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1、第四章 药物研究概论,Outline Of Drug Research,新药的创制是一个系统工程，在研究与开发的过程中，涉及了多种学科与领域，包括:分子生物学，生物信息学、分子药理学、药物化学、计算机科学、以及药物分析化学、药理学、毒理学、药剂学、制药工艺学等。这些环节的有机配合，可以促进新药研制的质量与速度。,第一节 引 言Introduction,安全性、有效性和可控性是药物的基本属性。这是由药物的化学结构所决定的。构建药物的化学结构是创制新药的起始点和主要组成部分，药物分子设计(Molecular drug design)则是实现新药创制的主要途径和手段。所谓药物分子设计是指通过科学的构
2、思和理性的策略，构建具有预期药理活性的新化学实体(new chemical entities，NCE)的分子操作。,近年来，新药的研究与开发虽然有显著的进步，但成功率仍很低。就世界范围统计，创制一个全新药物并上市，一般需要从进行三期临床研究的2.5个候选物中得到，后者则需要6.5个化合物进行临床一期试验,为此，要在21个进行了慢性毒性的化合物中选取，这又需要合成6200个化合物，这全过程需时13年，耗资大约3亿美元。,成功率低的原因:,1.要求新研制的药物比临床应用的药物的性质更为优良，特别对难以治疗的和慢性疾患有更迫切的需求，例如:恶性肿瘤，心脑血管病，与衰老相关的疾病，内分泌失调，免疫性疾
3、病，中枢神经系统和病毒性疾病等。2.判断疗效的时间长，同时对安全性也要求长时间的试验观察，例如：对慢性毒性和致癌、致畸和致突变、生殖和围产期毒理等试验。这要求新研制的药物在药效学、药代动力学和毒理学等多方面的生物学性质优于已有的药物，需从相当大基数的候选化合物中严格地挑选，以尽可能满足上述的要求。,生物靶点的选择；检测系统的确定；先导化合物的发现；先导化合物的优化。,新药的创制，大体分4个阶段：,创制新药，首先应确定防治的疾病目标，并选定药物作用的靶点。病理过程由多个环节构成，当某个环节或靶点被抑制或切断，则可达到治疗的目的。因此，生物靶点的选定是研制新药的起步点。随着人类基因组计划的实施和分
4、子生物学方法的应用，越来越多的药物作用靶点被认知，一些新颖的重要的酶和受体成为研制独特作用机理的药物的新靶点。,生物靶点的选择：,作用靶点选定后，需要建立对其作用可评价的检验测定的生物模型，一般开始是用离体方法，在分子水平、细胞水平，或离体器官进行活性评价，在此基础上用实验动物的病理模型进行体内试验。这些体外或体内模型应定性和定量地反映出药物对所选定的靶点的作用方式和程度，并与临床的病理过程相关联。以上两个方面体现了创制新药中药理学的准备。在化合物或物质上的准备，则是药物化学和分子设计的任务。,检测系统的确定：,药物分子设计大体可分成两个阶段，即先导化合物的产生(1ead discovery)
5、和先导化合物的优化(1ead optimization)。先导化合物又称原型物，简称先导物，是通过各种途径或方法得到的具有某种生物活性的化学结构。先导物未必是可实用的优良药物，可能由于药效不强，特异性不高，药代动力学性质不合理，或毒性较大等缺点，不能直接药用，但作为新的结构类型和线索物质，对进一步结构修饰和改造，即先导物的优化，却是非常重要的。,先导化合物的发现：,为了进行先导化合物的优化，前人积累的各种经验性法则或规律是重要的借鉴或依托。对许多药物研制成功的过程和背景材料加以研究和系统化，可总结出经验性规律，即化学结构与生物活性间的关系，利用这些定性或定量的规律性变化加以引伸或扩展，特别是计
6、算机辅助进行优化设计，对先导物进行结构变换或修饰，以使生物学性质臻于完善，达到安全、有效和可控的药用目的。先导化合物的产生和优化是个相继发生的分子和化学操作，前者是基础，是优化过程的必要准备；而优化是先导物的必然归宿，两个过程互相联系，相辅相成。,先导化合物的优化：,第二节 先导化合物的产生,Lead compound discovery,天然生物活性物质，例如：动物、植物、海洋生物、微生物等体内的活性成分，以及矿物有效成分；组合化学方法制备化合物库，辅以高通量或自动化筛选，是近年来发展的寻找和优化先导物的新途径；一些重要的内源性物质，例如：与疾病相关酶系的底物，受体的配体等，是衍化先导物的重
