8第2章药物的发现、设计与开发 1955年放弃了这个课题。1957年在清理实验室时,发现烧瓶中的样品,应为2.5(X=7-(l, R=CH2NHCH3,R2=C6H5)的化合物,并进行了药理试验。该化合物与其他所有的化合 物不同,用6种不同的试验初筛安定作用,均得到非常有价值的结果。进一步研究发现,该化 合物不是喹唑啉3-氧化物,而是苯并二氮蕈4氧化物,2.3,可能是由于相应的氯甲基喹唑啉 3-氧化物(2.6)与甲胺发生未预料的反应而生成的(流程图2.1)。如果在清理实验室时未发 现该化合物,喹唑咻3氧化物的药理结果都会全部报道为阴性,则发现苯并二氮草4-氧化物 可能会延迟很多年 CHC NHCH CHNH2--- CH-NH 流程图2.1 librium的生成机理 以上是没有先导物的前提下,发现为数较少药物的实例。而典型的情况是,确定先导化合 物,修饰其结构,最终使化合物进入临床试验。 2.1.2先导化合物的发现 青霉素V和 librium是两个无需先导物而发现的重要药物。然而,它们一且被确定,又可 以作为第二代药物的先导化合物。早期发现的青霉素化学结构被证实后,已合成了成千上万个 青霉素类抗菌药。罗氏公司甚至在将 librium推向市场之前就已合成出地西泮(2.7, diazo pam),地西泮是由 librium为先导物产生的,其活性强度几乎是 librium的10倍。 研制新药的首要难题是发现先导化合物。发现的途径有数种。首要条件是要有一种方法评 价受试化合物特定的生物活性,使研究者清楚哪个化合物有活性。生物测定(或称筛选)是在 生物系统中用一种方法确定化合物相对于对照物的活性,若呈现所希望的活性,还要了解其相 对强度是多少。要注意区分活性( activity)和效能( potency)的不同。活性系指特定的生物 或药理作用(例如抗菌作用或抗惊作用);效能是该作用的强度( strength) 一些筛选方法是用离体试验,例如对酶的抑制作用或对受体的拮抗作用;还可用在体试 验,例如评价化合物对小鼠诱发癲的预防能力。离体试验一般较快且便宜。最近采用的高通 量筛选(HTS)法1],大约是在1989~1991年发展起来的非常迅速和灵敏的离体筛选方法 如今已实行自动化筛选,并被普遍采用,方法是将少量化合物(不到1mg)溶解在微升体积
药物的发现9 的溶剂中,在1536或3456孔板上测定。用超高通量筛选法,一天可筛选10万个化合物。在 后面会看到,利用组合化学(见22.5.5)可在短时间内提供大量的化合物,理论上讲应会得 到一些有苗头的化合物(h,即呈现初步生物活性的化合物,因而会产生更多的先导化合 物。根据 Drews报道12,在20世纪90年代初大制药公司每年筛选的化合物数量为20万个, 到中期增加到5百万~6百万个,到20世纪90年代末已超过5千万个。然而测定速度的增加 并未提高研究的产出效率,上市的新药数并未增加。当然,从开始研究到药物上市需要12 到 21世纪初新药的产出量应体现出20世纪末新药研究所发生的变化。先进的HTS方 法似乎增加了苗头化合物的数量,但筛选了更多的有较强的类药性亲脂性化合物(见2.6.2 节),可能是因为测定时是将化合物溶解在二甲基亚砜(DMSO)中,而不是溶解在水中。如 今尚不清除提高了苗头化合物的命中率是否会增加先导物和新药开发的数量13]。 Wong, Pompiano和其合作者发现了一种令人鼓舞的筛选方法,通过化合物与细菌代谢 过程相关酶的相互作用,来筛选阻止细菌细胞壁生物合成的先导物,即具有潜能的抗菌药 11。他们发现了参与细胞壁生物合成的所有6个酶的重组条件,该生物合成途径是将底物 与第一个酶温孵直到与最后一个酶反应,然后通过筛选化合物,寻找生成的中间体,此方法不 仅有可能确定出阻断该途径的化合物(阻止细菌细胞壁的形成),而且还可确定抑制了哪个酶 (某中间体的生成意味着作用于该中间体的酶被抑制了)。 化合物的筛选也可用电喷雾离子化质谱法5(Fenn因此项技术获得了2002年诺贝尔奖)和 核磁共振法16,化合物与生物大分子(如受体或酶)生成紧密的非共价键结合的复合物,能够 在质谱图上显示,通过碰撞能的改变和测定复合物解离的能量,可确定配体(与受体结合的小分 子)的亲和力。