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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-11-01 23:06
基于片段的藥物設(shè)計（fragment-baseddrug design, FBDD）是一種將隨機(jī)篩選和基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計有機(jī)結(jié)合的藥物發(fā)現(xiàn)新方法。基于片段的藥物設(shè)計的方法首先篩選得到低分子量和低親和力的片段，然后基于靶點結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行優(yōu)化或者連接，得到與靶點親和力更高且成藥性更好的新分子。在此過程中添加基團(tuán)是重要的片段組裝和優(yōu)化手段。近十年來，隨著片段檢測、篩選和組裝技術(shù)的不斷成熟和完善，基于片段的藥物設(shè)計方法逐步從理論走向?qū)嵺`，并且取得飛速發(fā)展。
圖1.基于片段藥物設(shè)計的基本原理
1981年，Jencks等首次提出了基于片段藥物設(shè)計的基本設(shè)想，研究認(rèn)為，藥物分子結(jié)構(gòu)中的每個片段都在藥物靶標(biāo)結(jié)合過程中發(fā)揮著自身作用，因此將不同的結(jié)構(gòu)片段進(jìn)行組合或者延伸，可以得到高活性的新分子。理論研究證實，將作用于藥靶結(jié)合口袋不同區(qū)域的片段連接成新分子后，會引起結(jié)合自由能跳躍式地下降，從而導(dǎo)致親和力有大幅度地提高。隨后，Nakamura等于1985年用該方法設(shè)計HMG-CoA還原酶抑制劑，為該理論提供了實驗基礎(chǔ)，但是在當(dāng)時而言，與靶蛋白結(jié)合片段的識別，片段連接和結(jié)構(gòu)優(yōu)化仍然是巨大的挑戰(zhàn)。1996年，基于片段的藥物設(shè)計真正取得了突破，Shuker等首次提出了核磁共振構(gòu)效關(guān)系研究方法（SAR by NMOL/LR），該研究小組首先用核磁共振技術(shù)檢測得到了FK506蛋白的兩個低親和力片段，然后通過片段連接和優(yōu)化發(fā)現(xiàn)了高戶型FK506蛋白質(zhì)抑制劑。自此以后，基于片段的藥物設(shè)計方法開始引起大制藥公司和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，并且得到了飛速發(fā)展。
一般來說，基于片段分子的設(shè)計研究可以分為3個階段：片段篩選、片段與藥靶復(fù)合物結(jié)構(gòu)確證、基于片段構(gòu)建新分子。首先，采用靈敏的檢測技術(shù)篩選片段庫，發(fā)現(xiàn)能與藥靶結(jié)合的片段。片段與藥靶的結(jié)合力一般比較弱，通常為毫摩爾級別。其次，需要確定片段與藥靶是如何相互作用的。最后，根據(jù)片段與藥靶相互作用的結(jié)構(gòu)信息來指導(dǎo)片段優(yōu)化片段，或者將作用與藥靶活性口袋片段進(jìn)行連接，構(gòu)建新分子。設(shè)計得到新分子后，通過化學(xué)合成手段得到實體化合物，進(jìn)行生物活性評價，探討構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)高活性的新化合物實體。
與高通量篩選等傳統(tǒng)的新藥篩選等方法相比，F(xiàn)DD的有點主要體現(xiàn)在如下三個方面：
（1）可以探索更為廣闊的化學(xué)空間。類藥（drug-like）小分子的化學(xué)空間約為1060，而目前及時最全的化合物庫也僅有105~106個分子，僅占類藥分子空間極小部分，決定了高通量篩選發(fā)現(xiàn)活性化合物的高綠不會很高。兒對于片段分子，符合三原則的片段數(shù)目估計在107個左右，現(xiàn)有片段庫含有約103~104個分子，占總片段庫化學(xué)空間的比例藥大得多，因此從先天上決定了基于片段的藥物設(shè)計方法發(fā)現(xiàn)活性化合物的概率要高于高通量篩選。
（2）發(fā)現(xiàn)活性化合物的命中率高。片段分子具有體積小和復(fù)雜程度低的特征，理論上更容易與藥靶結(jié)合，加上片段篩選技術(shù)的靈敏度高，因此具有較好的命中率。
（3）發(fā)現(xiàn)新藥的可行性高。一般來說，將先導(dǎo)化合物優(yōu)化至候選藥物的過程會伴隨著分子量和疏水性的升高，片段分子的分子量范圍在120~250。在片段優(yōu)化至候選藥物的優(yōu)化過程中，分子量和生物活性呈線性增長關(guān)系，結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間較大，可行性更強(qiáng)。