7、要根据；基于生物大分子例如：核酸，酶，受体，生物膜等的三维结构进行分子设计，即基于结构的分子设计(structure-based molecular design)；,先导化合物的产生可有多种途径:,基于生物大分子与配体小分子作用机理进行分子设计，即基于机理的分子设计(mechanism-based molecular design)，通过化学和分子模拟，是产生先导物的重要方法；根据化合物活性的多样性或临床使用中发现的副作用，可作为先导物质，创制新药；天然产物或合成的活性化合物的中间体也可成为先导物的来源；随机筛选，一药多筛；偶然发现，也可产生先导化合物。,一、天然生物活性物质,在药物发展的早
8、期阶段，利用天然活性物质几乎是唯一的治疗手段，时至今日，从动植物和微生物体内分离鉴定具有生物活性的物质，仍然是先导物甚至是药物的主要来源。天然活性成分往往有新颖的结构类型，新型结构常常有独特的药理活性。,自然界生物的多样性决定了天然化合物的分子多样性，多样性的天然产物，是先导化合物的重要来源。植物、动物、微生物以及海洋生物等在进化过程和物竞天择的竞争环境中，为了自身的生存和种群的繁衍，制造了各色各样的次级代谢物质(secondary metabolites)，这些物质是用于化学吸引昆虫或动物以帮助传播种子和繁衍后代，或者为了保护自己免被周围环境的生物或不适条件所毁灭。,植物产生一些萜类物质模拟
9、昆虫激素；青霉菌产生青霉素并向周围分泌，抑制与其共存的细菌生长；一些植物为了保存自己不被动物吃掉，产生诸如强心苷类，或作用于中枢神经系统的生物碱，或产生不愉快味道、引起呕吐的物质等。从动物脏器中提取的激素，虽然有些可直接作为药物，但更多作为先导物。,例如：,我国有悠久的历史，丰富的中医药遗产，是发现先导物的宝库；民间治疗疾病的偏方验方，也是获取先导物的来源。采用各种分离手段，如：色谱法(HPLC、GC、TLC等)，电泳、凝胶过滤等方法，应用包括：高分辨核磁共振谱、质谱、X-线晶体衍射以及与色谱法联用在内的现代分离、分析方法，以确定天然成分的化学结构、构型和构象，配以微量快速大规模的生物活性筛选
10、方法，使得分离鉴定天然活性产物的研究工作能够快捷准确地完成；,微量复杂结构成分也因使用先进的分离鉴定和生物评价手段而得以成为有价值的线索物质。动物和人体内源性以及自体活性物质，例如：神经递质、激素、前列腺素。多肽等微量活性成分，也成为创制新药的先导化合物。,(一)青蒿素,青蒿素(Artemisinine,Qing Hao Su,4-1)是我国学者自黄花蒿(Artemisia annula)分离出的倍半萜类化合物，具有强效抗疟作用，对于氯奎耐药的恶性疟原虫(Plasmodium berghei)感染的小鼠有明显治疗作用。青蒿素分子中含有的过氧键被证明是必要的药效团；内酯键经硼氢化钠还原生成半缩醛
11、，为二氢青蒿素(4-2)，仍保持活性。青蒿素的生物利用度较低，而二氢青蒿素或其甲基化产物蒿甲醚(4-3)和琥珀酸单酯钠青蒿琥酯(4-4)的生物利用度提高，临床已用于治疗各种疟疾。,青蒿素(4-1)二氢青蒿素(4-2)蒿甲醚(4-3)琥珀酸单酯钠青蒿琥酯(4-4),(二)长春花生物碱,自长春花(Vinca rosea)分离的长春新碱(Vincristine，4-5)和长春碱(Vinblastina，4-6)，是吲哚化合物的二聚偶联物，最初认为长春花提取液有降血糖作用，但试验表明无降血糖活性，但可使血液中白细胞减少。长春花生物碱与微管蛋白结合阻止微管蛋白聚合，使细胞周期停止在间期。阻断了细胞分裂而
12、死亡。长春新碱的抗癌活性高于长春碱，而后者在植物中的含量是前者的100倍，因而可用半合成方法将长春碱转化为长春新碱。然而，长春新碱和长春碱都有神经毒作用，用半合成法将其甲酯转变成酰胺，为长春地辛(Vindeline，4-7)，后者以硫酸盐用于临床，其作用与长春新碱基本相同。,根据这类生物碱的生物合成途径，Potier等合成了5-失碳-15，20失水长春碱，称作诺维本(Navelbene，4-8)，诺维本的药效学和药代动力学特点均强于天然的生物碱，临床已用于治疗小细胞肺癌和乳腺癌等。,长春新碱(4-5)和长春碱(4-6)长春地辛(4-7),(三)喜树碱,自中国特有珙桐科植物喜树(Captothe
