多靶点作用药物及其设计.doc

1、多靶点作用药物 及其 设计 姜凤超 华中科技大学同济医学院药学院，武汉， 430030 摘要： 疾病起因的多因素性 导致单靶点作用药物活性的降低或副作用的增加， 利用多靶点 作用药物的可解决这些问题 ， 本文就多靶点作用 药物 设计所存在 的 问题和解决方法进行了探讨，提出利用药效团模型法设计多靶点作用药物的理念。 关键词：多靶点作用药物，受体， 计算机辅助药物设计 随着 化学、生物学、分子病理学、分子药理学、分子生物学等学科 的发展， 对于疾病产生的机制、受体及各种内源性生理活性物质、生物信号及其传导途径等有了更深刻 的认识，药物研究已经进入到理性设计时代，许多选择性的作用 于特殊靶点的药物

2、不断的被发现。然而研究发现，对于某些疾病，即使靶点选择得很好，化合物的选择性也很强，但最终对于疾病的疗效却难以达到目的，并且副作用较多，究其原因，除了经常谈到的 ADME 等方面的因素外，疾病的多因素起因也具有重要的作用。 1. 疾病的多因素起因； 许多常见的疾病，如心血管疾病、肿瘤及神经退行性疾病（ Degenerative diseases of the central nervous system， ND）等均属多因素疾病 (multi-factorial diseases)。 一方面疾病的产生是由多种因素共同所致的 ，如 通过对早老性痴呆病理机制研究，发现导致 AD 产生的 原因 ，包

3、括神经元或神经胶质细胞不能提供充分的营养、轴突传递功能受损、谷氨酸受体活性过高、活性氧水平过高、代谢通路受损、线粒体能量产生减少、折叠错误的蛋白质形成增加或降解不充分、炎症过程、病毒感染、细胞核或线粒体 DNA 突变以及 RNA 或蛋白质的加工过程不正确所致的特殊蛋白质或脂质部分功能的损失或增加等因素。 虽然诱发 AD 的病因和病变部位不尽相同，但它们都有一个共同的特征，即发生神经元的退行性病 变和凋亡，并最终导致细胞个体死亡（见图 1）。 图 1 AD 的病理机制及治疗 另一方面， 在疾病的发生和发展过程中，可能存在不同的信号传导途径和旁路系统，如血管 紧张素转化酶抑制剂（ ACE inhi

4、bitor， ACEI） 可以减少血管紧张素 AII 的生成，降低血压，并 能减少尿蛋白和改善肾功能 ，是长用的降压药物， 但 ACE 本身是非特异性蛋白酶，早 老 性 痴 呆 （ A D ）皮 质 神 经 元 减 少 皮 下 神 经 元 系 统 功 能 衰 退淀 粉 样 蛋白 团 块 聚 集 神 经 纤 维 缠 结胆 碱 乙 酰 转移 酶 活 性 降 低 胆 碱 摄 取 能 力 下 降胆 碱酯 酶抑 制剂激 活胆 碱受 体增 加递 质的 释放阻 止胆 碱代 谢加 入胆 碱前 体物A 4 0 o r A 4 2小 胶质 细胞 激活 - 或 - 分 泌 酶 分 解 - 淀 粉 样 蛋 白 前 体

5、 蛋 白 A P P激 活 分 泌 酶 或 抑制 ( 或 ) - 分 泌 酶核 化及 扩散 聚集自 由 基 及过 氧 化 损 伤糖 基 化炎 症抗 氧 化 剂抗 糖 化 剂抗 炎 剂免 疫 调 节 剂加 速 细 胞 凋 亡神 经 细 胞保 护 剂T a u 蛋 白抑 制 某 些蛋 白 激 酶异 常磷 酸化对缓激肽、脑啡呔、 P 物质、神经降压素等均有 一定 的影响， 因此，当 ACE 抑制后 ，可能会引起一些副作用如咳嗽 等。并且 除了 ACE 外，催化 A转化为 A 过程 的还有 糜 酶、组织蛋白酶等 ，因此 ACEI 的 长期应用 ， 可能导致反馈性激活旁路途径产生 A，导 致 对 RAS