01、活性片段分子的發(fā)現(xiàn)
（1）片段庫的建立
一個高質(zhì)量的片段庫是進(jìn)行基于片段藥物設(shè)計的前提條件。構(gòu)建片段庫需要考慮三個因素：庫容量、化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣性和類藥性。鑒于片段分子的分子量比較小，復(fù)雜程度低，片段的容量一般在1000~10000個之間。片段庫所含片段應(yīng)具有較好的化學(xué)多樣性。這樣可以搜尋更大范圍的化學(xué)空間。類藥性方面，片段應(yīng)該符合“三原則”：片段分子量應(yīng)該小于300，氫鍵供體或者受體的數(shù)目小于或者等于3個，脂水分配系數(shù)（log P）小于等于3。
（2）片段庫的篩選
片段庫構(gòu)建完成后，最關(guān)鍵的步驟就是篩選和識別與靶蛋白結(jié)合的片段，目前常用的識別技術(shù)有：生物化學(xué)檢測、表面等離子共振技術(shù)（SPR）、核磁共振技術(shù)（NMOL/LR）、質(zhì)譜和X射線衍射。
（3）結(jié)構(gòu)信息的確定
確定片段結(jié)合信息對知道結(jié)構(gòu)優(yōu)化至關(guān)重要，在片段檢測方法中X射線、核磁共振和質(zhì)譜可以直接或者間接地進(jìn)行結(jié)構(gòu)信息的測定
02、活性片段分子的優(yōu)化
從新藥發(fā)現(xiàn)的角度而言，發(fā)現(xiàn)活性片段僅僅是研究的第一步，將活性片段轉(zhuǎn)化為先導(dǎo)化合物甚至是候選藥物才是基于片段藥物設(shè)計的最終目的。活性片段雖然活性較弱，但是它為先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)提供了一個高質(zhì)量的起始結(jié)構(gòu)。片段的優(yōu)化研究通常在活性片段和其與靶蛋白作用信息基礎(chǔ)上進(jìn)行，可合成性也是重點考慮的問題。從片段到先導(dǎo)化合物的設(shè)計方法主要有：片段生長法（fragment growth）、片段連接法（fragment linking）、片段自組裝法(fragment self-assembly）。
（1）片段生長法
片段生長又稱為片段演化或者片段加工，其原理如下圖所。活性片段a分子量小，結(jié)合力弱，基于基團(tuán)添加理念，在片段a的基礎(chǔ)上接入合適的基團(tuán)或者小分子片段，使得到的新分子能同時結(jié)合在片段a毗鄰的活性口袋，從而提高分子活性，改善理化性質(zhì)。
圖2.片段生長原理
過氧化酶體增值物激活受體（PPAR）是治療II型糖尿病的重要靶點，它有三種亞型：PPARa、PPARγ、PPARδ。Plexxikon公司的科研小組利用晶體篩選方法篩選小分子片段庫（分子量在150~350之間），初步篩選得到170個活性片段。其中分子片段4-48的結(jié)合方式與其它已知配體不同，其吲哚環(huán)上1位N原子指向毗鄰的一個重要結(jié)合口袋。在N原子上連接一個側(cè)鏈，使其結(jié)合到毗鄰的結(jié)合口袋得到苯磺胺類化合物4-49，如下圖所示。根據(jù)后者的結(jié)構(gòu)和作用方式，研究人員合成了20個氨苯磺胺側(cè)鏈的類似物，經(jīng)過生化實驗和細(xì)胞活實驗的檢測，最終優(yōu)化得到候選藥物indelitazar（4-50），indelitazar是PPARα的完全激動劑和PPARγ的部分激動劑，降低了因完全激動PPARγ造成的副作用，目前，該化合物已經(jīng)處于臨床試驗階段。
圖3.PPAR激動劑結(jié)構(gòu)和活性
周期素依賴性蛋白激酶2（CDK2）是細(xì)胞周期中重要的調(diào)控元件，也是癌癥治療的重要靶標(biāo)，Astex公司采用高通量X射線晶體學(xué)篩選能在CDK2鉸鏈區(qū)（Glu81和Leu83）至少形成一個氫鍵的分子片段，發(fā)現(xiàn)片段4-51能夠滿足要求，采用基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計側(cè)率優(yōu)化片段得到化合物4-52，進(jìn)一步優(yōu)化得到化合物4-53，如下圖所示。晶體結(jié)構(gòu)表明，該化合物能夠和CDK2的鉸鏈區(qū)的Glu81和Leu83形成氫鍵，與Asp145形成水分子介導(dǎo)的氫鍵作用，活性得到極大地提高。研究人員從該分子選擇性、細(xì)胞活性和藥代動力學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，得到了化合物4-54，該化合物已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗。
