新药研发简介系列（四）：1号高地-活性

老大决定开始某个项目后就是兄弟们流血流汗的时候了。一个项目第一个要解决的问题就是活性。很多人认为药物设计就是解决活性问题，这是不对的。早些年，合成技术落后，起始原料/中间体供应少，筛选通量低，所以活性是个比较大的问题。今天由于上述情况发生了天翻覆地的变化，活性虽然依旧重要，但只占临床前研究的5-10%的工作量。设计高活性化合物已经不是衡量一个药物化学家水平的主要标志。

人体大约有三万个蛋白，由于进化效率的要求这些蛋白是由为数不多的一些模块和他们的类似模块组合而成。这个现象同时提供了药物研发的机会和挑战。一方面，由于不同蛋白使用类似模块，使筛选成为可能否则多数项目无法开始。大多数靶点的先导物来自功能上不相关的其他靶点的配体。另一方面，同样原因也使选择性成为药物设计的一个主要难题。

为什么需要高活性化合物呢？由于上述原因，现在药物一般要求剂量在<100毫克/天（最好一次口服）以避免副作用。这要求该药物有好的药代性质（以后还会详悉讨论这个问题）和足够的活性。100毫克正常分布在靶点组织大概有1 uM浓度，考虑到蛋白结合，大概有100 nM的自由药物。考虑到体内体外环境的区别，对一般靶点来说药物应该有<10 nM的活性。

如果你有500，000个化合物大小的化合物库，对一般靶点来说HTS能找到一些1 uM左右的先导物。你需要另外找到3-4千卡/摩尔的结合能才能得到1-10 nM的配体。怎样才能得到这些结合能呢？

1． 增加基团。

最明显也是最常用的手段就是在先导物上继续加其它基团以找到新的接合点，从而增加活性。但分子大小会影药代性质所以不能无限制增加分子量。那么一个基团一般能带来多少结合能呢？1984年， Peter Andrews分析了当时的200个上市药物的结合能得出如下公式：

DG = -14 (熵) - 0.7xDOP + 0.7xCsp2 +0.8xCsp3 + 11.5xN+ + 1.2xN + 8.2xCO2- + 10xPO4- + 2.5xOH + 3.4xC=O + 1.1xO,S + 1.3xHal

配体和蛋白结合先要损失14 Kcal/mol的熵，各个基团对结合能贡献不同。例如对于一般药物，羧酸能贡献8.2 Kcal/mol的结合能。注意，并不是说对于任何分子你加个羧酸就能得到8.2 Kcal/mol的结合能，而是如果你加个羧酸得到了8.2 Kcal/mol的结合能说明你达到了一般药物的设计水平。尽管如此，这是第一次大家对常用基团的贡献有了个大概估计。

1999年，Docking大腕Kuntz比较了最强活性的配体和分子大小的关系，得出平均每个重原子大概能带来0.3 Kcal/mol的结合能。同样，并不是说对于任何分子你加个一个重原子就能得到0.3 Kcal/mol的结合能，而是如果能得到0.3 Kcal/mol的结合能说明你的重原子基本选对了并放对了位置，您可以偷着乐了。这个结论后来得到其他药物化学家的证实。所以你增加基团的时候应该以这个为目标。实际工作中，一般达不到这个水平，但也有个别情况一个原子可以带来巨大的结合能。例如抗凝血新药Xarelto噻酚环上的那个氯原子提供了~3Kcal/mol的结合能。

2． 改变已有基团。

由于分子间弱相互作用对分子间距离十分敏感（范德华力和距离的12次方成反比），任何一个药物分子都不可能每个片断都和靶点蛋白有完美的作用。把无用或起反作用的基团用更有效的基团替代也是提高活性的手段之一。我举个简单的例子来演示这个过程需要多少知识和思考。
化合物1是Bradykinin B1拮抗剂，但由于吡碇环上电子密度太大所以代谢不稳定（半衰期0.15小时）。Merck的科学家想到用环丙烷酰基取代吡碇（化合物2），结果半衰期增加到9.5小时而活性几乎未失去。这个设计你得知道1）电子密度大会导致代谢不稳定；2）环丙烷不易被代谢；3）环丙烷的碳虽然是sp3杂化但有很强的sp2碳特征所以可以代替吡碇；4）羰基氧可以代替吡碇氮。

3． 骨架迁越。

有时无论如何做外围的改动都无法达到预期的活性，这时只能改变分子骨架。.改变骨架一般需要更多的合成技巧，失去活性的可能性也大大增加。我认为这是药物设计比较尖端的技巧，适合经验丰富的高手。找到成药的骨架意义重大，一个好的骨架可以衍生出很多药物, 如甾体，beta-内酰胺等经典骨架均有多个上市药物。1996年，Mark Murcko分析了已有药物的骨架发现32个分子骨架造就了50%的上市药物。这个问题细讲起来技术性太强，就不多说了。

最后说一点，体外活性和你筛选的模型息息相关，多数模型没有考虑结合动力学，靶点占据时间等细节，亦没有体内局部内源性配体过高导致的活性下降，体内正负反馈，血流营养供应等重要因素，所以不是都能转化为体内活性，有时甚至不能作为主要的优化指标。这些见不得人的内幕就不讲了。

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