新農(nóng)藥研發(fā)進(jìn)展與趨勢

張立新

(沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142)

新農(nóng)藥研發(fā)進(jìn)展與趨勢

張立新

(沈陽化工大學(xué)， 遼寧 沈陽 110142)

介紹了新農(nóng)藥研發(fā)的進(jìn)展及趨勢；盡管全球農(nóng)藥市場銷售額持續(xù)增長，但由于對化合物的活性、選擇性和環(huán)境安全性指標(biāo)要求的提高而使得新品種研發(fā)的難度逐漸增加；隨著醫(yī)藥、農(nóng)藥研發(fā)方法的融合以及合成技術(shù)、生測手段的進(jìn)步，合理藥物設(shè)計，如基于結(jié)構(gòu)和基于配體的藥物設(shè)計方法的應(yīng)用，將會進(jìn)一步增強.

新農(nóng)藥研發(fā)； 合理藥物設(shè)計； 進(jìn)展； 趨勢

1 新農(nóng)藥研發(fā)的意義和必要性

人口、糧食、能源、環(huán)境是當(dāng)前擺在人類面前的突出問題.到2040年，世界人口預(yù)計將達(dá)到85億，其結(jié)果是有25億多的人口需要解決糧食問題.隨著世界人口的不斷增加，耕地面積的不斷減少，人類必須將世界上現(xiàn)有農(nóng)作物的產(chǎn)量再提高3倍，才能滿足人口增長對糧食的需要，而靠增加可耕地面積來增加糧食是非常有限的，主要手段還是要靠現(xiàn)代農(nóng)業(yè)整合最新科技，以改進(jìn)農(nóng)藥、種子、肥料、栽培技術(shù)和機械化水平來提高農(nóng)作物產(chǎn)量.據(jù)統(tǒng)計，目前全球使用農(nóng)藥后，每年仍有35 %的農(nóng)作物損失，如果離開農(nóng)藥，損失則高達(dá)70 %，因此，農(nóng)藥的重要性不言而喻.

由于病菌、害蟲、雜草種群的演替以及對農(nóng)藥抗藥性的產(chǎn)生，需要不斷研發(fā)新的農(nóng)藥品種來保護(hù)作物.同時，隨著全人類文明程度的提高，環(huán)境保護(hù)意識的不斷加強，高毒農(nóng)藥大量使用造成的負(fù)面影響已引起人們的廣泛關(guān)注.2007年國家全面禁止甲胺磷等5種高毒有機磷農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)上使用，2009年又禁止使用23種高毒農(nóng)藥，禁止和限制在蔬菜、果樹、茶葉、中草藥材上使用19種農(nóng)藥，這標(biāo)志著我國農(nóng)業(yè)植保進(jìn)入了高毒后時期.所以，在強調(diào)高活性的同時，高效低毒、安全性高的新農(nóng)藥品種是農(nóng)藥科研工作者開發(fā)的主要目標(biāo).

經(jīng)過50年的發(fā)展，農(nóng)藥的施用劑量已經(jīng)從20世紀(jì)60年代的平均1 kg/hm2降至當(dāng)前的平均10 g/hm2，這僅僅是以前施用量的1 %.造成這種農(nóng)藥應(yīng)用革命性突破的主要原因是一些優(yōu)秀農(nóng)藥品種的發(fā)現(xiàn)，如：磺酰脲類除草劑，煙堿類、魚尼丁類殺蟲劑，三唑類、丙烯酸酯類殺菌劑等.這些優(yōu)秀農(nóng)藥的問世在當(dāng)時幾乎都引起了新農(nóng)藥創(chuàng)制領(lǐng)域的世界性研發(fā)熱潮；一個具有全新結(jié)構(gòu)或全新作用機制的新農(nóng)藥品種在開發(fā)后，往往會迅速占據(jù)龐大的市場份額，并為其研發(fā)者帶來豐厚的利潤.

