药物设计的原理及方法

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1、 药物设计的原理及方法陈立江 Contents拼合原理局部修饰生物电子等排药物的潜伏化（前药原理）软药 本章目的 在于介绍如何通过化学操作和生物学评价，发现决定药理作用的药效团、药效片段或基本结构，最终得到高效、低副作用、具有特异性并且易服用、化学稳定、方便易得的目标物。 第一节 药物设计的基本原则清楚先导化合物的性质明确优化目的，确定优化目标 制定具体路线优化前的准备工作 2、优化的准则（1）准确利用最小修饰原则 （2）灵活运用与先导物相关的生物化学知识 （3）结果参数的应用与取代基的选择 （4）从经济和快速角度考虑 另外，对于光学异构体的药物（包括外消旋体和单一对映体），一般只有在进行了药

2、理、毒理和临床研究后才能决定那一种更好，Soudijin认为如果分子中既不存在不对称中心或不对称面，又有类似亲和力的药物，将会大幅度地减少研究工作量，就是说如果能够去掉手性中心又保持活性将是最佳设计。实际上，非对称性并不是活性绝对必需的 。 第二节 拼合原理v拼合原理的定义 所谓的拼合原理是将两种药物的药效结构单元拼合在一个分子中，或将两者的药效基团通过共价键兼容于一个分子中，使形成的药物或兼具两者的性质，强化药理作用，减少各自相应的毒副作用，或是两者取长补短，发挥各自的药理活性，协同完成治疗作用。因为多数情况下是将两个药物结合在一起，所以有时将其称为孪药（Twin Drug）。 拼合操作（1

3、）连接方式 D1 D2 D1 D1 D1D2 D2 D2Cn NCH3O O O OOH OOHO OH O HN CH3O O 链接基模式 无连接基模式 重叠模式类山梗酮碱（Lobelanine） 双香豆素（Dicumarol） 醋氨沙罗(Acetaminosalol） （2）相同孪药与双效作用药物 v 两个相连接的分子可以相同（相同孪药，D1=D2，Identical Twin Drug，如Lobelanine），也可以不相同（相相异孪药，Nonidentical Twin Drug 或Dual-Acting Drug，又称双效作用药物 。v 同生型有时又称为分子重复（Molecular

4、Replication），即两个或多个相同的分子或片段经共价键结合形成的分子 。 v同生型的连接方式包括头-头（Head-Head）(如双阿司匹林，Diaspirin)；尾-尾（Tail-Tail）(如鹰爪豆碱，Sparteine)；头-尾（Head-Tail）(如3-8-双-4,5,7-三羟基黄酮，Amentoflavone)等三种 tail head head tailHO O OHOO OO O tailhead headtail tail head headtailO O OH OO OH HOHO O OHO OH OHO OHO双阿司匹林(Diaspirin) 鹰爪豆碱(Spart

5、eine) 3-8-双-4,5,7-三羟基黄酮 头对头 尾对尾 (Amentoflavone) 头尾相连对称连接 不对称连接 第一种策略将两个不同的药效结构单元结合在一起形成第二种策略将具有两种药理作用的化合物作为先导化合物，再对其进行结构优化，最终得到本质上的双效药物双效作用药物是利用共生型设计法（Symbiotic Approach）设计的，该法有两种基本策略。 SCl S NH HN O NHOHO OH2N OO NCl N CH3O PAFH1 3、类型v利用拼合法可得到两种化合物，其中一类一般在体外无生物活性，进入体内后，经相关酶的酶促作用后分解成原来的两种药物，分别发挥相应的药理

6、作用（相当于前药），从而改善药学和药物动力学性质；第二种是在体内不分解，以整个分子起作用，进行多靶点调节，即多靶点配体药物（Multi-Target Ligand Drug）。其设计思路是通过综合分析，设计出能够选择系地同时作用于同一种疾病的多个不同靶点的药物。 v通过对疾病机理的研究发现，疾病的产生可能与多个靶点（受体、酶等）有关，根据各个靶点和相应的内源性配基的空间结构和性质，设计出可选择性地作用于多个靶点，又具有药理活性的先导化合物，这种基于结构和作用机制的药物设计方法得到的化合物往往活性强，作用专一，副作用较少。v利用拼合原理还可以设计出能够与两个不同受体作用、或与一个受体的两个不同结

7、合位点作用、或与两个不同的酶作用以及于一个酶和一个受体同时作用等的多靶点配体药物（有时称为双效药物，Dual-Acting Drug）。 拼接原理的应用实例v贝诺酯的设计实例阿司匹林和对乙酰氨基酚（扑热息痛）的拼合。阿司匹林和对乙酰氨基酚（扑热息痛）都是解热止痛药，阿司匹林分子中的羧基对胃黏膜有刺激性，长期服用易引起溃疡。由于酚羟基的作用，长期服用对乙酰氨基酚，易导致肾脏毒性。将前者的羧基与后者的酚羟基作用成酯，口服对胃无刺激，在体内经酯酶分解后，又重新分解为原来的药物，共同发挥解热镇痛作用，用药剂量小，毒副作用大大降低。该物已用于临床即贝诺酯( Benorilate)。1、早期的设计实例 N

8、HH3C O O CH3O O O扑热息痛 阿司匹林贝诺酯（Benorilate） HN N SO ONH2 CH3CH3OO O O N SH3C CH3OO v舒它西林(Sultamicilin)的设计 氨苄西林(Ampicilin)是半合成-内酰胺类广谱抗生素。由于其耐酸可用于口服而广泛用于临床。但研究发现，金黄色葡萄球菌等产生的青霉素酶或-内酰胺碱，能催化氨苄西林的-内酰胺环开裂而丧失抗菌活性。舒巴坦(青霉烷砜，Sulbatactam)是-内酰胺酶抑制剂，对革兰阳性菌或阴性菌均有作用，将二者通过次甲基拼合成双酯，由于舒巴坦分子中的砜基的氧原子与碳6原子上的-构型的氢形成氢键，增加了-内

