先导化合物的优化与候选药物的确定郭宗儒上海药物所.ppt

先导化合物的优化与 候选药物的确定 郭宗儒 2006-04-23 药物设计：三个层面 分子设计 剂型设计 剂量设计 构建化学结构，以药物 化学为中心 构建化学结构，药物化学 确定药品形式，药剂 学 设定剂量疗程，药理学 基础 形式 应用 安全、有效、稳定、可控是药 物的基本属性 四种性质寓于药物的化学结构 之中 新药研究与开发的历程 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 候选化合物 药代 /安全性 批准 II期临床 注册 I期临床 发现与优化 5 10 15 价 值 贡 献 度 时间：年 新药研究与开发各个阶段的价值贡献 III期临床 假定结构优化修饰 200个化合物， 每个用于制备、确证、和活性评 价费用 5000元，共 100万元 假定用于临床前和临床试验费用共 900万元 候选药物一旦确定，化合物的药学 （物理化学）性质、药代动力学性质、 药效学和安全性，乃至临床效果，皆成 定数 10的投入，其实决定了几乎 100 的价值和药物的命运 所以，优化先导物和确定候选药物过 程，是创新药物的决定性步骤 In Cerebro In Silico In Vivo 优化过程交互使用 离体、在体、计算机 等方 法的评价化合物的品质，起重要作用，而人 的干预 (in cerebro)是决定性的 In Vitro 药物的可开发性 药学性质的可开发性 药代动力学性质的可开发性 药效学的可开发性 可开发性的物理化学性质 分子量 10 g/mL 分配系数 clog P 3.0 分布系数 log D 3.0 极性表面积： 90 2 氢键给体，氢键接受体 10% t1/2：大鼠 0.5 h 血浆蛋白结合率 0.5L/kg 大鼠静注清除率 35 mL/min/kg 大鼠肝细胞清除率 30M N N C H 3 O C H 3 C l S H h N P Y 5 K i = 8 5 n M N N O C H 3 N H h N P Y 5 K i = 0 . 3 8 n M N N O C H 3 N NF F HH N N O C H 3 N S O 2 C H 3 F F H N N N N O C H 3 NF F O C H 3 h N P Y 5 K i = 0 . 9 0 n M h N P Y 5 K i = 0 . 4 9 n M h N P Y 5 K i = 1 . 1 n M 治疗肥胖症药物神经肽 Y5受体拮抗剂的结构优化 源自 Shering-Plough 氨丁苯酞失于 P450的诱导作用 抗癫痫药物 ABP的研制 诱导 P450活化 为控制发作，患者服药量增加 不适合于长期用药 O O H C 4 H 9 H 2 N N O O H 3 C N O O H 3 C F 3 C C F 3 O H N O O F 2 H C F 3 C C F 3 O H C F 2 H O N O O F 2 H C F 3 C C F 3 O H C F 2 H O C H 3 被羟基化 被葡醛酸化 O H H O O O 邻醌与蛋白共价结合产 生毒性和异体质反应 体外广泛代谢， 体内半衰期短 t1/2(大鼠、犬、猴 ) 48h 豚鼠 1 mg/kg4和 58疗效 雪貂 (呕吐 )30 mg/kg 优化：引入甲基 Chauret N et al. BMCL, 2002, 12:2149 PDE4抑制剂代谢稳定性优化 N O N H N C l C l F 3 C O C H 3 N O N H N C l C l F 3 C O C H 3 O 过乙酸 IC50 = 0.051mol/L Cmax = 1008 ng/ml AUC0-t = 6860 ngh/ml IC50 = 0.060mol/L Cmax = 3058 ng/ml AUC0-t = 50503 ngh/ml N-氧化物为代谢产物， PD和 PK均优于原药 Billah M et al. BMCL, 2002, 12:1621 PDE4抑制剂的代谢稳定性优化 phase I 结构优化找到药效与药代的交集 活性空间 选择性 空间 ADME空间 有可能成为候选药物的空间 活性空间 ADME空间 选择性 空间 药代只与活性空间有交集得到非选择性药物 活性空间 ADME空间 选择性 空间 药代与活性空间无交集达不到候选药物的要求 吸收 分布 代谢 排泄 强度 选择性 分 子 的 宏 观 性 质 分 子 的 微 观 结 构 药效、药代和分子结构的关系 浓 度 时间 浓度 效 应 效 应 时间 药代动力学 (PK) 药效学 (PD) 机体对药物的作用 药物对机体的作用 药代 /药效模型 给药方案 = 药代 药效 作用持续时间 最低有效浓度 