药物化学17-新药设计与开发

第17章新药设计与开发药物化学的根本任务——研究和开发新药新药新药系指我国未生产过的药品。新药分为中药、化学药品和生物药品（新药审批办法）新药的研究是为了发现可能成为药物的化合物分子，即新化学实体（newchemicalentities,NCE）。新药的开发则是在得到NCE后，通过各种评价使其成为可上市的药物。17.1概述17.1.1新药研究和开发的过程第一阶段药物的发现：先导化合物的发现和优化第二阶段新药的前期开发研究：临床前各类研究（药效学、药代学、毒理学评价）第三阶段新药的后期开发研究：新药的临床研究（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期临床研究）第四阶段新药申请（NewDrugApplication,NDA）Ⅰ期通常在健康志愿者身上进行初步临床药理学及人体安全评价试验，观察人体对新药的耐受程度，不进行疗效评价。Ⅱ期在患者身上进行的临床试验。对新药有效性及安全性作出初步评价，推荐临床给药剂量。Ⅲ期是大规模的多中心临床试验。应遵循随机对照原则，进一步确定药物的疗效，监测药物的不良反应。Ⅳ期是新药上市后监测。注意罕见不良反应。新药临床试验分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ期药物分子设计由多学科相互穿插，交替进行。药物设计学分子生物学结构生物学基因组生物信息学数学统计学药物化学有机药物化学计算机科学计算化学分子药理学一般药理学17.1.2新药研发涉及的学科投资高周期长风险高利润高竞争激烈17.1.3新药研发的特点药物发现临床前IND提交临床试验I期II期III期FDA审核NDA提交1个经FDA批准的药物5Compounds2003研发费用；根据34个成员国得出数据的平均值20–100志愿者100–500志愿者1,000–5,000志愿者$858.8M10,000个化合物5年1.5年250个化合物5个化合物6年2年批准后的承诺$323.5M$414.7M$120.6M2年新药研发的费用17.2药物发现的四个阶段第一阶段靶点的识别和选择第二阶段靶分子的优化第三阶段先导化合物的发现第四阶段先导化合物的优化药理学范畴药物化学内容药物作用的生物靶点受体52%酶22%核酸3%离子通道6%17.2.1药物的作用靶点•靶分子的确定和选择是新药研究的起始工作。靶分子的优化是对靶分子的结构、配基的结合部位、结合强度以及所产生的功能等所进行的研究。不同靶点的药物设计都有各自的独特方法。以受体为靶点的药物，可分为受体的激动剂和拮抗剂；以酶为靶点的药物，常常是酶抑制剂；作用于离子通道的药物，则可设计为钠、钾和钙离子通道的激动剂或阻断剂。。。。不同化学结构的药物有细微差别的同一化学结构的药物不同的药理作用不同强弱的药效？同一作用类型的药物具有不同化学结构？？药效强弱无明显差异构效关系的研究为什么要进行构效关系研究进行构效关系研究的意义认识药物与机体的作用规律。发现新药。17.1.2药物的化学结构与药效关系根据药物在分子水平上的作用方式，可将药物分为以下两类：特异性结构药物（大多数）（StructurallyspecificDrug)活性依赖药物的特异的化学结构，作用与体内受体的相互作用有关药物非特异性结构药物（少数）（StructurallyNonspecificDrug)与化学结构关系较少，主要受理化性质影响特异性结构药物发挥药效的本质：受体是具有弹性三维结构的生物大分子（其中主要为蛋白质）药物与受体的结构互补，可结合成复合物；药物或拟似天然的底物产生效应，或拮抗天然的底物非特异性结构药物不与受体结合特异性结构药物与受体结合二者区别的本质(一)药物产生药效的决定因素1、药剂相、药代动力学相的影响:药物必须以一定浓度到达作用部位，才能产生应有的药效。（阈浓度）2、药效相的影响:在作用部位与受体形成复合物，产生生物化学，生物物理变化。