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1、新药研究概论 Outline of Drug Research,新药研究概论,引言 Introduction 先导化合物的产生 Lead discovery 先导化合物的优化 Lead optimization,Introduction,新药研发 R&D of New Drugs 新药 新药研发过程 新药研发涉及学科 新药研发特点 药物分子设计 Molecular Drug Design 概念及内容 先导化合物 Lead Compound,New Drugs,新药系指我国未生产过的药品。按审批管理的要求，新药分为中药、化学药品和生物药品（新药审批办法） 新化学实体 NCE new chemic
2、al entities 首次成为药品的新化学结构,新药研发过程,1、制定研究计划，设计实验方案并实施之，获得 潜在NCE 2、临床前研究，获得 IND（investigational new drug） 西药临床前22项（新药证书，25项） 中药临床前19项（新药证书，22项）,新药研发过程,3、临床试验（或临床验证），获得 NDA（new drug approval） Phase I: 2030例健康受试者 Phase II: 不少于100例典型患者 Phase III: 不少于300例患者 4、上市后研究，临床药理 一类试生产期，Phase IV: 2000例,新药研发是一项系统工程，涉及
3、多个学科,分子生物学 分子药理学 生物信息学 药物化学 计算机科学,药物分析化学 药理学 毒理学 药剂学 制药工艺学,发现,I 期,II 期,III 期,IV 期,政府审批,临床前 研究,临床实验,平均约15年,Atorvastatin,Simvastatin,Lansoprazole,Erythropoietin,Olanzapine,Erythropoietin,Sertraline,Celecoxib,Gabapentin,Esomeprazole,新药研发特点,投资高 周期长 风险高 利润高 竞争激烈,Introduction,新药研发 R&D of New Drugs 新药 新药研发
4、过程 新药研发涉及学科 新药研发特点 药物分子设计 Molecular Drug Design 概念及内容 先导化合物 Lead Compound,药物作用的三个重要相,给药剂量,剂型崩解药物溶出,可被吸收的药物,药物利用度,吸收、分布、代谢、排泄,可产生作用的药物,生物利用度,药物与靶点相互作用,效应,药剂相,药代动力相,药效相,Molecular drug design,药物的基本属性（安全性、有效性、稳定性、可控性），在一定意义上，由药物的化学结构所决定 药物分子设计是实现新药创制的主要途径和手段 通过科学的构思和理论的规划，构建具有预期药理活性的新化学实体的分子操作。,Molecula
5、r drug design,创制新药的四要素 生物靶标的选择 检测模型的确定 先导化合物的发现 先导化合物的优化,Molecular drug design,药物分子设计由多学科相互穿插，交替进行,药物设计学,分子生物学 结构生物学,基因组 生物信息学,数学 统计学,药物化学 有机药物化学,计算机科学 计算化学,分子药理学 一般药理学,Introduction,新药研发 R&D of New Drugs 新药 新药研发过程 新药研发涉及学科 新药研发特点 药物分子设计 Molecular Drug Design 概念及内容 先导化合物 Lead Compound,先导化合物 Lead comp
6、ound,简称先导物（Lead），是指新发现的对某种靶标和模型呈现明确药理活性的化合物。 应与 hit 相区别,Lead compounds,A lead is a representative of a compound series with sufficient potential (as measured by potency, selectivity, pharmacokinetics, physicochemical properties, novelty, and absence of toxicity) to progress to a full drug developmen
7、t program.,药物分子设计的策略基础,分子的多样性、互补性和相似性构成了设计方法的策略基础 分子的多样性（diversity）是先导物发现的物质基础 分子的互补性（complementarity）是分子识别和受体-配体结合的基础和推动力 分子的相似性（similarity）在不同的层次上有不同的含义,先导物发现,先导物优化,互补性,相似性,多样性,包容性,反相似性,不相似性,Lead discovery,分子的多样性 天然生物活性物质 组合化学 组合生物合成和组合生物催化 基于临床副作用观察产生先导物 虚拟筛选 分子的互补性 基于生物大分子结构和作用机理的药物分子设计 反义寡核苷酸,L
8、ead discovery and optimization,分子的相似性 基于内源性配体分子的药物设计 过渡态类似物 肽模拟物 生物电子等排置换 类似物变换 药物合成的中间体 基于代谢转化,天然生物活性物质作为先导物,天然生物活性物质来源广泛 植物 动物 微生物 海洋生物 矿物,天然生物活性物质作为先导物,天然生物活性物质的特点 新颖的结构类型（分子多样性） 独特的药理活性 资源有限及地域性差异 有效成分含量很低 大多数结构复杂，作用强度不同,天然生物活性物质作为先导物,青蒿素,青蒿素 Artemisinin,黄花蒿 Artemisia annula,蒿甲醚 Artemether,生物利用度