13、ca acuminate Decna)得到的含并合的喹啉生物碱喜树碱(Camptothecin，4-9)具有强效抗癌作用，分子中的内酯环和内酰胺基团是抗癌的必需基团，可认为是药效团。喜树碱的抗癌作用机理是抑制DNA拓扑异构酶。喜树碱的毒性较大，水溶解度低，不能直接在临床应用，可于芳环上引入各种基团，例如：9，10或11位引入氨基或羟基可显著提高活性，但12位取代，则降低活性。,为了增加喜树喊的水溶性，可制成含氨基或羧基的前药，例如：10-羟基-9-二甲胺甲基喜树碱拓扑替康(Topotecan，4-10)和水溶性前药伊立替康(Irinitecan，4-11)已在临床应用。,喜树,喜树,喜树,梧桐
14、,(四)紫杉醇,自红豆杉属(Taxus)植物树皮中分裂得到的紫杉醇(Paclitaxel，4-12)具有强效抗肿瘤作用。虽然其作用靶点是微管蛋白，但与长春碱对微管蛋白的作用相反，紫杉醇促进微管蛋白的聚合，并使其稳定化，从而阻止了微管蛋白在有丝分裂中的功能。临床上使用紫杉醇治疗卵巢癌，乳腺癌和恶性黑素瘤，效果显著。紫杉醇的缺点是在植物体内含量少，溶解度低，生物利用度差。,以紫杉醇为先导物，进行了系统结构修饰，提示C13侧链对于抗癌作用非常重要，环丁氧烷也是必要的药效团。含叔丁基的类似物(Docetaxel，4-13)增加了水溶解性，活性强于紫杉醇，且无交叉耐药性，已临床使用。,(五)大环内酯类抗
15、生素,大环内酯系指具有14或16员环内酯结构的抗生素，环上一般连有2个或多个糖基，主要用于治疗上、下呼吸道感染。其作用机理是抑制细菌依赖于RNA的蛋白质合成，与细菌的核糖体50s亚基发生可逆性结合，抑制蛋白质的合成。典型药物是红霉素(4-14)。红霉素有较明显的胃肠道刺激作用，研究表明：在酸催化下，6位羟基与9位酮基形成半缩酮，再与12位羟基生成缩酮，该过程是红霉素产生胃肠道刺激和失去抗菌作用的主要原因。为避免缩酮的生成，将6位羟基甲醚化，得到克拉霉素(Clarithromycin，4-15)，对胃肠道的刺激小，而且，因脂溶性增加，口服生物利用度提高，化学稳定性较好，因而改善了抗菌作用。,另一
16、个大环内酯是阿奇霉素(Azithromycin，4-16)是在C9和Cl0之间插入N-CH3的扩环产物，与红霉素相比，阿奇霉素提高了对酸的稳定性，半衰期长，可日服一次，抗菌广谱。,红霉素(4-14)克拉霉素(4-15)阿奇霉素(4-16),(六)美伐他汀,某些微生物的次级代谢产物与人体内的正常代谢产物的结构具有相似性，这可能是在生物的长期进化过程中保存下来的，以致微生物的代谢产物可能对人体的某个生化过程有干预作用。自真菌Penicillium citrinum和从Aspergillus terreus的培养液中分别得到的美伐他汀(Mevastatin，4-17)和麦维诺林(Mevinolin，
17、4-18)，可选择性地抑制羟甲基戊二酰辅酶A(HMGCoA)还原酶，该酶是催化3-羟基-3-甲基戊二酸辅酶A还原成3，5-二羟基-3-甲基戊酸的反应，后者是体内胆固醇生物合成的级联反应的限速步骤。,美伐他汀(Mevastatin，4-17)麦维诺林(Mevinolin，4-18),美伐他汀和麦维诺林对HMG CoA还原酶抑制作用的Ki值分别为1.410-9 mol/L和6.410-10molL。而底物HMG CoA的Km值为1.4 10-5molL，这两个抑制剂与酶的亲和力分别高于底物7千倍和1万6千倍。结构分析：美伐他汀和麦维诺林分子中都含有以内酯形式存在的3，5-二羟基戊酸的片段，在体内被
18、血清或组织中的酯酶水解成相应的羟基酸，是与酶结合的活性形式。此外，在酶的活性中心有一个疏水腔，与抑制剂下半部的十氢萘部分结合，导致这种结合非常牢固，成为强效抑制剂。,二、以生物化学为基础发现先导物,生物化学和分子生物学的发展，为系统地寻找生物活性物质开辟了广阔的领域，为药物分子设计提供了新的靶点和先导物。例如:激素、神经递质和维生素的功能、生物合成的级联反应、代谢中间体和终产物，都可作为设计药物分子的出发点，对这些活性物质作结构变换，可增强或阻断、拮抗生理生化过程，对异常的或失衡的机体功能发挥纠正调节作用。,(一)吲哚美辛类非甾体抗炎药,炎症的重要介质5-羟色胺的功能被揭示后，希望能够寻找其受
