药物设计-第二章-新药开发的基本途径与方法课件.pptx
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1、第二章第二章 新药开发的新药开发的基本途径与方法基本途径与方法药物设计药物设计1.掌握先导化合物的发掘途径与结构优化方法。掌握先导化合物的发掘途径与结构优化方法。2.熟悉药物作用靶点的发现、表达和鉴定的基本方法。熟悉药物作用靶点的发现、表达和鉴定的基本方法。3.了解临床候选药物的研究与开发过程,及近年来世界了解临床候选药物的研究与开发过程,及近年来世界上市的化学小分子实体药物。上市的化学小分子实体药物。【学习要求学习要求】第一节第一节 药物作用靶点的发现药物作用靶点的发现人类基因组计划完成之后,以基因组学为基础,基人类基因组计划完成之后,以基因组学为基础,基于靶点的现代药物设计和筛选策略逐渐取
2、代了传统于靶点的现代药物设计和筛选策略逐渐取代了传统的经验模式。的经验模式。人类基因组计划的完成以及后续功能基因组计划和人类基因组计划的完成以及后续功能基因组计划和蛋白质组计划的实施,大大改变了药物研究与开发蛋白质组计划的实施,大大改变了药物研究与开发的思路与策略,形成了药物研发的新模式的思路与策略,形成了药物研发的新模式从基从基因到药物。因到药物。从基因到药物从基因到药物功能基因组学的研究功能基因组学的研究阐明疾病发生机制与药物调节的机制阐明疾病发生机制与药物调节的机制发现并确证药物作用的靶点发现并确证药物作用的靶点设计和筛选药物设计和筛选药物一、人类功能基因组学的研究一、人类功能基因组学的
3、研究功能基因组学功能基因组学(functional genomics)利用结构基因组学研究所提供的信息和结果,发展和利用结构基因组学研究所提供的信息和结果,发展和应用新的实验手段,在基因组或系统生物学水平上全应用新的实验手段,在基因组或系统生物学水平上全面分析基因的功能。面分析基因的功能。从解析生命的全套遗传信息,转移到系统研究这些遗从解析生命的全套遗传信息,转移到系统研究这些遗传信息所代表的实际意义,也就是生物功能上来。传信息所代表的实际意义,也就是生物功能上来。功能基因组学的应用功能基因组学的应用研究目标:针对涉及多基因、多靶点和网络调控的人研究目标:针对涉及多基因、多靶点和网络调控的人类
4、重大疾病(如肿瘤、神经退行性疾病、自身免疫性类重大疾病(如肿瘤、神经退行性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等),确认哪些生物大分子起关键疾病及代谢性疾病等),确认哪些生物大分子起关键作用,有可能被开发成为药物作用的靶点。作用,有可能被开发成为药物作用的靶点。二、与重大疾病相关基因的发现与表达二、与重大疾病相关基因的发现与表达靶点的探测与验证是新药开发的瓶颈阶段。靶点的探测与验证是新药开发的瓶颈阶段。基因组学研究表明,人体中全部药靶蛋白有基因组学研究表明,人体中全部药靶蛋白有1万万2万种,万种,而在过去而在过去100年中所发现的靶点,仅有约年中所发现的靶点,仅有约500种。种。目前已经上市的药物
5、中,已知的作用靶点只有约目前已经上市的药物中,已知的作用靶点只有约120个。个。1.重大疾病相关基因的发现重大疾病相关基因的发现后基因组时代:反向遗传学后基因组时代:反向遗传学 前基因组时代:正向遗传学前基因组时代:正向遗传学 先发现功能蛋白,再研究其基因,再通过基因工程先发现功能蛋白,再研究其基因,再通过基因工程技术表达该蛋白,经过分离、纯化、结晶和结构技术表达该蛋白,经过分离、纯化、结晶和结构测定,获得其三维结构。测定,获得其三维结构。先找到可以作为靶点的功能基因,经过确证后,再先找到可以作为靶点的功能基因,经过确证后,再将其表达于合适的系统,而获得相应的功能蛋白。将其表达于合适的系统,而
