中山大学新药研究概论123节Word格式.docx

中山大学新药研究概论123节Word格式.docx

《中山大学新药研究概论123节Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中山大学新药研究概论123节Word格式.docx（30页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

④先导化合物的优化。

创制新药，首先应确定防治的疾病目标，并选定药物作用的靶点。

皆知，病理过程由多个环节构成，当某个环节或靶点被抑制或切断，则可达到治疗的目的。

因此，生物靶点的选定是研制新药的起步点。

随着人类基因组计划的实施和分子生物学方法的应用，越来越多的药物作用靶点被认知，一些新颖的重要的酶和受体成为研制独特作用机理的药物的新靶点。

作用靶点选定后，需要建立对其作用可评价的检验测定的生物模型，一般开始是用离体方法，在分子水平、细胞水平，或离体器官进行活性评价，在此基础上用实验动物的病理模型进行体内试验。

显然，这些体外或体内模型应定性和定量地反映出药物对所选定的靶点的作用方式和程度，并与临床的病理过程相关联。

以上两个方面体现了创制新药中药理学的准备。

在化合物或物质上的准备，则是药物化学和分子设计的任务。

药物分子设计大体可分成两个阶段，即先导化合物的产生（1eaddiscovery）和先导化合物的优化（1eadoptimization）。

先导化合物又称原型物，简称先导物，是通过各种途径或方法得到的具有某种生物活性的化学结构。

先导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，药代动力学性质不合理，或毒性较大等缺点，不能直接药用，但作为新的结构类型和线索物质，对进一步结构修饰和改造，即先导物的优化，却是非常重要的。

为了进行先导化合物的优化，前人积累的各种经验性法则或规律是重要的借鉴或依托。

许多药物的研制成功都有其必然性，偶然寓于必然之中。

对成功的过程和背景材料加以研究和系统化，可总结出经验性规律，即化学结构与生物活性间的关系，利用这些定性或定量的规律性变化加以引伸或扩展，特别是计算机辅助进行优化设计，对先导物进行结构变换或修饰，以使生物学性质臻于完善，达到安全、有效和可控的药用目的。

先导化合物的产生和优化是个相继发生的分子和化学操作，前者是基础，是前提，是优化过程的必要准备；

而优化是先导物的必然归宿，两个过程互相联系，相辅相成。

第二节先导化合物的产生（Leaddiscovery）

先导化合物的产生可有多种途径:

天然生物活性物质，例如，动物、植物、海洋生物、微生物等体内的活性成分，以及矿物有效成分；

组合化学方法制备化合物库，辅以高通量或自动化筛选，是近年来发展的寻找和优化先导物的新途径；

一些重要的内源性物质，例如，与疾病相关酶系的底物，受体的配体等，是衍化先导物的重要根据；

基于生物大分子例如核酸，酶，受体，生物膜等的三维结构进行分子设计，即基于结构的分子设计（structure—basedmoleculardesign）；

基于生物大分子与配体小分子作用机理进行分子设计，即基于机理的分子设计（mechanism-basedmoleculardesign），通过化学和分子模拟，是产生先导物的重要方法；

根据化合物活性的多样性或临床使用中发现的副作用，可作为先导物质，创制新药；

天然产物或合成的活性化合物的合成中间体也可成为先导物的来源；

随机筛选，一药多筛，以及偶然发现，也可产生先导化合物。

一、天然生物活性物质

在药物发展的早期阶段，利用天然活性物质几乎是唯一的治疗手段，时至今日，从动植物和微生物体内分离鉴定具有生物活性的物质，仍然是先导物甚至是药物的主要来源。

天然活性成分往往有新颖的结构类型，新型结构常常有独特的药理活性。

自然界生物的多样性决定了天然化合物的分子多样性，多样性的天然产物，是先导化合物的重要来源。

植物、动物、微生物以及海洋生物等在进化过程和物竞天择的竞争环境中，为了自身的生存和种群的繁衍，制造了各色各样的次级代谢物质（secondarymetabolites），这些物质是用于化学吸引昆虫或动物以帮助传播种子和繁衍后代，或者为了保护自己免被周围环境的生物或不适条件所毁灭。

