一、引言

这篇文章使有机化学研究不断增长的需求越来越突出，它使基于碎片的新药研发方法成为可能。这里，我们提出两个经常被问到的问题：一个好的分子碎片，它的化学特征是什么？在基于碎片的新药研发中，有机合成是一个限制的因素吗？

基于碎片的新药研发方法，作为生产新型化学先导化合物和新药的一项技术，在制药公司，生物技术公司和研发机构中得到广泛运用。通过此方法得到的超过20种化合物，已经在临床上进行评估和验证，例如布拉夫激酶抑制剂，威罗菲尼两个针对癌症晚期的药物正被推出。

二、区分FBDD特性

FBDD和其他发现的方法，比如高效筛选（HTS），的基本区别是在筛选文库中单个分子时小尺寸的，标准分子量在140-230g/mol。这是FBDD的主要优势和挑战。小尺寸意味着更利于化学空间内的取样，回带来更高的命中率，并且识别的机会导 力越弱。毫分（mM）或微分（μM）亲和力是普遍的，这通常需要敏感的生物物理筛选方法（例如，X-ray,NMR,ITC,SPR），而不是生物鉴定。X射线晶体衍射现在被广泛用来阐明碎片分子结合相互作用，也允许在碎片-引导阶段（此时亲和力增加到nM级）复杂化合物的重复设计。

在我们的实验中，对于FBDD所需要的化学过程和支持传统的药物发现方法在两方面是不同的，它们都需要新的合成研究方法论：

（1）新碎片的设计和合成

（2）根据X射线晶体结构，将mM或弱的μM级碎片加工进nM级部分。

三、FBDD的化学挑战

1. 尽管许多像碎片分子的小尺寸、简单以及商业可用性，仍然有迫切需要来设计和合成不具有商业可用性和表1所显示的更多的碎片。

2. 使用比碎片筛选的方法更优越的实验计算的方法从许多不同的生长点来合成出详尽的碎片是可能。这样会增加成功的机会在碎片到领导优化的阶段。

3. 来描述碎片的化学性质方法之一是规则三，12年前介绍的并且在片段库设计里面有一些其它有影响力的文章。我们所找到的有用的性质在表1中列出来了。这些中的许多很容易计算或者推测比合成的要优越，并且我们经常计算亲油性和分子质量在决定哪一个碎片加到我们的库之前。

4. 作为例证，Scheme 1显示了一个已经发表的合成一个外消旋的二氢异喹啉酮，它满足了很多作为有价值的碎片碰撞的条件，包括MW（分子质量）=177 g·mol-1，cLogP（亲油性）=0.32。Rh III催化的C-H键功能化提供了从市场可以买到的试剂在2步内得到亲油性的二氢异喹啉酮的方法。通过层析法分离异构体。

5. 一个对于FBDD重要的考虑是，在三维上从碎片合成可得到的生长载体的可行性。在Scheme 1上的方法从这个角度来看是引人注目的，因为它可能包含了在相关的结构上的取代基，在Scheme 1中用灰色的箭头标出来了。然而，为了使它更符合FBDD，我们将会发行一种方法，它包含了在生成碎片时存在极性基团时的合成关键。在实践中，大家都会去解决实验研究方法在一个FBDD计划中，但是这导致了延迟。当然，其他生长的载体也被暗示了并且用蓝色的箭头标出来了，包括OH和NH基团。这可能包含了一个巨大的可得到的化学空间以及阐明了筛选这么一种碎片的优点。

6. 另一个对片段的最优化的考虑是密切相关的，实际可用的探测片段蛋-白结合相互作用的化合物的有效性。我们注意到最近重要的出版物涉及到scheme1设计了方法学在芳环中引入氮原子（通过N氧化剂），并使用设计的金属酶或者手性Ru催化剂在非对称碳上实现手性现象，并且通过调整Ru催化剂的立体性质来实现特定选择的合成。研究C-H键功能化和末期在氨基和其他极性基团的存在下加卤化，是非常有用并提供了潜在的精巧片段的合成。

7.和更大更复杂的化合物的合成相比，第一次出现的片段挑战性要少一些。然而，实验过程中片段的设计与合成比原先的预期要求要高。之后看来，有以下原因：

● 由X射线确定的片段的设计通常要求化学家设计合适的合成方法，转化到片段中心;

● 缺乏合成一种包含取代基，但不破坏之间相互作用力的载体的方法

● 整合难度高，3D结构，立体控制和区域选择性控制，无法制定新的合成路线;

● 没有含多个杂原子和极性氢键功能兼容片段的合成方法;

