受体药物筛选与设计内容.ppt

Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 受体药物筛选与设计内容受体药物筛选与设计内容笫一节笫一节 受体药物的筛选受体药物的筛选 一、受体药物体外筛选的放射配基结合分析一、受体药物体外筛选的放射配基结合分析 二、二、竞争结合反应和饱和结合反应竞争结合反应和饱和结合反应 三、受体药物体外筛选三、受体药物体外筛选笫二节笫二节 受体药物的设计受体药物的设计 一、受体药物研究的趋势与方向一、受体药物研究的趋势与方向 二、新药开发的途径：二、新药开发的途径：三、新药设计的方法：三、新药设计的方法：四、受体药物设计应用的例子说明四、受体药物设计应用的例子说明Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 受体药物筛选与设计受体药物筛选与设计 上世纪上世纪60年代前受体的研究都用整体动物，年代前受体的研究都用整体动物，定性的研究，这样的研究效率低，药物用量大，定性的研究，这样的研究效率低，药物用量大，整个研究工作速度很慢。整个研究工作速度很慢。上世纪上世纪60年代后受体的研究采用放射配基结年代后受体的研究采用放射配基结合分析，受体研究进入分子和定量时代，研究效合分析，受体研究进入分子和定量时代，研究效率高率高，药物用量小，药物用量小,而且开展受体亚型的研究，而且开展受体亚型的研究，大大加快了受体新药发展，因此，受体药物研究大大加快了受体新药发展，因此，受体药物研究已从盲目的随机筛选进入根据一个已知受体样本已从盲目的随机筛选进入根据一个已知受体样本为基础筛选毒副作用更小的新药开发为基础筛选毒副作用更小的新药开发,是受体药物是受体药物进入大发展时期。进入大发展时期。1996年有人统计了以生化类分子为靶点的现年有人统计了以生化类分子为靶点的现代治疗药代治疗药483种受体药物约占种受体药物约占63%,见下表：见下表：Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Biochemical Classes of Drug Targets of Current therapies-Molecular targets of drug therapy-Target Number of drugs(n=483)%GPCRs 217 45 Enzymes 135 28 Hormones and factors 53 11 Unknown 34 7 Ion channels 24 5 Nuclear receptors 10 2 DNA 10 2-Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 笫一节笫一节 受体药物的筛选受体药物的筛选一、受体药物体外筛选的放射配基结合分析系统一、受体药物体外筛选的放射配基结合分析系统 1.准备受体膜或细胞株或细胞核标本，准备受体膜或细胞株或细胞核标本，2.放射性标记配体。放射性标记配体。3.要确定结合反应的平衡条件。包括温度、时间、缓冲液（离子强度及要确定结合反应的平衡条件。包括温度、时间、缓冲液（离子强度及pH）等。等。调节这些因素可以获得最佳温育条件，以确保温育达到平衡调节这些因素可以获得最佳温育条件，以确保温育达到平衡 拮抗剂的浓度 二、竞争结合反应和饱和结合反应二、竞争结合反应和饱和结合反应:1.竞争结合反应竞争结合反应:竞争结合反应是一定量受体蛋白加一定量的放射配基竞争结合反应是一定量受体蛋白加一定量的放射配基.再加不同浓度的竞争结合物再加不同浓度的竞争结合物,可绘出竞争结合曲线可绘出竞争结合曲线,可获得可获得IC50值。值。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 2.饱和结合反应饱和结合反应:饱和结合反应是一定量受体蛋白加递增的配基浓度，直到饱和结合状态。可饱和结合反应是一定量受体蛋白加递增的配基浓度，直到饱和结合状态。可绘绘 出饱和结合曲线，并且通过出饱和结合曲线，并且通过Scatchard直线转换直线转换,可获得重要参数可获得重要参数Bmax(RT)及及Kd。拮拮抗剂的浓度 竞争结合反应，饱和结合反应，这两种结合反应加样方式是不同的竞争结合反应，饱和结合反应，这两种结合反应加样方式是不同的.