- 药物发现：寻找先导化合物
- 药物发现：寻找先导化合物
当制药公司或大学研究团队启动一个新的药物化学项目，直至鉴定出先导化合物时，他们通常会按顺序考虑以下步骤：
1-选择疾病
- 药物发现：寻找先导化合物
2-选择药物靶点
- 药物靶点
- 发现药物靶点
- 靶点特异性与种间选择性
- 靶点特异性与体内选择性
- 靶向药物至特定器官和组织
- 陷阱
- 药物发现：寻找先导化合物
3-确定生物测定
- 生物测定的选择
- 体外试验
- 体内试验
- 测试有效性
- 高通量筛选
- NMR筛选
- 亲和筛选
- 表面等离子体共振
- 闪烁亲近测定
- 药物发现：寻找先导化合物
4-寻找先导化合物
- 天然产物筛选（植物界、微生物界、海洋世界、动物来源、毒液和毒素）
- 医学民俗
- 合成化合物“库”筛选
- 现有药物
- 从天然配体或调节剂开始（受体的天然配体、酶的天然底物、酶产物作为先导化合物、天然调节剂作为先导化合物）
- 药物发现：寻找先导化合物
4-寻找先导化合物
- 组合合成
- 计算机辅助设计
- 偶然发现与有准备的头脑
- 结构数据库的计算机搜索
- 通过NMR设计先导化合物
- 药物发现：寻找先导化合物
5-分离与纯化
6-结构确定
7-草药医学
- 一、选择疾病
制药公司往往专注于开发针对发达国家常见疾病的药物，并旨在生产比现有药物性能更优的化合物。
制药公司在决定设计新药针对哪种疾病时，必须考虑经济因素以及医学因素。
新药的研究与开发需要巨大的投资。
- 一、选择疾病
因此，公司必须确保其投资获得良好的财务回报。
因此，研究项目通常侧重于发达世界中的重要疾病，因为这是新药的最佳市场。
因此，针对偏头痛、抑郁症、溃疡、肥胖、流感、癌症和心血管疾病等疾病进行研究。
对发达世界的热带病研究较少。只有当这些疾病开始对较富裕国家产生影响时，制药公司才会予以关注。
例如：由于前往异国他乡的旅游增加以及疟疾蔓延至美国南部各州，抗疟疾药物的研究有所增加。
- 二、选择药物靶点
选择针对哪种疾病通常是公司市场策略师的事。科学在下一阶段变得重要。
选择一个分子靶点，该靶点被认为在受药物影响时会影响特定疾病。
能够实现的选择性越高，副作用的机会就越小。
- 二、选择药物靶点
1-药物靶点
一旦确定了治疗领域，下一步就是确定合适的药物靶点（例如，受体、酶或核酸）。
了解哪些生物大分子参与特定疾病状态非常重要。
这将使药物化学家决定是为特定受体设计激动剂还是拮抗剂，或者为特定酶设计抑制剂。
例如，三环类抗抑郁药如地昔帕明已知能抑制神经突触中NA的摄取。然而，这些药物也抑制5-羟色胺的摄取，因此出现了抑制5-羟色胺摄取可能有益的设想。寻找选择性5-羟色胺再摄取抑制剂导致发现了氟西汀，这是一种最畅销的抗抑郁药。
- 二、选择药物靶点
2-发现药物靶点
如果一种药物或毒物产生生物效应，那么该剂在体内必定有一个分子靶点。
过去，药物靶点的发现依赖于先找到药物。然后，天然化学信使开始被发现。
但许多靶点仍然隐藏（孤儿受体，即内源性配体未知的新型受体），其化学信使也未知。
挑战在于找到一种能与这些靶点相互作用的化学物质，以了解其功能以及它们是否适合作为药物靶点。这是快速发展的组合合成领域的主要驱动力之一（组合合成：在短时间内使用不同试剂和起始材料合成大量化合物，并测试其活性）。
- 二、选择药物靶点
3-靶点特异性与种间选择性
靶点特异性和选择性是现代药物化学研究的关键因素。