最大耐受浓度 治 疗 窗 口 血 药 浓 度(ng /mL ) 时间 毒性 药代、药效和给药方案的关系 作 用 强 度 2002-2004畅销的药物 均为一天一次用药 , 提示：药效和药代的合理配置是 患者的最佳选择 阿伐他汀 辛伐他汀 氯吡格雷 氟地松 氨氯地平 奥氮平 帕洛西丁 艾美拉唑 舍曲林 塞来昔布 文拉法辛 兰索拉唑 缬沙坦 阿伦膦酸 利哌酮 化学结构 体外性质 生物功能 共性 物化性质 ADME 个性 靶标结合 细胞功能 小分子化合物 小肽和肽模拟物 天然产物 蛋白质 药代动力学 剂型 , 剂量 给药频度 药效学 药效 不良反应 新药创制的内涵 结构 性质 功能 新药创制是在多维空间中的分子操作 安全性毒性 治疗窗口 潜在毒性 药效学 作用强度 选择性 代谢稳定性 药物代谢药动学 生物转化 特异分布 药学性质 类药性 过膜性 水溶性 离解性 分配系数分布系数 极性表面积 化学稳定性 N O O H 抗炎药物 COX-2抑制剂的研制 两种环氧合酶 ： COX-2和 COX-1 扩张血管 收缩血管 TXA2 H 3 C C O O H 糖 皮 质 激 素 , I L - 4 , I L - 1 0 , I L - 1 3 抑 制 表 达 C O X - 2 C O X - 1 诱 导 性 和 构 成 性 酶构 成 性 酶 经 典 的 非 甾 体 抗 炎 药 物 抑 制 作 用 选 择 性 C O X - 2 抑 制 剂 抑 制 作 用 正 常 靶 点 : 胃 , 肠 , 肾 , 血 小 板 正 常 靶 点 : 巨 噬 细 胞 , 滑 膜 细 胞 , 内 皮 细 胞 疾 病 靶 点 : 炎 症 , 关 节 炎 , 阿 茨 海 默 病 前 列 腺 素 前 列 腺 素 正常机体处于平衡状态 PGI2 C O X - 1 C O X - 2 胃 肠 道 肾 脏 血 小 板 肾 脏 细 胞 增 殖 内 皮 细 胞 构 成 性 酶 构 成 性 酶 诱 导 性 酶 炎 症 C O O H C H 3 C O O H C H 3 O O O O H C O O H C H 3 O H O O H C H 3 O H O C O O H O O H O C H 3 C O O H A A P G H 2 P G E 2 T X A 2 P G I 2 收缩血管，诱导血栓形成 舒张血管，抑制血栓形成 长时间大剂量服用高选择性 COX-2抑制剂造成血液中 PGI2的匮乏，高水平血栓素 A2导致心血管事件 罗非昔布是高选择性抑制剂 (100) 塞来昔布为中等强度的抑制剂 (50) 适度选择性是非常重要的 环氧合酶 1和 2处于平衡状态 正常状态下无炎症发作、无消化道损伤、 也不影响血栓形成和血管变化 C O X - 1 C O X - 2 C O X - 1 C O X - 2 阿 司 匹 林 吲 哚 美 辛 布 洛 芬 抑 制 作 用 引起心肌梗塞或卒中 引起胃肠道损伤 过分抑制作用的后果 C O X - 1 C O X - 2 抑 制 作 用 罗 非 昔 布 瓦 德 昔 布 理想的抗炎药物 -适度抑制概念 C O X - 1 C O X - 2 理 想 的 作 用 是 适 度 抑 制 不 宜 过 强 的 选 择 性 本品适度抑制 药学学报 ， 2005， 40: 967 佐证：非甾体抗炎药的选择性 对白细胞 COX1/COX-2抑制 IC80的比值 酮咯酸 (ketorolac) 0.0034 非诺洛芬 (fenoprofen) 1.0 氟比洛芬 (flubiprofen) 0.02 吡洛昔康 (piroxicam) 2.13 酮基布洛芬 (ketoprofen) 0.17 双氯芬酸 (diclofenac) 4.3 吲哚美辛 (indomethacin) 0.23 塞来昔布 (celecoxib) 9.1 萘普生 (naproxen) 0.33 美洛昔康 (meloxicam) 11.0 布洛芬 (ibuprofen) 0.38 依托度酸 (etodolac) 20 托美丁 (tolmetin) 0.38 罗非昔布 (rofecoxib) 20 有消化道毒性的药物对 COX-1有强选择性抑制 对 COX-2强选择性抑制可能引起心血管事件 根据 Warner TD等 . PNAS USA, 1999, 96:7563报导的数据计算而得 对 COX1的抑制作用 对 COX2的抑制作用 大 大 大 小 小 小 36 SY-No. R1 R2 R3 COX-1(IC50,M) COX-2(IC50,M) Bap-802 CH3 p-CH3 CH3 10-5 7.82E-7 Bap-803 n-Pr p-F CH3 10-5 6.11E-7 Bap-804 Cyclopropyl p-Cl CH3 10-5 4.21E-7 