19、体拮抗剂以治疗各种原因引起的炎症。另一方面，在风湿性关节炎患者的尿中，有高水平的色氨酸的代谢产物。因而，以含吲哚环的化合物为先导物，在众多取代的吲哚-3-乙酸化合物中，选择出吲哚美辛（Indomethacin，4-19）作为解热镇痛药和关节炎治疗药。,前列腺素G和H是重要的炎症介质,它是花生四烯酸经环氧合酶催化氧化级联反应而产生的。在环氧合酶的三维结构被解析之前，Gund等用计算机图形学方法比较了花生四烯酸和吲哚美辛的构象，表明这两个化合物的三维结构有相似性。烯键和羧基在空间的位置具有对应性，因而，竞争性地与环氧合酶结合，并由此演绎出环氧合酶活性部位的拓扑模型。成为设计新型非甾体抗炎药的模板。
20、为了消除或减轻吲哚美辛对胃肠道的刺激作用，经结构改造、开发了其电子等排物舒林酸(Sulindac，4-20)。,吲哚美辛（Indomethacin，4-19）舒林酸(Sulindac，4-20),(二)卡托普利类降压药,血管紧张素转化酶(ACE)可将具有十肽结构的血管紧张素(Angiotensin)裂解为八肽血管紧张素(Angiotensin)，后者可使平滑肌收缩，并促进醛甾酮的生物合成和分泌，使血压升高。能够抑制血管紧张素转化酶活性的物质，应具有降压作用。,羧肽酶A(Carboxypeptidase A)与血管紧张素转化酶的结构与功能有相似之处，参考了对羧肽酶A有抑制作用的D-苄基琥珀酸的结
21、构，设计了琥珀酰-L-脯氨酸，对ACE有较弱的抑制作用，作为先导物，经侧链的变换，例如：引入甲基，用巯基替换羧基，优化出降压药卡托普利(Capto-pril，4-21)。卡托普利是血管紧张素转化酶强效抑制剂，其分子有多个功能基：巯基与酶的辅基锌离子形成配位键，羧基的负电荷与酶分子的正电荷形成静电引力，羰基与氢原子生成氢键，脯氨酸残基则与S-甲基有立体特异性的疏水和范德华力的作用。,卡托普利分子中的巯基可引起副作用，且化学性质不稳定。进一步变换结构，模拟产物的结构，将巯基换成羧烷基，并用-NH-替换-CH2-，以调整抑制剂的疏水-亲水性，得到依那普利(Enalapril，4-22)，它对ACE抑
22、制作用的IC50强于卡托普利19倍。,卡托普利(Capto-pril，4-21)依那普利(Enalapril，4-22),(三)H2受体拮抗剂的抗溃疡作用,组胺（histamine）是自身活性物质(autocoids)主要含于肥大细胞及嗜碱细胞中。组胺受体有H1、H2、H3亚型，均为G蛋白偶联受体。,4-甲基组胺对H2受体的激动作用强于H1受体。其分子侧链的氨基经胍基代替，其激动H2受体的内在活性降低50%，成为部分激动剂。改变胍基的碱性，换成脲基或硫脲基，得到的布立马胺(Burimamide，4-23)为H2受体拮抗剂，进而4-位引入甲基。测链加入硫原子，最终研制出西咪替丁(Cimetidi
23、ne，4-24)。咪唑环并非必需的药效团，雷尼替丁(Ranitidine4-25)和法莫替丁(4-26)等H2受体拮抗剂分别是用呋喃环和噻唑环替换咪唑环的有效抗溃疡药。,以组胺为化学起始物，寻找对组胺H2受体有拮抗作用的物质。,布立马胺(Burimamide，4-23)西咪替丁(Cimetidine，4-24),雷尼替丁(Ranitidine，4-25)法莫替丁(4-26),三、基于临床副作用观察产生的先导物,机体的各种器官、组织、细胞含有多种受体、酶或其它生物大分子，理想的药物应只对靶器官、靶组织的特定受体或酶发生相互作用，或者只对病源体的某生物大分子起作用，产生选择性或特异性作用。先导化合