9、酰胺环上羰基碳原子的正电性，与-酶的负电中心结合力提高，导致-内酰胺酶失活，从而保证了氨苄西林抗菌活性的发挥。同时拼合产物的口服吸收好，生物利用度相对较高。 2、作用于受体的拼合药物（1）相同分子的拼合 与单体相比，相同结构单元拼合而成的药物，可能会提高对受体的亲和性和选择性。 v钙离子通道拮抗剂硝苯地平(Nifedipine，IC50 =0.2nmolL-1)的二聚体BDHP的活性比单体增加了近10倍。 NO2 NHH3C CH3OH3C OO O O2N HN CH3H3C O CH3O OOBDHP v(2)同时抑制两个受体 双效作用药可作用于两种不同的靶点，这些靶点可以是两种不同的受体

10、（同族或不同族的变体亚型）、两种不同的酶或者一种受体一种酶。两种不同生理效用的联合，目的是为了在治疗过程中获得协同作用。 v血栓素A2(TxA2)受体拮抗剂具有潜在的抗哮喘作用，组胺H1受体拮抗剂具有抗过敏作用。同时抑制两个受体(TxA2受体K=0.7nmolL-1，H1受体K=20nmolL-1)可具有更好的抗哮喘作用(如KF 15766)。 HO NO2 HNOH CH3O NH N O O OH NO拉贝洛尔(Labetalol) -咔啉衍生物 KF 15766 3、作用于酶的拼合药物v(1)相同分子的拼合 当酶具有对称的同型二聚体或四聚体时，其活性部位也具有高度的对称性，此时，对称性抑

11、制剂可以与酶的对称性部位结合。v例如HIV逆转录酶(HIV RT)和蛋白酶(HIV PR)对于感染病毒微粒的产生和成熟是必需的，对二者进行抑制可减少患者血液中的病毒数，经过结构测定得知HIV RT和HIV PR分别以异型和同型二聚体的形式存在。HIV PR的对称特征被用来设计新的抗HIV药物，主要有两种类型被发现：拟对称化合物如A74704和L700417及对称性化合物如二醇类和环脲衍生物 。 O NH HNO OH3C CH3 ONH OO CH3H3CHO HO NH HNOO OHOHO OHOA74704 二醇衍生物 v(2)同时抑制两个酶的拼合物 每一种酶都有相应的亚系列，每种类型的

12、酶又具有多个同工酶，因此研究单一分子对不同的酶均具有抑制作用在理论上和治疗上都有意义。然而只有在两种不同的同工酶、同一酶系列中的两种不同的酶以及抑制剂药效基团相似的两种酶之间才可能通过拼合进行抑制。v例如中性肽内切酶(NEP)可使内源性阿片肽、脑啡肽失活。如果同时对NEP和ACE进行抑制，就有可能同时对充血性心功能不全和高血压症产生作用，化合物Benzazepinone就是一种有效的NEP/ACE双效抑制剂。 (3)同时对受体和酶具有作用的拼合物 同时作用于一种受体和一种酶的化合物可能会产生有效的协同作用。如化合物Ferbogrel同时对于TxA2受体和TxA2合成酶具有抑制作用，既可抑制催化

13、生成TxA2的酶系，又对已经生成的TxA2激活受体的作用加以阻断，具有较好的抗哮喘作用。 Cl S HN OHOO O OHN O Cl S HNO O OHN O OHN ONHNHH3CH3C CH3 N CN Daltroban(TXA2 ) Isbogrel(TXA2 Samixogrel Ferbogrel 同时对TXA2受体和TXA2合成酶具有抑制作用的化合物的设计与优化 4、作用于核酸的拼合药物vDNA是许多抗肿瘤药物的作用靶点，一般通过共价结合和非键结合而产生作用。共价结合包括与亲核（或亲电）试剂作用，DNA的烷基化、DNA的链内交联、DNA的链间交联等。非键结合包括外部静电作

14、用、嵌插结合、沟区结合三种方式。 v如针对DNA 的小沟区的结构，采用柔性或刚性连接的方式，将孪药的两部分连接起来，以发挥更大的效果 。 NHHN NHNHn NHHNNHH2N NH HN NH O O 柔性连接 刚性连接作用于DNA的吖啶类双嵌插剂 5、其他 除上述以外，还有一些不是作用于某一靶点，但却有一定药理作用的拼合化合物，如洗必泰(Chlorohexidine)的毒副作用远小于单体，而双喹啉类的哌喹(Piperaquine)对于抗氯喹性的疟疾具有疗效高和作用时间持久等优点。 Cl NH NH NHNH NH ClHNHNHN NHNH洗必泰(Chlorohexidine) N Cl

15、 N N N N N Cl 哌喹(Piperaquine) 利用拼合原理进行药物设计时仍然存在一些问题，主要包括以下几点。v相对于单活性化合物而言，拼合设计困难很大，成功率较低。v药物经拼合后结构改变，不再被受体所识别和结合，导致生成无活性的产物，有时甚至会导致完全相反的结果。v两者的拼合有可能产生无法预知的毒副作用，导致研究的失败。v拼合的两部分的活性强度的匹配程度，特别是对两个受体分别呈激动或拮抗作用的拼合物难以在作用强度上达到真正的适配。二者在剂量上的适配性（如IC50的差别）以及药物动力学（如代谢速率、转运方式、生物利用度等）的要求难以达到完全地相等。 第三节局部修饰v局部修饰(loc