2 國內(nèi)外農(nóng)藥市場及研發(fā)現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)外農(nóng)藥市場現(xiàn)狀

(1) 國內(nèi)外農(nóng)藥市場增長迅猛：據(jù)英國Phillips McDougall公司不完全統(tǒng)計，2012年世界化學(xué)農(nóng)藥的銷售額大約為470億美元，而2011年這一數(shù)據(jù)約為440億美元；中國農(nóng)藥市場在2012年世界農(nóng)藥市場增長最快的20個國家里排在第10位，與2007年相比漲幅約為6 %.全球化學(xué)農(nóng)藥銷售額變化趨勢如圖1所示.

圖1 全球化學(xué)農(nóng)藥銷售額變化趨勢

(2) 全球新農(nóng)藥品種上市的數(shù)量逐漸減少：統(tǒng)計1998年到2013年公開的新農(nóng)藥品種ISO通用名數(shù)量，可以看出最近10余年投入市場的新農(nóng)藥品種數(shù)量的總趨勢是減少的.以年代進(jìn)行劃分統(tǒng)計，20世紀(jì)80年代、90年代的年均推出新品種數(shù)目分別為12.3個、12.7個，21世紀(jì)前10年年均品種為10.3個.1998～2013年新農(nóng)藥品種獲得ISO通用名的數(shù)量及變化趨勢如圖2所示.

圖2 1998～2013年新農(nóng)藥品種獲得ISO通用名的數(shù)量及變化趨勢

造成這種現(xiàn)象的主要原因是：受到農(nóng)藥抗性、環(huán)保要求提高以及原料成本上漲的影響，發(fā)現(xiàn)一個高效農(nóng)藥有效成分的研發(fā)成本持續(xù)增長(從1995年的1.52億美元增長到2005年的2.56億美元)，并且需要篩選的化合物數(shù)量也在持續(xù)增加(從1995年的52 500個增長到2005年的140 000個).

(3) 全球農(nóng)藥研發(fā)總投入在不斷持續(xù)增長：據(jù)不完全統(tǒng)計，2011年全球部分農(nóng)藥企業(yè)的研發(fā)總投入是23.28億美元，2012年增至29.43億美元；其中大約1/3花費在研發(fā)新品種上，1/3在登記后開發(fā)，1/3在新品種開發(fā)和監(jiān)管方面.圖3為世界14家主要農(nóng)藥公司在2011年及2012年的研發(fā)投入狀況.

圖3 世界14家主要農(nóng)藥公司在2011年及2012年的研發(fā)投入狀況

2.2 國內(nèi)外新農(nóng)藥研發(fā)現(xiàn)狀

2.2.1 新農(nóng)藥創(chuàng)制的特點

新農(nóng)藥創(chuàng)制具有周期長、投資大、成功率低、風(fēng)險高等特點.在西方發(fā)達(dá)國家，一個新農(nóng)藥品種從高活性化合物發(fā)現(xiàn)直至商品化通常需要10年時間，需要合成和篩選至少140 000個化合物(年成功率：1956，1/1 800；1964，1/3 600；1970，1/8 000；1972，1/10 000；1977，1/12 000；1980，1/20 000；1995，1/52 500；1999，1/80 000；2000，1/139 429；2005～2008，1/140 000)，耗資2.56億美元(1995，1.52億美元；2000，1.84億美元；2005～2008，2.56億美元).而在目前，僅有科學(xué)技術(shù)非常發(fā)達(dá)的美國、英國、德國、法國、瑞士、日本等國家才完全具備研制新農(nóng)藥品種的綜合實力和水平.新農(nóng)藥創(chuàng)制在某種程度上也反映出該國的科學(xué)技術(shù)水平，因此，全球公認(rèn)新農(nóng)藥創(chuàng)制研究不僅難度大、周期長，而且風(fēng)險高——有任何不符合人類安全、環(huán)境生態(tài)安全的問題，就會前功盡棄，利潤大——若研制成功，不僅收回投資，還有豐厚回報.因此，該研究領(lǐng)域的競爭十分激烈.圖4為國外某跨國公司研發(fā)一個新農(nóng)藥品種的研發(fā)費用總體構(gòu)成，其中創(chuàng)制一個新農(nóng)藥品種的研究費用就已達(dá)到0.85億美元，占研究開發(fā)總費用(2.56億美元)的1/3.

