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解鎖新藥物發(fā)現(xiàn)的密碼 | 基于電離常數(shù)的化學(xué)基因組分析方法

更新時(shí)間：2023-07-24 點(diǎn)擊次數(shù)：940

簡介

為了提高藥物發(fā)現(xiàn)過程的效率，藥物化學(xué)家廣泛應(yīng)用化學(xué)基因組學(xué)原理來定制合成或篩選工作，從而使候選分子與其靶點(diǎn)相匹配。將化合物空間與靶標(biāo)空間相關(guān)聯(lián)已經(jīng)促進(jìn)了這一領(lǐng)域的許多研究，在目前的研究中，通過在大量的化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集中專門探索分子酸堿性質(zhì)對生物活性的影響來擴(kuò)展這些研究。此外，我們還通過研究篩選化合物（包括 "天然產(chǎn)品 "組）的酸堿性質(zhì)來補(bǔ)充這些分析。

分子中存在的酸性和堿性官能團(tuán)是化學(xué)基因組學(xué)中的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗鼈儠?huì)強(qiáng)烈影響分子的理化性質(zhì)，如親油性和水溶性，反過來，這些因素又會(huì)影響化合物在生物系統(tǒng)中的行為，即受體相互作用以及吸收、分布、代謝、排泄和毒理學(xué)（ADMET）。酸/堿性質(zhì)對ADMET特性影響的具體例子包括酸性化合物傾向于表現(xiàn)出更高的血漿蛋白結(jié)合力，從而影響分布容積，而堿性化合物則傾向于通過磷脂中毒和蛋白通道結(jié)合等機(jī)制表現(xiàn)出更大的毒性。

在配體的雜合性與分子量（MW）和分配系數(shù)（logP）等特性之間建立聯(lián)系時(shí)。更大和更親脂的分子有可能與不止一個(gè)靶點(diǎn)相互作用，電荷狀態(tài)也可能對非靶點(diǎn)選擇性起作用，因此，電離常數(shù)從根本上關(guān)系到化合物的行為方式及其整體的類藥物特性。此外，酸電離常數(shù)（pKa）值和電離狀態(tài)對藥物制劑有重要影響，尤其是在化合物需要在溶液中給藥的情況下。在影響水溶性的主要因素中，極性是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，但它需要與適當(dāng)?shù)挠H脂性相平衡，才能使分子穿過膜并與特定的大分子相互作用。受體相互作用同樣需要藥物官能團(tuán)與大分子結(jié)合部位的官能團(tuán)互補(bǔ)。總之，電荷狀態(tài)和電離常數(shù)深深地影響藥物的性質(zhì)，因此需要進(jìn)一步研究藥物的酸/堿特性。

為了更深入地了解藥物的酸堿性質(zhì)，我們研究了已上市藥物的pKa分布。然而，這一項(xiàng)工作僅探討了當(dāng)代藥物，將其擴(kuò)展到更廣泛的化合物將是有益的。

本研究檢查藥物、對于藥物的化學(xué)基因組和篩選出的化合物的酸堿特征，對他們進(jìn)行三個(gè)層次的分析。通過化合物的統(tǒng)計(jì)以確定具有可電離官能團(tuán)的化合物，并將這些物質(zhì)分類。可電離化合物的pKa值以圖表的形式顯示，包括單一酸和單一堿化合物。總之，我們希望能夠就篩選化合物或研究化學(xué)品是否符合藥物的酸堿特性提出問題。該研究旨在提高我們對酸堿特征及其對生物活性的基本影響的認(rèn)識(shí)。

實(shí)驗(yàn)部分

藥物數(shù)據(jù)集是來自新墨西哥大學(xué)（Albuquerque, NM, USA）的內(nèi)部收集。剔除了不含碳的化合物、含重金屬的化合物、鹽類、聚合物、混合物以及分子量（MW）大于1000Da的物質(zhì)，剩下3766種化合物。這些化合物代表了歐洲、亞洲和美國已批準(zhǔn)使用的當(dāng)代臨床使用的單一物質(zhì)。

商用化合物數(shù)據(jù)庫選自ZINC數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含超過107種商用化合物的信息。ZINC數(shù)據(jù)庫提供了從完整數(shù)據(jù)庫中根據(jù)計(jì)算性質(zhì)（如MW、logP、氫鍵供體/受體數(shù)量、可旋轉(zhuǎn)鍵的數(shù)量和PSA）推導(dǎo)的子集。