24、物常常具有多种生物活性，这对于研制特异性药物是不利的，在修饰结构优化活性时，强化所希望的活性，尽可能降低其它作用，使临床研究的候选化合物有较好的选择性。然而很难除去所有不希望有的作用。,临床应用的药物几乎很难只向靶组织作特异性分布并与受体起作用，这导致在用药时出现不良反应。通过对副作用的密切观察和对作用机理的深入研究，可以作为研制新药的线索，作为发展另一类新药的先导物。此时所进行的操作，是提高该副作用的强度成为主作用，扬弃原来的药理作用。,(一)磺酰脲的降血糖作用,20世纪40年代用磺胺异丙噻二唑(4-27)治疗伤寒病，当使用大剂量时会造成死亡，死因是由于药物刺激胰腺释放出胰岛素，导致急性和持
25、久地血糖降低。与此同时，临床又发现氨磺丁脲(Carbutamide，Bz 55，4-28)的降血糖作用强于(4-27)，人们利用此副作用研究口服降血糖的药物。,磺胺异丙噻二唑(4-27)氨磺丁脲(Carbutamide，Bz 55，4-28),合成了大约10000个磺酰脲化合物。构效关系研究表明，苯环上存在取代基，脲基氮原子上有烷基或环烷基取代有利于降糖作用。例如：发明了甲苯磺丁脲(Tolbutamide，4-29)，氯磺丙脲(Chlorpropamide，4-30)，格列吡嗪(Glipizide，4-31)，格列波脲(Glibornuride，4-32)。格列齐特(Gliclazide，4-
26、33)除具有降血糖作用外，还可阻止血小板聚集，可阻断糖尿病患者的视网膜病的发展。,甲苯磺丁脲(Tolbutamide，4-29)，氯磺丙脲(Chlorpropamide，4-30)格列吡嗪(Glipizide，4-31)，格列波脲(Glibornuride，4-32)格列齐特(Gliclazide，4-33),(二)单氨氧化酶抑制剂的发现,异烟肼(4-34)和异丙烟肼(Iproniazid，4-35)治疗结核病时，发现患者服用异丙烟肼后情绪增高。研究表明，异丙烟肼可抑制单氨氧化酶(降解DA)，临床上用于治疗抑郁型精神病患者。构效关系提示，酰基并非必需基团，但肼基或酰肼基的氮原子需有烷基或环烷基
27、取代，从而研制出苯乙肼(Phenelzine，4-36)，进而证明胺类也是单氨氧化酶抑制剂，如：反苯环丙胺(Tranylcypromine，4-37)和司来吉兰(Selegiline，4-38)都是抗抑郁药。,异烟肼(4-34)异丙烟肼(4-35)苯乙肼(4-36)反苯环丙胺(4-37)司来吉兰(4-38),(三)促毛发生长的米诺地尔,米诺地尔(Minoxidil，4-39)直接作用于血管平滑肌，扩张外周血管，临床用作降血压药。长期服用米诺地尔会促进毛发生长，特别是头部、面部毛发生长旺盛，作用机理可能是开启钾离子通道。该药物已作为局部用药治疗脱发症。,(四)芳构酶抑制剂格鲁米特,格鲁米特(Gl
28、utethimide，4-40)是非巴比妥类镇静药，用于治疗癫痫病，但由于其严重的副作用于20世纪60年代停用。副作用类似于抗雌激素作用。以后发现氨鲁米特(Aminoglutethimide，4-41)对乳腺癌患者有类似于切除肾上腺的效果，临床上用于治疗绝经后妇女乳腺癌。该药抑制了芳构酶(aromatase)，芳构酶催化睾酮和雄甾烯二酮转化成雌酮或雌二醇的反应，使雌激素水平下降，抑制了依赖于雌激素的乳腺癌。,格鲁米特(Glutethimide，4-40)氨鲁米特(Aminoglutethimide，4-41),四、基于生物转化发现先导物,机体将药物通过相和相代谢反应，转化成易溶于水的化合物，以
29、利于排出。生物转化的大多数后果是药物失去或降低了活性，即代谢失活；但有的化合物经代谢后提高了活性，即代谢活化。经生物转化作用产生药理作用更强的代谢物可作为先导化合物，甚至直接作为新药，已有不少成功的实例。药物本身已有活性、经代谢后活性进一步提高。,(一)解热镇痛药：对乙酰氨基酚（扑热息痛 Paracetamol）,解热镇痛药非那西丁（对乙酰氨基苯乙醚）在体内代谢脱乙基，生成对乙酰氨基酚，对乙酰氨基酚的药理活性强于非那昔丁，而且不引起正铁血红蛋白的产生所造成的毒性。,扑热息痛 Paracetamol,(二)抗疟药：环氯胍,抗疟药氯胍在体内代谢合环，生成环氯胍，环氯胍具有二氢三嗪结构，是活性更强的
