藥物與靶點(diǎn)蛋白質(zhì)的關(guān)系

1、1,計(jì)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(shí)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(duì)接,對(duì)接要考慮的三個(gè)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(duì)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(gè)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(méi)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(gè)PDB文件，其中不同的單體表示為不同的CHAIN。Google: PDBe PISA,5,分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件,NAMD: http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/這個(gè)軟件使用起來(lái)十分復(fù)雜，而且涉及到很多背景知識(shí)。要學(xué)會(huì)使用需要參加一個(gè)專門的培訓(xùn)班。,6,新 藥 研 發(fā) 簡(jiǎn) 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(guò)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(guò)10萬(wàn)種蛋白質(zhì)，其中潛在的藥物靶點(diǎn)蛋白估計(jì)在8千個(gè)左右，這其中已測(cè)定三維空間結(jié)構(gòu)的超過(guò)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(gè)蛋白質(zhì)對(duì)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(duì)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(duì)某一疾病的靶點(diǎn)蛋白需要長(zhǎng)期大量的生理生化實(shí)驗(yàn)。藥物分子、靶點(diǎn)蛋白質(zhì)、與疾病之間并不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。,10,藥物靶點(diǎn)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù),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(wàn)個(gè)原子組成，藥物分子較小，一般少于一百個(gè)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)外上市銷售的制劑。 第三類新藥：已

7、在國(guó)外上市銷售但尚未在國(guó)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(guó)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(guò)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(dòng)力學(xué)分析（動(dòng)物）藥物制劑一期臨床試驗(yàn)二期臨床試驗(yàn)三期臨床試驗(yàn)新藥審批四期臨床試

8、驗(yàn)（上市初期檢測(cè)）,14,一類新藥物的研發(fā)過(guò)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(gè)線索，這個(gè)線索主要來(lái)源于以下兩個(gè)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(gè)線索化合物可以視為“舊藥”。搜尋與這個(gè)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(gè)或幾個(gè)先導(dǎo)化合物。這些候選化合物可能有成千上萬(wàn)個(gè)。

9、上萬(wàn)候選化合物如何取得？它們根本上的來(lái)源是人工合成或天然產(chǎn)物分離提純。對(duì)于實(shí)驗(yàn)室里的科研人員來(lái)說(shuō)，主要是從生化產(chǎn)品市場(chǎng)上購(gòu)買。 那么，歷史上在還沒(méi)有任何線索的情況下，當(dāng)時(shí)的“新藥”是如何發(fā)現(xiàn)的？答案：漫長(zhǎng)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(guò)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(cè)

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(lái)，成為候選先導(dǎo)化合物。主要儀器：閃檢測(cè)計(jì)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(jì)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(kù)（如ZINC）中下載取得（無(wú)需購(gòu)買實(shí)物），完全利用軟件模擬篩選的過(guò)程。優(yōu)點(diǎn)：省時(shí)、省錢；缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度較實(shí)驗(yàn)方法低。 無(wú)論是用HTS高通量還是計(jì)算機(jī)模擬篩選出

11、來(lái)的候選先導(dǎo)化合物再一一通過(guò)進(jìn)一步的更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行淘汰和驗(yàn)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(shí)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(guò)程,1. 先導(dǎo)化合物的篩選與發(fā)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)模擬篩選：,17,一類新藥物的研發(fā)過(guò)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(dòng)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(duì)先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以確定候選藥物。簡(jiǎn)要的說(shuō)，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(píng)價(jià)其全面的構(gòu)效關(guān)系已對(duì)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(píng)價(jià)，循環(huán)反饋，最終獲得優(yōu)良的化合物：候選藥物。申請(qǐng)專利。 （1）臨床前藥物代謝動(dòng)力學(xué)分析（動(dòng)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(guò)程,2. 先導(dǎo)化合物的優(yōu)化

