内胆固醇生物合成的级联反应的决速步 骤。美伐他汀和麦维诺林对 HMG CoA还原酶抑制作用的 i 值分别为 1.4x 10-9 mol/L 和6.4X10-10mol L。而底物 HMG CoA的Km值为1.4x10-5mol L，这两个

18、抑制剂与酶的亲和力分别高于底物7千或 1万6千倍。结构分析表明，美伐他定和麦维诺林分子中都含有以内酯形式存在的3， 5二羟基戊酸的片段，在体内被血清或组织中，酯酶水解成相应的羟基酸，是与酶结合的活性形式。此外，研究表明，在酶的活性中心 有一个疏水腔，与抑制剂下半部的十氢萘部分结合，导致这种结合非常牢固，成为强效抑制剂。 二、以生物化学为基础发现先导物生物化学和分子生物学的发展，为系统地寻找生物活性物质开辟了广阔的领域，为药物分子设计提供 了新的靶点和先导物。例如，激素、神经递质和维生素的功能、生物合成的级联反应、代谢中间体和终产 物，都可作为设计药物分子的出发点，对这些调节机体的活性物质作结构

19、变换，或可增强原生理生化过 程，或阻断、拮抗原过程，对异常的或失衡的机体功能发挥纠正或调节作用。( 一 吲哚美辛类非甾体抗炎药炎症的重要介质 5羟色胺的功能被揭示后，希望能够寻找其受体拮抗剂以治疗各种原因引起的炎 症。另一方面，在风湿性关节炎患者的尿中，有高水平的色氨酸的代谢产物。因而，以含吲哚环的化合物 为先导物，在众多取代的吲哚 3乙酸化合物中，选择出吲哚美辛 Indomethacin ，4 19)作为解热镇 痛药和关节炎治疗药。前列腺素 G和 H是重要的炎症介质 , 它是花生四烯酸经环氧合酶催化氧化等级联反应而产生的。在环氧 合酶的三维结构被解读之前， Gund等用计算机图形学方法比较了

20、花生四烯酸和吲哚美辛的构象，表明这 两个化合物的三维结构有相似性烯键和羧基在空间的位置具有对应性，因而，竞争性地与环氧合酶结 合，并由此演绎出环氧合酶活性部位的拓扑模型成为设计新型非甾体抗炎药的模板。为了消除或减轻吲 哚美辛对胃肠道的刺激作用，经结构改造、开发了其电子等排物舒林酸 (Sulindac ，4-20 。/ 26 裂解为八肽血管紧张素 ( 二 卡托普利类降压药血管紧张素转化酶 (ACE可将具有十肽结构的血管紧张素 (Angiotensin (Angiotensin , 后者可使平滑肌收缩，并促进醛甾酮的生物合成和分泌，使血压升高。显然，能够抑制 血管紧张素转化酶活性的物质，应具有降压

21、作用。鉴于羧肽酶 A(CarboxypeptidaseA 与血管紧张素转化酶的结构与功能有相似之处，参考了对羧肽酶A有抑制作用的 D苄基琥珀酸的结构，设计了琥珀酰L脯氨酸，后者对 ACE虽有较弱的抑制作用，但作为先导物，经侧链的变换，例如，引入甲基，用巯基替换羧 基，优化出降压药卡托普利 (Capto-pril ， 4 21。卡托普利是血管紧张素转化酶强效抑制剂，这样小的分子有多个功能基，各履行重要作用：巯基与酶的辅基锌离子形成配位键，羧基的负电荷与酶分子的 正电荷形成静电引力，羰基与氢原子生成氢键，脯氨酸残基则与S甲基有立体特异性的疏水和范德华力 的作用卡托普利分子中的巯基可引起副作用，且化

22、学性质不稳定。进一步变换结构，模拟产物的结构，将 巯基换成羧烷基，并用 -NH-替换-CH2- ，以调整抑制剂的疏水 -亲水性，得到依那普利 (Enalapril ，4 22，它对 ACE抑制作用的 IC50 强于卡托普利 19倍。( 三 H2受体拮抗剂的抗溃疡作用分子药理学研究表明，组胺作为自身活性物质 (autocoids 在体内至少有两种受体与之结合，即 H1 和 H2受体。抗组胺药物是 H1受体拮抗剂，具有阻止组胺对机体致敏的作用但它对与胃液分泌相关的H2受体却没有拮抗作用。为了研制抗消化道溃疡药，以 H2受体为靶点，以组胺为化学起始物，寻找对组胺H2受体有拮抗作用的物质。 4甲基组胺

