1、生物系：宋彩霞Drug discovery beyond the rule-of-five 優于“rule-of-five”的藥物發現 1摘要：“Rule-of-five”規則是小分子藥物設計的有效指導原則，但是在某種程度上被過分強調。 “Rule-of-five”規則是針對口服藥物總結出的經驗性規律，所以存在著一些局限性。本文在此討論了優于“rule-of-five”規則的藥物發現的方法：如積極主動地發展與口服藥品平行的腸外藥物，發展與小分子藥物相平行的治療性抗體等生物制品。此外，更應努力研究開發天然藥物。新技術如合成生物就可以解決在基于天然藥物的藥物發現中存在的包括合成可行性和配基效力等方

2、面的許多問題 。2Introduction（引言）Oral bioavailability and drug discovery productivity（口服生物利用度和藥物發現效率）Natural products and drug discovery productivity（天然產物和藥物發現效率）Synthetic biology for natural product drug discovery（用于天然藥物發現的合成生物學）Conclusions（結論）Content:3Introduction（引言） “Rule-of-five”規則，也稱為Lipinski定性規則，主要用于

3、檢驗藥物的口服生物利用度。內容： 一個藥物分子中氫鍵供體數大于5，分子量（MWT）大于500，油水分配系數（logP）大于5，氮和氧原子總數（即氫鍵受體數）大于10 時，它的口服生物利用度更小。4“Rule-of-five”規則：優點：使藥物設計更加合理，提高了發現藥物過程中對藥物的ADME（吸收，分布，代謝和消除）和其物理化學性能的重視，并且有助于在藥物篩選前期就對其ADME(和后ADME/毒性)進行檢測。 缺點：過分地強調“rule-of-five”規則的局限是兩方面的：一是它不僅過分強調藥物的口服生物利用度，二是它將許多藥物尤其是一些天然藥物排除在外。5口服生物利用度和藥物發現效率生物利

4、用度( bioavailability) :是指藥物制劑中的活性藥物被全身利用的程度，包括進入全身血液循環的劑量和速度?？诜锢枚龋?Oral bioavailability ）：則是指藥物經口服之后的生物利用度。6口服生物利用度是口服藥物的一個重要指標，但是今天醫療實踐中的很多藥物是腸外給藥，而不是口服給藥。例如： 1204種美國FDA批準的小分子藥物中，803種是可口服給藥的，421種通過腸外給藥。在這1204種藥物中只有73（885種）通過了“rule-of-five”規則，其中70%（619種）是口服給藥的。 過分地強調“rule-of-five”規則及口服生物利用度致使藥物發現效

5、率很低。7例如：第一種可口服利用的青霉素（青霉素V）的發現比青霉素G的發現晚15年之多；在肝素發現80多年后的2003年，第一種可口服利用的凝血酶抑制劑ximelagatran才被批準通過，但在2006年因為其具有肝毒性就被撤出了市場。在此期間，用于腸外給藥的凝血酶抑制劑的發現很成功。如 lepirudin（1998）、argatroban（2000）、和bivalirudin（2001），fondaparinux（2002）已用于臨床實踐，并顯著改善了皮下注射時的治療效果，對肝素禁忌的病患者的治療效果也得到了改善。8因此，我們需要一個更有效的方法去發現新藥。開發一些注射藥： Enfuvirt

6、ide：一種新型的HIV融合抑制劑 ，由皮下注射給藥的 ，但是很少有口服藥物的報道。 ABT-737 ：是Bcl-2和Bcl-xL的一種有效低劑量抑制劑 ，但是ABT-737(MW 803；13個N,O和S等雜原子)是不能口服利用的，且不符合“rule-of-five”規則。 ABT-263 ：一種可口服利用的Bcl-2抑制劑，但這種藥物不符合“rule-of-five”規則 。開發一些生物制品： 如一些治療性抗體（MAbs），它不僅在發展單克隆抗體作為藥品方面很有效，而且也可引領小分子藥物的發展，早期，由一些MAbs，如cetuximab和trastuzumab產生的一些資料對于發展小分子抑

