复旦大学药物设计学 第一章 基于筛选途径的药物发现

筛选途径的药物发现LeadDiscoveryBasedonScreening复旦大学药学院药物化学教研室李炜[e-mail]本科生《药物设计学》专业课药物设计的基本原理（四）——多样性原理•药物靶点的多样性：药物靶点受体蛋白、酶或核酸都是生物大分子，结构复杂多样、存在差异、功能各异，在药物作用专一性前提下要求与不同靶点作用的药物结构必须存在多样性。（不同的靶点要求与不同结构的药物产生相互作用；药物关键结构的改变导致药物活性的改变）•药物靶点的结构复杂性：药物靶点具有结构复杂性，可与各自的配体或底物发生特异性结合，同时也有足够的结构空间容纳其他分子在相同或不同的部位结合，这是不同结构类型的药物可竞争性和非竞争性结合同一靶点的原因。（同一靶点可以与不同结构的药物发生竞争性或非竞争性相互作用）药物是从哪里来的？神农尝百草药理学研究药物化学研究天然生物合成高效率、低成本、构效关系简单药物发现•通过筛选途径所发现的先导化合物：天然产物提取分离与结构鉴定随机筛选/偶然发现组合化学•合理药物设计方法随机筛选/偶然发现——结构多样性的发现途径•药物发现领域中昀激动人心的部分一直到20世纪70年代，昀主要的先导发现方式；至今仍然是药物发现的主要方式之一•天然产物提取分离与结构鉴定•随机途径/偶然发现合成化学的意外发现药理活性研究的意外发现•组合化学天然产物提取分离与结构鉴定（药化主导）天然来源的药物发现1803年德国药师萨顿从阿片中分离到黄色结晶五千年老药：3400B.C.两河流域苏美尔人种植罂粟“theSourceofJoy”opiumpoppiesOHOOHNCH3H如何从阿片中分离吗啡？阿片含量10-14%吗啡在临床中不可替代•WHO(2000)中度和严重癌症疼痛，至今尚未有能够替代阿片类药物的疗法；建议各国制定保证医疗和科研用麻醉品充足供应的计划。•《柳叶刀》杂志(2007)社论医源成瘾性0.01%；日剂量超过1.8g产生的呼吸抑制作用也不影响患者存活率；应该鼓励内科医生有效使用阿片缓解患者临终前的病痛。•世界范围吗啡医用消耗量28.7吨/年（中国法律：贩卖阿片100g/DeathPenalty）天然来源的药物发现Taxusbreuifilia树皮提取物1971年提取、分离、鉴定1991年FDA批准2000年销售额2billionUSD2000年10月FDA批准为通用名药物“卵巢癌和转移性乳腺癌治愈率达33%，总有效率达75%以上”“木强则兵”——老子《道德经》OHOCH3OHOHAcOBzOH3COHOCH3CH3OOHNHBz“taxol”三环二萜紫杉醇生源途径困难的化解•含量为树皮干重0.005%-0.07%，1公斤紫杉醇需要15-30吨树皮，剥1500-2000棵大树(50-250年成材)•紫杉醇产量500公斤/年；市场需求（4.8吨/年）；原料药价格（18万美元/公斤比黄金贵的药物）OHOCH3OHOHAcOBzOH3COHOCH3CH3OOHNHBzOHOCH3OHOHAcOBzOH3CHOHOCH3CH3四步反应紫杉醇10-去乙酰浆果赤霉素（10-去乙酰巴卡亭III）红豆杉枝叶中提取天然来源的药物发现血栓的形成Stroke/MI溶栓药物的寻找金黄色葡萄球菌葡激酶人源性组织型纤溶酶原激活剂t-PA水蛭水蛭素吸血蝙蝠蝮蛇蛇毒溶栓酶唾液纤溶酶原激活剂重组第三代溶栓药随机筛选/偶然发现（药化主导）合成化学的意外发现合成物的偶然发现（宿主）唾液酸——流感病毒神经氨酸酶促进病毒感染细胞OCOOHOHHOH2COHOHHNH3COOHOCOOHHOH2COHOHHNH3COHNNH2NH扎那米韦（1999）口腔吸入剂流感治疗与唾液酸相比，对神经氨酸酶的亲和力高1000倍一个合成中间体的意外扎那米韦意外发现的活性合成中间体活性与扎那米韦相当没有胍基结构Me-betterOHNNH2OCH2CH3OH3CH3COCH3OHNHNOHOOCH3MOMROCOOHHOH2COHOHHNH3COHNNH2NH奥司他韦（达菲）胶囊/混悬剂为什么基团替换会引起活性巨大的变化？