Chaptere-糖类药物进展课件

Welcometo化学生物学化学生物学!Prof.Dr.YujianHeAdvances in Carbohydrate Drugs and Carbohydrate Vaccines糖类药物与疫苗的研究进展糖类药物与疫苗的研究进展根据叶新山教授讲义修改根据叶新山教授讲义修改 Part one 糖类药物的研究进展糖类药物的研究进展 糖类药物的概念糖类药物的概念糖类药物的概念由一般的糖类药物拓展到以糖类为基础的药物；含糖结构的糖药物作用于糖类、糖相关结合蛋白、糖加工酶的药物i.Carbohydrate-based drugs,Carbohydrate drugs:糖类ii.或类似物构成；ii.Carbohydrate-modified drugs:糖修饰药物（蛋白、iii.多肽、生物碱、抗生素）；ii.iii.Carbohydrates used in drug targeting and delivery iii.用于药物寻靶和药物转运的糖类化合物.含糖结构的糖类药物i.基于糖类的药物基于糖类的药物(Carbohydrate-based drugs)肝素抗凝药物、多糖疫苗、氨基糖苷抗生素、糖尿病药物等肝素抗凝药物、多糖疫苗、氨基糖苷抗生素、糖尿病药物等ii.糖修饰的药物糖修饰的药物(Carbohydrate-modified Drugs)糖基化现象是十分普遍现象；糖基的作用：增加溶解性、调节血浆半衰期、提高结合特异性；改变母体药物的药理活性糖修饰药物糖修饰药物的一些例子的一些例子 蛋白、多肽的糖基化修饰；重组糖蛋白酶催化修饰技术，蛋白质药物iii.具有药物转运作用的糖类化合物具有药物转运作用的糖类化合物 (Carbohydrates as drug delivery agents)药物寻靶(Drug targeting)药物转运(Drug delivery)多糖：生物兼容性、物理性质黏合剂、填充剂；微囊包裹，缓释环糊精的特点及药物转运 糖类药物的作用位点糖类药物的作用位点 胃肠道受体胃肠道受体(Gastrointestinal receptors)血清受体血清受体(Serum receptors)糖苷（水解）酶糖苷（水解）酶 直链淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶直链淀粉酶、蔗糖酶、乳糖酶糖尿病治疗药物糖尿病治疗药物糖结合蛋白糖结合蛋白免疫球蛋白：超级免疫排斥超级免疫排斥抗凝血酶、凝血因子：肝素作用靶点细胞生长因子：硫酸化多糖细胞表面受体细胞表面受体(Cell-surface receptors)细胞表面糖蛋白糖链细胞表面糖蛋白糖链 细胞与细胞，细胞与胞外间质，小分子与细胞糖链与糖链、与蛋白相互作用糖链与糖链、与蛋白相互作用炎症反应抗炎药物肿瘤转移和预后的标志信号转导，信号通道，基因表达的改变信号转导，信号通道，基因表达的改变凝集素葡萄糖转运蛋白离子通道糖蛋白的重新摄取有关细菌和病毒受体细菌和病毒受体(Bacterial and viral receptors)细胞表面糖链是微生物、病毒的粘附位点细胞表面糖链是微生物、病毒的粘附位点 进一步引起宿主的感染模拟细胞表面糖结构、作用的糖类分子-预防、减轻感染例：唾液酸结构-神经氨酸酶抑制剂感冒病毒糖类抗感染药物不易引起微生物、病毒的抗药性不易引起微生物、病毒的抗药性与传统的抗感染药物作用机理的不同与传统的抗感染药物作用机理的不同HIV对宿主细胞的感染抑制；SARS病毒对呼吸道和肺部细胞的感染；将细菌、病毒的侵害抑制在第一时间将细菌、病毒的侵害抑制在第一时间细胞内受体细胞内受体(Intracellular