例如，植物产生一些萜类物质模拟昆虫激素，青霉菌产生青霉素并向周围分泌，抑制与其共存的细菌生长；

一些植物为了保存自己不被动物吃掉，产生诸如有强心作用的苷类，或作用于中枢神经系统的生物碱，或产生不愉快味道、引起呕吐的物质等乙动物脏器中提取的激素，虽然有些可直接作为药物，但更多作为先导物。

我国有悠久的历史，丰富的医药遗产，是发现先导物的宝库；

民间治疗疾病的偏方验方，也是获取先导物的来源。

采用各种分离手段，如色谱法（液相色谱、气相色谱和薄层色谱等），电泳、凝胶过滤等方法，包括高分辨核磁共振谱、质谱、X—线晶体衍射以及与色谱法联用在内的现代分离分析方法的应用，以确定天然成分的化学结构、构型和构象，配以微量快速大规模的筛选方法，使得分离鉴定天然活性产物的研究工作能够快捷准确地完成；

微量复杂结构成分也因使用先进的分离鉴定和生物评价手段而得以成为有价值的线索物质。

动物和人体内源性以及自体活性物质，例如，神经递质、激素、前列腺素。

多肽等微量活性成分，也成为创制新药的先导化合物。

（一）膏蒿素

青蒿素（Artemisinine,QingHaoSu,4-1）是我国学者自黄花蒿（Artemisiaannula）分离出的倍半萜类化合物，具有强效抗疟作用，对于氯奎耐药的恶性疟原虫（Plasmodiumberghei）感染的小鼠有明显治疗作用。

青蒿素分子中含有的过氧键证明是必要的药效团；

内酯键经硼氢化钠还原生成半缩醛，为二氢青蒿素（4—2），仍保持活性。

由于青蒿素的生物利用度较低；

而且复发率较高，而（4—2）或其甲基化产物蒿甲醚（4—3）和琥珀酸单酯钠青蒿琥酯（4—4）的生物利用度提高，临床已用于治疗各种疟疾。

（二）长春花生物碱

自长春花（Vincarosea）分离的长春新碱（Vincristine，4—5）和长春碱（Vinblastina，4—6），是吲哚化合物的二聚偶联物，最初认为长春花提取液有降血糖作用，但试验表明无降血糖活性，但可使血液中白细胞减少。

长春花生物碱与微管蛋白结合阻止徽管蛋白聚合，使细胞周期停止在间期．阻断了细胞分裂而死亡。

长春新碱的抗癌活性高于长春碱，而后者在植物中的含量是前者的100倍，因而可用半合成方法将长春碱转化为长春新碱。

然而，长春新碱和长春碱都有神经毒作用，用半合成力法将其甲酯转变成酰胺，为长春地辛（Vindeline，4—7），后者以硫酸盐用于临床，其作用与长春新碱基本相同。

根据这类生物碱的生物合成途径，Potier等合成了5—失碳—Δ15，20失水长春碱，称作诺维本（Navelbene，4—8），诺维本的药效学和药代动力学限制均强于天然的生物碱，临床已用于治疗小细胞肺癌和乳腺癌等。

（三）喜树碱

自中国特有植物喜树（Camptothecaacumulata）得到的含并合的喹啉生物碱喜树碱（Camp-tothecin，4—9）具有强效抗癌作用，分子中的内酯环和内酰胺基团是抗癌的必需基团，可认为是药效团。

喜树碱的抗癌作用机理是抑制DNA拓扑异构酶1。

喜树碱的毒性较大，水溶解度低，不能直接在临床应用，可于芳环上引入各种基团，例如，9，10或11位引入氨基或羟基可显著提高活性，但12位取代，则降低活性。

为了增加喜树喊的水溶性，可制成含氨基或羧基的前药，例如，10—羟基—9—二甲胺甲基喜树碱拓扑替康（Topotecan，4-10）和水溶性前药伊立替康（Irinitecan，4—11）已在临床应用。