23、对 H1和 H2受体的激动作用不同，对 H2受体的激动作用强于 H1受体。侧链的氨基经各种 基团替代，发现胍基代替氨基，使 H2受体的活性只能达到最大活性的半，成为部分激动剂。改变胍基的 碱性，换成脲基或硫脲基，得到的布立马胺 (Burimamide ， 4 23为H2受体拮抗剂，进而 4位引入甲 基测链加入硫原子，最终研制出西咪替丁 (Cimetidine ， 4-24 。咪唑环并非必需的药效团，雷尼替丁 (Ranitidine 4 25和法莫替丁 (4 26等H2受体拮抗剂分别是用呋喃环和噻唑环替换咪唑环的有效抗 溃疡药。/ 26基子临床副作用观察产生的先导物先导化合物常常具有多种生物活性

24、，这些多样性作用对于研制特异性药物是不利的。在修饰结构优 化活性时，提高并强化所希望的活性，消除或尽可能降低其它样作用，使推荐到进行临床研究的候选物 质有较好的选择性作用。然而，在优化操作中，所提高的选择性作用只是相对的，往往很难除去所有不 希望有的作用，以致在临床观察或应用时，出现了预料的或未预料的不希望的作用即副作用。另一方 面，机体的各种器官或组织细胞含有多种受体、酶或其它生物大分子，理想的药物应只对某个器官或组 织( 即靶器官或靶组织 的特定受体或酶发生相互作用，或者只对病源体的某生物大分子起作用，产生选 择性或特异性作用。然而事实上，临床应用的药物几乎很难只向靶组织作特异性分布并与受

25、体起作用， 导致在用药时出现副作用等不良反应。然而，通过对副作用的密切观察和对作用机理的深入研究，却又 可以以此作为研制新药的线索，即以临床使用的药物作为发展另一类新药的先导物。应当强调指出，此时所进行的操作，是提高该副作用的强度成为主作用，扬弃原来的药理作用。( 一 磺酰脲的降血糖作用20世纪 40年代用磺胺异丙噻二唑 (4 27治疗伤寒病，当使用大剂量时会造成死亡，死因是因为药物刺激胰腺释放出胰岛素，导致急性和持久地血糖降低。然而，这并没有引起人们利用此副作用研究口服降血糖药的注意。与此同时，临床又发现氨磺丁脲 (Carbutamide ，Bz 55 ，428 的降血糖作用强于 (4 27

26、，开始作为治疗糖尿病的药物。自此以后合成了大约 10 000 个磺酰脲化合物构效关系研究表明，苯环上存在取代基，脲基氮原子上有烷基或环烷基 取代 有利于降糖作用 。例 如，发明了甲苯 磺丁 脲 (Tolbutamide ，429，氯磺丙脲 (Chlorpropamide ， 4 30，格列吡嗪 (Glipizide ， 4 31，格列波脲 (Glibornuride ， 4 32。格列齐 特 (Gliclazide ，49除具有降血糖作用外，还可阻止血小板聚集，因而，可阻断糖尿病患者的视网膜病的发展/ 26( 二 单氨氧化酶抑制剂的发现在使用异烟肼 (4 34和异丙烟肼 (Iproniazid

27、 ， 4 35治疗结核病时，发现患者服用异丙烟肼后情 绪增高，而未见于服用异烟肼者。研究表明，异丙烟肼可抑制单氨氧化酶，临床上用于治疗抑郁型精神 病患者。构效关系提示，酰基并非必需基团，但肼基或酰肼基的氮原子需有烷基或环烷基取代，从而研 制 出 苯 乙 肼 (Phenelzine ， 436 ， 进 而 证 明 胺 类 也 是 单 氨 氧 化 酶 抑 制 剂 ， 如 反 苯 环 丙 胺 (Tranylcypromine ，437和司来吉兰 (Selegiline ， 438都是抗抑郁药。( 三 促毛发生长的 M诺地尔M诺地尔 (Minoxidil ， 439直接作用于血管平滑肌，扩张外周血管，

