14-藥物設(shè)計(jì)及基因診斷與治療

生物信息學(xué)主講教師：王莉藥物設(shè)計(jì)及基因診斷與治療第十二講主要內(nèi)容：

一、藥物基因組學(xué)二、藥物蛋白質(zhì)組學(xué)三、藥物設(shè)計(jì)四、構(gòu)效關(guān)系和計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)五、基因診斷與治療一、藥物基因組學(xué)有同樣病癥的患者對(duì)于同一種藥物出現(xiàn)不同治療效果藥物遺傳學(xué)（pharmacogenetics）藥物基因組學(xué)（pharmacogenomics）藥物基因組學(xué)的重點(diǎn)：個(gè)體遺傳差異對(duì)藥物反應(yīng)的不同作用。不是研究疾病的內(nèi)在分子機(jī)理。1957年：個(gè)體之間酶活性的遺傳差異引起不同的、甚至相反的藥物反應(yīng)。許多藥物代謝酶的催化活性、專一性都被廣泛研究。例：細(xì)胞色素P-450s

代謝降解大約40～50％的藥物，并顯示基因多肽性。對(duì)于大多數(shù)藥物來(lái)說(shuō)，P-450s的活性決定了藥物在體內(nèi)的存在時(shí)間和存在量。（活性低：中毒；活性高：抵抗）

多肽性位點(diǎn)：與疾病相關(guān)的某種等位基因可作為對(duì)有不同藥物反應(yīng)的患者進(jìn)行分類的指標(biāo)。（不需要是藥物作用靶點(diǎn)，該位點(diǎn)只需要與藥物反應(yīng)有相關(guān)性）個(gè)體藥物反應(yīng)差異：藥代動(dòng)力學(xué)差異（pharmacokinetics）藥物動(dòng)力學(xué)差異（pharmacodynamics）

即：藥物與藥物靶點(diǎn)相互作用的差異。多種基因與環(huán)境因素一起作用導(dǎo)致不同藥物反應(yīng)的個(gè)體差異。藥物基因組學(xué)作用：鑒定藥物代謝途徑的基因和疾病相關(guān)基因。所以，必須構(gòu)建一種可以解析涉及藥物反應(yīng)和疾病的復(fù)雜基因鏈系統(tǒng)的整個(gè)基因組范圍的定位圖譜。（遺傳差異的快速測(cè)定）功能基因組學(xué)作用：鑒定功能基因，特別是疾病相關(guān)基因；并研究各種生物過(guò)程的分子機(jī)制和疾病的分子機(jī)理，從而發(fā)現(xiàn)新的藥物靶點(diǎn)及開(kāi)發(fā)新的藥物。（功能基因的快速鑒定）二、藥物蛋白質(zhì)組學(xué)作為藥物作用的靶分子，核酸存在幾點(diǎn)缺陷：①核酸的同源性使得藥物的選擇性差、毒性大。②大多數(shù)疾病都是表征在蛋白質(zhì)水平而非基因水平。③將核酸結(jié)合的藥物釋放到相應(yīng)組織是研究瓶頸。④很多疾病是多基因合作結(jié)果，有遺傳上的多肽性，很難找到關(guān)鍵基因做靶標(biāo)。藥物蛋白質(zhì)組學(xué)：應(yīng)用蛋白質(zhì)組學(xué)的方法對(duì)在基因表達(dá)水平上的疾病和藥物作用效果進(jìn)行分析。蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)能夠促進(jìn)靶點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)和篩選模型的建立?？赏ㄟ^(guò)對(duì)疾病與正常細(xì)胞中蛋白質(zhì)組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)一些疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)（作為藥物篩選的靶點(diǎn)或相關(guān)疾病的分子標(biāo)志）。還可通過(guò)疾病發(fā)生的不同階段蛋白質(zhì)的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一些疾病不同時(shí)期的蛋白標(biāo)志物。（抗腫瘤藥物、抗感染藥物、靶向信號(hào)傳導(dǎo)分子的治療）蛋白質(zhì)基因表達(dá)的調(diào)控構(gòu)成了真正的藥物作用機(jī)制。還可反過(guò)來(lái)在蛋白質(zhì)層面上考察待篩化合物的藥效學(xué)，加速先導(dǎo)化合物的鑒定與優(yōu)化。三、藥物設(shè)計(jì)藥物分子的設(shè)計(jì)與合成：該階段的工作是藥物是否開(kāi)發(fā)成功的最重要的階段，是藥物開(kāi)發(fā)的開(kāi)端。主要的研究?jī)?nèi)容是：先導(dǎo)化合物的篩選及優(yōu)化，藥理模型的建立及藥效試驗(yàn)，毒性的初步試驗(yàn)。

