成键的两个原子核间的距离为键长( bond length),过长或过短的距离都将会引起能量 升高。常见的共价键键长见表22 表2-2共价键键长/nm 共价键类型 长 价键类型 共价键类型 0.109 0.135 0,12 0.116 C-O 0.130 0.176 0.100 C-C 0.15 由于原子轨道具有方向性,所以形成的共价键也有方向性。原子间形成共价键时键与键 的夹角称为键角( bond angle)。如键角发生扭曲将会使体系的能量上升。常见的共价键键 角见表2-3 表2-3共价键键角 共价键类型 共价键类型 键角 实例 H-O一H C-S-C CH3 C HSCe H4 CHs C-O-H 07°~109° H一N-H CH3N C-0-c 111.7 CH3 OCH, C-N-H CHs NH2 H-S-H 92.1° HS C-N-C 108.7° CH3)3N C-S-H CH3 SH 键长和键角都是计算键能的基本参数,分子中各化学键的键能跟分子的稳定性有关。分 子稳定性的尺度是分子内能。分子内能包括分子热运动的动能和分子内和分子间相互作用的 势能。分子内及分子间的相互作用有化学键能和非键能。非键能为分子中原子与原子之间由 非键作用力如范德瓦耳斯力、疏水作用、偶极作用、氢键和电荷转移等引起的能量的变化。 非键能的计算也是研究药物作用的基础(参见2.4.2)。 2.2药物发现的途径与过程 药物的发现实际上就是新药的创制。新药须具有有效性、安全性和可控性。决定这些属 性的除了剂型、配方等因素外,最根本的是药物的化学结构因素。因此这里所说的新药是指 新剂型和新配方之外的,在结构上、作用性质上或治疗学上具有新颖性的新化学实体(new chemical entities, NCEs) 新药研究大致分为新药发现、新药临床前研究和新药临床研究与应用等主要阶段,其关 键是新药发现( drug discovery)。通过不同的途径和手段发现某一物质的生物活性作用,是 创制新药的起点和前提。药物的临床前研究( preclinic research)是对发现的生物活性物质 进行普通药理学、药效动力学、药代动力学、毒理学等全面的和必需的试验,只有各项指标 都符合要求才能进入临床研究( clinic research)。临床研究是在常人和患者人体上作安全性 实验,进一步证实药物的治疗作用和安全性以及可能存在的药物不良反应。临床研究可分为 Ⅰ期、Ⅱ期和Ⅲ期,只有临床研究过关,药物才能进入临床应用(见图21)
药物发现 药物开发 药物应用 药物发现 临床前研究 临床研究与应用 药物筛选 普通药理学研究 药物分子设计 药物分子获得 药代动力学研究 毒理学研究 不良反应监 图2-1新药研究的基本过程 新药发现的最主要途径和手段是药物筛选( drug screening)和药物分子设计( molecu drug design),后者分为先导化合物的产生( lead discovery)(又称先导化合物衍生 lead generation)和先导化合物的优化( lead optimization)。先导化合物( lead compound), 简称先导物,亦称原型物( prototype),是通过各种途径、方法或手段获得的,具有一定生 物活性的新的结构类型化学结构。先导化合物不一定是可直接使用的优良的药物,因为它可 能存在活性不高,特异性差,副作用大,毒性作用大或药物代谢动力学性质差等缺点。但是 可以在此新结构的基础上作先导化合物的优化,即作进一步的结构修饰和改造,提高活性和 特异性,改善药物代谢动力学特性,衍生出选择性高、安全性好、活性大的新的药物。先导 化合物优化以产生的先导化合物为基础,依靠各种经验理论、方法和手段,对先导化合物作 结构改造或修饰,总结化学结构与生物活性间的相关关系,并加以扩展、延伸,预测某一化 合物的生物活性,以发现该结构类型的新的药物。由此可见,药物分子设计是先导化合物的 产生以及在此基础上的优化过程。计算机辅助有效地贯穿于先导化合物的产生和优化全过 程,并给其带来革命性的变化。药物发现的主要途径有以下几种 2.2.1药物的偶然发现与随机筛选 早期的药物主要是偶然发现的。虽然这种偶然性越来越小,但是也不能排除这种偶然 性。现在发现药物活性的有效方法是筛选( screening),即在实验评价化合物生物活性的筛 选模型上从众多的化合物中挑选出有生物活性化合物的过程。筛选分为随机筛选( random egd和定向篮选( dedicated screening).随机鈽选,又称普筛,是在各种来源的化学 实体中作各种所需的生物活性的广泛筛选或一药多筛,其筛中率是极低的。据美国加州的 W.H.Mos报道,在美国如果以随机筛选方法开发出一个成功的新药产品,首先要从约 1万个化合物中筛选出500个有生物活性的化合物,经体外药理筛选,从中挑选出250个进 行临床前的动物体内试验,这一阶段的实验完成以后,最终也许只有5个能被批准进行人体 的临床试验,在这5个化合物中只有1个有可能最终成为注册新药(见图2-2)1 >15年 1个新药 >5亿美元 5个临床试验 50个临床前试验 500个生物活性化合物 ~10000个合成化合物 图2新药发现的耗时、耗金与成功率