28、临床用作降血压药。长期服用M诺地尔会促进毛发生长，特别是头部面部毛发生长旺盛，作用机理可能是开启钾离子通道。该药物 已作为局部用药治疗脱发症 ( 四 芳构酶抑制剂格鲁 M特格鲁 M特(Glutethimide ， 440是非巴比妥类镇静药，用于治疗癫痫病，但因为其严重的副作用于 20世纪 60年代停用。该副作用类似于抗雌激素作用。以后发现氨鲁M特(Aminoglutethimide ，441对乳腺癌患者有类似于切除肾上腺的效果，因而，临床上用于治疗绝经后妇女乳腺癌。深入研究这类化合物的 作用机理，表明药物抑制了芳构酶 (aromatase ，芳构酶催化睾酮和雄甾烯二酮转化成雌酮或雌二醇的反 应

29、，使雌激素水平下降，抑制了依赖于雌激素的乳腺癌。四、基于生物转化发现先导物 机体为自身的保护和防御，对于进入体内的药物视作外来异物，力图排出体外。主要的方式是通过 相和 相代谢反应，转化成易溶于水的化合物，以利于排出。生物转化的大多数后果是药物失去或降 低了活性，即代谢失活；但有的化合物经代谢后提高了活性，即代谢活化。经生物转化作用产生药理作 用更强的代谢产物可作为先导化合物，甚至直接作为新药，已有不少成功的实例，这里所讨论的药物本 身已有活性、经代谢后活性进一步提高。关于前药分子设计，因为其本身无药理活性，需经体内转化后 方呈现活性，将在本章后面讨论。( 一 解热镇痛药对乙酰氨基酚 解热镇痛

30、药非那昔丁在体内代谢脱乙基，生成对乙酰氨基酚，对乙酰氨基酚的药理活性强于非那昔 丁，而且不引起正铁血红蛋白的产生所造成的毒性。( 二 抗疟药环氯胍/ 26抗疟药氯胍 (Proguanil ， 442在体内代谢合环，生成环氯胍 (Cycloguanyl ， 4 43，环氯胍具 有二氢三嗪结构，是活性更强的化合物。研究表明，环氯胍是二氢叶酸还原酶的强效抑制剂，循此先导 物研制出作用更强的抗疟药乙胺嘧啶 (Pyrimethamine ， 4 44。( 三 维生素 D3维生素 D3(Cholecalciferol，445 与骨骼形成有关，促进钙和磷酸根在软骨组织中沉积。维生素D3在体内转变成骨化三醇

31、(Calcitriol，4 46。后来证明，骨化三醇是活化钙和磷酸的主要物质，它有维生素 D的全部功能，履行激素样作用。维生素D3转变成骨化三醇的羟基化过程是分步进行的，首先在肝脏中生成骨化二醇 (Calcifediol ， 4-47 ，然后在肾脏中引人 1羟基。骨化三醇显然是活性更强的维 生素 D3。( 四 5 氨基水杨酸治疗结肠炎柳氮磺吡啶 (Azulfidine， 448是 5氨基水杨酸与磺氨吡啶经偶氮键连接的化合物，治疗溃疡性结肠炎，在肠道中被微生物还原分解成5氨基水杨酸 (4 49和磺氨吡啶，起到抗菌、消炎和免疫抑制作用， 5氨基水杨酸是该药物的活性成分，它已成为治疗溃疡性结肠炎的有

32、效药物。( 五 保泰松的代谢活化抗炎镇痛药保泰松 (Phenylbutazone ， 450在体内转化，主要生成两种氧化代谢产物：芳环的4羟基化和丁基的 1羟基化。前者得到的羟布宗 (Oxyphenbutazone ， 4 51其抗炎作用强于原型 药，它已用化学合成方法制成，作为药物上市，不必经过肝脏的体内代谢活化。有趣的是保泰松的丁基 羟基化 4 52)产物具有新的药理作用，促进尿酸排泄，可以治疗痛风病，以它作为先导物，研制出新 的抗痛风药磺吡酮 (Silfinpyrazone， 4 53。五、药物合成的中间体作为先导物合成天然活性物质或药物的中伺产物，它们之间的化学结构往往具有相似性或相关

33、性，或者存在有相/ 26同的药效团配置，这时合成的中间体有时会呈现与终产物相似、相同或更优良的活性。( 一 抗结核药异烟肼和抗抑郁药异丙烟肼抗菌药磺胺噻二唑的中间体缩氨硫脲，经筛选发现对结核杆菌有强效抑制作用，最终研制出抗结核药 阿密硫脲 (Amithiozone ， 454。而在合成硫代缩氨脲类化合物中，发现中间体异烟肼(Isoniazid ，455的抗结核作用更强，诞生了抗结核药异烟肼。在修饰异烟肼的结构以设计更强的抗结核药时，发现了 异丙烟肼 (Iproniazid ， 456对单胺氧化酶有抑制活性，继之研制出肼类单胺氧化酶抑制剂作为抗抑郁 药。( 二 降转氨酶药物联苯双酯由北五味子 (

