先導化合物，作為新藥研發(fā)的焦點(diǎn)和源頭，是藥企爭取市場(chǎng)份額、擴大利潤的重要來(lái)源，更是各大藥企長(cháng)久發(fā)展的持續動(dòng)力。每一個(gè)成功上市的藥物，按照傳統模式，在篩選先導化合物的開(kāi)發(fā)階段平均須投入至少2.6億美元的成本，如此高額的前期投入，就要求科研人員擁有發(fā)現及優(yōu)化先導化合物的能力，從而邁好萬(wàn)里長(cháng)征的第 一步。良好的生物活性，往往是先導化合物發(fā)現的第 一要素，然而，真正將一個(gè)化合物確定為先導化合物，決不能僅僅依賴(lài)其是否具有較強的活性，科研人員還需依靠多學(xué)科的知識、多角度的審視來(lái)考察其是否具有成藥的潛力，從而摸索出一個(gè)能夠生產(chǎn)出多個(gè)藥物的強大來(lái)源。

       1、什么是先導化合物？

       所謂先導化合物(Lead Compounds)，是指具有獨特結構的有一定活性或潛在活性的化合物，一般具有新穎的化學(xué)結構，是現代新藥研究的出發(fā)點(diǎn)。它可能因為活性小、選擇性不高、藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不好或**較大等缺點(diǎn)，不能直接作為新藥來(lái)開(kāi)發(fā)，但可以在該化合物結構的基礎上，進(jìn)行一系列的結構改造或修飾，得到符合治療要求的新藥。先導化合物通常有以下公認特征：純凈單一的化合物、具有類(lèi)藥性、藥理活性的可重復性、有量效關(guān)系、活性是通過(guò)特定的機理起作用的、化學(xué)上有可操作性、有進(jìn)行化學(xué)修飾的空間以及類(lèi)似物有合理的構效關(guān)系等。

       2、如何獲得先導化合物？

       廣泛篩選和意外發(fā)現

       廣泛篩選是獲得先導化合物的傳統方法，是在眾多研究基礎上獲得生物活性物質(zhì)的過(guò)程，早期的新藥尋找和先導化合物的獲得都是以這種方法進(jìn)行的。起初，篩選主要是從天然藥用植物中提煉有效成分(如青蒿素、紫杉醇)，后來(lái)，隨著(zhù)化學(xué)工業(yè)尤其是染料化學(xué)的發(fā)展、化學(xué)方法的日益進(jìn)步和醫療需求的不斷提高，促使人們把許多化學(xué)工業(yè)品，尤其是染料中間體進(jìn)行大規模廣泛的藥理篩選，結果發(fā)現了大批有醫療價(jià)值的化學(xué)藥品。同時(shí)，意外發(fā)現也是獲得先導化合物和藥物的方法之一，有許多先導化合物和藥物都是通過(guò)這種方法發(fā)現的，如抗菌藥青霉素、抗腫瘤藥順鉑和西地那非等就是在偶然的機會(huì )獲得的，人們隨后對其進(jìn)行構效研究，又開(kāi)發(fā)出一系列的新藥。

       合理藥物設計

       所謂合理藥物設計，就是基于結構的藥物設計，它應用受體結構的有關(guān)知識，來(lái)指導和輔助藥物分子的設計，從而引導藥物設計走向合理化，其起點(diǎn)是體內的分子靶標，而非藥物。此處所說(shuō)的“受體”，泛指一切能與藥物分子結合的大分子靶標，如酶、受體、離子通道、膜、抗原、病毒、核酸、多糖等。合理藥物設計，不僅充分考慮配體與受體活性部位之間的形狀互補性，而且充分考慮二者之間的性質(zhì)互補性，如靜電相互作用、氫鍵相互作用、疏水相互作用等。此外，對溶劑效應、配體與受體的協(xié)調運動(dòng)等，也給予足夠的重視。

