第四章 药物研究概论
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 compound 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 )青蒿素
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 — Δ 15,20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 Ki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、基于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 相合成法进 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 。
结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 。
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 compound 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 )青蒿素
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 — Δ 15,20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 Ki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、基于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 相合成法进 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 。
结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 。
