基于片断的药物设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,基于片断的药物设计,Fragment-based drug discovery,郭宗儒,2009-10-16,From Leach AR,Hann MM,Burrows JN et al.Fragment screening:an introduction.,Mol.BioSyst,.,2006,2:429-446,对靶标认识水平不同的药物分子设计,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,10,60,种，而高通量筛选的化合物数即使以百万计,(10,6,),，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,10,7,，筛选的分子为,10,3,1,0,4,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。,Congreve M et al.,Drug Discov Today,.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,174.1 382.8 207.7,氢键给体,1.7 1.7 0,氢键接受体,2.9 5.6 2.7,非氢原子数,12.8 28.5 15.7,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,272.0 314.0 42.0,氢键给体,0.8 0.8 0,氢键接受体,2.2 2.5 0.3,C,log,P,1.9 2.4 0.5,非氢原子数,19 22 3,增量小,FBDD,的背景,1,Andrews,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,+,PO,2-4,CO,2,CO,OH,卤素,N,O,S,醚,C(,sp,3,),C(,sp,2,),结合能*,11.5,10.0,8.2,3.4,2.5,1.3,1.2,1.1,0.8,0.7,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。,Andrews P,et al.Med.Chem.,1984,27,1648,*kcal/mol,FBDD,的背景,2,Kuntz,等分析了,150,个含有,167,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,。,G,结合,=,G,复合物,G,参比态,=,RTln,K,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,1.5 kcal/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,(ligand efficiency,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,K,d,转换为在温度,300K,的结合的自由能,(,G,),。,G,-RT.ln,K,d,=1.37 p,K,d,G,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=,G,/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-lipophilicity efficiency,LLE),表征先导物和优化的质量。,LLE,的定义是,p,IC,50,(,或,p,K,i,)-cLog,P,(,或,Log,D,),Congreve M et al.,J Med Chem,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,(fit quality,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,(-0.026HA),或将幂式展开：,LE-Scale,0.0715+(7.5382/HA)+(25.7079/HA,2,)+(361.4722/HA,3,),配体的契合质量,FQ,按照如下计算：,FQ=LE/LE-Scale,FQ,将上述的非线性标准化，使配体之间的结合效率有可比性。,Bembenek SD et al.,Drug Discov Today.2009,14:278,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,Reynolds CH,BMCL,.2007,17:4258,非氢原子数,LE scale,相邻差值,10,0.7204,11 0.6972 0.0232,12 0.6685 0.0287,13 0.6367 0.0318,14 0,.,6091 0.0276,15 0.5809 0.0282,16,0.5545 0.0264,17,0.5300 0.0245,18,0.5072 0.0228,19,0.4877 0.0195,20,0.4672 0.0205,21,0.4494 0.0178,22,0.4331 0.0167,23,0.4179 0.0152,24,0.4039 0.0149,25,0.3908 0.0131,26 0.3787 0,.,0121,27 0.3674 0.0113,28,0.3568 0.0106,29,0.3471 0.0097,30,0.3378 0.0093,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,片断化合物举例,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,6 X 6,片断组合库,FBDD,需要有灵敏的检测手段,NMR,方法：,Skinner AL,and Laurence JS.J Pharm Sci.2008,97:4670,X-ray,方法：,Jhoti H et al.Curr Opin Chem Biol.2007,11:48,SPR,方法：,Neumann T et al.Curr Top Med Chem.2007,7:1630,MS,方法,：,Annis DA et al.Curr.Opin.Chem.Biol.2007,11:51,0,100,200,300,400,500,600,700,1 mM,100,M 1,M 10 nM 1 nM,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,Rees,et al.,Nature Rev.Drug Disc.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。