34、 Schizandra chinensis Bei 果实中分离的一种木质素五味子丙素 (schizandrine C4 57具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在合成这类联苯化合物中，发现中间 体联苯双酯的保肝作用强于五味子丙素。在初期确定五味子丙素的结构时，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物实验表明，其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的联苯双酯 (Bifendate ， 458。有趣的是，当纠正了五味子 丙素的结构后，合成了相应的中间体 异构体，却没有保肝作用。显然，当初若正确确定了五味子丙素的结构，未必

35、能够或至少会推迟联苯双酯的研制。由联苯双酯作为先导物又优化出了活 性更强的药 物。六、组合化学的方法产生先导物 ( 一 组合化学基本原理 新药研制的效率在很大程度上取决于化合物的合成和生物评价的速度，这关系到人力和资金是否得 到充分的利用和快速的回报。数十年来，合成药物的传统模式是一次合成并评价一个化合物，而且一直 沿用至今。组合化学采用了完全不同的策略，是在同一时刻制备出数目众多、用于生物评价的群集分 子，诸如肽类、寡核苷酸或非聚合型的有机分子等。组合化学是基于这样的前提：用随机筛选的方式发现活性分子的概率，与所筛选化合物的数目成正 比，即筛选的化合物数量越多，得到活性化合物的可能性越大。这

36、种方法的原理是基于一系列组建模块 (Building block发生所有可能的组合方式，会生成数量巨大的化合物库。表4 1列举的数字表明，以代数级数增加组建模块的数目，所生成的化合物数量则成几何级数的增加。/ 26传统的合成方法是液相或均相反应，已经积累了上百年的经验。固相合成法经并行反应、自动化 合成和 deconvolution 策略，可得到群体化合物，这些化合物可以呈溶解状态，也可以与固相支持剂 结合，每个支持剂上可有单一的化合物或是混合物。选用方法的标准取决于活性测定的方法和目的。 图41是在固相支持剂上用合分法进行并合合成的策略和模式。固相合成制备肽类和寡核苷酸化合物获得了很大的成功

37、，有机小分子化合物也可用固相方法合成。虽然，用固相法合成有机分子的反应类型远比肽或核苷酸的反应类型复杂，合成经验比液相反应少得多，需 要投入更多的研究，但这对建立研究小分子化合物库，进行先导化合物的筛选却是非常值得的。( 二 举例由3个模块组建苯并二氮唑化合物库是个成功的实例。首先，合成有保护氨基的二苯酮，环上带有可与树脂连接的羟基或羧基，与树脂结合后，被保护基Fmoc保护的氨基去保护后，经 氨基酸酰化，再去保护，酸催化环合，再经 N烷基化，酸催化裂解，可得到较纯净的苯并二氮革，见图4 2。/ 26Coxdeev等用固相法合成了 1， 4二氢吡啶组合库，库容量为300个化合物，以期创制钙通道拮

38、抗剂。酮酸酯或二酯 (3 种，第 3个模块为取使用的 3个组建模块为 酮酸酯或二酯 (10 种，第 2个模块也为 代的芳香醛 (10 种，生成 300个化合物均匀分布在 30个合成器内，每个合成器中含有 10种化合物。分别应对30个合成器中的样品作活性筛选，找到活性最强的一组(10个或两组 (20个化合物，再进一步实验得出阻断该钙通道活性最强的化合物。其方法和流程如图4 3所示。构在理论上与酶活性部位会有更牢固的结合。起初设计的是含 sp3 杂化碳上带有一个羟基、相邻的氨基用电子等排体亚甲基代替并配置亮氨酸和颉氨酸的侧链的多肽，对肾素有抑制作用。八、反义核苷酸基于 DNA或信使 RNA(mRN

