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基于片断的药物设计Fragment-baseddrugdiscovery郭宗儒2009-10-16FromLeachAR,HannMM,BurrowsJNetal.Fragmentscreening:anintroduction.Mol.BioSyst.,2006,2:429-446对靶标认识水平不同的药物分子设计有蛋白质晶体结构只有药效团特征只有相关蛋白质组什么都不知道基于结构的设计基于药效团的设计有目标的化合物库多样性化合物库对靶标的认识程度化合物的多样性苗头和先导物的发现途径天然活性物质基于结构的分子设计随机筛选虚拟筛选问题的出现以靶标为核心的新药研发,切入点是用体外方法评价活性活性。苗头化合物(hit)多以活性强度为衡量标准。hit-to-lead和先导物优化,大都加入或变换基团,以增加与靶标结合的机会和强度。一般“不敢”去除基团或片断,以免丢失参与结合的原子或基团(即药效团)。高通量筛选的化合物过于“成熟”,留给后续的结构变换的余地小,导致投入-产出比低。高通量筛选的不足发现苗头的概率很低。理论计算,含有30个C、N、O、S原子的化合物有1060种,而高通量筛选的化合物数即使以百万计(106),筛选也只占很少部分。化合物分子量比较大,亲脂性强,优化成药的难度大。组合化学库尤甚。分子量160的含上述院子化合物数为107,筛选的分子为103~104个。发现苗头的几率高。公司之间的化合物的结构类型相似,筛选靶标相同,易有知识产权之纠葛。片断及其特征片断是比类药分子小的化合物,分子量或非氢原子数低于类药性化合物。化学结构比类药分子简单。片断应易溶于水,因需要高浓度试液方呈现与靶标的结合信号。结构上有可以延伸的位置、原子或基团。没有化学活泼的反应基团。CongreveMetal.DrugDiscovToday.2003,8:876。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FBDD的背景1Andrews分析了200个药物和抑制剂的结合常数与结构的关系,得出了10个常见功能基和原子对结合能的贡献均值。带电荷基团极性基团非极性基团功能基N+PO2-4-CO2-COOH卤素NO,S醚C(sp3)C(sp2)结合能*11.510.08.23.42.51.31.21.10.80.7带电荷的基团与受体结合的贡献强于极性基团,极性基团又强于非极性基团。AndrewsPetal.Med.Chem.1984,27,1648*kcal/molFBDD的背景2Kuntz等分析了150个含有1~67个原子构成的离子或化合物与受体的结合常数,按照下式计算了结合常数与系统自由能变化的关系,进而推定出每个原子对结合的贡献。ΔΔG结合=ΔΔG复合物-ΔΔG参比态=-RTlnK当非氢原子数在15个以内,结合能随原子数的增加而线性增高,平均每个原子的贡献为1.5kcal/mol;超过15个原子后结合能的变化趋于不变,成为非线性变化,这种现象归因为非热力学因素。Andrews和Kuntz的研究为配体效率概念奠定了基础。配体效率(ligandefficiency,LE)分子大小影响物化和药代性质。减少苗头、先导物中冗余原子的必要性。配体效率是衡量苗头物或先导物以及优化的化合物的质量的参数,表征化合物的活性效率。系指配体(苗头、先导物、优化物等)中每个原子对结合能的贡献,在选取先导物和优化过程中是个有用的指标。计算方法:首先是将复合物结合常数Kd转换为在温度300K的结合的自由能(ΔG)。ΔG=-RT.lnKd=1.37pKdΔG除以非氢原子数,得出每个原子的自由能贡献即配体效率,用下式表示:LE=ΔG/N非氢原子配体亲脂性效率配体效率是将化合物的活性在分子大小的尺度上加以表征,是优化过程中监测化合物的活性、物化性质和成药性程度的一个指标。还可用配体-亲脂性效率指数(ligand-lipophilicityefficiency,LLE)表征先导物和优化的质量。LLE的定义是pIC50(或pKi)-cLogP(或LogD)CongreveMetal.JMedChem,2008,51:3661契合质量在结构优化中,当分子量的加大,即使活性增大,配体效率却变化不大,甚至减小。以致不能反映和揭示优化过程的实际状态。Reynolds等提出了配体的契合质量的概念(fitquality,FQ),以消除因分子量加大,LE的变化被掩饰和拉平的效应。计算方法是将化合物的非氢原子数归一和标度化,得到相应的LE-Scale,分子中不同原子数,LE-Scale值不同,按如下定义:LE-Scale=-0.064+0.873×e(-0.026×HA)或将幂式展开:LE-Scale=0.0715+(7.5382/HA)+(25.7079/HA2)+(361.4722/HA3)配体的契合质量FQ按照如下计算:FQ=LE/LE-ScaleFQ将上述的非线性标准化,使配体之间的结合效率有可比性。BembenekSDetal.DrugDiscovToday.2009,14:278非氢原子数非氢原子数pIC50配体效率当非氢原子低于20时,最大亲和力与原子数成线性关系;超过20后活性趋于不变或下降。若以非氢原子数与配体效率作图,原子数在10~25的化合物配体效率呈线性变化。