分子中鏈狀部分的改造：將藥物分子中的碳鏈增長(zhǎng)或縮短，可以改變活性，甚至改變活性類型。胡椒堿（抗癲癇）--桂皮酰胺化合物（增強(qiáng)了抗癲癇活性，減少了合成的難度。去甲腎上腺素，R基團(tuán)的改變，活性發(fā)生變化。①電子等排體置換經(jīng)典電子等排體：a)具有相同的電子數(shù)目和相同的電子排列的化合物或基團(tuán)；它們具有相似的物理性質(zhì)。如：CO,N2;CO2,N2O。b)H置換規(guī)則;如：CH,N;CH2,O;CH3,F;NH,O;NH2,F;OH,F。C)最外層電子數(shù)目相同的原子或基團(tuán)；如：N，P，As；O，S，Se；Cl，CN；-CH=CH-，-S-等都互稱電子等排體。生物電子等排體：大小、形狀、電荷密度相似，產(chǎn)生相同或相反的生物活性的基團(tuán)或結(jié)構(gòu)片段，均稱之為生物電子等排體。羧基、四氮唑基；磺酸基、磺胺基；苯、吡啶、噻吩、呋喃。例1：降糖藥氨磺丁脲和甲磺丁脲，延長(zhǎng)了半衰期，降低了毒性。例2：抗過(guò)敏藥曲吡那敏、氯苯那敏②拼合原理治療效果相同的藥物拼合在一起。貝諾酯普齊地洛氨芐西林+舒巴坦四、構(gòu)效關(guān)系和計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)構(gòu)效關(guān)系是藥物分子設(shè)計(jì)與合成的重要研究?jī)?nèi)容之一；其結(jié)果對(duì)藥物的開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使定量進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系研究成為現(xiàn)實(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)在藥物分子的設(shè)計(jì)越來(lái)越重要。構(gòu)效關(guān)系（Structure-activityrelationship）：

藥物的分子結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系，簡(jiǎn)稱為構(gòu)效關(guān)系。1.藥物產(chǎn)生生物活性的本質(zhì)藥物進(jìn)入體內(nèi)后，經(jīng)過(guò)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)作用部位，與特定的組織或靶點(diǎn)相互作用，影響其功能，通過(guò)系列的生化作用，產(chǎn)生生物活性。產(chǎn)生活性的本質(zhì)是藥物分子與體內(nèi)的特定組織活靶點(diǎn)的相互作用。根據(jù)作用方式，可將藥物分為結(jié)構(gòu)非特異性藥物和結(jié)構(gòu)特異性藥物。結(jié)構(gòu)非特異性藥物的活性主要取決于分子的各種理化性質(zhì)，與分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，當(dāng)結(jié)構(gòu)有所變化時(shí)，活性變化不大。結(jié)構(gòu)特異性藥物的活性與分子的理化性質(zhì)有關(guān)外，主要受分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)影響，這與靶點(diǎn)的相互作用有關(guān)，分子結(jié)構(gòu)稍微改變，直接影響活性。作用于同一靶點(diǎn)的藥物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)中通常具有相同的結(jié)構(gòu)片段，稱之為藥效團(tuán)，與活性密切相關(guān)，其余的部分對(duì)活性影響不大。廣義的藥效團(tuán)的定義是，具有相同的疏水、電性、立體性質(zhì)及相似的構(gòu)象，能與靶點(diǎn)的特定部位匹配，發(fā)生作用的三維空間結(jié)構(gòu)部分。①藥物的理化性質(zhì)對(duì)活性的影響無(wú)論何種給藥方式，藥物要進(jìn)入血液循環(huán)，通過(guò)各種生物膜，到達(dá)作用部位，并達(dá)到有效濃度，與靶點(diǎn)相互作用，才能呈現(xiàn)活性。由于生物膜的固有結(jié)構(gòu)，藥物分子必須具有一定的疏水性，才能穿越生物膜。有些化合物在體外具有良好的活性，但進(jìn)入體內(nèi)后，活性消失，這與藥物分子的理化性質(zhì)有關(guān)。因此，在藥物的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要考慮活性的大小，同時(shí)要考慮藥物的理化性質(zhì)。

