今天的药物设计和发现过程需要跨学科的⾼度协同和共同努⼒。20世纪后期分⼦⽣物学、合成化学和药理学的进步，以及X射线晶体学和计算⽅法的技术突破给药物化学实践领域带来了巨⼤变化。基于没靶标的三维结构进⾏药物设计研究已经成为当今分⼦设计策略的标志。这种基于结构设计的⽅法已经彻底改变了药物化学实践过程和临床前药物研发过程。美国⾷品药物监管局批准的药物⼤多基于结构设计策略演化⽽来。 1
引⾔
到2012年，多达35个最新获批的药物源于基于结构的药物设计。后基因组时代推动了基于结构设计新药的进步并且为该策略的应⽤与新疗法的药物开发提供了巨⼤的保障。⽬前⼈类基因组测序结果表明有20 000~25 000个⼈类蛋⽩编码基因，每个基因可以编码⾄少⼀种蛋⽩质。这些蛋⽩质负责实现⼈体所有的细胞功能。同时这些蛋⽩质也可以参与病理过程，因⽽为基于结构的药物设计提供了独特的机遇。这⾥将简要回顾⼀下20世纪上半叶新药研发事业是如何形成并且丰富起来的，在这⼀过程中，开创新的发现和新技术的出现都对新药研发产⽣了重要影响，这些新发现和新技术对当今药物研发和药物化学的发展留下了重要的印记。
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1928~1980年期间的药物研发
药物化学的历史起源于那些依赖偶然发现和临床观察发现的新药。有趣的是⼈们需要肯定不期⽽遇和偶然性在科学发现中的重要作⽤。但偶然发现不仅仅是幸运，⽽是在寻具有重⼤意义和价值的研究过程中伴随⼀点⼉运⽓和巧合。正如Pasteur所说，“幸运总是眷顾有准备的⼈”。如果没有投⼊创造性的思索和细致分析，仅仅是意外发⽣不会带来各种意外发现。
青霉素（penicillin）的发现就是⼀个著名的偶然发现带来意外惊喜的故事。1928年夏天，Alexander Fleming要离开实验室去度假。他在实验台上留下⼀个⾦黄⾊葡萄球菌培养⽫。⼀个⽉后他回来的时候发现培养⽫被⼀块蓝⾊的真菌污染了导致发现溶菌现象。Fleming随后证实这种真菌，是⼀种特异青霉菌，其分泌的活性成分，也就是后来的青霉素，就是导致这⼀现象的原因。青霉素的发现⾮常幸运，如果落在培养⽫中的真菌不是特异青霉菌⽽是⼀般的普通青霉菌，则⽆法观测到细菌溶解现象。在青霉素发现的⼗⼏年后，Howard Florey和Ernest Chain带领他们的⽜津团队揭⽰了青霉素的作⽤。在这期间，发酵⼯艺的发展才使得青霉素能够有效地运⽤于⼈类细菌感染的。能够杀菌的青霉素也迅速取代了此前⼀直⽤作某些细菌感染的抑菌的磺胺类药物。 抑菌的磺胺类药物也有⼀个关于偶然发现和直觉洞察的有趣故事。染料⼯业的蓬勃发展推动和促进化⼯制造业开发更多新的染料。德国化学家在使⽤偶氮染料时发现某些染料优先粘附和染⾊细菌菌落。这是不是可以作为对抗细菌的⽅法呢？1935年德国化学家Gerhard Domagk在合成化学家们的协助下，合成了上百种染料并且检测了他们的⽣物活性，通过反复试验最后发现⽩浪息多（prontosil rubrum）具有强⼤的抗菌活性（Fig 1.2）。后续研究发现这个化合物的活性基团为4-氨基苯磺酰胺。在P-苯胺和磺酰胺基团都⼀如取代基后得到新的磺酰苯胺衍⽣物，具有光谱的抗菌活性，并且改善了
药代动⼒学性质，降低了毒副作⽤。但是由于青霉素和其他⼀些抗⽣素的发现和临床运⽤，所以新的磺酰苯胺衍⽣物的合成变得不是那么重要了。
但是磺胺类药物的研究并没有停滞，针对其副作⽤的深⼊研究拓展了这类药物的临川应⽤，并且衍⽣出了⼤量的新的化合物，临床观测发现磺胺类药物能够引起低⾎糖，随后的研究旨在加强这种副作⽤，⽽不是它的抑菌活性。这样就出现了⽤于糖尿病的⼝服降糖药物。1940年，Mann和Keilin发现了磺胺类药物对于碳酸酐酶的抑制活性。这个关键的发现为呋塞⽶类药物的后续发展铺平了道路。
