天然产物的结构改造

药理活性和成药性是新药创制的两大要素, 药理活性自不待言, 成药性是由分子的物理化学性质、生物化学性质、药代动力学性质和安全性所支撑。天然产物作为动物、植物、微生物和海洋生物的次级代谢产物, 具有维持生理、自身防御和种群繁衍的功能, 许多药物来自天然产物。天然产物具有多样性和复杂性结构, 多含立体化学中心, 氮和卤素含量低。天然活性物质是良好的先导物, 但未必能满足成药性要求, 需要进行结构修饰和优化。结构改造的要旨是: 根据天然产物的分子大小和复杂程度, 采取不同的化学处置方式, 复杂和较大的分子作结构剖裂, 去除冗余原子; 研究构效关系, 提取药效团, 实现骨架迁越, 获得新结构类型分子; 消除不必要的手性中心, 保留与靶标结合的必须的构型与构象; 全合成实现工业化, 保护环境与资源。天然产物结构改造的方略是: 提高活性强度和选择性作用; 改善物理化学性质; 提高化学和代谢稳定性; 改善生物化学性质; 改善药代动力学性质; 消除或降低毒副作用和不良反应; 获得知识产权。本文以成功的实例解析以天然活性物质为先导物研制新药的内涵。     

药物分子设计的策略: 分子的宏观性质与微观结构的统一

药物与机体的相互作用，包含机体对药物的处置和药物对机体的作用。机体对药物的处置，所进行的物理和化学、时间和空间的处置，遵循一般的规律，具有共性特征，即分子的整体和宏观性质影响药代动力学行为。药物对机体的作用，是药物分子与靶标蛋白的物理或化学结合，引发药理(或毒理)作用，起因于药物的特异性作用，是药物分子的个性表现，受制于药物分子中特定的原子或基团与靶标分子在三维空间的结合，这种微观结构就是药效团。药物分子可视作宏观性质与微观结构的集合，统一在分子的整体结构之中，宏观性质决定药代和物化性质，微观结构决定药理作用。认识宏观与微观同药代与药效的内在相互关系，可以深化对药物作用的认识，指导药物分子设计。决定分子宏观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；决定活性的微观结构因素有氢键给体、氢键接受体、正电中心、负电中心、疏水中心和芳环中心。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。分子的宏观性质，包含了微观结构中原子和基团的贡献；在改变分子的结构以调整宏观性质时，往往影响微观结构的空间位置。药物分子设计的技巧是整合这两个因素成最佳配置，在早期研究阶段，应兼顾宏观性质与微观结构，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与药效学的选择性空间有结构交盖。     

生物学导向协调药效和药代的药物设计

创新药物的核心是构建融合具有药效药代和安全性的化学结构,将宏观性质和微观结构统一到分子中,前药多以化学原理协调药代和药效间的关系,自21世纪以来更多借助生物学原理形成创制新药的技术和方法,本文从药物化学的视角简析一些平台技术的特征。     

药物分子设计的策略：论药效团和骨架迁越

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；以结构一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。     

《药物设计策略》书评

科学出版社出版的《药物设计策略》一书是郭宗儒先生继《药物化学总论》和《药物分子设计》著作后的又一本新的力作。前二本著作主要阐述药物化学的基本原理和药物设计的具体方法,本书则从理念和策略上讨论药物分子设计。该书共有10章,内容大致可分为四个部分。第1,2章主要阐述与创新药物研究密切相关的苗头化合物、先导物和候选药物三者之间关系、评价标准、研究方法和策略,构成本书的引言;第3～5章从药物的宏观性质和微观结构关系入手讨论药物的化学结构与其理化性质的关系,对药物成药性的影响,以及如何从药物分子结构中解析其发挥作用的药效团和骨架结构,并     

前药载体研究新进展

<正>前体药物(Prodrug),是指一种口服后经体内化学或酶代谢,能释放出有药效活性的代谢物或原药的化合物。它将原药与一种载体经化学键连接,形成暂时的化学结合物或覆盖物,从而修饰或改变原药的理化性质,经体内降解发挥其药效。前药已经在药物结构修饰及化学发展中发挥了巨大的作用,将成为21世纪药物设计与开发的重要手段。前药结构通常分为原药和载体两部分,前药设计就是在原药最适宜的功能基上键合载体分子。这个键合过程要求能在实     