16、al Manipulation，或局部变换)是先导化合物结构改造使用最多的方法之一。修饰的方法很多，包括与空间位置相关的分子的改变，具有空间障碍的大体积基团的除去或改变、基团位置或方向的改变等，与分子物理化学性质相关的柔性刚性的互换、饱和碳原子数的改变、链状化合物的闭环以及环的开裂，双键或不对称中心的引入，功能基的引入或去掉、分子的电荷分布或状态的改变等。 一、同系物变换v同系物变换(Homolog Alteration)是药物分子设计中应用最早和最广泛的方法，由于操作简便易行，已成为最常见的优化方法。先导物中烷基链的延长或缩短，得到相应的同系物，烷基链的变化会影响化合物的疏水性和立体性（空间

17、位阻和构象的改变），在杂原子或芳香环上引入烷基对生物活性的影响更大，这是由于氧键的形成、位阻的增加、电性的改变、构象以及代谢方式的改变，使药效学和药物动力学明显改变。 v不同的先导物碳链的改变对活性的影响不同，无固定的规则。基本上可以分为下述几种不同的情况。v抛物线形增长。随着取代基碳链的增加活性增加，如神经氨酸苷酶抑制剂的活性随着取代基碳链的增长活性增加，到一定程度后，活性反而下降，活性随碳原子增加呈抛物线形。 OHOR NHH3COC NH2 OR H Me Et n-Pr n-BuIC 50/nmolL-1 6300 3700 2000 180 300R CH3CHMe2 CH(CH3)

18、CH2CH3 CH(Et)2 CH(Pr)2IC50/nmolL-1 200 10 1 16RIC50/nmolL -1 22 60 630神经氨酸苷酶抑制剂的抑制作用 v饱和现象。有时随着取代基碳链的增加，活性不规则的增加，在一定条件下达到“饱和”状态，活性不再随碳原子变化而变化。 v交替变化。有时取代基为奇数和偶数碳原子时对活性有交替的影响，如羟基苯乙酮衍生物对白三烯4的拮抗作用随碳链的增加在n为奇数时活性增加，n为偶数时活性降低，喹啉衍生物的抗疟作用也有类似的规律性。 OHH3C CH3O NH NNNCH3CH3 O n n 3 4 5 6 7碳原子为奇数（5、7、9）时活性高于碳原子

19、为偶数（6、8、10）时抑制率/% 28 17 56 13 49羟基苯乙酮衍生物对白三烯4的拮抗作用 v活性逆转。有时低数碳链和高数碳链的作用模式正好相反（活性反转），如肾上腺素衍生物，若N-烷基取代基为H或低碳烷基取代时具有升压作用，而若为高碳数烷基取代时具有降压作用，且随碳数的增加活性增高 。 HOHO NH ROHR H CH3 C2H5 n-C3H7 CH(CH3)3 n-C4H9 CH2CH2(CH3)2 升压+ + + - - - -降压- - + + + + +肾上腺素N-烷基取代对血压的影响 二、环结构的改变v先导物含有环系时，可以用多种方法对其结构进行修饰，常用的方法包括不影

20、响原化合物环体系部分整体复杂性的条件下的类似物转换法(Analogical Approach)即链环之间的转换，环的扩大与缩小等环转换修饰；对原化合物进行初步的结构简化，最后确定产生生理活性所必需的最小结构单元的分裂变换法(Disjunctive Approach)以及用形成或引入新环的方法、固定原化合物结构的连续变换法(Conjunctive Approach)等。 1、开环法得到环状化合物的类似物 v将环打开可得到相应的开环衍生物，只有在两种情况时可能保持活性：药物在体内代谢酶作用下氧化或脱水成环而显效，开环物可看作原药的前药；开环物在体内具有与环状化合物类似的构象（拟环状化合物）。 v1

21、942年磺胺噻唑衍生物（异丙磺胺噻唑）在用于伤寒的治疗中发现导致血糖的致命降低的副作用，以其为先导物用于糖尿病治疗药物的设计，后来对噻唑环进行开环修饰（变为硫脲），继之用氧化替硫得到氨磺丁脲(Carbutamide)及甲磺丁脲（Tolbutamide），并相继研出12000多种磺酰脲衍生物，有20多种用于临床。它们的作用是促进胰腺的胰岛素释放机制，为临床提供了一大类控制糖尿病安全有效的口服药物。 H2N S NH SHN CH3CH3OO H2N S NHOO NH CH3O H3C S NHOO NH CH3O 异丙磺胺噻唑 氨磺丁脲(Carbutamide) 甲磺丁脲（Tolbutamid

22、e） 2、通过成环得到新的衍生物v开链结构的环合或者在原化合物中引入新的环系也是一种重要的修饰方法，成环后减少并限制了分子的构象，可用其推断药物的活性构象，但是也可能带来立体异构现象，如从诺氟沙星(Norfloxacin)到氧氟沙星(Ofloxacin)，活性大大增加。 v由于分子的柔性，可能会产生多种药理活性，成环后分子的多样性减少，作用特异性增加，副作用相对减少。中枢神经递质-氨基丁酸(GABA)是介导抑制中枢神经系统的重要内源性物质，分子中含有4个可旋转的键，可产生多种构象，对其进行构象限制，包括成环，同定了柔性分子的活性构象，可得到强效GABA激动剂(如THIP) HO NH2O HO

23、 NH2O NHHO O NHONHOGABA trans-4-氨基巴豆酸 异去甲槟榔次碱（Isoguvacine） THIP v与同系物修饰不同的是，改变环结构，如链环之间的转换、环的扩大或缩小、环体系的重新组合等，既可以考察药物受体作用，也可能得到具有新的药理作用的先导化合物。 三、不饱和基团的引入v生物活性分子中引入多重键可改变分子的电性、立体化学性质、分子构型和构象等，从而影响药物的生物活性、代谢以及毒性。与相应的饱和化合物相比，多重键具有拉电子效应，有时键也可输送电子，因而导致化合物的化学环境发生改变。v引入多重键的具体做法是：在饱和链上引入双键，形成插烯物(Vinylogues)。