（四）紫杉醇

自红豆杉属（Taxus）植物树皮中分裂得到的紫杉醇（Paclitaxel，4—12）具有强效抗肿瘤作用。

虽然其作用靶点是微管蛋白，但与长春碱对微管蛋白的作用相反，紫杉醇促进微管蛋白的聚合，并使其稳定化，从而阻止了微管蛋白在有丝分裂中的功能。

临床上使用紫杉醇治疗卵巢癌，乳腺癌和恶性黑素瘤，效果显著。

紫杉醇的缺点是在植物体内含量少，溶解度低，生物利用度差。

以紫杉醇为先导物，进行了系统结构修饰，提示C13侧链对于抗癌作用非常重要，环丁氧烷也是必要的药效团。

含叔丁基的类似物（Docetaxel，4—13）增加了水溶解性，活性强于紫杉醇，且无交叉耐药性，已于临床使用。

（五）大环内酯类抗生囊

大环内酯系指具有14或16员环内酯结构的抗生素，环上一般连有2个或多个糖基，主要用于治疗上、下呼吸道感染。

其作用机理是抑制细菌依赖于RNA的蛋白质合成，与细菌的核糖体50s亚基发生可逆性结合，抑制蛋白质的合成。

典型的药物是红霉素（4—14）。

红霉素有较明显的胃肠道刺激作用，研究表明，在酸催化下，6位羟基与9位酮基形成半缩酮，再与12位羟基生成缩酮，该过程是红霉素产生胃肠道刺激和失去抗菌作用的主要原因。

为避免缩酮的生成，将6位羟基甲醚化，得到克拉霉素（Clarithromycin，4—15），临床应用表明，克拉霉素对胃肠道的刺激很小，而且，因脂溶性增加，口服生物利用度提高，化学稳定性较好，因而改善了抗菌作用。

另一个大环内酯是阿奇霉素（Azithromycin，4—16）是在C9和Cl0之间插入N—CH3的扩环产物，与红霉素相比，阿奇霉素提高了对酸的稳定性，半衰期长，可日服一次，抗菌广谱。

（六）美伐他汀

某些微生物的次级代谢产物与人体内的正常代谢产物的结构具有相似性，这可能是在生物的长期进化过程中保存下来的，以致微生物的代谢产物可能对人体的某个生化过程有干预作用。

自真菌Penicilliumcitrinum和从Aspergillusterreus的培养液中分别得到的美伐他汀（Mevastatin，4—17）和麦维诺林（Mevinolin，4-18），可选择性地抑制羟甲基戊二酰辅酶A（HMGCoA）还原酶，该酶是催化3—羟基—3—甲基戊二酸辅酶A还原成3，5—二羟基—3—甲基戊酸的反应，后者是体内胆固醇生物合成的级联反应的决速步骤。

美伐他汀和麦维诺林对HMGCoA还原酶抑制作用的κi值分别为1.4x10-9mol/L和6.4X10-10mol／L。

而底物HMGCoA的Km值为1.4x10-5mol／L，这两个抑制剂与酶的亲和力分别高于底物7千或1万6千倍。

结构分析表明，美伐他定和麦维诺林分子中都含有以内酯形式存在的3，5—二羟基戊酸的片段，在体内被血清或组织中，酯酶水解成相应的羟基酸，是与酶结合的活性形式。

此外，研究表明，在酶的活性中心有一个疏水腔，与抑制剂下半部的十氢萘部分结合，导致这种结合非常牢固，成为强效抑制剂。

二、以生物化学为基础发现先导物

生物化学和分子生物学的发展，为系统地寻找生物活性物质开辟了广阔的领域，为药物分子设计提供了新的靶点和先导物。

例如，激素、神经递质和维生素的功能、生物合成的级联反应、代谢中间体和终产物，都可作为设计药物分子的出发点，对这些调节机体的活性物质作结构变换，或可增强原生理生化过程，或阻断、拮抗原过程，对异常的或失衡的机体功能发挥纠正或调节作用。

