药物设计学 第11章

第十一章基于片断的药物设计Fragment-baseddrugdiscoveryFBDD魏丹丹学习要求：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。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有蛋白质晶体结构只有药效团特征只有相关蛋白质组什么都不知道基于结构的设计基于药效团的设计有目标的化合物库多样性化合物库对靶标的认识程度化合物的多样性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。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。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103~104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。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。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。01002003004005006007001mM100μM1μM10nM1nM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=33.发现新药的可行性高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。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。高通量筛选高通量筛选(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；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。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。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。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。FragmentRuleof3MW300#H-BondDonor=3#H-BondAcceptors=3cLogP=3（#Rotatablebonds=3）2.片段库的筛选：筛选和识别与靶蛋白弱结合的活性片段3.结构信息的确定磁共振、质谱和X-射线单晶衍射技术都能直接或者间接地进行结构信息的测定。4.基于片段构建新分子由苗头物发展成先导物的性质变化参数苗头物均值先导物均值增量分子量174.1382.8207.7氢键给体1.71.70氢键接受体2.95.62.7非氢原子数12.828.515.7增量大由先导物发展成药物的性质变化参数先导物均值成药后均值增量分子量272.0314.042.0氢键给体0.80.80氢键接受体2.22.50.3ClogP1.92.40.5非氢原子数19223增量小FBDD的背景1Andrews分析了200个药物和抑制剂的结合常数与结构的关系，得出了10个常见功能基和原子对结合能的贡献均值。带电荷基团极性基团非极性基团功能基N+PO2-4－CO2－COOH卤素NO,S醚C(sp3)C(sp2)结合能*11.510.08.23.42.51.31.21.10.80.7*kcal/mol带电荷的基团与受体结合的贡献强于极性基团，极性基团又强于非极性基团。FBDD的背景2Kuntz等分析了150个含有1~67个原子构成的离子或化合物与受体的结合常数，按照下式计算了结合常数与系统自由能变化的关系，进而推定出每个原子对结合的贡献。ΔΔG结合=ΔΔG复合物－ΔΔG参比态=－RTlnK当非氢原子数在15个以内，结合能随原子数的增加而线性增高，平均每个原子的贡献为1.5kcal/mol；超过15个原子后结合能的变化趋于不变，成为非线性变化，这种现象归因为非热力学因素。Andrews和Kuntz的研究为配体效率概念奠定了基础。配体效率(ligandefficiency,LE)分子大小影响物化和药代性质。减少苗头、先导物中冗余原子的必要性。配体效率是衡量苗头物或先导物以及优化的化合物的质量的参数，表征化合物的活性效率。系指配体(苗头、先导物、优化物等)中每个原子对结合能的贡献，在选取先导物和优化过程中是个有用的指标。计算方法：首先是将复合物结合常数Kd转换为在温度300K的结合的自由能(ΔG)。ΔG＝-RT.lnKd=1.37pKdΔG除以非氢原子数，得出每个原子的自由能贡献即配体效率，用下式表示：LE=ΔG/N非氢原子配体亲脂性效率配体效率是将化合物的活性在分子大小的尺度上加以表征，是优化过程中监测化合物的活性、物化性质和成药性程度的一个指标。还可用配体-亲脂性效率指数(ligand-lipophilicityefficiency,LLE)表征先导物和优化的质量。LLE的定义是pIC50(或pKi)-CLogP(或LogD)契合质量在结构优化中，当分子量的加大，即使活性增大，配体效率却变化不大，甚至减小。以致不能反映和揭示优化过程的实际状态。Reynolds等提出了配体的契合质量的概念(fitquality,FQ)，以消除因分子量加大，LE的变化被掩饰和拉平的效应。计算方法是将化合物的非氢原子数归一和标度化，得到相应的LE-Scale，分子中不同原子数，LE-Scale值不同，按如下定义：LE-Scale＝－0.064+0.873×e(-0.026×HA)或将幂式展开：LE-Scale＝0.0715+(7.5382/HA)+(25.7079/HA2)+(361.4722/HA3)FQ将上述的非线性标准化，使配体之间的结合效率有可比性。契合质量非氢原子数非氢原子数pIC50配体效率若以非氢原子数与配体效率作图，原子数在10～25的化合物配体效率呈线性变化。当非氢原子低于20时，最大亲和力与原子数成线性关系；超过20后活性趋于不变或下降。非氢原子数LEscale相邻差值100.7204－110.69720.0232120.66850.0287130.63670.0318140.60910.0276150.58090.0282160.55450.0264170.53000.0245180.50720.0228190.48770.0195200.46720.0205210.44940.0178220.43310.0167230.41790.0152240.40390.0149250.39080.0131260.37870.0121270.36740.0113280.35680.0106290.34710.0097300.33780.0093基于片断的药物设计：方法的整合性片断化合物库(约1000-2000个化合物)体外活性筛选结构生物学：复合物X-线晶体学或NMR或MS计算机分子设计辅助药物设计和化学合成活性评价结构生物学或分子对接构效分析确定先导物片断化合物库体外筛选评价达到规定活性复合物单晶结构是否计算机辅助设计药物化学合成达到规定活性是否确定先导物片断化合物举例NNHNNHNNH2NHNH2NNOH3CCOOHHOHFCOOHNH2COOHBrOCH3OHHONNOH3CHNNNNNOHONH3COHNNOOHHNNCF3H3CNH2NNHH7C3NH2ONNHNH2ONNCOOHSNSCOOHOONSOOCH3NOOCH3HNONH2NClOHClHNNH2ONOOHHOCOOHSNH3COOCOOHNNOHNNHNNNH2NNH2SCH3NNHNOHNOBrHOOCCOOHOHNH2NNNH2HNOHNH2CH3SNCOOHOOHOHOCNHOCNHONCH3OHHNOHOCOOHOCOOHNCH3CH3ClClNClONOCH3HHNNOCH3CH3NOH3COHOHHONH2NNHNNNNClOCH3H3COHSNNNH2NOOHNOHOHNHNCH3OOH3C片断分子受体结合部位片断连接片断分子分别筛选与组合库比较6X6片断组合库随机筛选基于结构的新方法筛选低分子量、低亲和力片段药靶结构信息优化或连接与药靶亲和力高并且类药性强FBDD需要有灵敏的检测手段NMR方法：SkinnerAL,andLaurenceJS.JPharmSci.2008,97:4670X-ray方法：JhotiHetal.CurrOpinChemBiol.2007,11:48SPR方法：NeumannTetal.CurrTopMedChem.2007,7:1630MS方法：AnnisDAetal.Curr.Opin.Chem.Biol.2007,11:51一、磁共振技术基本原理在于配体与生物大分子结合后，许多NMR参数（如化学位移）会发生改变，通过检测并分析这些数据，可以判定配体是否与受体结合、结合的强度以及结合的模式。NMR筛选片段的方法一般可分为两种：检测配体的筛选检测受体的筛选基态激发态基态时间不同分子大小有关分子大，时间短分子小，时间长延长预测时间，只检测小分子药物检测配体的筛选普通条件小分子化合物的NMR靶蛋白延迟再次检测未结合靶蛋白可检测结合靶蛋白不可检测混合物与靶蛋白结合，有的峰消失，表示有活性提取分离检测受体的筛选先决条件是必须知道靶蛋白的结构，要求靶蛋白需进行15N标记，这样才能保证靶蛋白NMR谱能准确识别每个酰胺结合位点的特征峰。原理是当小分子与靶蛋白结