药物对其靶点的选择性越高，与其他靶点相互作用并产生不良副作用的机会就越小。
例如，青霉素靶向参与细菌细胞壁生物合成的酶。哺乳动物细胞没有细胞壁，因此这种酶在人体细胞中不存在，青霉素副作用很少。
- 二、选择药物靶点
4-靶点特异性与体内选择性
选择性对于作用于体内靶点的药物也很重要。
酶抑制剂应仅抑制目标酶，而不是其他酶。
受体激动剂/拮抗剂应理想地与特定类型的受体（如肾上腺素能受体）相互作用，而不是与多种不同受体相互作用，甚至是特定受体类型（如β受体）或特定受体亚型（β2受体）。
理想情况下，酶抑制剂应显示对酶的各种同工酶的选择性。
- 二、选择药物靶点
5-靶向药物至特定器官和组织
针对特定受体亚型的药物通常可以将药物靶向特定器官或大脑的特定区域。
这是因为各种受体亚型在体内并非均匀分布，而是通常集中在特定组织中。例如，心脏中的肾上腺素能受体主要是β1，而肺中的主要是β2。如果一种药物作用于其中一种，则副作用会更少。
- 二、选择药物靶点
6-陷阱
人体是一个高度复杂的系统。可以确定特定酶或受体是否在特定疾病中起作用。
对于任何给定的功能，通常有多个信使、受体和酶参与该过程。
- 二、选择药物靶点
6-陷阱
例如，高血压没有单一简单的原因，有多种受体和酶可以作为治疗靶点。这些包括β1-肾上腺素受体、钙离子通道、血管紧张素转化酶（ACE）和钾离子通道。
有时，针对特定疾病可能需要处理多个靶点。例如，当前大多数哮喘疗法涉及支气管扩张剂（β2激动剂）和抗炎剂（如皮质类固醇）的组合。
- 三、确定生物测定
1-生物测定的选择
选择正确的生物测定或测试系统对于药物研究项目的成功至关重要。
测试应简单、快速且相关，因为通常需要分析大量化合物。
在早期阶段，人体测试不可能，因此必须首先进行体外测试。因为体外测试比体内测试更便宜、更容易进行、争议更少且可以自动化。
体内测试需要检查药物与特定靶点的相互作用并监测其药代动力学性质。
- 三、确定生物测定
2-体外测试
它们不涉及活体动物。相反，分离并使用特定组织、细胞或酶。
酶抑制剂可以在溶液中用纯酶进行测试。
受体激动剂和拮抗剂可以在分离的组织或细胞上进行测试。
抗菌药物通过测量它们在培养中抑制或杀死细菌细胞的效果来进行体外测试。
- 三、确定生物测定
3-体内测试
动物体内测试通常涉及诱导动物产生临床状况以产生可观察的症状。
然后治疗动物，看药物是否通过消除可观察症状来缓解问题。例如，非甾体抗炎药物的开发是通过在测试动物上诱发炎症来进行的。
- 三、确定生物测定
3-体内测试
使用的动物可能是转基因动物，即一些小鼠基因被人类基因替换，因此小鼠产生人类受体或酶。或者小鼠的基因可能被改变，使其对某些疾病（如乳腺癌）易感。
- 三、确定生物测定
3-体内测试
体内测试存在几个问题。它速度慢，并且会导致动物痛苦。还存在许多药代动力学问题，获得的结果可能具有误导性。例如，青霉素甲酯在小鼠中被水解成活性青霉素，而在人类或兔子中则不水解。此外，沙利度胺在兔子和人类中具有致畸性，而在小鼠中则没有。
- 三、确定生物测定
4-测试有效性
有时测试程序的有效性简单明了。例如，抗菌药物可以通过其杀死细菌的效果进行测试。局部麻醉剂通过其阻断分离神经动作电位的能力进行测试。
在其他情况下，测试程序更加困难。例如，没有抗精神病药物的动物模型。
因此，应进行测试的有效性验证。
- 三、确定生物测定
5-高通量筛选（HTS）
HTS涉及体外测试的微型化和自动化，以便在短时间内进行大量测试。
