第十六章新药研究概论

第十六章新药研究概论新药研究是一个涉及多种学科和领域的系统工程，构建化学结构是创制新药的起始点。这里新药是指新的化学实体（newchemicalentities,NCE）。药物分子设计（moleculardrugdesign）是新药研究的主要途径和手段。药物分子设计可分为两个阶段，即先导化合物的产生（leaddiscovery）和先导化合物的优化（leadoptimization）。这两部分是有机地交互联系在一起的，属于药物化学研究范畴。先导化合物（leadcompound）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特定生物活性并且结构新颖的化合物。先导物虽具有确定的药理作用，但因其存在的某些缺陷，如药效不够高，选择性作用不够强，药代动力学性质不合理，生物利用度不好，化学稳定性差，或毒性较大等，并非都能直接药用，但可作为结构修饰和结构改造的模型，从而最终获得预期药理作用的药物。一、先导化合物的产生途径和方法（一）从天然生物活性物质中发现先导物从天然的植物、微生物、动物和内源性活性物质中发现先导物占有重要位置，常能发现新的结构类型。临床上使用的多种药物，例如抗生素类、维生素类、生物碱类、甾体激素类等药物等都是从天然资源中提取、分离、鉴定出的活性成分。目前，从天然资源中更多是从植物中分离有效成分，仍是寻找新药的重要途径。例如我国发现的抗疟新药青蒿素(Artemisinin)。20世纪50年代，疟疾的化学治疗由于找到了氯喹(chloroquine)等有效药物，使疟疾的传染得到了有效控制，但是20世纪60年代初，恶性疟原虫对氯喹产生了耐药性，寻找新型的抗疟药成为世界性的问题。我国学者在20世纪70年代从中草药黄花蒿（青蒿）中分离出青蒿素，与临床上正在使用的抗疟药结构类型不同，为倍半萜类化合物。青蒿素对耐氯喹的恶性疟原虫感染的鼠疟有效。青蒿素是从天然生物活性物质中发现先导物，虽然可以作为新型抗疟药用于临床，但是存在生物利用度低和复发率高的缺点，对其进行结构优化，将青蒿素用硼氢化钠还原，得到双氢青蒿素(Dihydroarteamisinin)比青蒿素疗效高一倍，双氢青蒿素的甲基化产物蒿甲醚(Artemether),鼠疟筛选表明抗疟活性强于青蒿素10~20倍。将双青青蒿素制成琥珀酸单酯钠盐称为青蒿琥酯(Artesunate),可制备注射剂，用于危重的脑型疟疾。青蒿素、蒿甲醚、青蒿琥酯均已收入中国药典，并已在国外注册，进入国际市场。上述以青蒿素为例，简要说明了先导化合物的产生和先导化合物的优化的过程。（二）以生物化学为基础发现先导物药物以酶或受体为作用靶点，研究酶抑制剂及受体激动剂和拮抗剂，可以从中发现先导化合物。例如由血管紧张素转化酶的作用及其天然底物的结构研究出卡托普利等血管紧张素转化酶抑制剂（ACEI）类降血压药物；由组胺H2受体的功能和组胺的结构，最终设计出西咪替丁等H2受体拮抗剂类抗溃疡药物；其它例如乙酰胆碱酯酶抑制剂、单胺氧化酶抑制剂、碳酸酐酶抑制剂等都是临床使用的药物。说明以生物化学为基础发现先导物是一条重要途径。（三）基于临床副作用的观察发现先导物例如临床上注意到，用作抗菌药的磺胺类药物，对心力衰竭引起代偿失调而致水肿的病人有利尿作用，属磺胺类药物的副作用，这是因为磺胺类药物抑制碳酸酐酶引起的。以磺胺类药物为先导物进行结构优化，发展了碳酸酐酶抑制剂类利尿药。（四）基于生物转化发现先导物例如研究地西泮的体内代谢，将其活性中间代谢物奥沙西泮、替马西泮发展为临床用药。对乙酰氨基酚（扑热息痛）是研究非那西丁的体内代谢发现的新药。（五）药物合成中间体作为先导物例如从合成五味子丙素的中间体，发现了治疗肝炎降酶药联苯双酯。