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药物的分子设计策略(3)：先导化合物的质量与优化一、概述新药创制过程:将非药的活性化合物向成药转化，满足安全、有效、稳定和质量可控的要求。生物学:活性评价模型和评价方法化学:发现苗头化合物(hit)和(或)先导化合物(lead)，优化结构，确定一批有成药前景的物质，即候选药物(drugcandidate)按照药政法规对候选药物进行系统的临床前研究，经审批后进入临床I期、II期和III期研究，最终经批准上市应用这是一条研究开发链,确定候选药物是个重要环节发现苗头物确认先导物优化先导物确定候选物研究阶段1980年代以来的主要模式原料药试验制剂学试验药效学试验药动力学试验安全性试验I期临床II期临床III期临床上市开发阶段新药研究与开发过程新药研发各个环节的价值贡献度先导物的发现与优化约占价值链10%,时程约3-5年,但决定了后面90%的命运优化先导物并确定候选药物对于新药创制的成败至关重要;候选药物的质量取决于先导物的优劣和优化准则，发现和确定高质量先导物是重要的起点。1.从苗头化合物到先导物苗头化合物(hit):对特定靶标或作用环节具有初步活性的化合物。苗头化合物的发现途径:理性设计(基于受体或配体结构和机制的分子设计)随机筛选(天然产物和高通量筛选化合物库)基于片段的筛选(仪器分析和分子模拟相结合的技术)HajdukPJ．etal.NatRevDrugDiscov，2007，6：211—219．SiegalG．etal.DrugDiscovToday，2007，12：1032—1039苗头化合物未必都能进入研究阶段，因为固有的缺陷不能发展成先导物活性表现为非特异作用药代动力学不合理物化性质差毒副作用大作用机制不明确苗头向先导物的过渡，是趋于类药、成药的过程。最常见的方法电子等排置换原子、基团或片段NHHONH2NHNH2H2NONHH2NONHCH35-HT,hitlead夫罗曲普坦2.先导物的标准先导物无统一的标准，不同的药物类别标准不同，普遍认可的标准--类药特征(drug-like)，反映在药效学、药代和理化性质上应达到一定的要求。1).药效学--活性活性强度一般在1.0μmol·L-1(酶)～0.1μmol·L-1(受体)范围存在剂量(浓度)和活性的相关性2).药代动力学性质--达到ADMET的基本要求口服生物利用度(F)＞10％消除半衰期(t1/2)＞30min与CYP450结合：低在治疗窗口下，无毒性对人肝微粒体的清除率＜23μL·min-1·mg-1分布容积Vd＞0.5L·kg-1与血浆蛋白的结合率＜99.5％5-10倍的治疗剂量下，无三致作用3).物理化学性质相对分子质量＜500;水溶解性＞10μg·mL-1；脂水分配系数clogP或分布系数logD0～3.0。4).化学结构一般含脂肪或芳香环数1～5个可旋转的柔性键2~15个氢键给体不超过2个氢键接受体不多于8个偏离这些结构因素,不能保障良好的药效、药代和物化性质。先导化合物的结构及其类型还应有新颖性，能够获得专利以保障研发药物的知识产权。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AstraZeneca公司选择苗头并演化成先导的标准AstraZeneca公司选择苗头并演化成先导的标准先导物的质量判断与保障1).先导物应有较大的化学空间进行优化先导物仅以活性强度作为指标，忽视其他因素不利于新药研发相对分子质量大的先导物与靶标的结合力强，活性一般高于低分子量的化合物结构中往往有“冗余”的原子或基团，不利吸收、过膜和代谢等过多的原子减小了化学修饰空间，难以添加更有益的基团。单凭活性强度不能作为确定先导物的唯一标准，以避免错误的导向。3.