饱和曲线图 Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science IC50值与Ki值：表明抑制剂与受体结合作用强弱的指标 IC50值仅有相对意义，因为放射性比活度不同，受体用量不同值仅有相对意义，因为放射性比活度不同，受体用量不同,IC50值会不一样值会不一样,常不能与其它实验室值相比较，它并不能反应外界抑制剂与内源性配基与受体的竞争常不能与其它实验室值相比较，它并不能反应外界抑制剂与内源性配基与受体的竞争是什么性质。是什么性质。Ki值值:抑制常数抑制常数,它实际上是外界抑制剂与受体的平衡解离常数，不受实验条件的影响，它实际上是外界抑制剂与受体的平衡解离常数，不受实验条件的影响，是个常数，不同实验室的结果可以比较。所以是外界抑制剂最好的指标是个常数，不同实验室的结果可以比较。所以是外界抑制剂最好的指标,另外，它还能反另外，它还能反映外界抑制剂与内源性配基对受体竞争是什么性质，是竞争结合，非竞争结合或反竞争结合等。映外界抑制剂与内源性配基对受体竞争是什么性质，是竞争结合，非竞争结合或反竞争结合等。Ki值求解：值求解：1.双倒数作图法。双倒数作图法。求解时求解时,加样方式如同饱和结合反应加样方式如同饱和结合反应(I0),同时再做饱和结合管数同时再做饱和结合管数(除总放射配基除总放射配基,B0,NSB外外)其它各管加一定量抑制剂其它各管加一定量抑制剂(I1)，可以求两条双倒曲线，两条曲线相交纵轴即竞争抑制结合曲线，可以求两条双倒曲线，两条曲线相交纵轴即竞争抑制结合曲线，按按(5-24式式)求求Ki值，按值，按(5-25式式)求求Ki值值，Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 竞争抑制结合曲线竞争抑制结合曲线非竞争抑制结合曲线非竞争抑制结合曲线Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 2.利用利用(5-27式式)求解。用此公式有两点需强调：求解。用此公式有两点需强调：A.是竞争结合。是竞争结合。B.在反应平衡时在反应平衡时.配基浓度配基浓度L是游离配基浓度，是游离配基浓度，所以所以L是不易取得，如果总结合是不易取得，如果总结合RT远小于远小于 LT,所以所以LT与与L是非常接近，可以用是非常接近，可以用LT代代L。IC50与与Ki关系式关系式(5-27)如下如下:Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 对于筛选工作，对于筛选工作，IC50值值,使用非常广泛，有实际意义。使用非常广泛，有实际意义。如果对某些老药改进，选译副作用更小的新药，常用所如果对某些老药改进，选译副作用更小的新药，常用所谓相对结合亲和力（谓相对结合亲和力（Relative binding affinity)数：数：以相对结合亲和力来比较众多待试化合物与以老药为标准作参比。以相对结合亲和力来比较众多待试化合物与以老药为标准作参比。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 三.受体药物体外筛选2、高通量和自动化筛选法:这一方法的目标是短时间内筛选大量化合物，高通量筛选应包括:(1).存有大量天然物提取物的样品库，(2).存有大量的化合物库,大量的合成化合物，现在有所谓的组合化学技术，此法起源于多肽合成，假如合成四肽，用5种氨基酸，可合成625种四肽，用10种氨基酸可合成10000种四肽。但是,不是什么化合物都可用组合化学 技术,传统化学合成方法仍是主要的手段。(3).特异性强，选择性好的受体反应系统。(4).自动化称量和加样系统。(5).自动化数据处理系统。1、手工筛选法：操作过程包括采集,制备受体制剂,进行受体结合反应.一次实验只能做几个样品。对少数含有生物活性的化合物作进一步筛选,最后确定有希望成为所谓先导化合物。这种方式也可用来筛选副作用小的受体药物.Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 3、高通量筛选分析方法和技术:(1)放射配基结合分析 (2)闪烁近邻分析(scintilation proximity assay)(3)时间分辨荧光(time resolved fluorescence)(4)荧光相关光谱学等 (5)酶联免疫吸附法Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 闪烁近邻分析闪烁近邻分析(scintilation proximity assay：SPA)1.