receptors)细胞外间质细胞外间质(Extracellar matrix)糖加工酶糖加工酶，控制细胞内的代谢反应糖基转移酶溶酶体水解酶糖类化合物糖类化合物调控调控 肿瘤、病毒感染、基因缺陷症RNA,DNA 靶点靶点氨基糖苷类抗生素、烯二炔类抗生素高分子量多糖：高分子量多糖：透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素、硫酸皮肤素慢性疾病：骨关节炎，视网膜黄斑变性细胞外间质多糖的降解细胞外间质多糖的降解：肿瘤转移的信号酶抑制剂二、糖类药物的类型二、糖类药物的类型 1、按来源分类：、按来源分类：天然来源的糖类药物天然来源的糖类药物：来自植物和真菌等微生物的多糖；各种糖苷类化合物，中药中有效成分，含糖的抗菌素等；来自动物体内的寡糖、糖复合物及其降解产物；以糖、糖蛋白、糖酶为靶的天然药物，如凝集素，糖酶抑制剂等合成来源的糖类药物：合成来源的糖类药物：在天然糖类结构上进行化学修饰、半合成的糖类药物；全合成的糖苷、寡糖及糖缀合物药物；2、依据组成分类：、依据组成分类：简单糖类药物简单糖类药物：相对复合糖类而言，不含有 糖类以外的 其它成分；不同来源的多糖、寡糖和糖苷简单糖类药物简单糖类药物 糖苷类药物：糖苷类药物：中药、植物药有效成分强心苷、皂苷、黄酮苷、氰苷等氨基糖苷类抗生素等人参皂苷的结构人参皂苷的结构糖苷类药物糖苷类药物糖苷类药物糖苷类药物部分糖苷类药物的有效成分为苷元(配糖体)；而大部分的糖苷类药物的生物效应是糖基和苷元协同作用的结果。糖蛋白类药物：糖蛋白类药物：此类药物中，发挥生物学作用的主要是蛋白质部分，而不是糖的部分，但糖的部分对于糖蛋白的作用也是十分重要的，如决定了蛋白部分的构象稳定性，影响蛋白质在体内的吸收和代谢，如果去除糖基部分，则蛋白药物的活性会下降或丧失。蛋白、多肽的糖基化修饰；重组糖蛋白酶催化修饰技术；EPO酶催化糖基修饰技术 蛋白聚糖类药物：蛋白聚糖类药物：肝素类药物(Heparin and Heparan Sulfate)Heparin 重复序列重复序列Heparan sulfate 重复序列重复序列 拟糖复合物药物拟糖复合物药物(neoglycoconjugates)：以糖链或含糖片断修饰蛋白、糖脂、蛋白聚糖等大分子，形成新结构、新功能的拟糖复合物。拟糖脂拟蛋白聚糖Glycodanderimer糖高聚物(glycopolymers)三、糖类药物的几个发展趋势三、糖类药物的几个发展趋势1、开辟广泛的糖类药物来源、开辟广泛的糖类药物来源 糖类化合物库和复杂糖链的合成糖类化合物库和复杂糖链的合成生物大分子生物大分子核酸核酸 肽和蛋白质肽和蛋白质糖类化合物糖类化合物DNA库库(数据库和分子库数据库和分子库)RNA库库(数据库和分子库数据库和分子库)基因组学基因组学随机肽库随机肽库蛋白质组学蛋白质组学糖糖 库库(数据库和分子库数据库和分子库)糖组学糖组学？Glycomics 糖组学糖组学(I)-Carbohydrate Microarry糖类化合物的糖类化合物的固载化方法固载化方法Glycomics 糖组学糖组学(I)-Carbohydrate Microarry构建糖库的构建糖库的途径和方法途径和方法天然来源的糖类化合物：天然多糖的天然来源的糖类化合物：天然多糖的 酶解、化学降解、部分水解法酶解、化学降解、部分水解法合成方法合成方法化学合成化学合成酶促合成酶促合成糖肽库的构建糖肽库的构建糖库构建的难度；糖库构建的难度；糖库表征的难度糖库表征的难度(单一分子结构确证，组成的均一性单一分子结构确证，组成的均一性)；糖类药物的模拟糖类药物的模拟糖类化合物合成的难度极大！