《药物化学》讲义：第九讲：第四章新药研究概论-1，2，3节

药研究概论Outline Of Drug Research) 第一节 引 言(Introduction) 新药的创制是一个系统工程，在研究与开发的过程中，涉及了多种学科与领域，包括有分子生物学，生物信息学、分子药理学、药物化学、计算机科学、以及药物分析化学、药理学、毒理学、药剂学、制药工艺学等。这些环节的有机配合，可以促进新药研制的质量与速度，使创制的新药更具有安全性、有效性和可控性。安全、可靠和可控性是药物的基本属性。在一定意义上，这些属性是由药物的化学结构所决定的。显然，构建药物的化学结构是创制新药的起始点和主要组成部分，药物分子设计(Molecular drug design)则是实现新药创制的主要途径和手段。所谓药物分子设计是指通过科学的构思和理性的策略，构建具有预期药理活性的新化学实体(new chemical entities，NCE)的分子操作。 近年来，新药的研究与开发虽然有显著的进步，但成功率仍很低，就世界范围统计，创制一个全新药物并上市，一般需要从进行三期临床研究的2．5个候选物中得到，后者则需要6．5个化合物进行临床一期试验,为此，要在21个进行了慢性毒性的化合物中选取，这又需要合成6200个化合物，这全过程需时13年，耗资大约3亿美元。成功率低的原因是，要求新研制的药物比临床应用的药物的上述性质更为优良，特别对难以治疗的和慢性疾患有更迫切的需求，例如恶性肿瘤，心脑血管病，与衰老相关的疾病，内分泌失调，免疫性疾病，中枢神经系统和病毒性疾病等。判断疗效的时间长，同时对安全性也要求长时间的试验观察，例如，对慢性毒性和致癌、致畸和致突变、生殖和围产期毒理等试验。这样，要求新研制的药物在药效学、药代动力学和毒理学等多方面的生物学性质优于已有的药物，需从相当大基数的候选化合物中严格地挑选，以尽可能满足上述的要求。为了提高这种成功的概率，并尽量降低人力和物力的耗费，采用科学和理性的设计方法是非常必要的。 新药的创制，大体分4个阶段：①生物靶点的选择；②检测系统的确定；③先导化合物的发现；④先导化合物的优化。创制新药，首先应确定防治的疾病目标，并选定药物作用的靶点。皆知，病理过程由多个环节构成，当某个环节或靶点被抑制或切断，则可达到治疗的目的。因此，生物靶点的选定是研制新药的起步点。随着人类基因组计划的实施和分子生物学方法的应用，越来越多的药物作用靶点被认知，一些新颖的重要的酶和受体成为研制独特作用机理的药物的新靶点。 作用靶点选定后，需要建立对其作用可评价的检验测定的生物模型，一般开始是用离体方法，在分子水平、细胞水平，或离体器官进行活性评价，在此基础上用实验动物的病理模型进行体内试验。显然，这些体外或体内模型应定性和定量地反映出药物对所选定的靶点的作用方式和程度，并与临床的病理过程相关联。以上两个方面体现了创制新药中药理学的准备。在化合物或物质上的准备，则是药物化学和分子设计的任务。 药物分子设计大体可分成两个阶段，即先导化合物的产生(1ead discovery)和先导化合物的优化(1ead optimization)。先导化合物又称原型物，简称先导物，是通过各种途径或方法得到的具有某种生物活性的化学结构。先导物未必是可实用的优良药物，可能由于药效不强，特异性不高，药代动力学性质不合理，或毒性较大等缺点，不能直接药用，但作为新的结构类型和线索物质，对进一步结构修饰和改造，即先导物的优化，却是非常重要的。 为了进行先导化合物的优化，前人积累的各种经验性法则或规律是重要的借鉴或依托。许多药物的研制成功都有其必然性，偶然寓于必然之中。对成功的过程和背景材料加以研究和系统化，可总结出经验性规律，即化学结构与生物活性间的关系，利用这些定性或定量的规律性变化加以引伸或扩展，特别是计算机辅助进行优化设计，对先导物进行结构变换或修饰，以使生物学性质臻于完善，达到安全、有效和可控的药用目的。先导化合物的产生和优化是个相继发生的分子和化学操作，前者是基础，是前提，是优化过程的必要准备；而优化是先导物的必然归宿，两个过程互相联系，相辅相成。 第二节 先导化合物的产生(Lead discovery) 先导化合物的产生可有多种途径:天然生物活性物质，例如，动物、植物、海洋生物、微生物等体内的活性成分，以及矿物有效成分；组合化学方法制备化合物库，辅以高通量或自动化筛选，是近年来发展的寻找和优化先导物的新途径；一些重要的内源性物质，例如，与疾病相关酶系的底物，受体的配体等，是衍化先导物的重要根据；基于生物大分子例如核酸，酶，受体，生物膜等的三维结构进行分子设计，即基于结构的分子设计(structure—based molecular design)；基于生物大分子与配体小分子作用机理进行分子设计，即基于机理的分子设计(mechanism-based molecular design)，通过化学和分子模拟，是产生先导物的重要方法；根据化合物活性的多样性或临床使用中发现的副作用，可作为先导物质，创制新药；天然产物或合成的活性化合物的合成中间体也可成为先导物的来源；随机筛选，一药多筛，以及偶然发现，也可产生先导化合物。 一、天然生物活性物质 在药物发展的早期阶段，利用天然活性物质几乎是唯一的治疗手段，时至今日，从动植物和微生物体内分离鉴定具有生物活性的物质，仍然是先导物甚至是药物的主要来源。天然活性成分往往有新颖的结构类型，新型结构常常有独特的药理活性。 自然界生物的多样性决定了天然化合物的分子多样性，多样性的天然产物，是先导化合物的重要来源。植物、动物、微生物以及海洋生物等在进化过程和物竞天择的竞争环境中，为了自身的生存和种群的繁衍，制造了各色各样的次级代谢物质(secondary metabolites)，这些物质是用于化学吸引昆虫或动物以帮助传播种子和繁衍后代，或者为了保护自己免被周围环境的生物或不适条件所毁灭。例如，植物产生一些萜类物质模拟昆虫激素，青霉菌产生青霉素并向周围分泌，抑制与其共存的细菌生长；一些植物为了保存自己不被动物吃掉，产生诸如有强心作用的苷类，或作用于中枢神经系统的生物碱，或产生不愉快味道、引起呕吐的物质等乙动物脏器中提取的激素，虽然有些可直接作为药物，但更多作为先导物。 我国有悠久的历史，丰富的医药遗产，是发现先导物的宝库；民间治疗疾病的偏方验方，也是获取先导物的来源。采用各种分离手段，如色谱法(液相色谱、气相色谱和薄层色谱等)，电泳、凝胶过滤等方法，包括高分辨核磁共振谱、质谱、X—线晶体衍射以及与色谱法联用在内的现代分离分析方法的应用，以确定天然成分的化学结构、构型和构象，配以微量快速大规模的筛选方法，使得分离鉴定天然活性产物的研究工作能够快捷准确地完成；微量复杂结构成分也因使用先进的分离鉴定和生物评价手段而得以成为有价值的线索物质。