● 优选片段水溶性高，还有极性官能团（氢键基团，例如胺，醇，酰胺，等等）可分别用于筛选和结合成键，（表1）。发现这种极性片段分离困难

● 要求保留与药品相似的物理化学性质。

8. 最近的一批被选择的在Astex合成的33个片段需要13种不同的反应类型。这个与可选择方法比较，这个方法是基于一个或两个最适的化学转化和不同的起始原料（涉及到化合物库的合成）来合成几种化合物，并且他支持这个观点：医药化学家在制药工业使用广泛的不同有机转化用于药物发现。

四、结合药效

药效团这个术语指的是一种配体和它的目标蛋白质（或大分子）之间的相互作用。简单的说，一个片段可以被表示为有药效功能的同时，药物分子可能对靶蛋白有nm级的亲和力，这是从3 个药效功能产生的这种亲和力。图1显示了一些通过X-射线晶体学实验确定的片段药效团，很多已经是公开在蛋白质数据库（PDB库）中了。由特定的蛋白片段结合药效的知识已应用在靶片段设计上。结合药效往往是由极性相互作用驱动的，并且人们已经发现，大多数片段的结合是熵驱动的，虽然焓和熵的精确的平衡往往是复杂和难以预测。为了最大限度地发挥小片段的优势，我们往往避免多个片段，因为这样的片段可以向远端分离的药效，并应通过简单的例子表示出来。

红色：重点

蓝色：创新点

五、阐述毫米或弱毫米的片段到纳米引线

片段精细化阶段的目标是增加几个数量级的结合亲和力，导致选择性的化学工具或候选药物，适合临床试验的进展。一个重要的方面是设计和合成的化合物，通过检查的X-射线晶体结构的片段和它的蛋白质靶点的相互作用的化合物的设计和合成。从我们的经验中所采取的六个例子如图2所示。这些都是从项目，所有导致药物的候选人进展为临床前发展或临床试验。每个这些片段被确定通过X-射线晶体筛选，并具有至少一个氢键与蛋白质。通过检查的片段，蛋白结合，它是可能的，以确定潜在的新的相互作用，从而增加亲和力从弱毫米到纳米引线显示。

这种“精确合成”的方法是由实验结合模式的片段和现代的计算设计方法的指导。[ 17 ]许多的历史例子在图2中的向量是直接从合成的角度来看，但这并不总是这样的情况下。一些例子需要定制的综合论述，只选择沿向量与每个蛋白的结合作用后检查目标。这需要大量的实验延迟FBDD。我们经常是由于缺乏合成方法的限制（如图2B和C），这可能是越来越多的情况更困难的药物的目标是在未来进行筛选。

我们观察到，一些好的先例（通常市售）片段也已经有了许多合成矢量工作但有一个风险，没有更多的研究，科学家们对这些碎片FBDD也没有进行深入研究。发现化学药品和具有挑战性的目标，如蛋白质，蛋白质相互作用的目标，我们希望看到更多的原始片段发表的合成方法，使许多载体来发展。此外，我们希望合成方法允许在所有可能的生长载体片段阐述生物实验已有之前片段的筛选。这种情况需要科学界的重大投资，发展化学。在我们的经验中，合成的有机化学往往是在片段的阐述阶段率限制，因为合成的方法还没有建立。

当面对一个筛选活动的片段点击次数，考虑因素，以选择最佳的优化片段包括：结合相互作用，配体效率指标，[ 11 ]潜在的亲和力增加，药物相似性，和批判性，可获得性的综合可访问的载体为新的结合口袋。我们注意到上述所提到的化学挑战，需要一个不同的思维定势与复杂的天然产物的合成。对于片段，我们需要合成的方法，通过多个生长位置，在极性基团的存在下，也允许未来的功能化，。

图2、六个例子示出了一个片段与弱的毫米结合亲和力和相应的铅与纳米的亲和力不同的药物发现目标。在片段中所涉及的关键组蛋白结合的相互作用是红色的。这些例子包括两激酶（A）和（D），一个伴侣蛋白（B）、天冬氨酸蛋白酶（C）、蛋白质–蛋白质相互作用（E），和一个新的变构位点（F）。