扎那米韦奥司他韦配基与神经氨酸酶作用方式的意外改变！胍基：活性提高1000倍3-戊氧基：活性提高1000倍从半合成中间体中发现OHOCH3OHOHAcOBzOH3COHOCH3CH3OOHNHOOHOCH3OHOHAcOBzOH3COHOCH3CH3OOHNHOOH3CH3CCH3紫杉醇Taxol多西他赛DocetaxelBOC水溶性比紫杉醇好，抗肿瘤谱更广；同等情况下活性优于紫杉醇一个生物碱下脚料的命运阿片吗啡可待因蒂巴因罂粟碱那可丁阿片类生物碱10-14%1-3.5%0.2%0.5-1%3-8%OHOOHNCH3HOH3COOHNCH3HOH3COOCH3NCH3镇痛止咳无活性解痉扩血管NH3COH3COOCH3OCH3NOOOH3COCH3OOCH3OCH3HH非成瘾性镇咳OHOONOH蒂巴因的“新生”OH3COOCH3NCH3Diels-AlderGrignardOtherreactionsOHOOCH3NCH3OHCH3(CH2)2CH3OH3COONCH3OHOH3COONCH3OHHCOOH/H2O2脱氢羟可酮二氢埃托啡羟可酮纳洛酮Pd/C,H2镇痛活性吗啡1000X阿片受体拮抗剂醒酒口服有效活性强于吗啡药理活性研究的意外发现（药理主导）“种豆得瓜”的药理研究(一)NH3COOH3CAtropineEislebandSchaumann(1939)筛选苯基哌啶类结构的解痉活性“straubtail”Pethidine(Europe)Mepridine(NorthAmerica)NOOCH2OHH3C“种豆得瓜”的药理研究(二)PDE-Vinhibitors——松弛血管平滑肌H3CNNSOOOCH3HNNNNOCH3西地那非伟哥（万艾可®）高血压/心绞痛临床I期研究（1991年）失败我们知道西地那非的药理作用是使肌肉松弛，扩张血管，加快血液流动，但这种作用却发生在了不该发生的地方，看来西地那非作用的器官不是心脏动脉，而是阴茎海绵体。——IanOsterlohFDA1998年批准上市（专利到期2011-2013）I型己酮可可碱血管扩张药III型米力农心衰治疗药IV型罗利普兰抗炎抗哮喘IXa型BAY73-6691老年痴呆糖尿病10A型PF-2545920抗精神病NNSOOOCH3HNNNNOH3CCH3CH3ED治疗药物“三剑客”Vardenafil伐地那非NHNNCH3OOOO他达那非TadalafilT1/2=17.5hrs西地那非T1/2=4hrs希爱力®“伟哥升级版”2005年进入中国市场销售额已经超过西地那非艾力达®“种豆得瓜”的药理研究(三)Vincarosea“降血糖植物”提取物无降血糖作用，但是许多实验大鼠死于急性败血症大量白细胞减少WBC长春碱类抗肿瘤药物NHNOHCH3H3COOCNCHONOHCOOCH3OAcCH3HH3CONHNCH3H3COOCNCH3NOHCOOCH3OAcCH3HH3CO长春新碱长春瑞滨作用于微管、干扰蛋白质合成、抑制RNA多聚酶的活力、抑制细胞膜脂质合成和氨基酸在细胞膜上转运神经毒性低诺维本®1989皮尔法伯“失败”的合理药物设计费里克（德国格兰泰制药公司，1962）OH3COHONCH3CodeineTramadol“新型镇咳药的设计”H3COOHNCH3CH3HCl**强镇痛，低成瘾曲马多是当今世界上昀重要的中枢镇痛药物之一强生强生++法玛西亚法玛西亚++格兰泰公司格兰泰公司销售销售1010亿美元亿美元//年年消旋体上市，三重作用机制：1.右旋体：激动μ阿片受体(弱)2.右旋体：5-HT重摄取抑制剂3.左旋体：NA重摄取抑制剂【精II】有成瘾性！