动物和人体内源性以及自体活性物质，例如，神经递质、激素、前列腺素。多肽等微量活性成分，也成为创制新药的先导化合物。 (一)膏蒿素 青蒿素(Artemisinine,Qing Hao Su,4-1)是我国学者自黄花蒿(Artemisia annula)分离出的倍半萜类化合物，具有强效抗疟作用，对于氯奎耐药的恶性疟原虫(Plasmodium berghei)感染的小鼠有明显治疗作用。青蒿素分子中含有的过氧键证明是必要的药效团；内酯键经硼氢化钠还原生成半缩醛，为二氢青蒿素(4—2)，仍保持活性。由于青蒿素的生物利用度较低；而且复发率较高，而(4—2)或其甲基化产物蒿甲醚(4—3)和琥珀酸单酯钠青蒿琥酯(4—4)的生物利用度提高，临床已用于治疗各种疟疾。 (二)长春花生物碱 自长春花(Vinca rosea)分离的长春新碱(Vincristine，4—5)和长春碱(Vinblastina，4—6)，是吲哚化合物的二聚偶联物，最初认为长春花提取液有降血糖作用，但试验表明无降血糖活性，但可使血液中白细胞减少。长春花生物碱与微管蛋白结合阻止徽管蛋白聚合，使细胞周期停止在间期．阻断了细胞分裂而死亡。长春新碱的抗癌活性高于长春碱，而后者在植物中的含量是前者的100倍，因而可用半合成方法将长春碱转化为长春新碱。然而，长春新碱和长春碱都有神经毒作用，用半合成力法将其甲酯转变成酰胺，为长春地辛(Vindeline，4—7)，后者以硫酸盐用于临床，其作用与长春新碱基本相同。根据这类生物碱的生物合成途径，Potier等合成了5—失碳—Δ15，20失水长春碱，称作诺维本(Navelbene，4—8)，诺维本的药效学和药代动力学限制均强于天然的生物碱，临床已用于治疗小细胞肺癌和乳腺癌等。

(三)喜树碱 自中国特有植物喜树(Camptotheca acumulata)得到的含并合的喹啉生物碱喜树碱(Camp-tothecin，4—9)具有强效抗癌作用，分子中的内酯环和内酰胺基团是抗癌的必需基团，可认为是药效团。喜树碱的抗癌作用机理是抑制DNA拓扑异构酶1。喜树碱的毒性较大，水溶解度低，不能直接在临床应用，可于芳环上引入各种基团，例如，9，10或11位引入氨基或羟基可显著提高活性，但12位取代，则降低活性。
为了增加喜树喊的水溶性，可制成含氨基或羧基的前药，例如，10—羟基—9—二甲胺甲基喜树碱拓扑替康(Topotecan，4-10)和水溶性前药伊立替康(Irinitecan，4—11)已在临床应用。
(四)紫杉醇 自红豆杉属(Taxus)植物树皮中分裂得到的紫杉醇(Paclitaxel，4—12)具有强效抗肿瘤作用。虽然其作用靶点是微管蛋白，但与长春碱对微管蛋白的作用相反，紫杉醇促进微管蛋白的聚合，并使其稳定化，从而阻止了微管蛋白在有丝分裂中的功能。临床上使用紫杉醇治疗卵巢癌，乳腺癌和恶性黑素瘤，效果显著。紫杉醇的缺点是在植物体内含量少，溶解度低，生物利用度差。以紫杉醇为先导物，进行了系统结构修饰，提示C13侧链对于抗癌作用非常重要，环丁氧烷也是必要的药效团。含叔丁基的类似物(Docetaxel，4—13)增加了水溶解性，活性强于紫杉醇，且无交叉耐药性，已于临床使用。
(五)大环内酯类抗生囊 大环内酯系指具有14或16员环内酯结构的抗生素，环上一般连有2个或多个糖基，主要用于治疗上、下呼吸道感染。其作用机理是抑制细菌依赖于RNA的蛋白质合成，与细菌的核糖体50s亚基发生可逆性结合，抑制蛋白质的合成。典型的药物是红霉素(4—14)。红霉素有较明显的胃肠道刺激作用，研究表明，在酸催化下，6位羟基与9位酮基形成半缩酮，再与12位羟基生成缩酮，该过程是红霉素产生胃肠道刺激和失去抗菌作用的主要原因。为避免缩酮的生成，将6位羟基甲醚化，得到克拉霉素(Clarithromycin，4—15)，临床应用表明，克拉霉素对胃肠道的刺激很小，而且，因脂溶性增加，口服生物利用度提高，化学稳定性较好，因而改善了抗菌作用。 另一个大环内酯是阿奇霉素(Azithromycin，4—16)是在C9和Cl0之间插入N—CH3的扩环产物，与红霉素相比，阿奇霉素提高了对酸的稳定性，半衰期长，可日服一次，抗菌广谱。

(六)美伐他汀 某些微生物的次级代谢产物与人体内的正常代谢产物的结构具有相似性，这可能是在生物的长期进化过程中保存下来的，以致微生物的代谢产物可能对人体的某个生化过程有干预作用。自真菌Penicillium citrinum和从Aspergillus terreus的培养液中分别得到的美伐他汀(Mevastatin，4—17)和麦维诺林(Mevinolin，4-18)，可选择性地抑制羟甲基戊二酰辅酶A(HMGCoA)还原酶，该酶是催化3—羟基—3—甲基戊二酸辅酶A还原成3，5—二羟基—3—甲基戊酸的反应，后者是体内胆固醇生物合成的级联反应的决速步骤。 美伐他汀和麦维诺林对HMG CoA还原酶抑制作用的κi值分别为1.4x 10-9 mol/L和6.4X10-10mol／L。而底物HMG CoA的Km值为1.4x10-5mol／L，这两个抑制剂与酶的亲和力分别高于底物7千或1万6千倍。结构分析表明，美伐他定和麦维诺林分子中都含有以内酯形式存在的3，5—二羟基戊酸的片段，在体内被血清或组织中，酯酶水解成相应的羟基酸，是与酶结合的活性形式。此外，研究表明，在酶的活性中心有一个疏水腔，与抑制剂下半部的十氢萘部分结合，导致这种结合非常牢固，成为强效抑制剂。 二、以生物化学为基础发现先导物 生物化学和分子生物学的发展，为系统地寻找生物活性物质开辟了广阔的领域，为药物分子设计提供了新的靶点和先导物。例如，激素、神经递质和维生素的功能、生物合成的级联反应、代谢中间体和终产物，都可作为设计药物分子的出发点，对这些调节机体的活性物质作结构变换，或可增强原生理生化过程，或阻断、拮抗原过程，对异常的或失衡的机体功能发挥纠正或调节作用。 (一)吲哚美辛类非甾体抗炎药 炎症的重要介质5—羟色胺的功能被揭示后，希望能够寻找其受体拮抗剂以治疗各种原因引起的炎症。另一方面，在风湿性关节炎患者的尿中，有高水平的色氨酸的代谢产物。因而，以含吲哚环的化合物为先导物，在众多取代的吲哚—3—乙酸化合物中，选择出吲哚美辛（Indomethacin，4—19）作为解热镇痛药和关节炎治疗药。 前列腺素G和H是重要的炎症介质,它是花生四烯酸经环氧合酶催化氧化等级联反应而产生的。在环氧合酶的三维结构被解析之前，Gund等用计算机图形学方法比较了花生四烯酸和吲哚美辛的构象，表明这两个化合物的三维结构有相似性．烯键和羧基在空间的位置具有对应性，因而，竞争性地与环氧合酶结合，并由此演绎出环氧合酶活性部位的拓扑模型．成为设计新型非甾体抗炎药的模板。为了消除或减轻吲哚美辛对胃肠道的刺激作用，经结构改造、开发了其电子等排物舒林酸(Sulindac，4-20)。

