生物系：宋彩霞

1. Drug discovery beyond the ‘rule-of-five’——优于“rule-of-five”的药物发现 生物系：宋彩霞

2. 摘要： • “Rule-of-five”规则是小分子药物设计的有效指导原则，但是在某种程度上被过分强调。 “Rule-of-five”规则是针对口服药物总结出的经验性规律，所以存在着一些局限性。本文在此讨论了优于“rule-of-five”规则的药物发现的方法：如积极主动地发展与口服药品平行的肠外药物，发展与小分子药物相平行的治疗性抗体等生物制品。此外，更应努力研究开发天然药物。新技术如合成生物就可以解决在基于天然药物的药物发现中存在的包括合成可行性和配基效力等方面的许多问题 。

3. Content: • Introduction（引言） • Oral bioavailability and drug discovery productivity（口服生物利用度和药物发现效率） • Natural products and drug discovery productivity（天然产物和药物发现效率） • Synthetic biology for natural product drug discovery（用于天然药物发现的合成生物学） • Conclusions（结论）

4. Introduction（引言） • “Rule-of-five”规则，也称为Lipinski定性规则，主要用于检验药物的口服生物利用度。 • 内容： 一个药物分子中①氢键供体数大于5，②分子量（MWT）大于500，③油水分配系数（logP）大于5，④氮和氧原子总数（即氢键受体数）大于10时，它的口服生物利用度更小。

5. “Rule-of-five”规则： • 优点：使药物设计更加合理，提高了发现药物过程中对药物的ADME（吸收，分布，代谢和消除）和其物理化学性能的重视，并且有助于在药物筛选前期就对其ADME(和后ADME/毒性)进行检测。 • 缺点：过分地强调“rule-of-five”规则的局限是两方面的：一是它不仅过分强调药物的口服生物利用度，二是它将许多药物尤其是一些天然药物排除在外。

6. 口服生物利用度和药物发现效率 • 生物利用度( bioavailability) :是指药物制剂中的活性药物被全身利用的程度，包括进入全身血液循环的剂量和速度。 • 口服生物利用度（ Oral bioavailability ）：则是指药物经口服之后的生物利用度。

7. 过分地强调“rule-of-five”规则及口服生物利用度致使药物发现效率很低。过分地强调“rule-of-five”规则及口服生物利用度致使药物发现效率很低。 • 口服生物利用度是口服药物的一个重要指标，但是今天医疗实践中的很多药物是肠外给药，而不是口服给药。 例如： 1204种美国FDA批准的小分子药物中，803种是可口服给药的，421种通过肠外给药。在这1204种药物中只有73％（885种）通过了“rule-of-five”规则，其中70%（619种）是口服给药的。

8. 例如： • 第一种可口服利用的青霉素（青霉素V）的发现比青霉素G的发现晚15年之多； • 在肝素发现80多年后的2003年，第一种可口服利用的凝血酶抑制剂ximelagatran才被批准通过，但在2006年因为其具有肝毒性就被撤出了市场。 • 在此期间，用于肠外给药的凝血酶抑制剂的发现很成功。如 lepirudin（1998）、argatroban（2000）、和bivalirudin（2001），fondaparinux（2002）已用于临床实践，并显著改善了皮下注射时的治疗效果，对肝素禁忌的病患者的治疗效果也得到了改善。

9. 因此，我们需要一个更有效的方法去发现新药。因此，我们需要一个更有效的方法去发现新药。 • 开发一些注射药： Enfuvirtide：一种新型的HIV融合抑制剂 ，由皮下注射给药的 ，但是很少有口服药物的报道。 ABT-737 ：是Bcl-2和Bcl-xL的一种有效低剂量抑制剂 ，但是ABT-737(MW 803；13个N,O和S等杂原子)是不能口服利用的，且不符合“rule-of-five”规则。 ABT-263 ：一种可口服利用的Bcl-2抑制剂，但这种药物不符合“rule-of-five”规则 。 • 开发一些生物制品： 如一些治疗性抗体（MAbs），它不仅在发展单克隆抗体作为药品方面很有效，而且也可引领小分子药物的发展，早期，由一些MAbs，如cetuximab和trastuzumab产生的一些资料对于发展小分子抑制剂如gefitinib, erlotinib,和lapatinib是非常有利的.