39、A的结构，设计寡核苷酸是药物分子设计的另一种方法。 DNA双螺旋的互补 性结合是通过核酸碱基腺嘌呤 (A与胸腺嘧啶 (T 、鸟嘌呤 (C与胞嘧啶 (C之间的氢键所维持。 DNA具有 两个最重要的功能，即在细胞分裂时每股螺旋复制出自身的互补链，生成子代的 DNA；另一个功能是转 录出信使 RNA，后者具有指导转译生成蛋白质的功能。图45a表示 DNA的重要功能；图 4 5b为反义寡核苷酸与信使 RNA结合的模式图。/ 26如果设计能够与 DNA或信使 RNA发生特异性结合，过程相关的核酸或蛋白质 ( 例如酶或受体 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分别阻断核酸的转录

40、或转译功能，则会阻止与病理核苷酸。所以，反义寡核苷酸作为药物应认为是从遗传信息的复制、转录或翻译的根本上千预病理过程， 理论上应是“治本”的药物。许多疾病的原因是基因组的缺陷或在基因转录或翻译过程中的失常，迄今完全清楚改变同临床表现的相关疾病的是癌症和病毒性疾病。癌症可由多种因素引起，但主要是因细胞内致癌因素DNA结构与功能的激活了癌基因；逆转录病毒的遗传物质参人到宿主的DNA中，导致艾滋病等病毒性疾病的发生。所以，建造直接针对细胞的 DNA或 RNA的分子，原则上应当能够清除病因，阻止或逆转这些疾病。核酸作为靶点的优点是将基因的表达阻止在最早阶段，而且核酸的结构比较蛋白质结构清楚，设计核酸的

41、拮抗剂比设计蛋白质拮抗剂理论上要容易些。反义寡脱氧核苷酸所带的碱基与DNA或 mRNA片段呈互补时 ，可与之结合，形成 DNA寡核苷酸或mRNA寡核苷酸杂交链，选择性地抑制基因的表达。与DNA结合时，是同大沟的结合形成三螺旋 (triple helical structure ，从而抑制了核酸的转录也可与Hoogsteen 碱基对呈互补 mRNA作互补性结合，抑制信使 RNA对蛋白质表达。然而 DNA靶点不像 mRNA那样简单，因为反义寡核苷酸与单链核酸的交联比与双链 核酸更容易，即干预 mRNA的翻译比干预 DNA的转录更容易，这是因为外加入的寡核苷酸一般浓集在胞浆中，较易与处在胞浆中的 m

42、RNA结合。反义寡核苷酸用作药物应满足以下的标准：容易合成并可大量制备；在体内稳定，能够耐受核酸酶对寡核苷酸的磷酸二酯键的水解；能够进入并停留在靶组织处。显然，穿越细胞膜的机理是很重要的； 能够与靶细胞内核酸发生相互作用，但不与其他生物大分于反应。反义寡核苷酸的分子大小是设计的重要环节。为了只对一个基因的识别和结合，提高选择性，反义寡核苷酸要有一定的长度。统计学表明，每17链节寡核苷酸 (17-mer 只在人基因组中出现一次。合成的反义链长可以是由 15个 (G C含量高时 到大约 20 个碱基 (A-T 含量高时 核苷酸。增加核苷酸数会提高选择性，因而会降低了毒副作用。但超过 25个碱基的寡

43、核苷酸难以透过细胞膜，不宜作为反义寡核苷酸。核酸酶存在于细胞核内或核外，功能是裂解核酸中的磷酸二酯键使核酸降解。核酸酶可降解外切位点(5 或3外切核酸酶 或降解内切位点 ( 内切核酸酶 。它的存在限制了正常的寡核苷酸作为“反 义”核苷酸的应用，因为它们在细胞外介质中会迅速被降解。为了提高对酶降解的抗性，增加稳定性，4-6 所示。可制成核苷酸模拟物，包括改变磷酸二酯基、脱氧核糖、碱基和末端的结合物，如图现于临床实验的反义寡核苷酸药物大都是硫代寡核苷酸，例如， 20 链节硫代寡核苷酸是个抗炎药；另一个 20链节的硫代寡核苷酸称作阿福韦生 (Afovirsen ，是抗艾滋病药物。13 / 26九、幸

44、运发现的先导物 上面所讨论的先导化合物产生方法，虽然是有目的地从自然界或临床观察或代谢产物中发现的新活 性物质，在一定意义上是偶然发现的。下面所述的更是偶然发现，或称幸运发现 (serendipity ，在这个 过程中，适时地捕获机遇和仔细地分析与研究，是成功的关键。( 一 青霉素的发现 青霉素的发现开辟了抗生素药物治疗的新纪元。这个划时代的成就却完全始自于偶然的事情。Fleming 的幸运在于数个机遇凑在一起，并被他适时地抓住了。首先， Fleming 所在的实验室的青霉菌污 染了他的培养基，该菌株又是为数不多的青霉素产生菌；其次，他所用的琼脂培养基中有其它细菌与青 霉菌同时生长，构成了观察