虽然随机筛选盲目性很大,但可以得到新结构类型或新作用特点的先导化合物。比如对 土壤中的微生物作抗生素普筛,发现了一些新的抗生素族,可以作为先导化合物。定向筛选 是以特定的生物活性为指标,筛选出具该生物活性的药物。定向筛选常用于先导化合物优化 的药理测试。 筛选模型( screening model)可以是整体水平、组织器官水平、细胞水平甚至分子水 平,它主要分为体内( in UL'UC)和体外( in vitro)两大类。体内模型采用实验动物病理模 型试验,一般用于新药开发。体外模型一般用于新药发现,它有分子、亚细胞、细胞和离体 组织器官等层次。高灵敏度、高特异性的筛选模型能提高筛选的成功率。酶技术、免疫学技 术、与受体结合等新技术的发展,使筛选方法达到黴量化、分子化。筛选模型所需的靶酶和 受体可以通过基因工程制备。药物生物利用度、药物代谢动力学的筛选模型则用于药物代谢 作用的筛选。 2.2.2天然有效成分作为先导化合物 天然存在的生物活性物质是先导化合物甚至是药物的主要来源。天然化合物的多样性和 生物有效性赋予一些独特类型结构的化合物独特的生物和药理活性。 中草药绝大部分为植物药,这是 先导化合物的巨大宝库。植物、动物、微生物 和海洋生物在进化过程中形成了化学结构丰富多样的物质,以利于自身生存和繁殖。这些物 质往往具有生物活性作用,能借作药用。动物和人体内源性活性物质、神经递质和激素等是 微量、强效的活性成分,是很好的先导化合物。一些矿物的有效成分也具有药理作用 2.2.3已有药物作为先导化合物 现有的临床曾经使用或正在使用的药物可以作为发现新药的线索,即以原有药物为基 础,改造发展为另一类新药。例如可以通过增强药效、减少副作用、利用毒副作用、利用药 物在体内代谢的活性代谢物等来设计新药。 2.2.4以药物合成中间体为先导化合物 在化学合成或生物合成药物时,往往使用一些中间体片段,这些中间体的化学结构与药 物的基本结构有时具有相关性,或药效基团基本相似,这时合成中间体可以作为先导化合 物,进而发展成为与原合成药物性质相似或更优良的药物 2.2.5组合化学方法产生先导化合物 由于依靠人工合成化合物和天然化合物来寻找先导化合物仍满足不了筛选的速度和广 度,在此需求的驱动下,20世纪90年代初在固相合成技术的基础上发展起来的组合化学技 术,已成功地应用于先导化合物的产生。 组合化学( combinatorial chemistry,简写为 Combichem)是利用组合论的思想和理 论,将构建块通过化学合成、生物合成等手段,平行或交叉地、系统地、反复地共价连接, 产生分子多样性的大量化合物群体,不需确证单一化合物的结构而是建立有序排列的组合化 学库( combinatorial library.)(参见3.6),并进行优化选择的方法学与技术。 通过组合化学合成技术,可以高效率地对大批量(数十万个甚至数十亿个)结构差异性 悬殊、性能特异的化合物作同步合成,并配以群集筛选和高通量筛选技术,对以化合物库形 式存在的化合物同步地在原位作大规模地、快速地、高灵敏度地自动筛选,寻找具有生物活 性的先导化合物。 组合化学以群集筛选( mass screening),又称库筛选( library screening)的方法进行, 它的特点是群集化、实时化、自动化。群集化,也就是运用组合策略,同时对组合化学库中 10
的样品以特定的生物学指标筛选有特异生物活性的化合物,它打破了传统的单个合成、逐一 纯化、逐一筛选的药物研究模式,与常规随机筛选相比不仅在量上大规模放大,在质上也有 很大的差别。实时化,即直接、同步、快速、灵敏、连续地测定组合化学库中的成分,根据 筛选目标选用不同的生物学指标和不同测定方法达到筛选目的。自动化,即使用机器人技术 作化学或生物学分析,并自动处理分析结果。 群集筛选大规模采用自动化技术,信息处理计算机化、生物评价微量化和灵敏化,发展 成为高通量筛选( high throughput screening,HTS)。HTS作多孔板、多通道自动测定, 它包含有自动化操作系统、高灵敏度检测系统和数据管理系统。自动化操作系统应用机器人 技术,代替人工进行自动加样、稀释、转移、洗脱、混合、孵温、检测等操作,各步骤做到 程序化,因而减少了人工误差,实验结果更为准确和可靠。高灵敏度检测系统采用可见光 紫外光比色法、荧光比色法、同位素放射活性测定和生物发光、化学发光等多方面生物评价 测定技术。