6、系统的抑制不完全。 2. 药物设计的发展 随着分子病理学、分子生物学等学科的飞速发展，与疾病相关的靶点不断的被发现和证实。然而，对于疾病的靶点还应该分为必要靶点和非必要靶点，针对必要靶点的特异性抑制剂可能具有较窄的治疗领域，而作用于非必要靶点则可能具有较好的耐受性，但作用效能较差。从靶点角度来看， 新药的设计有三种不同的层次，非选择性药物、选择性药物以及多靶点 作用 药物。固然，单一靶点选择性药物比非选择性药物在药效学和提高安全性 方面有很大的进展，但是 即使是 选择性很好的单靶点药物，也极其可能干扰体内不同的生物化学反应机制并具有新的化学反应类型（产生相应的后续效应），对于这些非预期的或者未

7、知功能的作用，可能产生作用于靶点以外的毒性，药物分子所损伤的生物功能越多，相应的副作用增加越多。 由于疾病产生的多因素性等原因， 因此 单一靶标药物往往难以奏效， 有可能即使对某一种酶或受体具有较强的作用，也不一定能够真正的达到治疗相关疾病的目的， 只有 通过多靶标调节才可能产生最佳的治疗效果及最少的副作用 1,2。 因此，根据病理学 和分子生物学等基础学科 的研究 结果， 通过结合疾病发生的机制以及靶点的结构，综合分析，合理设计出具有选择性的能够 作用于多靶标、多途径的药物，在不同的靶点和位置，阻止疾病信号的产生、传递和作用，从而达到治疗疾病的目的， 这是药物设计的发展 方向，也备受人们的重

8、视。 相对而言，临床医生更喜欢对疾病产生较强作用的多靶点药物，而药物研究者则倾向于效果更易预测的特异性药物，选择性较低的药物难以解释产生活性的起因。实际上现在人们已经认识到中药尤其是复方制剂的多靶向性，并且 已经有人做了大量的研究工作， 虽然患有许多工作要做，却也为中药的应用提供了相应的理论支 持依据。 实际上已经有许多相应的多靶点作用药物被发现， 如 能够同时作用于 TXA2 受体和TXA2 受体合成酶的抗哮喘药物 terbogrel， 活性远远超过只作用于单个受体的化合物；可 同时作用于 AChe 和脑 MAO 等靶点 的抑制剂（如拉多替吉 ladostigil、雷伐斯的明 rivasti

9、gmine等）等，为多靶标多功能药物的研制提供了先例。 SHNO HO OOC lNO HONO HOSHNO OC lNO HONHNHH 3 CNC NC H 3H 3 Cd a l t r o b a n ( T X A 2 受 体 拮 抗 剂 )i s b o g r e l ( T X A 2 合 成 酶 抑 制 剂 )s a m i x o g r e lt e r b o g r e l3. 多靶点作用药物的类型 因为作用目的不同，因此有许多种多靶点作用药物，如果按照作用机制对其进行分类，可以分为下述几 种； 不同类型的多靶点作用药物，即使对同一种疾病，选择的靶点也不相同。 、

10、根据 疾病 的起因，针对相应的靶点作用， 例如， 具有血管扩张功能的肼基哒嗪骨架和普萘洛尔结合后得到的普齐洛尔（ Prizidilol）既可以作用于 -受体，具有强的 -受体阻断作用，同时也是磷酸二酯酶的抑制剂，具有扩张血管作用，二者结合降压作用明显。 血栓素 A2（ TxA2） 受体拮抗剂具有潜在的抗哮喘作用，组胺 H1受体拮抗剂具有抗过敏作用。同时抑制两个受体 （ TxA2 受体 k=0.7nmol L-1， H1 受体 k= 20 nmol L-1） 可具 有更好的抗哮喘作用 （如 KF 15766） 。 O NH C H 3O HC H 3 - 受 体 阻 断 作 用N NNHH 2