6、获得相应的功能蛋白。而后可利用该功能蛋白进行药物设计与筛选。而后可利用该功能蛋白进行药物设计与筛选。发现靶点基因的方法和技术发现靶点基因的方法和技术 基因敲除基因敲除基因沉默基因沉默 蛋白质组学技术蛋白质组学技术 其他功能基因组学技术其他功能基因组学技术 基因敲除技术基因敲除技术发现和验证靶标的常用方法。发现和验证靶标的常用方法。在同源重组技术以及胚胎干细胞技术逐步完善的基础在同源重组技术以及胚胎干细胞技术逐步完善的基础上发展起来的。上发展起来的。揭示药物作用的机制,帮助寻找药物作用的新靶点,揭示药物作用的机制,帮助寻找药物作用的新靶点,为疾病的治疗提供全新的机制。为疾病的治疗提供全新的机制。
7、多数情况下基因敲除表型与药物的治疗作用间存在着多数情况下基因敲除表型与药物的治疗作用间存在着直接的联系。直接的联系。举例举例敲除拓扑异构酶敲除拓扑异构酶的的型,导致受试小鼠寿命缩短型,导致受试小鼠寿命缩短 50%,并且会在各种组织中出现病理状态,这种结果,并且会在各种组织中出现病理状态,这种结果提示了拓扑异构酶在细胞老化中的作用。提示了拓扑异构酶在细胞老化中的作用。因此,拓扑异构酶因此,拓扑异构酶的的型有可能开发为抗肿瘤药物型有可能开发为抗肿瘤药物的靶点。的靶点。基因沉默基因沉默 利用反义化合物或利用反义化合物或RNAi造成基因沉默。造成基因沉默。探测基因功能及其是否在肿瘤细胞的生命过程中起探
8、测基因功能及其是否在肿瘤细胞的生命过程中起关键作用。关键作用。探测基因是否具有较强的特异性。探测基因是否具有较强的特异性。确定其作为靶点的可能性。确定其作为靶点的可能性。p其中其中RNAi因其高效而较为多用。因其高效而较为多用。举例举例针对针对510个基因(包括大多数激酶基因)的个基因(包括大多数激酶基因)的RNAi文库,文库,通过转染通过转染HeLa细胞筛选了对细胞筛选了对TRAIL诱导细胞凋亡有控诱导细胞凋亡有控制作用的基因。制作用的基因。RNAi实验证明,实验证明,TRAIL蛋白能同蛋白能同DR4和和DR5受体结合,受体结合,诱导多种肿瘤细胞的凋亡,而对正常细胞没有影响。诱导多种肿瘤细胞
9、的凋亡,而对正常细胞没有影响。蛋白质组学技术蛋白质组学技术蛋白质组学的比较,即健康与病变细胞、组织或体液蛋白质组学的比较,即健康与病变细胞、组织或体液的蛋白质表达谱的差异和表达量变化。的蛋白质表达谱的差异和表达量变化。已成功用于肿瘤、糖尿病、艾滋病、关节炎等多种基已成功用于肿瘤、糖尿病、艾滋病、关节炎等多种基本相关蛋白的检测,成为疾病监测、诊断、治疗的有本相关蛋白的检测,成为疾病监测、诊断、治疗的有力工具。力工具。蛋白质组学技术发现药物靶点的例子蛋白质组学技术发现药物靶点的例子SDS-PAGE联合高通量联合高通量MALDI-TOF质谱技术对质谱技术对CLL细胞的质膜蛋白质进行了分离与鉴定。细胞
10、的质膜蛋白质进行了分离与鉴定。目的:寻找目的:寻找B细胞特异的膜蛋白以期发现可用于小分细胞特异的膜蛋白以期发现可用于小分子或抗体治疗的药物靶点。子或抗体治疗的药物靶点。发现发现2个潜在的新蛋白药物靶点:个潜在的新蛋白药物靶点:MIG2B和和B细胞新细胞新蛋白蛋白1。其他功能基因组学技术其他功能基因组学技术应用应用GBA(guilt-by-association)检测了)检测了522个个cDNA库中的库中的40000个人类基因,从中发现了几百个未曾被个人类基因,从中发现了几百个未曾被识别的基因与癌症、炎症、类固醇激素合成、胰岛素识别的基因与癌症、炎症、类固醇激素合成、胰岛素合成、神经递质病变等疾
11、病相关,其中合成、神经递质病变等疾病相关,其中8中与前列腺中与前列腺癌相关的基因具有称为诊断基因或原始靶点的潜力。癌相关的基因具有称为诊断基因或原始靶点的潜力。反转录病毒介导的功能基因组学可以用于发现细胞内反转录病毒介导的功能基因组学可以用于发现细胞内治疗靶点。治疗靶点。2.重大疾病相关基因的表达重大疾病相关基因的表达 生物信息学预测生物信息学预测生物信息学软件可预测蛋白质结构,特别是具有显生物信息学软件可预测蛋白质结构,特别是具有显著功能片段的分析,可以大体上确定靶基因在细胞著功能片段的分析,可以大体上确定靶基因在细胞中的定位和可能的功能。中的定位和可能的功能。选择表达体系对研究的蛋白进行表
