Chapter 2 Drug screening & discovery (design) 口服药物的共性： 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吸收。 化合物的柔性不宜过强。否则会存在许多种构象 (RB <= 5) 化合物不得含有重金属和反应活性基团。

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 (IP) 的前景，是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。 (emolecules.com)

1. 天然活性物质 2. 高通量筛选 3. 基于配体或底物的分子设计 4. 基于药物的副作用 5. 基于代谢作用 6. 幸运 Serendipity 7. 基于片段的药物发现 先导化合物发现

1 、天然活性物质直接作药物：利血平，万古霉素（糖肽类抗生素） Reserpine ：肾上腺素能神经元阻断性 抗高血压药，提取于萝芙木属多种植物 2 、天然活性物质作先导物，适当分子变换：紫杉醇，长春碱 Paclitaxel: 促进微管蛋白聚合，阻止其在 有丝分裂的功能，治疗卵巢癌、乳腺癌、 恶性黑色素瘤。 docetaxel: 水溶性增加，活性〉紫杉醇， 无交叉耐药 1. 天然生物活性物质作为先导物

3 、改造天然产物 LDL-C: 引起动脉粥状样硬化、心肌梗死 桔青霉 Penicillium citrinum 提纯得到 Lovastatin Lovastatin K i = 1nM K m =10  M

statins Atorvastatin (Lipitor, best sale) FluvastatinPitavastatin(Nisvastatin)

青蒿素 Artemisinin 黄花蒿 Artemisia annula 蒿甲醚 Artemether (Novartis PCT) 生物利用度较低 复发率高

喜树碱 羟基喜树碱 Hydroxycamptothecin 喜树 ( 中国） Camptotheca acuminata 拓扑替康 Topotecan （ GSK 2007 ） 水溶性较差，毒性大 作用于 DNA topoisomerase I （化疗药物） 治疗 SCLC ，卵巢癌，结肠癌

南美洲古柯 Erythroxylum coca Lam 局麻药 可卡因 Cocaine 普鲁卡因 Procaine （ 1905 ） Lidocaine （ 1943 Synthesis; 1949 on market)

动物毒素 – 蛇毒 Bungarotoxin ， N 2 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

2 、高通量筛选（ HTS ） 多靶标对化合物库的筛选（目前的主要筛选方法） 立体筛选方法的灵敏性、微量化、自动化 大容量多样性化合物库 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-throughput screening, HTS ）技术结合，可极大地加 快先导物发现和优化的速度 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 Cons: Low hit rate: 0.001% Low druggability High false positive rate

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

岩白菜内酯的生物催化组合库

Impact of high-throughput screening in biomedical research Macarron, R. NATURE REVIEWS DRUG DISCOVERY 10: (2011)

3 、 基于配体或底物的分子设计 酶反应过程：酶抑制剂 – 酶结构 – 底物、过渡态、产物结构 –ACEI 、 COX-2 、 GABA-T 、 MAO 抑制剂等 抗代谢物：酶抑制剂，致死合成 与受体作用过程：激动剂或拮抗剂 – 受体结构 – 配体结构 – 肾上腺素能药物、胆碱能药物、甾体药物等

5-hydroxytryptamine (5-HT) ：神经递质，低水平 -- 〉偏头痛 5-HT receptor isomers: 5-HT 1, 5-HT 2, 5-HT 3 Activity(5-HT 1 ) = 2 (vs. 5-HT) Activity(5-HT 2 ) = 1/25 Sumatriptan （ GSK ， 2009 expired) ： Activity(5-HT 1 ) = ¼ 对 5-HT 2, 5-HT 3 ，多巴胺和肾上腺能受体无作用 Structural basis for molecular recognition at serotonin receptors. (2013) Science 340:

5-HT 3 受体阻断剂 Metoclopramide Block dopamine & 5-HT 3 止吐，胃动力药 Clebopride Dopamine blocker 胃动力不变 5-HT 3 blocker > clebopride 300 folds 无 dopamine 拮抗 Setrons: 治疗肿瘤化疗引起的恶心呕吐 granisetronpalonosetron Ondansetron

