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1、第十一章 基于片断的药物设计 Fragment-based drug discovery FBDD,魏丹丹,学习要求： 掌握：基于片段药物设计的基本思路；基于片段药物设计的优 点；片段筛选的主要检测技术；片段优化的常用方法。 熟悉：磁共振检测技术的分类和原理；SAR-by-NMR的原理 和应用；Tether和二次Tether技术的原理；结晶筛选 的研究流程。 了解：基于片段药物设计的发展历史；基于片段药物设计与高 通量筛选的比较；基于片段药物设计的成功实例。,From Leach AR, Hann MM, Burrows JN et al. Fragment screening: an int
2、roduction. 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。 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。,基于片段分子设计的优点(高通量筛选的不足),发现
3、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。,1.可以探索更为广阔的空间,片段分子，符合三规则的片段数目的分子量160的含上述原子化合物数为107，筛选的分子（片段库）为103104 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。,2.命中率高 片段分子具有体积小和复杂程度低的特征，理论上更加容易与药靶结合，加上片段筛选技术的灵敏度高，因此具有比较高的筛选命中率。,基于片段筛选的命中率是高
4、通量筛选的10-1000倍。从筛选的质量上看，高通量筛选所得到的活性化合物虽然可能和药靶具有比较高的亲和力，但是当具体到分子中各个子结构，他们很难与对应的药靶活性位点区域有最佳的结合。 分子量比较低的片段分子相对比较容易能和药靶局部区域形成较好的匹配。,0,100,200,300,400,500,600,700,1 mM,100 M 1M 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
5、的成功率为50%，分子量加大，成功率降低。,Fragment Rule of 3 MW 300 # H-Bond Donor = 3 # H-Bond Acceptors = 3 cLogP = 3 # Rotatable bonds = 3,3.发现新药的可行性高,高通量筛选所得化合物的分子量范围一般在250-600之间，高通量筛选活性一般在微摩尔级，而药物分子的分子量范围一般在300-500之间，活性一般为一至数十个钠摩尔。如果将高通量筛选所得活性化合物优化为候选新药，既要在活性方面有较大幅度的提高，而分子量又不能有过大的跳跃，难度显然比较大。,而片段的分子量范围在120-250，活性一般
6、在钠摩尔至微摩尔级，在片段优化至候选药物的优化过程中，分子量和生物活性呈线性增长关系，更加符合新药发现的一般规律，可行性也强。,高通量筛选,高通量筛选(High throughput screening，HTS)技术是指以分子水平和细胞水平的实验方法为基础，以微板形式作为实验工具载体，以自动化操作系统执行试验过程，以灵敏快速的检测仪器采集实验结果数据，以计算机分析处理实验数据，在同一时间检测数以千万的样品，并以得到的相应数据库支持运转的技术体系；,HTS具有微量、快速、灵敏和准确等特点。简言之就是可以通过一次实验获得大量的信息，并从中找到有价值的信息。,片 断 及 其 特 征,片断是比类药分子
7、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。,基于片断分子设计的研究方法,一般来说，基于片段分子的设计研究可以分为三个阶段：片段筛选、片段与药靶复合物的结构确证和基于片段构建新分子。,1.片段库的建立： 需要考虑三个因素：库容量、化学结构多样性和类药性，类药性符合三规则。,Fragment Rule of 3 MW 300 # H-Bond Donor = 3 # H-Bond Acceptors = 3 cLogP = 3（# Rotatable bonds = 3）
8、,2.片段库的筛选： 筛选和识别与靶蛋白弱结合的活性片段,3.结构信息的确定 磁共振、质谱和X-射线单晶衍射技术都能直接或者间接地进行结构信息的测定。 4.基于片段构建新分子,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
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。,* kcal/mol,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。,FBDD的背景2,Kuntz等分析了150个含有167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。 G结合 = G复合物 G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/
10、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(G) 。 G -RT.lnKd = 1.37 pKd G除以非氢原
11、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 = G/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),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
12、 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 + 0.873e(-0.026HA) 或将幂式展开： LE-Scale 0.0715 + (7.5382/HA) + (25.7079/HA2) + (361.4722/HA3),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。,契 合 质 量,若以非氢原子数与配体效率作图，原子数在1025的化合物配体效率呈线性变化。,当非氢原子低于20时，最大亲和力
13、与原子数成线性关系；超过20后活性趋于不变或下降。,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 0.3
14、908 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,基于片断的药物设计：方法的整合性,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,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,达到规定活性,是,否,确定先导物,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,随机筛选,基于结构的,新方法,筛