12、达选择表达体系对研究的蛋白进行表达究竟选择哪种表达体系必须综合考虑靶点基因的表究竟选择哪种表达体系必须综合考虑靶点基因的表达产量、产物稳定性、生物学活性及分离纯化等各达产量、产物稳定性、生物学活性及分离纯化等各种影响因素,建立最佳表达体系。种影响因素,建立最佳表达体系。(1)大肠埃希菌作为表达体系)大肠埃希菌作为表达体系E.coli是分子遗传学研究较深入且在基因工程中采用最是分子遗传学研究较深入且在基因工程中采用最多的原核表达体系。多的原核表达体系。来源于真核细胞的基因在来源于真核细胞的基因在E.coli中的表达方式有三种:中的表达方式有三种:融合蛋白、非融合蛋白、分泌型表达蛋白。融合蛋白、非
13、融合蛋白、分泌型表达蛋白。缺点:缺乏真核蛋白表达后加工修饰的酶系,因而此缺点:缺乏真核蛋白表达后加工修饰的酶系,因而此类靶点蛋白如糖基化蛋白无法选之作为表达体系。类靶点蛋白如糖基化蛋白无法选之作为表达体系。(2)酵母菌作为表达体系)酵母菌作为表达体系酵酵母母表表达达蛋蛋白白的的加加工工、转转运运和和分分泌泌途途径径都都与与高高等等真真核核生物相似。生物相似。酿酿酒酒酵酵母母能能使使表表达达的的外外源源蛋蛋白白在在分分泌泌过过程程中中发发生生糖糖基基化。化。该该糖糖基基化化的的方方式式有有N-糖糖苷苷键键(天天冬冬酰酰胺胺连连接接)和和O-糖糖苷苷键键(丝丝氨氨酸酸或或苏苏氨氨酸酸连连接接)连连
14、接接。与与哺哺乳乳动动物物细细胞中发生的糖基化相同。胞中发生的糖基化相同。(3)哺乳动物细胞作为表达体系)哺乳动物细胞作为表达体系哺乳动物细胞分泌的基因产物是糖基化的,接近或类哺乳动物细胞分泌的基因产物是糖基化的,接近或类似于天然产物。似于天然产物。优点:基因工程产物与原基因表达产物的功能一致。优点:基因工程产物与原基因表达产物的功能一致。缺点:生长缓慢,培养条件苛刻,费用高。缺点:生长缓慢,培养条件苛刻,费用高。3.靶点的验证靶点的验证在靶点的发现工作完成之后,下一个关键步骤就是对在靶点的发现工作完成之后,下一个关键步骤就是对靶点的验证。靶点的验证。在不同系统和不同模型上证明药物与潜在靶点发
15、生特在不同系统和不同模型上证明药物与潜在靶点发生特异性相互作用时会产生治疗效果。异性相互作用时会产生治疗效果。靶点验证不同阶段及相关技术靶点验证不同阶段及相关技术 第二节第二节 先导化合物的发掘先导化合物的发掘与结构优化与结构优化 创新药物研发过程的两个阶段创新药物研发过程的两个阶段先导化合物的发现先导化合物的发现先导化合物的结构优化先导化合物的结构优化一、先导化合物的发现一、先导化合物的发现 先先导导化化合合物物是是指指有有独独特特结结构构且且具具有有一一定定生生物物活活性性的化合物。的化合物。存存在在的的问问题题:活活性性较较低低,选选择择性性不不高高,药药动动学学性性质差。质差。在在先先
16、导导化化合合物物结结构构的的基基础础上上进进行行一一系系列列的的结结构构改改造或修饰,得到符合治疗要求的新药。造或修饰,得到符合治疗要求的新药。先导化合物发现的途径先导化合物发现的途径天然产物天然产物 基于现有药物基于现有药物基于活性内源性物质基于活性内源性物质组合化学与高通量筛选组合化学与高通量筛选由天然资源得到先导化合物由天然资源得到先导化合物 植物植物 微生物微生物以现有的药物作为先导物以现有的药物作为先导物 1.由药物副作用发现先导化合物由药物副作用发现先导化合物 磺胺类药物磺胺类药物磺酰脲类磺酰脲类 口服降糖药口服降糖药磺酰胺类磺酰胺类利尿药利尿药哌唑嗪哌唑嗪(1受体阻断药)受体阻断
17、药)降血压降血压抗良性前列增生抗良性前列增生2.通过药物代谢研究得到先导物通过药物代谢研究得到先导物抗抑郁药抗抑郁药丙米嗪丙米嗪地昔帕明地昔帕明阿米替林阿米替林去甲替林去甲替林3.以现有突破性药物作先导以现有突破性药物作先导 抗溃疡药抗溃疡药原型药物原型药物“me-too”药物药物 奥美拉唑奥美拉唑兰索拉唑兰索拉唑以活性内源性物质作先导化合物以活性内源性物质作先导化合物组胺组胺西咪替丁西咪替丁利用组合化学和高通量筛选得到先导化合物利用组合化学和高通量筛选得到先导化合物将一些基本小分子,如氨基酸、核苷酸、单糖等通过化将一些基本小分子,如氨基酸、核苷酸、单糖等通过化学或生物合成的手段组配成不同的组
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