一、先导化合物发现的方法和途径

药物设计可大致为两个阶段，即先导化合物的发现和先导化合物的优化。第一阶段是对大量的化合物进行筛选，找到先导化合物，简称先导物，又称原型物，先导化合物的定义是：通过各种途径得到的具有一定生理活性的化学物质。先导化合物的发现和寻找有多种多样的途径和方法。第二个阶段是对药物的化学结构进行修饰，因先导化合物存在的某些缺陷，如活性不够强，化学结构不稳定，毒性较大，选择性不好，药代动力学性质不合理等，药物化学家需要针对其各种缺陷，继续进行进一步的化学修饰研究，找出活性高、毒性低、选择性强的化合物。

先导化合物的来源大体可分为两方面，即天然产物和人工合成。先导化合物是通过各种途径或方法得到的具有一些生物活性的化合物，可进一步优化而得到供临床的药物。发现先导化合物的途径和方法很多，早期主要是从天然产物的活性成分发现先导物，或是随机的偶然的发现先导物。随着生命科学的发展，又发展到以体内生命基础过程和生物活性物质为基础发现先导物，基于生物大分子的结构发现先导物，基于体内生物转化的代谢产物发现先导物，还可以通过观察临床副作用得到一些先导物。目前新的进展可通过组合化学合成加上高通量的大规模筛选发现先导物，以及应用反义核苷酸技术发现先导物等。

（一）从天然产物活性成分中发现先导化合物

在药物发展的早期阶段，利用天然产物作为治疗手段几乎是唯一的源泉。时至今日，从动植物、微生物和海洋生物体内分离鉴定具有生物活性物质，仍然是先导物甚至是药物的重要组成部分。天然产物往往有独特的化学结构，并且结构丰富多样，特殊的药理作用，是先导化合物的重要来源之一。

1.植物来源

在20世纪60年代前，大部分的药物是来源于天然产物，而且不少药物是直接从植物中提取到，如镇痛药吗啡（Morphine）是在1806年从罂粟科植物罂粟中分离出来；解痉药阿托品（Atropine）是从茄科植物颠茄、曼陀罗及莨菪等分离提取出的生物碱；抗疟药奎宁（Quinine）是1820年从金鸡纳树皮中提取得到；心血管药物利血平（Reserpine）是从萝芙木植物中提取出的；抗肿瘤药长春碱（Vinblastine）和长春新碱（Vincristine）均由夹竹桃科植物长春花分离得到。

从红豆杉树皮中分离出的紫杉醇（Paclitaxel，Taxol）具有强效抗肿瘤作用，其作用的靶点是促进微管蛋白的聚合，并使其稳定化，从而阻止了微管蛋白在有丝分裂过程中的功能。以它作为先导物进行结构修饰，优化得到半合成的多西他塞，不仅水溶性好，而且抗肿瘤作用比紫杉醇强1倍。

2.微生物来源

某些微生物的次级代谢产物（secondary metabolites）很多具有生物活性，其往往与特异性受体有强结合作用，从而呈现较高的药理活性；另一方面，次级代谢产物的化学结构比较复杂和特殊，往往具有意想不到的结构，这是人工设计与合成化合物所达不到的。

羟甲戊二酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂先导化合物的发现起源于微生物。1976年首次从桔青霉菌的代谢产物中分离出具有抑制HMG-CoA还原酶活性的美伐他汀（Mevastatin），相继又分出洛伐他汀（Lovastatin）、普伐他汀（Provastatin）。最初发现的这些药物属于前药，需要在体内经内酯的水解开环生成羟基酸才有活性。受其启发，将洛伐他汀的内酯环打开，结构改造得到第一个全合成的HMG-CoA还原酶抑制剂氟伐他汀（Fluvastatin），其侧链上的羟基羧酸，与洛伐他汀开环结构类似。

3.动物来源

从动物体内发现的药物也为数不少，目前临床上使用的血管紧张素转化酶抑制剂（ACEI）是治疗高血压最为常用的药物。1965年，Ferreira从巴西毒蛇的毒液中分离出的含九个氨基酸残基的九肽替普罗肽（Teprotide），对血管紧张素转化酶有特异性的抑制作用，具有降低血压的作用，但不能口服。通过对血管紧张素转化酶（ACE）及其同工酶（羧肽酶A）抑制剂的C末端研究，发现肽类的抑制剂的C末端均有脯氨酸，根据其结构特点首先设计并合成出可以口服的非肽类ACEI卡托普利（Captopril）。以卡托普利为先导化合物，伊那普利（Enalapril）、赖诺普利（Lisinopril）、雷米普利（Ramipril）以及福辛普利（Fosinopril）等不断被开发，它们的活性强于卡托普利，副作用小，而且作用时间长。

