药物设计学

药物设计学

姓名：刘志英 学号：201303020080 班级：G13护理2班 时间：2014-06-05

“药物设计学”是一门新兴学科，涉及新药研究开发的程序和要求，其目标是不断发现、设计和完善防治疾病的药物品种，阐述的主线是先导化合物衍生的两条途径和优化过程以及有关的理论和方法，从而探索合理药物设计和组合化学技术相结合所形成的整体性策略。教材编写以实践论为指导，突出适合“启发式”教学的课程内容，使学生在掌握知识的同时，培养自己的思考和创造才能。

神农氏遍尝百草，发现药材，教会人民医治疾病；李时珍翻越千山万水，访名医，走遍大半个中国，终于写成了《本草纲目》。这便是早期我们的药学。然而今天的药学及其相关专业则成为高校发展潜力巨大的专业。药学实际上是一个非常宽泛的专业。很多本科院校在“药学”学科下面开设了“药物制剂”、“药物分析”、“药理学”、“药物化学”、“药事管理”等专业。制药工程与药物制剂其实都是从药学这一学科下发展出来的新兴专业。简单来说，药学就是研究平常药店和医院里所卖的那些药的制造、生产、鉴别、质量管理、营销等方面，包括我们所说的中药和西药。通常，为了区别于中药，我们将它称作“大药学”。“大药学”就是说，当前我们的药学专业已经远远超出了传统中药学的范畴，而成一个融合化学、生物、工程学等多个学科的中药和西药的学科。总体来说，药学所学的知识比较全面，培养的是从事药学的研究、生产、经营、使用、管理方面的工作。不过，研究和生产似乎对药学专业的本科生来说很少有人能够达到。

目的中药是中医健康保健、防治疾病的物质基础和载体,蕴含了丰富的科学内涵和极高的实用价值。随着人类医疗保健事业的不断发展和中医药走向世界的态势日趋明显,对中医药资源的社会需求出现了前所未有的增长,供需矛盾日渐突出。合理开发和保护中药资源,实现中药资源的可持续利用已成为中国和中医药行业的基本共识。本研究拟证明化学合成方法能作为解决中药资源短缺,保护中药药材资源的有效途径。蜈蚣三七(曾用名地乌)系毛茛科银莲花属植物林荫银莲花的干燥根茎,在《贵州民间药物》、《浙江天目山药植志》等书中均有记载,其性温,味辛微苦,具有祛风湿、强筋骨、消肿止痛之功效,善治风湿疼痛、跌打损伤。湖北中医学院中药研究所从蜈蚣三七中的到提取物,制成地乌风湿安胶囊,用于治疗类风湿性关节炎,于2004年9月2日获国家5类中药新药的临床批件,现处于临床实验阶段。地乌风湿安胶囊通过实验投入生产后,可预见其原料需求量会不断增加。但是蜈蚣三七原植物林荫银莲花生长周期长,其高海拔的生长环境难以控制,人工栽培较困难。据调查原生态药材原料产量难以满足药品工业生产化需要,如何保证新药的顺利投产,原料的供应是关键。在原生态原料药材无法满足供应的态势下,通过化学合成技术,合成其药用活性成分蜈蚣三七有效成分W3,应是解决林荫银莲花植物资源匮乏的重要手段之一。前期的实验研究证明,W3是蜈蚣三七提取物中的主要活性成分,可作为标准品来控制蜈蚣三七药材、蜈蚣三七提取物的质量标准。而化学合成的W3与从植物中分离的W3有相似活性,且用化学合成技术合成W3具有方法简便、成本低、耗时短、不受资源、更适合相关药品工业化生产的优势。方法一、合成蜈蚣三七有效成分W3工艺研究利用葡萄糖(C6H1206)、L-鼠李糖(C6H1205)、木糖(C5H1005)、齐墩果酸(C30H4803)等单糖制得化合物1(2,3-二-0-乙酰基-4,6-0-苄叉-β--D-葡萄糖乙硫苷),化合物6(2,3,4,6-四-0-乙酰基-β-D-葡萄糖对甲氧基苯酚氧苷),化合物4(2,3,4-三-0-苯甲酰基-α-L-鼠李吡喃糖三氯乙酰亚胺酯),化合物11(3,4-二

