優(yōu)于rule-of-five規(guī)則的藥物發(fā)現(xiàn)-生物化學(xué)與分子生物學(xué)

1、生物系：宋彩霞,Drug discovery beyond the ‘rule-of-five’ ——優(yōu)于“rule-of-five”的藥物發(fā)現(xiàn),摘要：,“Rule-of-five”規(guī)則是小分子藥物設(shè)計的有效指導(dǎo)原則，但是在某種程度上被過分強調(diào)。 “Rule-of-five”規(guī)則是針對口服藥物總結(jié)出的經(jīng)驗性規(guī)律，所以存在著一些局限性。本文在此討論了優(yōu)于“rule-of-five”規(guī)則的藥物發(fā)現(xiàn)的方法：如積極主動地

2、發(fā)展與口服藥品平行的腸外藥物，發(fā)展與小分子藥物相平行的治療性抗體等生物制品。此外，更應(yīng)努力研究開發(fā)天然藥物。新技術(shù)如合成生物就可以解決在基于天然藥物的藥物發(fā)現(xiàn)中存在的包括合成可行性和配基效力等方面的許多問題 。,Introduction（引言）Oral bioavailability and drug discovery productivity（口服生物利用度和藥物發(fā)現(xiàn)效率）Natural products and drug di

3、scovery productivity（天然產(chǎn)物和藥物發(fā)現(xiàn)效率）Synthetic biology for natural product drug discovery（用于天然藥物發(fā)現(xiàn)的合成生物學(xué)）Conclusions（結(jié)論）,Content:,Introduction（引言）,“Rule-of-five”規(guī)則，也稱為Lipinski定性規(guī)則，主要用于檢驗藥物的口服生物利用度。內(nèi)容： 一個藥物分子中①氫鍵供

4、體數(shù)大于5，②分子量（MWT）大于500，③油水分配系數(shù)（logP）大于5，④氮和氧原子總數(shù)（即氫鍵受體數(shù)）大于10 時，它的口服生物利用度更小。,,“Rule-of-five”規(guī)則：,優(yōu)點：使藥物設(shè)計更加合理，提高了發(fā)現(xiàn)藥物過程中對藥物的ADME（吸收，分布，代謝和消除）和其物理化學(xué)性能的重視，并且有助于在藥物篩選前期就對其ADME(和后ADME/毒性)進行檢測。 缺點：過分地強調(diào)“rule-of-five”規(guī)則的局限是兩方面的：一

5、是它不僅過分強調(diào)藥物的口服生物利用度，二是它將許多藥物尤其是一些天然藥物排除在外。,,口服生物利用度和藥物發(fā)現(xiàn)效率,生物利用度( bioavailability) :是指藥物制劑中的活性藥物被全身利用的程度，包括進入全身血液循環(huán)的劑量和速度。口服生物利用度（ Oral bioavailability ）：則是指藥物經(jīng)口服之后的生物利用度。,,口服生物利用度是口服藥物的一個重要指標(biāo)，但是今天醫(yī)療實踐中的很多藥物是腸外給藥，而不是口服給藥

6、。例如： 1204種美國FDA批準(zhǔn)的小分子藥物中，803種是可口服給藥的，421種通過腸外給藥。在這1204種藥物中只有73％（885種）通過了“rule-of-five”規(guī)則，其中70%（619種）是口服給藥的。,,過分地強調(diào)“rule-of-five”規(guī)則及口服生物利用度致使藥物發(fā)現(xiàn)效率很低。,例如：第一種可口服利用的青霉素（青霉素V）的發(fā)現(xiàn)比青霉素G的發(fā)現(xiàn)晚15年之多；在肝素發(fā)現(xiàn)80多年后的2003年，第一種可口服利用

7、的凝血酶抑制劑ximelagatran才被批準(zhǔn)通過，但在2006年因為其具有肝毒性就被撤出了市場。在此期間，用于腸外給藥的凝血酶抑制劑的發(fā)現(xiàn)很成功。如 lepirudin（1998）、argatroban（2000）、和bivalirudin（2001），fondaparinux（2002）已用于臨床實踐，并顯著改善了皮下注射時的治療效果，對肝素禁忌的病患者的治療效果也得到了改善。,,因此，我們需要一個更有效的方法去發(fā)現(xiàn)新藥。,開發(fā)

8、一些注射藥： Enfuvirtide：一種新型的HIV融合抑制劑 ，由皮下注射給藥的 ，但是很少有口服藥物的報道。 ABT-737 ：是Bcl-2和Bcl-xL的一種有效低劑量抑制劑 ，但是ABT-737(MW 803；13個N,O和S等雜原子)是不能口服利用的，且不符合“rule-of-five”規(guī)則。 ABT-263 ：一種可口服利用的Bcl-2抑制劑，但這種藥物不符合“rule-of-five”規(guī)則 。開發(fā)一些生物制品：

9、 如一些治療性抗體（MAbs），它不僅在發(fā)展單克隆抗體作為藥品方面很有效，而且也可引領(lǐng)小分子藥物的發(fā)展，早期，由一些MAbs，如cetuximab和trastuzumab產(chǎn)生的一些資料對于發(fā)展小分子抑制劑如gefitinib, erlotinib,和lapatinib是非常有利的.,,發(fā)現(xiàn)新藥物時采取更有效的方法是明智的即： ①在將過多的人力和物力投入一種可口服利用的候選藥物之前，首先去開發(fā)一種腸外給藥的候選藥物； ②在將過多