24、插烯法则不但可以应用于饱和化合物，也可用于不饱和体系和芳香体系，如插入乙炔基、亚氨基、苯基、芳杂环基等。 v实际上除了较为稳定的GABA氨基转氨酶抑制剂氨己烯酸(Vigabatrin)、奎宁(Quinine)、17-乙烯基睾丸酮（17- Vinyltestosterone）等以外，乙烯基在药物化学中并不常用。 H2N OHCH2 O CH3N CH3CH2OH OH CH2O CH3 CH3氨己烯酸(Vigabatrin) 奎宁(Quinine) 17-乙烯基睾丸酮（17- Vinyltestosterone） v插烯物经常被用到，如乙酰胆碱(Acetycholine，ACh)的插乙烯物可将烟

25、碱样作用和毒蕈碱样作用分开。 H3C O N CH3CH3CH3O O N CH3CH3CH3H3C O ACh ACh插烯物 v 利用环丙基代替乙烯基，除了可以避免乙烯基的不稳定性，还可以固定立体构象，因此也经常被使用。v 不饱和基团的插入虽然对电荷分布影响较小，但分子长度和立体性质发生改变，易发生代谢降解，有可能增加毒副作用，因此在引用时应该特别注意。 四、具有空阻效应基团的引入v体积较大的基团的引入会导致分子与酶或受体的相互作用受阻，造成生物活性的改变。如青霉素，头孢类分子中引人大体积基团，阻断-内酰胺酶对-内酰胺环的进攻而得到耐-内酰胺酶、抗菌作用强的新抗生素。 v 向内源性活性物质分

26、子中引人大体积基团，使分子和受体作用变化，甚至由激动剂变为拮抗剂。如用异丙基取代-肾上腺素受体激动剂去甲肾上腺素(Noradrenalin)的N上的氢原子，得到的异丙肾上腺素为-肾上腺素受体激动剂，再将其3,4-二羟基苯基团用萘环取代并稍加修改后得到的普萘洛尔为-肾上腺拮抗剂 。 HOHO NH2OH HOHO HNOH CH3CH3 O NH CH3CH3OH去甲肾上腺素(Noradrenalin) -受体激动剂 异丙肾上腺素-受体激动剂 普萘洛尔- 拮抗剂H 3C O N CH3CH3CH3O O O N CH3CH3CH3H3CH3CO Br乙酰胆碱 普鲁本辛大基团引入到内源性活性物质，

27、是激动剂变为拮抗剂 五、基团电性的改变v当分子上的取代基发生改变时，常常伴随着电荷在分子内的再分配，基团产生的作用主要是诱导效应(Inductive Effect)和共轭效应(Conjugative Effect)，无论哪种情况，都将引起分子整体电性的改变，并导致分子物理化学性质的变化，从而影响化合物的生物活性。 表4-2 可作为电子接受体和电子供体的取代基团电子接受体电子供体-NH2、-NR2、-NO2、CN、COOH、COOR、CHO、COR、F、Cl、Br、OH、OR、SH、SR、CH=CH 2、CR=CR2、炔基-CH3、CH2R、CHR2、CR3、COO- v将可产生共轭效应的基团(

28、表4-3)引入到分子中也能够引起电子云密度的再分配，从而影响化合物的生物活性。值得注意的是有时同一基团既具有诱导效应，也存在共轭效应，二者的作用可能是协同作用，也可能正好相反。 表4-3 具有共轭效应的取代基团增加共轭体系电子云密度的基团降低共轭体系电子云密度的基团同时具有正诱导效应的包括：-O-、-S-、-CH3-、-CR3同时具有负诱导效应的包括：-F、Cl、Br、I、-OH、-OR、-OCOR、-SH、-SR、-NH 2、-NR2、-NHCOR同时具有负诱导效应的包括：-NO2、CN、CHO、COR、COOH、COOR、-CONH2、SO2R、CF3 第四节生物电子等排原理v1、电子等排

29、体的基本概念 凡是具有相似的物理和化学特征，并能产生广泛相似生物活性的基团或分子均可称为“生物等电子体”(Thorber定义)。生物电子等排不单单是具有相同总数的外层电子，还在分子大小、形状（键角、杂化度）、构象、电子分布（极化度，诱导效应、共轭效应、电荷、偶极矩等）、脂水分配系数、pK、化学反应性（代谢相似性）、氢键形成能力等方面存在相似性。生物电子等排不要求全部参数都相似，仅要求某些重要参数相近，并与生物活性存在相关性即可。一、生物电子等排的基础 v(1)结构参数 如果只对母体药物分子的一部分进行生物等排性变换，而其他官能团仍保持特定的几何构型时，结构参数所起的作用将是最重要的。 2、生物

30、电子等排性修饰结果的分析 v如三环系精神病药物中抗抑郁药(Antidepressant)如丙米嗪(Imipramine)和马普替林(Maprotiline)的两个苯环形成的二面角在5565之间，如其中二苯并氮杂卓类(Dibenzazepine)为65，而二苯并环庚二烯类(Dibenzocycloheptadiene)为55；精神抑制剂(Neuroieptics)的二面角为25左右，包括酚噻嗪类（Phenothiazines，如氯丙嗪，Chlorpromazine）和噻吨类(Thioxanthenes，如氯普噻吨，Chlorprothixene) N N CH3CH 3 N CH3CH3 NS

31、N CH3CH 3 Cl S N CH3CH 3 Cl 丙米嗪(Imipramine) 马普替林(Maprotiline) 氯丙嗪(Chlorpromazine） 氯普噻吨(Chlorprothixene)抗抑郁剂两个苯环的二面角在5565（前两个化合物），而精神抑制剂的二面角为25（后两个） v（2）电子参数 电子参数决定配体受体或者配体与酶之间相互作用的性质与质量相关的参数包括诱导效应或中介效应、共轭效应、极化度、pKa、氢键的形成能力等。v（3）溶解性参数 当参与生物等排性变换的基团对于活性分子的吸收、分布或排泄等发挥作用时，亲水性-亲脂性参数就变得非常重要，如活性分子中的-CF3被-C