45、青霉素抗生作用的环境，而且，所设定的培养条件也适合于这两种菌株的生 长；而最重要的是他在未计划和未预料的实验中，观察到细菌生长点和抑菌圈的出现，并得出正确的结 论。由青霉素和头孢菌素等构成的 内酰胺类药物的发现和应用，都是以Fleming 的机遇、智慧和勤奋工作而作为开端的。( 二 苯二氮蕈的发现第一个作为安定药的氯氮革 (Librium ， 462的发现纯属是偶然性的， Sternbach 在从事新型安定 药物研究中，原计划合成苯并庚氧二嗪(4 63，当 R1是 CH2NHCH，3 R2是苯基时，并未得到目的物，而得到喹唑啉 N氧化物 (4 64，该化合物无安定作用，以致终止了此研究项目。两

46、年后在清洗仪器时， 发现瓶中存在的以为是喹唑啉 N氧化物的结晶，经药理实验，竟意外发现有明显的安定作用。进一步根 据反应条件推导可能的产物，确证该结晶是苯并二氮蕈的结构。该反应历程是：14 / 26显然，如果在清洗仪器时没有留意瓶内的结晶或未进行药理实验，那么，苯并二氮革类药物的出现至少 会延迟的。( 三 铂配合物Rosenburg 在研究电流对大肠杆菌生长的作用时，观察到菌体细胞变长了，后证明是铂电极在电流 的作用下生成了铂配合物，释放到溶液中影响了大肠杆菌的生长。进而在细菌培养液中加入顺式构型的 铂配合物就会使细胞变长。用顺铂 (Cisp1atin ， 4 65 ，研究对移植性肿瘤实验表明

47、，有强效细胞毒作 用，从而开辟了顺铂类化疗药物。( 四 降转氨酶药物联苯双酯 由北五味子果实中分离的一种木质素五味子丙素(schizandrine C ， 4 66具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在初期确定五味子丙素的结构是，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对 位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物实验表明其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了 具有肝保护作用和降低转氨酶活性的 联苯双酯 (4 67，商品名为联苯双酯 。当纠正了五味子丙素的 结构后，合成的相应的中间体 异构体 (4 68，却没有保肝作用。第三节先导物的优化( Lead Opt i mi zat i on一、

48、引言 前已述及，当先导化合物的结构确定以后，需要进行结构和活性的优化，这是因为先导化合物只提 供一种具有特定药理作用的新结构类型，作为线索物质，往往因为在药学、药效学、药代动力学的缺点/ 26 或不足，存在不良反应而不能临床使用，需要对先导物进行结构改造或修饰，以优化上述性质。迄今所 用的优化方法大都是经验性的操作，通过这样的化学操作和生物评价，既可能发现出决定药理作用的药 效团，也会得到在药效的特异性、药代的合理性、较低的不良反应的药物。例如，可能因为活性不够 强，选择性作用不高，生物利用度不好，毒副作用大，化学稳定性差等需要进行优化。此外，先导物的 优化也有耐出于专利保护的考虑。优化过程就

49、是扬弃那些不利性质，提高和改善所希望的性质。为达到 上述目的，要变换先导化合物的化学结构，这种变换是干差万别的，相当不明确的，在一定意义上讲， 往往要靠药物化学家的知识、经验和直觉，而且是个反复实验的过程。一般而言，优化的策略是根据先导化合物结构的复杂程度和要达到的目标而定的。结构较复杂的先 导物用简化的方法，即将复杂结构的化舍物解体成小片分子，即设计剖裂物；分子大小适中的化合物则 效仿原化合物的结构，设计类似物，也可以将两个相同或不同活性的分子缀合在一起，形成孪生药物或 拼合物。二、先导物优化的一般方法( 一 剖裂物先导化合物为天然产物，结构一般比较复杂，常常用剖裂操作，作分子剪切进行结构优