藥物的理化性質(zhì)直接影響藥物的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)（吸收、分布、代謝、排泄）。

對(duì)藥效影響較大的因素是：溶解度、脂水分配系數(shù)和解離度。②藥物與靶點(diǎn)的相互作用對(duì)活性的影響到達(dá)作用部位的藥物分子，只有與靶點(diǎn)相互作用，才能發(fā)揮生理作用，表現(xiàn)出生物活性。藥物分子與靶點(diǎn)的相互作用，與藥物的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，尤其是結(jié)構(gòu)特異性藥物。

相互作用方式可分為2種類型:

a)可逆作用：包括靜電作用、氫鍵、疏水、范德華力、電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物。電荷轉(zhuǎn)移絡(luò)合物：二甲苯與硝基苯。b)不可逆作用：通過(guò)形成共價(jià)鍵相互作用，藥物分子與靶點(diǎn)相連，使其失去作用；如抗癌藥烷基化劑、β-內(nèi)酰類抗生素和抗炎藥阿司匹林。但是臨床上應(yīng)用的大部分藥物是通過(guò)可逆性相互作用呈現(xiàn)活性。藥物分子中各基團(tuán)對(duì)藥效的影響藥物分子的整體結(jié)構(gòu)決定藥效，但分子中的特定基團(tuán)或片段對(duì)藥效影響巨大。烴基或芳烴基可增加脂溶性和范德華力，尤其是作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的藥物，脂溶性較大。鹵素主要是氟和氯，可改變脂水分配系數(shù)，引起整體分子的電荷密度變化。-OH、-SH、-SO3H、-COOH、-CONH-可以增加水溶性，提供氫鍵的受體或供體，對(duì)分子的活性具有重要影響。氨基對(duì)分子的活性影響亦較明顯。一級(jí)胺的活性最大，但往往毒性亦較大。分子的電荷分布對(duì)活性的影響對(duì)氨基苯甲酸二乙氨基乙酯具有麻醉作用，而對(duì)硝基苯甲酸二乙氨基乙酯則沒(méi)有麻醉作用。立體因素對(duì)活性的影響

構(gòu)成人體蛋白質(zhì)的氨基酸具有手性，故手性藥物的活性有所不同。（A）Z、E異構(gòu)體對(duì)活性的影響不同的異構(gòu)體中各基團(tuán)的相對(duì)位置不同，故對(duì)活性具有較大的影響。如乙烯雌酚，反式體有效而順式體無(wú)效?？咕癫∷幝绕锗鐕嵉捻樖襟w的作用比反式體強(qiáng)5-10倍。（B）手性對(duì)活性的影響

a一種異構(gòu)體有活性，另一異構(gòu)體無(wú)活性。如甲基多巴，只有左旋體具有降壓作用。b不同的光學(xué)異構(gòu)體活性大小不同。如D（-）異丙腎上腺素的支氣管擴(kuò)展作用比其對(duì)映體強(qiáng)50-800倍。c不同的光學(xué)異構(gòu)體呈現(xiàn)不同類型的活性。如氯胺酮（K粉），S（+）氯胺酮具有麻醉作用，R（-）氯胺酮具有興奮作用。麻黃堿具有收縮血管、增高血壓和舒張支氣管，可用作血管收縮藥和平喘藥，而光學(xué)異構(gòu)體偽麻黃堿沒(méi)有收縮血管、增壓作用，只能擴(kuò)張支氣管。d光學(xué)異構(gòu)體呈現(xiàn)相等的生物活性。如催眠藥苯巴比妥鈉、抗組胺藥異丙嗪的兩種異構(gòu)體生物活性相同，作用強(qiáng)度相等。（C）構(gòu)象異構(gòu)體對(duì)活性的影響構(gòu)象異構(gòu)體是指同一化合物的各基團(tuán)空間排列順序相同，但位置不同。只有與靶點(diǎn)作用部位互相匹配的結(jié)構(gòu)才呈現(xiàn)活性。藥物分子與受體相互作用，與受體互補(bǔ)匹配的構(gòu)想成為藥效構(gòu)象。藥效構(gòu)象不一定是分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象。a藥物分子的結(jié)構(gòu)相同，作用于同一受體，構(gòu)象不同，產(chǎn)生的活性強(qiáng)弱不等。如鎮(zhèn)痛藥倍他羅定和阿法羅定，二者為對(duì)映異構(gòu)體，倍他羅定的穩(wěn)定構(gòu)象與嗎啡構(gòu)想相似，其鎮(zhèn)痛活性是阿法羅定的6倍。b同一分子的構(gòu)象不同，作用于不同的受體，產(chǎn)生不同的生物活性。如組胺的反式構(gòu)象作用于H1受體，引起過(guò)敏，而扭曲構(gòu)象作用于H2受體，引起胃酸分泌。c分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象為藥效構(gòu)象，呈現(xiàn)生物活性。如多巴胺