数据管理系统应用计算机软件,对数据作采集、计算、储存、显示、传输等信息 处理。现在HTS系统通用的形式是96孔板,正在向384孔、864孔甚至1536孔发展,筛 选通量进一步提高,实现超高通量筛选( ultra-high throughput screening,uHTS),每天可 筛选20万个化合物。 在缺少活性分子结构信息的情况下,对合成的组合化学库进行筛选的目的是找到生物活 性分子,属于随机筛选。但由于组合化学筛选的化合物数目十分巨大,得到活性化合物的可 能性也就较大。当定向合成和功能性筛选有效结构的化学类似物,建立构效关系以优化结构 时,则属于定向筛选。 组合化学方法与合理药物设计寻求合理性的思想相反,其基本策略是追求多样性、广泛 性,因此被称为非合理药物设计( irrational drug design),但此称呼似乎有失公正。以组合 化学方法寻找先导化合物,量大、快速、经济、灵敏、准确,因此成为药物设计的又一新途 径,是一条发现新药先导化合物的高速公路。组合化学与合理药物设计从两个不同的方面设 计新药,好比用鱼网与鱼叉捕鱼,互相补充(参见6.3),成为21世纪药物研究的主要途径。 2.2.6合理药物设计 最近发展起来一种药物设计的新方法,称为合理药物设计( rational drug design),不 仅可进行先导化合物的优化,更重要的是能进行新的先导化合物的人工设计,从而提供了与 传统方法不同的药物设计的新途径。合理药物设计是基于结构的药物设计、基于性质的药物 设计和基于机理的药物设计的综合 合理药物设计,就是基于对疾病过程的分子病理生理学的理解,根据靶点的分子结构, 并参考效应子的化学结构特征设计出对该疾病有治疗作用的药物分子,同时从药物结构出 发,设计出药效学和药动学性质良好、选择性作用于靶点的药物,从而引导设计走向合理 化。由此设计出的药物往往活性强,作用专一,副作用较低,故称之为合理药物设计。 合理药物设计由于设计目的明确,设计出的新分子具有合理性,可以大大地减少所筛选 的化合物数目,缩短药物研究与开发的周期,明显地优于传统的广泛药理筛选和先导化合物 优化的方法。合理药物设计与传统药物设计的对比见图2-3 生命科学基础研究结果表明,内源性活性物质或外源性小分子药物能作为特异性配基 ( ligand)作用于机体内的靶点( target),从而引发生物活性。靶点主要指受体,广义上的 受体包括酶、核酸、细胞膜、脂蛋白、离子通道、抗原、多糖、运输载体等。效应子与靶点 通过“锁-钥”机理相互作用,两者之间须形状互补,或通过各自的变构作用以适应对方的 11
大量化合物 传统方法(天然化合物库 合成化合物)随机筛选 药物筛选 生物活性分子化学 组合化学方状「大撒化合物、「群集选 先导化合物化 候选药物 化合物组合库) 跪点化合 CAD理论药物分子 化学合成 合理药物设计 靶点结构 研究,药动学研究 剂型研究,临床研究 药物 药物经济学研究 药物销售 新药上市 药物商品 图23合理药物设计与传统药物设计的对比 构象要求而契合(参见2.4.1),还需性质互补,如静电相互作用、氢键相互作用、疏水性 相互作用等;此外还有溶剂效应,药物与受体的协调运动等。对药物和药物作用靶点的结构 在分子水平上的全面、准确的了解,是进行基于结构的药物设计( structure-based drug de sign或 structure- based rational drug design)的基础,从而引导先导化合物发现走向理性 化。基于结构的药物设计根据结构来源,分为基于配基结构药物设计( ligand structure based drug design)和基于受体结构的药物设计( .receptor structure- based drug design)。结 构来源不同,进行设计的方法就不同(参见6)。也有学者将基于受体结构的药物设计简称 为基于结构的药物设计。 虽然基于结构的药物设计是一种崭新的、高效的药物分子设计方法,但仍存在着一系列 问题需要解决。如生物大分子(靶点)的结构特征还不易获得,为直接药物设计带来困难; 间接药物设计也牵涉到受体配基相互作用的方式问题,目前认识还不深刻,因此现在还不 能真正地完全定量地预测药物的活性,设计出的全新化合物需人工合成以证实是否具有生物 活性。药物的体内吸收、转运、分布和代谢等问题,在药物设计时需加以考虑,这些药物代 谢动力学(参见2.5)性质与药物分子的结构有关。基于性质的药物设计( property-based drug design)就是根据药物结构和理化性质的关系,设计药物效应动力学(参见2.5)性质 良好的、选择性作用于靶点的甚至靶向到达靶点的、药效强、副作用小的药物。 合理药物设计的基础是关于与疾病过程有关的靶点的理论知识,包括结构功能及其作用