六、三维度

化学法合成具有3D模型的碎片在当前有很大的兴趣，特别是用于牢固的生物的目标，比如蛋白质-蛋白质相互作用。Sp3杂化碳能增加用于碎片生长的载体的数量和范围。在该领域出版的原型使用多样性定向合成法(DOS)用于3D碎片合成，结合结构以及具有几何多样性的立体结构使得载体生长多样化，同时保持分子量小于300 g.mol-1。这种方法是值得注意的，因为它表明了多样性定向合成(DOS)与基于碎片的药物发现(FBDD)并不是竞争性技术。这里也有一些其他计划合成3D碎片，其中包括那些基于天然产物的举措。我们欢迎任何能合成新奇的类似碎片分子的方法，这种新奇分子保留了碎片的取样优点，并且能提供一系列用于以后细化的可用的合成载体。在我们实验室里，增加处于优化阶段的碎片的3D性是很常见的，甚至没有手性中心的碎片也可以采用3D或者手性构象，当这个碎片与蛋白质靶分子连接时。当设计新的碎片时，我们应注意优先选取它的3D性能。这就提出了有机合成的另一个挑战：在合并形状的同时要保留小碎片的尺寸。

七、结论

有机合成是FBDD的主要支持科学，并且是许多经过临床评估的候选药物发现的关键。然而，随着FBDD领域的演变，它挖掘了更专业的有机化学的需求。这篇论文是一个促进化学研究的号以及对多样碎片分子设计与合成的投资。

指导方针，基于我们的实验，碎片的化学性能展现在表1里。我们着重与更多的不同碎片的合成需求，氢键药效基团在多重支架里表达的同时保持着小尺寸(分子量范围140-230g.mol-1)。我们也强调了化学方法的需求，允许细化的可用的合成载体进入碎片-引导阶段。我们也被最近化学合成上的突破鼓舞，例如，选择性的C-H活化是与碎片细化高度相关的，因为它提供了可能性，使碎片在生长时不会打乱与碎片-蛋白质键合的极性官能度。

我们鼓励学术化学家去发展联系着处于碎片中的极性官能团的合成方法学，以及FBDD的从业人员去发展关于碎片化学性能的创意。

FBDD的化学挑战

目标

1． 要设计合成非商业化的片段

2． 理想上用方法学在不同的生长载体上合成3D的片段

两个重要的考虑：

1. 3D上的由片段合成生长载体的可行性（这两个不知道对不对）

2. 密切相关的，现成的化合物探测，片段-蛋白结合作用

挑战

1． 需要设计特定的合成

2． 缺少方法学

3． 没有合成路线难以结合诸多因素

4． 达到需求的难以合成分离

5． 需要保有与Druglikeness相称的物化性质

Library design

In analogy to the rule of five, it has been proposed that ideal fragments should follow the 'rule of three' (molecular weight < 300, ClogP < 3, the number of hydrogen bond donors and acceptors each should be < 3 and the number of rotatable bonds should be < 3). Since the fragments have relatively low affinity for their targets, they must have high water solubility so that they can be screened at higher concentrations.

Druglikeness

From Wikipedia, the free encyclopedia

Druglikeness is a qualitative concept used in drug design for how "druglike" a substance is with respect to factors like bioavailability. It is estimated from the molecular structure before the substance is even synthesized and tested. A druglike molecule has properties such as:

1.Solubility in both water and fat, as an orally administered drug needs to pass through the intestinal lining after it is consumed, be carried in aqueous blood and penetrate the lipid-based cell membrane to reach the inside of a cell. A model compound for the lipophilic cellular membrane is 1-octanol (a lipophilic hydrocarbon), so the logarithm of the octanol/water partition coefficient, known as LogP, is used to predict the solubility of a potential oral drug. This coefficient can be experimentally measured or predicted computationally, in which case it is sometimes called "cLogP".

2.Potency at the biological target. High potency (high value of pIC50) is a desirable attribute in drug candidates, as it reduces the risk of non-specific, off-target pharmacology at a given concentration. When associated with low clearance, high potency also allows for low total dose, which lowers the risk of idiosyncratic drug reactions.[1][2]

Several scoring methods can be used to express druglikeness as a function of potency and physicochemical properties, for example ligand efficiency and lipophilic efficiency.

3.Since the drug is transported in aqueous media like blood and intracellular fluid, it has to be sufficiently water-soluble in the absolute sense (i.e. must have a minimum chemical solubility in order to be effective). Solubility in water can be estimated from the number of hydrogen bond donors vs. alkyl sidechains in the molecule. Low water solubility translates to slow absorption and action. Too many hydrogen bond donors, on the other hand, lead to low fat solubility, so that the drug cannot penetrate the cell membrane to reach the inside of the cell.

4.Molecular weight: The smaller the better, because diffusion is directly affected.[citation needed] The great majority of drugs on the market have molecular weights between 200 and 600 Daltons, and particularly <500;[3][4] they belong to the group of small molecules.

Substructures that have known chemical or pharmacological properties. For example, alkylnitro compounds tend to be irritants, and Michael acceptors, such as enones, are alkylating agents and thus potentially mutagenic and carcinogenic.[5]

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d7f7d65a680203d8ce2f24e6.html