糖类化合物合成的难度极大！随机肽库随机肽库DNA,RNA库库筛选糖类模拟物筛选糖类模拟物小分子化合物库小分子化合物库Sialyl Lex 的模拟物的模拟物1和和2与与E-selectin的亲和力比的亲和力比sLex分别高分别高10和和20倍倍.开发海洋糖类药物资源开发海洋糖类药物资源藻类资源：海藻胶，卡拉胶酸性多糖凝集素配体抗炎药物 抗肿瘤活性 抗病毒，抗HIV活性2、改造已有的药物、改造已有的药物多价糖缀合物的设计、合成多价糖缀合物的设计、合成“成簇效应成簇效应”Cluster,Dendrimer糖类化合物与受体糖类化合物与受体(糖、蛋白、脂类糖、蛋白、脂类)的结合力一般较弱，结合常数也较小，的结合力一般较弱，结合常数也较小，因此，很多情况下，糖表现为通过多因此，很多情况下，糖表现为通过多位点的共价作用而实现一个强的相互位点的共价作用而实现一个强的相互作用多价糖缀合物作用多价糖缀合物例：具有粘附抑制和例：具有粘附抑制和抗休克作用抗休克作用的的乳糖缀合物的乳糖缀合物的 成簇效应成簇效应乳糖PEG缀合物Lactoside cluster 使用糖类化合物的导向和定位作用使用糖类化合物的导向和定位作用糖类糖类(半乳糖，甘露糖等半乳糖，甘露糖等)糖类激素糖类激素(促甲状腺素，促甲状腺素，促黄体酮激素等促黄体酮激素等)微生物微生物(幽门螺旋杆菌幽门螺旋杆菌)微生物、植物毒素微生物、植物毒素特定结构糖类特定结构糖类或特异性凝集素或特异性凝集素靶向或定位输送靶向或定位输送作为新药及基因转运剂的糖基胆酸酯及酰胺类化合物，它们的脂水两亲性使作为新药及基因转运剂的糖基胆酸酯及酰胺类化合物，它们的脂水两亲性使其能降低细胞膜的稳定性而发挥定向转运作用其能降低细胞膜的稳定性而发挥定向转运作用 半乳糖半乳糖结合蛋白半乳糖半乳糖结合蛋白(肝实质细胞肝实质细胞)肝趋向性肝趋向性 使用糖类修饰，改变药物的使用糖类修饰，改变药物的ADME,延长半衰期延长半衰期蛋白质药物酶切位点引入糖链蛋白质药物酶切位点引入糖链延长半衰期延长半衰期胰岛素葡萄糖修饰与胰岛素葡萄糖修饰与CoA形成复合物颗粒缓释形成复合物颗粒缓释3、开发新型的糖类农药、开发新型的糖类农药糖类化合物作用于植物细胞绿色的糖类农药例如：寡糖素，植保素植物激素的生物效应含长链不饱和脂肪酸含长链不饱和脂肪酸的甲壳寡聚糖的甲壳寡聚糖植物根毛植物根毛的弯曲的弯曲根瘤合成、分泌根瘤合成、分泌 的外多糖的外多糖影响结瘤和成瘤影响结瘤和成瘤 后的固氮能力后的固氮能力固氮菌与植物固氮菌与植物共生结瘤过程共生结瘤过程4、基于结构或作用靶点的糖类药物设计、基于结构或作用靶点的糖类药物设计由于糖类药物作用位点大多还不清楚，因此糖类药物的由于糖类药物作用位点大多还不清楚，因此糖类药物的研发中，这种有针对性的设计尚不多见。研发中，这种有针对性的设计尚不多见。例例1.针对糖苷针对糖苷(水解水解)酶过渡态设计的糖苷酶抑制剂酶过渡态设计的糖苷酶抑制剂例例2.基于唾液酸的抗流感病毒的药物设计基于唾液酸的抗流感病毒的药物设计神经氨酸酶：神经氨酸酶：断裂唾液酸单元，使病毒释放模拟酶底物唾液酸的构象面临的难题：面临的难题：复杂寡糖、糖缀合物的制备，连续、快速、低成本；复杂寡糖、糖缀合物的制备，连续、快速、低成本；糖类化合物血清清除速度快、口服给药生物利用度差；糖类化合物血清清除速度快、口服给药生物利用度差；药理、毒理、药物代谢评价模型，安全性、有效性药理、毒理、药物代谢评价模型，安全性、有效性.五、五、糖类药物研究的关键技术和存在难题糖类药物研究的关键技术和存在难题糖类化合物的分离、纯化技术；糖类化合物的分离、纯化技术；糖类化合物结构分析技术；糖类化合物结构分析技术；糖类化合物的化学、生物合成水平的提高；糖类化合物的化学、生物合成水平的提高；糖类化合物生物学研究、药理学评价方法的完善和提高糖类化合物生物学研究、药理学评价方法的完善和提高.