11、NC H 3血 管 舒 张 作 用 ONOHOPrizidilol KF 15766 、 针对信号传导途径 这一类的多靶点作用药物，可以是 作用于主要靶点和与其相关（同一信号传导通路的上游或者下游） 的靶点， 也可能是不同信号传导途径的靶点。 过氧化物酶体增生物激活受体 (PPARs)是 核受体超家族的成员，而类固醇受体、类视色素受体、甲状腺激素受体等均属 PPARs。降血脂的氯贝特类 （ fibrate） 和胰岛素敏化剂格利酮类分别是通过 PPARa 和 PPAR 调节生物活性的，双效的 PPARa/ 激动剂 芳香噁唑（ aryloxazole） 衍生物 适用于治疗高血糖症，从而为预防 II

12、 型糖尿病患者的心血管疾病提供了好的药物。 另外，作用于 PPAR /的双重抑制剂 Netoglitazone 也是较好的 II 型糖尿病的治疗药物。 NO C H 3OO O HH 3 C C H 3OP P A R a g o n i s t P P A R a a g o n i s t FO N HSOOAryloxazole Netoglitazone 又如，作用于与叶酸系统相关靶酶的 培美曲塞（ 临床用其二钠盐， pemetrexed disodium） ，对胸腺嘧啶脱氧核苷酸合成酶（ TS）、二氢叶酸还原酶 （ DHFR） 、甘氨酸甲酰转移酶 （ GRAFT）以及 5-氨基咪唑

13、-4-甲酰氨基转移酶（ AICARFT）等酶具有抑制作用，可很好的抑制嘌呤及嘧啶的生物合成途径，影响 DNA 的合成，因此活性高 、抗瘤谱广，对许多肿瘤具有作用。也 是 世界上唯一治疗恶性胸膜间皮瘤 (MPM)的药物。 H NN NHOH 2 NNH O HO OC O O HF 3 CC lHN HNO O N HN C H 3OH 3 CS O 3 HPemetrexed Sorafenib 通过抑制 RAF/MEK/ERK 信号传导通路 （包括 RAF 激酶 、 FLT3 和 KIT受体酪氨酸激酶 ） 的 以及血管内皮生长因子受体 （ VEGFR）、 血小板衍生生长因子受体 （ PDGF

14、R）， 既能抑制 血管的形成又能直接抑制肿瘤细胞 增殖 的多靶点抗肿瘤药索拉菲尼 （ Sorafenib） 已于2005 年 12 月被 FDA 批准用于临床，成为第一个上市的多靶点抗肿瘤药物 3。 与此类似的还 包括 苏尼替尼 （ Sunitinib） 以及 范德它尼（ Vandetanib） 等都属于通过阻滞在同一疾病的不同信号通路上信号传递而得到治疗疾病的目的。 、 同一靶标的不同位点，例如乙酰胆碱酯酶抑制剂 1 是由雪花莲胺和邻苯二甲酰通过一个中间连接基连接起来形成的，其中前者作用于 AChE 的催化部位，后者作用于 AChE 的周边部位，二者的结合使活性增加， 研究发现二者之间的连接

15、基的长度对活性影响很大。严格来讲，该类化合物应该属于单靶点作用药物。 另外，酶的多底物类似物抑制剂也可以归结到这一类。 NOH 3 COH ONOO抑 制 A C h E 催 化 位 点 与 A C h E 外 围 结 合连 接 基 乙酰胆碱酯酶受体抑制剂 1 4. 多靶点作用药物的设计方法 及存在问题 虽然具有不少成功的例证， 但多靶点作用药物的设计仍然存在着许多问题，由于 缺乏相应的理论依据， 多数此类药物都是在利用筛选法 偶然发现的，也有 部分是 利用拼合法 （也称药效团结合法） 得到的，偶然性依然很大， 因此寻找能够设计作用于多靶标作用药物的方法显得非常必要。 计算机辅助药物设计近年来