抗抑郁药物异烟酰异丙酰烟肼（iproniazid）也是因为临床上观测到的“副反应”开发⽽来的。（isoniazid）(Fig1.3) 和它
的异丙基取代衍⽣物异烟酰异丙烟肼最初开发⽤于抗结核药物。然⽽，和相⽐，患者服⽤异烟酰异丙烟肼后表现出情绪提升的现象。随后的研究阐明具有抗抑郁活性主要是因为抑制了中枢系统活性酶单氨基氧化酶（MAO）的活性。异烟酰异丙烟肼与1958年获批⽤于抑郁症。此外还有许多近期因临床发现⽽开发的新药的例⼦。⽐如西地那⾮（sildenafil）也就是韦哥（vigra），⽤于勃起功能障碍的药物，其实最初开发⽤于⼼绞痛的药物。⽶诺地尔（minoxidil）本来是开发⽤于⾼⾎压的药物，后来被批准⽤于脱发的。
偶然发现在利眠宁（librium）的开发过程中也起到了重要作⽤，但是这种偶然发现并不是简单的意外发⽣。Leo Sternbach博⼠是Hoffmann-LaRoche新泽西实验室开发新镇静剂项⽬的主要研究⼈员。他决定重新研究苯并庚氧⼆嗪类化合物，着⼀些列化合物是他20年前研究新染料时合成的，但是这些化合物的活性还不明确。他的研究团队合成得打了40个新的衍⽣物并且确认了他们是⼀系列焓有六元环
结构的化合物，如化合物（11）和（12）（Fig 1.4）⽽不是最初所想的含有七元环结构的化合物（13）和（14）。
药理实验结果显⽰这些化合物都没有活性。他们关于镇静剂的项⽬已经接近尾声，在清理实验的时候发现有两个早期的结晶状衍⽣物还没有做过活性测试。于是他们决定把这两个化合物送去测⽣物活性。其中⼀个化合物是从喹唑啉衍⽣物（15）和甲胺反映制备，这个化合物表现出⾼效的镇静和催眠作⽤，⽽且想过由于苯巴⽐妥。接下来的结构研究确定他是⼀个苯⼆氮䓬类衍⽣物（17）（Fig1.5）也就是利眠宁。这是由于最初的苯并六元杂环化合物发⽣重排⽣成的⼀个苯并七元杂环化⽽物。这⼀发现还引领了后续开发出⼤量苯并⼆氮䓬类化合物，包括（diazepam）(18)
很久以来，天然产物都作为众多新药开发的重要来源，天然产物是活性筛选结果也证实这是⼀种很有效地途径。1970年代发现的抗癌药物紫杉醇（taxol）就源于美国国家癌症研究所1960年启动的⼀个项⽬，该项⽬包含对各种天然产物的提取物进⾏活性筛选。其中⼀个提取物在⼩⿏模型中表现出抗癌活性，并且对⼤部分肿瘤都有效。此后不久，就从红⾖杉中分离出了活性化合物（19）（Fig1.6）。喜树碱（camptothecin）是另外⼀个通过天然产物筛选得到的重要的抗癌药物，从喜树中分离得
到。⼤量的喜树碱衍⽣物也已经获批运⽤于癌症化疗。
抗疟疾青蒿素（21）（Fig1.7）也是通过⼤规模筛选得到。1950年代严重的疟疾爆发后，耐药性疟疾菌株的传播给带来
了巨⼤的难度。中国开展了⼀个国家项⽬旨在发现、分离和鉴定天然产物成分作为潜在抗疟疾先导药物。植物化学家屠呦呦和
她的同事们发现，中草药青蒿的提取物在⼩⿏模型中能够有效地抗击疟疾。随后，倍半萜烯内酯青蒿素倍鉴定为活性成分，其
半合成的衍⽣物，如青蒿素甲醚（22）倍运⽤于对多种药物产⽣耐药性的疟疾的。
在20世纪70年代，其他⼀些重要的天然产物也被引⼊作为新药。天然产物美发他汀（compactin）和洛伐他汀（mevinolin）就是分别从橘青霉和⼟曲霉中分离得到的。这两种天然产物都对HMG-CoA还原酶显⽰了很⾼的抑制活性HMG-CoA还原酶主要参与肝脏内当成的⽣物合成。洛伐他汀（lovastatin）以及衍⽣物⾟伐他汀（zocor）通过抑制HMG-CoA还原酶降低胆固醇⽔平，因此被运⽤于动脉粥样硬化。