如果化合物的相对分子质量和/或电荷不同,这个方法也可用于筛选混合物(化 物库),因而与大分子形成复合物的m/z可在质谱仪中分开。通过改变碰撞能,可以测定出与 生物大分子结合能力最好的受试化合物。HNMR方法是利用小分子化合物与大分子结合后弛豫 速度或扩散速度的变化来测定的。该法也可用于筛选混合物,筛出结合能力最强的化合物 随着筛选方法的发展,人们可以通过多种途径得到先导化合物。下面我们会看到,对受体 或酶来说,典型的先导化合物是受体的天然配体或酶的底物。先导物的另一个来源是上市的药 物171,上市药物的靶标通常是明确的,且有良好的吸收性,但上市药物作为先导物的主要障 碍是专利问题。若靶标大分子是未知的或者在上市的药物中没有得到先导物,可采用其他的方 法来获取 2.1.2.1随机筛选 在没有已知药物和其他活性化合物的情况下,可利用随机筛选法。随机筛选是非理性化方 法,所有的化合物都进行生物试验,而不用考虑其结构。在发现磺胺药的1935年以前,随机筛 选基本上是惟一的途径,如今该方法仍是发现药物或先导化合物的重要途径,主要原因是可用 HTS迅速地筛选数量庞大的化合物。当对受体靶标毫无了解时,这是发现先导物的有效方法 被筛选的物质可分为两大类:合成化合物和天然产物(来源于微生物、植物和海洋生物)。 用合成的和天然化合物进行随机筛选的一个实例,是美国国会和美国国家肿瘤研究所在20世 纪70年代公布的“向肿瘤宣战”的计划。所有提交的新化合物都用小鼠肿瘤进行生物活性筛 选,筛选中得到数个新的抗肿瘤药物。但是,许多已知的抗肿瘤药物在筛选中却未显示活性, 该研究机构重新设计了筛选体系后,又得到了一致的结果。在20世纪40~50年代,各制药公 司用土壤样品作随机筛选,寻找新的抗生素,不仅发现了许多先导物,而且还找到两个重要的 抗生素:链霉素和四环素。筛选微生物培养液,特别是链霉菌菌株,在1980年以前普遍使用 的都是随机筛选方法。 2.1.2.2非随机(目标或定向)筛选 非随机筛选,又称目标或定向筛选,是一种比随机筛选集中得多的方法,该方法用的化合
第2 药物的发现、设计与开发 物与随机筛选得到的弱活性化合物大致相似或者与先导物相似但带有不同的功能基,因而可进 行选择性试验。美国国家肿瘤研究所到20世纪70年代后期,因为预算和人力的限制,已将随 机筛选改为非随机筛选,而且将单一肿瘤模型改为多肿瘤模型筛选,因为人们已经知道胂瘤不 是单一性疾病 2.12.3药物代谢的研究 在研究药物代谢(见第7章)时分离出的代谢物(药物在体内生成的降解产物)通过筛 选可以确定药物的活性究竟是由于原药还是代谢产物所致。例如抗炎药物舒林酸(2.8, sutli dac)并非活性形式,呈现活性的是其还原性产物2.918。 COOH 患者同时服用无镇静作用的抗组胺药盐酸特非那定(2.10, terfenadine hydroc hloridle) 抗真菌药物时,会引起心律失常,通过研究发现抗真菌药物能够抑制代谢特非那定酶的活性, 因此得知特非那定可导致心律失常。然而,特非那定的代谢产物盐酸索非那定(2.11.f:x ofenadine)也是非镇静性抗组胺药,而且即便同时服用抗真菌药物也可被代谢。所以非索非 那定是个安全的抗过敏药。代谢物也可以用于其他活性的筛选 盐酸特非那定 盐酸胂索非那 2.1.2.4临床观察 在进行临床试验时候选药物有时会呈现多种药理活性,即产生副作用。这样,该化合物可 作为第二种活性的先导物,如果幸运则可成为药物。1947年约翰雀普金斯大学在试验抗组胺 药茶苯海明( dimenhydrinate,2.12)的临床效果时,发现对姑车的患者也有效,进而研究证 明茶苯海明对治疗晕船[和晕空病20是有效的。 茶苯海明 通过临床观察发现药物的副作用还有其他为人熟知的例子。如盐酸氨非他酮(hn 213)为抗抑郁药,却发现它可帮助患者戒烟,如今它是第一个上市的戒烟药(yhan)。抗阳 痿药物枸橼酸西地那非(2.14, sildenafil)原设计抑制磷酸二酯酶-5以治疗心绞痛和高血压 病。磷酸二酯酶5催化水解环一磷酸鸟苷(cGMP),后者是血管舒张剂,可以增加血流 量23西地那非于191年进入I期临床试验治疗心绞痛病。在Ⅱ期临床试验中,辉瑞公司发 现其对心绞痛的治疗效果不如所希望的那样有效,这样又返回到期临床试验,以确定最大耐