关键技术关键技术六、目前处于不同研究阶段的糖类药物六、目前处于不同研究阶段的糖类药物1、已上市的糖类药物、已上市的糖类药物(Carbohydrate-besed drugs to market)2、处于临床研究的糖类药物、处于临床研究的糖类药物(Carbohydrate-based Therapeutics in Development)3、处于临床前研究的糖类药物、处于临床前研究的糖类药物(Agents in Research)已上市的糖类药物已上市的糖类药物(Carbohydrate-besed drugs to market)(Continued)已上市的糖类药物已上市的糖类药物(Carbohydrate-besed drugs to market)(Continued)已上市的糖类药物已上市的糖类药物(Carbohydrate-besed drugs to market)处于临床研究的糖类药物处于临床研究的糖类药物(Carbohydrate-based Therapeutics in Development)(Continued)处于临床研究的糖类药物处于临床研究的糖类药物(Carbohydrate-based Therapeutics in Development)(Continued)处于临床研究的糖类药物处于临床研究的糖类药物(Carbohydrate-based Therapeutics in Development)(Continued)处于临床研究的糖类药物处于临床研究的糖类药物(Carbohydrate-based Therapeutics in Development)处于临床前研究的糖类药物处于临床前研究的糖类药物(Agents in Research)(Continued)处于临床前研究的糖类药物处于临床前研究的糖类药物(Agents in Research)4、目前处于不同研究阶段的糖类药物的适应症类型、目前处于不同研究阶段的糖类药物的适应症类型Diabetes 糖尿病糖尿病 Acarbose,Voglibose,miglitol -glucosidase 抑制剂Non-insulin-dependent diabetes(Type 2)Gastrointestinal System 胃肠道系统药物胃肠道系统药物Dosmalfate gastric,duodenal,esophageal ulcers 胃，十二指肠，食道溃疡Central nervous system 中枢神经药物中枢神经药物糖类药物可作用于CNS！糖的脂水分配系数的可调节Topiramateanti-convulsant and epilepsy 抗惊厥和抗癫痫Infectin 抗感染药物抗感染药物Antibioticsaminoglycoside antibioticsAntiviral Drugsinfluenza/Sepsis(脓毒症)/antiviralGlycoconjugate Vaccine肺炎、脑膜炎；细菌荚膜多糖Hib Vaccine:上市了4中此类疫苗Thrombosis 抗血栓药物抗血栓药物anticoagulant(AT,Factor Xa)Heparin(1937s)LMW Heparin DaltrparinEnoxaparinNadroparineArdeparinDanaparoidFondaparinux:合成的肝素五糖Inflammation 