對以下ZINC子集進(jìn)行了檢測：

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由6676776個(gè)化合物組成的 "類藥物供應(yīng)商清潔 "子集。該子集由ZINC數(shù)據(jù)庫通過篩選得到。這些過濾器結(jié)合了各種 "類藥物 "標(biāo)準(zhǔn)，包括以下限制條件：logP≤5、MW≤500和MW>150、可旋轉(zhuǎn)鍵<8、PSA<150和H鍵受體數(shù)量<10。一組條件用于從藥物化學(xué)的角度排除某些不需要的官能團(tuán)（如酸鹵化物、磷烷、硫氰酸鹽、過氧化物、醛等）
供應(yīng)商清潔先導(dǎo)化合物 "子集包含1716660個(gè)化合物，可用于早期發(fā)現(xiàn)研究，以確定有用的先導(dǎo)化合物。這些化合物具有以下特征：ClogP<3.5，MW<350，可旋轉(zhuǎn)鍵≤7，但不包括ClogP≤2.5，MW≤250，可旋轉(zhuǎn)鍵≤5的化合物。
"天然產(chǎn)品 "數(shù)據(jù)集包含來自七個(gè)供應(yīng)商的89398個(gè)化合物。這些化合物由供應(yīng)商指定為天然來源或天然產(chǎn)物的衍生物。天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集中化合物分別來自InterBioScreen（俄羅斯莫斯科）、Molecular Diversity Preservation International（MDPI；瑞士巴塞爾）、TimTec（美國德克薩斯州紐瓦克）、AmbInter（法國奧爾良）、Indofine（美國新澤西州希爾斯伯勒）、Specs & BioSpecs（荷蘭代爾夫特）和AnalytiCon Discovery（德國波茨坦）。應(yīng)考慮 "天然 "的定義，因?yàn)檫@是由供應(yīng)商決定的。

化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)庫WOMBAT用于生成作用于一系列大分子靶類的生物活性化合物列表。Instant JChem用于化合物搜索和文件處理。研究了以下目標(biāo)類別：天冬氨酰蛋白酶、半胱氨酸蛋白酶、G蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）-生物胺、GPCR-大麻素、GPCR-類核苷酸、GPCR-肽、GPCR-類固醇、GPCR-其他（A類）、GPCR-B類、GPCR-C類、整合素、配體門控離子通道、電壓門控離子通道、離子通道-其他、金屬蛋白酶、核激素受體、酪氨酸激酶、激酶（非酪氨酸）、氧化還原酶、氧合酶、磷酸二酯酶、絲氨酸蛋白酶和轉(zhuǎn)運(yùn)體。此外，一組未指定靶標(biāo)的化合物被歸入 "未知 "組。總共研究了24個(gè)化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集。對每個(gè)數(shù)據(jù)集都進(jìn)行了過濾以減少列表的大小。去除分子量＞1000的大分子化合物，對特定靶點(diǎn)的效力小于1 mm的化合物被剔除。

對于每個(gè)數(shù)據(jù)集，都遵循以下程序

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A. 確定了含有永*久電離的官能團(tuán)（如季氮原子）的化合物。在本分析中，這些分子被歸類為 "始終電離"，因此未估算這些化合物的pKa值。

B. 使用Marvin軟件預(yù)測每種化合物的pKa值，并使用pKa數(shù)據(jù)將化合物分為 "始終電離"、"可電離 "和 "中性"。我們的分類系統(tǒng)基于以下內(nèi)容：具有pKa <0的酸性基團(tuán)或pKa >12的堿性基團(tuán)的化合物被添加到始終離子化物質(zhì)列表中。PKa >10的酸性基團(tuán)或pKa <0的堿性官能團(tuán)被視為中性。pKa值在0-10之間的酸和pKa值在0-12之間的堿被歸類為可電離物質(zhì)。Marvin軟件能夠?qū)⑦@些pKa值估計(jì)到一個(gè)對數(shù)單位之內(nèi)。用于定義酸和堿的可電離基團(tuán)的pKa范圍是在與經(jīng)驗(yàn)豐富的藥物化學(xué)家和藥物開發(fā)人員討論后選擇的。這一決定與我們對pKa值的考慮不謀而合，即pKa值應(yīng)接近人體內(nèi)的pH值。此外，pKa范圍還與藥物制劑領(lǐng)域的pH值相關(guān)。

C. 使用內(nèi)部算法結(jié)合pKa計(jì)算進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)搜索，以確定整個(gè)數(shù)據(jù)集中每個(gè)可電離基團(tuán)的身份。

D. 簡單兩性溶解物是含有一個(gè)酸性和一個(gè)堿性官能團(tuán)的化合物。通過考慮官能團(tuán)的pKa值，可將這些化合物進(jìn)一步劃分為普通兩聚物和齊聚物。如果酸性官能團(tuán)的pKa值大于堿性官能團(tuán)的pKa值，則被視為普通兩性溶解物。同樣，如果酸性基團(tuán)的pKa值小于堿性基團(tuán)的pKa值，則定義為齊聚物。根據(jù)每種簡單兩聚物的pKa值確定普通兩聚物和齊聚物的比例。