圖4 國外某跨國公司研發(fā)一個新農(nóng)藥品種的研發(fā)費用總體構(gòu)成

圖5為日本農(nóng)藥公司的明星產(chǎn)品——殺蟲劑氟蟲酰胺(魚尼丁類殺蟲劑)的研發(fā)歷程.氟蟲酰胺是日本農(nóng)藥公司于1998年研制，并于2007年上市的鄰苯二甲酰胺類殺蟲劑.最早Tsuda 博士于1989 年在日本大阪府立大學(xué)報道了一系列吡嗪二酰胺類化合物，代表化合物具有一定的殺菌活性及除草活性，并以其為除草劑申請了日本專利；之后日本農(nóng)藥公司以該化合物為先導(dǎo)，繼續(xù)研究以期獲得活性更好的除草劑；在1993年新化合物篩選期間，意外發(fā)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)全新的化合物——鄰苯二甲酰胺類化合物，雖然該類化合物對其他種類的害蟲，例如半翅目，沒有殺蟲活性，且殺蟲活性并不令人滿意，但其作用機理獨特，化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎；日本農(nóng)藥公司以該類化合物作為二次先導(dǎo)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在1993～1998年間共合成數(shù)千個鄰苯二甲酰胺類化合物進(jìn)行生物活性測試、篩選，并通過構(gòu)效關(guān)系研究，最終于 1998年發(fā)現(xiàn)了氟蟲酰胺.從1989年對吡嗪二酰胺類化合物開始研究到1993年先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了4年；從1993年先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)到1998年氟蟲酰胺的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了5年；從1998年氟蟲酰胺的發(fā)現(xiàn)到2007年上市，經(jīng)歷了9年，前后共計18年的時間，才成功完成了氟蟲酰胺的商品化.由此可見一個作用機理獨特、化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎的新農(nóng)藥品種的成功開發(fā)周期之長；然而其市場回報也是極其豐厚的，據(jù)報道，氟蟲酰胺僅在2014年的全球年銷售額就已達(dá)到5.3億美元.

圖5 氟蟲酰胺研發(fā)歷程

2.2.2 新農(nóng)藥創(chuàng)制的研發(fā)流程和研發(fā)策略

國內(nèi)外從事新農(nóng)藥創(chuàng)制的研發(fā)機構(gòu)都有各自一套大同小異的研發(fā)流程.一般而言，按照工作的性質(zhì)可將其專業(yè)分為：化學(xué)化工、農(nóng)學(xué)、生物學(xué)(包括分子生物學(xué)、基因組學(xué)等)、計算機與統(tǒng)計學(xué)、安全評價(毒理學(xué))、環(huán)境安全評價等；各專業(yè)之間互相配合，相互交錯，互相促進(jìn)與牽制.嚴(yán)密的程序是為了取得高效、優(yōu)質(zhì)的開發(fā)效果.按照開發(fā)時間順序來分，新農(nóng)藥品種自研制到最終商品化通常要經(jīng)歷以下4個階段：先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化(確立靶標(biāo)、離體及活體生測試驗)、前期開發(fā)階段(大田試驗、工藝研究、劑型研究、急性毒理試驗)、后期開發(fā)階段(車間生產(chǎn)、代謝和殘留研究、慢性毒理試驗)、登記上市.各個階段相互交叉，互為補充，也可同時進(jìn)行.值得注意的是，在新農(nóng)藥創(chuàng)制與開發(fā)的各個階段中，專利申請與布局始終貫穿全局，這為新產(chǎn)品的順利開發(fā)以及研發(fā)公司的利益最大化提供了強有力的法律保障.圖6為新農(nóng)藥創(chuàng)制的一般研發(fā)流程.