扑热息痛的冤案——invivo药物发现乙酰苯胺（退热冰）对乙酰氨基苯乙醚（非那西丁）对乙酰氨基酚（扑热息痛）Y1880s法国斯特拉斯堡大学内科学系肠道蠕虫病治疗错误用药的意外发现萘乙酰苯胺Y1886成立卡勒公司（法兰克福）Y1880s拜耳公司弗莱堡大学合作毒性低于退热冰长期使用产生肾毒性（Y1970s）代谢产物苯胺破坏血红素（高铁血红蛋白血症）Y1893拜耳公司合成并宣称可能会导致轻度高铁血红蛋白血症Y1950s耶鲁大学/哥伦比亚大学非那西丁在体内转化为扑热息痛发挥作用Y1953北美施德龄温莎大药厂上市儿童及胃溃疡患者安全杂质NHOCH3OH3CNHOCH3HONHCH3OH2NOH从老药中发现新药BrBrNH2NCH3从老药代谢过程中发现新药BrBrNH2NHOH溴己新氨溴索体内生物转化降低痰液的黏性；用于支气管炎和呼吸道疾病黏痰溶解剂，作用强于溴己新；镇咳作用，活性为可待因的1/2；治疗分泌性中耳炎预防早产儿透明膜病勃林格殷格翰肝脏负担转化率低另一个代谢产物的命运NOHOHCH3CH3COOH1985年第一个上市的非镇静抗组胺药1997年因HERG毒性退出市场fexofenadine非索非那定特非那定活性代谢物1996年上市2011年美国OTC药物不透过中枢，无HERG毒性引入酸性基团可降低HERG毒性terfenadine特非那定合理药物设计思想的应用astemizole阿司咪唑(息斯敏，Hismanal)mizolastine咪唑斯汀1977杨森公司开发上市1998因HERG毒性退市降低碱性剪除芳环无HERG毒性双重作用抗过敏药物H1受体拮抗剂5-脂氧合酶抑制作用生物电子等排改善HERG毒性406mm(16”)组合化学基础采用自动化固相合成方法小规模合成大量新结构类型的化合物固相合成法(SolidPhaseSynthesis)固相反应的优势：•产物纯化很容易，一般只需过滤即可•产物收率、纯度较高•容易实现自动化操作XYZSynthesisX+YZVGAVAVAVAVAGAGAGG平行合成法(ParallelSynthesis)Etc.Etc.Etc.GAVAVGGGGAAAAVVVVVAVAGAGAGVGVGVGGV混分法(MixandSplitSynthesis)AGGGAVGGGAAAAVVVVVMixSplitGGAAVVGAVGAVGAVGAVGGAGGVGAAAAVGVAVVV经典组合化学的不足之处O2NNNOFFFOEtOHNNNNOFFFOEtONNOFFClFOEtONNOFFFOEtONOMeNNOFFFOEtOHNONHNNOFFFOEtNNOFFFOEtOF3CNHNNOFFFOEtOHNNHNH2NHF3CNH2NHH2NNH2MeOO2NNH2NHNNOFFFOEtO如何获得天然产物样的结构多样性NHNHHHH3COOOOCH3OOCH3OCH3OCH3H3CONNHH3CH3COCH3OOCH3OHHOOCH3NCH3OCH3OHNHNHONHHH2CH3COOOCH3CH3OH3CONHOOHOH3CCH3OHOOOHOCH3OOHOH3COHCH3OCH3OOOHCH3OH3COHH3CCH3OOHCH3OCH3OHONH3CCH3CH3CH32'ReserpineQuinidineVinorelbinePaclitaxelerythromycin多样性合成库（DiverseOrientedSynthesis,DOS）高通量筛选技术（HighThroughputScreening）•快速进行数百万个生化、遗传和药理试验（自动化技术、数据处理及控制软件）•化合物集群针对特定活性的筛选DMSO水溶液待筛选化合物生物活性物质：蛋白、细胞、胚胎…高内涵筛选（HighContentScreening,HCS）•High-contentscreeningisadrugdiscoverymethodthatusesimagesoflivingcellsasthebasicunitformoleculediscovery.•特点：可使用不同类型的细胞；检测不同的项目：细胞周期、细胞粘附和扩散、细胞运动、细胞毒性