它涉及对大量化合物针对大量靶点进行测试。测试应产生易于测量的效果。这种效果可能是细胞生长、产生颜色变化（可能是染料）的酶催化反应，或放射性标记配体从其受体上的置换。
- 三、确定生物测定
6-NMR筛选
NMR曾作为确定化合物分子结构的工具。
最近，可以通过NMR光谱测试或筛选化合物与大分子靶点的亲和力。结合到大分子上的配体的弛豫时间比未结合时短（无法检测）。
在NMR光谱中，化合物受到短脉冲能量辐射，激发特定原子（H、N、C）的原子核，之后激发的原子核缓慢弛豫回基态，同时释放能量。
- 三、确定生物测定
6-NMR筛选
NMR作为检测系统有几个优点：
1- 一台机器一天可以筛选1000个低分子量化合物。
2- 该方法可以检测传统筛选方法可能遗漏的弱结合。
3- 它可以识别小分子与结合位点不同区域的结合。
4- 它与HTS互补。HTS可能产生假阳性结果，但可以通过NMR检查以确保相关化合物结合在正确的结合位点。
- 三、确定生物测定
6-NMR筛选
5- 识别弱结合分子为构建更紧密结合的较大分子提供了可能性。
6- 可以在不知道新蛋白质功能的情况下对其进行筛选。
NMR筛选也有局限性，主要一点是需要至少200毫克的蛋白质。
- 三、确定生物测定
7-表面等离子体共振（SPR）与闪烁亲近测定（SPA）
SPR（折射率变化）和SPA（光发射减少）是两种检测配体是否与大分子靶点结合的视觉方法。
- 四、寻找先导化合物
一旦选择了靶点和测试系统，下一步就是寻找先导化合物。先导化合物是显示所需药物活性的化合物。
其活性水平可能不是很高，并且可能存在不良副作用。
先导化合物为药物设计和开发过程提供了起点。
发现先导化合物有多种方法。以下是一些方式：
1-天然产物筛选（植物界、微生物界、海洋世界、动物来源、毒液和毒素）
- 四、寻找先导化合物
2-医学民俗
3-合成化合物“库”筛选
4-现有药物（仿制药及增强副作用）
5-从天然配体或调节剂开始（受体的天然配体、酶的天然底物、酶产物作为先导化合物、天然调节剂作为先导化合物）
6-组合合成
7-计算机辅助设计
8-偶然发现与有准备的头脑
9-结构数据库的计算机搜索
10-通过NMR设计先导化合物
- 四、寻找先导化合物
1-天然产物筛选
天然产物是生物活性化合物的丰富来源。
当今许多药物要么直接来自天然来源，要么是从最初从天然来源获得的先导化合物开发而成。
负责该活性的化合物被称为活性成分。
大多数具有生物活性的天然产物是结构相当复杂的次级代谢产物。其优点在于它们是极其新颖的化合物。
- 四、寻找先导化合物
1-天然产物筛选
但其复杂性的缺点在于合成困难，并且化合物需要从其天然来源中提取（即成本高且效率低）。
因此，需要设计先导化合物的更简单类似物。
天然产物可以从不同来源获得，例如：
1-植物界：它是先导化合物的丰富来源（例如，吗啡、可卡因、洋地黄、奎宁、筒箭毒碱、尼古丁和毒蕈碱、紫杉醇（泰素，最新抗癌药），要么是像吗啡这样的有用药物，要么是合成的基础）。植物仍然是新药的有希望来源。
- 四、寻找先导化合物
1-天然产物筛选
2-微生物界：细菌和真菌等微生物是先导化合物的丰富来源（例如，抗菌药物：青霉素、头孢菌素、四环素、氨基糖苷类、氯霉素、利福霉素）。
3-海洋世界：珊瑚、海绵、鱼类和海洋微生物具有具有生物活性的化学物质，具有有趣的抗炎、抗病毒和抗癌活性。例如，Curacin A（抗肿瘤，来自海洋蓝细菌）。
4-动物来源：从非洲爪蟾皮肤中提取了抗菌肽。
埃皮巴替丁（强效镇痛药）也从厄瓜多尔青蛙中获得。