《药物设计策略》书评

<正>科学出版社出版的《药物设计策略》一书是郭宗儒先生继《药物化学总论》和《药物分子设计》著作后的又一本新的力作。前两本著作主要阐述药物化学的基本原理和药物设计的具体方法,本书则从理念和策略上讨论药物分子设计。该书共有10章,内容大致可分为四个部分。第1、2章主要阐述与创新药物研究密切相关的苗头化合物、先导物和候选药物三者之间关系、评价标准、研究方法和策略,构成本书的引言;第3~5章从药物的宏观性质和微观结构关系入手讨论药物的化学结构与其理化性质的关系,对药物成药性的影响,以及如何从药物分子结构中解析其发挥作用的药效     

分子模拟与新药虚拟评价

分子模拟是基于分子力场对各种性质进行理论模拟技术的总称。“计算机辅助药物设计”属于分子模拟技术在药物发现的方面的应用,是分子设计和虚拟筛选技术的集合,传统上主要用于对活性的“虚拟筛选”。随着人们对药物认识的深入,以及尽早认清化合物成药性的要求,分子模拟技术已经由活性向毒件、约代性质方面渗透,由发现阶段向开发阶段渗透,由“虚拟筛选”向“虚拟评价”发展。     

药物分子设计的策略：双靶标药物设计

新药研究可分两种模式：以生理学和表型为基础的研究和以生物靶标为核心的药物研究,这两种模式相互补充和印证。当今以靶标为切入点的模式占主导地位,研发出不少新药。许多疾病如肿瘤、代谢性和中枢神经系统疾病的药物治疗非单一靶标可治愈,同时干预与疾病相关的双（多）靶标药物可提高药物的效力,因而成为创制新药的活跃领域。双靶标药物可以是两个受体的调节剂、两个酶的抑制剂或同时作用于酶和受体或作用于受体和通道或转运蛋白的双功能性分子等。从药物分子设计的视角,构建双靶标药物分子可将两个活性分子或其药效团用连接基连接在一起,构成连接型分子;两个活性分子的部分结构或药效团特征相同,可将共同部分融合或并合,形成融合型或并合型分子,可以控制分子的大小和相对分子质量,使得分子结构的药效空间与药代动力学空间有较大的重叠,提高成药的几率。     

结构优化的焓与熵

多参数的先导物优化可归纳为两部分：从微观结构上提高化合物的活性强度和选择性,从宏观性质上优化其物化性质、吸收和药代以及安全性质等,这些集中反映于药理活性和成药性中。内涵于化学结构中的这两部分是相互关联的,例如对靶标的高活性和高选择性的药物可容许物化、代谢和安全性质有更宽泛的表现。药物对靶标的亲和力（如平衡状态下的离解常数Ki）与体外活性（如EC50或IC50）是密切相关的,因而在初期优化中成为衡量化合物质量的主要指标。配体与靶标的亲和力或离解常数可转换为结合自由能,进而可用热力学实验方法将结合能＂化解＂成焓和熵的贡献,这样,在结构优化过程中,测定化合物自由能、焓和熵变,可从原子和基团的性质、取向、位置和距离的变化等更加微观的层面上,理解对活性的影响和量变的规律。配体的这些热力学特征与配体-蛋白复合物的结构生物学特征相结合,可深入揭示配体-受体的结合本质和呈现活性的内涵,从焓-熵的量变中把握结构变换对活性的影响,这是解析药物的作用机制和指导分子设计的有用方法,本文将以实例讨论热力学在结构优化中的应用。     

Exploration of the structure–activity relationship and druggability of novel oxazolidinone‐based compounds as Gram‐negative antibacterial agents

To gain further knowledge of the structure–activity relationship and druggability of novel oxazolidinone‐based UDP‐3‐O‐acyl‐N‐acetylglucosamine deacetylase (LpxC) inhibitors as Gram‐negative antibacterial agents, compounds containing the hydrophobic tails with different lengths and terminal substitutions were synthesized and their antibacterial activities against standard and clinically isolated Gram‐negative strains were evaluated. We summarized their structure–activity relationships and found that oxazolidinone‐based compounds exhibited a narrower antibacterial spectrum compared with threonine‐based compounds. Furthermore, we parallelly compared the metabolic stabilities of the compounds with the classic threonine scaffold and the novel oxazolidinone scaffold in liver microsomes. The results indicated that the druggability of the oxazolidinone scaffold may be inferior to the classic threonine scaffold in the design of LpxC inhibitors.     

Predicting protein druggability

The ability to predict whether a particular protein can bind with high affinity and specificity to small, drug-like compounds based solely on its 3D structure has been a longstanding goal of structural biologists and computational scientists. The promise is that an accurate prediction of protein druggability can capitalize on the huge investments already made in structural genomics initiatives by identifying highly druggable proteins and using this information in target identification and validation campaigns. Here we discuss the potential utility of tools that characterize protein targets and describe strategies for the optimal integration of protein druggability data with bioinformatic approaches to target selection.     

