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15N 标记的FKBP 筛选片断库的结合作用，观察和确定酰胺键的15N- 和1H 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 μM 100 μM 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 μM( 小鼠) IC50=0.59 μM( 大鼠脑) HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98 IC50=0.0004 μM( 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 Alzheimer’s 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 μM( 小鼠) HA No=31 LE=0.26 FQ=0.80 Ki=0.018 μM( 小鼠) HA No=15 LE=0.57 FQ=0.98 Ki=0.00000041 μM( 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 μM 41 μM 0.064 μM 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1060 种，而高通量筛选的化合物数即使以百万计(106) ，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107 ，筛选的分子为103~104 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 Clog 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+ PO2-4 －CO2 －CO OH 卤素N O,S 醚C(sp3) C(sp2) 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1~67 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。ΔΔG 结合= ΔΔG 复合物－ΔΔG 参比态= －RTlnK 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Kd 转换为在温度300K 的结合的自由能(ΔG) 。ΔG ＝-RT.lnKd = 1.37 pKd ΔG 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 = ΔG/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pIC50 ( 或pKi) - cLogP ( 或LogD) 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(-0.026×HA) 或将幂式展开：LE-Scale ＝0.0715 + (7.5382/HA) + (25.7079/HA2) + (361.4722/HA3) 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 μM 1 μM 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IC50(μM) 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0.30 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