血管紧张素转化酶（ angiotensin-converting enzyme, ACE) 抑制剂 Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe-His-Leu Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe ACE （ angiotensin II: 强效收缩血管） Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg Angiotensin I Bradykinin: 血管舒张剂 ACE Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro

Hypothetical active site of carboxypeptidase A

Hypothetical binding of inhibitors to ACE

captoprilenalaprilEnalaprilat (enalapril 的代谢活性组分） ACE 小分子拟肽抑制剂 ACE 的功能羧肽酶 A 的作用模式肽类抑制剂的结合模式 羧烷基脯氨酸卡托普利 依那普利等 Crystal Structure of the Human Angiotensin-Converting Enzyme-Lisinopril Complex (2003) Nature 421: 551

H 2 受体拮抗剂类抗溃疡药 选定靶点－组胺 H 2 受体 ( 确立研发目标－抑制胃酸分泌药物 ) 建立动物筛选模型－麻醉兔灌胃 从 H 2 受体天然激动剂－组胺入手，以其为先导结构，保留咪唑环，改变侧链，开 始优化

IIb/IIIa 糖蛋白受体拮抗剂 血栓形成的关键步骤是纤维蛋白原与血小板 IIb/IIIa 受体结合。 被 IIb/IIIa 受体识别和相互作用的主要区段是纤维蛋白原的三肽片断 Arg-Gly- Asp （ RGD ）。 蛇毒或水蛭素中含有 RGD 的线形或环状肽，是阻断 IIb/IIIa 受体活化从而抑制血 小板聚集的药效团。 含有或模拟 RGD 结构的肽或拟肽可作为纤维蛋白原的拮抗剂，是创制抗血栓 药物的一个新途径。 RGD Sibrofiban Roxifiban

4 、 SOSA 磺胺治疗细菌感染时，发现利尿作用. Acetazolamide 口服利尿 Dichlorphenamide chlorthiazide hydrochlorthiazide cyclothiazide 长效利尿药 bendroflumethiazide 长效利尿药

Sulfasomizole 治疗伤寒病，  胰岛素释放  急性和持久性低血糖 sulfasomizole Carbutamide, 更强的降糖作用，治疗糖尿病 Iproniazid 治疗结核病，  情绪提高  抑制单胺氧化酶 MAO  靶标抑郁型精神病 Isoniazid 无抗抑郁 iproniazid phenelzine tranylcypromineselegiline 抗抑郁药

Zaprinast 抗过敏药  扩张血管、降血压  抑制 PDE5 ： 治疗心绞痛 cGMP ：扩张血 管，增加血流量 sildenafil cGMP  NO  第二信使 增强勃起功能 (ED) 模拟创新：

代谢活化 – 活性代谢物作为先导物 – 前药设计 代谢失活 – 软药设计 5 、基于代谢作用

抗疟药环氯胍

保泰松的代谢活化

6 、幸运 结构解析错误

PenicillinChlordiazepoxide (Roche) cisplatincarboplatin oxaliplatinlobaplatin More good luck:

Target Library Synthesis Full screening Lipinski's RO5 Fragment grow, link and merge Fragments: Fragment-based Screening High Throughput Screening 10 2 ~10 4 RO3 compounds (~10 6 compounds, ~$$2M/Screening) Small is better (sample bigger chemical space, higher hit rate, higher Ligand Efficiency, less false positive results, more intuitive to medicinal chemists) 7 、 Fragment based lead discovery

Fragment Library Target X-ray / NMR Structures b c a NMR Competitive Binding Experiment Evolution Validation Biacore HSQC *Hubbard et al (2007), Curr Topics Med Chem, 7, 1568 Biacore Fragment Based Lead Discovery

Clinical candidates of fragment-derived compounds CompoundCompanyStatusTargetTherapy areas VemurafenibPlexxikon/R oche Phase IVB-RAFMelonoma (first FBDD drug on market, FDA approved in 2011) ABT-263Abbott Genentech Phase IIBcl-xLSmall-cell lung cancer, CML, Lymphoma, Hematological neoplasm Cancer ABT-869AbbottPhase IIVEGF and PDGF receptor tyrosine kinase family members Non-small-cell lung cancer, etc. AT-7519AstexPhase IICDK family members Multiple myeloma cancer AT-9283AstexPhase IIAurora kinase family members Flt3 tyrosine kinase, Jak2 tyrosine kinase Abl tyrosine kinase Hematological neoplasm Solid tumor