結(jié)果與討論

生物活性化合物的電離狀態(tài)強(qiáng)烈影響其在生物系統(tǒng)中的行為--該化合物如何與目標(biāo)結(jié)合位點(diǎn)相互作用，或如何在水環(huán)境和脂質(zhì)環(huán)境之間分離。化合物的實(shí)際電離狀態(tài)取決于局部環(huán)境的pH值，雖然通常接近中性（~7.4），但pH值范圍很廣。例如，在腸道內(nèi)，pH值從1到8不等，而在配體結(jié)合位點(diǎn)的微環(huán)境中，官能團(tuán)的pKa可能會(huì)受到兩個(gè)單位或更多單位的干擾。因此，酸性和堿性行為的意義并不是簡單的電離狀態(tài)研究，它還必須包括藥物發(fā)現(xiàn)過程中遇到的一系列生物制藥情況。

當(dāng)代藥物

選擇經(jīng)過批準(zhǔn)的藥物數(shù)據(jù)集來代表當(dāng)代治療分子。這個(gè)精心策劃的數(shù)據(jù)集由美國、歐洲和亞洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的藥物組成，從制藥和醫(yī)學(xué)的角度來看，可以被認(rèn)為是具有國際意義的。

在本研究中，我們對藥物數(shù)據(jù)集進(jìn)行了過濾，保留了所有含碳物質(zhì)，并剔除了含有重金屬、鹽類、混合物、聚合物以及分子量>1000的化合物。預(yù)測了每個(gè)分子的pKa值，并將化合物分為電荷狀態(tài)類別：始終電離（6.3%）、中性（20.2%）、單酸（14.2%）、二酸（3.5%）、單堿（27.8%）、二堿（10.1%）、簡單兩元化合物（含有一種酸和一種堿的化合物；9.5%）和復(fù)雜化合物（8.4%；表1，圖1 a）。圖1b, c顯示了藥物數(shù)據(jù)集中單酸和單堿化合物的pKa分布。

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圖1.a) 獲準(zhǔn)用于人體（藥物）的小分子藥物的酸/堿類別細(xì)分。酸/堿類別包括始終離子化（pKa<0的酸、pKa>12的堿和帶永*久電荷的化合物）、中性化合物、單酸物質(zhì)、單堿物質(zhì)、含兩個(gè)酸性基團(tuán)的化合物、含兩個(gè)堿性基團(tuán)的化合物、簡單的兩性化合物（一個(gè)酸性基團(tuán)和一個(gè)堿性基團(tuán)）以及其他酸性基團(tuán)和堿性基團(tuán)的復(fù)雜組合。含有b)單個(gè)酸性基團(tuán)和c)單個(gè)堿性基團(tuán)的化合物的pKa分布。pKa值被劃分為單個(gè)對數(shù)單位范圍。直方圖柱高表示為化合物總量的百分比。

最常見的酸性基團(tuán)是羧酸、雜環(huán)氮原子、羥肟酸、酚類和磺酰胺，共占酸性基團(tuán)的93.5%。出現(xiàn)頻率較低的酸是磷酸鹽、酰亞胺、硫酸鹽、碳酸、四唑、氨基甲酸酯、醇、酸性酰胺、酸性苯胺、酰肼和硫醇。最常見的堿性基團(tuán)是脂肪族胺、胍、脒、苯胺、堿性酰胺和雜環(huán)氮原子。

圖2和圖3顯示了屬于這些類別的藥物實(shí)例。有趣的是，超過60%的藥物只有一個(gè)或沒有可電離的官能團(tuán)。對含有一個(gè)堿性基團(tuán)的化合物的pKa值分布進(jìn)行回顧后發(fā)現(xiàn)，pKa值低于6.0的單一堿很少（圖1 c）。對于單一含酸物質(zhì)，pKa值在5-8范圍內(nèi)的酸性官能團(tuán)非常少（圖1b）。這與缺乏pKa值在此范圍內(nèi)的酸性官能團(tuán)有關(guān)--兩種最常見的酸性官能團(tuán)的典型pKa值分別為：羧酸鹽3.5-5，酚7.5-10.5。

表1.

化學(xué)基因組學(xué)和篩選化合物數(shù)據(jù)

集中化合物的電荷狀態(tài)類別。

化學(xué)基因組學(xué)和篩選化合物數(shù)據(jù)集

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WOMBAT數(shù)據(jù)庫包含了30多萬個(gè)化合物，其相關(guān)的靶標(biāo)生物活性數(shù)據(jù)是從同行評議的文獻(xiàn)中精心篩選出來的。我們對每組化合物進(jìn)行了篩選，以選出在濃度為1 mm或更低時(shí)具有活性的化合物，并設(shè)定了截留分子量。在估算pKa值后，將化合物歸入電荷狀態(tài)類別。配體酸堿性質(zhì)的化學(xué)基因組學(xué)分析以前沒有進(jìn)行過。