（六）组合化学方法产生先导物组合化学（Combinatorialchemistry）方法可在短期内生成数目巨大的化合物库，配合高通量筛选（high-throughputscreening,HTS），为人们提供了发现和优化先导化合物的新途径。（七）先导化合物的产生途径和方法尚有随机筛选、基于生物大分子结构和作用机理设计先导物等。二、先导化合物的优化先导物一般可采用多种方法进行优化，常用的有剖裂物、类似物、引入双键、合环和开环、大基团的引入、去除或置换、改变基团的电性、生物电子等排、前体药物设计、软药等。其中生物电子等排和前体药物设计应用较普遍。（一）生物电子等排1．经典的电子等排体：最外层电子数相等的原子、离子或分子都可认为是电子等排体。例如：降血糖药氨磺丁脲、甲磺丁脲和氯磺丙脲是一价电子等排体-NH2,-CH3,Cl间相互取代的结果。2．生物电子等排体（非经典的电子等排体）：分子或基团的外电子层相似，或电子密度有相似分布，而且分子的形状或大小相似时，都可以认为是生物电子等排体，或称为非经典的电子等排体。例如：氟尿嘧啶是用F原子取代正常代谢物尿嘧啶结构中5位上的H原子，得到的抗代谢抗肿瘤药。F与H外层电子数不同，但原子半径相近，为非经典的电子等排体。抗溃疡药西咪替丁和雷尼替丁是生物电子等排体（二）前体药物1．前体药物的概念：前体药物（简称前药)是一类体外活性较小或无活性，在体内经酶或非酶作用释放出活性物质（即原药，又称母药）以发挥药理作用的化合物。例：抗精神病药氟奋乃静（6-8小时给药一次）制成其前药庚酸酯（2周一次）、癸酸酯（4周一次）。氟奋乃静癸酸酯称为癸氟奋乃静(Fluphenazine),在体外无活性，在体内经代谢将酯键水解释放出原药氟奋乃静发挥药效，延长了药物的作用时间，改进了原药作用时间短的缺点。2．前药修饰的方法进行前药修饰一般是根据修饰的目的进行设计，将药物（原药）与暂时转运基团（某种无毒的化合物）以共价键相连接形成前药。前药在体内到达作用部位后，在酶或非酶（化学因素）作用下，暂时转运基团可逆的断裂下来，释放出有活性的原药发挥药理作用，但是改进了原药的某些缺点。前药设计通常是利用原药分子中的醇或酚性羟基、羧基、氨基、羰基等与暂时转运基团形成酯、酰胺、亚胺等可被水解的共价键。3．前药修饰的目的（1）部位特异性部位特异性即提高药物对靶部位的选择性。通常是利用靶组织存在特异酶或某种酶水平较高的生化特点，使前药在特定部位释放，提高药物的选择性，增强药效并降低毒性。例如：利用肿瘤组织中磷酸酯酶含量高的特点设计己烯雌酚的前药-己烯雌酚二磷酸酯对前列腺癌疗效好。（2）前药增加脂溶性以提高吸收性能多数药物在体内通过被动转运被吸收，因此需要具有一定的亲脂性，具有合适的㏒P。氨苄西林口服吸收差，生物利用度为20%。为改善药物吸收即提高生物利用度，制成前药巴卡西林、匹氨西林，体内几乎定量吸收。（3）增加药物的化学稳定性将羧苄青霉素制成其前药羧苄青霉素茚满酯，对胃酸稳定，可以口服，改善了羧苄青霉素不耐酸，口服吸收差的缺点。（4）增加水溶性在从天然生物活性物质中发现先导物一节中，已讲过双氢青蒿素水溶性低，不适宜制备注射剂，将双青青蒿素制成琥珀酸单酯钠盐为其前药，称为青蒿琥酯(Artesunate),可制备注射剂，用于危重的脑型疟疾。（5）延长作用时间制成前药，增加了药物亲脂性，注射给药后贮存于局部脂肪组织中，缓缓释放出原药，使作用时间延长。例：睾酮每日给药1～2次，制成前药睾酮17-丙酸酯即丙酸睾酮，每周注射2-3次。制成前药睾酮-17-环戊丙酸酯，每月注射1次。抗精神病药氟奋乃静（6-8小时给药一次）制成其前药庚酸酯（2周一次）、癸酸酯（4周一次），延长了药物的作用时间。（6）消除不适异的制剂性质掩盖药物的苦味（制成水溶性极小的前药）。例如红霉素味苦，制成其前药红霉素丙酸酯，称为依托红霉素，在水中几乎不溶，为红霉素的无味口服制剂，更适合小儿服用。制备前药，减轻注射部位疼痛刺激。