22先导化合物的修饰:药物设计与研发13 吗啡(R=R=H) 可待因(R=CH3R=H 海洛因(R=R=CoCH 吗啡类镇痛药结合于阿片受体,已知镇痛的药效团是221结构中的粗线部分。除掉粗 线中的某…基团会导致作用强度减弱,意味着一定是药效团;若去除某基团增强了作用表示该 基团是干扰与受体结合的助效团;若强度未发生变化,则是不于扰结合的助效团 首先剪切掉二氢呋环的氧原子,该原子不是药效团,似乎不是敏感部位,因为它连接了 环已烯和苯环,去除氧原子后改变了环己烯的构象,并增加了分子的自由度。去除了氧原子的 化合物称作吗啡喃2(2.22,R=H, morphinan),其含羟基的类似物为左啡诺(2.22,R= OH, levorphanol),镇痛活性强于吗啡3~4倍,但仍然有成癮性[2(2.22的环己烯构象与 2.21相比没有变化,但有一个低能构象占优势)。 左啡诺(R=OH 若有另外的构象变动可能会使分子接近其活性构象(活性构象是能与受体发生最有效结合 的构象)。将环己烯的半个环去除(也不是药效团),只剩两个甲基,得到苯并吗啡烷( benzo- morpha121,2.23,R=CH3),该化合物部分地分开了镇痛作用和成瘾性;盐酸喷他左辛t2 (2.23,R=CH2CH=C(CH3)2, pentazocine)的镇痛作用弱于吗啡(类似于可待因),但 成瘾依赖性低得多。我们的目的是增加镇痛强度,降低不良反应,如成瘾性。虽然喷他左辛的 作用不如吗啡强,但成瘾性低。切除稠和于环己烷的亚甲基(2.24),对动物的镇痛活性也没 有影响。 -CH 进一步剪切以去除原结构中的刚性部分,例如去掉所有的稠合环,得到哌替啶(2.25, meperidine),仍保留吗啡活性的10%~12%[261。虽然哌替啶的镇痛活性降低了,但比吗啡容 易合成得多。非环状类似物甚至也有活性,右丙氧芬(2.26, dextropropoxyphene)保留了侧 链,其构象类似于吗啡结构,其活性为可待因的1/2~2/3。吗啡和右丙氧芬都结合于阿片 受体,所以右丙氧芬的活性可认为是由于其构象与吗啡的药效团相关,但人们看了右丙氧芬的 最佳能量构象根本不会联系到吗啡的结构。通过切割先导物的片断,为人们的合成研究开拓了
14第2章药物的发现、设计与汗开发 新的前景,甚至可以合成完全新颖的结构骨架。另一个非环状类似物是美沙酮(2.27, neth done),镇痛作用强度与吗啡相同,(-)-异构体在体内消除比吗啡慢,使得机体逐渐遁应于 药物的低水平状态,用于治疗海洛因瘾君子的戒断综合征。 暱替啶 右丙氧芬 先导物的每一次剪切引起化合物的活性降低又怎样理解呢?其实,要么是每一次剪切去除 了药效团的一部分,要么是剪切引起构象的变化,结构与活性构象差别较大。对于像吗啡这样 的刚性结构,剪切更有可能造成刚性的变化。在这种情况下需要在先导物中加入基团以增添药 效团成分。例如C3去甲基巴因( oripavine)的衍生物埃托啡(2.28,R=(l3,R=(3H2 etorphine),分子中含有吗啡结构中没有的两个桥磯原子和取代基,其镇痛作用强于吗啡3200 倍271,作为兽药用于固定大动物。其相关的药物 buprenorphine(2.28,R环内甲,R= 叔丁基,双键被饱和)的镇痛作用强于吗啡10~20倍,依赖性很低。 埃托啡(R=CH,R=CH 然, oripavine衍生物中加入的刚性因素,增加了与受体的相互作用(见第3章)。 分子的活性和作用强度与药效团同受体分子中基团的相互作用有关(见第3章,3.2.2 节)。 Andrews等[2应用200个药物和酶的强效抑制剂的结合常数,计算了常见功能基的平均 结合能,这些能量值可用于确定新化合物与受体结合的情况。如果测定受试化合物的结合能低 于计算的平均值,提示分子中含有的基团未与受体结合(不是药效团),这些基团可以剪切掉 而不会降低作用强度,得到的结构简化的先导物作进一步优化。 Andrews分析用于多取代先 导物的分子操作,得到简化结构后进行改造,以提高化合物的活性21。如果受试化合物测定 的结合能大于计算的平均值,提示分子的结合模式与设想的不同,导致结合能增加,这说明改 变功能基是先导物优化的关键步骤 2.2.2功能基的变换 功能基变换的重要性可用229加以说明。抗菌药氨磺丁脲(2.29,R=NH, carb- aide具有降低血糖的副作用,但又不能用作抗糖尿病药物,因为它的抗菌作用会导致细菌 的耐药性增强(见第5章52节)。氨磺丁脲的氨基被甲基取代得到甲磺丁脲(2.,29,R= CH3, tolbutamide),这样,该降血糖药消除了抗菌作用。 CHCHCH CH 甲磺丁脲(R=CHy 有经验的药物化学家知道在一些情况下什么样的功能基会产生特定的物效应。氯噻嗪