ZINC數(shù)據(jù)庫是一個(gè)虛擬庫，包含了100多個(gè)供應(yīng)商提供的可購買的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其開發(fā)目的是為了方便對接實(shí)驗(yàn)。在本研究中，我們采用了ZINC數(shù)據(jù)庫中的三組化合物來代表可用于生物篩選的化合物。這些數(shù)據(jù)集經(jīng)過了ZINC數(shù)據(jù)的預(yù)過濾，剔除了不適合藥物化學(xué)的化合物。最大的數(shù)據(jù)集來自包括主要供應(yīng)商的660萬個(gè)市售篩選化合物，被稱為 "Vendors-clean "集。這些化合物的一個(gè)較小的子集主要根據(jù)低分子量和親油性進(jìn)行篩選，被稱為 "Vendors-clean leads "集。最后，對天然產(chǎn)物集進(jìn)行了評估，這些化合物被供應(yīng)商自己歸類為天然產(chǎn)物或天然產(chǎn)物的衍生物。

圖 2. 中性、始終電離、單一酸和二元酸類化合物示例

化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集的酸堿特性

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表1總結(jié)了藥物、化學(xué)基因組學(xué)和篩選化合物數(shù)據(jù)集的電荷狀態(tài)類別。表2和表3提供了含單酸和單堿化合物這兩類最大化合物pKa分布的詳細(xì)信息。在我們的分析中，最小的數(shù)據(jù)集包含1000多種化合物，而大多數(shù)數(shù)據(jù)集包含2000多種物質(zhì)。在本文中，我們選擇了四個(gè)化學(xué)基因組家族來對比其酸堿性質(zhì)的差異。這些靶標(biāo)是G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs；生物胺、核苷酸和肽受體）、三個(gè)蛋白酶家族（天冬氨酰、半胱氨酸和絲氨酸）、激酶（酪氨酸和非酪氨酸）和離子通道（配體門控、電壓門控和其他種類）。

圖4 a顯示了三個(gè)GPCR家族的電荷狀態(tài)類別。值得注意的是，這些靶標(biāo)主要識(shí)別含堿化合物。GPCR生物胺數(shù)據(jù)集包含20 712種化合物，其中50%以上具有單一堿性基團(tuán)，主要由脂肪族胺和堿性雜環(huán)氮原子組成。相比之下，同一數(shù)據(jù)集中只有4種化合物含有單一酸性基團(tuán)。天冬氨酸殘基是識(shí)別相關(guān)（神經(jīng)）遞質(zhì)堿性氨基的關(guān)鍵，因此堿性基團(tuán)所占比例較高。相比之下，肽和核苷酸受體確實(shí)能識(shí)別一些中性和酸性化合物。圖4b顯示了含單一堿基化合物的概況。值得注意的是，核苷酸GPCR配體顯示出與肽和生物胺GPCR配體截然不同的特性。

圖5顯示了蛋白酶實(shí)例的概況，說明了各類蛋白酶之間的細(xì)微差別。有趣的是，絲氨酸蛋白酶中含有大量pKa值高于8.0的堿性基團(tuán)的化合物。這些堿性基團(tuán)（主要是脒基和堿性雜環(huán)氮原子）的存在與功能基團(tuán)與蛋白質(zhì)（如因子Xa）的S1口袋相互作用的需要相吻合。

激酶類化合物以含有一個(gè)或兩個(gè)堿性基團(tuán)的化合物為主（54%）。圖6顯示，無論是堿性基團(tuán)還是酸性基團(tuán)，在生理pH值下完全電離的化合物都很少（即pKa值低于6.0的酸和pKa值高于9.0的堿）。同樣，pH值為7.4時(shí)帶電的官能團(tuán)也很少，這與結(jié)合位點(diǎn)的氫鍵要求一致。

圖 3. 單堿基、二堿基、簡單兩性化合物和復(fù)雜化合物類別中的化合物示例

最后，我們比較了配體門控、電壓門控和其他離子通道（圖7）。這些化合物主要是單堿基或二堿基，但31%的電壓門控通道配體是中性的，23%的 "其他 "類化合物是單酸（主要是弱酸，如苯酚）。配體和電壓門控通道中pKa值高于7.0的堿性化合物比例分別為55.3%和64.4%，而 "其它 "離子通道中僅有14.4%的單堿基在此范圍內(nèi)。