药物水溶性小，在注射部位沉积致痛，例如氯洁霉素,水溶度3mg/ml,制成前药氯洁霉素-2-磷酸酯，水溶度≥150mg/ml，注射后无疼痛刺激。（三）软药（Softdrug）软药本身有活性，是具有治疗作用的药物，在体内产生药理作用后，经预期方式和可控速率一步代谢转变为无活性、无毒代谢物，提高了药物的安全性和治疗指数。软药在体内容易被代谢失活，半衰期短。与软药相对应的是硬药(Harddrug)，硬药是指不能被肌体代谢、或不易被代谢、或要经过多步氧化或其它反应而失活的药物，硬药不被代谢，消除半衰期长。一般认为，药物的毒性是在代谢过程中形成有毒的活性代谢物所致，软药设计是在药物分子中有意引入一个特定的代谢敏感点（一般为易被水解的酯键），在体内呈现药理作用后，迅速经一步代谢成无活性的代谢物，避免了产生有毒的活性代谢物，因此提高了药物的安全性和治疗指数。例如消毒防腐药西吡氯胺(CetylpyridiniumChloride，氯化十六烷基吡啶鎓),它的软药是N-十四烷酰氧甲基吡啶鎓，侧链组成均为十六个原子，只是软类似物结构中以酯基代替了西吡氯胺侧链中的两个亚甲基碳原子，两者结构类似，均具有良好的杀菌作用。实验证明软药N-十四烷酰氧甲基吡啶鎓的毒性比西吡氯胺低40倍。应注意的是软药与前药的区别，前药本身无活性，在体内被代谢活化，改进了原药的某些缺点。软药本身有活性，在体内被一步代谢失活，减小了药物的毒副作用，提高了安全性和治疗指数。三、定量构效关系简介定量构效关系(QuantitativeStructure-ActivityRelationships,QSAR)是一种研究方法，是通过一定的数学模型，对分子的化学结构与其生物效应间的关系进行定量解析，从而寻找出构与活性间的量变规律。QSAR是一种新药设计研究方法。是计算机辅助分子设计的重要内容。20世纪60年代提出了三个二维定量构效关系(2D-QSAR)模型：Hansch-藤田分析；Kier的分子连接性法；Free-Wilson模型。其中Hansch-藤田分析应用较多。Hansch-藤田分析采用的理化参数，虽然涉及整体分子的结构与性质，但基本是处理分子的二维结构，没有考虑构型和构象问题。而药物分子与受体间的相互作用是在三维空间进行的，定量地描述三维结构于生物活性之间的关系，需要对药物分子乃至受体的立体结构及药效构象进行精确表达。三维定量构效关系(3D-QSAR)是以药物分子和（或）受体分子的三维结构特征为基础，以处理分子的内能和(或)分子间相互作用的能量变化为依据，分析生物活性间的定量关系。目前最常用的方法有：Hopfinger的分子形状分析法（Molecularshapeanalysis，MSA）；Cripper的距离几何学方法(Distaancegeometry，DG)；Cramer的比较分子场分析法(Comparativemolecularfieldanalysis，CoMFA)。其中最常用的是比较分子场分析法。复习测试题见：仉文升、雷小平主编《药物化学应试指南》243～251页。复习题（平时作业）：1．什么是先导化合物？发现先导物主要有哪些途径，举出二种从天然产物中发现先导物的例子。2．举出二个应用生物电子等排进行先导物优化的实例。3．什么是前体药物（前药）举例说明。4．应用前药原理进行化学结构修饰的目的主要有哪些？5．对睾酮进行结构修饰，制成其前药17-丙酸酯，17-苯乙酸酯，或17-环戊丙酸酯的目的是什么？6．抗病毒药阿昔洛韦（Aciclovir）（Ⅰ）水溶性差，不能用于制备滴眼剂，利用其结构中9位侧链末端的羟基制备成甘氨酸酯（Ⅱ），水溶性增大，适于制备滴眼剂，化合物Ⅱ为阿昔洛韦（Ⅰ）的软药，此答案是否正确？为什么?7．软药和前药在概念上有什么主要区别？8．什么是定量构效关系（QSAR），各举出一种应用最多的二维和三维定量构效关系方法。