22先导化合物的修饰:药物设计与研发15 (230, chlorothiazide是降压药,也有较强的利尿作用。并且已知磺胺药物的磺酰氨侧具有利尿作 (增加尿的排泄,见22.3节),因此,制备了没有利尿作用的降压药二氮嗪(2.31, diazoxide) 显然,化合物的分子结构与其活性之间存在着关系,这种现象大约早在135年前就知道了 2.2.3结构-活性关系 1868( rum - Brown和 Fraser推测箭毒碱( (curare)的季铵结构与其松弛肌肉的性质相 关·箭毒碱是很强的毒药,自16世纪起就涂在箭头上用于狩猎。箭毒碱阻止兴奋性神经递 质乙酰胆碱与骨骼肌受体的结合,而且许多简单的季铵盐和季铵型生物碱具有阻断动物神经肌 肉作用。通过这些研究得出结论:分子的生理学作用是其化学组成的函数。稍后 Richardson 指出,脂肪醇的催眠作用是其相对分子质量的函数31。这些研究成果为以后的结构活性关系 构效关系)研究打下了基础。 药物可分为结构特异性和结构非特异性药物。大多数药物是结构特异性的,作用于特异的 位点,例如作用于受体或酶。它们的活性和强度对于化学结构的微小变化非常敏感,具有相似 生物活性的分子,含有共同的结构特征。结构非特异性药物没有特定的作用位点,并且通常具 有较低的作用强度,不同结构的分子可能有相似的生物活性。结构非特异性药物的实例有气体 麻醉药,镇静和催眠药以及许多消毒防腐药 即使分予中的一部分结构与活性相关,对其化学结构仍可作大幅度的变换。研究构效关 系,要尽可能多地合成先导物的类似物,测定它们的活性,确定结构对活性(或强度)的影 响。当制备出足够数量的类似物并积累了充足的数据后,可以得出构效关系的结论。遗憾的 是,选择的类似物不是根据令人心服的原理,而是合成方法是否容易 磺胺类抗菌药物的研发就是这个方法的良好范例。当制备了先导物氨苯磺胺(2.1,R= H)的一系列类似物后,临床试验证明该通式结构具有利尿、降血糖以及抗菌活性。后来发现 具有上述每种活性的化合物具有共同的结构特征,根据一万多个化合物的生物活性的结果,得 到些构效关系的普遍规则32。抗菌剂的结构为2.32(R=SO2NHR1或SO3H 在式2.32中,①氨基和磺酰基应处于苯环的对位;②苯胺的氨基可以是未被取代的(如 式中所示)或是在体内可被除去的取代基;⑧苯环用其他环替代或苯环上引人其他基团,都会 降低或失去活性;④R可以是下列的任一片断,但在多数情况下活性都降低;⑤N-单取代 R=S(:NHIR)化合物的活性增高,用芳杂环取代可提高作用强度;⑥N-双取代(R= SNR)化合物没有活性。 抗糖尿病药物的结构为23,式中X可为O、S或N,并可参入到芳杂环结构中,如噻唑或 嘧啶环或者是非环结构如脲或硫脲基,若是脲基时,N2至少应含有两个碳原子链的取代基(3] o -, SO--NE ,CN马2,CNHR或 SONIC
16第2章药物的发现、设计与开发 磺胺类利尿剂有两类通式:氢氯噻嗪(2.34)和2.35类型31,前者化合物中的环含有 1,3-二磺酰氨基,R2为负电性基团,如Cl,CF3或NHR 235类型的化合物含有1破酰氨基3羧基,取代基R2是C、P、PZ,Z可以是O)、S、 CO或NH,X可以在2位或3位,通常为NHR、OR或SR31 RNHSO1 2.35 抗癌天然产物紫杉醇(2.36, paclitaxel)的构效关系是最近的一个实例,该化合物是通 过促进微管蛋白聚集成微管、阻断有丝分裂作用机理的第一个抗癌药物31。经过大量的结构 变换3],得出许多构效关系(实际是结构疗效关系)的结论(图2.2)。