74· 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica2017,52(1):71-79 表1地瑞那韦与其他那韦药物的热力学特征 合物取舍的标准,然而,离解常数或IC5o是在封闭的 药物 T△S 平衡状态下测定的热力学特征,是在受试化合物浓 amolL-I /kJ.moll /k -mol-l /.mol-I 沙奎那韦20 度不变的状态下测定的。其实,从深层次上挖掘,还 茚地那韦 0.049 有药物与靶标的结合动力学行为 安普那韦 0.39 55.2 28.8 机体是个开放系统,药物在体内是个动态过程 也瑞那韦0.00 627 53.1 在血浆和细胞中的药物水平处于不断地变化中。在体 内药物与靶标形成复合物,其离解作用不受游离药 表1的数据表明,地瑞那韦的的活性强于既往的 物浓度的影响,复合物的离解速率kr决定了药物占 药物十倍至数百倍。比安普那韦强85倍。更重要的据靶标和与之结合的时程,结合的半衰期(12合,与 是地瑞那韦结合能的焓贡献是熵的5倍,而其他那韦药代的h2不同)越长,在靶标处驻留时间( (residence 多数是熵大于焓,即使安普那韦也只是焓熵持平。地 time,RT)越久,作用时程越长,因而有效剂量低,选 瑞那韦的用药剂量低,有效剂量低是高选择性和低择性高、脱靶性低。用放射性标记测定酶抑制剂的结 脱靶性的表现。此外,地瑞那韦对多种耐药株也有抑 合(ka)与离解速率常数(ktr),非标记方法如用电生 制活性。分析地瑞那韦结构和结合特征,表明与活性 理方法(如膜片钳技术)或表面等离子共振( surface 中心发生了广泛的氢键结合。图3是地瑞那韦与 plasmon resonance,SPR)和核磁共振技术。测定受试 HV蛋白酶复合物晶体结构的简约图,图中的9条虚 物的k与kor值(并由此计算出离解常数Ka值),依 线表示形成的氢键网络结构,将药物分子牢固地结此可分析化学结构与结合动力学关系(SKR)。SKR 合于催化中心。特别是并合的四氢呋喃环,氧原子与 Asp29和Asp30又形成两个氢键,增加的结合能来源 是深层次的SAR,在一定意义上更接近体内的状态 于焓贡献,大大提高了抑酶活性。所以,地瑞那韦是当然,用细胞测定受试物动态物质重分布( dynamic 在结构生物学和分子模拟的指引下,利用了活性中 mass redistribution)或整体动物用正电子发射断层显 心“空余”的氢键给体,在安普那韦的基础上设计 影技术向(PET),所测定的药物结合动力学数据更加 实用。 出有质性飞跃的蛋白酶抑制剂向。 药物分子与靶标的结合速率ko大,离解速率k 小,是由于结合过程伴随构象的变化,尤其是靶标蛋 白构象的改变,提高了离解过程的能垒,复原成游离 状态须越过较高的能垒,以至于km变小,造成“来 之容易去之难”的后果。由于蛋白质的柔性和构象复 杂性,还不能从微观结构预测结合动力学性质,但药 物化学的SKR分析和复合物晶体结构特征,可有助 于理解动力学的某些过程。例如研究周期蛋白依赖性 激酶8周期蛋白C抑制剂,化合物5的侧链增加 图3地瑞那韦与HV蛋白酶复合物的结合模式。虚线代表氢个亚甲基为化合物6,进而变换为叔丁氧羰化合物7, 键结合,圆点为参与复合物生成的结构水 动力学性质乃至热力学的参数都发生显著改变,表2 列出了这些数据 4.2利用结合动力学特征研制高选择性、低脱靶性 表2的数据表明,化合物5~7的骨架结构相同 和长效型药物初始的先导物优化,往往以对靶标影响热力学和动力学变化的主要因素是脲基连接的 的离解常数或ICs0作为活性判断、研究构效关系和化侧链不同。