原理：含有闪烁剂的微球或原理：含有闪烁剂的微球或96孔板，用化学方法将受体蛋白偶联孔板，用化学方法将受体蛋白偶联在它们的表面，试验时加含有在它们的表面，试验时加含有3H或或125I等放射性标记配基的反应等放射性标记配基的反应缓冲液，待反应平衡后缓冲液，待反应平衡后,所形成的受体配基复合物紧贴微球表面所形成的受体配基复合物紧贴微球表面,射线作用于闪烁剂，放射性测量仪器就能测量到放射性计数。而射线作用于闪烁剂，放射性测量仪器就能测量到放射性计数。而游离的放射性配基与微球表面的距离只要游离的放射性配基与微球表面的距离只要3H大于大于1.0m或或125I大大于于1.5及及17.5m,射线的能量被水吸收，射线作用不到闪烁剂，仪射线的能量被水吸收，射线作用不到闪烁剂，仪器就不能测到计数，所以器就不能测到计数，所以APS法的优点是不需要分离，这是平衡法的优点是不需要分离，这是平衡常数常数Kd最理想的测量方法。这种方法操作简便，适用于高通量筛最理想的测量方法。这种方法操作简便，适用于高通量筛选法。选法。2.组成：如下图所示组成：如下图所示Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 一、受体药物研究的趋势与方向：一受体药物研究的趋势与方向：笫二节笫二节 受体药物的分子设计受体药物的分子设计受体药物研究的靶点主要集中在细胞膜上的受体药物研究的靶点主要集中在细胞膜上的GPCRs,单跨膜单跨膜有酶和无酶的生长因子，细胞因子受体，配基门控离子通有酶和无酶的生长因子，细胞因子受体，配基门控离子通道以及胞内核受体。从前数据可知当前生化类分子为靶的道以及胞内核受体。从前数据可知当前生化类分子为靶的治疗药中受体药物占有治疗药中受体药物占有63%之多，据调查之多，据调查,人类人类35000个基个基因中大约有因中大约有750个基因是属于个基因是属于GPCRs，其中有几乎一半属于其中有几乎一半属于感觉受体，剩下约有感觉受体剩下约有400个左右可以考虑作为药物的靶点，个左右可以考虑作为药物的靶点，其中其中30个药物已经上市，个药物已经上市，160个被称之孤儿受体功能不明，个被称之孤儿受体功能不明，所以还有所以还有210个个GPCRs有自然配基，可以用来开发新药，据有自然配基，可以用来开发新药，据说目前在新药开发中有说目前在新药开发中有60至至70%力的集中在力的集中在GPCRs受体之受体之中。中。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 二、新药开发的途径：二、新药开发的途径：1.改进老药：现有的上市药物中有改进老药：现有的上市药物中有60%有待改进，使其具有更好药效。有待改进，使其具有更好药效。有些老药对某些疾病虽有治疗效果有些老药对某些疾病虽有治疗效果,但其副作用明显但其副作用明显,为改善其副作用为改善其副作用,加加 强特异性强特异性,如已经知道某些受体有了一些亚型如已经知道某些受体有了一些亚型,各亚型生物活性是不同的各亚型生物活性是不同的,其副作用其副作用,可能就产生于某一亚型可能就产生于某一亚型,所以根据亚型寻找选择性更好的药所以根据亚型寻找选择性更好的药物。改造后的老药其专一性更突出，副作用更轻或者副作用消失。物。改造后的老药其专一性更突出，副作用更轻或者副作用消失。2.先导化合物开路：在筛选工作中得到先导化合物开路：在筛选工作中得到IC50在在100nmol/L左右的化合物可以左右的化合物可以 做所谓的先导化合物，先导化合物常常是新药最早的先驱者做所谓的先导化合物，先导化合物常常是新药最早的先驱者,在些基础上在些基础上 不断改进，希望得到不断改进，希望得到IC50值更小的化合物将其开发成新药。值更小的化合物将其开发成新药。3.加强基础医学的研究，阐明疾病的发病机制，发现新的靶点，是我们基础医学加强基础医学的研究，阐明疾病的发病机制，发现新的靶点，是我们基础医学和临床医学研究根本目标和责任，也是新药开发的的源泉。和临床医学研究根本目标和责任，也是新药开发的的源泉。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 三、新药设计的方法：1.二维的定量的构效关系方法二维的定量的构效关系方法:上世纪上世纪80年代前，计算机辅助年代前，计算机辅助 配基或药物设计，常用疏水常数，电性常数，摩尔折射等分子或配基或药物设计，常用疏水常数，电性常数，摩尔折射等分子或 基团的理化参数耒描写化合物的结构与生物活性之间的关系，实际上基团的理化参数耒描写化合物的结构与生物活性之间的关系，实际上 都是基于化合物的二维结构的资料，这可称为二维定量构效关系都是基于化合物的二维结构的资料，这可称为二维定量构效关系 (2D-quntitative structure activity relationship:2D-QSAR)。