CompoundCompanyStatusTargetTherapy areas DG-051deCODEPhase IILeukotriene A4 hydrolase Myocardial infarction PLX-204PlexxikonPhase IIPPAR alpha, delta, gamma Inflammatory disease Cardiovascular disease Non-insulin dependent diabetes LY Lilly TularikPhase IIFactor XaThrombosis NVP-AUY- 922 Vernalis Novartis Phase IIATPase Hsp 90Cancer Solid tumor ABT-518AbbottPhase IGelatinase Metalloprotease-2 Metalloprotease-9 Solid tumor IC-776Lilly ICOSPhase ICD11a, ICAMInflammatory disease, Psoriasis, Autoimmune disease AT-13387AstexPhase IHsp 90Cancer

CompoundCompanyStatusTargetTherapy areas PLX-4032Plexxikon Roche Phase IRaf B protein kinase Melanoma Cancer PLX-5568Plexxikon Roche Phase IRaf protein kinasePain, Polycystic kidney disease SNS-314SunesisPhase IAurora protein kinase Cancer solid tumor AT-13148Astex, ICR CRT AstraZeneca Phase IAKT protein kinase Cancer SGX-393Lilly (SGX)IND for Phase I Abl tyrosine kinase Cancer Ref: Expert Opin. Drug Discov. (2009) 4:1125 Weak binding between the target and a small molecule fragment is detected by biophysical methods, e.g., NMR, SPR or cross-validated by these two techniques.

Fragment Selection RO3: 110 < MW <250 ~ 300 cLogP < 2 ~ 3 (or cLogD < 2 ~ 3) 2 < N+O < 6 logS > -4.5 TPSA < 110 Maximize the shape and electrical diversities (Openbabel + Pipeline Pilot) to cover the chemical space for prototypical compounds High ligand efficiency LE = RTln(K D )/HAC LE improves from ~0.3 to ~0.5 during hits to leads (H2L) Final: 1K~2K fragment library (Commercial library: Maybridge or Chembridge)

Most used Fragments Screening methods Screening method Library size Primary screening Protein amount Pros & Cons Crystallograp hy 1KN>10mg Low hit rate, low throughput Heavily involved in H2L, LO. NMR1KY>10mg High hit rate (2~8%, indicate druggability). Ligand based (STD & WaterLOGSY) observation in cocktail Less false positive results ITC1 – 2KN~g SPR2 – 5KY~mg 3 weeks screening Cross validation with NMR HCS5 – 30KY require bioassay development for different targets (difficulty in outsourcing) High false positive rate >10 fragment derived compounds in clinical phase II from pharmaceutical companies, e.g., Novartis, Lily, Abbott, Genentech, Astex, Vernalis, deCODE, Plexxikon. >20 fragment derived compounds in clinical phase I since 2005.

Hits to leads

Evolving Fragments - In Practice Known Ligands Detailed Design NVP-AUY922 Phase I/II Merging Virtual Screen Linking ABT-263 Phase II B A Growing AT9283 Phase II Fragment 1  M 0.07  M  M

药物化学总论（ 2010 ， p609) “ 在发现苗头和先导物的早期研究阶段，同时关注分子的物化性质和活性，以降低 新药研发链中各个环节上的风险率，已经成为业界之共识。基于片段的药物设计， 辅以配体效率的 “ 监督 ” ，已在国外许多药厂和大学蓬勃展开，大有超过高通量筛选 的势头。应用 FBDD 的 13 年来，已有一批候选药物进入临床试验阶段。这种研发策 略，涉及了分子药理学、结构生物学、分子模拟、化学合成和药物化学等多种学科 和技术，整合性很强。在我国，尚未发现采用该方法的研究报道。本节之目的在于 呼唤和催生 FBDD 在我国的实施。 ”