       從現有藥物中獲得

       已有的藥物中有些可被選作先導化合物，進(jìn)一步優(yōu)化從而得到新藥，另外還可通過(guò)由藥物副作用、代謝研究以及電子等排等研究來(lái)獲取先導化合物。在藥物研究中，?？蓮囊阎幬锏亩靖弊饔贸霭l(fā)找到新藥，或將毒副作用與治療作用分開(kāi)而獲得新藥。某些情況下，某一藥物的毒副作用可能對另一疾病有治療作用，例如吩噻嗪類(lèi)抗**失常藥氯丙嗪及其類(lèi)似物，是由結構類(lèi)似的抗組胺藥異丙嗪的鎮靜副作用發(fā)展而來(lái)的。

       藥物通過(guò)體內代謝過(guò)程，可能被活化，也可能被失活，甚至轉化成有毒的化合物。在藥物研究中，可以選擇其活化形式，或考慮可以避免代謝失活或毒化的結構作為藥物的先導物。運用這類(lèi)先導化合物，得到優(yōu)秀的藥物的可能性較大，甚至直接得到比原來(lái)更好的藥物。如**就是地西 泮的活性代謝物。

       以原形藥物為先導化合物，通過(guò)生物電子等排等方法可以獲得了大量的“Me-too”藥物，現在包括西方國家在內的大型制藥公司仍然經(jīng)常采用這種快速跟進(jìn)策略。且實(shí)踐證明，運用生物電子等排原理進(jìn)行藥物先導化合物優(yōu)化可大大加快藥物先導物到藥物候選物的轉化。

       化合物庫得到

       世界上大型藥物研究和開(kāi)發(fā)組織都有自己分離、合成或收集的化合物儲備，形成化合物庫。這其中包括天然產(chǎn)物提取分離、結構測定所得的天然產(chǎn)物庫，化學(xué)合成特別是用組合化學(xué)技術(shù)形成的大容量化學(xué)分子庫，以及通過(guò)蛋白質(zhì)表達建立的基因工程庫等。目前，天然產(chǎn)物庫仍是先導化合物發(fā)現的有效途徑，在抗腫瘤、抗病毒、抗菌、治療心腦血管疾病以及抗衰老等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢；化合物組合庫是指數量巨大的不同結構的化合物的貯藏和檢索，它源自巨大數量、不同構件進(jìn)行不同形式的鍵合反應，所有化合物或以自由分子的形式存在于液相中，或以連接于固相載體的形式貯藏備用，利用組合化學(xué)方法建立起大容量的化合物組合庫后，開(kāi)始對化合物庫進(jìn)行有針對性的高通量篩選。利用基因重組技術(shù)，合成結構復雜的天然化合物及利用微生物產(chǎn)生新結構類(lèi)型活性物組成基因重組庫，如微生物次級代謝產(chǎn)物合成途徑中的有些酶的底物特異性不強，因此將兩種合成途徑相似的抗生素生物合成基因進(jìn)行重組，使之合成與兩親株的產(chǎn)物不同的“雜交”抗生素。利用基因重組技術(shù)可以將一些靶酶的活性中心、受體或受體的亞基等在微生物中大量表達，滿(mǎn)足了大規模篩選樣品的需要，并且可以用來(lái)確定一些不甚清楚的藥物作用靶位。

       高通量虛擬篩選

       高通量虛擬篩選(Virtual High-throughput Screening, VHTS)，是利用計算機強大的計算能力，采用三維藥效基團模型或分子對接的方法，在化合物數據庫中尋找可能的活性化合物的方法。在找到一些潛在的活性分子之后，可以通過(guò)向有關(guān)公司訂購、合成或提取分離的方法得到樣品，并進(jìn)行藥理測試。