- 四、寻找先导化合物
1-天然产物筛选
5-毒液和毒素：来自动物、植物、蛇、蜘蛛、蝎子、昆虫和微生物。它们很有效，因为它们与体内的大分子靶点有特异性相互作用。因此，它们是研究受体、离子通道和酶的重要工具。
例如，替普罗肽（来自蝰蛇毒液）是开发抗高血压药物西拉普利和卡托普利的先导化合物。
- 四、寻找先导化合物
2-医学民俗
由当地治疗师或萨满作为药物使用的浆果、叶子和根。许多是无用或危险的，如果它们有效，可能是由于安慰剂效应。
其中一些提取物确实具有真实效果（例如，奎宁（金鸡纳）、利血（罗芙木）、阿托品（颠茄）、吗啡（鸦片罂粟）、洋地黄（毛地黄）、依米丁（吐根）、可卡因（古柯）。
- 四、寻找先导化合物
3-合成化合物筛选（库）
已经合成了成千上万种化合物。这些化合物中的大多数未被使用或未上市。它们被储存在化合物库中，并且仍然可用于测试。
制药公司筛选其“库”以研究新靶点并寻找先导化合物。
- 四、寻找先导化合物
4-现有药物
A) 仿制药：许多公司使用竞争对手的现有药物作为先导化合物来设计新药。通过修改结构以避开专利限制、保留活性并改善治疗特性。
例如，i) 卡托普利（抗高血压）被不同公司用作先导化合物，以生产其自己的抗高血压药物。
ii) 现代青霉素比原始青霉素更具选择性、更有效且更稳定。
- 四、寻找先导化合物
4-现有药物
B) 增强副作用：现有药物可能具有轻微或不良的副作用，这可能在另一个医学领域有用。这类化合物可以作为基于其副作用的先导化合物。
目标是增强所需的副作用并消除主要的生物活性。
例如，磺胺类药物是抗菌剂，但一些磺胺类药物由于低血糖效应而具有惊厥副作用。这种不良副作用在开发用于治疗糖尿病的磺胺类药物（例如，抗糖尿病磺酰脲类，甲苯磺丁脲）中是有用的。
- 四、寻找先导化合物
5-从天然配体或调节剂开始
A) 受体的天然配体：
靶点的天然配体有时被用作先导化合物。
例如，肾上腺素和去甲肾上腺素（天然神经递质）被用于开发肾上腺素能β-激动剂，如沙丁胺醇、多巴酚丁胺、扎莫特罗，H2拮抗剂如西咪替丁，以及吗啡（导致阿片受体的发现，以及内源性阿片类物质：内啡肽和脑啡肽）。
- 四、寻找先导化合物
5-从天然配体或调节剂开始
B) 酶的天然底物：
酶的天然底物可作为设计酶抑制剂的先导化合物。
例如，脑啡肽被用作先导化合物来设计脑啡肽酶抑制剂。
- 四、寻找先导化合物
5-从天然配体或调节剂开始
C) 酶产物作为先导化合物：酶催化双向反应，因此酶产物可用作酶抑制剂的先导化合物，例如，L-苄基琥珀酸抑制肽的羧肽酶水解反应。
D) 天然调节剂作为先导化合物：对受体或酶发挥别构控制的天然或内源性化学物质称为调节剂，也可以作为先导化合物。
例如，苯二氮卓类药物被发现通过与γ-氨基丁酸（GABA）受体的别构结合位点结合来调节该受体，随后发现了内源性内源苯二氮卓类物质。
- 四、寻找先导化合物
6-组合合成
组合合成是一种自动化的固相程序，旨在在尽可能短的时间内产生尽可能多的不同结构。
反应在非常小的规模上进行，通常以产生化合物混合物的方式进行。
组合合成旨在模仿植物所做的，即产生一个化学物质库。
这些化合物中的一种可能会被证明是有用的先导化合物。
- 四、寻找先导化合物
7-计算机辅助设计
了解靶点结合位点有助于设计旨在与该靶点结合的新型化合物。
酶和受体可以结晶，并且可以通过X射线晶体学确定其结构（蛋白质和结合位点的结构）。
可以使用分子建模软件程序来研究结合位点并设计药物。