,Wenlock et al,J Med Chem,2003,配 体 效 率,(LE),Fragment Rule of 3,MW 300,#H-Bond Donor=3,#H-Bond Acceptors=3,cLogP=3,#Rotatable bonds=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,IC,50,(M)80 12 3.0 0.51 0.20 0.031 0.018 N,o HA 10 15 15 20 23 21 24,LE(kcal/mol),0.47 0.48 0.61 0.4,3 0.40 0.49 0.44 FQ 0.70 0.83 1.05 0.92 0.96 1.09 1.09,.,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,。,(Saxty G et al.,J Med Chem,2007,50:2293),S-isomer,(0.28,M),R-isomer,(31 n,M),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=316 IC,50,=0.66,M LE=0.38,MW=316 IC,50,=0.66,M LE=0.38,LQ=0.85,Leu81,羰基形成氢键,Ile10 and Leu134,与苯环的疏水作用,MW=118 IC,50,=185,M LE=0.57,LQ=0.76,MW=187 IC,50,=97,M LE=0.39,FQ=0.64,另一思路是去除苯并环,活性减弱,但,LE,未降,MW=258 IC,50,=0.85,M LE=0.44,FQ=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,23,33,MW=337 IC,50,=0.14,M LE=0.39,FQ=0.97,MW=373 IC,50,=0.003,M LE=0.45,FQ=1.19,苯甲酰胺的活性略增,LE,降低,.,苯环离开羰基明面,51,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,.,MW=395 IC,50,=0.047,M LE=0.42,FQ=1.06,二氯取代,对酶和细胞活性均明显增高,MW=362 IC50=0.14,M LE=0.31,FQ=0.79,AT7519,于,10,M,对,P450 1A2,2D6,3A4,2C9,2C19,的抑制作用,1 mM,，且只有,R,构型与酶结合，,晶体衍射表明，伯氨基与,Asp189,的羧基、,Ser190,的羰基以及,Gly219,形成氢键，苯基与亚乙基与,S1,疏水强结合。美西律虽配体效率只有,0.32,，但水溶性很好，且口服生物利用度,F=90%,，,pKa=9.2,，碱性不象既有的,uPA,抑制剂过强，故是良好的起始物。,根据萘脒具有活性说明苯环的对位有空间，可引入酸性基团，去掉侧链甲基以消除手性原子，将,2,6-,二甲基换成二氯，,IC,50,40 M,，在晶体结构的引导下，酰苯胺的,IC,50=5.2 M,，,IC,50=720 nM,，最后经,SAR,设计化合物活性提高,10,倍，,IC,50=72 nM,。对大鼠具有良好药代动力学性质，半衰期,t1/2=7.5 h,，,F=60%,IC,50 1 mM 40 M 5.2 M 720 nM,LE 0.32 0.40 0.29 0.29,FQ 0.57 0.76 0.74 0.84,IC,50=72 nM,LE=0.32,FQ=0.97,片断连接：,FKBP,抑制剂,用核磁共振研究,FKBP,抑制剂，称作,SAR by NMR,。用,15,N,标记的,FKBP,筛选片断库的结合作用，观察和确定酰胺键的,15,N-,和,1,H,化学位移的变化。,筛选两种分子,1,和,2,有弱结合作用。连接成,3,为强抑制剂。,1 2 3,Kd,2 M 100 M 49 nM,非氢原子数,26 17 45,LE(kcal/mol)0.30 0.32 0.22,FQ 0.79 0.64 1.06,Shuker SB,et al.,Science,1996,274:1531,片断连接：他克林形成挛药,胆碱酯酶有两个结合位点：深部窄口处的催化部位和暴露于水相的外部位点。,将适宜长度的碳链连接他克林，提高了活性。,Ki=0.018,M(,小鼠,)IC50=0.59,M(,大鼠脑,)HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98,IC50=0.0004,M(,大鼠脑,)HA No=37 LE=0.35 FQ=1.25,Pang YP,Quiram P,Jelacic T et al.Highly potent,selective,and low cost bis-tetrahydroaminacrine inhibitors of acetylcholinesterase.Steps toward novel drugs for treating Alzheimers disease.,J,.,Biol,.,Chem,.,1996,271,23646-23649.,3,Lewis WG,Green LG,Grynszpan,F et al.Click chemistry in situ:Acetylcholinesterase as a reaction vessel for the selective assembly of a femtomolar inhibitor from an array of building blocks.,Angew,.,Chem,.,Int,.,Ed,.,2002,41,1053-1057,6,Ki=1.1,M(,小鼠,)HA No=31 LE=0.26 FQ=0.80,Ki=0.018,M(,小鼠,)HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98,Ki=0.00000041,M(,小鼠,)HA No=48 LE=0.35 FQ=1.80,Sharpless,等用环加成反应将两个不同的抑制剂片断经连接基生成,fmole,级的高活性胆碱酯酶抑制剂,片断连接：他克林与另一弱作用片断形成强抑制剂,片断融合：自组装碳酸酐酶抑制剂,两个片断独立结合于邻近的两个位点，化学活性功能基自组装成亚胺，还原生成高活性抑制剂,.,Swayze EE;Jefferson EA,Sannes-Lowery KA et al.SAR by MS:A ligand based technique for drug lead discovery against structured RNA targets.,J,Med,Chem,.,2002,45,3816-3819.,片断融合：用质谱方法研究,U1061A RNA,抑制剂,U1061A RNA,是抗微生物感染的靶标。,质谱法可在高浓度下进行。,可给出结合信息：化学计量性，竞争结合性。,化合物,1,和,2,可同时结合于靶标，二者非竞争性结合，位点不同，相距邻近。,1,和,2,融合一起，提高了活性。,IC50 40,M,41,M 0.064,M No HA 12 19 31 LE 0.32 0.50 0.31 FQ 0.48 1.02 0.97,分子量,分布系数,药代,过膜性 生物利用度,药代,半衰期代谢稳定性,药效,配体效率,药效,配体亲脂效率,分子体积,杂原子数,分子表面积,氢键接受 体,氢键给体,可旋转性键,极性表面积,分子量和分布系数是优化物化性质、药效学、药代动力学的高度概括,改编于,Johnson et al.BMCL,2009,19:5560,请指正,谢谢,