       這其中，計算機輔助藥物設計中的藥效團模型法是一種重要的間接藥物設計方法，可用于先導化合物的發(fā)現。計算機及信息技術(shù)的快速發(fā)展，計算機圖形技術(shù)在藥物研究領(lǐng)域中的應用，使藥效團模型的概念也得到發(fā)展。藥物化學(xué)家現在不僅關(guān)注藥效基團本身的屬性，也非常重視各藥效基團之間的空間關(guān)系。而另一種分子對接技術(shù)是指分子模擬環(huán)境中，兩個(gè)或兩個(gè)以上的分子模型通過(guò)幾何形狀、化學(xué)環(huán)境及能量的匹配形成最 佳結合的技術(shù)。分子對接的虛擬篩選需要靶標生物大分子和小分子化合物的三維結構信息。首 先要建立大量化合物的三維結構數據庫，然后將庫中的分子逐一與靶標分子進(jìn)行“對接”，通過(guò)不斷優(yōu)化小分子化合物的位置(取向)以及分子內部柔性鍵的二面角(構象)，尋找小分子化合物與靶標大分子作用的最 佳構象，計算其相互作用及結合能，只要數據庫中化合物具有足夠大的分子多樣性，就可能從庫中搜尋出理想的分子結構。

       DNA編碼小分子化合物庫合成及篩選技術(shù)

       該技術(shù)通過(guò)利用組合化學(xué)的方法和DNA編碼的多樣性及可擴充性特征，快速為藥物研發(fā)早期起決定性作用的階段提供先導化合物，從而加快新藥的研發(fā)進(jìn)程。與傳統高通量篩選的百萬(wàn)級化合物庫相比，DNA編碼化合物庫在化合物數量和多樣性的覆蓋上都有很大增加。同時(shí)，因為每個(gè)化合物都帶有DNA編碼便于鑒定篩選的結果，因此整個(gè)化合物庫(不僅僅是單一的化合物)都可用來(lái)與生物靶點(diǎn)進(jìn)行孵育與親和力篩選。而由于該技術(shù)篩選出的化合物，是大多化合物與篩選靶點(diǎn)競爭的結果，因此其活性較高，同時(shí)，基于整個(gè)庫的篩選，大幅度降低了篩選成本和時(shí)間成本。

       3、如何優(yōu)化先導化合物？

       由于先導化合物通常會(huì )存在一些缺陷，如活性不夠高，選擇性不夠強、化學(xué)結構不穩定、藥代或**較大等，因此需要對先導化合物進(jìn)行適當的化學(xué)修飾，使之發(fā)展為更理想的藥物，這一過(guò)程稱(chēng)為先導化合物的優(yōu)化。由于小編身邊最近就有因溶解性和**大等問(wèn)題而“死掉”的候選藥物，眼看其多年研發(fā)毀于一旦，故而對這兩方面進(jìn)行下講解。

       在先導化合物結構優(yōu)化過(guò)程中，合適的溶解性至關(guān)重要。良好的水溶性可以提升化合物的類(lèi)藥性質(zhì)，提高藥物在人體內的吸收、分布、代謝、排泄等藥代動(dòng)力學(xué)特性。因此，重視化合物水溶性的結構改造，將使我們在先導化合物結構優(yōu)化過(guò)程中事半功倍?；瘜W(xué)修飾改善先導化合物水溶性的理論基礎和基本策略，包括成鹽、引入極性基團、降低脂溶性、構象優(yōu)化、前藥修飾等方面。而改善脂溶性，主要針對的是中樞神經(jīng)系統藥物。為了克服血腦屏障，在中樞系統達到足夠的暴露量，這是中樞藥物研發(fā)成功的關(guān)鍵前提，這樣我們也需要一些策略來(lái)增加藥物的脂溶性，常用的優(yōu)化策略包括：針對被動(dòng)擴散的改造~增加脂溶性、減少氫鍵供體、簡(jiǎn)化分子、增加剛性、降低極性表面積、剔除羧基以及前藥策略等；針對主動(dòng)運輸的改造~將化合物修飾為主動(dòng)轉運體的底物；針對外排率較高的化合物~規避易被外排轉運體識別的基團。