30、化合物。研究表明，环氯胍是二氢叶酸还原酶的强效抑制剂，循此先导物研制出作用更强的抗疟药乙胺嘧啶。,氯胍(Proguanil，4-42)环氯胍(Cycloguanyl，4-43)乙胺嘧啶(Pyrimethamine，4-44),(三)维生素D3,维生素D3(Cholecalciferol，4-45)与骨骼形成有关，促进钙和磷酸根在软骨组织中沉积。维生素D3在体内转变成骨化三醇(Calcitriol，4-46)是活化钙和磷酸的主要物质，它有维生素D的全部激素样功能。维生素D3转变成骨化三醇的羟基化过程是分步进行的，首先在肝脏中生成骨化二醇(Calcifediol，4-47)，然后在肾脏中引人1-羟
31、基。骨化三醇显然是活性更强的维生素D3。,维生素D3(Cholecalciferol，4-45)骨化三醇(Calcitriol，4-46)骨化二醇(Calcifediol，4-47),(四)5-氨基水杨酸治疗结肠炎,柳氮磺吡啶(Azulfidine，4-48)是5-氨基水杨酸与磺氨吡啶经偶氮键连接的化合物，治疗溃疡性结肠炎，在肠道中被微生物还原分解成5-氨基水杨酸(4-49)和磺氨吡啶，起到抗菌、消炎和免疫抑制作用，5-氨基水杨酸是该药物的活性成分，它已成为治疗溃疡性结肠炎的有效药物。,(五)保泰松的代谢活化,抗炎镇痛药保泰松(Phenylbutazone，4-50)在体内转化，主要生成两种氧
32、化代谢产物：芳环的4-羟基化和丁基的-1羟基化。前者得到的羟布宗(Oxyphenbutazone，4-51)其抗炎作用强于原型药，它已用化学合成方法制成药物上市，不必经过肝脏的体内代谢活化。保泰松的丁基羟基化（4-52）产物具有新的药理作用，促进尿酸排泄，可以治疗痛风病，以它作为先导物，研制出新的抗痛风药磺吡酮(Silfinpyrazone，4-53)。,保泰松(Phenylbutazone，4-50)羟布宗(Oxyphenbutazone，4-51)保泰松的丁基羟基化（4-52）抗痛风药磺吡酮(Silfinpyrazone，4-53),五、药物合成的中间体作为先导物,合成天然活性物质或药物的
33、中间产物，它们之间的化学结构往往具有相似性或相关性，或者存在有相同的药效团配置，这时合成的中间体有时会呈现与终产物相似、相同或更优良的活性。,(一)抗结核药异烟肼和抗抑郁药异丙烟肼,抗菌药磺胺噻二唑的中间体缩氨硫脲，经筛选发现对结核杆菌有强效抑制作用，最终研制出抗结核药阿密硫脲(Amithiozone，4-54)。而在合成硫代缩氨脲类化合物中，发现中间体异烟肼(Isoniazid，4-55)的抗结核作用更强，诞生了抗结核药异烟肼。在修饰异烟肼的结构以设计更强的抗结核药时，发现了异丙烟肼(Iproniazid，4-56)对单胺氧化酶有抑制活性，继之研制出肼类单胺氧化酶抑制剂作为抗抑郁药。,阿密硫
34、脲(Amithiozone，4-54)异烟肼(Isoniazid，4-55)异丙烟肼(Iproniazid，4-56),(二)降转氨酶药物联苯双酯,由北五味子(Schizandra chinensis Bei)果实中分离的一种木质素五味子丙素(schizandrine C，4-57)具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在合成这类联苯化合物中，发现中间体联苯双酯的保肝作用强于五味子丙素。在初期确定五味子丙素的结构时，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物试验表明，其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的联苯双酯(Bi
35、fendate，4-58)。,有趣的是，当纠正了五味子丙素的结构后，合成了相应的中间体-异构体，却没有保肝作用。显然，当初若正确确定了五味子丙素的结构，未必能够或至少会推迟联苯双酯的研制。由联苯双酯作为先导物又优化出了活性更强的药物。,五味子丙素(schizandrine C，4-57)联苯双酯(Bifendate，4-58),六、组合化学的方法产生先导物,(一)组合化学基本原理新药研制的效率在很大程度上取决于化合物的合成和生物评价的速度，这关系到人力和资金是否得到充分的利用和快速的回报。数十年来，合成药物的传统模式是一次合成并评价一个化合物，而且一直沿用至今。组合化学采用了完全不同的策略，是