Bap-805 Cyclopropyl m-Cl CH3 10-5 7.83E-7 Bap-806 CH3 m-Br CH3 10-5 4.20E-7 Bap-807 n-Pr m-Cl CH3 10-5 7.83E-7 Bap-808 CH3 m-Br CH3 10-5 6.19E-7 Bap-809 Cyclohexyl H CH3 10-5 1.76E-6 Bap-810 Cyclopropyl m-F CH3 10-5 9.98E-7 Bap-1001 n-Pr m-Br NH2 10-5 9.98E-7 Bap-1002 n-Pr m-Cl NH2 10-5 10-5 4.82E-7 Bap-1004 n-Pr m-F NH2 5.64E-7 Bap-1006 Cyclopropyl m-Cl NH2 10-5 1.69E-6 化合物对 COX2和 COX1的抑制活性 N O R 1 S R 3 O O R 2 1 2 34 5 37 Bap-901 CH3 H CH3 1.12E-6 1.42E-8 78.87 Bap-902 n-Pr H CH3 1.49E-7 1.95E-8 7.64 Bap-903 cyclopropyl H CH3 4.68E-7 2.53E-8 18.50 Bap-904 CH3 p-Cl CH3 1.59E-7 2.42E-8 6.57 Bap-905 CH3 m-Cl CH3 10-5 1.03E-8 - Bap-906 n-Pr p-Br CH3 5.72E-8 1.18E-8 4.85 Bap-907 CH3 p-F CH3 2.00E-7 1.38E-8 14.50 Bap-908 n-Pr m-CH3 CH3 1.19E-7 1.93E-8 6.17 Bap-909 n-Pr p-CH3 CH3 9.13E-8 1.50E-8 6.09 Bap-910 n-Pr p-F CH3 5.02E-7 2.86E-8 17.55 Bap-911 n-Pr p-Cl CH3 8.02E-7 2.45E-8 32.73 Bap-912 cyclopropyl p-CH3 CH3 2.36E-7 9.48E-8 2.49 Bap-913 cyclopropyl m-CH3 CH3 2.21E-7 1.55E-8 14.26 Bap-914 cyclohexyl p-Cl CH3 1.43E-7 2.07E-8 6.91 Bap-915 cyclopropyl p-F CH3 10-5 6.64E-8 Code No. R1 R2 R3 COX-1(IC50) (M) COX-2(IC50) (M) COX-1 COX-2 Bap-1102 cyclopropyl m-CH3 NH2 10-5 1.87E-8 Rofecoxib CH3 10-5 0.96E-8 N O R 1 S R 3 O O R 2 1 2 34 5 由研究向开发的过渡 对 12个体外活性与阳性对照药 塞来昔布相当 (在 1个数量级内 ) 的化合物进一步做体内筛选试 验 39 compound No dose mg/kg Number of rats Volume of edema after inflammation and percentage of inhibition (%) 2 hr 3 hr 4 hr control vehicle 8 45.8 12.9 61.2 11.6 60.2 14.5 Bap-801 10 8 44.1 6.4 46.2 13.7 (24.5) 48.6 16.5 (19.3) Bap-802 10 8 31.0 17.9 37.2 9.6 (39.2) 31.2 10.7 (48.2) Bap-805 10 8 38.8 9.8 38.9 11.9 (36.4) 34.0 12.4 (43.5) Bap-807 10 8 40.8 8.8 45.4 19.4 (25.8) 38.1 12.4 (36.7) Bap-902 10 8 46.4 7.0 47.2 13.3 (22.8) 43.8 14.5 (27.2) Bap-904 10 8 22.9 5.9 31.7 13.9 (48.2) 24.5 7.9 (59.3) Bap-906 10 8 33.8 17.1 31.8 10.8 (48.0) 30.2 10.9 (49.8) Bap-907 10 8 28.9 9.6 37.2 20.0 (39.2) 44.4 21.5 (26.2) Bap-909 10 8 33.2 14.2 26.2 9.8* (57.2) 24.5 14.8* (59.3) Bap-910 10 8 29.5 14.8 30.9 9.9 (49.6) 29.9 9.4 (50.3) Bap-911 10 8 32.5 11.4 37.1 12.7 (39.4) 40.5 5.4 (32.7) Bap-912 10 8 35.5 20.0 40.3 18.5 (34.1) 41.5 12.5 (31.1) Celecoxib 10 8 42.7 16.9 33.1 5.2 (45.9) 30.0 1.8 (50.2) 角叉菜胶致大鼠右后跖炎症的预防作用 由研究向开发的过渡 对 5个体内活性与塞来昔布相当 的化合物进行亚急性毒性试验： 大鼠连续灌胃 28天，剂量 60mg/kg，观察体征、行为、摄 食、体重和解剖后脏器的肉眼观 察。