先导物的优化优化目的将有活性的化合物转化成药物、将非药演化成候选药物的过程通过药物化学方法将临床对药物的要求体现在结构优化和改造中，使药物的安全性、药效学、药动学、代谢稳定性和药学(物理化学)等性质同步地构建于一个分子之中优化是在多维空间中通往候选药物的分子操作。优化的内容1).提高化合物对靶标分子的选择性或特异性研发双(或多)靶标化合物，不仅对双靶标有选择性，而且作用强度应相近或匹配。是否对同源靶蛋白或蛋白亚型有作用，由于同源蛋白之间的结构与功能有相似性，往往因选择性不强，导致产生不良反应2).用细胞或功能性试验评价活性强度3).提高化合物的代谢稳定性细胞色素P450试验:是否是重要CYP亚型的底物、诱导剂或抑制剂;肝微粒体和肝细胞温孵试验:评价代谢类型和速率。4).整体动物的药动力学试验对于有可能成为候选药物的分子进行初步药代动力学试验，用大鼠或犬评价口服生物利用度、化合物在血浆中浓度和时间的关系、消除半衰期和清除率等。组合化学和高通量筛选(HTS)所得的化合物，往往忽略分子的成药性，即使发现了高活性化合物，却也会因药代或物化性质等缺陷而无研发前途。机算辅助药物设计及虚似筛选仅是一种工具,准确性、可靠性尚有不足。5).运用药物化学知识指导优化设计整合各种生物学方法的试验结果，达到对药效强度和选择性、药代(ADME)的合理配置，以判断受试化合物是否在一定的时间内在作用部位达到足够的药物浓度，确保产生药效作用。6).改善溶解性和化学稳定性在分子的非药效团部位引入溶解性基团，消除化学不稳定原子或基团。根据药物的作用部位调节化合物的脂一水分配性7).确保候选药物的安全性在高于药理有效浓度(或剂量)下试验化合物的不良反应或毒性，进行细胞毒试验和对心肌hERG钾通道抑制试验等。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4.候选药物的确定与开发药效学(强度和选择性)原则上强于或不弱于临床应用的同类药物;对大鼠、犬或灵长类动物有适宜药代动力学，如:口服生物利用度，合理的分布（如作用于外周的药物较少进入中枢系统，反之亦然），适宜的半衰期，较低的血浆蛋白结合率，与细胞色素P450无相互作用（不是CYP的底物、抑制剂或诱导剂等）；良好的物理化学性质，如:水溶性、离解性、分配性、化学稳定性和多晶性等，这些是影响药代动力学、生物药剂学与制剂质量的因素。安全性预试验，如致突变和致畸试验，围产期毒性试验、对心肌hERG钾通道的抑制试验、用大鼠和（或）犬作一段时间（如一个月）的多剂量的耐受性和蓄积性试验观察。这些试验中任何一项出现问题，应终止开发。选择多个候选药物，避免单打一候选药物的开发有很强的时效性，为防止首先开发的化合物夭折而贻误时间，往往同时有后续跟进的药物（back-upcandidate）。后续药物一般与首选药物的结构类似，作用机制相同。后续药物的跟随开发到什么程度，取决于首选候选药物的命运。成药性：候选药物的成药性定义：具有足以使活性化合物能够进入临床I期试验的ADME性质和安全性质(Lipinski)。类药性是对苗头或先导物的要求；成药性是对先导物优化和候选药物的目标。先导物候选药物优化类药性成药性二、药物分子：宏观性质与微观结构的统一药物与机体的相互作用:机体对药物的处置和药物对机体的作用机体对药物的处置:遵循一般规律,具有共性特征,即分子的整体和宏观性质影响药代动力学行为。药物对机体的作用:药物分子的个性表现,受制于药物分子中特定的原子或基团与靶标分子在三维空间的结合,这种微观结构就是药效团。药物分子可视作宏观性质与微观结构的集合,统一在分子的整体结构之中,宏观性质决定药代和物化性质,微观结构决定药理作用。例：OOH3CHCH3H3COHOHCH3O洛伐他汀 LovastatinOHCO2NaHOHNCH3CH3FNHO阿托伐他汀(Atorvastatin)分子设计的技巧在于整合宏观、微观成最佳配置微观：“1S，3R二羟基戊酸；宏观：分子骨架-疏水腔作用，理化性质1.