2.1药物的发现 受剂量。这时志愿受试者称西地那非可提高勃起功能。既然对心绞痛的作用弱,就很容易得出 结论,该药对勃起功能障碍的治疗是有效的。西地那非是依据抗心绞痛药物的机理而设计的 但它却抑制了阴茎中的磷酸二酯酶5,而不抑制心脏中的磷酸二酯酶5(图2.1)。性刺激引起 了阴茎中一氧化氮的释放。 HN.HCI 盐酸氨非他酮 枸檬酸西地那非 NO合酶 乌苷酸环化酶 勃起 cGMP 平滑肌舒张—增加血流量 血管收缩 西地那非 图21西地那非(万艾可)的作用机理 氧化氮是第二信使分子,对于催化三磷酸鸟苷转变成cGMP的鸟苷酸环化酶有刺激作 用。cGMP是血管舒张剂,可松弛海绵体中的平滑肌,血液进入到阴茎中,使之勃起。然而, 磷酸二酯酶-5(PDE5)可水解cGMP,引起血管收缩,使血液从阴茎中流出。西地那非抑制 磷酸二酯酶的活性,阻止了cGMP的水解,延长了舒张血管作用。 21.25先导化合物的理性发现 上述先导物的发现或靠筛选方法或是研究药物代谢的副产物或是临床研究而得,都没有涉 及理性设计。有没有可能设计出具有特定活性的化合物呢?如今理性的药物设计方法是发现先 导物的主要途径。理性方法的第一步是确定疾病的原因,许多疾病或至少是疾病的某一症状 起因于体内特定化学物质失去平衡(过量或缺少)或由于外来生物的侵袭或由于细胞生长紊 乱。后几章将会讨论到这种失衡作用可通过拮抗或激动某受体(见第3章)或抑制特定的酶 (见第5章)而得到纠正;抑制外来生物的酶或干扰DNA的生物合成和功能,是治疗由于微 生物或细胞生长而致病的重要方法(见第6章)。 当有关的生物化学系统确定后,受体的配体或酶的底物就是初始的先导化合物。例如,避 孕药(+)-炔诺孕酮( norgestrel,215)和17-a炔雌醇( ethynylestradiol,2.16)的先导化合 物是甾体激素黄体酮( progesterone,2.17)和179-雌二醇( estradiol,2,18)。因为甾体激素
12第2章药物的发现、设计与开发 217和218作用弱且短效,而口服避孕药2.15和2.16则具有强而长效的黄体酮作用。 EaCH 炔诺孕酮 17 215 在默克公司人们认为5羟色胺(2.19)可能是炎症的介导剂,因而将5羟色胺作为先导 物研发抗炎药物,如吲哚美辛( indomethacin,2.20)x2 理性设计的方法旨在发现先导物,但严格地讲,该方法是不可能预料药物的毒性和副作 的,不能预期药物的转运性质以及在体内的代谢过程。先导化合物一旦确定,就可对其进行结 构改造,直至得到有效的药物。 口22先导化合物的修饰:药物设计与研发 得到先导化合物之后,如何进行结构变换以增强所希望的药理作用呢 2.1药物活性部位的确定:药效团 药物与受体的相互作用,称作药效学,是非常特异的过程(见第3章)。先导化合物结构 中只有一小部分与受体相互作用,药物分子与受体作用并呈现活性的功能基团,称作药效团 ( pharmacophore)。先导分子中的其他原子是不太重要的,称作助效团( auxophore)。当然, 一些原子对于维持分子的完整性和将药效团支撑在适宜的位置是很重要的,而一些多余的原子 可能会干扰药效团与受体的结合,这些原子应从先导结构中删掉。助效团的其他原子闲置在受 体空间,既不与之结合,也不干扰药效团原子与受体的结合。这些原子虽然没有害处,但重要 的是要知道是哪些原子,以便在改造先导化合物时,不至于失去活性。在后面我们会谈到,先 导物的改造还包括其他方面,这与增加靶标受体结合具有同等重要意义,例如药代动力学(吸 收、分布、代谢、排泄,ADME)。在解决药代动力学问题时,对先导化合物结构进行改造的 同时不影响其与受体的结合是非常重要的。 确定了先导物中哪些是药效团,哪些是助效团,哪些会干扰先导物与受体结合,哪些与结 合无关紧要,就会知道哪些基团必须去掉,哪些需要保留,哪些应予改造。先导物改造的方法 是切割掉先导结构中的一部分,测定结构的变换对活性强度的影响。举例如下,假定有三个先 导化合物:成瘾性镇痛药吗啡(2.21,R=R1=H, morphine)、可待因(2.21,R=CH3, R=H, codeine)和海洛因(2.21,R=R=COCH3, heroin)我们想知道哪些基团是药效 团,哪些是助效团