先导化合物的确定,绝不只是简单的筛活性!

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先导化合物的确定,绝不只是简单的筛活性!
强森
专栏作者
从事新药研发!学习一切与新药相关的知识!药学领域的一名小学生!
先导化合物,作为新药研发的焦点和源头,是药企争取市场份额、扩大利润的重要来源,更是各大药企长久发展的持续动力。每一个成功上市的药物,按照传统模式,在筛选先导化合物的开发阶段平均须投入至少2.6亿美元的成本,如此高额的前期投入,就要求科研人员拥有发现及优化先导化合物的能力,从而迈好万里长征的第一步。良好的生物活性,往往是先导化合物发现的第一要素,然而,真正将一个化合物确定为先导化合物,决不能仅仅依赖其是否具有较强的活性,科研人员还需依靠多学科的知识、多角度的审视来考察其是否具有成药的潜力,从而摸索出一个能够生产出多个药物的强大来源。

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什么是先导化合物?

所谓先导化合物(Lead Compounds),是指具有独特结构的有一定活性或潜在活性的化合物,一般具有新颖的化学结构,是现代新药研究的出发点。它可能因为活性小、选择性不高、药代动力学性质不好或毒性较大等缺点,不能直接作为新药来开发,但可以在该化合物结构的基础上,进行一系列的结构改造或修饰,得到符合治疗要求的新药。先导化合物通常有以下公认特征:纯净单一的化合物、具有类药性、药理活性的可重复性、有量效关系、活性是通过特定的机理起作用的、化学上有可操作性、有进行化学修饰的空间以及类似物有合理的构效关系等。

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如何获得先导化合物?

广泛筛选和意外发现

广泛筛选是获得先导化合物的传统方法,是在众多研究基础上获得生物活性物质的过程,早期的新药寻找和先导化合物的获得都是以这种方法进行的。起初,筛选主要是从天然药用植物中提炼有效成分(如青蒿素、紫杉醇),后来,随着化学工业尤其是染料化学的发展、化学方法的日益进步和医疗需求的不断提高,促使人们把许多化学工业品,尤其是染料中间体进行大规模广泛的药理筛选,结果发现了大批有医疗价值的化学药品。同时,意外发现也是获得先导化合物和药物的方法之一,有许多先导化合物和药物都是通过这种方法发现的,如抗菌药青霉素、抗肿瘤药顺铂和西地那非等就是在偶然的机会获得的,人们随后对其进行构效研究,又开发出一系列的新药。

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合理药物设计

所谓合理药物设计,就是基于结构的药物设计,它应用受体结构的有关知识,来指导和辅助药物分子的设计,从而引导药物设计走向合理化,其起点是体内的分子靶标,而非药物。此处所说的“受体”,泛指一切能与药物分子结合的大分子靶标,如酶、受体、离子通道、膜、抗原、病毒、核酸、多糖等。合理药物设计,不仅充分考虑配体与受体活性部位之间的形状互补性,而且充分考虑二者之间的性质互补性,如静电相互作用、氢键相互作用、疏水相互作用等。此外,对溶剂效应、配体与受体的协调运动等,也给予足够的重视。

从现有药物中获得

已有的药物中有些可被选作先导化合物,进一步优化从而得到新药,另外还可通过由药物副作用、代谢研究以及电子等排等研究来获取先导化合物。在药物研究中,常可从已知药物的毒副作用出发找到新药,或将毒副作用与治疗作用分开而获得新药。某些情况下,某一药物的毒副作用可能对另一疾病有治疗作用,例如吩噻嗪类抗精神失常药氯丙嗪及其类似物,是由结构类似的抗组胺药异丙嗪的镇静副作用发展而来的。

药物通过体内代谢过程,可能被活化,也可能被失活,甚至转化成有毒的化合物。在药物研究中,可以选择其活化形式,或考虑可以避免代谢失活或毒化的结构作为药物的先导物。运用这类先导化合物,得到优秀的药物的可能性较大,甚至直接得到比原来更好的药物。如奥沙西泮就是地西泮的活性代谢物。