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-0-乙酰基-1,2-0-原甲酸酯-α-D-吡喃木糖),化合物17(齐墩果酸三苯基甲基酯)。再以化合物1、4、6、11和17为原料,采用汇聚式路线,完成W3的半合成。二、合成蜈蚣三七有效成分W3的抗肿瘤作用验证性研究1.药物分组：本实验分为6个组,分别为蜈蚣三七总苷、W3以及齐墩果酸,同时设立阳性药物对照组(顺铂)、DMSO(二甲基亚砜)组、空白对照组(未加药组)。2.采用噻唑蓝(MTT)还原法测定各实验组对HepG2细胞Hel细胞的生长抑制率。3.倒置显微镜观察各组药物作用于HepG2细胞、Hel细胞48h后的形态学变化。4.透射电镜进行细胞超微结构观察。5.流式细胞仪检测各组药物作用后HepG2细胞细胞周期分布和凋亡率。6.统计学分析。采用统计软件SPSS15.0分析,用样本的t检验,X2检验对统计数据进行分析,如有差异,多组间参数两两比较采用q检验。以a=0.05为检验水准。(1)Y轴为细胞存活率,X轴为药物浓度,制作细胞生长曲线。(2)利用公式计算细胞48小时细胞增殖抑制率。(3)通过EXCEL画图法做趋势线来求48小时IC50值。结果一、合成蜈蚣三七有效成分W3完成蜈蚣三七有效成分W3的合成,纯度达到90%。二、合成的W3抗肿瘤作用验证性研究1.不同浓度不同药物分组的药物作用于体外培养的HepG2细胞、Hel细胞48h后,各实验组生长抑制率结果如下：1.1HepG2细胞：W3抑制作用最强(IC50=13.21ug/ml),蜈蚣三七总苷次之(IC50=31.72ug/ml),齐墩果酸最弱(IC50=.21ug/ml)。1.2 Hel细胞：W3、蜈蚣三七总苷对对Hel细胞无明显的细胞抑制作用。2.药物作用后,HepG2细胞的形态学变化倒置显微镜下观察到：空白对照组：HepG2细胞贴壁生长,弥散蔓延分布,连接紧密,分布均匀,呈多角形,细胞透亮,生长状态良好。DMSO对照组：齐墩果酸不溶于水,用DMSO溶解。DMSO作用于HepG2细胞与空白对照组比较生长情况无明显的差异,DSMO没有细胞毒性。W3组(28.ug/ml)：细胞数量显著减少,细胞相互分离,透亮度差,贴壁大量减少,细胞体积明显缩小,变圆,可见大量细胞崩解碎片,细胞核缩小或崩解消失,核染色质边聚,可见裸露的核。以中剂量效果最好。蜈蚣三七总苷组(39.ug/ml)：细胞相互分离,透亮度差,贴壁大量减少,细胞数量减少,体积变小,收缩变圆,可见裸露的核。可见大量细胞崩解碎片,细胞核缩小或崩解消失。以高剂量效果较好。齐墩果酸组(14.ug/ml)：可见细胞数量减少,细胞有损坏,呈晶状体分布,细胞相互分离,透亮度差,贴壁大量减少,体积明显缩小,收缩变圆。效果略逊于蜈蚣三七总苷。顺铂组对照组：细胞数量减少,细胞破坏形成碎片,细胞溶解,可见裸露的细胞核。3.电镜进行细胞超微结构观察空白对照组：可见HepG2细胞包膜完整,有绒毛,细胞质中细胞器分布均匀,线粒体大小均匀,细胞核清晰,核膜完整。W3组：细胞核浓缩,细胞核挤向一边,染色质深染,聚集成团,胞浆浓缩,细胞质萎缩,细胞器肿胀变形,拥挤,细胞膜破裂,绒毛消失,线粒体退行性变,肿胀、结构破坏,嵴紊乱、稀疏。蜈蚣三七总苷组：可见细胞核收缩,核质浓缩边聚。细胞病变明显轻于W3组。4.流式细胞仪检测HepG2细胞的凋亡率。体外培养的HepG2细胞经W3药物高剂量作用后细胞碎片及早期凋亡细胞较空白对照组高。经W3药物中剂量作用后可见大量的细胞碎片及早期凋亡细胞,晚期凋亡细胞或者坏死细胞也高于空白对照组。经W3药物低剂量作用后可见大量的细胞碎片。经蜈蚣三七总苷中剂量作用后出现了晚期凋亡细胞及坏死细胞及早期凋亡细胞,晚期凋亡细胞或者坏死细胞百分率明显高于空白对照组,经齐墩果酸高剂量作用后可见大量的细胞碎片。结论1.本课题所采用的W3半合成路线有效可行。2.W3对HepG2细胞有抑制作用,其作用强于蜈蚣三七总苷、母核齐墩果酸。对Hel细胞无明显的细胞抑制作用。3.形态学变化(光镜、电镜)：W3中剂量的HepG2细胞毒效果最好,蜈蚣三七总苷次之,母核齐墩果酸再

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次之。4.经流式细胞仪检测HepG2细胞的凋亡率,结果说明W3、蜈蚣三七总苷、母核齐墩果酸其作用机制可能主要通过杀伤HepG2细胞及诱导细胞凋亡有关。5.合成的W3有与蜈蚣三七皂苷相似的抗肿瘤活性,从而证明中药内含有效成分的化学合成是可行的,亦有很好的操作性。