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基于结构的药物设计的起源
20世纪70年末，基于理论假设的药物设计逐渐发展成为新药发现和开发的⼀种策略。随着对药物靶标蛋⽩的三维结构的认识和靶标与先导化合物或者天然配体间相互作⽤位点的了解，基于靶标-配体相互作⽤的分⼦设计策略开始崭露头⾓。这⼀策略实践之初，X射线晶体结构信息⾮常有限，因此会参考相关酶的X射线晶体结构数据⽤作靶向酶建模。分⼦⽣物学理论和技术的进步⼤⼤提⾼了基于结构设计策略的可⾏性。20世纪80年代，蛋⽩表达、纯化和蛋⽩晶体学的快速发展提供了疾病相关蛋⽩靶标的纤细结构信息。同时化学合成的发展也很及时。新型的有效试剂、保护基、催化转移以及多步合成策略为基于结构设计提供了巨⼤创新潜能。基于结构进⾏药物设计⾰命性地改变了药物化学研究策略，同时也改变了新药筛选和优化⽅法。
基于结构的设计策略，需要先得到靶蛋⽩的结合位点的形状和电⼦特征信息。还要测定并且解析蛋⽩质和配体的晶体结构获得相互信息。这种分⼦⽔平的解析常常为分⼦设计提供配体的活性构象。从这以关键信息开始，基于结构设计策略就可以在保持先导化合物的同时，进⾏结构优化从⽽提⾼活性和选择性。
最早运⽤酶-抑制剂相互作⽤的结构信息辅助药物设计的例⼦可以追溯到⼼⾎管紧张素转化酶(ACE)抑制剂卡托普利的开发。虽然ACE的X射线晶体结构信息还是未知，但是与其结构相似的酶羧肽酶A的结构是已知的。羧肽酶A和ACE有许多相同的特征，包括在蛋⽩质活性位点都存在⼀个锌离⼦。基于此蛋⽩结构信息和许多从蛇毒中分离得到的肽类ACE先导抑制剂的结构信息，百时美施宝贵（BMS）的研究⼈员模拟了ACE的活性位点，并通过推理设计得到卡托普利，卡托普利是第⼀个获得FDA批准的ACE抑制剂，与1981年上市⽤于⾼⾎压。
ACE抑制剂在临床上取得的成功也极⼤地引发了研发⼈员开发肾素抑制药物的兴趣。肾素是⼀个天冬氨酸蛋⽩酶，负责调节⾎压，通过抑制申诉⾼⾎压被认为是⾮常可靠的临床⽤药开发策略。⼀个成功的肾素抑制剂会⽐ACE抑制剂的副反应更少，因为肾素具有转移的选择性，只作⽤于单⼀底物。肾素抑制剂开发的关键在于弄清楚底物的解离机制和内源性肽的结合位
点的特征。肾素X射线晶体结构也是未知的，但是通过借鉴相关天冬氨酸蛋⽩酶，⽐如华根酶羧基蛋⽩酶，内源性维⽣素B1胃蛋⽩酶和其他天冬氨酸蛋⽩酶的X晶体结构，建⽴了肾素结构模型。此外，肽抑制剂的X射线晶体结构的研究也为分⼦间相互作⽤提供了有⽤信息。在此基础上，模拟⾎管紧张素的N段部分，并根据过渡态模拟分析，修饰了N端易断裂的肽键，从⽽成功开发出了基于底物的抑制剂。后续在早期肾素抑制剂的基础上进⾏结构优化，最终得到了阿利吉伦（aliskiren），也是第⼀个获得FDA批准的肾素抑制剂，⽤于⾼⾎压。
20世纪80年代末，⽤于艾滋病的HIV蛋⽩酶抑制剂的成功开发揭⽰了基于结构的设计策略的巨⼤潜⼒。根据多年的研究积累，⼤量的HIV蛋⽩酶和抑制剂结合态的结构的解析为设计新的抑制剂提供了基础。沙奎那韦（saquinavir）是第⼀个HIV-1蛋⽩酶抑制剂，于1996年获批上市，基于结构的药物设计在其他领域也迅速打开新局⾯，如下表所⽰，到2012年，基于结构的药物设计贡献了34个获批新要⽤于⾼⾎压、HIV/AIDS、各种癌症和其他⼈类疾病。
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