藥物與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的關(guān)系

1、1,計算機(jī)科學(xué)與生命科學(xué)（14）生物信息學(xué)基礎(chǔ)2012年秋季學(xué)期通選課程上課時間：周一 18:30點(diǎn) 上課地點(diǎn)：軟件園4區(qū)502d主講人：魏天迪講義網(wǎng)址：http://www.mbtech.sdu.edu.cn/biocomp/,2,蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對接,對接要考慮的三個因素：1. 幾何形狀互補(bǔ)；2. 分子表面電荷互補(bǔ)；3. 疏水作用。,3,蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)對接,ZDOCK: http://zdock.umassmed.edu/

2、GRAMM-X: http://vakser.bioinformatics.ku.edu/resources/gramm/grammx輸出值可用VMD查看。保存某一個狀態(tài)：在VMD main中選中當(dāng)前的文件，右鍵Delete Frames，刪去不要的那些狀態(tài)，再右鍵Save Coordinates，保存剛才沒刪的狀態(tài)。,4,蛋白質(zhì)相互作用分析軟件,PISA: http://www.ebi.ac.uk/msd-srv/prot_in

3、t/pistart.html注意，輸入的復(fù)合體應(yīng)為一個PDB文件，其中不同的單體表示為不同的CHAIN。Google: PDBe PISA,5,分子動力學(xué)模擬軟件,NAMD: http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/這個軟件使用起來十分復(fù)雜，而且涉及到很多背景知識。要學(xué)會使用需要參加一個專門的培訓(xùn)班。,6,新 藥 研 發(fā) 簡 介,濟(jì)南天鳴生物科技有限公司,7,組成生命的有機(jī)物質(zhì),核酸

4、 蛋白質(zhì) 脂類,8,藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì),藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)是與各種人類疾病緊密相關(guān)，并且可以影響或控制疾病的蛋白質(zhì)分子。通過藥物分子與靶蛋白的結(jié)合，便可以達(dá)到治療疾病的效果。要研發(fā)治療某種疾病的藥物，前提便是確定該疾病的靶點(diǎn)蛋白質(zhì)。,人體中含有超過10萬種蛋白質(zhì)，其中潛在的藥物靶點(diǎn)蛋白估計在8千個左右，這其中已測定三維空間結(jié)構(gòu)的超過1千，已

5、確認(rèn)為靶點(diǎn)蛋白的約500。,9,藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的確定,人體內(nèi)的蛋白質(zhì)相互作用形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。如果一個蛋白質(zhì)對疾病有幫助作用，就要阻斷它與其他分子相互作用，從而治愈或減輕疾病。如果它對疾病具有遏制作用，就要激活它。這樣的蛋白質(zhì)就是靶點(diǎn)蛋白質(zhì)（負(fù)向靶點(diǎn)/正向靶點(diǎn)）。確定針對某一疾病的靶點(diǎn)蛋白需要長期大量的生理生化實驗。藥物分子、靶點(diǎn)蛋白質(zhì)、與疾病之間并不是一一對應(yīng)的關(guān)系。,10,藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫,11,藥物與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的關(guān)系,蛋白質(zhì)分

6、子較大，一般由幾千到幾萬個原子組成，藥物分子較小，一般少于一百個原子?？梢园阉幬锓肿雍偷鞍踪|(zhì)分子視為鑰匙與鎖的關(guān)系，但并非嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系。圖中顯示的是阿莫西林分子與其靶蛋白的相互作用情況。,12,新藥物的類別,國家藥物審批辦法中規(guī)定了五類化學(xué)藥品（西藥），以下為摘要內(nèi)容（非文件原文）： 第一類新藥：在國內(nèi)外均未獲批上市的合成的或天然物質(zhì)中提取的化合物制劑。 第二類新藥：改變給藥途徑且尚未在國內(nèi)外上市銷售的制劑。 第三類新藥：已