(二)卡托普利类降压药 血管紧张素转化酶(ACE)可将具有十肽结构的血管紧张素Ⅰ(Angiotensin Ⅰ)裂解为八肽血管紧张素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ),后者可使平滑肌收缩，并促进醛甾酮的生物合成和分泌，使血压升高。显然，能够抑制血管紧张素转化酶活性的物质，应具有降压作用。鉴于羧肽酶A(CarboxypeptidaseA)与血管紧张素转化酶的结构与功能有相似之处，参考了对羧肽酶A有抑制作用的D—苄基琥珀酸的结构，设计了琥珀酰—L—脯氨酸，后者对ACE虽有较弱的抑制作用，但作为先导物，经侧链的变换，例如，引入甲基，用巯基替换羧基，优化出降压药卡托普利(Capto-pril，4—21)。卡托普利是血管紧张素转化酶强效抑制剂，这样小的分子有多个功能基，各履行重要作用：巯基与酶的辅基锌离子形成配位键，羧基的负电荷与酶分子的正电荷形成静电引力，羰基与氢原子生成氢键，脯氨酸残基则与S—甲基有立体特异性的疏水和范德华力的作用。 卡托普利分子中的巯基可引起副作用，且化学性质不稳定。进一步变换结构，模拟产物的结构，将巯基换成羧烷基，并用-NH-替换-CH2-，以调整抑制剂的疏水-亲水性，得到依那普利(Enalapril，4—22)，它对ACE抑制作用的IC50强于卡托普利19倍。
(三)H2受体拮抗剂的抗溃疡作用 分子药理学研究表明，组胺作为自身活性物质(autocoids)在体内至少有两种受体与之结合，—即H1和H2受体。抗组胺药物是H1受体拮抗剂，具有阻止组胺对机体致敏的作用．但它对与胃液分泌相关的H2受体却没有拮抗作用。 为了研制抗消化道溃疡药，以H2受体为靶点，以组胺为化学起始物，寻找对组胺H2受体有拮抗作用的物质。4—甲基组胺对H1和H2受体的激动作用不同，对H2受体的激动作用强于H1受体。侧链的氨基经各种基团替代，发现胍基代替氨基，使H2受体的活性只能达到最大活性的—半，成为部分激动剂。改变胍基的碱性，换成脲基或硫脲基，得到的布立马胺(Burimamide，4—23)为H2受体拮抗剂，进而4—位引入甲基．测链加入硫原子，最终研制出西咪替丁(Cimetidine，4-24)。咪唑环并非必需的药效团，雷尼替丁(Ranitidine．4—25)和法莫替丁(4—26)等H2受体拮抗剂分别是用呋喃环和噻唑环替换咪唑环的有效抗溃疡药。
三、基子临床副作用观察产生的先导物 先导化合物常常具有多种生物活性，这些多样性作用对于研制特异性药物是不利的。在修饰结构优化活性时，提高并强化所希望的活性，消除或尽可能降低其它样作用，使推荐到进行临床研究的候选物质有较好的选择性作用。然而，在优化操作中，所提高的选择性作用只是相对的，往往很难除去所有不希望有的作用，以致在临床观察或应用时，出现了预料的或未预料的不希望的作用即副作用。另一方面，机体的各种器官或组织细胞含有多种受体、酶或其它生物大分子，理想的药物应只对某个器官或组织(即靶器官或靶组织)的特定受体或酶发生相互作用，或者只对病源体的某生物大分子起作用，产生选择性或特异性作用。然而事实上，临床应用的药物几乎很难只向靶组织作特异性分布并与受体起作用，导致在用药时出现副作用等不良反应。然而，通过对副作用的密切观察和对作用机理的深入研究，却又可以以此作为研制新药的线索，即以临床使用的药物作为发展另一类新药的先导物。应当强调指出，此时所进行的操作，是提高该副作用的强度成为主作用，扬弃原来的药理作用。 (一)磺酰脲的降血糖作用 20世纪40年代用磺胺异丙噻二唑(4—27)治疗伤寒病，当使用大剂量时会造成死亡，死因是由于药物刺激胰腺释放出胰岛素，导致急性和持久地血糖降低。然而，这并没有引起人们利用此副作用研究口服降血糖药的注意。与此同时，临床又发现氨磺丁脲(Carbutamide，Bz 55，4—28)的降血糖作用强于(4—27)，开始作为治疗糖尿病的药物。

自此以后合成了大约10 000个磺酰脲化合物。构效关系研究表明，苯环上存在取代基，脲基氮原子上有烷基或环烷基取代有利于降糖作用。例如，发明了甲苯磺丁脲(Tolbutamide，4—29)，氯磺丙脲(Chlorpropamide，4—30)，格列吡嗪(Glipizide，4—31)，格列波脲(Glibornuride，4—32)。格列齐特(Gliclazide，4—9)除具有降血糖作用外，还可阻止血小板聚集，因而，可阻断糖尿病患者的视网膜病的发展。
(二)单氨氧化酶抑制剂的发现 在使用异烟肼(4—34)和异丙烟肼(Iproniazid，4—35)治疗结核病时，发现患者服用异丙烟肼后情绪增高，而未见于服用异烟肼者。研究表明，异丙烟肼可抑制单氨氧化酶，临床上用于治疗抑郁型精神病患者。构效关系提示，酰基并非必需基团，但肼基或酰肼基的氮原子需有烷基或环烷基取代，从而研制出苯乙肼(Phenelzine，4—36)，进而证明胺类也是单氨氧化酶抑制剂，如反苯环丙胺(Tranylcypromine，4—37)和司来吉兰(Selegiline，4—38)都是抗抑郁药。

(三)促毛发生长的米诺地尔 米诺地尔(Minoxidil，4—39)直接作用于血管平滑肌，扩张外周血管，临床用作降血压药。长期服用米诺地尔会促进毛发生长，特别是头部面部毛发生长旺盛，作用机理可能是开启钾离子通道。该药物已作为局部用药治疗脱发症。 (四)芳构酶抑制剂格鲁米特 格鲁米特(Glutethimide，4—40)是非巴比妥类镇静药，用于治疗癫痫病，但由于其严重的副作用于20世纪60年代停用。该副作用类似于抗雌激素作用。以后发现氨鲁米特(Aminoglutethimide，4—41)对乳腺癌患者有类似于切除肾上腺的效果，因而，临床上用于治疗绝经后妇女乳腺癌。深入研究这类化合物的作用机理，表明药物抑制了芳构酶(aromatase)，芳构酶催化睾酮和雄甾烯二酮转化成雌酮或雌二醇的反应，使雌激素水平下降，抑制了依赖于雌激素的乳腺癌。