抗炎药物抗炎药物细胞外间质细胞外间质(Extracellar matrix)Hyaluronic acid 透明质酸Osteoarthritis 骨关节炎Enzyme Replacement 酶置换疗法治疗代谢疾病酶置换疗法治疗代谢疾病Genetic Cause Saccharide-processing enzyme -Saccharide/glycoconjugate metabolitesGlycolipid storagedisease溶酶体蓄积症溶酶体蓄积症 Carbohydrate-based Vaccines 糖类疫苗糖类疫苗 Gauchers disease缺乏 glucerbrosidaseFabrys disease缺乏-galactosidase A补充酶制剂：Imiglucerase(Gauchers)Agalsidase Alfa(Fabrys)Part TwoAdvanced in Carbohydrate-based Vaccine 糖疫苗研究进展糖疫苗研究进展由于糖基化是生命过程中普遍存在的现象，而承载重要生物学功由于糖基化是生命过程中普遍存在的现象，而承载重要生物学功能的糖缀合物之糖链在病理过程中的异常和高表达以及异种生物能的糖缀合物之糖链在病理过程中的异常和高表达以及异种生物糖链的特殊性，使糖类化合物作为抗原决定簇而引起特异性免疫糖链的特殊性，使糖类化合物作为抗原决定簇而引起特异性免疫反应，已为实验所证实。基于此的糖类疫苗研究在近几年来取得反应，已为实验所证实。基于此的糖类疫苗研究在近几年来取得了突破性的结果，已有针对新生儿、幼儿肺炎和脑膜炎的了突破性的结果，已有针对新生儿、幼儿肺炎和脑膜炎的Hib疫疫苗上市，有针对疟疾、肿瘤、艾滋病和多种真菌、细菌和原生物苗上市，有针对疟疾、肿瘤、艾滋病和多种真菌、细菌和原生物感染的糖类疫苗处于不同的研究阶段，显示出了诱人的前景。感染的糖类疫苗处于不同的研究阶段，显示出了诱人的前景。为什么糖类化合物可以作为疫苗分子？为什么糖类化合物可以作为疫苗分子？特异性的抗原决定簇的存在特异性的抗原决定簇的存在Immunodominant epitopes糖疫苗形成球状的质脂体糖疫苗形成球状的质脂体epitopeslinkercarriesChemical&EngineeringNews,August9,2004Volume82,Number32,pp.31-35 糖类疫苗的研究已取得重要进展，引起广泛关注！糖类疫苗的研究已取得重要进展，引起广泛关注！糖类疫苗的研究已取得重要进展，引起广泛关注！糖类疫苗的研究已取得重要进展，引起广泛关注！肿瘤相关糖抗原肿瘤相关糖抗原 TACA疾病相关糖抗原的存在是研制糖类疫苗的基础疾病相关糖抗原的存在是研制糖类疫苗的基础在病理过程中，细胞表面的糖缀合物之糖链的异常和高表达以及在病理过程中，细胞表面的糖缀合物之糖链的异常和高表达以及异种生物糖链的特异性和高表达，使利用糖类化合物作为抗原决异种生物糖链的特异性和高表达，使利用糖类化合物作为抗原决定簇而引起特异性免疫反应，研制糖类疫苗成为可能定簇而引起特异性免疫反应，研制糖类疫苗成为可能.肿瘤细胞肿瘤细胞表面糖链表面糖链的异常表的异常表达达肿瘤细胞表面部分糖抗原结构肿瘤细胞表面部分糖抗原结构已鉴定结构的血吸虫糖抗原结构已鉴定结构的血吸虫糖抗原结构(I)寄生虫的糖寄生虫的糖链结构与人链结构与人体细胞表面体细胞表面糖链结构存糖链结构存在很大的差在很大的差异！异！