圖4.CDK2抑制劑結(jié)構(gòu)與活性
凝血因子Xa是治療凝血障礙的重要靶點。Protherics的研究人員X射線晶體學(xué)方法篩選片段庫得到活性片段4-55，該片段在凝血因子Xa的S1口袋，與Asp189形成氫鍵。以此為模板，研究人員基于凝血因子Xa活性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計了三類藥效團(tuán)模型，以此模型對ACD庫進(jìn)行虛擬篩選，通過分子對接優(yōu)選分子，生化試驗測試活性，最終發(fā)現(xiàn)化合物4-56具有良好的抗血栓活性，如下圖所示。但是該化合物口服生物利用度低，推測可能是苯甲脒基團(tuán)對吸收和分布帶來不良影響。研究人員將其用吲哚替換，得到化合物4-57（LY-517717）。LY517717的Ki值為5nmol/L,并且具有良好的藥代動力學(xué)性質(zhì)，目前已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗。
圖5.Xa抑制劑結(jié)構(gòu)及其活性
（2）片段連接與融合
片段連接的原理下圖所示，片段a和b分別作用在靶蛋白的不同活性口袋，且活性口袋相鄰，將倆個片段連接得到親和力更強(qiáng)的新分子，如果兩個活性片段結(jié)合的位點有部分重合，這樣可以將重合部分以合適的方式合并。一般來說，兩個毫摩爾級別片段能夠融合成具有微摩爾級別的分子，這種現(xiàn)象叫加和效應(yīng)（additivity effect）。下面結(jié)合具體的實例來介紹片段連接和融合方法的運用。
圖6.片段連接和融合原理
腫瘤發(fā)生于Bcl-2和Bcl-XL的過表達(dá)相關(guān)，研制Bcl-X1的高效抑制劑對癌癥的治療有重要的意義，Abbott公司用HTS篩選Bcl-XL抑制劑未獲得成功。隨后，他們采用NMOL/LR技術(shù)篩選片段庫得到活性片段4-58和4-59；它們分別作用在相鄰的兩個活性位點，根據(jù)它們與Bcl-XL結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)合體，研究人員移除片段4-59的羧基，用磺?；B接片段4-58和4-59，經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化得納摩爾級別的化合物4-60，如下圖所示。后者經(jīng)過分子選擇性和藥代動力學(xué)性質(zhì)優(yōu)化得到了ABT-263（4-61）,進(jìn)入了臨床試驗研究。
圖7.Bcl-XL抑制劑活性與結(jié)構(gòu)
基質(zhì)金屬蛋白酶（MMPs）也是抗腫瘤藥物靶點，Abbott公司研究小組用NMOL/LR法篩選片段庫，發(fā)現(xiàn)片段4-62和4-63分別結(jié)合與Zn離子口袋和S1口袋，解離常數(shù)分別為17 mmol/L和0.02 mmol/L。根據(jù)這兩個片段在MMP活性部位的結(jié)構(gòu)和位置，發(fā)現(xiàn)他們可以用兩個亞甲基連接得到新分子4-64，如下圖所示，后者活性得到顯著提高，其Kd值達(dá)到了15 nmol/L,對其進(jìn)行進(jìn)一步修飾得到了新的對MMP-2和MMP-9具有良好活性的4-64,該化合物也進(jìn)入臨床試驗階段。
圖8.基質(zhì)金屬蛋白酶抑制劑及其活性
絲氨酸蛋白酶尿激酶是一個重要的抗腫瘤作用靶點，Abbott公司利用X射線晶體方法學(xué)篩選與尿激酶相互作用的小分子片段，得到了活性片段8-羥基-2-氨基喹啉（4-66），然而，該片段經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化未能如期得到理想化合物，研究人員另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)化合物4-67是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的尿激酶抑制劑，與化合物4-66作用在尿激酶的相同的活性口袋，但是口服利用度極低，研究人員將化合物4-66余4-67進(jìn)行融合得到了4-68，如下圖所示，其活性達(dá)到了0.37 μmol/L，口服生物利用度也提高到了38%。
圖9.尿激酶抑制劑結(jié)構(gòu)及其活性
來源：化學(xué)經(jīng)緯
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