7、在國外上市銷售但尚未在國內(nèi)上市銷售的藥品 。 第四類新藥：改變已上市銷售鹽類藥物的酸根、堿基（或者金屬元素），但不改變其藥理作用的原料藥及其制劑 。 第五類新藥：改變國內(nèi)已上市銷售藥品的劑型，但不改變給藥途徑的制劑。,13,一類新藥物的研發(fā)過程,先導(dǎo)化合物的篩選與發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物的優(yōu)化：藥理學(xué)（藥效）研究、毒理學(xué)（安全性）研究、臨床前藥物代謝動力學(xué)分析（動物）藥物制劑一期臨床試驗二期臨床試驗三期臨床試驗新藥審批四期臨床試

8、驗（上市初期檢測）,14,一類新藥物的研發(fā)過程,1. 先導(dǎo)化合物的篩選與發(fā)現(xiàn) 目前，尋找先導(dǎo)化合物必然要有一個線索，這個線索主要來源于以下兩個方面：（1）天然藥物里的藥效成分提純而成的化合物（2）已有的藥物化合物 這個線索化合物可以視為“舊藥”。搜尋與這個線索化合物結(jié)構(gòu)相似的所有化合物，作為候選的化合物，所謂先導(dǎo)化合物的篩選就是從這些候選化合物里篩選出一個或幾個先導(dǎo)化合物。這些候選化合物可能有成千上萬個。

9、上萬候選化合物如何取得？它們根本上的來源是人工合成或天然產(chǎn)物分離提純。對于實驗室里的科研人員來說，主要是從生化產(chǎn)品市場上購買。 那么，歷史上在還沒有任何線索的情況下，當(dāng)時的“新藥”是如何發(fā)現(xiàn)的？答案：漫長的一點(diǎn)一滴積累，加上偶然的因素。,15,一類新藥物的研發(fā)過程,1. 先導(dǎo)化合物的篩選與發(fā)現(xiàn) 如何篩選先導(dǎo)化合物？ HTS高通量篩選：使用儀器進(jìn)行準(zhǔn)確大量的取樣，將候選化合物一一與靶蛋白在試管溶液中混合，檢測

10、化合物是否與能與靶蛋白結(jié)合。那些能結(jié)合上的并且以正確的方式結(jié)合上的化合物被選出來，成為候選先導(dǎo)化合物。主要儀器：閃檢測計數(shù)器、紅外光譜儀、紫外分光光度儀、熒光/磷光光度儀 、色譜儀。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確可信；缺點(diǎn)：十分昂貴。 計算機(jī)模擬篩選：候選化合物的結(jié)構(gòu)從小分子化合物數(shù)據(jù)庫（如ZINC）中下載取得（無需購買實物），完全利用軟件模擬篩選的過程。優(yōu)點(diǎn)：省時、省錢；缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度較實驗方法低。 無論是用HTS高通量還是計算機(jī)模擬篩選出

11、來的候選先導(dǎo)化合物再一一通過進(jìn)一步的更準(zhǔn)確的實驗進(jìn)行淘汰和驗證，最終確定出一種先導(dǎo)化合物。主要儀器：高分辨率飛行時間質(zhì)譜儀、核磁共振波譜儀、流式細(xì)胞儀。,16,一類新藥物的研發(fā)過程,1. 先導(dǎo)化合物的篩選與發(fā)現(xiàn) 計算機(jī)模擬篩選：,17,一類新藥物的研發(fā)過程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化 由于發(fā)現(xiàn)的先導(dǎo)化合物可能具有作用強(qiáng)度或特異性不高、藥代動力性質(zhì)不適宜、毒副作用較強(qiáng)或是化學(xué)或代謝上不穩(wěn)定等缺陷，先導(dǎo)化合物一般不能