化學(xué)基因組學(xué)旨在增加我們對小型有機(jī)化合物如何與生物系統(tǒng)相互作用和擾動(dòng)生物系統(tǒng)的了解。如果能將這些知識(shí)轉(zhuǎn)化為用于篩選目的的定制化合物集，那么我們就能實(shí)現(xiàn)改進(jìn)藥物發(fā)現(xiàn)方法的目標(biāo)。從上面的分析可以清楚地看出，每一類配體都具有不同的酸堿分布。圖8顯示了已知靶標(biāo)家族的23個(gè)化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集的主成分分析（PCA）圖，采用化合物類別、兩性溶解物比例和pKa分布數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，揭示了靶標(biāo)家族的聚類。PCA的載荷（附錄1，Supping Information）顯示，PC1與堿基pKa分布數(shù)據(jù)以及普通兩性離子和齊聚兩性離子的比例相關(guān)。酸性化合物位于圖譜的上部區(qū)域。PC2與電荷狀態(tài)類別數(shù)據(jù)以及部分酸pKa分布數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，堿性化合物位于左下象限。酸或堿基團(tuán)較少的化合物類別位于右下象限。

在該分析中，GPCR生物胺由于具有相似的單堿基pKa分布而靠近轉(zhuǎn)運(yùn)體（主要是單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體配體）。配體門控離子通道和電壓門控離子通道也聚集在一起。PDE和激酶配體通常模擬嘌呤，這種分組反映了這些化合物的雜環(huán)性質(zhì)。GPCR前列腺素組、GPCR核苷酸組、整合素組、金屬蛋白酶組和核受體組與其他組分開，反映了特定功能基團(tuán)的高比例。例如，金屬蛋白酶配體含有可與活性金屬（如鋅）結(jié)合的特定官能團(tuán)（最常見的是羥肟酸）。與此類似，GPCR前列腺素配體也以羧酸為主。

表2. 含單一酸性官能團(tuán)化合物的pKa分布表

表3. 含單一堿性官能團(tuán)化合物的pKa分布

圖 4. a）GPCR配體的化合物類型概覽

b）含有單一堿性官能團(tuán)的化合物的pKa分布

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圖 5. a) 蛋白酶配體的電荷狀態(tài)類別概覽。含有b)單個(gè)酸性官能團(tuán)和c)單個(gè)堿性官能團(tuán)的化合物的pKa分布圖

篩選化合物的酸堿性質(zhì)

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目前的藥物發(fā)現(xiàn)在很大程度上依賴于篩選技術(shù)。在過去的十年中，商業(yè)供應(yīng)商提供了大量的化合物，并對藥物和先導(dǎo)化合物的理化性質(zhì)進(jìn)行了大量的分析，但是對篩選化合物的酸堿性質(zhì)的系統(tǒng)分析還沒有發(fā)表過。在本節(jié)中，我們分析了ZINC數(shù)據(jù)庫中 "供應(yīng)商-類藥物"、"供應(yīng)商-清潔先導(dǎo)化合物 "和 "天然產(chǎn)物 "集的酸堿性質(zhì)。

與藥物和化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集一樣，我們估算了篩選化合物集（供應(yīng)商-類藥物、供應(yīng)商-清潔先導(dǎo)物和天然產(chǎn)物）的pKa值，并將其分為電荷態(tài)類別（表1-3）。圖9顯示了篩選化合物集的電荷狀態(tài)類別，并將其與藥物數(shù)據(jù)集進(jìn)行了比較。最明顯的是，與藥物相比，所有篩選集的中性化合物比例更高，總是電離或可電離基團(tuán)的化合物更少。供應(yīng)商-類藥物集和供應(yīng)商-清潔引線集彼此非常相似，這是可以理解的，因?yàn)楣?yīng)商-清潔引線是更大的商用化合物集的一個(gè)子集。藥物數(shù)據(jù)集中包含了相當(dāng)一部分（6%）永久離子化的化合物，這些化合物在供應(yīng)商數(shù)據(jù)中基本不存在，在天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集中僅占1.4%。完全中性化合物占所有篩選化合物的40%以上，但只占藥物的20%。單酸類，特別是二酸類化合物在供應(yīng)商集中的比例較低，盡管這些化合物在天然產(chǎn)物集中的比例相當(dāng)高。與此形成鮮明對比的是，單堿基在篩選集中的比例接近藥物中的比例，盡管天然產(chǎn)物集中的單堿基比例略低，而供應(yīng)商集中的單堿基比例略高。所有篩選集中的二堿基和兩聚物的數(shù)量僅為藥物中的三分之二。其余類別的復(fù)雜化合物約占藥物的8%，但只占天然產(chǎn)物的4.1%和篩選化合物的1.5%。

為了進(jìn)一步突出篩選化合物和藥物組之間的差異，圖9b、c顯示了單酸和含單堿化合物的pKa分布（表2）。圖9b顯示，與藥物和天然產(chǎn)物集相比，篩選化合物供應(yīng)商有更多pKa值高于6.0的酸。在這種情況下，只有41%的單酸藥物pKa值高于6.0，而供應(yīng)商數(shù)據(jù)集的這一比例為82%。藥物和天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集中pKa值在3-5之間的單酸所占比例相當(dāng)大，而這些單酸在供應(yīng)商數(shù)據(jù)集中所占比例較小。圖9 c顯示了當(dāng)代藥物和篩選化合物集（表3）的單一堿基pKa分布之間的主要差異。供應(yīng)商化合物集以 pKa 值低于5.0的弱堿為主，而藥物集則有很大一部分pKa值在7-10之間。天然產(chǎn)物集介于這兩個(gè)集之間。