四、基于生物转化发现先导物 机体为自身的保护和防御，对于进入体内的药物视作外来异物，力图排出体外。主要的方式是通过Ⅰ相和Ⅱ相代谢反应，转化成易溶于水的化合物，以利于排出。生物转化的大多数后果是药物失去或降低了活性，即代谢失活；但有的化合物经代谢后提高了活性，即代谢活化。经生物转化作用产生药理作用更强的代谢产物可作为先导化合物，甚至直接作为新药，已有不少成功的实例，这里所讨论的药物本身已有活性、经代谢后活性进一步提高。关于前药分子设计，由于其本身无药理活性，需经体内转化后方呈现活性，将在本章后面讨论。 (一)解热镇痛药 对乙酰氨基酚 解热镇痛药非那昔丁在体内代谢脱乙基，生成对乙酰氨基酚，对乙酰氨基酚的药理活性强于非那昔丁，而且不引起正铁血红蛋白的产生所造成的毒性。 (二)抗疟药 环氯胍 抗疟药氯胍(Proguanil，4—42)在体内代谢合环，生成环氯胍(Cycloguanyl，4—43)，环氯胍具有二氢三嗪结构，是活性更强的化合物。研究表明，环氯胍是二氢叶酸还原酶的强效抑制剂，循此先导物研制出作用更强的抗疟药乙胺嘧啶(Pyrimethamine，4—44)。

(三)维生素D3 维生素D3(Cholecalciferol，4—45)与骨骼形成有关，促进钙和磷酸根在软骨组织中沉积。维生素D3在体内转变成骨化三醇(Calcitriol，4—46)。后来证明，骨化三醇是活化钙和磷酸的主要物质，它有维生素D的全部功能，履行激素样作用。维生素D3转变成骨化三醇的羟基化过程是分步进行的，首先在肝脏中生成骨化二醇(Calcifediol，4-47)，然后在肾脏中引人1α—羟基。骨化三醇显然是活性更强的维生素D3。 (四)5—氨基水杨酸治疗结肠炎 柳氮磺吡啶(Azulfidine，4—48)是5—氨基水杨酸与磺氨吡啶经偶氮键连接的化合物，治疗溃疡 性结肠炎，在肠道中被微生物还原分解成5—氨基水杨酸(4—49)和磺氨吡啶，起到抗菌、消炎和免 疫抑制作用，5—氨基水杨酸是该药物的活性成分，它已成为治疗溃疡性结肠炎的有效药物。
(五)保泰松的代谢活化 抗炎镇痛药保泰松(Phenylbutazone，4—50)在体内转化，主要生成两种氧化代谢产物：芳环的4—羟基化和丁基的ω—1羟基化。前者得到的羟布宗(Oxyphenbutazone，4—51)其抗炎作用强于原型药，它已用化学合成方法制成，作为药物上市，不必经过肝脏的体内代谢活化。有趣的是保泰松的丁基羟基化（4—52）产物具有新的药理作用，促进尿酸排泄，可以治疗痛风病，以它作为先导物，研制出新的抗痛风药磺吡酮(Silfinpyrazone，4—53)。
五、药物合成的中间体作为先导物 合成天然活性物质或药物的中伺产物，它们之间的化学结构往往具有相似性或相关性，或者存在有相同的药效团配置，这时合成的中间体有时会呈现与终产物相似、相同或更优良的活性。 (一)抗结核药异烟肼和抗抑郁药异丙烟肼 抗菌药磺胺噻二唑的中间体缩氨硫脲，经筛选发现对结核杆菌有强效抑制作用，最终研制出抗结核药阿密硫脲(Amithiozone，4—54)。而在合成硫代缩氨脲类化合物中，发现中间体异烟肼(Isoniazid，4—55)的抗结核作用更强，诞生了抗结核药异烟肼。在修饰异烟肼的结构以设计更强的抗结核药时，发现了异丙烟肼(Iproniazid，4—56)对单胺氧化酶有抑制活性，继之研制出肼类单胺氧化酶抑制剂作为抗抑郁药。
(二)降转氨酶药物联苯双酯 由北五味子(Schizandra chinensis Bei)果实中分离的一种木质素五味子丙素(schizandrine C，4—57)具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在合成这类联苯化合物中，发现中间体联苯双酯的保肝作用强于五味子丙素。在初期确定五味子丙素的结构时，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物试验表明，其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的联苯双酯(Bifendate，4—58)。有趣的是，当纠正了五味子丙素的结构后，合成了相应的中间体α—异构体，却没有保肝作用。显然，当初若正确确定了五味子丙素的结构，未必能够或至少会推迟联苯双酯的研制。由联苯双酯作为先导物又优化出了活性更强的药物。
六、组合化学的方法产生先导物 (一)组合化学基本原理 新药研制的效率在很大程度上取决于化合物的合成和生物评价的速度，这关系到人力和资金是否得到充分的利用和快速的回报。数十年来，合成药物的传统模式是一次合成并评价一个化合物，而且一直沿用至今。组合化学采用了完全不同的策略，是在同一时刻制备出数目众多、用于生物评价的群集分子，诸如肽类、寡核苷酸或非聚合型的有机分子等。 组合化学是基于这样的前提：用随机筛选的方式发现活性分子的概率，与所筛选化合物的数目成正比，即筛选的化合物数量越多，得到活性化合物的可能性越大。这种方法的原理是基于一系列组建模块(Building block)发生所有可能的组合方式，会生成数量巨大的化合物库。表4—1列举的数字表明，以代数级数增加组建模块的数目，所生成的化合物数量则成几何级数的增加。
传统的合成方法是液相或均相反应，已经积累了上百年的经验。固相合成法经并行反应、自动化合成和deconvolution策略，可得到群体化合物，这些化合物可以呈溶解状态，也可以与固相支持剂结合，每个支持剂上可有单一的化合物或是混合物。选用方法的标准取决于活性测定的方法和目的。图4—1是在固相支持剂上用合—分法进行并合合成的策略和模式。
固相合成制备肽类和寡核苷酸化合物获得了很大的成功，有机小分子化合物也可用固相方法合成。虽然，用固相法合成有机分子的反应类型远比肽或核苷酸的反应类型复杂，合成经验比液相反应少得多，需要投入更多的研究，但这对建立研究小分子化合物库，进行先导化合物的筛选却是非常值得的。 (二)举例 由3个模块组建苯并二氮唑化合物库是个成功的实例。首先，合成有保护氨基的二苯酮，环上带有可与树脂连接的羟基或羧基，与树脂结合后，被保护基Fmoc保护的氨基去保护后，经α—氨基酸酰化，再去保护，酸催化环合，再经N—烷基化，酸催化裂解，可得到较纯净的苯并二氮革，见图4—2。

Coxdeev等用固相法合成了1，4—二氢吡啶组合库，库容量为300个化合物，以期创制钙通道拮抗剂。使用的3个组建模块为β—酮酸酯或二酯(10种)，第2个模块也为β—酮酸酯或二酯(3种)，第3个模块为取代的芳香醛(10种)，生成300个化合物均匀分布在30个合成器内，每个合成器中含有10种化合物。分别应对30个合成器中的样品作活性筛选，找到活性最强的一组(10个)或两组(20个)化合物，再进一步试验得出阻断该钙通道活性最强的化合物。其方法和流程如图4—3所示。
构在理论上与酶活性部位会有更牢固的结合。起初设计的是含sp3杂化碳上带有一个羟基、相邻的氨基用电子等排体亚甲基代替并配置亮氨酸和颉氨酸的侧链的多肽，对肾素有抑制作用。