32、N取代，虽然二者的电性相同，但是含-CN的分子具有明显的亲水性。 3、生物电子等排的类型v(1)按生物电子等排定义分类 v经典生物电子等排体。基团的形状、大小、外层电子构型大致相同，组成基团的原子数、价键、不饱和程度以及芳香性等方面极其相似。v非经典生物电子等排体。基团的原子数可以不同，也不一定遵循经典的生物电子等排体的主体和典型的规则，形状和大小变化亦较大，但是保留了原基团pKa、值静电势能、最高占据分子轨道(HOMO)和最低空轨道(LUMO)等性能，因而仍显示相应的生物活性。 v(2)按电性和立体结构分类 按照分子的电性和立体结构的相似性，可将生物电子等排体分为等疏水性等排体、等电性等排体

33、、等立体性等排体、等构象性电子等排体等。 生物电子等排体的分类类型性质等疏水性等排体等电性等排体等立体性等排体等电性-疏水性-等立体性等构象性电子等排体具有相近脂水分配系数（p的生物电子等排悻具有相近电性效应参数者具有相近立体效应参数者具有诸种性质相似者构象与生物活性之间存在重 要相关关系，具有相近构象的电于等排体或基本结构 (3)按照化学基团分类 二、“Me-Too”药物v药物既然作用于酶或受体，则结构类似的药物尤其带有相仿药效构象的化合物，理论上可与同一酶或受体作用，而产生类似的药效。基于这一点，每一个新颖结构药物问世以后，其他人便将其结构作局部改变，探索类似作用药物，这是一种既省钱省时，

34、又不受专利权限制的快速跟进( Fast-Follower)策略，已成为开发新药的好途径之一。 v为区别于完全照抄别人化学结构的“仿制”，故称为“模仿”即“Me Too”药物。v “Me Too”的做法也是一种二次开发，每当国际上出现一个突破性新类型药物，必然带来一种新的化学结构、作用机制和筛选模型，在仿制这类新药的同时，对原形化学结构在专利保护范围以外加以改造，合成类似化合物进行筛选，以得到疗效更好、毒副作用更小的新药，这就是“Me-Too”一个投资少、见效快的研究方案。 第五节 前药原理 1、前药的定义 所谓前药是一类体外活性较小或无活性，在体内经酶或非酶作用，释放出生物活性物质而发挥药理作

35、用的化合物。 前药的定义包含了偶然发现的前药（如磺胺类的前药等）、活性代谢物（阿米嗪等）和为改进活性化合物药物动力学特征而特别设计的化合物。 2、生物前体与载体前药 前药既包括过去偶然发现的前药，如偶氮染料百浪多息经体内代谢转化为磺胺，又包括将本来具有生物活性的分子经结构修饰而成的前药。二者起始分子的特征不同，为区别起见，有人将未经结构修饰的原始分子经过生物转化后才显示药理作用的化合物称为生物前体( Bioprecursor)；将本来具有生物活性的分子，经结构修饰而成的连有载体基团的前药称为载体前药（Carrier-Lanked Prodrug，Prodrug）。 前药与生物前体的区别特点前药

36、生物前体 组成原药+基团、片段或载体原药结构改变，无载体基团 亲脂性变化较大变化较小活化反应水解氧化、还原或其他反应催化作用化学作用或酶解只有酶催化 3、前药设计的目的 v前药设计的目的是改善药物在体内的吸收、分布、转运与代谢等药物动力学过程，提高生物利用度，提高药物对靶部位作用的选择性，降低毒副作用，改善药物的不良气味等。 前体药物的应用范围 4、前药的作用模式 前药作用原理示意图 5、前药药物的释放方法 D T Cn C1 C2 链接基 D T D T D T CnD T CnD T D C . Cn链接基D C链接基前药的活化过程 v(1)被动水解释放v(2)利用载体的分子内反应释放前药

37、v(3)酶促释放 6、前药设计的原则v 在原药最适宜功能基处键合载体分子，原药与暂时转运基团以共价键连接形成前药，后者可在体内断裂又形成原药；v 前药应当容易合成和纯化，最好是一步反应，载体易得价廉；v 前药应无活性或活性较低，同时前药及暂时转运基团应无毒性；v 应明确前药在体内的活化机理；v 在体内前药转化为原药的速度需是快速动力学过程，以保障原药在作用部位有足够的药物浓度，并尽可能降低原药的直接代谢。 7、前药的制备方法v在具体设计时，若原药的连接基团为羧酸、醇或酚时，最好形成酯；原药的功能基为胺时可形成酰胺、亚胺、磷酰胺或Mannich碱；为醛、酮时以形成半缩醛或者缩醛、半缩酮或者辅酮为

38、佳；也可在分子中引人偶氮基、糖酐基、肽键或醚键。 功能基及其连接基团功能基载体产物例证R-OH -COR ROCOR地匹福林-CONHR ROCONHRR-COOH R RCOOR阿西米辛R-NH2 COR RCOOR伊诺他宾RRNH R RRN-R呋氟尿嘧啶 (1)酯类前药（以酯键连接母药与载体） 一些含有羟基（醇或酚）、羧基、氨基的药物，体外活性较好但体内动力学特性较差，可以通过成酯的方法做成前药，以提高药物的膜通透性，促进药物吸收。 (2)酰胺类前药 羧酸基药物和胺作用得酰胺前药，胺类和磺胺类也可通过生成酰胺达到生成前药的目的 (3)胺类前药 氮杂环类药物和卤代烃作用可制得胺和季铵类前药