10、的人力和物力投入一個小分子候選藥物之前，首先去發(fā)展一種不論在哪里起作用的治療性抗體（很可能是通過胃腸給藥的）以上的方法可能對于發(fā)現(xiàn)那些作用于蛋白酶或決定蛋白質(zhì)相互作用的復(fù)雜靶標(biāo)的新型藥物尤為重要。,,基于天然產(chǎn)物的藥物發(fā)現(xiàn)的高效率，可能歸因于它們與蛋白質(zhì)靶標(biāo)結(jié)合的化學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被選擇確定。 研究人員將SCONP系統(tǒng)與PSSC系統(tǒng)相結(jié)合，將會選擇一個結(jié)構(gòu)不很復(fù)雜，且能夠與復(fù)雜先導(dǎo)物的蛋白質(zhì)靶點結(jié)合的天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)框架。這個結(jié)構(gòu)框架被用來作

11、為一種新型化學(xué)模型或化學(xué)起始點，以建立目標(biāo)化合物文庫。,天然產(chǎn)物和藥物發(fā)現(xiàn)效率,,天然藥物的在藥物中占據(jù)很重要的地位。尤其在治療嚴(yán)重的或威脅生命的疾病，如癌癥和傳染性疾病時的顯得更加重要。 例如：所有在1981年到2006年間全球范圍內(nèi)批準(zhǔn)的所有小分子藥物中有34％是天然產(chǎn)物或是它們的直接半合成衍生物 ；在全部批準(zhǔn)的155種小分子抗癌藥物中，有47％是天然產(chǎn)物或是它們的直接半合成衍生物；全部獲得批準(zhǔn)的抗菌藥物中，超過75％的是天然產(chǎn)

12、物或其半合成衍生物（即98種中有74種）。在2000年-2006年間，高通量生物合成生產(chǎn)批準(zhǔn)的藥品，這些批準(zhǔn)的小分子藥物中大約有50％也都?xì)w于天然產(chǎn)物。,用于天然藥物發(fā)現(xiàn)的合成生物學(xué),基于天然產(chǎn)物的藥物發(fā)現(xiàn)的挑戰(zhàn)之一就是其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和合成的可行性。有機化學(xué)的進步和新技術(shù)如合成生物學(xué)（生物合成工程）的出現(xiàn)將有助于克服這一難題。合成生物學(xué)是一個新興的科學(xué)領(lǐng)域，它旨在了解和設(shè)計生物系統(tǒng)或其組成部分，以解決各種天然產(chǎn)物無法解決的問題。合成生

13、物學(xué)很大程度上可以被認(rèn)為是“代謝工程或生物合成工程”的代名詞，就是通過重組DNA技術(shù)來改變生活系統(tǒng)（如微生物系統(tǒng)）的遺傳信息以獲得期望的終產(chǎn)物。雖然天然產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)高度復(fù)雜多樣，但其生物合成可通過很少的且非常簡單的幾個類型的反應(yīng)來完成。例如：簡單聚酮化合物雷帕霉素生物合成（圖1）是混合催化I型的PKS/非核糖體的肽合成酶（NRPS）系統(tǒng)催化的。,,廣泛的雷帕霉素類似物的生物合成,有趣的是，當(dāng)DNA上那些含有激活甲基轉(zhuǎn)移酶和單加氧酶（ra

14、pKIJMNOQL）的后PKS （rapIJMNOQ）基因區(qū)域被切斷時，產(chǎn)生的突變體S. hygroscopicus MG2-10無法產(chǎn)生前雷帕霉素，除非用外源起始物3,4-二羥基環(huán)己烷羧酸飼喂或者補充基因rapK。這表明，rapK的產(chǎn)物參與起始物的合成或調(diào)節(jié)。這樣，飼喂MG2-10突變體以外源起始物，同時選擇性表達(dá)post-PKS（rapIJMNOQ）就可使突變修復(fù)，使得生物合成雷帕霉素廣泛的類似物（圖3）成為了可能。雷帕霉素一種

15、類似物BC210（圖4）具有不穩(wěn)定的C39-甲氧基，去除C39-甲氧基時，去甲基雷帕霉素（ T1/2 59min ， Papp 29nm/s ）與雷帕霉素（T1/2 40min，Papp 2nm/s）相比顯著改善了其代謝穩(wěn)定性和滲透性。BC210體內(nèi)和體外實驗顯示具有多種抗癌活性。,,經(jīng)過生物合成實現(xiàn)前體優(yōu)化能保持或增加配體效力，這一優(yōu)點也存在于其它案例中。,例如，合成生物學(xué)方法對天然Hsp90抑制劑雙氯西林Ⅰ優(yōu)化，得到nonquin

16、one（Kd 0.007 μM，MW 519），與先導(dǎo)物雙氯西林Ⅰ （Kd 0.24μM，MW 559）相比，它對Hsp90的親和力顯著增加，分子量得到減?。▓D5）。相反，通過半合成法對另一種天然Hsp90抑制劑格爾德霉素進行優(yōu)化，得到的17-烯丙基化tanespimycin（Kd 1.3 μM， MW 586 ），它與先導(dǎo)物格爾德霉素（Kd 1.2μM , MW 561）相比，它對Hsp90具有類似的親和力，但分子量卻增加了）（圖5）

17、 。生物合成的nonquinone與半合成的tanespimycin相比的另一個優(yōu)勢是，因其不進行氧化還原循環(huán)，對于靶點的毒性顯著降低，所以，治療前景更加廣闊。,Conclusions（結(jié)論）,“rule-of-five”規(guī)則具有局限性為了提高藥物發(fā)現(xiàn)效率和解決未滿足的醫(yī)療需要這些問題，我們似乎應(yīng)該接受一個綱領(lǐng)性的近似生物利用度的方法。 藥物發(fā)現(xiàn)更應(yīng)致力于天然藥物的研究。新型技術(shù)如合成生物學(xué)，將會解決許多基于天然藥物的藥物發(fā)現(xiàn)中存