4.海洋生物来源

海洋生物的生活环境与陆地生物迥异，海洋生物的多样性、复杂性和特殊性使海洋天然产物也具有多样性、复杂性和特殊性。20世纪60年代以来，从海洋生物中已分离获得新化合物1万多种，其中约50%具有抗肿瘤、抗菌和抗病毒等药理活性，为药物开发提供了重要的先导化合物来源。例如，从海洋柳珊瑚得到的Eleutherobin具抑制细胞微管蛋白聚合作用。从海洋苔藓虫中分离得到的苔藓抑素Ⅰ（Bryostatins Ⅰ），具有蛋白激酶C的部分激动作用，在抗肿瘤方面有着发展前景。

（二）通过从分子生物学途径发现先导化合物

人体是由各种细胞、组织所形成的一个统一机体，经过各种生化反应和生理过程来调节机体的正常功能。研究这些生化反应和生理调节过程，是新药设计的靶点，也是先导化合物的源头之一。

分子生物学对药物发现的贡献是不断确立新的药物靶点，以发现具有选择性和新颖性新的先导化合物。我们人体的内源性活性物质除受体、酶外，还有各种神经系统及其释放的神经介质，如乙酰胆碱；有内分泌系统及其释放的调节物质，如胰岛素；有各种氨基酸，如γ-氨基丁酸；有各种多肽，如脑啡肽等等。体内这些活性物质的配体和自动调节控制过程的每一个环节都是药物设计的靶点，可视为广义的先导化合物，提出药物设计的新思路。

5-羟色胺是个神经递质，主要存在于肠、脑和血小板中。临床试验证明5-羟色胺与偏头痛有密切关系，所以，以5-羟色胺作为先导物，创制选择性地激动5-HT1受体的药物，是寻找治疗偏头痛病的目标。将5-羟色胺的5位羟基进行结构改造，改为氨甲酰基，发现该化合物对5-HT1受体的激动作用强于5-羟色胺2倍，进一步结构改造，在羰基与苯环之间插入亚甲基，氮原子被甲基化，其激动活性更高，再将羰基被磺酰基代替，将3位侧链的伯胺基变换成二甲氨基，得到舒马普坦，该化合物可选择性作用于5-HT1受体，具有特异的治疗效果和良好的口服利用度。

（三）通过随机机遇发现先导化合物

在药物化学发展历史中，通过偶然事件或意外发现发展了先导化合物和新药的例子很多。青霉素的发现就是典型的事例。1929年，英国医生Fleming发现已接种金黄色葡萄球菌的平皿被霉菌所污染，污染物邻近的细菌明显遭到溶菌。他联想到可能是霉菌的代谢产物对金黄色葡萄球菌有抑制作用，因此把这种霉菌放在培养液中培养，其培养液有明显的抑制革兰阳性菌的作用。从此揭开了青霉素研究的序幕。

心血管药物普萘洛尔是β-受体拮抗剂，但却是在研究β-受体激动剂时意外发现的。异丙肾上腺素是常用的β-受体激动剂，由于儿茶酚结构易氧化，在对其进行结构改造时，将3，4-二羟基除去，肾上腺素能活性降低，但当3，4-羟基用氯取代后得到3，4-二氯肾上腺素，可以阻断拟交感神经递质的兴奋心脏等作用，是部分肾上腺素受体阻断剂。进一步用萘环替代苯环，得到丙萘洛尔，几乎没有肾上腺素能作用，是完全的阻断剂，但有致癌副作用。改变氨基醇侧链，在芳环和β碳原子插入次甲氧基，并将侧链从萘环的β位移至α位，成为芳氧丙醇胺类的普萘洛尔。普萘洛尔不仅没有β-受体激动作用，反而具β-受体拮抗作用，是第一个应用于临床的β-受体拮抗剂。研究发现，芳氧丙醇胺类比苯乙醇胺类对β-受体作用更强，由此，进一步研究开发了以普萘洛尔为代表的几十个芳氧丙醇胺类β-受体拮抗剂，在心血管药物中占有重要的地位。

（四）从代谢产物中发现先导化合物

大部分药物在体内代谢的结果主要是失活和排出体外。但有些药物却发生代谢活化或产生其他新的作用，转化为保留活性、毒副作用小的代谢物，这样的代谢产物可成为新的先导化合物。研究药物代谢过程和发现活性代谢物是寻找先导化合物的途径之一。