39、 (4)缩酮及亚胺类前药 含羰基的母体药物可以通过生成缩酮或者肟的方法生成前药。(5)双前药 经典的前药有时是无效的，Cain提出了多级潜伏概念(Cascade Latentiation)，即设计双前药（Doube Prodrug或Pro-Prodrug），即将在特异性部位裂解的前药，进一步潜伏化，改善其转运性能，制成在体内具有良好转运性能，能有效地到达作用靶点的药物，即前药的前药，活性化合物要经过两步以上的反应才能从前体药物中释放出来的药物。 双前药 酶解靶位 前药 酶解或非酶解特异性部位 母体药物 8、前药原理的应用 改善药物在体内的动力学特性，提高药物的生物利用度 。 (1)改善药物性质

40、，促进药物膜通透性 改善溶解性。 改善药物的膜通透性 (2)提高药物稳定性，克服首过效应口服给药的药物经过肝脏时，受多种酶的进攻，使药物分子发生变化，降低有效血药浓度，影响药效。(3)延长药物作用时间 对于易被机体迅速清除的药物，需要经常给予常规剂量，以维持适当的血药浓度，而频繁给药会导致明显的峰谷现象，持续释放药物就可避免这种现象。 降低药物的毒副作用(1)利用药物对酶作用的差异(2)利用肿瘤细胞的特性肿瘤组织细胞代谢旺盛，糖酵解代谢使大量的乳酸产生，使其pH比正常细胞相对较低。特定部位的药物输送 一个理想的药物进入机体后，应选择性地转运和浓集于作用靶点部位，而不在或较少在其他组织和器官中分

41、布和储存。提高药物作用的特异性分布是增加药效，降低毒副作用的重要方法之一。 改善药物质量，提高患者的可接受度 (1)消除不适宜的气味等 。(2)改变给药方式 靶向药物设计 靶向药物（又叫靶向给药系统，Targeted Drug Delivery System，TDDS）设计是通过优化药物传输过程，使药物按照预定目标到达某特定器官、组织或目标，增加药物在靶或作用部位的生物利用度，同时减少在其他部位的作用，以减少毒副作用，提高治疗效果的一种设计方法。 理论基础 v 受体与配基的结合具有高度的结构专一性，受体的结合部位能够专一性的识别相应配基并与之结合，这种局部结构的专一性匹配是受体介导靶向药物的理

42、论基础。v 利用对某些组织细胞具有特殊亲和力的分子作载体，与药物偶联后得到的靶向药物能够将药物定向输送到作用的靶器官部位，靶向药物可以认为是前体药物的一种特殊形式。 靶向药物设计注意事项 载体选择。a. 选用的载体最好对靶细胞具有特殊的亲和性和专一性；b. 有能与药物进行共价结合的合适的功能基；c. 要有生物相容性，无毒性、无免疫原性；d. 要具有生物降解能力和可利用性。药物-载体偶联物本身无药理作用，无毒性及抗原性。偶联物药物与载体间的化学键在血浆和细胞外液稳定、在转运过程中药物不被释放但必须对靶器官酶系统或pH等敏感，在靶细胞附近裂解，释放出药物。偶联物应能通过给药部位与靶细胞间的所有生物

43、屏障，并能被靶细胞上的膜受体所识别、结合、内吞并进入溶酶体。 靶向药物的类型 v按其作用的方式不同可以分为被动靶向药物如载体介导药物，主动靶向药物如受体介导前药、抗体复合物、抗体导向酶催化前药，基因导向酶催化前药、化学传递系统导向中枢神经系统的前药等 。 v常用的载体系统包括细胞、微球（Microsphere，MS）和毫微球（Nanosphere）、脂质体（Liposome，LS）、纳米粒(NP)或纳米囊(NC)、蛋白质、抗体（Antibody）、激素、 天然的或者合成的多聚体等。 抗体导向作用 在细胞表面存在一些在正常组织中没有表达的高度特异性的抗原决定簇，这些抗原的抗体可以特异性趋向抗原分

44、布，并与抗原特异性结合，因此既可以直接作为药物也可以与药物等形成相应的偶联物（抗体偶联物）。 v抗体可以直接与药物的功能基团或者与经过修饰的功能基团（表4-18）结合，生成抗体-药物偶联物。利用抗体特异性趋向于抗原的特性，将药物高浓度地输送到肿瘤表面，在肿瘤局部形成可以将杀灭肿瘤细胞所需要的药物浓度，抗体的肿瘤细胞与抗原结合后，进一步提供化学或酶催化水解出药物原形而发挥作用。 表 4-18 药物分子中与抗体结合的功能基功能基新功能基团功能基新功能基团 -OH -OCOCH2CH2COOH -NH2马来酰亚胺 -COOR -CONHNH2 -NH2 -COCH2I -COOH活性酯 -NH 2

45、-NHCOCH2CH2COOH -CH(OH)CH(OH)-醛 -COCH3 -COCH2Br -CH(OH)CH(NH2)-醛 抗体与药物主要以两种方式连接：第一种连接方式为不可逆连接，即药物和抗体之间以酰胺键直接相连，每个抗体上可连接48个药物分子，但是结合物活性较差，在体外与肿瘤细胞亲和力低，体内药物动力学活性不理想。另外一种连接方式为可逆连接，抗体通过可断裂连接链与药物连接，可断裂连接链包括可以在体内被酰胺酶水解的小分子多肽、对酸不稳定的小分子链如顺乌头酸（cis-Axoniteic）、腙等。 抗体导向酶催化前药v抗体导向酶催化前药治疗(Antibody-Directed Enzyme