基于“一个基因、一种药物、一种疾病”的传统药物发现模式,一直以追求单靶标高活性和高选择性配体为目标。但是,近年来这种设计理念受到临床试验结果高失败率的巨大冲击和挑战。许多高活性、高选择性药物分子在体外试验中表现出非常理想的生物活性,但是这些药物真正应用到人体时,往往表现出不理想的疗效或严重毒副作用,其原因主要是由于生物系统和药物体内行为及作用模式的复杂性。化合物作为药物,在体内行为包括吸收、分布、代谢和清除,而作用模式则包括与人体内各种蛋白质的相互作用、毒性等,简称药物ADMET性质和药物-靶标相互作用谱。在上述因素驱动下,近年出现了系统药物设计概念,即以系统(整合)方研究药物设计问题,整合化学、生物学、数学、信息学、计算机科学等多学科技术,利用各种试验数据,建立计算机模型或数学方程,用于识别药物分子在整体细胞或有机体中复杂行为、作用网络和通路,以期发现高效、低毒的药物分子,造福人类健康。本论文旨在发展几种系统药物设计相关的方法和工具,包括两个主要部分。 论文第一部分围绕药物-靶标网络和药物临床副作用理论预测展开研究,发展新算法和工具,推动系统药物设计发展和应用。第二章,我们发展了药物相似性推理、靶标相似性推理、网络推理和加权网络推理方法,用于药物-靶标相互作用预测和药物重定位研究。结合计算预测和体外试验,成功发现人类雌激素受体和二肽基肽酶-IV是五个老药孟鲁司特、双氯芬酸钠、辛伐他汀、酮康唑和伊曲康唑新的潜在靶标,他们之间的半数最大抑制浓度或有效浓度达到微摩尔或亚摩尔水平。另外,通过对基于边加权网络推理方法模拟研究,首次发现药物-靶标网络中的“弱相互作用假设”。第三章使用数据库整合和文本挖掘技术,发展了目前较大的免费药物副作用数据库MetaADEDB。为了证实MetaADEDB应用价值,开发了基于药物表型网络推理和药物副作用推理方法用于药物副作用和药物体内作用谱预测,获得了较好预测准确度并成功解释了数个老药未知临床副作用的分子机制。第四章,我们系统性地发展和评价了多靶标QSAR和计算化学基因组学方法在化合物-蛋白质相互作用网络预测中的应用。结果发现基于蛋白质一级序列的计算化学基因组学方法虽然在内部交叉验证中获得较高预测准确度,但是在外部测试集中却出现较高的假阳性率。基于多个高准确度的多靶标QSAR模型,发展了软件和相应的基于网页工具CPI-Predictor,用于全新化合物的靶标识别。 论文第二部分,我们围绕小分子ADMET性质理论预测算法、数据库和软件发展开展研究。第五章,首先利用模式识别技术,发展一种新的组合分类器算法用于细胞色素P450抑制剂的分类预测研究。通过系统建模研究,证实我们发展的组合分类器算法优于几种传统方法,如最大值法、最小值法和乘积法。发展了基于信息熵指数用于小分子化合物细胞色素P450酶抑制杂泛性定量表征和预测研究。结果显示分子芳香性与其P450抑制杂泛性存在中等相关性,而分子亲脂性、分子复杂度、氢键结合能力和拓扑极性表面积与其P450抑制杂泛性没有或低相关性。基于目前最大的化合物生物降解性数据库,系统地发展了化合物生物降解性概率预测方法和模型,试验结果表明我们方法和模型具有较好泛化能力。第六章,针对几种常见模式生物,包括梨形四膜虫、黑头呆鱼和蜜蜂毒性的理

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论预测开展研究,发展和构建了多个高质量定性分类和定量回归模型用于毒性的理论预测。同时,又探索发展基于计算系统毒理学框架用于化合物毒性评价。与传统的QSAR方法相比,计算系统毒理学的计算框架不仅可以预测化合物毒性,还可以预测化合物与人体毒性相关基因或蛋白作用网络,这对化学物毒性分子机制阐明和环境风险评估更有指导和应用价值。论文第七章,通过文本挖掘方法构建了一个免费的化合物ADMET相关数据库admetSAR.该数据库包含近10万个不重复小分子的22万条ADMET相关的试验数据。用户可以使用admetSAR中的文本搜索、分子相似性搜索等功能免费评价化合物的ADMET性质。另外27个高准确度的计算模型,包括22个定性分类和5个定量回归模型被安转至admetSAR数据库,供用户进行全新分子的ADMET性质计算预测。数剧库admetSAR不仅可以用于药物设计和药物发现,还可以用于环境风险评估研究,并在化合物生物降解性预测方面表现出较好的应用价值。目前该数据库访问量超过5000余次,并且被国内外30多家大型制药公司和学术机构广泛使用

药物作用的受体理论、生化机制、药物在体内转运等药物设计的理论不断出现。在60年代初出现了构效关系的定量研究，19年汉希和藤田稔夫提出定量够效关系的汉希分析。药物设计开始由定性进入定量研究阶段，为定量药物设计奠定理论和实践基础。药物设计逐渐形成一门的分支学科。70年代以后药物设计开始综合运用药物化学、分子生物学、量子化学、统计数学基础理论和当代科学技术以及电子计算机等手段，开辟了药物设计新局面。随着分子生物学的进展，对酶与受体的理解更趋深入，对有些酶的性质、酶反应历程、药物与酶复合物的精细结构得到阐明，模拟与受体相结合的药物活性构象的计算机分子图像技术在新药研究中已取得可喜的成果。运用这些新技术，从生化和受体两方面进行药物设计是新药设计的趋向。

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