單純兩性溶解物約占藥物數(shù)據(jù)集的10%。兩聚物可定義為普通兩聚物（酸性官能團(tuán)的pKa值高于堿性官能團(tuán)）或齊聚兩聚物（相反）。在普通兩聚物中，化合物的中性種類在等電點(diǎn)占主導(dǎo)地位，而在齊聚物中則存在雙電荷種類。表4列出了藥物、化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集和篩選化合物中普通和齊聚物的比例。在藥物簡單兩性溶質(zhì)中，齊聚物占了近一半，但在篩選化合物中發(fā)現(xiàn)95%以上的兩性溶質(zhì)為普通兩性溶質(zhì)（表4）。化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集顯示，存在的兩性離子數(shù)量以及普通兩性離子和齊聚物的比例存在很大差異。最值得注意的是，30%以上的整合素的數(shù)據(jù)集是兩性溶質(zhì)，而且?guī)缀跞渴驱R聚物。

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圖 6. a) 激酶配體的電荷狀態(tài)類別概覽。含有b)單個(gè)酸性官能團(tuán)和c)單個(gè)堿性官能團(tuán)的化合物的pKa分布。

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圖 7. a) 離子通道配體的電荷狀態(tài)類別概覽。含有b)單個(gè)酸性官能團(tuán)和c)單個(gè)堿性官能團(tuán)的化合物的pKa分布圖

該分析表明，藥物和篩選數(shù)據(jù)集的酸堿構(gòu)成存在很大差異。我們有理由相信，這種差異主要是由篩選化合物的合成和供應(yīng)過程造成的。供應(yīng)商公司受制于化合物的合成可得性和成本。因此，化合物的理化性質(zhì)受到快速合成必要性的強(qiáng)烈影響。一項(xiàng)對醫(yī)藥化學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，他們傾向于制備可溶于有機(jī)溶劑的中性分子，并在純化過程中容易從有機(jī)溶劑中結(jié)晶出來。

高通量方法鼓勵(lì)減少合成步驟（即避免化學(xué)反應(yīng)性、可電離基團(tuán)的保護(hù)和去保護(hù)）和易于純化的化合物（例如，眾所周知，在硅膠柱上難以純化的齊聚物）。包括穩(wěn)定性在內(nèi)的其他因素可能會(huì)減少某些官能團(tuán)的數(shù)量；例如，胺類化合物在儲(chǔ)存過程中容易氧化。考慮到這些因素，可以理解的是，篩選化合物中(a)中性化合物較多，(b)普通兩性化合物較多，(c)pKa<7的酸較少，(d)pKa>7的堿較少。一些化合物供應(yīng)商最近提供的產(chǎn)品開始包含更多種類的藥物化學(xué)家友好型物質(zhì)，同時(shí)還出現(xiàn)了基于靶標(biāo)的產(chǎn)品系列。

天然產(chǎn)物歷來是藥物和藥物線索的重要來源，通常被認(rèn)為比純合成篩選的化合物更像藥物。一組天然產(chǎn)物的性質(zhì)與藥物相似，但它們具有更多的可旋轉(zhuǎn)鍵、立體中心和更高的分子量。盡管天然產(chǎn)物可能帶來任何優(yōu)勢，但由于處理這些化合物的復(fù)雜性，制藥行業(yè)已普遍減少在篩選中使用天然產(chǎn)物。在我們的分析中，我們發(fā)現(xiàn)天然產(chǎn)物組明顯不同于其他篩選化合物，它們具有藥物的某些特征。盡管ZINC天然產(chǎn)物集含有大量的中性化合物，但與篩選化合物相比，它還包括更高比例的復(fù)雜可電離化合物（始終電離、簡單和復(fù)雜化合物）以及更多的齊聚物化合物。與篩選化合物相比，單酸和單堿的pKa分布更接近于藥物。總的來說，天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集不能被認(rèn)為與藥物的特征非常吻合，但它確實(shí)包含了藥物pKa分布的一些特征。該分析也可與Feher和Schmidt產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一起使用，F(xiàn)eher和Schmidt研究了藥物、天然產(chǎn)物和組合化學(xué)化合物的各種理化性質(zhì)。

圖 8. 化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集的主成分（PC）1 和 2 的得分圖。主成分的載荷見 "輔助信息"。PC1 和 PC2 分別與堿和酸的 pKa 值相關(guān)。酸性基團(tuán)比例較高的數(shù)據(jù)集一般位于圖譜的右上方，而堿性化合物占多數(shù)的數(shù)據(jù)集則位于圖譜的左下方。