9、较低 复发率高,天然生物活性物质作为先导物,喜树碱,羟基喜树碱 Hydroxycamptothecin,喜树 Camptotheca acuminata,拓扑替康 Topotecan,水溶性较差，毒性大,天然生物活性物质作为先导物,紫杉醇,紫杉醇 Taxol,红豆杉 Taxus,紫杉特尔 Taxotere,天然生物活性物质作为先导物,局麻药,可卡因 Cocaine,南美洲古柯 Erythroxylum coca Lam,普鲁卡因 Procaine,天然生物活性物质作为先导物,抗生素类,天然抗生素,微生物培养液,半合成抗生素,天然生物活性物质作为先导物,他汀类降脂药,美伐他汀Mevastatin
10、 洛伐他汀 Lovastatin 辛伐他汀Simvastatin 普伐他汀Pravastatin,桔青霉菌等 Penicillium citrinum,氟伐他汀 Fluvastatin,天然生物活性物质作为先导物,动物毒素 蛇毒Bungarotoxin，N2受体拮抗剂肌松药 蛇毒Batroxobin，溶血栓酶抗栓药 鱼毒Tetrodotoxin，钠通道阻断剂心血管药物 蜂毒Apamin，钙通道阻断剂和钾通道开放剂心血管药物,组合化学 Combinatorial chemistry,同时制备含众多分子的化合物库 以代数级数增加构建块的数目，库容量则以几何级数增加 与高通量筛选（high-thro
11、ughput screening, HTS）技术结合，可极大地加快先导物发现和优化的速度,组合合成 Combinatorial synthesis,平行合成和混分合成 固相合成和液相合成 小分子组合合成 计算机辅助设计及虚拟库合成 八学期选修课“组合化学与新药研究”,组合生物合成 Combinatorial biosynthesis,基本原理,基因变异（混合、匹配、交换、突变等）,基因克隆,多种变异的酶系,多种非天然的天然物质,聚酮合酶催化合成红霉素,组合生物催化 Combinatorial biocatalysis,基本原理,变异酶系或微生物酶系,催化小分子化合物转化,多种人工的天然化合物,
12、岩白菜内酯的生物催化组合库,基于临床副作用观察产生的先导物,作用与作用的分离,异丙嗪的镇静作用,Promethazine异丙嗪（抗过敏药）,Chlorpromazine 氯丙嗪（安定）,Thiazinamium 噻丙胺（支气管扩张）,磺胺家族的发展,单氨氧化酶抑制剂的发现,格鲁米特的芳构酶抑制作用,筛选发现先导物,随机与非随机筛选 Random/nonrandom screening 高通量筛选 High-throughput screening (HTS) 虚拟筛选 Virtual screening,Virtual screening,用计算机筛选的方法称为虚拟筛选，或称in silico
13、筛选 ，成为in silico-in vitro-in vivo模式 。 用一系列“基于知识的滤片”对虚拟库“筛选”，以“浓缩”出能够满足预定标准的化合物。 这些滤片包括类药性(drug like)，药代动力学性质，毒性，知识产权问题以及与受体的互补性或与配体的相似性等，是通过数据库搜寻和计算化学实现的。,Virtual screening,类药性,Lipinski归纳的“类药5规则”(Rule of Five)，概括了类药的最低标准，即分子量在500以下；氢键的给体不超过5个；氢键的接受体不超过10个；计算的分配系数(正辛醇-水系统)clogP值不超过5。上述原则只限于化合物经被动扩散机理的
14、吸收。 化合物的柔性不宜过强。否则会存在许多种构象 化合物不得含有重金属和反应活性基团。,药代动力学性质,临床试验被终止淘汰的候选药物40%是由于药代动力学不合理造成的 决定药物能够穿越细胞膜并在胞浆中转运的性质是分子的化学结构，表现在分子量，离解常数，亲脂性，极性表面积，以及形成氢键的数目等 药物的代谢转化主要在肝脏中发生。将细胞色素P450 2D6和3A4催化中心的三维结构作为药效团，可用于预测未知化合物的代谢命运。通过分析化合物的三维结构与半衰期的相关性，可以来预测未知物的代谢模式,毒性的预测,基于已有化合物的毒性和结构特征，经线性判别分析和多重回归分析得到的模型，可用来预测未知物的毒性
15、。 基于知识的专家系统(knowledge-based system)的软件如DEREK，可批处理化合物的致癌性、致畸性、致突变性、刺激性、皮肤敏感性、急性毒性和神经毒等。另一个基于知识的专家系统是HazardExpert程序，通过输入化合物名称、给药途径、剂量和用药时程，程序可给出结果。,基于结构的设计,在受体结构信息已知的情况下，可根据结合部位的三维结构信息，用分子对接方法，对互补性好、评分高的化合物，可预计有较强的亲和力。若不知受体的三维结构，可根据药效团特征筛选虚拟库，并以不同程度的限制条件，“滤除”与药效团无相似性的分子。,知识产权的预测,化合物具备自主的知识产权和专利保护的前景，是
16、开发决策的重要指标，筛选虚拟库和组合库时要剔除已被其它专利覆盖或有可能侵权的化合物。所以，完备的化合物检索查新系统可确保化合物结构的新颖性。,Lead discovery,分子的多样性 天然生物活性物质 组合化学 组合生物合成和组合生物催化 基于临床副作用观察产生先导物 虚拟筛选 分子的互补性 基于生物大分子结构和作用机理的药物分子设计 反义寡核苷酸,基于生物大分子结构 和作用机理设计先导物,合理药物设计 Rational drug design 合理药物设计即以药物作用靶点的三维结构和生物化学作用机制为基础进行药物设计的方法 Structure-based drug design Mechanism-based drug design,Structure-based drug design,了解生物大分子（受体）的三维结构，特别是与配体分子形成的复合物的三维结构，是前提 大分子与小分子的结合模式是基础 多种方法并用 数据库搜寻 分子碎片连接 从头构建,HIV protease,Complex of HIV protease and its inhibitor,