10. 发现新药物时采取更有效的方法是明智的 即： ①在将过多的人力和物力投入一种可口服利用的候选药物之前，首先去开发一种肠外给药的候选药物； ②在将过多的人力和物力投入一个小分子候选药物之前，首先去发展一种不论在哪里起作用的治疗性抗体（很可能是通过胃肠给药的） • 以上的方法可能对于发现那些作用于蛋白酶或决定蛋白质相互作用的复杂靶标的新型药物尤为重要。

11. 天然产物和药物发现效率 • 天然药物的在药物中占据很重要的地位。尤其在治疗严重的或威胁生命的疾病，如癌症和传染性疾病时的显得更加重要。 例如：所有在1981年到2006年间全球范围内批准的所有小分子药物中有34％是天然产物或是它们的直接半合成衍生物 ；在全部批准的155种小分子抗癌药物中，有47％是天然产物或是它们的直接半合成衍生物；全部获得批准的抗菌药物中，超过75％的是天然产物或其半合成衍生物（即98种中有74种）。在2000年-2006年间，高通量生物合成生产批准的药品，这些批准的小分子药物中大约有50％也都归于天然产物。 • 基于天然产物的药物发现的高效率，可能归因于它们与蛋白质靶标结合的化学结构已经被选择确定。 • 研究人员将SCONP系统与PSSC系统相结合，将会选择一个结构不很复杂，且能够与复杂先导物的蛋白质靶点结合的天然产物结构框架。这个结构框架被用来作为一种新型化学模型或化学起始点，以建立目标化合物文库。

12. 用于天然药物发现的合成生物学 • 基于天然产物的药物发现的挑战之一就是其结构的复杂性和合成的可行性。有机化学的进步和新技术如合成生物学（生物合成工程）的出现将有助于克服这一难题。 • 合成生物学是一个新兴的科学领域，它旨在了解和设计生物系统或其组成部分，以解决各种天然产物无法解决的问题。合成生物学很大程度上可以被认为是“代谢工程或生物合成工程”的代名词，就是通过重组DNA技术来改变生活系统（如微生物系统）的遗传信息以获得期望的终产物。 • 虽然天然产物的结构高度复杂多样，但其生物合成可通过很少的且非常简单的几个类型的反应来完成。例如：简单聚酮化合物雷帕霉素生物合成（图1）是混合催化I型的PKS/非核糖体的肽合成酶（NRPS）系统催化的。

13. 广泛的雷帕霉素类似物的生物合成 • 有趣的是，当DNA上那些含有激活甲基转移酶和单加氧酶（rapKIJMNOQL）的后PKS （rapIJMNOQ）基因区域被切断时，产生的突变体S. hygroscopicus MG2-10无法产生前雷帕霉素，除非用外源起始物3,4-二羟基环己烷羧酸饲喂或者补充基因rapK。这表明，rapK的产物参与起始物的合成或调节。 • 这样，饲喂MG2-10突变体以外源起始物，同时选择性表达post-PKS（rapIJMNOQ）就可使突变修复，使得生物合成雷帕霉素广泛的类似物（图3）成为了可能。 • 雷帕霉素一种类似物BC210（图4）具有不稳定的C39-甲氧基，去除C39-甲氧基时，去甲基雷帕霉素（ T1/2 59min， Papp 29nm/s）与雷帕霉素（T1/2 40min，Papp 2nm/s）相比显著改善了其代谢稳定性和渗透性。BC210体内和体外实验显示具有多种抗癌活性。

14. 经过生物合成实现前体优化能保持或增加配体效力，这一优点也存在于其它案例中。经过生物合成实现前体优化能保持或增加配体效力，这一优点也存在于其它案例中。 • 例如，合成生物学方法对天然Hsp90抑制剂双氯西林Ⅰ优化，得到nonquinone（Kd 0.007 μM，MW 519），与先导物双氯西林Ⅰ（Kd 0.24μM，MW 559）相比，它对Hsp90的亲和力显著增加，分子量得到减小（图5）。相反，通过半合成法对另一种天然Hsp90抑制剂格尔德霉素进行优化，得到的17-烯丙基化tanespimycin（Kd 1.3 μM， MW 586 ），它与先导物格尔德霉素（Kd 1.2μM , MW 561）相比，它对Hsp90具有类似的亲和力，但分子量却增加了）（图5） 。 • 生物合成的nonquinone与半合成的tanespimycin相比的另一个优势是，因其不进行氧化还原循环，对于靶点的毒性显著降低，所以，治疗前景更加广阔。

15. Conclusions（结论） • “rule-of-five”规则具有局限性 • 为了提高药物发现效率和解决未满足的医疗需要这些问题，我们似乎应该接受一个纲领性的近似生物利用度的方法。 • 药物发现更应致力于天然药物的研究。新型技术如合成生物学，将会解决许多基于天然药物的药物发现中存在的挑战性问题，如结构的复杂性和合成的可行性。

16. THANK YOU !