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圖 9. a) 藥物、化合物供應(yīng)商（Vendors-clean、供應(yīng)商-清潔線索）和天然產(chǎn)品數(shù)據(jù)集之間電荷態(tài)類別的差異對比。b) 含有單一酸性或單一堿性官能團(tuán)的化合物的 pKa 分布：藥物、化合物供應(yīng)商（Vendors-clean、供應(yīng)商-清潔線索）和天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)集。

表 4. 存在于藥物、化學(xué)基因組和篩選數(shù)據(jù)集中的普通和齊聚物兩性溶質(zhì)的比例

表5. 化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集和篩選化合物庫中存在的酸性官能團(tuán)

表6. 化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集和篩選化合物庫中存在的基本官能團(tuán)

功能集團(tuán)

哪些官能團(tuán)對藥物和篩選化合物的酸堿性質(zhì)負(fù)責(zé)？表5和表6顯示了對藥物、化學(xué)基因組和篩選數(shù)據(jù)集的分析。表5和表6顯示，對于藥物來說，最主要的酸性基團(tuán)是羧酸（17%）、酚類（8%）、雜環(huán)（4%）和磺胺（3%），而最重要的堿是脂肪胺（29%）、雜環(huán)胺（28%）和苯胺（5%）。

化學(xué)基因組數(shù)據(jù)集揭示了酸堿特性的巨大多樣性，反映了結(jié)合位點(diǎn)對配體酸堿特性的影響。例如，整合素和GPCR類原生質(zhì)集之間具有極高比例的羧酸；GPCR核苷酸和激酶非酪氨酸集具有高比例的酸性雜環(huán)氮原子，而且引人注目的是，金屬蛋白酶集一半以上含有羥肟酸（表1）。最后，核受體數(shù)據(jù)集顯示酚酸的比例較高，而酚酸在很大程度上是雌激素配體。在所有這些情況中，特定官能團(tuán)的高比例可以通過考慮其大分子結(jié)合位點(diǎn)的性質(zhì)來合理解釋。例如，金屬蛋白酶組中羥肟酸的高比例與該基團(tuán)需要與酶內(nèi)的鋅原子結(jié)合有關(guān)。值得注意的是，相對于藥物數(shù)據(jù)集，供應(yīng)商篩選集合中的羧酸和酚類都很缺乏，分別只有~3%和2%。

對堿性基團(tuán)的分析也提供了配體與其結(jié)合位點(diǎn)之間的類似聯(lián)系。整合素配體具有較高比例的堿性脒基和胍基（表6）。絲氨酸蛋白酶數(shù)據(jù)集偏愛脒基，而半胱氨酸蛋白酶數(shù)據(jù)集富含苯胺基。酪氨酸激酶配體含有大量堿性雜環(huán)氮原子。有幾類配體含有較高比例的脂肪胺：GPCR胺、GPCR肽、GPCR A類其它和轉(zhuǎn)運(yùn)體。在后一種情況下，這些大分子的天然配體的基團(tuán)與化學(xué)基因組中的脂肪胺之間存在著明顯的聯(lián)系。在藥物組和篩選組中，含有脂肪族胺的化合物比例再次出現(xiàn)明顯差異，分別為29%和2%。

結(jié)果與討論

結(jié)論

藥物的酸性和堿性基團(tuán)是大部分藥物/受體相互作用的主要識(shí)別元素。在化學(xué)基因組類別中觀察到的特定酸性和堿性官能團(tuán)的聚集就證明了這一點(diǎn)，例如在GPCR類前列腺素配體中羧酸基團(tuán)占優(yōu)勢。

配體與其結(jié)合位點(diǎn)之間的酸堿互補(bǔ)性在很大程度上決定了藥物設(shè)計(jì)者所期望的親和力。配體的酸堿性質(zhì)也是親脂性的基本決定因素，親脂性對生物制藥性質(zhì)（ADMET）和非靶標(biāo)活性都有很大影響。藥物設(shè)計(jì)者還需要注意強(qiáng)離子化化合物可能會(huì)導(dǎo)致以下開發(fā)問題：吸收和分布不良、血漿蛋白結(jié)合力過高、hERG通道親和力明顯、磷脂中毒和制劑前景不佳。酸/堿特性也深深影響著制劑考慮因素和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，在藥物發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域進(jìn)一步了解電荷狀態(tài)和pKa值有可能提高效率。