46、 Prodrug Therapy, ADEPT)最早由Connors提出的，是一种包括了单克隆抗体、酶催化和前药的癌活性治疗方法。 v定义 ADEPT是利用抗体对癌细胞表面抗原的高度识别能力和结合能力，将抗肿瘤药物向肿瘤组织作选择性输送的一种分子设计技术。 (2)作用过程 ADEPT分为两步：注射单克隆抗体一酶偶联物，单抗对肿瘤表面抗原的特异性分子识别和结合，将酶定向浓集或带到肿瘤表面；给以含酶底物结构的前药，前药在体内被酶特异性识别，在肿瘤细胞表面对前药发生特异的催化作用，释放出的原药浓集于癌组织处，杀伤癌细胞 。该法利用了抗原一抗体、酶一底物的双重特异性，提高了治疗指数。 (3) ADEP

47、T的设计原则v 单克隆抗体的选择。选择的抗体应对肿瘤细胞具有高识别和高结合能力，以保障高选择性。为便于体内转运和有利于进入到肿瘤细胞内部，宜采用分子量较小的蛋白质。酶的选择。所选的酶应具有专一性，最好是在体内较少并能专一性地催化母体药物与载体间键的裂解。抗体一酶的偶联。抗体与酶可通过共价键或蛋白融合技术偶联，形成的偶联物应化学稳定，并保持双方的活性。 (3) ADEPT的设计原则 前药设计。药物分子与酶的底物之间以共价键相连，生成物具有前药的一般性质，在生理条件下稳定，在靶位置，原药与载体之间的键或连接的功能基能够被酶分子识别和代谢，释放出原药。活性评价。进行细胞毒性测定、酶促前药释放动力学研

48、究。在鼠移植模型上，先行给予合适共聚物后，再测定前药的抗肿瘤活性。 （4）一些用于ADEPT的特定的酶 v用于ADEPT的酶很多，主要包括羧肽酶G2（Carboxypeptidase G2，CPG2)、碱性磷酸酶、-葡萄糖醛酸苷酶、-内酰胺酶(-Lactanmase)等 。 相关酶与前药的例证酶及来源催化作用前体药物羧肽酶G2（CPG2）催化叶酸衍生物羧基末端L-谷氨酸脱除-氯乙基胺类；单甲磺酸酯类羧肽酶A、羧肽酶B（CPA、CPB）CPA水解C末端为苯丙氨酸、酪氨酸、丙氨酸的多肽；CPB催化水解C末端为精氨酸、赖氨酸残基的多肽甲氨蝶呤（MTX）的丙氨酸太衍生物氨肽酶B N-末端为氨基酸、焦谷

49、氨酸的多肽MTX的2-位氨基酸酰化衍生物-葡萄糖苷酶催化苦杏仁分解为苯甲醛、氰化 钾苦杏仁苷与药物制成的前药-内酰胺酶对-内酰胺类抗生素有特殊选择性药物与-内酰胺抗生素结合再连接到抗体，药物类型广泛青霉素酰胺酶水解青霉素类药物侧链的酰胺键以及含苯乙酰胺基的非青霉素类 基因导向酶催化前药 v (1)作用原理 基因导向酶催化前药(Gene-Directed Enzyme Prodrug Theapy，GDEPT)是以肿瘤细胞为靶点，旨在增加肿瘤细胞对药物的敏感性的一种新的基因治疗方法。主要是利用肿瘤细胞与正常细胞之间基因表达的差异，将载有某种酶的基因定向转入到肿瘤细胞中，使其仅仅在肿瘤细胞中表达，

50、生成的酶可催化特定的前药，将它转化为原药而发挥抗肿瘤作用。导入的这种编码酶基因被称为自杀基因(Suicide Gene)。基本原理是设计自消性前药（与原药相结合的载体前药），被酶裂解后，产生不稳定的中间体，自动通过级联反应生成原药而发挥作用。 v优点：活化部位与酶切部位分开，增加了原药的多样性，前药可在癌细胞表面被代谢活化。 GDEPT与ADEPT的异同GDEPT ADEPT相同点通过非内源性的酶活化前药而发挥抗肿瘤作用不同点酶在细胞表达产生酶被抗体转运到细胞外前药必须能够进入细胞内才能被酶水解前药通常带有电荷，以减少进入细胞的可能性，在细胞表面被酶解生成原药后进入到细胞内发挥作用 (2) G

51、DEPT常用的载体及酶 v载体(Vector)是运载或携带治疗性遗传物质的工具，负责将酶编码基因有效地、准确地转移至靶细胞。GDEPT常用的载体包括逆转录病毒( Retroviruses，RV)、腺病毒(Adenovlruses，AV)、单纯疱疹病毒（HSV）以及脂质体等。 GDEPT常用的酶及相应的前药酶前 药药 物硝基还原酶CB1945羟胺类烷化剂羧肽酶甲氨蝶呤-丙氨酸甲氨蝶呤青霉素酰胺酶多柔比星-苯氧乙酰胺多柔比星细胞色素P 450环磷酰胺-内酰胺酶长春碱-头孢菌素4-脱乙酰基长春碱-3-酰肼碱性磷酸酶丝裂霉素磷酸酯丝裂霉素 第六节 递代谢原理应用软药设计一、基本原理 1治疗指数与药物的

52、评价v 对药物的评价，应该从其药效和毒性两方面考虑，有人提出利用半数致死量和半数有效量的比值来考虑二者的关系，这个比值就是所谓的治疗指数( Therapeutic Index，TI)。 式中，LD50为半数致死量，ED50为半数有效量。从式中可以看出，半数致死量越大，即毒性越小，或者半数有效量越小，治疗揩数就越大。一个药物的TI值越大，表明该药物越安全，越有效。 TI= 5050LDLD 药物在体内的代谢途径 2软药的提出v20世纪70年代末期，有人提出了为避免有害代谢物的产生而设计出不受任何酶攻击的有效药物，这类药物称之为硬药(Hard Drug)。硬药主要通过肾脏排泄，不但可排除中间产物和

