基于片断的药物设计

高通量筛选的不足
发现苗头的概率很低。理论计算，含有 个 、 、 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 60种，而高通量筛选的化 原子的化合物有10 、 原子的化合物有 合物数即使以百万计(10 ，筛选也只占很少部分。 合物数即使以百万计 6)，筛选也只占很少部分。 化合物分子量比较大，亲脂性强， 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。 度大。组合化学库尤甚。 分子量<160的含上述院子化合物数为 7，筛选 的含上述院子化合物数为10 分子量 的含上述院子化合物数为 发现苗头的几率高。 的分子为103~104 个。发现苗头的几率高。 的分子为 公司之间的化合物的结构类型相似， 公司之间的化合物的结构类型相似，筛选靶标相 易有知识产权之纠葛。 同，易有知识产权之纠葛。
LE scale 0.7204 0.6972 0.6685 0.6367 0.6091 0.5809 0.5545 0.5300 0.5072 0.4877 0.4672 0.4494 0.4331 0.4179 0.4039 0.3908 0.3787 0.3674 0.3568 0.3471 0.3378
Andrews P et al. Med. Chem.1984, 27, 1648
FBDD的背景 的背景2 的背景
Kuntz等分析了 等分析了150个含有 个含有1~67个原子构成的离子或化 等分析了 个含有 个原子构成的离子或化 合物与受体的结合常数， 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， 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， 当非氢原子数在 个以内，结合能随原子数的增加而线 个以内 性增高，平均每个原子的贡献为1.5 kcal/mol；超过 性增高，平均每个原子的贡献为 ；超过15 个原子后结合能的变化趋于不变，成为非线性变化， 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。 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 的研究为配体效率概念奠定了基础。 和 的研究为配体效率概念奠定了基础
O O N S N N H
O N H
OH H3C O O
N NH CH3
N
片断分子分别筛选与组合库比较
片断连接 受体结合部位 片断分子
6 X 6片断组合库 片断组合库
带电荷基团 功能基 N+ PO2-4－ CO2－ 10.0 8.2 CO 3.4 OH 2.5 极性基团 卤素 1.3 N 1.2 O,S醚 醚 1.1 非极性基团 C(sp3) 0.8 C(sp2) 0.7
结合能* 11.5 结合能 * kcal/mol
带电荷的基团与受体结合的贡献强于极性基团， 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。 性基团又强于非极性基团。
相邻差值 － 0.0232 0.0287 0.0318 0.0276 0.0282 0.0264 0.0245 0.0228 0.0195 0.0205 0.0178 0.0167 0.0152 0.0149 0.0131 0.0121 0.0113 0.0106 0.0097 0.0093
基于片断的药物设计： 基于片断的药物设计： 方法的整合性
N NH
O N H
O S N
O CH3
COOH
COOH
OH N NH2
HOOC N O Br
OH
HO
NH2
H N
HO
CN
O
HO CN
HO
O
O
HO
N H
CH3
COOH
COOH
Cl
CH3 N CH3
Cl N H
O N H
N
N
O
CH3
H3C
O
N
OH OH
OCH3
Cl
CH3
H N N
OCH3 NH2 H3CO HO N H N Cl N H2N
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、 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。 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 还可用配体 亲脂性效率指数(ligand亲脂性效率指数 lipophilicity efficiency, LLE)表征先导物和优 表征先导物和优 化的质量。 化的质量。LLE 的定义是 pIC50 (或pKi) 或 cLogP (或 LogD) 或
增量大
由先导物发展成药物的性质变化
参数 分子量 氢键给体 氢键接受体 先导物均值 272.0 0.8 2.2 1.9 19 成药后均值 314.0 0.8 2.5 2.4 22 增量 42.0 0 0.3 0.5 3
Clog P
非氢原子数
增量小
FBDD的背景 的背景1 的背景
Andrews分析了 分析了200个药物和抑制剂的结合常数与 分析了 个药物和抑制剂的结合常数与 结构的关系，得出了10 结构的关系，得出了 个常见功能基和原子对结合 能的贡献均值。 能的贡献均值
配体效率(ligand efficiency, LE) 配体效率
分子大小影响物化和药代性质。 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。 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。 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 苗头、 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， 合能的贡献，在选取先导物和优化过程中是个有用的 指标。 指标。 计算方法：首先是将复合物结合常数K 计算方法：首先是将复合物结合常数 d转换为在温度 300K的结合的自由能 的结合的自由能(G) 。 的结合的自由能 G ＝-RT.lnKd = 1.37 pKd G除以非氢原子数，得出每个原子的自由能贡献即 除以非氢原子数， 除以非氢原子数 配体效率，用下式表示： 配体效率，用下式表示： LE = G/N非氢原子
是
复合物单晶结构
计算机辅助设计
否
药物化学合成
达到规定活性
是
确定先导物
片断化合物举例
NH N N H N N H N NH2 NH2 H3C O F N N H OH COOH COOH
O NH2 COOH HO Br OH O CH3 H3C O N N N H N N N H3C N H N H O O O H N O N H H3C N CF3 N NH2
From Leach AR, Hann MM, Burrows JN et al. Fragment screening: an introduction. Mol. BioSyst., 2006, 2: 429-446
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， 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。 评价活性活性。 苗头化合物(hit)多以活性强度为衡量标准。 hit多以活性强度为衡量标准。 苗头化合物 多以活性强度为衡量标准 to-lead和先导物优化 大都加入或变换基团， to-lead和先导物优化，大都加入或变换基团，以 和先导物优化， 增加与靶标结合的机会和强度。 增加与靶标结合的机会和强度。 一般“不敢”去除基团或片断， 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 即药效团)。 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 高通量筛选的化合物过于“成熟” 结构变换的余地小，导致投入-产出比低 产出比低。 结构变换的余地小，导致投入 产出比低。
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 分子量 氢键给体 氢键接受体 非氢原子数 苗头物均值 174.1 1.7 2.9 12.8 先导物均值 382.8 1.7 5.6 28.5 增量 207.7 0 2.7 15.7
片断及其特征
片断是比类药分子小的化合物， 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。 非氢原子数低于类药性化合物。 化学结构比类药分子简单。 化学结构比类药分子简单。 片断应易溶于水， 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。 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。 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。 没有化学活泼的反应基团。
若以非氢原子数与配体效率 作图，原子数在10～ 的 作图，原子数在 ～25的 化合物配体效率呈线性变化。 化合物配体效率呈线性变化。
Reynolds CH, BMCL. 2007, 17: 4258
非氢原子数 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
片断化合物库(约 片断化合物库 约1000-2000个 个 化合物) 化合物 体外活性筛选 结构生物学：复合物X-线晶体 结构生物学：复合物 线晶体 学或 NMR或MS 或 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 否
体外筛选评价
达到规定活性
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， 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。 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 等提出了配体的契合质量的概念(fit quality, FQ)， 等提出了配体的契合质量的概念 ， 以消除因分子量加大， 的变化被掩饰和拉平的效应 的变化被掩饰和拉平的效应。 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， 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： 值不同， ，分子中不同原子数， 值不同 按如下定义： LE-Scale ＝ －0.064 + 0.873×e(-0.026×HA) 或将幂式展开： 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 按照如下计算： 配体的契合质量 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。 将上述的非线性标准化，使配体之间的结合效率有可比性。 将上述的非线性标准化