12、直接成為藥物。因此有必要對先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以確定候選藥物。簡要的說，先導(dǎo)化合物的優(yōu)化就是基于結(jié)構(gòu)相似性原理制備一系列化合物，評價其全面的構(gòu)效關(guān)系已對其物理化學(xué)及生物化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后再進(jìn)行體內(nèi)外活性評價，循環(huán)反饋，最終獲得優(yōu)良的化合物：候選藥物。申請專利。 （1）臨床前藥物代謝動力學(xué)分析（動物） （2）藥理學(xué)（藥效）與毒理學(xué)（安全性）研究 （3）先導(dǎo)化合物三維結(jié)構(gòu)解析,18,一類新藥物的研發(fā)過程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化

13、 （1）臨床前藥物代謝動力學(xué)分析 臨床前藥物代謝動力學(xué)是定量研究藥物在動物體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄規(guī)律，并運(yùn)用數(shù)學(xué)原理和方法闡述血藥濃度隨時間變化的規(guī)律。目的是檢查藥物在體內(nèi)的穩(wěn)定性。比如，許多生物活性肽具有高效低毒的特點(diǎn)，但是，體內(nèi)不穩(wěn)定，口服無效。 臨床前藥物代謝動力學(xué)要反復(fù)在各種動物里進(jìn)行：小鼠、兔、狗、大型家畜。 主要儀器：自動進(jìn)樣器、高效液相色譜儀、液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用儀,1

14、9,一類新藥物的研發(fā)過程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化 （2）藥理學(xué)（藥效）與毒理學(xué)（安全性）研究 藥管機(jī)構(gòu)要求在實驗室及活體中進(jìn)行實驗來確認(rèn)何種化合物真正在活體中起效，物質(zhì)在整個機(jī)體中的反應(yīng)如何以及是否可能存在著副作用。只有經(jīng)臨床前實驗證實有價值的候選藥物才可作為進(jìn)一步研究的候選藥物。     在藥理學(xué)領(lǐng)域，研究者要檢驗每個候選藥物在活體中的行為。為此，他們首先要確認(rèn)化合

15、物是否確實被機(jī)體攝取、吸收、分布、化學(xué)修飾及再次排出；其次，一個重要的問題是化合物的興奮或抑制作用是否確實實現(xiàn)靶向疾病的緩解，以及該作用的起效時間有多長；最后，他們還必須研究化合物是否會引起任何副作用。     毒理學(xué)要檢驗物質(zhì)在機(jī)體內(nèi)是否有毒性作用。在活性物質(zhì)可被第一次用于人體前，需確定能檢測到治療效果的最低濃度與未達(dá)到毒性作用的最大濃度劑量之間的范圍是很重要的。 主要儀器：

16、熒光/磷光/發(fā)光光度計、酶標(biāo)儀,20,一類新藥物的研發(fā)過程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化 （3）先導(dǎo)化合物三維結(jié)構(gòu)解析 解析先導(dǎo)化合物三維結(jié)構(gòu)是想藥管機(jī)構(gòu)申請臨床試驗的必要材料之一。三維結(jié)構(gòu)解析分需要以下三個步驟： i) 化合物的結(jié)晶：在之前的實驗過程中，先導(dǎo)化合物都是溶解在溶液里面的，要解析其在微觀世界里的三維空間結(jié)構(gòu)，必須先使其結(jié)晶。 ii) X射線衍射：使用X射線衍射機(jī)發(fā)出的X射

17、線透射化合物晶體，采集晶體的衍射數(shù)據(jù)。 iii) 結(jié)構(gòu)解析：使用專業(yè)軟件從衍射數(shù)據(jù)中構(gòu)建出化合物的三維空間結(jié)構(gòu)。 主要儀器： X射線衍射儀，工作站電腦,21,一類新藥物的研發(fā)過程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化 （3）先導(dǎo)化合物三維結(jié)構(gòu)解析,22,一類新藥物的研發(fā)過程,3. 藥物制劑 藥物制劑問題是審批臨床試驗的最后一關(guān)，這個環(huán)節(jié)要解決以下三個關(guān)鍵問題： （1）藥品的用法（劑型）和用量（