八、反义核苷酸 基于DNA或信使RNA(mRNA)的结构，设计寡核苷酸是药物分子设计的另一种方法。DNA双螺旋的互补性结合是通过核酸碱基腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)、鸟嘌呤(C)与胞嘧啶(C)之间的氢键所维持。DNA具有两个最重要的功能，即在细胞分裂时每股螺旋复制出自身的互补链，生成子代的DNA；另一个功能是转录出信使RNA，后者具有指导转译生成蛋白质的功能。图4—5a表示DNA的重要功能；图4—5b为反义寡核苷酸与信使RNA结合的模式图。
如果设计能够与DNA或信使RNA发生特异性结合，分别阻断核酸的转录或转译功能，则会阻止与病理过程相关的核酸或蛋白质(例如酶或受体)的生物合成。这种可与DNA或信使RNA结合的互补链称作反义寡核苷酸。所以，反义寡核苷酸作为药物应认为是从遗传信息的复制、转录或翻译的根本上千预病理过程，理论上应是“治本”的药物。 许多疾病的原因是基因组的缺陷或在基因转录或翻译过程中的失常，迄今完全清楚DNA结构与功能的改变同临床表现的相关疾病的是癌症和病毒性疾病。癌症可由多种因素引起，但主要是因细胞内致癌因素激活了癌基因；逆转录病毒的遗传物质参人到宿主的DNA中，导致艾滋病等病毒性疾病的发生。所以，建造直接针对细胞的DNA或RNA的分子，原则上应当能够清除病因，阻止或逆转这些疾病。核酸作为靶点的优点是将基因的表达阻止在最早阶段，而且核酸的结构比较蛋白质结构清楚，设计核酸的拮抗剂比设计蛋白质拮抗剂理论上要容易些。 反义寡脱氧核苷酸所带的碱基与DNA或mRNA片段呈互补时，可与之结合，形成DNA—寡核苷酸或mRNA—寡核苷酸杂交链，选择性地抑制基因的表达。与DNA结合时，是同大沟的Hoogsteen碱基对呈互补结合形成三螺旋(triple helical structure)，从而抑制了核酸的转录也可与mRNA作互补性结合，抑制信使RNA对蛋白质表达。然而DNA靶点不像mRNA那样简单，因为反义寡核苷酸与单链核酸的交联比与双链核酸更容易，即干预mRNA的翻译比干预DNA的转录更容易，这是因为外加入的寡核苷酸一般浓集在胞浆中，较易与处在胞浆中的mRNA结合。 反义寡核苷酸用作药物应满足以下的标准：容易合成并可大量制备；在体内稳定，能够耐受核酸酶对寡核苷酸的磷酸二酯键的水解；能够进入并停留在靶组织处。显然，穿越细胞膜的机理是很重要的；能够与靶细胞内核酸发生相互作用，但不与其他生物大分于反应。 反义寡核苷酸的分子大小是设计的重要环节。为了只对一个基因的识别和结合，提高选择性，反义寡核苷酸要有一定的长度。统计学表明，每17链节寡核苷酸(17-mer)只在人基因组中出现一次。合成的反义链长可以是由15个(G—C含量高时)到大约20个碱基(A--T含量高时)核苷酸。增加核苷酸数会提高选择性，因而会降低了毒副作用。但超过25个碱基的寡核苷酸难以透过细胞膜，不宜作为反义寡核苷酸。 核酸酶存在于细胞核内或核外，功能是裂解核酸中的磷酸二酯键使核酸降解。核酸酶可降解外切位点(5’—或3’—外切核酸酶)或降解内切位点(内切核酸酶)。它的存在限制了正常的寡核苷酸作为“反义”核苷酸的应用，因为它们在细胞外介质中会迅速被降解。为了提高对酶降解的抗性，增加稳定性，可制成核苷酸模拟物，包括改变磷酸二酯基、脱氧核糖、碱基和末端的结合物，如图4-6所示。 现于临床试验的反义寡核苷酸药物大都是硫代寡核苷酸，例如，20链节硫代寡核苷酸是个抗炎药；
另一个20链节的硫代寡核苷酸称作阿福韦生(Afovirsen)，是抗艾滋病药物。

九、幸运发现的先导物 上面所讨论的先导化合物产生方法，虽然是有目的地从自然界或临床观察或代谢产物中发现的新活性物质，在一定意义上是偶然发现的。下面所述的更是偶然发现，或称幸运发现(serendipity)，在这个过程中，适时地捕获机遇和仔细地分析与研究，是成功的关键。 (一)青霉素的发现 青霉素的发现开辟了抗生素药物治疗的新纪元。这个划时代的成就却完全始自于偶然的事情。Fleming的幸运在于数个机遇凑在一起，并被他适时地抓住了。首先，Fleming所在的实验室的青霉菌污染了他的培养基，该菌株又是为数不多的青霉素产生菌；其次，他所用的琼脂培养基中有其它细菌与青霉菌同时生长，构成了观察青霉素抗生作用的环境，而且，所设定的培养条件也适合于这两种菌株的生长；而最重要的是他在未计划和未预料的实验中，观察到细菌生长点和抑菌圈的出现，并得出正确的结论。由青霉素和头孢菌素等构成的β—内酰胺类药物的发现和应用，都是以Fleming的机遇、智慧和勤奋工作而作为开端的。 (二)苯二氮蕈的发现 第一个作为安定药的氯氮革(Librium，4—62)的发现纯属是偶然性的，Sternbach在从事新型安定药物研究中，原计划合成苯并庚氧二嗪(4—63)，当R1是CH2NHCH3，R2是苯基时，并未得到目的物，而得到喹唑啉N—氧化物(4—64)，该化合物无安定作用，以致终止了此研究项目。两年后在清洗仪器时，发现瓶中存在的以为是喹唑啉N—氧化物的结晶，经药理试验，竟意外发现有明显的安定作用。进一步根据反应条件推导可能的产物，确证该结晶是苯并二氮蕈的结构。
该反应历程是：
显然，如果在清洗仪器时没有留意瓶内的结晶或未进行药理试验，那么，苯并二氮革类药物的出现至少会延迟的。 (三)铂配合物 Rosenburg在研究电流对大肠杆菌生长的作用时，观察到菌体细胞变长了，后证明是铂电极在电流的作用下生成了铂配合物，释放到溶液中影响了大肠杆菌的生长。进而在细菌培养液中加入顺式构型的铂配合物就会使细胞变长。用顺铂(Cisp1atin，4—65)，研究对移植性肿瘤试验表明，有强效细胞毒作用，从而开辟了顺铂类化疗药物。
(四)降转氨酶药物联苯双酯 由北五味子果实中分离的一种木质素五味子丙素(schizandrine C，4—66)具有肝脏保护作用，可保护小鼠肝脏免受四氯化碳的损伤。在初期确定五味子丙素的结构是，误将甲氧基和亚甲二氧基的相对位置定错，按照错误的结构合成的中间体经动物试验表明其肝脏保护作用强于五味子丙素，从而发现了具有肝保护作用和降低转氨酶活性的γ—联苯双酯(4—67，商品名为联苯双酯)。当纠正了五味子丙素的结构后，合成的相应的中间体α—异构体(4—68)，却没有保肝作用。