以原形药物为先导化合物,通过生物电子等排等方法可以获得了大量的“Me-too”药物,现在包括西方国家在内的大型制药公司仍然经常采用这种快速跟进策略。且实践证明,运用生物电子等排原理进行药物先导化合物优化可大大加快药物先导物到药物候选物的转化。

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化合物库得到

世界上大型药物研究和开发组织都有自己分离、合成或收集的化合物储备,形成化合物库。这其中包括天然产物提取分离、结构测定所得的天然产物库,化学合成特别是用组合化学技术形成的大容量化学分子库,以及通过蛋白质表达建立的基因工程库等。目前,天然产物库仍是先导化合物发现的有效途径,在抗肿瘤、抗病毒、抗菌、治疗心脑血管疾病以及抗衰老等领域具有明显优势;化合物组合库是指数量巨大的不同结构的化合物的贮藏和检索,它源自巨大数量、不同构件进行不同形式的键合反应,所有化合物或以自由分子的形式存在于液相中,或以连接于固相载体的形式贮藏备用,利用组合化学方法建立起大容量的化合物组合库后,开始对化合物库进行有针对性的高通量筛选。利用基因重组技术,合成结构复杂的天然化合物及利用微生物产生新结构类型活性物组成基因重组库,如微生物次级代谢产物合成途径中的有些酶的底物特异性不强,因此将两种合成途径相似的抗生素生物合成基因进行重组,使之合成与两亲株的产物不同的“杂交”抗生素。利用基因重组技术可以将一些靶酶的活性中心、受体或受体的亚基等在微生物中大量表达,满足了大规模筛选样品的需要,并且可以用来确定一些不甚清楚的药物作用靶位。

高通量虚拟筛选

高通量虚拟筛选(Virtual High-throughput Screening, VHTS),是利用计算机强大的计算能力,采用三维药效基团模型或分子对接的方法,在化合物数据库中寻找可能的活性化合物的方法。在找到一些潜在的活性分子之后,可以通过向有关公司订购、合成或提取分离的方法得到样品,并进行药理测试。

这其中,计算机辅助药物设计中的药效团模型法是一种重要的间接药物设计方法,可用于先导化合物的发现。计算机及信息技术的快速发展,计算机图形技术在药物研究领域中的应用,使药效团模型的概念也得到发展。药物化学家现在不仅关注药效基团本身的属性,也非常重视各药效基团之间的空间关系。而另一种分子对接技术是指分子模拟环境中,两个或两个以上的分子模型通过几何形状、化学环境及能量的匹配形成最佳结合的技术。分子对接的虚拟筛选需要靶标生物大分子和小分子化合物的三维结构信息。首先要建立大量化合物的三维结构数据库,然后将库中的分子逐一与靶标分子进行“对接”,通过不断优化小分子化合物的位置(取向)以及分子内部柔性键的二面角(构象),寻找小分子化合物与靶标大分子作用的最佳构象,计算其相互作用及结合能,只要数据库中化合物具有足够大的分子多样性,就可能从库中搜寻出理想的分子结构。

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DNA编码小分子化合物库合成及筛选技术

该技术通过利用组合化学的方法和DNA编码的多样性及可扩充性特征,快速为药物研发早期起决定性作用的阶段提供先导化合物,从而加快新药的研发进程。与传统高通量筛选的百万级化合物库相比,DNA编码化合物库在化合物数量和多样性的覆盖上都有很大增加。同时,因为每个化合物都带有DNA编码便于鉴定筛选的结果,因此整个化合物库(不仅仅是单一的化合物)都可用来与生物靶点进行孵育与亲和力筛选。而由于该技术筛选出的化合物,是大多化合物与筛选靶点竞争的结果,因此其活性较高,同时,基于整个库的筛选,大幅度降低了筛选成本和时间成本。

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如何优化先导化合物?

