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药物分子设计的策略: 药理活性与成药性郭宗儒*(中国医学科学院药物研究所, 北京 100050)摘要: 化合物的内在活性和成药性是创新药物的两个基本要素, 活性是药物的基础和核心, 成药性是辅佐活性发挥药效的必要条件, 两者互为依存。
药物在体内的药剂相、药代动力相和药效相可概括为活性和成药性的展示过程。
成药性是药物除活性外的其他所有性质, 包括物理化学性质、生物化学性质、药代动力学性质和毒副作用, 这是在不同层次上表征药物的性质和行为, 但又相互关联与制约。
活性与成药性由化学结构所决定,体现在微观结构与宏观性质的结合上, 寓于分子的结构之中。
先导物的优化是对活性、物化、生化、药代和安全性等性质的多维空间的分子操作, 因而具有丰富的药物化学内涵。
关键词: 分子设计; 内在活性; 成药性; 先导物优化中图分类号: R916 文献标识码:A 文章编号: 0513-4870 (2010) 05-0539-09Strategy of molecular drug design: activity and druggabilityGUO Zong-ru*(Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Medical Sciences, Beijing 100050, China)Abstract: Intrinsic activity and druggability represent two essences of innovative drugs. Activity is the fundamental and core virtue of a drug, whereas druggability is essential to translate activity to therapeutic usefulness. Activity and druggability are interconnected natures residing in molecular structure. The pharma-ceutical, pharmacokinetic and pharmacodynamic phases in vivo can be conceived as an overall exhibition of activity and druggability. Druggability actually involves all properties, except for intrinsic activity, of a drug.It embraces physico-chemical, bio-chemical, pharmacokinetic and toxicological characteristics, which are inter-twined properties determining the attributes and behaviors of a drug in different aspects. Activity and drugga-bility of a drug are endowed in the chemical structure and reflected in the microscopic structure and macroscopic property of a drug molecule. The lead optimization implicates molecular manipulation in multidimensional space covering activity, physicochemistry, biochemistry, pharmacokinetics and safety, and embodies abundant contents of medicinal chemistry.Key words: drug design; intrinsic activity; druggability; lead optimization研发有机小分子药物的药物化学模式, 大都是针对某药物靶标发现苗头化合物 (hit), 将苗头物演化成先导物 (hit-to-lead) 以确定先导物 (lead discovery), 经优化 (lead optimization) 确定候选药物 (drug candidate), 最终达到临床应用的目的。
药物结构优化——设计策略和经验规则药物结构优化是药物设计过程中的一个关键步骤，旨在通过调整分子结构来改善药物的活性、选择性、药代动力学特性和安全性。
以下是一些常用的设计策略和经验规则：1. 结构基础：根据目标疾病和药物作用机制，选择基本结构或药物模板作为起点。
基本结构应具有良好的化学稳定性和药物可调性。
2. 选择依据：根据目标疾病的特点和已有文献报道的活性结构，选择具有潜在药效的依据。
可以通过文献研究、结构活性关系（SAR）等方法进行评估。