2.三维定量构效关系方法：上世纪三维定量构效关系方法：上世纪80年代后随着现代生物学，量子化学年代后随着现代生物学，量子化学 和大容量计算机发展和应用，计算机辅助药物设计进入三维定量构效关系研究，和大容量计算机发展和应用，计算机辅助药物设计进入三维定量构效关系研究，药物与受体的相互作用需要在三维空间内实现，特别在药物与受体的相互作用需要在三维空间内实现，特别在GPCRs的双层脂存在疏的双层脂存在疏 水的三维结合空腔，因此，为准确表达药物与受体的相互作用，必需进行三维水的三维结合空腔，因此，为准确表达药物与受体的相互作用，必需进行三维 构效关系构效关系(3D-QSAR)的研究，建立更合理的设计模型。的研究，建立更合理的设计模型。根据受体的三维结构是否已知，可分为直接设计和间接设计药物分子。根据受体的三维结构是否已知，可分为直接设计和间接设计药物分子。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science(1).直接设计直接设计:当受体三维结构已知，可以将侯选的配基导入结合区，进行量体裁衣，当受体三维结构已知，可以将侯选的配基导入结合区，进行量体裁衣，直接进行药物分子的设计直接进行药物分子的设计,此法也称基于受体结构的药物设计。但此法也称基于受体结构的药物设计。但,此法须知药物与受体此法须知药物与受体 分子最佳结合时构象的变化及构象的能量值，结合方式及溶剂效应等参数。一般而言，分子最佳结合时构象的变化及构象的能量值，结合方式及溶剂效应等参数。一般而言，这些参数是不容易得知。解决此难题的一个有效的方法是反复研究药物这些参数是不容易得知。解决此难题的一个有效的方法是反复研究药物-受体匹配，化合受体匹配，化合 物物 合成，生物学评价及配基受体复合物作合成，生物学评价及配基受体复合物作X-晶体分析，能取得药物分子的成功设计。晶体分析，能取得药物分子的成功设计。(2).间接设计：药物的直接设计必须了解受体蛋白的三维结构，现在大多数的间接设计：药物的直接设计必须了解受体蛋白的三维结构，现在大多数的 GPCRs的三维结构还末搞清。在这种情况下直接药物设计就困难了。所以只能改用间的三维结构还末搞清。在这种情况下直接药物设计就困难了。所以只能改用间 接设计方法接设计方法,间接设计是通过计算分析，对一系列相同靶点，相同作用机制的化合物进行间接设计是通过计算分析，对一系列相同靶点，相同作用机制的化合物进行 比较比较,找出共同的三维构效功能基团的构象，推导模拟先导化合物，进行药物分子找出共同的三维构效功能基团的构象，推导模拟先导化合物，进行药物分子 设计。间接设计的基本假设是受体设计。间接设计的基本假设是受体配基相互作用时两者在空间和电性方面是互补的配基相互作用时两者在空间和电性方面是互补的，三维药效基团作为药物分子中关键部分和受体蛋白分子发生键合作用时原子或功能基之三维药效基团作为药物分子中关键部分和受体蛋白分子发生键合作用时原子或功能基之 间的三维空间的关系必须匹配，另外还必须了解受体跨膜区结合空腔的三维信息，一个间的三维空间的关系必须匹配，另外还必须了解受体跨膜区结合空腔的三维信息，一个 高亲和性的药物结构应与受体结合位点构象必须相适应。建立一个合理的三维药效功能高亲和性的药物结构应与受体结合位点构象必须相适应。建立一个合理的三维药效功能 基团的模型不仅为设计新药物奠定基础，也可以为优化先导化合物创造条件。基团的模型不仅为设计新药物奠定基础，也可以为优化先导化合物创造条件。直接设计和间接设计药物分子：直接设计和间接设计药物分子：Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 四四、受体药物设计应用的例子说明受体药物设计应用的例子说明:血管紧张素血管紧张素II(AII)主要是通过激活特异性受体主要是通过激活特异性受体(AT)而发挥调节血压、水盐摄入、尿钠排而发挥调节血压、水盐摄入、尿钠排泄泄 等生物活性等生物活性,现已知道现已知道AT至少有至少有AT1和和AT2两种亚型两种亚型,ATl受体介导几乎所有受体介导几乎所有AII所产生的生所产生的生物效应。多年来人们致力于寻找有效的物效应。多年来人们致力于寻找有效的AT1拮抗剂。