（一）吲哚美辛类非甾体抗炎药

炎症的重要介质5—羟色胺的功能被揭示后，希望能够寻找其受体拮抗剂以治疗各种原因引起的炎症。

另一方面，在风湿性关节炎患者的尿中，有高水平的色氨酸的代谢产物。

因而，以含吲哚环的化合物为先导物，在众多取代的吲哚—3—乙酸化合物中，选择出吲哚美辛（Indomethacin，4—19）作为解热镇痛药和关节炎治疗药。

前列腺素G和H是重要的炎症介质,它是花生四烯酸经环氧合酶催化氧化等级联反应而产生的。

在环氧合酶的三维结构被解析之前，Gund等用计算机图形学方法比较了花生四烯酸和吲哚美辛的构象，表明这两个化合物的三维结构有相似性．烯键和羧基在空间的位置具有对应性，因而，竞争性地与环氧合酶结合，并由此演绎出环氧合酶活性部位的拓扑模型．成为设计新型非甾体抗炎药的模板。

为了消除或减轻吲哚美辛对胃肠道的刺激作用，经结构改造、开发了其电子等排物舒林酸（Sulindac，4-20）。

（二）卡托普利类降压药

血管紧张素转化酶（ACE）可将具有十肽结构的血管紧张素Ⅰ（AngiotensinⅠ）裂解为八肽血管紧张素Ⅱ（AngiotensinⅡ）,后者可使平滑肌收缩，并促进醛甾酮的生物合成和分泌，使血压升高。

显然，能够抑制血管紧张素转化酶活性的物质，应具有降压作用。

鉴于羧肽酶A（CarboxypeptidaseA）与血管紧张素转化酶的结构与功能有相似之处，参考了对羧肽酶A有抑制作用的D—苄基琥珀酸的结构，设计了琥珀酰—L—脯氨酸，后者对ACE虽有较弱的抑制作用，但作为先导物，经侧链的变换，例如，引入甲基，用巯基替换羧基，优化出降压药卡托普利（Capto-pril，4—21）。

卡托普利是血管紧张素转化酶强效抑制剂，这样小的分子有多个功能基，各履行重要作用：

巯基与酶的辅基锌离子形成配位键，羧基的负电荷与酶分子的正电荷形成静电引力，羰基与氢原子生成氢键，脯氨酸残基则与S—甲基有立体特异性的疏水和范德华力的作用。

卡托普利分子中的巯基可引起副作用，且化学性质不稳定。

进一步变换结构，模拟产物的结构，将巯基换成羧烷基，并用-NH-替换-CH2-，以调整抑制剂的疏水-亲水性，得到依那普利（Enalapril，4—22），它对ACE抑制作用的IC50强于卡托普利19倍。

（三）H2受体拮抗剂的抗溃疡作用

分子药理学研究表明，组胺作为自身活性物质（autocoids）在体内至少有两种受体与之结合，—即H1和H2受体。

抗组胺药物是H1受体拮抗剂，具有阻止组胺对机体致敏的作用．但它对与胃液分泌相关的H2受体却没有拮抗作用。

为了研制抗消化道溃疡药，以H2受体为靶点，以组胺为化学起始物，寻找对组胺H2受体有拮抗作用的物质。

4—甲基组胺对H1和H2受体的激动作用不同，对H2受体的激动作用强于H1受体。

侧链的氨基经各种基团替代，发现胍基代替氨基，使H2受体的活性只能达到最大活性的—半，成为部分激动剂。

改变胍基的碱性，换成脲基或硫脲基，得到的布立马胺（Burimamide，4—23）为H2受体拮抗剂，进而4—位引入甲基．测链加入硫原子，最终研制出西咪替丁（Cimetidine，4-24）。

咪唑环并非必需的药效团，雷尼替丁（Ranitidine．4—25）和法莫替丁（4—26）等H2受体拮抗剂分别是用呋喃环和噻唑环替换咪唑环的有效抗溃疡药。

三、基子临床副作用观察产生的先导物

先导化合物常常具有多种生物活性，这些多样性作用对于研制特异性药物是不利的。

在修饰结构优化活性时，提高并强化所希望的活性，消除或尽可能降低其它样作用，使推荐到进行临床研究的候选物质有较好的选择性作用。

然而，在优化操作中，所提高的选择性作用只是相对的，往往很难除去所有不希望有的作用，以致在临床观察或应用时，出现了预料的或未预料的不希望的作用即副作用。

另一方面，机体的各种器官或组织细胞含有多种受体、酶或其它生物大分子，理想的药物应只对某个器官或组织（即靶器官或靶组织）的特定受体或酶发生相互作用，或者只对病源体的某生物大分子起作用，产生选择性或特异性作用。