圖6 新農(nóng)藥創(chuàng)制的一般研發(fā)流程

目前世界上各大跨國公司采取的主流研發(fā)策略基本為全新結(jié)構(gòu)創(chuàng)新結(jié)合ME-TOO模式，而中小研發(fā)機構(gòu)則主要采取ME-TOO模式進(jìn)行研究(尤其是國內(nèi)企業(yè)).ME-TOO模式仍然是當(dāng)前快速發(fā)現(xiàn)高活性先導(dǎo)化合物行之有效的方法，因此,在各個公司之間，專利的快速跟蹤是極其普遍的現(xiàn)象.由于跨國公司在資源整合、市場開發(fā)推廣等方面具有一般中小企業(yè)難以企及的優(yōu)勢，因此在很多情況下，跨國公司研發(fā)的新產(chǎn)品往往可以取得后來者居上的效果[如杜邦公司在后研發(fā)的魚尼丁類殺蟲劑氯蟲苯甲酰胺，其市場份額(14.80億美元/年，2014)遠(yuǎn)優(yōu)于日本農(nóng)藥公司在先研發(fā)的同類殺蟲劑氟蟲酰胺(5.30億美元/年，2014)]；另外，一些以全新結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為主的日本中小公司(如組合化學(xué)、三井化學(xué)等)，由于能力不足或相關(guān)業(yè)務(wù)不熟悉，往往會在后期國際市場推廣中與跨國公司合作，共同開發(fā)新產(chǎn)品，實現(xiàn)雙贏，這點值得中國企業(yè)學(xué)習(xí)與借鑒.

2.2.3 中國新農(nóng)藥創(chuàng)制工作取得的成績與不足

新中國成立以來，我國的科研開發(fā)能力大大加強，我國的新農(nóng)藥創(chuàng)制工作也取得了令人矚目的快速發(fā)展，我國的農(nóng)藥科技創(chuàng)新平臺也初具規(guī)模.目前國內(nèi)參加新農(nóng)藥創(chuàng)制研究的主要單位有沈陽化工研究院、湖南化工研究院、浙江化工研究院、中科院上海有機化學(xué)研究所、南開大學(xué)、華東理工大學(xué)、華中師范大學(xué)、貴州大學(xué)、江蘇省農(nóng)藥研究所、上海市農(nóng)藥研究所、北京農(nóng)業(yè)大學(xué)、揚農(nóng)化工股份有限公司、大連瑞澤生物科技有限公司等.另外，據(jù)不完全統(tǒng)計，從“七五”(1985～1989年)以來，我國創(chuàng)制并已登記或生產(chǎn)的農(nóng)藥品種有50個，其中殺蟲劑14個，占28 %，殺菌劑25個，占50 %，除草劑8個，占16 %，植物生長調(diào)節(jié)劑3個，占6 %.在這50個農(nóng)藥品種中，其中“七五”期間創(chuàng)制的1個，占2 %，“八五”、“九五”(1990～1999年)期間創(chuàng)制的21個，占42 %，“十五”以后創(chuàng)制的28個，占56 %.

然而，同國外跨國公司相比，我國的新農(nóng)藥創(chuàng)制工作仍然存在著很大的差距，集中表現(xiàn)為：創(chuàng)制品種占市場份額大多比較少(目前尚無年銷售過億元人民幣或進(jìn)入國際市場的新藥)，國際市場影響力低；缺少具有獨特之處的品種，利潤率較低，即使是已經(jīng)獲得登記、開始銷售的品種，也往往因性價比或者產(chǎn)品特性等因素而銷售額較低，市場競爭力較差；農(nóng)藥公司小而分散，同國外大公司相比，缺少集團優(yōu)勢，市場競爭力差；農(nóng)藥創(chuàng)制人員經(jīng)驗不足(包括選題、研發(fā)流程、階段評估等)；部分創(chuàng)制新藥起點低，技術(shù)含量低；缺乏有創(chuàng)新經(jīng)驗的技術(shù)帶頭人.