。d等效構(gòu)象:藥物分子的組成不同，但具有相同的藥效團(tuán)，構(gòu)象相似，產(chǎn)生相同或相近的生物活性，也稱之為構(gòu)象的等效性。如維甲酸、芳維加和丁羥胺酸，均具有誘導(dǎo)細(xì)胞分化的活性。

定量構(gòu)效關(guān)系是新藥設(shè)計(jì)的一種研究方法，可以用于先導(dǎo)化合物的優(yōu)化，是計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，包括2DQSAR和3DQSAR。1868年，A=f(c),A代表生物活性，c代表化合物的結(jié)構(gòu)特征，活性與化合物的結(jié)構(gòu)呈函數(shù)關(guān)系。

定量構(gòu)效關(guān)系：選擇一定的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用藥物分子的理化參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和拓?fù)鋮?shù)及生物活性，對(duì)藥物分子化學(xué)結(jié)構(gòu)與生物活性間的關(guān)系進(jìn)行定量分析，建立活性與結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系，建立數(shù)學(xué)方程式，依據(jù)研究的結(jié)果，指導(dǎo)藥物的化學(xué)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化。2.二維定量構(gòu)效關(guān)系（2D-QSAR）和先導(dǎo)物優(yōu)化Hansch分析法:

Hansch分析法又稱為線性自由能相關(guān)模型。藥物分子呈現(xiàn)活性是藥物小分子與生物大分子相互作用的結(jié)果，這種相互作用與分子的各種熱力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，熱力學(xué)性質(zhì)具有加和性。

數(shù)學(xué)表達(dá)式：Log1/C=-aЛ2+bЛ+cσ+dEs+……+k或

Log1/C=-alogP2+blogP+cσ+dEs+……+kHansch分析法在藥物分子設(shè)計(jì)中的應(yīng)用：①Hansch分析法的基本要求所設(shè)計(jì)的化合物應(yīng)是同源化合物，具有相同的基本母核，作用于同一受體?；衔锏奈锢砘瘜W(xué)性質(zhì)差異要大。所選擇的參數(shù)不能具有相關(guān)性，每一個(gè)參數(shù)都應(yīng)對(duì)活性有直接的影響?；衔锏纳锘钚詳?shù)據(jù)變化幅度應(yīng)大于一個(gè)對(duì)數(shù)單位（相差10倍）?；衔锏臄?shù)目至少是所選用參數(shù)的5倍。②Hansch分析法的操作程序從先導(dǎo)化合物出發(fā)，設(shè)計(jì)并合成首批化合物；測(cè)定化合物的活性；確定及計(jì)算化合物及取代基的各種理化參數(shù)或常數(shù)；用計(jì)算計(jì)程序，求出一個(gè)或幾個(gè)顯著相關(guān)的方程。用所得到的方程指導(dǎo)第二批化合物的合成，并預(yù)測(cè)活性。③Hansch分析法的用途及局限性

用途：定量指導(dǎo)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化，用于解釋藥物作用機(jī)理，推測(cè)可能的受體模型，研究藥代動(dòng)力學(xué)的定量關(guān)系。

局限性：2D-QSAR只考慮化合物與受體作用的位點(diǎn)，沒(méi)有考慮化合物與受體結(jié)合時(shí)的構(gòu)象變化，沒(méi)有反映出分子構(gòu)象和構(gòu)型對(duì)活性的影響。不能定量描述三維結(jié)構(gòu)與生物活性的關(guān)系，只能優(yōu)化先導(dǎo)物。

