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,030,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,