第三节 先导物的优化(Lead Optimization) 一、引言 前已述及，当先导化合物的结构确定以后，需要进行结构和活性的优化，这是由于先导化合物只提供一种具有特定药理作用的新结构类型，作为线索物质，往往由于在药学、药效学、药代动力学的缺点或不足，存在不良反应而不能临床使用，需要对先导物进行结构改造或修饰，以优化上述性质。迄今所用的优化方法大都是经验性的操作，通过这样的化学操作和生物评价，既可能发现出决定药理作用的药效团，也会得到在药效的特异性、药代的合理性、较低的不良反应的药物。例如，可能因为活性不够强，选择性作用不高，生物利用度不好，毒副作用大，化学稳定性差等需要进行优化。此外，先导物的优化也有耐出于专利保护的考虑。优化过程就是扬弃那些不利性质，提高和改善所希望的性质。为达到上述目的，要变换先导化合物的化学结构，这种变换是干差万别的，相当不明确的，在一定意义上讲，往往要靠药物化学家的知识、经验和直觉，而且是个反复试验的过程。 一般而言，优化的策略是根据先导化合物结构的复杂程度和要达到的目标而定的。结构较复杂的先导物用简化的方法，即将复杂结构的化舍物解体成小片分子，即设计剖裂物；分子大小适中的化合物则效仿原化合物的结构，设计类似物，也可以将两个相同或不同活性的分子缀合在一起，形成孪生药物或拼合物。 二、先导物优化的一般方法 (一)剖裂物 先导化合物为天然产物，结构一般比较复杂，常常用剖裂操作，作分子剪切进行结构优化。例如，对镇痛药吗啡(4—69)进行优化中，累计合成了1000多个化合物，并揭示了苯基哌啶是呈现中枢镇痛作用的药效团。简化的过程是由五环系的吗啡，简化成四环系吗啡喃(4—70)，再简化成三环系的苯并吗啡烷(4—71)．最后得到二环系派替啶(4—72)。应当指出，割裂和简化的结构虽仍保持强效镇痛活性，但并未消除麻醉的副作用。
天然产物曲林菌素(Asperlicin，4—73)是缩胆囊素(Cholecystokinin，CCK)受体的强效拮抗剂，通过简化结构和活性测定，证明苯并二氮革酮与四氢吲哚片段是重要药效团，并合成了MK-329(4—74)其活性强于曲林菌素100000倍，选择性高，作用时间长，且可口服。 (二)类似物 先导物优化进行的结构改造，更常用的方法是类似物变换，即对先导物结构作局部变换或修饰，包括改变分子的大小，增加或减少饱和碳原子数的同系化合物，引人双键的插烯操作，引入或除去手性中心，引入、去除或变换功能基或有空间障碍的大体积基团，链状化合物变成环状物，环状分子开环成链状物，柔性—刚性分子的变换，基团的位置或方向的变换，分子的电荷分布或状态的变换等，这些都是局部变换和修饰的内容。

1．同系物的变换 同系物原理最早始于有机化学，在药物化学中该原理的含义相同，即分子间的差异只是亚甲基的数目不同。在先导物优化中最常见的同系物操作是单烷基衍生化，不同碳原子数的脂环同系物，直链双功能基化合物和多亚甲基化合物。 单烷基衍生化是在先导物结构中逐个增加或减少亚甲基的操作。烷基链的增长或缩短，得到高或低同系物，这是最常用的设计方法。3—哌嗪基—1．2，5，6—四氢-—1—甲基吡啶(4—75)为M1蕈毒碱样受体激动剂；由O-甲基增加到O-丁基，对M1受体亲和力由0.85mmol／L增加到0.017mmol/L. 组成脂环的碳原子数不同所构成同系物，对活性的影响可用缩胆囊素的拟肽加以说明。α-甲基么氨酸的氨基被环烷氧羰基酰化，羧基将苯乙胺酰化，所得到的拟三肽(4-76)，对受体的结合作用与环的大小相关，但并不完全与分配系数相平行。表4-2表明环系大小、活牲和分配系数的关。 苯并咪唑类血栓素A2受体拮抗剂(4—77)对亚甲基的变换则非常敏感，例如当n=0时，IC50为1700nmol/L；n=1，IC50=7.8nmol/L；n=2,IC50=20mmol/L。


同系化合物生物活性的变化随化合物序列和活性特征的不问而改变，无普遍规律可循。例如，全身麻醉药、挥发性杀虫药和表面活性物质等结构非特异性药物，随碳原子数的增加活性有规律地增高，达到最高活性后，再增加碳原子数则活性降低，直至完全无活性。 具有蕈毒碱样作用的RNMe3+同系物和神经节阻滞剂R3N+(CH2)nNR3+，活性随碳原子数的增加而升高，当前者的R为4个碳原子、后者n为4、5或6时活性达最大值，在一定范围内进一步增加碳原于数，活性变化不显著。 烷基链碳原子数的奇数和偶数之间对活性有较大的影响，例如，抗疟药6—甲氧基—8—氨基喹啉的烷基链，的奇数碳链比相邻的具有偶数碳链的化合物活性高。 烷基碳原子数的变化还会引起药理作用的翻转，例如激动和拮抗、兴奋和抑制的变化。去甲肾上腺素氨基NH2的1个氢原子随着被甲基、乙基或正丙基代替，升高血压作用依次减弱，但若被异丙基或叔丁基代替时，则为降压作用，这可以认为烷基的变换导致与不同受体的作用：伯胺化合物与α-肾上腺受体作用，异丙基和叔丁基化合物与β-肾上腺受体结合，甲、乙、丙基化合物则同时与α-和β-受体结合。 (三)引入烯键 生物活性分子中引入双键包括两个方面：一是在饱和碳链上引入双键，另一是形成插烯物(vinylogues)。由于双键的引入改变了分子的构型和构象，分子形状与饱和化合物有较大的差别，因此，生物活性会有较大的变化。例如，顺式苯丙烯酸具有调节植物生长作用，而相应的饱和化合物苯丙酸无此活性。双键作为功能基比相应的饱和烷基有较强的生物活性，例如，含不饱和键的巴比妥类药物的催眠作用强于相应的饱和化合物。 烯键的引入使分子的刚性增加，会改变物理化学性质。与双键相连不同的基团会因产生几何异构体而呈现不问的生物活性。 在分子中加入乙烯基或多乙烯基，根据插烯规则(vinylogy principle)在分子A-—B之间插入一个或多个乙烯基制成插烯物A—(CH＝CH)n一B，n为1，2或3，或A与B处于苯环的邻位或对位，此时，在电性分布上，A同B犹如直接相连，往往可获得相似或活性更强的药物。应当指出，A与B被乙烯基或共轭多烯分开，空间距离加长，也会对活性产生很大的影响。普鲁卡因的插烯物(4—78)仍有局部麻醉作用。乙氧脲(Ethoxyurea，4—79)和甘素(Dulcin，4—80)均为生甜物质，后者是前者的插烯(对位取代苯)物。
(四)合环和开环 饱和链状化合物合环成环状化合物，或环状化合物开环成链状物，是分子设计中常见的方法。由于合环或开环，分子的形状、构象和表面积发生了变化，会影响与受体的结合，也会改变药代动力学性质。对于药效团的三维结构以及重要功能基的立体配置，可用半刚性或合环的方法，将柔性的先导物“固定”于某个特定的构象，这对于提高药理作用和确定药效构象意义是很大的。 N,N—二甲基多巴胺(4—81)是多巴胺受体激动剂，在与受体结合时，苯环与胺乙基侧链究竟呈怎样的构象配置，可用N，N—二甲基—5，6—二羟基四氢萘(4—82)和N，N—二甲基—6，7—二羟基四氢萘(4—83)作为构象的限制物，这两个化合物代表了柔性的多巴胺分子两种不同的构象。药理试验表明，N，N—二甲基—6，7—二羟基四氢萘活性强于5，6—异构体，提示多巴胺在与受体结合时，苯环处于特定的空间取向。