18、劑量）的問題。藥物的劑型，如針劑、片劑、膏劑、湯劑；藥物的劑量，如每日用幾次，一次用多少。 （2）藥物產(chǎn)能的問題。即便一個藥物十分的優(yōu)良，但如果此藥物達(dá)不到一定規(guī)模的產(chǎn)量也不會被批準(zhǔn)臨床試驗。 （3）去除雜質(zhì)的問題。 主要儀器：高壓均質(zhì)機(jī),23,一類新藥物的研發(fā)過程,4. 一期臨床試驗 臨床藥理學(xué)家首先將該“藥物”用于60－80名健康志愿者。在癌癥治療領(lǐng)域，此階段將有包括晚期腫瘤患者的加入。隨

19、之很多臨床研究試圖確定在臨床前研究中對活性物質(zhì)的預(yù)測是否在人體中仍成立。     當(dāng)新物質(zhì)第一次被給予人體時，只給予少數(shù)志愿者極少量該物質(zhì)，然后對其他志愿者逐漸增加劑量以尋找可耐受的不同劑量等級。為此，臨床醫(yī)生將監(jiān)測血壓、心率，并進(jìn)行大量的心電圖監(jiān)測。臨床醫(yī)生還會取血、尿和糞便的標(biāo)本以確定人體是如何吸收、分布、代謝以及最終排泄新物質(zhì)的。在試驗中還監(jiān)測與其他藥物或其他營養(yǎng)物質(zhì)的相互作用。

20、 一期臨床試驗成功后方可申請二期試驗.,24,一類新藥物的研發(fā)過程,5. 二期與三期臨床試驗 在二期臨床試驗中，醫(yī)生有代表性地選擇100－500名患者測試候選藥物。他們考察藥物是否達(dá)到預(yù)期療效，觀察是否產(chǎn)生副作用，并確定最佳劑量。二期臨床試驗成功后可申請三期試驗。 在三期試驗中，醫(yī)生在數(shù)千名患者中對藥品進(jìn)行測試。本階段的目的是證明藥品的有效性、安全性以及相對于已上市的標(biāo)準(zhǔn)療法的優(yōu)勢；上述特性需要在足

21、夠大量的患者人群中得到證實。對副作用及與其他藥物的相互作用必須做詳細(xì)的記錄。 二和三期試驗常使用兩個不同治療組（盲組）。一組接受新藥品，另外一組接受臨床標(biāo)準(zhǔn)治療作為對照。這意味著患者和醫(yī)生均不知道患者接受何種治療。盲法的目的是排除所有心理作用。 截至目前為止，自項目開始已過去了10年。回顧候選藥物的臨床發(fā)展過程，每100個候選藥物（前面講到的申請專利的先導(dǎo)化合物）中只有5－20個能通過三期臨床階段。其他均因為

22、無效或引起的副作用而未通過臨床試驗，被排除在深入研發(fā)的行列之外。 二期臨床試驗成功后可獲得新藥物上市許可。,25,一類新藥物的研發(fā)過程,6. 新藥審批及四期臨床試驗（上市初期檢測） 國際上從先導(dǎo)化合物開始到被批準(zhǔn)，大概的概率是：5000種化合物被評估，5種進(jìn)入前三期臨床試驗，1種最終被批準(zhǔn)。 在新藥獲批上市的前兩年，只允許在指定地區(qū)、指定醫(yī)院里，由指定的師生開方。主要目的是在用藥人群中觀察是否有

23、不適反應(yīng)，評價藥物的長期反應(yīng)。萬一有問題，可以控制在一定的范圍內(nèi)。這個過程也被稱為“四期臨床試驗”或“上市初期檢測”。此期間制藥企業(yè)要繼續(xù)向藥管機(jī)構(gòu)提交階段性檢測報告。 上市的新藥的價格是十分不菲的，除了因為長期的巨額的研發(fā)投入以外，還因為在臨床試驗的四個階段的每個階段里，藥物都有可能因不符合要求被“槍斃”。這樣，巨大的研發(fā)投入就“打了水漂”。這部分經(jīng)濟(jì)損失也只能靠那些成功上市的藥物利潤來彌補(bǔ)。 目前為止，我