药物的宏观性质:相对分子量--影响先导物成药性的重要参数相对分子质量大的化合物,功能基团多,增加了与受体结合的机会和强度相对分子质量大,不利于药物的过膜和吸收。相对分子质量大的化合物可能含有易被代谢的基团和毒性基团,不适宜作先导物。包括相对分子质量、溶解性、脂溶性和极性表面积等分析了1985～2000年间研发的候选药物在临床I、II、III期和注册申请的药物,并与上市的594个口服药物比较,结果表明:上市药物的相对分子质量主要分布在200～450;处于I期的药物其相对分子质量分布是杂乱的,而且相对分子质量高的药物出现频率较大;临床每个阶段被终止药物的相对分子质量都高于进入下一阶段试验药物的相对分子质量。相对分子质量大的化合物成药的概率低。WenlockMC.Etal.JMedChem,2003,46:1250-1256水溶解性难溶物质与分子有较强的亲脂性和疏水性相关,容易发生聚集作用,形成聚集体(aggregate)。聚集体可与靶蛋白发生相互作用,出现假阳性;水溶解性是口服吸收的前提,是药物穿透细胞膜的必要条件。溶解度数据在估计体内的吸收、分布、代谢、排泄等临床前试验的参数中有十分重要的意义。提高水溶解性一般方法:在分子骨架上不影响药效团结合的边链处引入溶解性基团,以改善药代、增加药效。NNHNOH3CONOFClNNHNClOHNSOOH3CF吉非替尼拉帕替尼6位引入亲水性基团，不影响与激酶活性中心的结合，增加水溶性脂溶性对药物的生物药剂学、药代动力学和药效学均有贡献药剂学:影响药物分子在剂型中的溶出和分散度以及制剂的稳定性药动学:影响过膜性,与血浆蛋白的结合能力,组织分布,穿越血脑屏障能力和代谢稳定性等药效学:亲脂性基团或片段参与受体的亲脂性腔穴或裂隙的疏水相互作用,促进药物与靶标的结合生物膜的脂质性质,要求药物分子有一定的亲脂性,以保障穿越细胞膜;但又应有足够的亲水性以确保药物分子在水相中的分配极性表面积(polarsurfacearea,PSA):分子中极性原子表面之总和,极性原子是指氧、氮和与之相连的氢原子。通常与药物的吸收和过膜(小肠和血脑屏障等)过程相关联,表面积越大,极性越大。统计学分析1590个II期以上临床研究的口服非CNS药物,PSA最高阈值为120Ų,其中,50～80Ų出现的最多。超过120Ų的药物难以吸收。2.药物分子的微观结构:与靶标活性部位结合的特异性原子、基团或片段药物呈现药理作用,是同机体的靶标发生特异性结合,进而引发生物物理和(或)生物化学变化的结果。生物大分子的化学组成不同,有不同的三维结构和构象,与配体的结合部位也不同。药物分子并非所有的原子与靶标结合,与某些位点结合是启动或呈现活性的原动力。药物的药理作用是个性表现，由微观结构所决定EGFR抑制剂艾罗替尼(erlotinib)喹唑啉环上的N1和N3作为氢键接受体,分别与Met769和Thr766形成氢键,固定于活性部位,4位的胺苯基与疏水腔发生疏水相互作用,这三个结合位点是产生抑制作用的基本要素。木黄素虽然是黄酮类化合物,但与该EGFR激酶以相似的模式结合。NNHNOOOOH3CH3CHCl艾罗替尼OOHOOHHO木黄素木黄素与艾罗替尼同EGFR激酶对接的比较.紫色为染料木黄素,绿色为艾罗替尼•药效团与受体的某些位点结合是呈现活性的原动力ONCH3OHHONNCOOC2H5C2H5OOCCOOCH3NNOCOOCH3NCH3吗啡雷米芬太尼芬太尼派替啶保持的微观结构特征是疏水的芳环、经3～4个原子单元与叔氮原子相连,微观结构体现了与阿片受体结合的药效团,是启动镇痛作用的载体3.先导物的优化是对分子的物化性质、药代和药效的综合修饰微观结构决定了药效强度和选择性;分子的整体性质影响体内的药代行为和制剂质