36、在同一时刻制备出数目众多、用于生物评价的群集分子，诸如肽类、寡核苷酸或非聚合型的有机分子等。,组合化学是基于这样的前提：用随机筛选的方式发现活性分子的概率，与所筛选化合物的数目成正比，即筛选的化合物数量越多，得到活性化合物的可能性越大。这种方法的原理是基于一系列组建模块(Building block)发生所有可能的组合方式，会生成数量巨大的化合物库。,表4-1列举的数字表明，以代数级数增加组建模块的数目，所生成的化合物数量则成几何级数的增加。,传统的合成方法是液相或均相反应，已经积累了上百年的经验。固相合成法进行反应、自动化合成和deconvolution策略，可得到群体化合物，这些化合物可以
37、呈溶解状态，也可以与固相支持剂结合，每个支持剂上可有单一的化合物或是混合物。选用方法的标准取决于活性测定的方法和目的。图4-1是在固相支持剂上用合-分法进行并合合成的策略和模式。,固相合成制备肽类和寡核苷酸化合物获得了很大的成功，有机小分子化合物也可用固相方法合成。用固相法合成有机分子的反应类型远比肽或核苷酸的反应类型复杂，合成经验比液相反应少得多，需要投入更多的研究，这对建立研究小分子化合物库，进行先导化合物的筛选却是非常值得的。,(二)举例,由3个模块组建苯并二氮唑化合物库是个成功的实例。首先，合成有保护氨基的二苯酮，环上带有可与树脂连接的羟基或羧基，与树脂结合后，被保护基Fmoc保护的氨
38、基去保护后，经-氨基酸酰化，再去保护，酸催化环合，再经N-烷基化，酸催化裂解，可得到较纯净的苯并二氮卓，见图4-2。,Coxdeev等用固相法合成了1，4-二氢吡啶组合库，库容量为300个化合物，以期创制钙通道拮抗剂。使用的3个组建模块为-酮酸酯或二酯(10种)，第2个模块也为-酮酸酯或二酯(3种)，第3个模块为取代的芳香醛(10种)，生成300个化合物均匀分布在30个合成器内，每个合成器中含有10种化合物。分别应对30个合成器中的样品作活性筛选，找到活性最强的一组(10个)或两组(20个)化合物，再进一步试验得出阻断该钙通道活性最强的化合物。其方法和流程如图4-3所示。,该结构在理论上与酶活
39、性部位会有更牢固的结合。起初设计的是含sp3杂化碳上带有一个羟基、相邻的氨基用电子等排体亚甲基代替并配置亮氨酸(Leu)和缬氨酸(Val)的侧链的多肽，对肾素有抑制作用。,八、反义核苷酸,基于DNA或信使RNA(mRNA)的结构，设计寡核苷酸是药物分子设计的另一种方法。DNA双螺旋的互补性结合是通过核酸碱基腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)之间的氢键所维持。DNA在细胞分裂时每股螺旋复制出自身的互补链，生成子代的DNA；另一个功能是转录出信使RNA，mRNA具有指导翻译生成蛋白质的功能。,如果设计能够与DNA或信使RNA发生特异性结合，分别阻断核酸的转录或转译功能，则会阻
40、止与病理过程相关的核酸或蛋白质(例如：酶或受体)的生物合成。这种可与DNA或信使RNA结合的互补链称作反义寡核苷酸。所以，反义寡核苷酸作为药物应认为是从遗传信息的复制、转录或翻译的根本上干预病理过程，理论上应是“治本”的药物。,许多疾病的原因是基因组的缺陷或在基因转录或翻译过程中的失常，迄今完全清楚DNA结构与功能的改变同临床表现的相关疾病的是癌症和病毒性疾病。癌症由多种因素引起，但主要是致癌因素激活了癌基因；逆转录病毒的遗传物质参人到宿主的DNA中，导致艾滋病等病毒性疾病的发生。所以，建造直接针对细胞的DNA或RNA的分子，原则上应当能够清除病因，阻止或逆转这些疾病。,核酸作为靶点的优点是将
41、基因的表达阻止在最早阶段，而且核酸的结构比较蛋白质结构清楚，设计核酸的拮抗剂比设计蛋白质拮抗剂理论上要容易些。反义寡脱氧核苷酸所带的碱基与DNA或mRNA片段呈互补时，可与之结合，形成DNA-寡核苷酸或mRNA-寡核苷酸杂交链，选择性地抑制基因的表达。,反义寡核苷酸与DNA结合时，是同Hoogsteen碱基对呈互补结合形成三螺旋(triple helical structure)，从而抑制了核酸的转录，也可与mRNA作互补性结合，抑制信使RNA对蛋白质表达。然而DNA靶点不像mRNA那样简单，因为反义寡核苷酸与单链核酸的交联比与双链核酸更容易，即干预mRNA的翻译比干预DNA的转录更容易，这是