- 四、寻找先导化合物
7-偶然发现与有准备的头脑
先导化合物有时是偶然发现的。
例如，i) 顺铂（抗癌药）和青霉素。
ii) 普萘洛尔（β受体阻滞剂）的开发意外地带来了发现普拉洛尔的益处。
普萘洛尔是一种β受体阻滞剂，但它是一种亲脂性药物，可以进入中枢神经系统并引起副作用。通过引入亲水性酰胺基团抑制其通过血脑屏障，普拉洛尔成为一种更具选择性的心脏选择性β1抑制剂，对中枢神经系统的副作用更少。
磺胺类药物和甲苯磺丁脲。
- 四、寻找先导化合物
7-偶然发现与有准备的头脑
TNT工厂的工人经常抱怨因脑血管扩张而引起的头痛。TNT是制备硝基衍生物的基础，这些衍生物被用于心绞痛以扩张冠状血管并缓解疼痛。
二战中使用的芥子气罐在意大利港口爆炸。他们发现幸存并吸入这种气体的人由于白细胞破坏而失去了对微生物的防御能力。
这导致了类似芥子气的药物的发现，这些药物被用于白血病以抑制白细胞的过度增殖。
- 四、寻找先导化合物
9-结构数据库的计算机搜索
通过对结构数据库进行计算机搜索，可以找到新的先导化合物。
为了进行这样的搜索，必须知道所需的药效团。
数据库搜索被称为数据挖掘。
- 四、寻找先导化合物
10-通过NMR设计先导化合物
最近，NMR光谱已被用于设计先导化合物，而不是发现一个。
该方法旨在找到可以结合到特定结合位点的小分子（表位）。
通过NMR发现先导化合物可以应用于已知结构并用N15标记的蛋白质。
- 五、分离与纯化
如果先导化合物存在于其他化合物的混合物中，则必须将其分离和纯化。
分离和纯化取决于化合物的结构、稳定性和数量。
例如，弗莱明认识到青霉素的优良特性且对人体无毒，但由于无法纯化它，他无法将其用于临床。他可以在水溶液中分离它，但当他试图去除水分时，药物被破坏了。
直到冻干和色谱等新实验程序的发展，青霉素的纯化和分离才成为可能。
- 6-结构确定
X射线晶体学、NMR光谱学、质谱和红外光谱在结构确定中很重要。
- 7-草药医学
草药含有大量不同的化合物。
其中几种可能具有生物活性，但存在显著的副作用和毒性风险。活性成分含量很少，因此草药预计比纯化合物活性低。
草药可能与处方药相互作用，并且对此及其使用没有规定或控制。
但它是发现和设计新药的重要线索。
- 总结
- 先导化合物是一种显示出有用药理活性，并可作为药物设计起点的结构。
- 天然产物是先导化合物的丰富来源。负责天然提取物生物活性的物质称为活性成分。
- 先导化合物已从植物、树木、微生物、动物、毒液和毒素中分离出来。对医学民俗的研究表明了可能含有新型先导化合物的植物和草药。
- 先导化合物可以通过筛选来自组合合成和其他来源的合成化合物来找到。
- 现有药物可用作设计相同治疗领域新型结构的先导化合物。或者，可以增强现有药物的副作用，以设计不同治疗领域的新型药物。
- 总结
- 特定靶点的天然配体、底物、产物或调节剂可作为先导化合物。
- 使分子靶点结晶的能力允许使用X射线晶体学和分子建模来设计将适合相关结合位点的先导化合物。
- 偶然发现在新先导化合物的发现中发挥了作用。
- 了解现有药物的药效团允许对结构数据库进行计算机搜索，以识别可能共享该药效团的新的潜在先导化合物。
- NMR光谱可用于识别小分子（表位）是否结合到结合位点的特定区域。表位可以被优化，然后连接在一起以产生先导化合物。
- 总结
- 如果先导化合物存在于天然提取物或组合合成混合物中，则必须将其分离和纯化，以便确定其结构。X射线晶体学和NMR光谱在结构确定中尤其重要。
【全文结束】