特别是如何由随机药物筛选过渡到基拮抗剂。特别是如何由随机药物筛选过渡到基于药物作用分子机制的基础上通过主动的药物设计来发现有效的于药物作用分子机制的基础上通过主动的药物设计来发现有效的AT1受体拮抗剂。已上市受体拮抗剂。已上市的药物洛沙坦的药物洛沙坦(Losartan)是个成功的例子，说明如下是个成功的例子，说明如下:1.AT1受体的结构受体的结构:AT1受体由受体由359个氨基酸残基组成，是个典型的个氨基酸残基组成，是个典型的G-蛋白耦联的七次跨膜蛋白耦联的七次跨膜受体受体,它的三维结构如下它的三维结构如下:Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 2.存在于存在于AT1受体跨膜区内受体跨膜区内-螺旋之间的相互作用螺旋之间的相互作用 Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 3.AT1受体和受体和AIIAII的相互结合的相互结合:AII 是个八肽是个八肽:Asp-arg-val-tyr-LIe-His-pro-phe 经基因突变和亲和结合试验及核磁共振研究认为经基因突变和亲和结合试验及核磁共振研究认为AII八肽呈扭曲形插入受体跨膜区八肽呈扭曲形插入受体跨膜区 结合空腔内，见下图：认为结合空腔内，见下图：认为AII与与AT1受体的结合位点受体的结合位点:AII中的中的Asp1、Arg2 与与AT1受体膜外的受体膜外的His183、Asp281相结合相结合,AII中的中的Tyr4、His6、Phe8插插 入受体的跨膜区入受体的跨膜区,分别与分别与Asn111、Asp263、Lys199、Trp253、His256相结合。相结合。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 4.由随机药物筛选到药物分子设计由随机药物筛选到药物分子设计:第一个第一个AT1受体非肽拮抗剂是从许多化学合成物中利用放射配基结合分受体非肽拮抗剂是从许多化学合成物中利用放射配基结合分析筛选中发现的：如图析筛选中发现的：如图12-3中中(6)5-醛基咪唑醛基咪唑,从此进入药物设计工作。从此进入药物设计工作。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science 对化合物对化合物(6),进行叁步重要的改造，咪唑的进行叁步重要的改造，咪唑的2位苯基改位苯基改成丁基成丁基,1位加入氯苄，位加入氯苄，5位醛改成反式丙烯酸，这就是位醛改成反式丙烯酸，这就是(8)化合物化合物,其其IC50=43m结合力虽弱，但选择性非常结合力虽弱，但选择性非常好，成了理想先导化合物，许多科研工作者都在进行好，成了理想先导化合物，许多科研工作者都在进行这方面的工作，这方面的工作，Du Pont研究小组的工作更为引人注目。研究小组的工作更为引人注目。当化合物当化合物(8)的氯苄改造成联苯四唑，丙烯酸改成甲醇，的氯苄改造成联苯四唑，丙烯酸改成甲醇，即得化合物即得化合物(12)(DuP753)，显示了与显示了与AT1受体更强的受体更强的亲和性亲和性(IC50=19nmolL)，化合物化合物(12)就是现在临床就是现在临床用的洛沙坦。用的洛沙坦。Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Smithkline-Becham公司公司(SK公司公司)设想化合物设想化合物8(S-8307)的结合方式是的结合方式是N-芳基和羧基芳基和羧基分别与分别与A-II Tyr4芳环和芳环和Phe8的羧基相关联。当引入的羧基相关联。当引入-噻吩基去模拟噻吩基去模拟Phe8侧链时，侧链时，其亲和力大大提高其亲和力大大提高(化合物化合物14的的 IC50=0.4molL)。从一系列不同取代基的苄基从一系列不同取代基的苄基环中得到环中得到4-COOH衍生物化合物衍生物化合物15显示了非常高的亲和力显示了非常高的亲和力(IC50=1.0 nmolL)。从这些研究可以得知，丙烯酸羧基和噻吩基团与从这些研究可以得知，丙烯酸羧基和噻吩基团与Phe8相关联。相关联。化合物化合物15与与AII中某些氨基酸的相关联图中某些氨基酸的相关联图Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science Dept.of Biophysics,Peking University School of Basic Medical science