新藥研發(fā)簡介系列（四）：1號高地-活性

2012年11月6日 | Filed under: 制藥工業(yè),新藥研發(fā),文獻(xiàn)綜合 | Posted by: 朱貴東

老大決定開始某個(gè)項(xiàng)目后就是兄弟們流血流汗的時(shí)候了。一個(gè)項(xiàng)目第一個(gè)要解決的問題就是活性。很多人認(rèn)為藥物設(shè)計(jì)就是解決活性問題，這是不對的。早些年，合成技術(shù)落后，起始原料/中間體供應(yīng)少，篩選通量低，所以活性是個(gè)比較大的問題。今天由于上述情況發(fā)生了天翻覆地的變化，活性雖然依舊重要，但只占臨床前研究的5-10%的工作量。設(shè)計(jì)高活性化合物已經(jīng)不是衡量一個(gè)藥物化學(xué)家水平的主要標(biāo)志。

人體大約有三萬個(gè)蛋白，由于進(jìn)化效率的要求這些蛋白是由為數(shù)不多的一些模塊和他們的類似模塊組合而成。這個(gè)現(xiàn)象同時(shí)提供了藥物研發(fā)的機(jī)會和挑戰(zhàn)。一方面，由于不同蛋白使用類似模塊，使篩選成為可能否則多數(shù)項(xiàng)目無法開始。大多數(shù)靶點(diǎn)的先導(dǎo)物來自功能上不相關(guān)的其他靶點(diǎn)的配體。另一方面，同樣原因也使選擇性成為藥物設(shè)計(jì)的一個(gè)主要難題。

為什么需要高活性化合物呢？由于上述原因，現(xiàn)在藥物一般要求劑量在<100毫克/天（最好一次口服）以避免副作用。這要求該藥物有好的藥代性質(zhì)（以后還會詳悉討論這個(gè)問題）和足夠的活性。100毫克正常分布在靶點(diǎn)組織大概有1 uM濃度，考慮到蛋白結(jié)合，大概有100 nM的自由藥物。考慮到體內(nèi)體外環(huán)境的區(qū)別，對一般靶點(diǎn)來說藥物應(yīng)該有<10 nM的活性。

如果你有500，000個(gè)化合物大小的化合物庫，對一般靶點(diǎn)來說HTS能找到一些1 uM左右的先導(dǎo)物。你需要另外找到3-4千卡/摩爾的結(jié)合能才能得到1-10 nM的配體。怎樣才能得到這些結(jié)合能呢？

1．增加基團(tuán)。

最明顯也是最常用的手段就是在先導(dǎo)物上繼續(xù)加其它基團(tuán)以找到新的接合點(diǎn)，從而增加活性。但分子大小會影藥代性質(zhì)所以不能無限制增加分子量。那么一個(gè)基團(tuán)一般能帶來多少結(jié)合能呢？1984年， Peter Andrews分析了當(dāng)時(shí)的200個(gè)上市藥物的結(jié)合能得出如下公式：

DG = -14 (熵) - 0.7xDOP + 0.7xCsp2 +0.8xCsp3 + 11.5xN+ + 1.2xN + 8.2xCO2- + 10xPO4- + 2.5xOH + 3.4xC=O + 1.1xO,S + 1.3xHal

配體和蛋白結(jié)合先要損失14 Kcal/mol的熵，各個(gè)基團(tuán)對結(jié)合能貢獻(xiàn)不同。例如對于一般藥物，羧酸能貢獻(xiàn)8.2 Kcal/mol的結(jié)合能。注意，并不是說對于任何分子你加個(gè)羧酸就能得到8.2 Kcal/mol的結(jié)合能，而是如果你加個(gè)羧酸得到了8.2 Kcal/mol的結(jié)合能說明你達(dá)到了一般藥物的設(shè)計(jì)水平。盡管如此，這是第一次大家對常用基團(tuán)的貢獻(xiàn)有了個(gè)大概估計(jì)。

1999年，Docking大腕Kuntz比較了最強(qiáng)活性的配體和分子大小的關(guān)系，得出平均每個(gè)重原子大概能帶來0.3 Kcal/mol的結(jié)合能。同樣，并不是說對于任何分子你加個(gè)一個(gè)重原子就能得到0.3 Kcal/mol的結(jié)合能，而是如果能得到0.3 Kcal/mol的結(jié)合能說明你的重原子基本選對了并放對了位置，您可以偷著樂了。這個(gè)結(jié)論后來得到其他藥物化學(xué)家的證實(shí)。所以你增加基團(tuán)的時(shí)候應(yīng)該以這個(gè)為目標(biāo)。實(shí)際工作中，一般達(dá)不到這個(gè)水平，但也有個(gè)別情況一個(gè)原子可以帶來巨大的結(jié)合能。例如抗凝血新藥Xarelto噻酚環(huán)上的那個(gè)氯原子提供了~3Kcal/mol的結(jié)合能。

2．改變已有基團(tuán)。

由于分子間弱相互作用對分子間距離十分敏感（范德華力和距離的12次方成反比），任何一個(gè)藥物分子都不可能每個(gè)片斷都和靶點(diǎn)蛋白有完美的作用。把無用或起反作用的基團(tuán)用更有效的基團(tuán)替代也是提高活性的手段之一。我舉個(gè)簡單的例子來演示這個(gè)過程需要多少知識和思考。
化合物1是Bradykinin B1拮抗劑，但由于吡碇環(huán)上電子密度太大所以代謝不穩(wěn)定（半衰期0.15小時(shí)）。Merck的科學(xué)家想到用環(huán)丙烷酰基取代吡碇（化合物2），結(jié)果半衰期增加到9.5小時(shí)而活性幾乎未失去。這個(gè)設(shè)計(jì)你得知道1）電子密度大會導(dǎo)致代謝不穩(wěn)定；2）環(huán)丙烷不易被代謝；3）環(huán)丙烷的碳雖然是sp3雜化但有很強(qiáng)的sp2碳特征所以可以代替吡碇；4）羰基氧可以代替吡碇氮。

3．骨架遷越。

有時(shí)無論如何做外圍的改動都無法達(dá)到預(yù)期的活性，這時(shí)只能改變分子骨架。.改變骨架一般需要更多的合成技巧，失去活性的可能性也大大增加。我認(rèn)為這是藥物設(shè)計(jì)比較尖端的技巧，適合經(jīng)驗(yàn)豐富的高手。找到成藥的骨架意義重大，一個(gè)好的骨架可以衍生出很多藥物, 如甾體，beta-內(nèi)酰胺等經(jīng)典骨架均有多個(gè)上市藥物。1996年，Mark Murcko分析了已有藥物的骨架發(fā)現(xiàn)32個(gè)分子骨架造就了50%的上市藥物。這個(gè)問題細(xì)講起來技術(shù)性太強(qiáng)，就不多說了。

最后說一點(diǎn)，體外活性和你篩選的模型息息相關(guān)，多數(shù)模型沒有考慮結(jié)合動力學(xué)，靶點(diǎn)占據(jù)時(shí)間等細(xì)節(jié)，亦沒有體內(nèi)局部內(nèi)源性配體過高導(dǎo)致的活性下降，體內(nèi)正負(fù)反饋，血流營養(yǎng)供應(yīng)等重要因素，所以不是都能轉(zhuǎn)化為體內(nèi)活性，有時(shí)甚至不能作為主要的優(yōu)化指標(biāo)。這些見不得人的內(nèi)幕就不講了。

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