50、化。例如， 对镇痛药吗啡 (4 69进行优化中，累计合成了 1000 多个化合物，并揭示了苯基哌啶是呈现中枢镇痛作 用的药效团。简化的过程是由五环系的吗啡，简化成四环系吗啡喃(4 70 ，再简化成三环系的苯并吗啡烷(4 71最后得到二环系派替啶 (4 72。应当指出，割裂和简化的结构虽仍保持强效镇痛活性，但 并未消除麻醉的副作用。天然产物曲林菌素 (Asperlicin ， 4 73是缩胆囊素 (Cholecystokinin ， CCK受体的强效拮抗剂，通过简化结构和活性测定，证明苯并二氮革酮与四氢吲哚片段是重要药效团，并合成了MK-329(4 74其活性强于曲林菌素 100000 倍，选择

51、性高，作用时间长，且可口服。( 二 类似物 先导物优化进行的结构改造，更常用的方法是类似物变换，即对先导物结构作局部变换或修饰，包括改变分子的大小，增加或减少饱和碳原子数的同系化合物，引人双键的插烯操作，引入或除去手性中心， 引入、去除或变换功能基或有空间障碍的大体积基团，链状化合物变成环状 物，环状分子开环成链状 物，柔性刚性分子的变换，基团的位置或方向的变换，分子的电荷分布或状态的变换等，这些都是局 部变换和修饰的内容。/ 261同系物的变换同系物原理最早始于有机化学，在药物化学中该原理的含义相同，即分子间的差异只是亚甲基的数 目不同。在先导物优化中最常见的同系物操作是单烷基衍生化，不同碳

52、原子数的脂环同系物，直链双功 能基化合物和多亚甲基化合物。单烷基衍生化是在先导物结构中逐个增加或减少亚甲基的操作。烷基链的增长或缩短，得到高或低 同系物，这是最常用的设计方法。3哌嗪基 12，5，6四氢 - 1甲基吡啶 (4 75为M1蕈毒碱样受体激动剂；由 O-甲基增加到 O-丁基，对 M1受体亲和力由 0.85mmol L增加到 0.017mmol/L.组成脂环的碳原子数不同所构成同系物，对活性的影响可用缩胆囊素的拟肽加以说明。- 甲基么氨酸的氨基被环烷氧羰基酰化，羧基将苯乙胺酰化，所得到的拟三肽 (4-76 ，对受体的结合作用与环的大小相 关，但并不完全与分配系数相平行。表 4-2 表明

53、环系大小、活牲和分配系数的关。苯 并咪唑类血栓 素A2受体 拮抗剂(4 77 对亚甲 基的变换则非 常敏感，例如 当n=0时 ，IC50 为 1700nmol/L ； n=1 ， IC50=7.8nmol/L ； n=2,IC50=20mmol/L 。同系化合物生物活性的变化随化合物序列和活性特征的不问而改变，无普遍规律可循。例如，全身麻 醉药、挥发性杀虫药和表面活性物质等结构非特异性药物，随碳原子数的增加活性有规律地增高，达到最 高活性后，再增加碳原子数则活性降低，直至完全无活性。具有蕈毒碱样作用的 RNMe3+同系物和神经节阻滞剂 R3N+(CH2nNR3+，活性随碳原子数的增加而升高，当

54、前者的 R为4个碳原子、后者 n为4、5或 6时活性达最大值，在一定范围内进一步增加碳原于数，活/ 26性变化不显著。6甲氧基 8氨基喹啉的烷基链碳原子数的奇数和偶数之间对活性有较大的影响，例如，抗疟药 烷基链，的奇数碳链比相邻的具有偶数碳链的化合物活性高。烷基碳原子数的变化还会引起药理作用的翻转，例如激动和拮抗、兴奋和抑制的变化。去甲肾上腺素氨基 NH2的 1个氢原子随着被甲基、乙基或正丙基代替，升高血压作用依次减弱，但若被异丙基或叔丁基 代替时，则为降压作用，这可以认为烷基的变换导致与不同受体的作用：伯胺化合物与- 肾上腺受体作用，异丙基和叔丁基化合物与 - 肾上腺受体结合，甲、乙、丙基化

55、合物则同时与-和-受体结合。引入烯键生物活性分子中引入双键包括两个方面：一是在饱和碳链上引入双键，另一是形成插烯物 (vinylogues 。因为双键的引入改变了分子的构型和构象，分子形状与饱和化合物有较大的差别，因 此，生物活性会有较大的变化。例如，顺式苯丙烯酸具有调节植物生长作用，而相应的饱和化合物苯丙酸 无此活性。双键作为功能基比相应的饱和烷基有较强的生物活性，例如，含不饱和键的巴比妥类药物的催 眠作用强于相应的饱和化合物。在分子 A- B之间插入一个烯键的引入使分子的刚性增加，会改变物理化学性质。与双键相连不同的基团会因产生几何异构体 而呈现不问的生物活性。在分子中加入乙烯基或多乙烯基