16、发展迅速，已广泛用于药物设计中，有很多成功的例证 。其中 作为间接药物设计的药效团模型法（ pharmacophore modeling）是 对一系列活性化合物进行 3D-QSAR 分析研究，并结合构象分析总结出一些对活性至关重要的原子和基团以及空间关系，反推出与之结合的受体的立体形状、结构和性质，推测出靶点的信息，得到虚拟受体模型，再依此来设计新的配基分子。 按照药效团模型的概念，化合物如果能够符合药效团模型，就有可能具有相应的药理活性。以此类推如果该化合物能够 同时符合两个以上的 药效团模型，则有可能同时作用于两个以上的靶点，因此 药效团模型 法可以 被用来设计多靶点作用药物。 已经利用药

17、效团模型法设计出一些可以作用于多靶点的化合物， 如同时作用于 GSK3受体和 PARP-1 受体的新型化合物 4。 同时该法 还具有活性预测能力，有助于提高设计的成功率， 减少盲目性。 虽然 如此 ，但是 设计多靶点作用 药物 时 仍然 存在 一些 问题 ，主要包括： 药物类型的选择，是选择作用于 同一疾病的不同起因还是选择相应的信号传导途径等；靶点的选择，即使在同一信号传导通路上也有不同的靶酶（包括上游和下游的），选择那种酶作为主靶标 ，那些酶作为辅助靶标是多靶点作用药物设计成功与否的一个关键。 虽然多靶点作用 药物 可同时作用于不同的靶点，但仍然应该具有选择性，也就是说指对于相对的靶点具有

18、选择性，因此有必要对相应的靶点的 结构和性质（相互作用形式、位阻敏感区域，局部亲水性和疏水性区域等） 有较为充分的了解。 活性强度的匹配程度问题时多靶点作用药物设计的关键，有些的靶点，很少量的药物就足以满足要求，如果药物对不同靶点的 IC50 相近， 则问题相对较小；如果 它们的 IC50相差较远（如二者比值大于 1000）， 则应考虑设计的化合物是否是合适的多靶点 作用药物。可以 利 用结构修饰 的方法尽量的使它们 的 IC50 预测值接近，甚至可以从药物动力学角度考虑改进进行修正。如果对两个受体分别呈激动或拮抗作用的多靶点作用药物 （如作用于乙酰胆碱酯酶和乙酰胆碱受体的多靶点作用药物的设计

19、） ， 设计时要达到作用强度的适配的难度就更大一些。总之，作用强度的适配性仍然是多靶点作用药物设计的瓶颈问题之一。 作用于不同靶点时，药物的药代动力学（如代谢速率、转运方式、生物利用度等）存在着差异，并且 多靶点作用药物的作用机制可能 与选择性 的单靶点 药物不一致， 因此应该在对多靶点作用药物进行 SAR、 QSAR、作用机制、代谢等方面的研究，利用研究结果 ，充分利用这些差异，进一步设计新型的多靶点作用药物 。 固然存在着 很多困难和问题 ，但 多靶点作用药物的有效性引起人们的特别关注，在充分利用现有的生物信息学、计算机辅助药物设计等技术后，解决了设计中的瓶颈问题，多靶点作用药物的设计和应

20、用必将会取得更大的发展。 参考文献： 1 Zimmermann GR， Lehar J， Keith CT， Multi- target therapeutics: when the whole is greater than the sum of the parts. Drug Discovery Today , 12(1&2)： 34-42(2006). 1-1 曹力，多重靶标治疗神经神经退行性疾病的多功能药物， 国外医学药学分册 ，32(4):267-269(2005) 2 Bolognesi ML， Minarini An， Tumiatti V， Melchiorre C； Mini-Reviews in Medicinal Chemistry (2006), 6(11), 1269-1274. Holtzman DM, Mobley WC. Molecular studies in Alzheimers disease. Trends Biochem Sci, 1991, 16(4):140144. 3 周爱萍，孙燕，癌症进展杂志， 4(6):529-533:2006 4 姜凤超，作用于神经推行性疾病的多靶点作用药物设计，第三届国际分子模拟与信息技术应用学术会议，中国杭州， 2007.4，