17.1.2.1药物作用的体内过程药物作用的三个重要相给药剂量剂型崩解药物溶出可被吸收的药物药物利用度吸收、分布、代谢、排泄可产生作用的药物生物利用度药物与靶点相互作用效应药剂相药代动力相药效相口服给药时，药物由胃肠道吸收，进入血液。药物在运转过程中，必须透过各种生物膜（如：人与细菌的细胞膜），才能到达作用部位或受体部位。以上的一系列过程均与药物的理化性质有关。药物结构决定药物的理化性质，理化性质影响药物的有效浓度，从而影响活性。此外还与药物的稳定性、毒副作用关系也很密切。理化性质中，对药效影响较大的主要是溶解度、分配系数、解离度。(二)理化性质对药效的影响必须具有1、溶解度、分配系数对药效的影响固体药物药物水溶液生物膜崩解、溶解药物溶液（血浆）水溶性脂溶性脂水分配系数P(lgP)P=CoCw非极性部分：烃基，卤素，碳链和脂环分子极性和极性基团形成氢键的能力晶格能分子的结构取代基对脂水分配系数的影响改变药物的结构，可改变其脂溶性（易透过血脑屏障达有效浓度），从而改变了药物的作用，或影响了药效的强弱。有机药物多为弱酸或弱碱，在体液中部分解离，以离子型和分子型混存于体液中且存在动态平衡。药物以脂溶性的分子通过生物膜，在膜内解离成离子，以离子型起作用。（1）穿过生物膜需要脂溶性的分子型。（2）与受体结合、相互作用需要离子型。（3）吸收、分布和保持有效浓度，需混合型。2、解离度对药效的影响例如：磺胺药的解离常数与制菌强度有关（1）解离常数在6.5~7.2之间，抗菌活性最强。（2）抗菌活性最强具有适宜的分子、离子比。事实上，许多较好的磺胺药（磺胺嘧啶、磺胺甲噁唑等）的解离常数均在6~7.4之间。磺胺药物的制菌作用是离子和分子的总效应。例：巴比妥类药物所以：改变药物的化学结构改变药物的解离常数改变了药物活性巴比妥酸（R=H）或5-乙基巴比妥酸（R=C2H5),在生理pH7.4时，几乎完全解离，因不能透过血脑屏障而无镇定催眠作用NHNHOOOHRNNOHHOHORNNO-HOHOR99%pH7.4pH7.499%R=H时，pKa=4.12NHNHOOONHNO-OOpKa=7.0~8.5pH7.455%C5被苯基和乙基取代后成为苯巴比妥，其解离常数减小，分子型增多可进入中枢而有镇定作用药物＋受体复合物发挥作用影响因素药物基本结构电子云密度的分布键合特性立体结构1、药物的基本结构【药效结构（Phamacophore)】:可以与某一特定受体结合，产生同一类型药理作用。同类药物中化学结构相同的部分称为该类药物的基本结构。17.1.2.2药物-受体相互作用的影响2、电子云密度的分布：具有三维立体结构的受体在其外围有各种极性基团，其电子云密度分布不均匀，因此只有药物与受体的电子分布相适应时，才有利于药物——受体复合物的形成。氢键范德华力疏水作用共价键电荷转移物3、键合特性：药物－受体间的化学键4、立体结构：药物－受体的原子、基团间的距离影响二者之间的相互引力，如果两者之间的空间互补程度越大，那么特异性越高。互补性官能团间距离立体异构取代基空间排列几何异构：双键或环等刚性结构光学异构：手性中心17.3新药发现的途径和新药开发17.3.1发现新药的途径从天然产物中发现：吗啡，抗生素，紫杉醇等药物。现有药物的改进：改善吸收，较少毒副作用和耐受性。通过病理模型筛选：根据生理病理机制设计：血管紧张素转化酶抑制剂（即药物设计的理性途径）新药的药物化学研究分为两个步骤：先导化合物的发现先导化合物的优化类型衍化（LeadGeneration）寻求新的先导化合物系列设计（SeriesDesign）先导化合物优化17.3.2新药开发提供基础和新的结构类型深入和发展17.3.2.1先导化合物的发掘先导化合物又称原形物，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实体。先导化合物未必是可实用的优良药物，可能由于药效不强，特异性不高，或毒性较大等缺点，不能直接药用，但作为新的结构类型，对其进行进一步的结构修饰和改造，即先导化合物的优化。在新药开发过程中，先导化合物的发掘是一关键环节，也是药物设计的一个必备条件。