3. 修饰策略：根据目标药物的需要，对基本结构进行适当的修饰。
常见的修饰包括替换基团、添加/删除/改变侧链、氧化还原反应等。
4. SAR分析：通过合理设计和优化一系列化合物，通过药效测定和结构活性关系分析，确定相应结构的药效优势和不足之处。
5. 化合物分子性质调整：调整分子的物化性质，例如溶解度、脱离生物膜的透过性、代谢稳定性等。
常用的方法包括改变疏水性/亲水性、增加可负荷的官能团等。
6. 空间构象优化：通过构象优化方法如分子力学模拟、量子化学计算等，寻找目标化合物的最佳三维构象，以提高分子的活性和选择性。
7. 物理性质优化：考虑药代动力学特性和安全性，优化药物的溶解度、稳定性、细胞透过性、代谢酶亲和性等。
例如，通过结构修饰降低代谢酶的识别，改善口服生物利用度。
8. 剂型优化：考虑药物的物理化学性质，选择或设计合适的剂型，以提高溶解度、稳定性、口感等。
要注意的是，药物结构优化是一个综合性的任务，需要综合考虑多个因素，例如药效、选择性、药代动力学和安全性等。
同时，药物研究是一项复杂和不确定的工作，需要通过实验和计算方法相互配合，逐步寻找最佳的药物结构和性质。
收稿日期:2007-11-23作者简介:郭宗儒(1938-),男(汉族),河北正定人,研究员,博士生导师,1958年北京医学院药学系毕业,1965年协和医大研究生毕业,主要从事药物分子设计与化学合成,Tel :(010)83155752,E 2mail :zrguo @ 。
文章编号:1005-0108(2008)02-0147-11药物分子设计的策略:论药效团和骨架迁越郭宗儒(中国医学科学院药物研究所,北京100050)摘 要:药物分子是由药效团和结构骨架构成的,药效团是由不连续的离散的原子、基团或片断所构成,但需结合在分子骨架上,形成具体的分子。
骨架具有连续性,相同的药效团附着在不同的分子骨架上,构成了作用于同一靶标而结构多样的化合物。
骨架依据受体的柔性和可塑性形成了“杂乱性”的空间,显示了受体结合部位的杂乱性。
杂乱性越大,可容纳的配体分子的结构多样性就越多,意味着结构修饰与变换的余地大,成药的机会多。
由苗头化合物演化成先导物,进而优化成候选药物,这由化合物变革成安全、有效、稳定、可控的药物过程就是保持药效团、变换分子骨架、修饰基团和边链的过程。
结构骨架的变化可分为3个层次:以电子等排原理变换骨架结构;以优势结构为导向变换骨架结构;以结构2活性演化的方式变换骨架结构,即骨架迁越。
骨架迁越的目的是改善分子的物化、药代、稳定性和赋予分子的结构新颖性。
该文以实例阐述了骨架变换的方法与技巧。
关键词:药效团;电子等排;优势结构;骨架迁越中图分类号:R914 文献标志码:AStrategy of molecular drug design :pharmacophoreand scaffold hoppingGUO Z ong 2ru(Instit ute of M ateria Medica ,Chi nese A cademy of Medical Sciences ,Beiji ng 100050,Chi na )Abstract :Drug molecules are composed of scaffold and pharmacophore.The latter is an assembly of physico 2chemical features and their spacial arrangement responsible for a specific activity.Discrete atoms ,groups and/or fragments constitute pharmacophore ,which incorporates with an integrated scaffold to form an ac 2tual molecule.The same pharmacophore implanted on various scaffolds provides structurally diverse com 2pounds that act on the same biological target.Based on the flexibility and plasticity of receptors ,scaffolds can be rationally transformed ,which leads to “promiscuity ”.Promiscuity denotes the variability and diversity of receptor binding sites.The more promiscuity of the receptor ,the more structural diversity the ligand molecule accommodates ,which translates into more room for scaffold variation and higher success rate in drug discovery.In the evolution of hits to leads and