三維定量構(gòu)效關(guān)系（3D-QSAR）：是以藥物小分子和生物大分子的三維結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，分析并建立起來(lái)的結(jié)構(gòu)與活性的定量構(gòu)效關(guān)系，是計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、分子力學(xué)、藥物化學(xué)、生物生理學(xué)等學(xué)科綜合運(yùn)用的一門(mén)技術(shù)。3.計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)（CADD）CADD包括：基于作用機(jī)理的藥物設(shè)計(jì)（MechanismBasedDrugDesign）：依據(jù)藥物的作用機(jī)理，從靶點(diǎn)出發(fā)，考慮藥物與受體的作用過(guò)程，模擬藥物在體內(nèi)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝等過(guò)程，進(jìn)行藥物的分子設(shè)計(jì)。盡管該種方法合理，但考慮因素過(guò)多，不太成熟，目前還沒(méi)有設(shè)計(jì)成功的例子?；诮Y(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)（StructureBasedDrugDesign）：依據(jù)靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)或藥物分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的藥物設(shè)計(jì)方法。比較成熟，在藥物分子設(shè)計(jì)時(shí)得到了較為廣泛的應(yīng)用?？煞譃閮煞N方法：直接藥物設(shè)計(jì)和間接藥物設(shè)計(jì)。①直接藥物設(shè)計(jì)（DirectDrugDesign）

直接藥物設(shè)計(jì)又稱之為全新藥物設(shè)計(jì)，是在作用靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)已知的前提下，進(jìn)行藥物設(shè)計(jì)的一種方法。

以已知的生物大分子（受體）結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定與小分子（藥物）的結(jié)合位點(diǎn)，依據(jù)位點(diǎn)的形狀和性質(zhì)，按照結(jié)構(gòu)互補(bǔ)、適配的原則，構(gòu)建出小分子的結(jié)構(gòu)。

受體的三維結(jié)構(gòu)可通過(guò)X-單晶衍射技術(shù)直接獲得或多維NMR方法間接獲得。用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究受體與藥物結(jié)合部位的性質(zhì)，如靜電場(chǎng)、疏水場(chǎng)、氫鍵等作用位點(diǎn)的信息，依據(jù)結(jié)合部位的幾何結(jié)構(gòu)和化學(xué)特征，運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋的方法，確定結(jié)構(gòu)適配、相互作用的小分子結(jié)構(gòu)。（即可用于發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)物，也可用于優(yōu)化先導(dǎo)物）

受體的結(jié)合部位的確定及其性質(zhì)是CADD研究的關(guān)鍵，通常是部分重要的氨基酸殘基。

直接藥物設(shè)計(jì)常用方法：分子對(duì)接法（docking）、活性位點(diǎn)分析法（ActiveSiteAnalysisASA）、模板定位法。分子對(duì)接法：亦稱數(shù)據(jù)庫(kù)搜尋法。建立大量小分子化合物的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)，用商用軟件dock程序，將數(shù)據(jù)庫(kù)中的小分子與靶點(diǎn)大分子進(jìn)行對(duì)接（docking），通過(guò)不斷優(yōu)化小分子的化合物結(jié)構(gòu)，尋找小分子與靶點(diǎn)大分子作用的最佳構(gòu)象，計(jì)算作用能。以此為判據(jù)，在三維小分子數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋與靶點(diǎn)受體的結(jié)合位點(diǎn)作用最強(qiáng)的分子。合成或購(gòu)買該化合物，進(jìn)行活性測(cè)試。（如抗HIV藥物沙奎那韋的研發(fā)）②間接藥物設(shè)計(jì)（IndirectDrugDesign）在作用靶點(diǎn)結(jié)構(gòu)不清楚的情況下，進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)的方法。該種方法是以小分子的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，從一組小分子化合物的結(jié)構(gòu)和生物活性數(shù)據(jù)出發(fā)，研究結(jié)構(gòu)與活性的定量構(gòu)效關(guān)系，進(jìn)行藥物分子設(shè)計(jì)。首先確定活性強(qiáng)的小分子的優(yōu)勢(shì)構(gòu)象，以此代替活性構(gòu)象，推測(cè)受體的活性部位形狀和作用方式，得到虛擬受體模型，設(shè)計(jì)新的小分子。