本研究的主要重點(diǎn)是比較藥物、化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集和篩選化合物的酸堿特征。具體來說，我們詳細(xì)描述了電荷狀態(tài)類別、單酸和單堿化合物的pKa分布、普通和齊聚物的比例，并確定了每個(gè)數(shù)據(jù)集的可電離官能團(tuán)。我們發(fā)現(xiàn)藥物和篩選化合物的特征存在差異，例如，在篩選化合物集中pKa值高于7.0的堿性化合物很少。此外，中性化合物在篩選化合物集中占主導(dǎo)地位，其數(shù)量是藥物數(shù)據(jù)集的兩倍。由于藥物發(fā)現(xiàn)是以靶點(diǎn)為導(dǎo)向的，我們還研究了23個(gè)化學(xué)基因組學(xué)數(shù)據(jù)集，以提供這些蛋白質(zhì)家族的酸堿概況。這些數(shù)據(jù)集顯示了酸/堿譜的巨大多樣性，反映了其結(jié)合位點(diǎn)的要求。這項(xiàng)工作是在我們以前研究藥物pKa譜的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

鑒于酸堿性質(zhì)對藥物行為的深刻影響，在藥物發(fā)現(xiàn)過程中考慮電荷狀態(tài)和pKa值具有深遠(yuǎn)的意義。特別是，篩選化合物的選擇非常重要，因?yàn)樗鼈兊倪x擇會(huì)影響命中率效率和后續(xù)的優(yōu)化過程。在選擇化合物之前對其進(jìn)行過濾的目的是避免將不適合測試或進(jìn)一步化學(xué)處理的分子納入其中。化合物篩選通常考慮化合物的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)多樣性、毒性或其他不受歡迎的官能團(tuán)。盡管人們意識(shí)到要平衡酸堿的比例，但在篩選化合物時(shí)對pKa分布的考慮卻較少關(guān)注。例如，阿斯利康公司用于基于片段篩選的兩個(gè)文庫。這兩個(gè)文庫被選擇為包含1:1:4的陽離子/陰離子/中性比例，以中性化合物為主。在pH值為7.0的條件下，我們的藥物數(shù)據(jù)集的酸性定義為pKa低于7.0，堿性定義為pKa高于7.0，結(jié)果陽離子/陰離子/中性的比例為2:1:2.5。

我們認(rèn)為在篩選化合物時(shí)需要考慮pKa分布以及酸性和堿性官能團(tuán)的多樣性。如果不注意這一點(diǎn)，那么化合物將反映供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫的酸堿特征，并將明顯偏離藥物特征，或者更重要的是，偏離特定化學(xué)基因組家族的一般需求。可以說，通過模仿已知藥物和靶點(diǎn)的特征，發(fā)現(xiàn)將偏向于以前探索過的化學(xué)生物學(xué)。然而，通過在篩選方案中加入特定的酸/堿信息，而不是僅僅使用簡單的性質(zhì)篩選，有可能選擇出成功概率更大的化合物，從而提高化學(xué)基因組初篩的成功率。

我們進(jìn)行這項(xiàng)研究的主要目的是提供信息，擴(kuò)大藥物設(shè)計(jì)者考慮的理化性質(zhì)的廣度。我們認(rèn)為這將有助于篩選出高質(zhì)量的化合物，并突出酸堿性質(zhì)在藥物開發(fā)中的普遍影響。

而對于生物活性物質(zhì)以及設(shè)計(jì)出的新藥的pKa，在數(shù)據(jù)庫中不能找到類似數(shù)據(jù)的情況下，需要我們對它們的pKa進(jìn)行準(zhǔn)確的測量來評估其在生物體內(nèi)的ADMET。基于這個(gè)目的下，銳拓重磅打造，歷時(shí)24個(gè)月研制的NCE P3 能完美解決這一問題。

物化參數(shù)分析儀

NCE P3

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通過對藥物進(jìn)行酸堿滴定，對滴定過程中溶液pH以及光譜的變化進(jìn)行檢測確定滴定終點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)模型的輔助計(jì)算下得到樣品的pKa,利用藥物的酸堿性質(zhì)確定pKa的大小，能保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，因?yàn)樵诶糜?jì)算機(jī)預(yù)測pKa時(shí)，對于新型化合物基團(tuán)以及基團(tuán)間的相互影響不能進(jìn)行全面考慮，并且在藥物給藥后，體內(nèi)pH值的變化會(huì)影響藥物的pKa。這對藥物的pKa預(yù)測帶來一定誤差，影響藥物的后期開發(fā)。因此利用藥物的酸堿滴定，以酸堿滴定結(jié)果得到真實(shí)的pKa結(jié)果,并且在滴定過程中，我們可以改變?nèi)軇㏄H來模仿藥物進(jìn)入體內(nèi)后的不同pH值的環(huán)境，這能更好反映藥物的實(shí)際理化情況。為此NCE P3能預(yù)先設(shè)計(jì)不同的pH環(huán)境，更好的準(zhǔn)確檢測藥物的pKa,這能很好的滿足對藥物pKa的檢測，準(zhǔn)確預(yù)測藥物在體內(nèi)的理化性質(zhì)。