the optimization of leads to drug candidates ,the essence is to perform appropriate molecular operation ,including preserving pharmacophore ,varying scaffolds ,and modifying functional groups and/or side chains ,to convert organic compounds into medicines with safety ,ef 2ficacy ,stability and controllability.The strategies in scaffold alteration can be classified into three aspects :bio 2isosterism ,privileged structure 2oriented ,and scaffold hopping.The purpose is to improve physico 2chemi 2cal properties ,pharmacokinetic behaviors ,and metabolic/chemical stability as well as to convey a structural novelty to compounds.This mini 2review is to discuss the relationship between pharmacophore and scaffold and illustrate methods and skills in the scaffold hopping with some examples.K ey w ords :pharmacophore ;isosterism ;privileged structure ;scaffold hopping第18卷 第2期2008年4月 总82期中国药物化学杂志Chinese Journal of Medicinal ChemistryVol 118 No 12 p.147Apr 12008Sum 82 近30年来,以生物靶标为核心的新药研发模式已占主导地位,并因此促进了许多新的技术和方法的出现和应用,例如组合化学、高通量筛选、基于受体结构的理性设计等都取得一定的效果。
药物分子设计的方法和技术药物分子设计是一门研究如何设计和合成药物分子的学科，它是药物研发的核心之一。
药物分子设计涉及到多种化学和生物学的知识，它可以通过合理的设计和优化药物分子的结构，来提高药物的效果和降低毒副作用。
在药物分子设计中，主要采用的方法和技术有以下几种：1. 经验法经验法是药物分子设计中最早也是最简单的方法，它主要依靠化学家、药物师、药剂师等从已经发现的药物分子中获取经验，并根据已有经验进行设计和合成新药分子。
经验法主要是一种基于试错和实验的方法，只能得到一些表面约束的药物分子，其中可能会包含一些无用的化合物和毒物。
因此，经验法已经逐渐被更加精确和可靠的计算方法所替代。
2. 分子对接法分子对接法是一种经过数学计算和模拟的药物分子设计方法。
它主要通过计算机进行分子分析和模拟，来快速预测和评估药物分子的性质和效果。
分子对接法的基本思想是通过计算药物分子与靶分子的结合能力、空间构象、配位等信息，来预测理想的药物设计结果。
该方法已经被广泛应用于药物研发中的各个环节，如新药物筛选、药物反应机制研究等。
3. QSAR法QSAR法是“定量构效关系法”的英文缩写，是目前药物分子设计中最主要的计算模型之一。
它基于分子表征和统计学方法，对药物分子与其理化性质之间的关系进行全面的数学建模和统计分析，以求得高精度的药物构效关系。
QSAR法是目前药物分子设计中最常用的计算模型之一，因为它能够对分子间的相互作用机制、活性和毒副作用进行多参数预测。
4. 分子设计和合成分子设计和合成是药物分子设计中最重要的一环，它主要是利用有机合成化学的方法和技术，对药物分子进行精准的合成和优化。
在分子设计和合成中，药物研究人员必须根据药物分子的理化性质、生物活性、毒副作用、相互作用机制等方面考虑，找到最优化的药物结构方案。
该方法是从分子层面上改良药物治疗效果和缩小药物毒副作用的理想方法，但是该方法对药物研发人员的化学知识和实验技能有较高的要求。
分子的属性对药物生物利用度的影响桑晓琳汤剑锋毛娉婷摘要：药物分子的结构性质影响药物的生物利用度。
决定分子性质的因素是相对分子质量、水溶性、电荷、脂溶性(分配性)和极性表面积等,通常是由分子骨架和整体分子所决定,无特异性的结构要求。
不同的生物活性取决于这些不同特征的组合及其空间排布。
在改变分子的结构以调整性质时,往往影响结构的空间位置。
药物分子设计的技巧是整合这些因素成最佳配置,在早期研究阶段,应兼顾各种性质,使药效强度和选择性、药代动力学和药物的物理化学性质达到最佳的匹配,为此,要求表征药代的空间及药效学的选择性空间有结构交盖。
关键字：药物分子；结构；性质；生物利用度引言药物研究的临床阶段经常发现某些药物分子不能在靶部位引起期望的疗效，这就是因为，这个分子不能顺利地到达体内的活性位点，它的结构仍然需要优化。