由于先导化合物通常会存在一些缺陷,如活性不够高,选择性不够强、化学结构不稳定、药代或毒性较大等,因此需要对先导化合物进行适当的化学修饰,使之发展为更理想的药物,这一过程称为先导化合物的优化。由于小编身边最近就有因溶解性和毒性大等问题而“死掉”的候选药物,眼看其多年研发毁于一旦,故而对这两方面进行下讲解。

在先导化合物结构优化过程中,合适的溶解性至关重要。良好的水溶性可以提升化合物的类药性质,提高药物在人体内的吸收、分布、代谢、排泄等药代动力学特性。因此,重视化合物水溶性的结构改造,将使我们在先导化合物结构优化过程中事半功倍。化学修饰改善先导化合物水溶性的理论基础和基本策略,包括成盐、引入极性基团、降低脂溶性、构象优化、前药修饰等方面。而改善脂溶性,主要针对的是中枢神经系统药物。为了克服血脑屏障,在中枢系统达到足够的暴露量,这是中枢药物研发成功的关键前提,这样我们也需要一些策略来增加药物的脂溶性,常用的优化策略包括:针对被动扩散的改造~增加脂溶性、减少氢键供体、简化分子、增加刚性、降低极性表面积、剔除羧基以及前药策略等;针对主动运输的改造~将化合物修饰为主动转运体的底物;针对外排率较高的化合物~规避易被外排转运体识别的基团。

鉴于警惕结构潜在的毒性风险,在先导化合物的研发过程中,对警惕结构进行结构优化是降低先导化合物潜在毒性的有效方法。主要包括两种思路:一种思路是去除药物中的警惕结构。如果警惕结构不是药物的药效团,去除警惕结构既可简化分子,又可降低毒性;如果警惕结构对活性至关重要,或是必需的连接片段,可以考虑运用生物电子等排的原理,将易代谢的警惕结构用弱代谢基团进行生物电子等排体替换,达到降低毒性的目的。另一种思路是对警惕结构进行结构修饰,通过引入钝性基团封闭代谢位点或者引入更易代谢的基团,改变化合物的原有代谢路径,使其不能产生活性代谢物,阻断其毒性代谢途径。具体而言,警惕结构的优化改造策略主要包括:封闭代谢位点、改变代谢途径、降低反应性、生物电子等排以及前药原理等。如非那西汀改变成对乙酰氨基酚,曲格列酮改变为罗格列酮和吡格列酮等等。

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些许感触

记得在最初接触“化合物”的概念时,第一时间看的是,结构所对应的生物活性,目光只针对于那些活性在nM级别的结构,随着对临床候选药物的跟踪以及上市药物的研究发现,活性最强的化合物并不一定会是同类药物中最先上市的那个,而进一步的学习和了解,也更加明白了化合物的“成药性”要远远重要于“活性”,而这个“成药性”在技术方面所涉及的学科和知识范畴“那是相当的广泛”。除此之外,通过近些年对创新药物的学习和思考,小编也越发感到,不同学科、不同方法之间的相辅相成、相互补充,在寻找先导化合物的过程中演绎着越来越重要的角色,运用多种方法,从多方面进行综合分析和评定,往往能够既得到比较优秀的先导化合物,又不丢失其它有益的生物活性特质。如今的新药研发不再是单打独斗,团队协作、团队哲学已在许多制药企业普及,只有多学科的配合、协作,方能保证药物的开发在主客观的保驾护航下,去寻找那最后的幸运!

参考文献

1. Song HP, Wu SQ, Qi LW, et al. A strategy for screening active lead compounds and functional compound combinations from herbal medicines based on pharmacophore filtering and knockout/ knockin chromatography[J].Journal of Chromatography A,2016, 1456(22), 176-186.

2. Ayati A, Emami S, Asadipour A, et al.Recent applications of 1,3-thiazole core structure in the identification of new lead compounds and drug discovery[J]. European Journal of Medicinal Chemistry,2015, 97(5), 699-718.

3. Marasco D.7-Synthetic Peptide Libraries: Chemical Diversity to Reach Lead Compounds[J]. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering,2017,143-159.

4. 郭宗儒。论先导化合物的优化与候选药物的确定[R]。中国药学会学术年会, 2006.

5. 唐赟,陈凯先,嵇汝运。合理药物设计研究[J]。药学进展, 1994, 4 :193-198.

6. 高岩,贾欣,郭东贵。先导化合物获得方法的研究进展[J]。科技信息, 2009, 2 :9-11.

7. 王江,柳红。先导化合物结构优化策略[R]。药学学报药学前沿论坛暨中国药学会中药与天然药物专业委员会会议, 2015.

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