化合物5活性弱,K3500 moll-,h结合 H3CX H2C Y· 74 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2017, 52 (1): 71 −79 表 1 地瑞那韦与其他那韦药物的热力学特征 药物 Ki /nmol·L −1 ΔG /kJ·mol−1 ΔH /kJ·mol−1 −TΔS /kJ·mol−1 沙奎那韦 2.0 −53.5 −13.0 −66.5 茚地那韦 0.049 −51.8 −7.6 −59.4 安普那韦 0.39 −55.2 −28.8 −26.4 地瑞那韦 0.0045 −62.7 −53.1 −9.6 表 1 的数据表明, 地瑞那韦的的活性强于既往的 药物十倍至数百倍。比安普那韦强 85 倍。更重要的 是地瑞那韦结合能的焓贡献是熵的 5 倍, 而其他那韦 多数是熵大于焓, 即使安普那韦也只是焓熵持平。地 瑞那韦的用药剂量低, 有效剂量低是高选择性和低 脱靶性的表现。此外, 地瑞那韦对多种耐药株也有抑 制活性。分析地瑞那韦结构和结合特征, 表明与活性 中心发生了广泛的氢键结合[3]。图 3 是地瑞那韦与 HIV 蛋白酶复合物晶体结构的简约图, 图中的 9 条虚 线表示形成的氢键网络结构, 将药物分子牢固地结 合于催化中心。特别是并合的四氢呋喃环, 氧原子与 Asp29'和 Asp30'又形成两个氢键, 增加的结合能来源 于焓贡献, 大大提高了抑酶活性。所以, 地瑞那韦是 在结构生物学和分子模拟的指引下, 利用了活性中 心“空余”的氢键给体, 在安普那韦的基础上设计 出有质性飞跃的蛋白酶抑制剂[4]。 图 3 地瑞那韦与 HIV 蛋白酶复合物的结合模式。虚线代表氢 键结合, 圆点为参与复合物生成的结构水 4.2 利用结合动力学特征研制高选择性、低脱靶性 和长效型药物 初始的先导物优化, 往往以对靶标 的离解常数或 IC50 作为活性判断、研究构效关系和化 合物取舍的标准, 然而, 离解常数或 IC50 是在封闭的 平衡状态下测定的热力学特征, 是在受试化合物浓 度不变的状态下测定的。其实, 从深层次上挖掘, 还 有药物与靶标的结合动力学行为。 机体是个开放系统, 药物在体内是个动态过程, 在血浆和细胞中的药物水平处于不断地变化中。在体 内药物与靶标形成复合物, 其离解作用不受游离药 物浓度的影响, 复合物的离解速率 koff 决定了药物占 据靶标和与之结合的时程, 结合的半衰期 (t1/2 结合, 与 药代的 t1/2不同) 越长, 在靶标处驻留时间 (residence time, RT) 越久, 作用时程越长, 因而有效剂量低, 选 择性高, 脱靶性低。用放射性标记测定酶抑制剂的结 合 (kon) 与离解速率常数 (koff), 非标记方法如用电生 理方法 (如膜片钳技术) 或表面等离子共振 (surface plasmon resonance, SPR) 和核磁共振技术。测定受试 物的 kon 与 koff 值 (并由此计算出离解常数 Kd 值), 依 此可分析化学结构与结合动力学关系 (SKR)。SKR 是深层次的 SAR, 在一定意义上更接近体内的状态。 当然, 用细胞测定受试物动态物质重分布[5] (dynamic mass redistribution) 或整体动物用正电子发射断层显 影技术[6] (PET), 所测定的药物结合动力学数据更加 实用。 药物分子与靶标的结合速率 kon 大, 离解速率 koff 小, 是由于结合过程伴随构象的变化, 尤其是靶标蛋 白构象的改变, 提高了离解过程的能垒, 复原成游离 状态须越过较高的能垒, 以至于 koff 变小, 造成“来 之容易去之难”的后果。由于蛋白质的柔性和构象复 杂性, 还不能从微观结构预测结合动力学性质, 但药 物化学的 SKR 分析和复合物晶体结构特征, 可有助 于理解动力学的某些过程。例如研究周期蛋白依赖性 激酶 8/周期蛋白 C 抑制剂, 化合物 5 的侧链增加两 个亚甲基为化合物 6, 进而变换为叔丁氧羰化合物 7, 动力学性质乃至热力学的参数都发生显著改变, 表 2 列出了这些数据。 表 2 的数据表明, 化合物 5～7 的骨架结构相同, 影响热力学和动力学变化的主要因素是脲基连接的 侧链不同。化合物 5 活性弱, Kd 3 500 nmol·L −1 , t1/2 结合