7、制劑如gefitinib, erlotinib,和lapatinib是非常有利的.9發現新藥物時采取更有效的方法是明智的即： 在將過多的人力和物力投入一種可口服利用的候選藥物之前，首先去開發一種腸外給藥的候選藥物； 在將過多的人力和物力投入一個小分子候選藥物之前，首先去發展一種不論在哪里起作用的治療性抗體（很可能是通過胃腸給藥的）以上的方法可能對于發現那些作用于蛋白酶或決定蛋白質相互作用的復雜靶標的新型藥物尤為重要。 10基于天然產物的藥物發現的高效率，可能歸因于它們與蛋白質靶標結合的化學結構已經被選擇確定。 研究人員將SCONP系統與PSSC系統相結合，將會選擇一個結構不很復雜，且能夠與復雜

8、先導物的蛋白質靶點結合的天然產物結構框架。這個結構框架被用來作為一種新型化學模型或化學起始點，以建立目標化合物文庫。天然產物和藥物發現效率天然藥物的在藥物中占據很重要的地位。尤其在治療嚴重的或威脅生命的疾病，如癌癥和傳染性疾病時的顯得更加重要。 例如：所有在1981年到2006年間全球范圍內批準的所有小分子藥物中有34是天然產物或是它們的直接半合成衍生物 ；在全部批準的155種小分子抗癌藥物中，有47是天然產物或是它們的直接半合成衍生物；全部獲得批準的抗菌藥物中，超過75的是天然產物或其半合成衍生物（即98種中有74種）。在2000年-2006年間，高通量生物合成生產批準的藥品，這些批準的小分

9、子藥物中大約有50也都歸于天然產物。11用于天然藥物發現的合成生物學基于天然產物的藥物發現的挑戰之一就是其結構的復雜性和合成的可行性。有機化學的進步和新技術如合成生物學（生物合成工程）的出現將有助于克服這一難題。合成生物學是一個新興的科學領域，它旨在了解和設計生物系統或其組成部分，以解決各種天然產物無法解決的問題。合成生物學很大程度上可以被認為是“代謝工程或生物合成工程”的代名詞，就是通過重組DNA技術來改變生活系統（如微生物系統）的遺傳信息以獲得期望的終產物。雖然天然產物的結構高度復雜多樣，但其生物合成可通過很少的且非常簡單的幾個類型的反應來完成。例如：簡單聚酮化合物雷帕霉素生物合成（圖1）

10、是混合催化I型的PKS/非核糖體的肽合成酶（NRPS）系統催化的。12廣泛的雷帕霉素類似物的生物合成 有趣的是，當DNA上那些含有激活甲基轉移酶和單加氧酶（rapKIJMNOQL）的后PKS （rapIJMNOQ）基因區域被切斷時，產生的突變體S. hygroscopicus MG2-10無法產生前雷帕霉素，除非用外源起始物3,4-二羥基環己烷羧酸飼喂或者補充基因rapK。這表明，rapK的產物參與起始物的合成或調節。這樣，飼喂MG2-10突變體以外源起始物，同時選擇性表達post-PKS（rapIJMNOQ）就可使突變修復，使得生物合成雷帕霉素廣泛的類似物（圖3）成為了可能。雷帕霉素一種類似

11、物BC210（圖4）具有不穩定的C39-甲氧基，去除C39-甲氧基時，去甲基雷帕霉素（ T1/2 59min ， Papp 29nm/s ）與雷帕霉素（T1/2 40min，Papp 2nm/s）相比顯著改善了其代謝穩定性和滲透性。BC210體內和體外實驗顯示具有多種抗癌活性。 13經過生物合成實現前體優化能保持或增加配體效力，這一優點也存在于其它案例中。例如，合成生物學方法對天然Hsp90抑制劑雙氯西林優化，得到nonquinone（Kd 0.007 M，MW 519），與先導物雙氯西林 （Kd 0.24M，MW 559）相比，它對Hsp90的親和力顯著增加，分子量得到減?。▓D5）。相反，通過半合成法對另一種天然Hsp90抑制劑格爾德霉素進行優化，得到的17-烯丙基化tanespimycin（Kd 1.3 M， MW 586 ），它與先導物格爾德霉素（Kd 1.2M , MW 561）相比，它對Hsp90具有類似的親和力，但分子量卻增加了）（圖5） 。生物合成的nonquinone與半合成的tanespimycin相比的另一個優勢是，因其不進行氧化還原循環，對于靶點的毒性顯著降低，所以，治療前景更加廣闊。14