最经典的例子是磺胺类药物的发现。偶氮化合物百浪多息在体外抑菌实验中无活性，但注射到动物体内可以抑制葡萄球菌的感染。研究发现百浪多息在体内经肝脏细胞色素P450酶代谢成活性代谢物磺胺，成为基本抗菌药物。以磺胺为先导化合物，以磺胺的对氨基苯磺酰胺为基本母核，将磺酰胺氮上的氢以各种杂环取代，由此曾开发出五十多种磺胺类抗菌药。

通过药物代谢的研究常常可发现活性更强，或毒性降低的药物，这种例子也是比较多的。比如抗抑郁药丙咪嗪在体内发生N-去甲基化，代谢成地昔帕明，后者的活性强于丙咪嗪，因而成为新抗抑郁药。

（五）通过从临床药物的副作用或者老药新用途中发现新药

通过观察某些药物的副作用，以现有药物为先导物，开发出具有新治疗作用的药物，也有很多成功的例子。

通过对不相关的活性研究发现新的药理作用。如对利尿药氯噻嗪的作用研究中发现其可以抑制Na+的再吸收而产物利尿作用，并且可以直接作用于肾脏血管，在对氯噻嗪结构进行改造后，得到具钾离子通道开放作用的药物二氮嗪。

通过观测某一类药物的副作用，研究开发出多种作用类型的新药。异丙嗪是抗过敏药，研究其构效关系时发现，将支链的异丙基用直链的丙基替代时，抗过敏作用下降，而精神抑制副作用增强，由此启发找到了新的先导化合物氯丙嗪，通过进一步对氯丙嗪的取代基、侧链、三环分别进行改造设计，不仅开发出吩噻嗪类抗精神病药物，还开发出三环类抗抑郁药。

米诺地尔直接作用于血管平滑肌，使外周动脉舒张，临床用于降低血压。然而，长期服用会促使毛发生长，尤其于头面部旺盛，其机制是开启钾离子通道。

（六）从药物合成的中间体中发现先导化合物

某些药物合成的中间体由于与目的化合物结构上有相似性，应具有类似的药理活性，是发现新的先导物的途径之一。如早期在寻找抗结核药物时，Fox设计了异烟醛与硫代氨基脲缩合合成硫代缩氨脲的衍生物的合成路线。

在研究过程中将合成过程的中间体异烟肼同时进行药理活性实验，发现异烟肼的抗结核活性超过目的物，故放弃对目的物的研究，将异烟肼推上临床。

另一个典型的例子是抗肿瘤药物环胞苷的发现。阿糖胞苷是干扰DNA合成的抗肿瘤药物，由于给药后会在肝脏迅速被胞嘧啶脱氨酶催化脱去氨基，生成无活性的尿嘧啶阿糖胞苷，故作用时间很短。阿糖胞苷是以D-阿拉伯糖为起始原料，经多步反应生成环胞苷，再用氨水开环得到。后来发现其中间体环胞苷不仅具有较强的抗肿瘤作用且副作用轻，而且在体内代谢速度比阿糖胞苷慢，故作用时间长，可用于各种白血病的治疗。

（七）通过计算机辅助药物筛选寻找先导化合物

随着生物信息学和化学信息学的发展，利用计算机辅助药物筛选，又称为虚拟筛选（Virtual screening），对数据库进行搜索发现有可能成为先导物的化合物。

计算机辅助设计是药物设计的新热点，目前已经成为一种不可缺少的独立的研究方法。通常，当获得受体大分子的三维结构以及与药物结合部位的信息后，可以采用计算机分子模拟技术，分析受体与药物结合部位的性质，如静电场、疏水场、氢键作用等位点的分布，分析药效团的模型，运用数据库搜寻与受体作用位点相匹配的分子，可快速发现新的先导化合物。

在计算机辅助药物筛选操作过程中，是要寻找在药效、选择性、药代动力学性质、理化性质、毒性等方面均适合发展为新药的一系列化合物的代表结构。为了使所搜寻的化合物符合上述标准，操作过程的第一步需要用二维或多维的描述符表述结构特征（图24-1），这些描述符可以是拓扑学的描述符，也可以是三维的药效团描述符。

图24-1　虚拟筛选的操作过程

第二步是在相关的数据库进行高通量的筛选，往往被搜寻出的化合物高达数以万计。并不是所有搜寻出的化合物都符合先导化合物的标准，所以要用一些“过滤软件”对其进行合理性的筛选，不断缩小命中的范围，最后得到有希望的目标物。