从中优选出 2个候选物 COX-2抑制剂的开发研究 选出化合物 909和 910两个化合物作 开发性研究 C H 3 S O O C H 2 C H 2 C H 3 F N O C H 3 S O O C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 N O 两个候选物对角叉菜胶致大鼠右后跖炎症 的抑制活性 ED50 BAP909： 4.3 mg/kg BAP910： 2.3 mg/kg 罗非昔布： 1.2 mg/kg 两个候选物对大鼠关节炎佐剂的抑制活性 （第 21天的 ED50） BAP909： 2.5 mg/kg BAP910： 1.1 mg/kg 罗非昔布： 0.5 mg/kg/day 两个候选物的药代动力学 Bap909 t1/2 : male rat: 1.10 h; female 2.10 h Bap910 t1/2 : male rat: 0.53 h; female 1.02 h Bap909 AUC : male: 16.8ug/ml.h; female:29.0ug/ml.h Bap910 AUC : male: 5.55ug/ml.h; female:7.21ug/ml.h Bap909 CL : male: 20.3ml/min/kg; female:12.3ml/min/kg Bap910 CL : male: 63.1ml/min/kg; female:47. 1ml/min/kg Bap909 time for peak(40mg/kg p.o): 1 h Cmax male: 2.22ug/ml; female:3.99ug/ml Bap910 time for peak(40mg/kg p.o): 1 h Cmax male: 0.41 ug/ml; female:1.03 ug/ml Bap909 Vd: male: 1.69L/kg; bioavailability: male:36.9% female:56.2% female:1.83L/kg Bap910 Vd: male: 2.14L/kg; bioavailability: male:24.5% female: 41.3% female:2.60L/kg 候选药物 909与 COX1(左 )和 COX2(右 ) 的结合作用 909与 COX1和 COX2结合能量变化 BAP909-COX1 BAP909-COX2 E -52.86 kcal/mol -54.91 kcal/mol G = - 2.303 R T lg Ki 选择性 （计算值） =32.4倍 选择性 （实测值） =6.1倍 必要和适度的选择性 909： COX1IC50/COX2IC50= 6.1 910： COX1IC50/COX2IC50= 17.6 Cele COX1IC50/COX2IC50= 305 Rofe: COX1IC50/COX2IC50= 400 Valde: COX1IC50/COX2IC50= 2800 综合药效学、药代动力学、安全性、 合成和原料考虑，决定开发 909，定 名为 Imrecoxib(艾瑞昔布） C H 3 S O O C H 2 C H 2 C H 3 C H 3 N O I期临床研究一年前结束 1. 给药：口服每日 2 100 mg，连续 10天 2. 血尿常规未见异常 3. 心脑电图未见异常 4. 肝肾功能未见异常 5. 凝血时间未见变化 II期临床研究即将结束 作为 back-up药物的氯吲昔布 N C l S O 2 N H 2 H 是从 50余个化合物中按照上述模式 优选出的 其 IC50COX-1/COX2 3- 4 已申报 SFDA临床研究和答辩，待批 研究与开发的程式 from bench to bedside 体 外 活 性 I C 5 0 ， 适 度 选 择 性 体 内 抗 炎 活 性 耐 受 性 试 验 药 代 动 力 学 试 验 候 选 药 物 开 发 临 床 前 研 究 I I 期 临 床 研 究 ： 即 将 结 束 后续药物在申请临床研究 请 指 正 谢 谢