已鉴定结构的血吸虫糖抗原结构已鉴定结构的血吸虫糖抗原结构(II)糖类疫苗的研究进展糖类疫苗的研究进展1、Capsular polysaccharide protein conjugate-based vaccines /Bacterial capsular polysaccharide vaccines 细菌荚膜多糖疫苗细菌荚膜多糖疫苗Haemophilus Influenzae Type B(Hib)polysaccharide Hib+conjugated to different protein carries致病原体的外壳：弱免疫原性的多糖，逃避宿主免疫监控基于这种多糖结构的疫苗：感染性疾病控制已上市的四种已上市的四种Hib疫苗概况疫苗概况中国化学会第四届有机化学学术会议Science,305,522(2004)HAEMOPHILUSINFLUENZAETYPE B A synthetic polyribosylribitol phosphate Hib Vaccine：Quimi-Hib、Theratope Prevent pneumonia and meningitis2.Parasite Vaccines 寄生虫疫苗寄生虫疫苗 Malaria:全球上亿人患病；引发脑和肾损伤，直至死亡；全球上亿人患病；引发脑和肾损伤，直至死亡；Malaria Vaccines 疟疾疫苗疟疾疫苗疟疾疫苗糖抗原的合成：疟疾疫苗糖抗原的合成：KLH-Glycan Synthetic Schistosomiasis Vaccines 血吸虫病疫苗血吸虫病疫苗 Synthetic Leishmaniasis Vaccines 利士曼病利士曼病(黑热病黑热病)疫苗疫苗 3.HIV gp120 Vaccine HIV 糖疫苗糖疫苗Hiv gp120 蛋白糖链的合成蛋白糖链的合成(I)Hiv gp120 蛋白糖链的合成蛋白糖链的合成(II)4.Cancer Vaccine 肿瘤糖疫苗肿瘤糖疫苗Danisefskys group多抗原缀合疫苗多抗原缀合疫苗(Globo H,STn,Tn,Lewis Y,TF)Incomplete immune responses免疫不完全的问题 The synthetic Globo H Vaccine Chi-Huey Wongs Group,Optimer PharmaceuticalsThe synthetic glycopeptide Vaccine 多抗原缀合疫苗多抗原缀合疫苗(一个糖抗原一个糖抗原STn,三个肽抗原表位三个肽抗原表位)Dziadek&Kunz,Chem.Record,2004,3,308-321合成和优化糖疫苗合成和优化糖疫苗理想的合成糖疫苗的构成理想的合成糖疫苗的构成包含数个糖抗原和数个包含数个糖抗原和数个T-细胞免疫表位，适于细胞免疫表位，适于制备抗肿瘤、细菌和寄制备抗肿瘤、细菌和寄生虫疫苗生虫疫苗结束语结束语 糖结构的多样性与其活性的多样性是一致的；糖结构的多样性与其活性的多样性是一致的；糖类化合物的合成仍将困扰糖化学家糖类化合物的合成仍将困扰糖化学家;糖结构分析技术和方法学的进步是发展的前提和基础糖结构分析技术和方法学的进步是发展的前提和基础;糖类药物的研究作为药物化学的一部分将日益受到重视！糖类药物的研究作为药物化学的一部分将日益受到重视！小分子病毒抑制剂小分子病毒抑制剂(传染性流感、传染性流感、HIV病毒等病毒等)及糖疫苗及糖疫苗寡糖、多糖的抗肿瘤转移药物寡糖、多糖的抗肿瘤转移药物合成寡糖缀合物的抗感染、抗肿瘤疫苗合成寡糖缀合物的抗感染、抗肿瘤疫苗-糖基化修饰（抗生素、蛋白）糖基化修饰（抗生素、蛋白）-糖类化合物在药物转运、寻靶方面的应用糖类化合物在药物转运、寻靶方面的应用寻找糖类药物的药用价值，获益：糖化学寻找糖类药物的药用价值，获益：糖化学/药物科学药物科学 了解生命过程了解生命过程