       鑒于警惕結構潛在的**風(fēng)險，在先導化合物的研發(fā)過(guò)程中，對警惕結構進(jìn)行結構優(yōu)化是降低先導化合物潛在**的有效方法。主要包括兩種思路：一種思路是去除藥物中的警惕結構。如果警惕結構不是藥物的藥效團，去除警惕結構既可簡(jiǎn)化分子，又可降低**；如果警惕結構對活性至關(guān)重要，或是必需的連接片段，可以考慮運用生物電子等排的原理，將易代謝的警惕結構用弱代謝基團進(jìn)行生物電子等排體替換，達到降低**的目的。另一種思路是對警惕結構進(jìn)行結構修飾，通過(guò)引入鈍性基團封閉代謝位點(diǎn)或者引入更易代謝的基團，改變化合物的原有代謝路徑，使其不能產(chǎn)生活性代謝物，阻斷其**代謝途徑。具體而言，警惕結構的優(yōu)化改造策略主要包括：封閉代謝位點(diǎn)、改變代謝途徑、降低反應性、生物電子等排以及前藥原理等。如非那西汀改變成對乙酰氨基酚，曲格列酮改變?yōu)榱_格列酮和吡格列酮等等。

       4、些許感觸

       記得在最初接觸“化合物”的概念時(shí)，第 一時(shí)間看的是，結構所對應的生物活性，目光只針對于那些活性在nM級別的結構，隨著(zhù)對臨床候選藥物的跟蹤以及上市藥物的研究發(fā)現，活性最強的化合物并不一定會(huì )是同類(lèi)藥物中最 先上市的那個(gè)，而進(jìn)一步的學(xué)習和了解，也更加明白了化合物的“成藥性”要遠遠重要于“活性”，而這個(gè)“成藥性”在技術(shù)方面所涉及的學(xué)科和知識范疇“那是相當的廣泛”。除此之外，通過(guò)近些年對創(chuàng )新藥物的學(xué)習和思考，小編也越發(fā)感到，不同學(xué)科、不同方法之間的相輔相成、相互補充，在尋找先導化合物的過(guò)程中演繹著(zhù)越來(lái)越重要的角色，運用多種方法，從多方面進(jìn)行綜合分析和評定，往往能夠既得到比較優(yōu)秀的先導化合物，又不丟失其它有益的生物活性特質(zhì)。如今的新藥研發(fā)不再是單打獨斗，團隊協(xié)作、團隊哲學(xué)已在許多制藥企業(yè)普及，只有多學(xué)科的配合、協(xié)作，方能保證藥物的開(kāi)發(fā)在主客觀(guān)的保駕護航下，去尋找那最后的幸運！

       參考文獻

       1. Song HP, Wu SQ, Qi LW, et al. A strategy for screening active?lead?compounds?and functional?compound?combinations from herbal medicines based on pharmacophore filtering and knockout/ knockin chromatography[J].Journal of Chromatography A, 2016, 1456(22), 176-186.

       2. Ayati A, Emami S, Asadipour A, et al. Recent applications of 1,3-thiazole core structure in the identification of new?lead?compounds?and drug discovery[J]. European Journal of Medicinal Chemistry, 2015, 97(5), 699-718.

       3. Marasco D.7-Synthetic Peptide Libraries: Chemical Diversity to Reach?Lead?Compounds[J]. Current Developments in Biotechnology and Bioengineering, 2017, 143-159.

       4. 郭宗儒。論先導化合物的優(yōu)化與候選藥物的確定[R]。中國藥學(xué)會(huì )學(xué)術(shù)年會(huì ), 2006.

       5. 唐赟，陳凱先，嵇汝運。合理藥物設計研究[J]。藥學(xué)進(jìn)展, 1994, 4 :193-198.

       6. 高巖，賈欣，郭東貴。先導化合物獲得方法的研究進(jìn)展[J]?？萍夹畔? 2009, 2 :9-11.

       7. 王江，柳紅。先導化合物結構優(yōu)化策略[R]。藥學(xué)學(xué)報藥學(xué)前沿論壇暨中國藥學(xué)會(huì )中藥與天然藥物專(zhuān)業(yè)委員會(huì )會(huì )議, 2015.