契合质量ReynoldsCH,BMCL.2007,17:4258非氢原子数LEscale相邻差值100.7204-110.69720.0232120.66850.0287130.63670.0318140.60910.0276150.58090.0282160.55450.0264170.53000.0245180.50720.0228190.48770.0195200.46720.0205210.44940.0178220.43310.0167230.41790.0152240.40390.0149250.39080.0131260.37870.0121270.36740.0113280.35680.0106290.34710.0097300.33780.0093片断化合物库体外筛选评价达到规定活性复合物单晶结构是否计算机辅助设计药物化学合成确定先导物达到规定活性是否片断化合物库(约1000-2000个化合物)体外活性筛选结构生物学:复合物X-线晶体学或NMR或MS计算机分子设计辅助药物设计和化学合成活性评价结构生物学或分子对接构效分析确定先导物基于片断的药物设计:方法的整合性NNHNNHNNH2NHNH2NNOH3CCOOHHOHFCOOHNH2COOHBrOCH3OHHONNOH3CHNNNNNOHONH3COHNNOOHHNNCF3H3CNH2NNHH7C3NH2ONNHNH2ONNCOOHSNSCOOHOONSOOCH3NOOCH3HNONH2NClOHClHNNH2ONOOHHOCOOHSNH3COOCOOHNNOH片断化合物举例NNNH2HNNHNNNH2NNH2SCH3NNHNOHCH3SNCOOHOONOHNH2NOBrHOOCCOOHOHNH2HOHOCNHOCNHONCH3OHHNOHOCOOHOCOOHNCH3CH3ClClNClONOCH3HHNNOCH3CH3NOH3COHOHHONH2NNHNNNNClOCH3H3COHSNNNH2NOOHNOHOHNHNCH3OOH3C片断分子受体结合部位片断连接片断分子分别筛选与组合库比较6X6片断组合库FBDD需要有灵敏的检测手段NMR方法:SkinnerAL,andLaurenceJS.JPharmSci.2008,97:4670X-ray方法:JhotiHetal.CurrOpinChemBiol.2007,11:48SPR方法:NeumannTetal.CurrTopMedChem.2007,7:1630MS方法:AnnisDAetal.Curr.Opin.Chem.Biol.2007,11:5101002003004005006007001mM100μM1μM10nM1nM药物HTS苗头物药物候选物片断化合物药效强度相对分子质量Reesetal.,NatureRev.DrugDisc.2004上市的口服药物平均分子量为340。处于I期临床试验的候选药物,分子量小于400的成功率为50%,分子量加大,成功率降低。Wenlocketal,JMedChem2003配体效率(LE)FragmentRuleof3MW300#H-BondDonor=3#H-BondAcceptors=3cLogP=3#Rotatablebonds=3片断只结合于受体的部分结合位点片断演化成先导物的三种模式片断的生长片断的连接片断的融合与受体结合的相邻的两个片断经连接基连接成活性强的较大分子与受体结合的相互交盖或甚近的两个片断合并成活性强的较大分子以受体结合的第一个片断为核心,经理性设计,在邻近处逐渐生长成活性强的较大分子NNH3CNNH3CNH2NNNH2NNNH2NNNHNNNH2ClNNNHClHHHHHHHIC50(μM)80123.00.510.200.0310.018NoHA10151520232124LE(kcal/mol)0.470.480.610.430.400.490.44FQ0.700.831.050.920.961.091.09.片断生长:蛋白激酶B(PKB)抑制剂先导物优化结构要求化合物的配体效率保持在0.30以上。基于PKB与苗头物的三维结合特征,发现在苯环对位的结合部位有负性基团和较大的腔穴。合成了含有碱性基团的化合物,活性提高,虽分子量增大,仍保持了LE值。加入新的苯环,仍维持了相同的配体效率。最后在新的苯环上引入卤素,得到高活性。(SaxtyGetal.JMedChem2007,50:2293)S-isomer,(0.28μM)R-isomer,(31nM)片断生长:周期蛋白依赖的激酶抑制剂周期蛋白依赖的激酶(CDK)活性取决于周期蛋白的存在,其表达水平与细胞周期相关。抑制CDK可抑制肿瘤生长。两个氢键和芳环疏水作用MW=316IC50=0.66μMLE=0.38MW=316IC50=0.66μMLE=0.38LQ=0.85Leu81羰基形成氢键,Ile10andLeu134与苯环的疏水作用MW=118IC50=185μMLE=0.57LQ=0.76MW=187IC50=97μMLE=0.39FQ=0.64另一思路是去除苯并环,活性减弱,但LE未降MW=258IC50=0.85μMLE=0.44FQ=0.90简化后的吡唑4位可向外生长,氢键给体有利于结合.活性明显提高,LE大增2333NNNOHNOHNFMW=337IC50=0.14μMLE=0.39FQ=0.97NNNOHNOHNFFFMW=373IC50=0.003μMLE=0.45FQ=1.19苯甲酰胺的活性略增,LE降低.苯环离开羰基明面51º,说明不稳定苯环2,6位双取代稳定了构象,活性提升,但进入细胞能力弱,ClogP过大,分子内氢键所致.NNNOHNOHNNHFFNNNOHNOHNNHClClMW=395IC50=0.047μMLE=0.42FQ=1.06二氯取代,对酶和细胞活性均明显增高MW=362IC50=0.14μMLE=0.31FQ=0.79AT7519于10μM对P4501A2,2D6,3A4,2C9,2C19的抑制作用30%水溶性(HCl盐):25mg/ml进入临床研究苯环换成哌啶,酶活水平性降低,
本文标题:基于片断的药物设计
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