（八）通过其他的方法得到先导化合物

1.组合化学

组合化学（Combinatorial chemistry），是近十几年才发展起来的新合成技术与方法。组合化学利用自动化的合成仪，新的合成思路，快速合成数目巨大的化学实体。同时配合高通量筛选（high-throughput screening，HTS），为发现和优化先导化合物提供了新的途径，高通量筛选是以随机筛选和广泛筛选为基础的，实际已成为寻找新先导化合物的高效率方法。利用组合化学库结合高通量筛选寻找药物先导化合物，是近年来新药研究中的一个热点。

组合化学的方法起源于固相多肽合成，固相合成的特点是将反应物连接于树脂上，反应的中间体不必分离和纯化，只需用适当的溶剂洗涤以除去过剩的原料、副产物和催化剂等，最后用化学方法将目的物从树脂上切割下来。

组合化学最初主要用在核酸和多肽的合成，把一些简单分子如各种氨基酸、单糖、核苷酸或有机小分子等作为构键模块（Building Block），设计不同的排列组合方式及连接顺序把它们连接起来。这一合成过程多在特殊的含有48孔或96孔的组合合成仪中，通过一次加料同步合成。该法的特点是可同时制备大量的结构多样的分子，建立庞大的化合物库。

组合化学的合成方法有固相合成和液相合成，设计组合合成方法时可以平行地合成，也可以系统地合成，或混合地进行合成。

2.反义寡核苷酸

反义寡核苷酸（Antisenseoligo　nucleotides，ASON）是发现先导化合物新的途径之一，Izant等人于1984年首次提出反义寡核苷酸技术。是根据核酸间碱基互补原理，利用一小段外源性的人工或生物合成的特异互补RNA或DNA片断，与靶细胞中的mRNA或DNA通过碱基互补结合，通过这种寡核苷酸链抑制或封闭其基因的表达。与反义寡核苷酸相似的是反义DNA，是用一小段人工合成的约8～23碱基组成的脱氧核苷酸单链，与靶mRNA以形成碱基配对的DNA-mRNA杂交链，封闭了某一特定基因片段。

目前这种技术在抗病毒和抗肿瘤药物等以核酸为靶点的药物中有不少成功的例子。如以乙型肝炎（HBV）病毒的DNA为靶位，设计反义DNA，抑制HBV的复制而治疗乙肝。1995年Korba首次针对HBV的C区、S区和前S1区基因而设计合成的反义DNA，可显著抑制HBV在细胞培养系统中的复制和表达。2001年Robaczewska通过静脉给药，证实反义DNA可选择性地抑制北京鸭乙型肝炎病毒在鸭肝脏中的复制和表达。

由于合成后的未修饰的反义DNA不能用于临床治疗，对核酸酶的抵抗力较弱，还需克服体内的稳定性差和不易透过细胞膜，与靶序列的亲和力较低等许多问题故以合成的反义DNA先导化合物，对其进行化学修饰。常用修饰的方法是对磷酸二酯键进行硫代修饰或对磷酸修饰等。在核糖的5'端、3'端偶联某些基因或某些具有高级结构的核酸片段，还能较好地增强其抑制HBV复制的效果。另外可对碱基的杂环进行修饰，引入亲脂性基团或改变其电负性使其易透过细胞膜等等。

3.综合技术平台

目前最快速的发现先导化合物的途径是被各国称为综合技术平台的方法，简单说就是用液相串联质谱（LC MS/MS）作为化合物的分离和分析结构的工具，与药理学、组合化学的高通量筛选、计算机辅助设计、分子生物学、受体（酶）学以及化学基因组学等学科结合起来，可迅速而大量地确定具有不同活性的药物基本母核作为先导化合物。化学基因组学是近年发展的基因组与药物设计的相交叉的学科，基本思路是基于靶标活性部位的抑制剂的设计及合成。目前，随着人类基因组的研究，大量的疾病相关基因被发现，使得药物作用的靶标分子急剧增加，为药物设计开辟了广阔前景。

综上所述，发现药物先导化合物的途径很多，可以从天然活性产物发现，也可以通过传统药物化学方法发现。目前新的途径是通过生物信息学研究发现，还能用计算机辅助进行虚拟筛选等等。这些方法共同的特点是基于药物的分子的多样性（diversity），互补性（complementarity）和相似性（similarity）。