削述结构变化的普遍 方法是用分子活性图,即在先导化合物的结构图上注释特定的结构变换对生物试验测定的活性 或疗效的影响 紫杉醇 j除去乙酰基或 漆短多药耐活性可以 苯基或相 A 去除乙酸酯降低活性 此基似物可提 许离2-羟基或其可春除1 高活性 解的郎是必需的在 酰氡基是必需的:某些取代 的苯甲酰括和其他酰轼可 提高活性 图22紫杉醇的构效关系 对于大的先导物分子进行广泛的结构改造,可以通过这种分子活性图简明地总结大量的结 构与活性或疗效之间的关系,其结果可包括活性的丧失,未预料的毒性或疗效的较大改变等 这些图可清晰地展示众多参与药物研发的化学家(以及参与筛选的生物学家)长时间工作的结 果,其优点是避免同行们再合成已经合成并测定了的类似物,指导化学家对先导物的未探索的 结构区域进行研究,作新的结构变换。 上述的实例提供了有力的证据说明构效关系的存在,但是,每个化合物只与一个受体结合 吗?一个先导物只有一种活性吗 2.2.4优势结构和类药分子 Evans等首先提出了优势结构( privileged structure)一词,系指能与多种受体靶标结合
22先导化合物的修饰:药物设计与研发17 的某些分子骨架,因而这些结构骨架经适当的结构变换,可呈现多种生物活性3。默克公司 以苯并二氮草(2.37)为例证实了这一现象,而 Ariens等在以前就提及到这种现象,只不过 没有称其为优势结构。现已知有多种优势结构0 -NUCOR 在全部药物中,半数药物的结构可以只用32种骨架概括,这说明许多药物的分子特征具 有明显的共性1;同样,少量的结构片断包括了药物的大部分侧链2]。每个分子中含有的侧 链数平均为四个,如果不算含有羰基的侧链,则药物中含有的侧链的73%是前20个最常见的 侧链。根据优势结构和共同骨架结构的概念,Ajay等认为,类药性可能是一些分子的固有性 质41,这种性质可用来确定哪些分子应作为筛选对象。他们在计算时采用一维和二维参数预 测了 Comprehensive Medicinal Chemistry(CMC)数据库的类药性,正确率达到90%以 上。另一种区分类药和非类药分子的算法是用评分的方法[451,对 Available Chemicals d rectory(ACD)库分类的正确率达83%461, World Drug Index(WDI)库的正确率为 77%411。还有其他一些方法用来鉴别类药分子[4 在筛选出的活性化合物中也会有许多非类药性分子,但经证实这些化合物是假阳性(筛选 中呈现活性的非活性化合物)。这类化合物似乎与多种受体发生相互作用,称作杂乱的结合剂 (若对许多种受体产生拮抗作用,称作杂乱的拮抗剂;若抑制多种酶系,称作杂乱的抑制剂) 然而,因为它们作用的位点与天然配体或底物不同,很少呈现构效关系,并且对特定的受体或 酶缺乏选择性,所以是非类药性分子。因此,追踪这些化合物的活性只会浪费许多时间,最终 发现它们是无效的。 Shoichet等指出,这些化合物实际上大多是分子的聚集体,正是这些聚集 体产生了假阳性结果4。如果改变筛选条件将聚集体解聚,单个分子就无活性了。 2.2.5结构变换以增加活性强度和治疗指数 为了优化先导化合物如何进行分子修饰呢?在上一节已经阐明,结构变换是提高活性和效 应的关键所在。经过多年的构效关系研究,发展了多种标准的分子变换方法,以便系统地改善 治疗指数(又称治疗比)。治疗指数是药物安全性的量度,是药物产生不希望的效应所需的浓 度与产生所希望效应的浓度的比值,治疗指数可由测定不希望的效应和希望的效应的方法确 定,但通常是用动物模型(最好是人体)的剂量限制毒性与期望的药理效应的比值来表征。例 如,可用IDa(引起50%受试动物死亡的剂量)与治疗的ED0(50%受试动物产生最大治疗 效果的有效剂量)之比值。LDo也可用毒性ED0(50%受试动物产生毒性的剂量)代替。治 疗指数越大化合物的安全范围越宽。也就是说,人们希望服用以g计的药物而不会产生任何不 良反应,但达到所希望的疗效只需要mg级的药物。药物获取批准时,对治疗指数必须要达到 的最低值,是没有规定的,因为治疗指数取决于被治疗的疾病和是否已经有了其他的治疗手 段。对于治疗致死性疾病的药物允许有较低的治疗指数(例如肿瘤和艾滋病药物甚至可低到 1~5),尤其是如果没有其他的治疗手段或者与治疗效果相比副作用占次要地位时。但对于生 命无威胁性的疾病,治疗指数以10~100为宜。抗肿瘤药物苯丁酸氮芥(2.38, chlorambucil) 的治疗指数为23501。 Merck index列出了许多药物对动物的LDs值