53、活性代谢物带来的毒性，而且由于不被代谢，其体内药物动力学行为大大简化。但实际上硬药是不可能存在的，任何一个具有药理活性的药物，都不可能在机体内不受酶的进攻。 v根据药物的代谢机理，使设计的药物在完成治疗作用后，按照预定的代谢途径和可以控制的代谢速率，一步转化失去活性，断下韵碎片无毒或几乎无毒，不在体内产生有害的后续反应，并被迅速排出体外，使期望活性与毒性分开，这种药物就是所谓的“软药”(soft drug)。 v软药方案提供了一条简单的代谢分解途径，避免非区域性的或长效的毒性，简化代谢状态，避免形成多种活性物，避免竞争性酶系统的代谢途径，消除药物间的相互作用。从而通过全身不良反应的最小化及毒性

54、中间体的消除，提高药物的治疗指数。 v简单的说，软药指的是一类本身具有治疗作用或生物活性的化学实体，但在体内起作用后，经预料的和可控制的代谢作用，经一步简单反应转变为无活性的或无毒性的化合物。 二是它们的作用方式不同，前药在体外无活性，只有到达靶点释放出原药才显示活性，而软药在体外是有活性的，它们到达靶点发挥治疗作用后一步代谢失活一是它们的先导物不同，前药是以原药为先导物的，而软药的先导物既可以是原药也可以是原药的代谢物软药和前药的区别 二、设计方法 软药设计( Soft Drug Design)是将化合物的构效关系(Structure-Activity Relationship，SAR)与构

55、代关系(Structure-Metabolism Relationship，SMR)以及理化性质相结合，目的是设计出更安全的化合物。 v软药的设计目的在于药物起效后，即可经简单代谢转变为无活性的和无毒性的物质，减少药物的毒副作用，增加安全性和治疗指数。 软类似物活化的软类似物用控释内源物设计天然软药活性代谢物无活性代谢物v根据设计来源不同软 药 1软类似物的设计 v所谓的软类似物(Soft Analog)实际上是某些已知活性的药物或生物活性化合物的结构类似物，这些分子中有一个特别容易被代谢的部分，在体内此部位被代谢后立即失活，有利于控制其毒性。 软类似物设计原则为了增加设计成功的概率，对于先导

56、物（母体药物）性质的了解是必需的，特别 是对于先导物分子结构、在体内的转运过程、作用机理等的了解易代谢部分的代谢是药物失活的主要或唯一途径易代谢部分处于分子的非关键部位，对药物的转运、亲和力及活性影响小A C B 设计的分子最好为先导物的生物电子等排体，结构类似D 软类似物设计原则易代谢部分能被酶水解，但分子骨架稳定可以通过易代谢部分附近的立体因素和电性因素 的改变，控制可预测的代谢速率特别要注意代谢产物应是无毒、低毒或没有明显的生物活性，并且在代谢过程中不产生高度反应活性的中间体E GF 2基于无活性化合物的设计v 基于无活性的化合物（或者代谢物）的设计指的是以已知的无毒、无活性的化合物（包

57、括现有药物的无活性代谢物）为先导物，引进必要的活性基团（药效团）将其活化为有活性的化合物。在体内发挥药理作用后，活性基团离去，回复到无毒的化合物或进一步分解为无毒产物。 设计的具体原则所设计的软化合物应该经一步代谢就能产生原来无活性的代谢物，而 不经过有毒中间体阶段，具有代谢的可预测性利用生物电子等排等方法将这种无活性先导物进行结构修饰，得到相应的结构类似物要能够控制设计的化合物的转运、结合以及代谢速率及相应的药物动力学行为选择某种药韧的无活性的代谢物或已知无毒的化合物作为先导物原则 3用控释内源物设计天然软药的设计v内源性物质可以认为是天然的软药，以它们作为前体制成软药，在使用剂量接近于体内

58、正常水平前提下，就不会在呈现药效的同时引发不希望的不良反应。若其代谢不如预计的快和有效，转移也有特异性，则不能作为软药。此时可借用化学转释系统加以控制。这类软药的设计实际上是将内源性活性物质与化学转释系统相结合，使药物有控释放到特异性部位或局部作用，以达到较高的治疗指数。 O CH3 HO H3C OHO OH O CH3 HO H3C HO OHO O CH3 HO H3C OHO OHO O CH3HO H3C OHO OH O CH3 HO H3C OO OHO R O CH3 HO H3C OO OHO RO O CH3HO H3C OO OH O RO以氢化可的松的无活性代谢物为先导

59、物的软药设计 4活性代谢物的设计 v许多药物在体内经过逐步代谢，由于作用酶系的不同，可产生许多中间体和结构类似物，可能它们的活性与原药类似，也可能有所差别或产生副作用。按软药设计原理，应选用一步代谢失活的活性化合物为药物。 设计原则 v 当药物发生氧化代谢时经过有毒的、高活性的中间体或经过具有药理活性的中间体时，在活性和药物动力学允许的情况下，应选用最高氧化态的活性代谢物作为先导物，产生药效后一步代谢失活。v 强效非选择性-受体拮抗剂丁呋心安（Bufuralol）在降低血压、减慢心率方面非常有效。它的氧化代谢产物（图4-67）有相应的醇、酮和酸，其中醇型和酮型是活性代谢物，它们的消除半衰期较长(分别为7h、14h和4h)，且选择性和药物动力学性质也不同。酸型是无活性的代谢物，酮型是最高氧化态的活性代谢物。基于活性代谢物的软药设计应以酮型作为先导物，设计所得的软药保留了最高的活性，产生药效后经一步代谢失活成为酸型；若基于无活性代谢物的软药设计应以酸型作为先导物，其羧基部分可以改造成相应的酯类。 OCH3 OH HNOH CH3CH3CH 3 O CH3 HNOH CH3CH 3CH3 O CH3 HNOH CH3CH 3CH3 HO OOH HNOH CH3CH3CH3O OCH3 HNOH CH3CH3CH3O丁呋心安的代谢物