3 新農(nóng)藥研發(fā)的變化趨勢

農(nóng)藥是與人類生存活動緊密相關(guān)的一類重要化學(xué)品.20世紀(jì)90年代以來，農(nóng)藥安全性的各項標(biāo)準(zhǔn)趨于嚴(yán)格化，并且隨著農(nóng)藥抗藥性壓力的不斷增大，淘汰了部分農(nóng)藥品種，也研發(fā)出了許多新品種投入市場，因而農(nóng)藥工業(yè)及農(nóng)藥市場一直處于不斷更新的動態(tài)發(fā)展中.在這種背景下，誰能夠把握發(fā)展趨勢，誰就能引領(lǐng)新農(nóng)藥創(chuàng)制開發(fā)的新潮流，進(jìn)而誰就能主宰農(nóng)藥市場.近年來，國內(nèi)外新農(nóng)藥研發(fā)顯示出下列趨勢，值得關(guān)注.

(1) 技術(shù)指標(biāo)要求的變化：從化學(xué)農(nóng)藥本身的發(fā)展趨勢而言，化學(xué)農(nóng)藥已進(jìn)入一個超高效、安全的新時代.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求新農(nóng)藥品種具有更高的活性或?qū)剐圆∠x草害有更優(yōu)良的活性、更高的安全性、更大的活性/毒性安全區(qū)間以及新穎的作用機制.

(2) 登記要求的變化：近年來，農(nóng)藥研發(fā)機構(gòu)面臨著一項重大的挑戰(zhàn)——部分老品種因不適應(yīng)當(dāng)前的技術(shù)指標(biāo)要求而不得不退市，而新品種登記的難度比以往更大，并且對安全的要求從對動植物本身的安全性轉(zhuǎn)而關(guān)注對整體環(huán)境的行為.然而，挑戰(zhàn)也帶來機會，特別表現(xiàn)在農(nóng)藥市場對具有新作用機制的新品種有著持續(xù)的需求；另外，產(chǎn)品的精細(xì)化、劑型的專業(yè)化、利潤率的空間增加以及研發(fā)過程的復(fù)雜化，使得公司之間更愿意協(xié)同合作.

(3) 生物技術(shù)(手段)的發(fā)展變化：由于生物技術(shù)的發(fā)展，曾幾何時，轉(zhuǎn)基因作物和草甘膦的搭配被認(rèn)為對農(nóng)藥市場有很大的沖擊，然而實踐證明，雜草對草甘膦也會產(chǎn)生抗性，因而，農(nóng)藥市場仍然需要新的化學(xué)活性分子以解決抗性問題.目前生物農(nóng)藥呼聲很高，其不僅迎合了公眾的偏好，也有著其自身的特點，如與化學(xué)農(nóng)藥相比可以在更接近收獲期使用；然而生物農(nóng)藥目前僅占世界農(nóng)藥產(chǎn)量很小的一部分，同時對大多數(shù)農(nóng)業(yè)有害生物的防治(生物農(nóng)藥防治譜較窄)，特別是大面積的快速防治仍然顯得無能為力，所以，當(dāng)前化學(xué)農(nóng)藥仍然是農(nóng)藥界的主力軍，而生物農(nóng)藥則與化學(xué)農(nóng)藥共用共存，互為補充.

(4) 農(nóng)藥創(chuàng)制與醫(yī)藥研發(fā)的技術(shù)交融：農(nóng)藥、醫(yī)藥同為化學(xué)活性分子，二者有著許多相似性和共同點，因而，醫(yī)藥和農(nóng)藥的研發(fā)技術(shù)、研發(fā)手段可以互相借鑒.這在國外跨國公司新藥研發(fā)過程中表現(xiàn)尤為明顯:首先，表現(xiàn)在合成/測試技術(shù)互相借鑒，如現(xiàn)代有機合成技術(shù)應(yīng)用、平行合成、自動合成、自動分離純化技術(shù)應(yīng)用、高通量篩選等；其次，農(nóng)藥創(chuàng)制與醫(yī)藥創(chuàng)制共用“設(shè)計-合成-測試-分析-設(shè)計”循環(huán)(DSTA cycle)模式；第三，借鑒醫(yī)藥研發(fā)的利平斯基五規(guī)則(bioavailability)應(yīng)用到農(nóng)藥研發(fā)的農(nóng)化五規(guī)則；利平斯基規(guī)則主要考量的是藥物在體內(nèi)的吸收即口服利用度，而農(nóng)化五規(guī)則主要考量的是農(nóng)藥活性成分在動植物環(huán)境土壤等之間的傳導(dǎo)吸收過程；第四，多晶型研究；晶型研究不僅關(guān)乎活性成分的溶解度，還關(guān)系到活性成分的穩(wěn)定性；在醫(yī)藥研發(fā)中申請晶型專利可以有效延長活性成分的法律保護(hù)期；晶型研究還關(guān)乎活性成分的持效期，醫(yī)藥需要較快的代謝出體外，例如理想的口服藥物是每天服用一次，而農(nóng)藥活性成分則需要較長的持效期以延長施藥間隔，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本.