42、因为外加入的寡核苷酸一般浓集在胞浆中，较易与处在胞浆中的mRNA结合。,容易合成并可大量制备；在体内稳定，能够耐受核酸酶对寡核苷酸的磷酸二酯键的水解；能够进入（穿越细胞膜）并停留在靶组织处，与靶细胞内核酸发生相互作用，但不与其他生物大分于反应。,反义寡核苷酸用作药物应满足以下的标准：,为了只对一个基因的识别和结合，提高选择性，反义寡核苷酸要有一定的长度。统计学表明，每17链节寡核苷酸(17-mer)只在人基因组中出现一次。合成的反义链长可以是由15个(G-C含量高时)到大约20个碱基(A-T含量高时)核苷酸。增加核苷酸数会提高选择性，因而会降低了毒副作用。但超过25个碱基的寡核苷酸难以透过细胞
43、膜，不宜作为反义寡核苷酸。,核酸酶存在于细胞核内或核外，功能是裂解核酸中的磷酸二酯键使核酸降解。核酸酶可降解外切位点(5-或3-外切核酸酶)或降解内切位点(内切核酸酶)。它的存在限制了正常的寡核苷酸作为“反义”核苷酸的应用，因为它们在细胞外介质中会迅速被降解。为了提高对酶降解的抗性，增加稳定性，可制成核苷酸模拟物，包括：改变磷酸二酯基、脱氧核糖、碱基和末端的结合物。现在临床试验的反义寡核苷酸药物大都是硫代寡核苷酸。,另一个20链节的硫代寡核苷酸称作阿福韦生(Afovirsen)，是抗艾滋病药物。,例如：20链节硫代寡核苷酸是个抗炎药；,九、幸运发现的先导物,偶然发现，或称幸运发现(serend
44、ipity)，在这个过程中，适时地捕获机遇和仔细地分析与研究，是成功的关键。,(一)青霉素的发现,青霉素的发现开辟了抗生素药物治疗的新纪元。Fleming的幸运在于数个机遇凑在一起，并被他适时地抓住了（1928年）。首先，Fleming所在的实验室的青霉菌污染了他的培养基，该菌株又是为数不多的青霉素产生菌；其次，他所用的琼脂培养基中有其它细菌与青霉菌同时生长，构成了观察青霉素抗生作用的环境，而且，所设定的培养条件也适合于这两种菌株的生长；而最重要的是他在未计划和未预料的实验中，观察到细菌生长点和抑菌圈的出现，并得出正确的结论。,由青霉素和头孢菌素等构成的-内酰胺类药物的发现和应用，都是以Fle
45、ming的机遇、智慧和勤奋工作而作为开端的。,(二)苯二氮卓的发现,第一个作为安定药的氯氮卓(Librium，4-62)的发现纯属是偶然性的，Sternbach在从事新型安定药物研究中，原计划合成苯并庚氧二嗪(4-63)，当R1是CH2NHCH3，R2是苯基时，并未得到目的物，而得到喹唑啉N-氧化物(4-64)，该化合物无安定作用，以致终止了此研究项目。清洗仪器时发现瓶中存在的原以为是喹唑啉N-氧化物的结晶，经药理试验，意外发现有明显的安定作用。进一步根据反应条件推导可能的产物，确证该结晶是苯并二氮卓的结构。,氯氮卓(Librium，4-62)苯并庚氧二嗪(4-63)喹唑啉N-氧化物(4-64
46、),该反应历程是：,(三)铂配合物,Rosenburg在研究电流对大肠杆菌生长的作用时，观察到菌体细胞变长了，后证明是铂电极在电流的作用下生成了铂配合物，释放到溶液中影响了大肠杆菌的生长。进而在细菌培养液中加入顺式构型的铂配合物就会使细胞变长。用顺铂(Cisp1atin，4-65)，研究对移植性肿瘤试验表明，有强效细胞毒作用，从而开辟了顺铂类化疗药物。,(四)降转氨酶药物联苯双酯,由北五味子果实中分离的一种木质素五味子丙素(schizandrine C，4-66)具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在初期确定五味子丙素的结构是，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物试验表明其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的-联苯双酯(4-67，商品名为联苯双酯)。当纠正了五味子丙素的结构后，合成的相应的中间体-异构体(4-68)，却没有保肝作用。,五味子丙素(schizandrine C，4-66)-联苯双酯(4-67)中间体-异构体(4-68),Thank You,