药物的吸收、分布、及受体生物大分子的结合和代谢等药动学过程，是今后药物设计发展的又一趋势。
因此，改善药物的结构使其具有优良的药动学性质也是新药设计的重要内容。
20世纪90年代中期，全世界的著名药物化学家在共同探讨21世纪的药物化学时，一致认为新先导化合物的发现、蛋白结构功能的关系、药效基团的研究、生物利用度控制是药物化学的前沿课题.药物生物利用度及药物分子结构之间关系的研究工作开始于20世纪90年代。
Bjorkroth等用CoMFA(comparativemoleculal field analysis)作为三维QSAR方法，在一些clodronate酯中把3种不同的生物活性数据及理化参数做了相关性分析。
Karlen等研究了药物在人体小肠内渗透性的实验和理论得到的参数之问的关系。
他们测定了同一系列的22种化合物在小肠内的吸收速率，并以此数据用多变量模型建立了一个吸收速率及药物理化参数相关联的定量构动关系方程，此方程能预测药物在人小肠内的被动吸收。
Yang等用动电色谱研究表面活性剂混合微细胞的定量构动关系来估计亲水性和生物利用度。
药物设计的分子基础药物设计是一门综合性学科，涉及化学、生物学、药理学等多个学科领域，其核心在于寻找能够与生物体内靶点相互作用并产生治疗效果的化合物。
药物设计的分子基础主要包括药物分子的结构、性质以及与靶点的相互作用等方面。
本文将从药物设计的分子基础入手，探讨药物设计的原理和方法。
一、药物分子的结构药物分子的结构是药物设计的基础，不同的结构对药物的活性、选择性和毒性等方面都有重要影响。
药物分子的结构通常包括药物的骨架结构、官能团以及立体构型等要素。
药物的骨架结构决定了药物的基本性质，如亲水性、脂溶性等，而官能团则是药物与靶点相互作用的关键部分，不同的官能团可以影响药物的活性和选择性。
此外，药物的立体构型也对药物的活性和选择性有重要影响，立体异构体可能具有不同的药理活性。
二、药物与靶点的相互作用药物与靶点的相互作用是药物设计的核心内容，药物通过与靶点特异性结合来发挥治疗作用。
药物与靶点的相互作用通常包括药物分子与靶点之间的非共价相互作用和共价键的形成。
非共价相互作用包括氢键、范德华力、离子键等，这些相互作用能够使药物与靶点形成稳定的结合，从而发挥治疗效果。
共价键的形成则意味着药物与靶点之间的化学反应发生，这种相互作用通常比非共价相互作用更为牢固。
三、药物设计的原理药物设计的原理主要包括构效关系、定量构效关系和三维定量构效关系等。
构效关系是指药物分子的结构与其生物活性之间的关系，通过研究药物分子的结构特征和生物活性之间的关系，可以指导合理设计具有更好活性的药物分子。
定量构效关系则是在构效关系的基础上，通过定量方法建立药物分子结构与活性之间的数学模型，从而预测和优化药物的活性。
三维定量构效关系则是在定量构效关系的基础上，考虑药物分子的立体构型对活性的影响，从而更加准确地预测药物的活性。
四、药物设计的方法药物设计的方法主要包括结构基础药物设计、构效关系药物设计、分子对接和计算机辅助药物设计等。
结构基础药物设计是指根据已知的药物结构设计新的药物分子，通过对已有药物的结构进行修改和优化，设计出具有更好活性和选择性的新药物。
药物分子设计近些年来各种各样的新型疾病依次出现。
因此寻找可以治愈这些疾病的药物对人们来说至关重要。
随着分子生物学和药物化学的发展药物设计进入了理性阶段其中药物分子设计是目前新药发现的主要方向。
它是依据生物化学、酶学、分子生物学以及遗传学等生命科学的研究成果针对这些基础研究中所揭示的包括酶、受体、离子通道及核酸等潜在的药物设计靶点并参考其它类源性配体或天然产物的化学结构特征设计出合理的药物分子[1]。
本文主要就药物分子设计研究策略中的选择性与基于受体-配体之间的结合力作进一步详细介绍。
药物设计开始由定性进入定量研究阶段为定量药物设计奠定理论和实践基础[2]。
药物设计逐渐形成一门独立的分支学科。
70年代以后药物设计开始综合运用药物化学、分子生物学、量子化学、统计数学基础理论和当代科学技术以及电子计算机等手段开辟了药物设计新局面。
随着分子生物学的进展对酶与受体的理解更趋深入对有些酶的性质、酶反应历程、药物与酶复合物的精细结构得到阐明模拟与受体相结合的药物活性构象的计算机分子图像技术在新药研究中已取得可喜的成果。
运用这些新技术从生化和受体两方面进行药物设计是新药设计的趋向[3]。
计算机辅助药物分子设计大致可分为直接药物设计(基于结构的药物设计)、间接药物设计(基于受体的药物设计)和基于结构的药物设计与组合技术相结合的策略[4]。
直接法是从已知受体的三维结构设计配体或药物分子，前提条件是受体的三维立体结构已知[5]。
间接法则是从一系列作用于同一受体并显效的药物分子中找出共同的基本结构，根据结构的相似性与性质的相似性之间的关系，推导出新的先导化合物。
间接法的优点是绕开了确定受体立体结构这一难点。
直接药物设计方法设计过程大体分为三步:分析受体的构象，确定受体的活性区域，在活性区域搜索可能的结合位点;寻找与受体结合位点相匹配的配体分子，得到候选化合物;最后是对候选化合物进行评价，有人形象地称之为对分子打分[6]。