13、 （1）臨床前藥物代謝動(dòng)力學(xué)分析 臨床前藥物代謝動(dòng)力學(xué)是定量研究藥物在動(dòng)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(shí)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(wú)效。 臨床前藥物代謝動(dòng)力學(xué)要反復(fù)在各種動(dòng)物里進(jìn)行：小鼠、兔、狗、大型家畜。 主要儀器：自動(dòng)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(guò)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(shí)驗(yàn)室及活體中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)確認(rèn)何種化合物真正在活體中起效，物質(zhì)在整個(gè)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(shí)驗(yàn)證實(shí)有價(jià)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(yàn)每個(gè)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(shí)被機(jī)體攝取、吸收、分布、化學(xué)修飾及再次排出；其次，一個(gè)重要的問(wèn)題是化合物的興奮或抑制作用是否確實(shí)實(shí)現(xiàn)靶向疾病的緩解，以及該作用的起效時(shí)間有多長(zhǎng)；最后，他們還必須研究化合物是否會(huì)引起任何副作用。     毒理學(xué)要檢驗(yàn)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(cè)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(jì)、酶標(biāo)儀,20,一類新藥物的研發(fā)過(guò)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(qǐng)臨床試驗(yàn)的必要材料之一。三維結(jié)構(gòu)解析分需要以下三個(gè)步驟： i) 化合物的結(jié)晶：在之前的實(shí)驗(yàn)過(guò)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(guò)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(guò)程,3. 藥物制劑 藥物制劑問(wèn)題是審批臨床試驗(yàn)的最后一關(guān)，這個(gè)環(huán)節(jié)要解決以下三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題： （1）藥品的用法（劑型）和用量（

18、劑量）的問(wèn)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(wèn)題。即便一個(gè)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(huì)被批準(zhǔn)臨床試驗(yàn)。 （3）去除雜質(zhì)的問(wèn)題。 主要儀器：高壓均質(zhì)機(jī),23,一類新藥物的研發(fā)過(guò)程,4. 一期臨床試驗(yàn) 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(duì)活性物質(zhì)的預(yù)測(cè)是否在人體中仍成立。     當(dāng)新物質(zhì)第一次被給予人體時(shí)，只給予少數(shù)志愿者極少量該物質(zhì)，然后對(duì)其他志愿者逐漸增加劑量以尋找可耐受的不同劑量等級(jí)。為此，臨床醫(yī)生將監(jiān)測(cè)血壓、心率，并進(jìn)行大量的心電圖監(jiān)測(cè)。臨床醫(yī)生還會(huì)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(yàn)中還監(jiān)測(cè)與其他藥物或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相互作用。

20、 一期臨床試驗(yàn)成功后方可申請(qǐng)二期試驗(yàn).,24,一類新藥物的研發(fā)過(guò)程,5. 二期與三期臨床試驗(yàn) 在二期臨床試驗(yàn)中，醫(yī)生有代表性地選擇100－500名患者測(cè)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(yàn)成功后可申請(qǐng)三期試驗(yàn)。 在三期試驗(yàn)中，醫(yī)生在數(shù)千名患者中對(duì)藥品進(jìn)行測(cè)試。本階段的目的是證明藥品的有效性、安全性以及相對(duì)于已上市的標(biāo)準(zhǔn)療法的優(yōu)勢(shì)；上述特性需要在足

21、夠大量的患者人群中得到證實(shí)。對(duì)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(yàn)常使用兩個(gè)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(duì)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(xiàng)目開始已過(guò)去了10年。回顧候選藥物的臨床發(fā)展過(guò)程，每100個(gè)候選藥物（前面講到的申請(qǐng)專利的先導(dǎo)化合物）中只有5－20個(gè)能通過(guò)三期臨床階段。其他均因?yàn)?/p>

22、無(wú)效或引起的副作用而未通過(guò)臨床試驗(yàn)，被排除在深入研發(fā)的行列之外。 二期臨床試驗(yàn)成功后可獲得新藥物上市許可。,25,一類新藥物的研發(fā)過(guò)程,6. 新藥審批及四期臨床試驗(yàn)（上市初期檢測(cè)） 國(guó)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(píng)估，5種進(jìn)入前三期臨床試驗(yàn)，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(píng)價(jià)藥物的長(zhǎng)期反應(yīng)。萬(wàn)一有問(wèn)題，可以控制在一定的范圍內(nèi)。這個(gè)過(guò)程也被稱為“四期臨床試驗(yàn)”或“上市初期檢測(cè)”。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(cè)報(bào)告。 上市的新藥的價(jià)格是十分不菲的，除了因?yàn)殚L(zhǎng)期的巨額的研發(fā)投入以外，還因?yàn)樵谂R床試驗(yàn)的四個(gè)階段的每個(gè)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(rùn)來(lái)彌補(bǔ)。 目前為止，我