56、，根据插烯规则 (vinylogy principleA与B被乙烯基或共轭多或多个乙烯基制成插烯物 A(CHCHn一B，n为1，2或3，或 A与B处于苯环的邻位或对位，此时，在电 性分布上， A同 B犹如直接相连，往往可获得相似或活性更强的药物。应当指出，烯分开，空间距离加长，也会对活性产生很大的影响。普鲁卡因的插烯物(4 78仍有局部麻醉作用。乙氧脲(Ethoxyurea ， 4 79和甘素 (Dulcin ，480均为生甜物质，后者是前者的插烯 (对位取代苯 物。( 四 合环和开环是分子设计中常见的方法。因为饱和链状化合物合环成环状化合物，或环状化合物开环成链状物， 合环或开环，分子的形状

57、、构象和表面积发生了变化，会影响与受体的结合，也会改变药代动力学性质。对于药效团的三维结构以及重要功能基的立体配置，可用半刚性或合环的方法，将柔性的先导物 “固定”于某个特定的构象，这对于提高药理作用和确定药效构象意义是很大的。N,N二甲基多巴胺 (4 81是多巴胺受体激动剂，在与受体结合时，苯环与胺乙基侧链究竟呈怎样 的构象配置，可用 N， N二甲基 5 ， 6二羟基四氢萘 (4 82和N， N二甲基 6， 7二羟基四氢萘 (4 83作为构象的限制物，这两个化合物代表了柔性的多巴胺分子两种不同的构象。药理实验表明，N， N二甲基 6，7二羟基四氢萘活性强于 5，6异构体，提示多巴胺在与受体结

58、合时，苯环处于特 定的空间取向。/ 26抗菌药培氟沙星 (Pefloxacin ，484经环合到 8位，得到 OPC7241(4 85，再经氧原子替换亚甲基，制出氧氟沙星 (Ofloxacin ，4 86，后者的抗菌作用强于培氟沙星止咳药奥昔拉定 (Oxeladin， 4 87 和喷托维林 (Pentoxyverine， 4 88 分别是开环和闭环化合物，前者的二乙基被四 亚甲基代替，成为环戊化合物。同样， 抗胆碱药曲地碘铵(Tridihex-ethy1Iodide ， 4 89的三乙铵基被 N甲基吡咯烷代替，成为三环氯铵(Tricyclamol chloride，490 ，抗疟药氯胍和环氯胍

59、也分别是开环和闭环化合物。然而，开链闭环的变换也会引起活性发生质的变(Phen-metrazine ，492 无化，例如，平喘药麻黄素 (Ephedrine ， 4 91的相应环状化合物芬美曲秦平喘作用，为食欲抑制剂( 五 大基团的引入、去除或置换 药物分子中引入体积较大的基团，会阻碍与酶或受体的相互作用，导致生物活性改变。例如青霉素和 头孢菌素类抗生素分子中引入大体积基团，会阻断 内酰胺酶对 内酰胺环的水解破坏，提高耐受 内酰胺酶的能力，在药物设汁中。向内源性活性物质分子中引入大体积基团，可造成分子与受体作用的 强烈变化，甚至翻转活性，例如，由激动作用转成拈抗作用。组胺的咪唑环被二苯甲氧基代

60、替，变成苯诲 拉明，使 H1受体激动作用转向为拮抗作用，为抗过敏药；4甲基咪唑的侧链修饰成例如西咪替丁的长链结构，则由 H2受体激动剂变成具有抗消化道溃疡作用的 H2受体拮抗剂。 肾上腺能激动剂去甲肾上腺素 (4 93 分子中引入大体积基团，可转变成拮抗剂，例如，莫西赛 利(Moxisylyte ，494为肾上腺能拮抗剂，是血 管扩张药；肾上腺能激动剂异丙肾上腺素 (Isoprenaline ，495的苯环换成萘 环，侧链再作适当的修饰 ，则为受 体阻滞剂普萘洛尔 (Propranolol ， 496。/ 26(Propantheiineromide， 4乙酰胆碱， (4 97 的甲基被三环代