一、天然生物活性物质作为先导物天然生物活性物质来源广泛植物动物微生物海洋生物矿物天然生物活性物质的特点新颖的结构类型（分子多样性）独特的药理活性资源有限及地域性差异有效成分含量很低大多数结构复杂，作用强度不同天然生物活性物质作为先导物青蒿素青蒿素Artemisinin黄花蒿Artemisiaannula蒿甲醚ArtemetherOOOOOOOOOOCH3生物利用度较低复发率高天然生物活性物质作为先导物喜树碱（抗癌药物）羟基喜树碱Hydroxycamptothecin喜树Camptothecaacuminata拓扑替康TopotecanNNOOOOHHONNOOOOHHON(CH3)2水溶性较差，毒性大天然生物活性物质作为先导物紫杉醇（适用于乳腺癌、肺癌、黑色素瘤）紫杉醇Taxol红豆杉Taxus紫杉特尔TaxotereOAcOHOOCOC6H5OHOAcOOOHNOHOOAcOHOOCOC6H5OHOHOOOHNOHOO天然生物活性物质作为先导物局麻药可卡因Cocaine南美洲古柯ErythroxylumcocaLam普鲁卡因ProcaineNOOOOHH2NOON天然生物活性物质作为先导物动物毒素蛇毒Bungarotoxin，N2受体拮抗剂肌松药蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓药鱼毒Tetrodotoxin，钠通道阻断剂心血管药物蜂毒Apamin，钙通道阻断剂和钾通道开放剂心血管药物二、从内源性活性物质发现先导物酶反应过程：酶抑制剂酶结构底物、过渡态、产物结构ACEI、COX-2、GABA-T抑制剂等抗代谢物：酶抑制剂，致死合成与受体作用过程：激动剂或拮抗剂受体结构配体结构肾上腺素能药物、胆碱能药物、甾体药物等Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu-Leu-Val-Tyr-Ser血管紧张素原AngiotensinogenAsp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu血管紧张素IAngiotensinIAsp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe血管紧张素IIAngiotensinII血管收缩血压升高醛固酮Aldosterone血容量增加肾素Renin血管紧张素转化酶ACEAngiotensin-convertingenzyme依那普利抑制从酶作用发现先导物——ACE抑制剂三、通过药物代谢研究得到先导物OHOONNOONN保泰松羟布宗（羟基保泰松）大部分药物在体内代谢的结果是失活和排出体外，但有些药物却发生代谢活化或产生其他新的作用，转化为保留活性、毒副作用小的代谢物，这样的代谢产物可成为新的先导化合物。可用X-线晶体衍射方法、核磁共振方法、同源蛋白法以及计算化学与分子图形学结合，确定并了解受体分子的三维结构，特别是受体与配体分子形成的复合物的三维结构，是基于受体结构的分子设计的前提。四、由受体模式推测先导化合物五、从临床药物的副作用或者老药新用途中发现先导化合物如：抗结核药物异烟肼→抗抑郁药异丙烟肼六、由组合化学与高通量筛选发现先导化合物计算机筛选——虚拟筛选虚拟库专利指导设计库类药原则药代性质潜在毒性受体结构通过数据库搜寻和计算化学实现药物设计的目的是设计活性高、选择性强、毒副作用小的新药，先导化合物往往存在一些缺陷，需要对先导化合物进行合理的结构修饰，才能得到有价值的新药，这种过程称为先导化合物的优化。先导化合物的优化方法基本上分为两大类：17.3.2.2先导化合物的优化传统的药物化学方法现代的计算机辅助药物设计1.同系物：采用烃链的同系化原理，通过对同系物增加或减少饱和碳原子数，改变分子的大小来优化先导化合物。如依那普利类的血管紧张转化酶抑制剂在环的大小上进行结构修饰，发现当环由五元环变为八元环时，活性最高，增加了4000倍。2.插烯原理——对烷基链作局部结构改造的另一个方法是减少双键或引入双键，往往可以得到活性相似的结构。一、烷基链或环的结构改造