CASE Plots for the Chemotype‐Based Activity and Selectivity Analysis: A CASE Study of Cyclooxygenase Inhibitors

Structure–activity characterization of molecular databases plays a central role in drug discovery. However, the characterization of large databases containing structurally diverse molecules with several end‐points represents a major challenge. For this purpose, the use of chemoinformatic methods plays an important role to elucidate structure–activity relationships. Herein, a general methodology, namely Chemotype Activity and Selectivity Enrichment plots, is presented. Chemotype Activity and Selectivity Enrichment plots provide graphical information concerning the activity and selectivity patterns of particular chemotypes contained in structurally diverse databases. As a case study, we analyzed a set of 658 compounds screened against cyclooxygenase‐1 and cyclooxygenase‐2. Chemotype Activity and Selectivity Enrichment plots analysis highlighted chemotypes enriched with active and selective molecules against cyclooxygenase‐2; all this in a simple 2D graphical representation. Additionally, the most active and selective chemotypes detected in Chemotype Activity and Selectivity Enrichment plots were analyzed separately using the previously reported dual activity–difference maps. These findings indicate that Chemotype Activity and Selectivity Enrichment plots and dual activity–difference maps are complementary chemoinformatic tools to explore the structure–activity relationships of structurally diverse databases screened against two biological end‐points.     

New insights from structural biology into the druggability of G protein-coupled receptors

The recent availability of X-ray structures for diverse ligand-bound Family A G protein-coupled receptors (GPCRs) in multiple conformations (inactive form with an antagonist/inverse agonist bound and active form with an agonist bound) now enables rational drug design efforts that have historically been applied to soluble enzyme targets. Here, we review properties of these GPCR binding sites, using a unique combination of calculated physicochemical properties and water energetics (GRID, WaterMap and SZMAP) to provide a new perspective and rational assessment of druggability for each GPCR target binding site. Examples are described from several well-studied enzyme systems to support this advanced structure-based approach to assessing druggability and to contrast their properties with those of GPCRs. Changes in receptor conformations between the GPCR inactive and active forms evident from the protein structures are discussed, yielding important pointers for rational drug design of antagonists and agonists and a better understanding of GPCR activation.     

五环三萜羽扇豆烷型天然产物抗肿瘤活性研究进展

天然产物是抗肿瘤药物的重要来源。三萜化合物是植物体内重要的次生代谢产物,具有广泛的生物活性,其中五环三萜羽扇豆烷型天然产物对多种肿瘤细胞生长均表现出很强地抑制活性,同时由于毒性较低且作用机制独特,使其成为优秀的抗肿瘤先导化合物。近年来,针对羽扇豆烷型天然产物的抗肿瘤机制研究越发深入,对其结构进行衍生化从而提升活性、改善成药性的研究也越来越多。本文综述了五环三萜中白桦酸、23-羟基白桦酸、桦木醇和羽扇豆醇4个天然活性化合物的来源、抗肿瘤活性、作用机制及结构衍生化等方面国内外的研究进展。     

靶向肿瘤微环境的紫杉醇前药研究进展

紫杉醇前药（paclitaxel prodrugs）的设计是一种提高药物制剂成药性、降低其毒副作用、增强抗肿瘤效果的有效手段。随着对前药研究的深入,利用肿瘤过表达的受体、酶、转运蛋白、谷胱甘肽及活性氧自由基以及肿瘤组织弱酸性及低氧环境等作为靶标进行的紫杉醇靶向性前药的研究已取得极大进展。综述近年来以肿瘤微环境特殊的病理与生理特征为靶标的紫杉醇前药的研究进展。     

Design and synthesis of Atglistatin derivatives as adipose triglyceride lipase inhibitors

Adipose triglyceride lipase (ATGL) is a rate‐limiting enzyme that mobilizes fatty acids from cellular triglyceride stores. Metabolic syndrome, which refers to a group of abnormalities that occur together and increase the risk of coronary artery disease, stroke, type 2 diabetes, and cachexia, can be treated using ATGL‐specific inhibitors. Atglistatin ( 1 ) is the first small‐molecule inhibitor of ATGL. In this study, we designed and synthesized 29 Atglistatin derivatives and evaluated their inhibition of forskolin‐stimulated lipolysis in 3T3‐L1 adipocytes as an indicator of their potential to inhibit ATGL in adipose tissues. Among all the tested Atglistatin analogs, we previously found that the thiourea compound 9e showed potent ATGL inhibitory activity in vitro, which was much stronger than that of Atglistatin, and its inhibitory activity in vivo was similar to that of Atglistatin. This tool compound could be used to study the pathophysiology and druggability of ATGL in animal models of metabolic disease and cachexia.