然而事实上，临床应用的药物几乎很难只向靶组织作特异性分布并与受体起作用，导致在用药时出现副作用等不良反应。

然而，通过对副作用的密切观察和对作用机理的深入研究，却又可以以此作为研制新药的线索，即以临床使用的药物作为发展另一类新药的先导物。

应当强调指出，此时所进行的操作，是提高该副作用的强度成为主作用，扬弃原来的药理作用。

（一）磺酰脲的降血糖作用

20世纪40年代用磺胺异丙噻二唑（4—27）治疗伤寒病，当使用大剂量时会造成死亡，死因是由于药物刺激胰腺释放出胰岛素，导致急性和持久地血糖降低。

然而，这并没有引起人们利用此副作用研究口服降血糖药的注意。

与此同时，临床又发现氨磺丁脲（Carbutamide，Bz55，4—28）的降血糖作用强于（4—27），开始作为治疗糖尿病的药物。

自此以后合成了大约10000个磺酰脲化合物。

构效关系研究表明，苯环上存在取代基，脲基氮原子上有烷基或环烷基取代有利于降糖作用。

例如，发明了甲苯磺丁脲（Tolbutamide，4—29），氯磺丙脲（Chlorpropamide，4—30），格列吡嗪（Glipizide，4—31），格列波脲（Glibornuride，4—32）。

格列齐特（Gliclazide，4—9）除具有降血糖作用外，还可阻止血小板聚集，因而，可阻断糖尿病患者的视网膜病的发展。

（二）单氨氧化酶抑制剂的发现

在使用异烟肼（4—34）和异丙烟肼（Iproniazid，4—35）治疗结核病时，发现患者服用异丙烟肼后情绪增高，而未见于服用异烟肼者。

研究表明，异丙烟肼可抑制单氨氧化酶，临床上用于治疗抑郁型精神病患者。

构效关系提示，酰基并非必需基团，但肼基或酰肼基的氮原子需有烷基或环烷基取代，从而研制出苯乙肼（Phenelzine，4—36），进而证明胺类也是单氨氧化酶抑制剂，如反苯环丙胺（Tranylcypromine，4—37）和司来吉兰（Selegiline，4—38）都是抗抑郁药。

（三）促毛发生长的米诺地尔

米诺地尔（Minoxidil，4—39）直接作用于血管平滑肌，扩张外周血管，临床用作降血压药。

长期服用米诺地尔会促进毛发生长，特别是头部面部毛发生长旺盛，作用机理可能是开启钾离子通道。

该药物已作为局部用药治疗脱发症。

（四）芳构酶抑制剂格鲁米特

格鲁米特（Glutethimide，4—40）是非巴比妥类镇静药，用于治疗癫痫病，但由于其严重的副作用于20世纪60年代停用。

该副作用类似于抗雌激素作用。

以后发现氨鲁米特（Aminoglutethimide，4—41）对乳腺癌患者有类似于切除肾上腺的效果，因而，临床上用于治疗绝经后妇女乳腺癌。

深入研究这类化合物的作用机理，表明药物抑制了芳构酶（aromatase），芳构酶催化睾酮和雄甾烯二酮转化成雌酮或雌二醇的反应，使雌激素水平下降，抑制了依赖于雌激素的乳腺癌。