抗菌药培氟沙星(Pefloxacin，4—84)经环合到8位，得到OPC—7241(4—85)，再经氧原子替换亚甲基，制出氧氟沙星(Ofloxacin，4—86)，后者的抗菌作用强于培氟沙星。
止咳药奥昔拉定(Oxeladin，4—87)和喷托维林(Pentoxyverine，4—88)分别是开环和闭环化合物，前者的二乙基被四亚甲基代替，成为环戊化合物。同样，抗胆碱药曲地碘铵(Tridihex-ethy1 Iodide，4—89)的三乙铵基被N—甲基吡咯烷代替，成为三环氯铵(Tricyclamol chloride，4—90)，抗疟药氯胍和环氯胍也分别是开环和闭环化合物。然而，开链—闭环的变换也会引起活性发生质的变化，例如，平喘药麻黄素(Ephedrine，4—91)的相应环状化合物芬美曲秦(Phen-metrazine，4—92)无平喘作用，为食欲抑制剂。

(五)大基团的引入、去除或置换 药物分子中引入体积较大的基团，会阻碍与酶或受体的相互作用，导致生物活性改变。例如青霉素和头孢菌素类抗生素分子中引入大体积基团，会阻断β—内酰胺酶对β—内酰胺环的水解破坏，提高耐受β—内酰胺酶的能力，在药物设汁中。向内源性活性物质分子中引入大体积基团，可造成分子与受体作用的强烈变化，甚至翻转活性，例如，由激动作用转成拈抗作用。组胺的咪唑环被二苯甲氧基代替，变成苯诲拉明，使H1受体激动作用转向为拮抗作用，为抗过敏药；4—甲基咪唑的侧链修饰成例如西咪替丁的长链结构，则由H2受体激动剂变成具有抗消化道溃疡作用的H2受体拮抗剂。 α—肾上腺能激动剂去甲肾上腺素(4—93)分子中引入大体积基团，可转变成拮抗剂，例如，莫西赛利(Moxisylyte，4—94)为肾上腺能拮抗剂，是血管扩张药；β—肾上腺能激动剂异丙肾上腺素(Isoprenaline，4—95)的苯环换成萘环，侧链再作适当的修饰，则为β—受体阻滞剂普萘洛尔(Propranolol，4—96)。

乙酰胆碱，(4—97)的甲基被三环代替，成为抗胆碱药溴丙铵太林(Propantheiineromide，4—98)；5—羟色胺的受体拮抗剂美西麦角(Methyyse响df，4—99)是治疗偏头痛药物，它含有。引哚乙胺的结构。
(六)改变基团的电性 基团的变换引起分子电荷分布的改变，主要通过两种效应：诱导效应和共轭效应。这两种效应会导致药物的物理和化学性质发生深刻的变化，因而，对活性产生重大的影响。由于元素电负性的不同，分子内电荷沿着唯键移动所产生的静电引力就是诱导效应。吸电子比氢原子强的原子或基团产生负诱导效应(-I)，比氢原子弱的基团产生正诱导效应(+I)。 负诱导效应的原子和基团按照吸电子性的强弱次序为：-NH2+，-NR3+，-NO2，-CN，-COOH，-COOR，-CHO，-COR，-F，-Cl，-Br，-OH，-OR，-SH，-SR，-CH＝CH2，-CR＝CR2,，-C≡CH；正诱导效应的原子和基团按照推电子性强弱依次为：-CH3，-CH2R，-CHR2，-CR3，-COO-。 分子中存在的，л-л共轭或p—л共轭由于电子的离域化而导致电荷的流动称为共轭效应。能够增加共轭系统电荷密度的原子或基团呈现正性共轭效应+R；降低系统电荷密度的原于或基团呈现负性共轭效应-R。 同时，具有负性共轭效应(-R)和负性诱导效应(-I)的基团有：-NO2，-CN，-CHO，-COR，-COOH，-COOR，-CONH2，-CF3；同时具有正性共轭效应(+R)和正性诱导效应(+I)的基团有：-O-，-S，-CH3，-CR3；同时具有正性共轭效应(+R)和负性诱导效应(-I)的原子或基团有：-F，-C1，-Br，-I，-OH，-OR，-OCOR，-SH，-SR，-NH2，-NR2，-NHCOR。 分子设计中常把卤素（尤其是F、Cl）原子引入芳香环上，从而改变了药代和药效学性质。芳香环上引入卤原子可产生3种效应：立体效应、电性效应和阻断效应，氟或氯作用占据了苯环的对位，可以阻滞因生物氧化而形成的环氧化合物或羟基，从而，可降低毒性及延长作用时间。 (七)生物电子等排 前已述及，电子等排概念是指化学上完全不同的物质，在物理性质上有很大的相似性，例如一氧化碳和氮气，乙烯酮和重氮甲烷。这种相似性可归结与它们分别有相同的电子数和排布：一氧化碳和氮气有14个轨道电子，乙烯酮和重氮甲烷有X个轨道电子。药物化学家扩展了这一概念，处理化合物的生物活性。 生物电子等排体是指一组可产生相似或相反生物活性并具有相关物理、化学性质的分子或基团。生物电子等排的相似性一般是基于原子或基团的价电子的数目和排布，而并不要求总电子数是相同的。一般而言，生物电子等排体是与同一受体部位相结合，或以相同的作用机理起作用的。 常用的电子等排基团和化合物如表4—3所示：
γ—氨基丁酸(GABA，4—100)是中枢神经系统的重要递质，二氢蝇蕈碱(Dihydromuscimol，4—101)和硫代蝇蕈碘(Thiomuscimol，4—102)是GABA的环状类似物，环中的C＝N键是GABA的C＝O键电子等排基，环上的羟基具有一定的酸性，二者的氨基也与GABA的氨基位置相当，是GABA—A受体的强效激动剂。
L—多巴(4—103)与L含羞草碱(Mimosine，4—104)具有生物电子等排相似性，对酪氨酸酶却呈现完全相反的药理活性，L-多巴是该酶的底物，而L-含羞草碱是酶的抑制剂。
槟榔碱(Arecoline，4—105)是蕈毒碱样胆碱能M1受体激动剂，下面3个化合物(4—106，4—107，4—108)是它的生物电子等排体，也是该受体的激动剂。
异羟肟酸作为羧酸的电子等排基团用于非甾体抗炎药，例如：异丁普生（Ibuproxam,4-109）是布格芬(Ibuprofen,4-110)的类似物，奥沙美辛（Oxamethacin,4-111）与吲哚美辛(Indomethacin，4—112)互为电子等排体，均为抗炎药。异丁普生在体内代谢成布洛芬，可认为是布洛芬的前药。然而奥沙美辛在体内不能转变成吲哚美辛，所以不是前药。
肽类药物的C端氨基酸残基的羧基可用硫酸酯基代替，硫酸酯基可认为是羧基的电子等排体。例如，胃泌素的C端天冬氨酸的羧基被OSOaH替代；七肽的肠促胰酶肽C末端残基被丝氨酸或苏胺的O—硫酸酯置换，仍具有酶活性。氨基酸的羧基被磷酸或亚磷酸置换，例如，鸟氨酸的电子等排物，是鸟氨酸的抗代谢物，可抑制大鼠肝鸟氨酸脱羧酶活性。
环系的电子等排，在苯环和芳香杂环之间的互换有许多成功的实例。分子内氢键形成的环系是芳环或芳杂环的电子等排体。例如，抗精神分裂作用的邻甲氧基苯甲酰胺化合物(4—113)形成的分子内氢键相当于多巴胺的苯环，可与多巴胺受体结合，因而有抗精神病作用。利尿药阿米洛利(Amiloride，4—114)的羧基与胍基形成分子内氢键，构成了第二个杂环系，进而合成了嗯二唑化合物(4—115)，后者仍有利尿作用。
三、挛药 两个相同的或不同的先导物或药物经共价键连接，缀合成新的分子，称作挛药(twindrugs)。挛药的设计，是基于两种考虑：一是挛药在体内重新分裂成原来两个药物，是为了改善药代动力学或药剂学性质，因此，挛药可以认为是前药；另一类则在体内不裂解．虽然设计的根据不足，但可认为组成挛药的两个药物结合受体的不同位点，产生新的或更强的作用。将两个相同的先导物或药物连接，例如，将口—肾上腺能受体拮抗剂啄罗克生(Piperoxan，4—'16)制成对称的双波赞(Dibozaneb，4—117)：
又如，钙通道拮抗剂尼群地平(Nitrendipine，4—118，IC50=0.2nm)经间隔基-丁二醇连接得到的挛药(BDHP，4—119)，活性大约是尼群地平的10倍。 两个不同的药物缀合成新化合物，希望产生双重作用的药物，即作用于两个不同的受体，或同—受体的两个不同位点。两种药物缀合在—起与同时服用该两种药物相比较，往往因改变了原有各自的药代动力学性质，改善了药效。组成挛药的两个药物的药效要适当，即在化学计量下的两个药物与各自受体作用的浓度应匹配，否则，双重的挛药会失去意义。例如，将安定(剂量：2-5mg/次)与乙酰水杨酸(剂量：200-500 mg/次)以1：1缀合的挛药是没有意义的。然而将氯磺酰胺类利尿药与β—肾上腺能受体阻断剂缀合(4-120)，兼有利尿和β—阻断剂作用。

将具有扩张血管作用的肼基哒嗪与β—阻断剂拼合成兼具β—阻断和扩张血管作用的药物普齐地洛(Prizidilol，4-121)。
β—内酰胺类扰生素与β一内酰胺酶抑制剂的缩合产物也是常见的拼合方法。两种作用不同的分子结合成新的分子也有时出现新的药理作用。如具有诱导分化作用的全反式维甲酸与维生素E形成的酯，称作维甲生育醇酯(Tocoretinate,4—122)，具有抗溃疡作用，临床上用于治疗褥疮。
四、定量构效关系 创制新药需要有大量的信息与数据，这些信息和数据包括两个方面，即药物分子的化学信息和生物活性信息。正确地对这两方面的信息进行分析和关联，可在分子水平上揭示药物的作用机理和作用方式，并对指导先导物的优化与合成起重要的作用。倘若药物分子的化学信息，例如，结构式、化学性质和化学参数能够定量地描述，生物活性数据也可以定量地表达，并且，用适当的统计学方法进行分析处理，则可以较精确地研究药物的化学结构与生物活性之间的关系，并在此基础上进行结构优化。这就是定量的结构—活性关系，简称定量构效关系(QSAR)。定量构效关系是计算机辅助分子设计的一个重要内容。 前已述及，当获得了先导化合物，并且不知道受体分子的结构情况下，往往通过分子变换进行先导物优化，合成新化合物并进行活性评价，探索活性对结构变换的依赖关系。长久以来，多是定性地描述构效关系，而应用计算机可以分析隐含在化学结构内的各色各样物理和化学参数同生物活性数据的内在联系，并且，用一种数学模犁(例如方程式或图形)加以．表达，从而更加准确和深入地认识影响活性的诸结构因素，并依此数学模型进行新化合物的预测，指导新一轮的合成。 显然，为进行定量构效关系分析，前提条件是：①化合物的结构或其物理化学性质能够定量地描述；②生物活性也应定量纣书示；③适宜的软件。 化合物的结构参数可以用多种方法表示，最常用的是Hanseh—藤田创立的线性自由能相关分析法LtsJ，该方法所用的结构参数是化合物的物理化学常数。 Hansch—藤田分析法的理论根据是，药物呈现的生物活性是由于药物分子与生物大分子(受体)相互作用的结果。这种相互作用，本质上是药物与受体双方的原子或原子团之间的化学或物理化学结合作用。结合键可以是较强的共价键，或较弱的氢键、静电引力、疏水键、或范德华力，以及在空间契合和适配的程度。当犹如“黑箱”的受体结构不甚了了时，Dh团8让—藤田分析法用一系列结构已知的药物分子及其活性作“投石问路”，借助药物分子一方的物化参数对活性的贡献，映射出受体与药物结合的特征。 这种方法所使用的结构参数，有表征电性的参数，如基团的电住参数口；描述基团的疏水性常数丌；以及表示基团空间效应的各种参数如凸，MR，l／等。计算机的作用是用统计学方法找出哪些结构参数影响生物活性以及影响的相对程度，以构效方程的方式表示： 生物活性1e(1／ICso)：M+b丌一d订2+eMR+…+c 图4—7是定量构效关系研究的模式图：
用Hansch—藤田法研究苯酞类化合物的抗惊作用得到如下的构效方程[19]：
式中，1g1/ED50代表化食物为保护半数小鼠免受最大电休克引起惊厥时每千克体重所需的摩尔量的负对数，1gP为化合物在正辛醇—水体系的分配系数，MR6代表化合物的6位基团的摩尔折射。方程表明化合物的抗惊活性与分子的分配系数成抛物线关系。根据分配系数的定义，1gP是化合物疏水性的量度。即这类化合物活性随疏水性增高而增强，在1gP 约3．0时活性达到最大值，再增加疏水性则活性下降。6位基团的摩尔折射值与活性成正相关，提示基团的可极化性有利于活性。在25个化合物中6—氨基3—丁基苯酞(4—123)活性最高：
以三维定量构效关系为基础的先导物优化，最常用的方法是比较分子场分析法[20](Comparative Molecular Field Analysis，CoMFA)，该方法的根据是，与同一受体发生可逆性相互作用的系列化合物，主要通过静电作用和范德华力等非共价键起作用。该系列分子与受体之间的力场大小与方向和生物活性值间有相关性。从而在受体未知的情况下，可以建立起各种力场与活性之间的定量依存关系。所以由CoMFA推导出的模型(通常是由各个场的等势图表示)映射出受体与配体结合的理化环境域理化特征，并用此模型设计新化合物，预测生物活性值。 比较分子场分析法的操作要点如下： 确定诸化合物的最低能量构象。与受体结合的配体构象未必有最低能量，但应接近最低能量构象。以某一化合物的X—线晶体学数据或NMR得到的分子构象为基准，用分子力学和(或)量子化学方法逐一计算并确定各化合物的最低能量构象。 确定药效团，并作为分子叠合的基础。与同一受体结合的诸分子应有相同的药效团分布。药效团一般靠经验和反复试探推测。分子的叠加规则是受药效团决定的。 将各个分子网络化，应用场契合（field fit）技术，按照化合物的组成、结构特征和拟将考察的作用力场性质，选择适宜的探针基团，在网格格点上移动，并计算每个步长与分子诸原子的相互作用能。 建立CoMFA数据表，用偏最小二乘法(partial least square，PLA)、抽一法和交叉验证，求出能量值的线性组合(不大于5个)与活性的相关关系。