四、基于生物转化发现先导物

机体为自身的保护和防御，对于进入体内的药物视作外来异物，力图排出体外。

主要的方式是通过Ⅰ相和Ⅱ相代谢反应，转化成易溶于水的化合物，以利于排出。

生物转化的大多数后果是药物失去或降低了活性，即代谢失活；

但有的化合物经代谢后提高了活性，即代谢活化。

经生物转化作用产生药理作用更强的代谢产物可作为先导化合物，甚至直接作为新药，已有不少成功的实例，这里所讨论的药物本身已有活性、经代谢后活性进一步提高。

关于前药分子设计，由于其本身无药理活性，需经体内转化后方呈现活性，将在本章后面讨论。

（一）解热镇痛药对乙酰氨基酚

解热镇痛药非那昔丁在体内代谢脱乙基，生成对乙酰氨基酚，对乙酰氨基酚的药理活性强于非那昔丁，而且不引起正铁血红蛋白的产生所造成的毒性。

（二）抗疟药环氯胍

抗疟药氯胍（Proguanil，4—42）在体内代谢合环，生成环氯胍（Cycloguanyl，4—43），环氯胍具有二氢三嗪结构，是活性更强的化合物。

研究表明，环氯胍是二氢叶酸还原酶的强效抑制剂，循此先导物研制出作用更强的抗疟药乙胺嘧啶（Pyrimethamine，4—44）。

（三）维生素D3

维生素D3（Cholecalciferol，4—45）与骨骼形成有关，促进钙和磷酸根在软骨组织中沉积。

维生素D3在体内转变成骨化三醇（Calcitriol，4—46）。

后来证明，骨化三醇是活化钙和磷酸的主要物质，它有维生素D的全部功能，履行激素样作用。

维生素D3转变成骨化三醇的羟基化过程是分步进行的，首先在肝脏中生成骨化二醇（Calcifediol，4-47），然后在肾脏中引人1α—羟基。

骨化三醇显然是活性更强的维生素D3。

（四）5—氨基水杨酸治疗结肠炎

柳氮磺吡啶（Azulfidine，4—48）是5—氨基水杨酸与磺氨吡啶经偶氮键连接的化合物，治疗溃疡

性结肠炎，在肠道中被微生物还原分解成5—氨基水杨酸（4—49）和磺氨吡啶，起到抗菌、消炎和免

疫抑制作用，5—氨基水杨酸是该药物的活性成分，它已成为治疗溃疡性结肠炎的有效药物。

（五）保泰松的代谢活化

抗炎镇痛药保泰松（Phenylbutazone，4—50）在体内转化，主要生成两种氧化代谢产物：

芳环的4—羟基化和丁基的ω—1羟基化。

前者得到的羟布宗（Oxyphenbutazone，4—51）其抗炎作用强于原型药，它已用化学合成方法制成，作为药物上市，不必经过肝脏的体内代谢活化。

有趣的是保泰松的丁基羟基化（4—52）产物具有新的药理作用，促进尿酸排泄，可以治疗痛风病，以它作为先导物，研制出新的抗痛风药磺吡酮（Silfinpyrazone，4—53）。

五、药物合成的中间体作为先导物

合成天然活性物质或药物的中伺产物，它们之间的化学结构往往具有相似性或相关性，或者存在有相同的药效团配置，这时合成的中间体有时会呈现与终产物相似、相同或更优良的活性。

（一）抗结核药异烟肼和抗抑郁药异丙烟肼

抗菌药磺胺噻二唑的中间体缩氨硫脲，经筛选发现对结核杆菌有强效抑制作用，最终研制出抗结核药阿密硫脲（Amithiozone，4—54）。

而在合成硫代缩氨脲类化合物中，发现中间体异烟肼（Isoniazid，4—55）的抗结核作用更强，诞生了抗结核药异烟肼。

在修饰异烟肼的结构以设计更强的抗结核药时，发现了异丙烟肼（Iproniazid，4—56）对单胺氧化酶有抑制活性，继之研制出肼类单胺氧化酶抑制剂作为抗抑郁药。

（二）降转氨酶药物联苯双酯

由北五味子（SchizandrachinensisBei）果实中分离的一种木质素五味子丙素（schizandrineC，4—57）具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。

在合成这类联苯化合物中，发现中间体联苯双酯的保肝作用强于五味子丙素。

在初期确定五味子丙素的结构时，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物试验表明，其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的联苯双酯（Bifendate，4—58）。

有趣的是，当纠