(5) 合成技術(shù)的變化：一般合成農(nóng)藥分子常用的反應(yīng)主要包括經(jīng)典的雜環(huán)合成/還原氨化/酰胺化/格氏試劑/醚化等.隨著有機合成技術(shù)進(jìn)步，農(nóng)藥分子合成技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步和拓展，如金屬催化/有機小分子催化，特別是碳碳交叉偶聯(lián)反應(yīng)(Suzuki/Heck/Negishi/Stille等)以及手性合成技術(shù)在農(nóng)藥分子合成領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用.

4 新農(nóng)藥創(chuàng)制具體途徑與方法的變化趨勢

新農(nóng)藥品種自研制到最終商品化通常要經(jīng)歷前述4個階段，其中先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化是整個新農(nóng)藥創(chuàng)制的核心基礎(chǔ)，而尋找和研究先導(dǎo)化合物是新農(nóng)藥創(chuàng)制過程中的核心環(huán)節(jié).先導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的傳統(tǒng)方法通常有4種途徑：隨機篩選、農(nóng)藥文獻(xiàn)、天然活性物質(zhì)模擬、以配體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分子設(shè)計.近些年，隨著計算機輔助藥物設(shè)計(CADD)的興起，出現(xiàn)了一些新的研究方法，如基于受體結(jié)構(gòu)和基于配體的合理藥物設(shè)計，其中在醫(yī)藥研究中常見的骨架躍遷策略、虛擬篩選策略被認(rèn)為是在新農(nóng)藥創(chuàng)制中最具實效的研究策略.

4.1 傳統(tǒng)方法

(1) 隨機篩選.隨機篩選是最經(jīng)典的藥物篩選方式.它具有非定向性和廣泛性的特征.活性分子設(shè)計來源于已有的知識和經(jīng)驗，包括合成的可行性、原料和中間體的可供性、已研究過的各種化合物的生物活性等.隨機合成的重點放在新穎化學(xué)結(jié)構(gòu)方面，主要通過組合合成、中間體衍生化、亞結(jié)構(gòu)連接等方法.國外許多大的農(nóng)藥公司通常也采用從其它醫(yī)藥公司或高校購買化合物進(jìn)行篩選，以減少藥物開發(fā)成本.另外，隨機篩選往往通過一種或多種生物試驗手段篩選評價化合物.

(2) 農(nóng)藥文獻(xiàn).屬ME-TOO模式.通過了解最新的與農(nóng)藥相關(guān)的論文及專利，對具有生物活性的、結(jié)構(gòu)新穎的論文或?qū)＠写砘衔镞M(jìn)行合成，研究其作用特點，尋找和發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)新穎或具有新作用機制的先導(dǎo)化合物.

(3) 天然生物活性物質(zhì)模擬.自然界的生物種類繁多，在漫長的進(jìn)化過程中，產(chǎn)生了大量組成多樣、結(jié)構(gòu)不同的具有生物活性的天然物質(zhì)；其作用方式多種多樣，并具有較好的環(huán)境相容性.然而大多數(shù)天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易合成，對光不穩(wěn)定，或極易揮發(fā)，通常不能直接作為農(nóng)藥使用.天然活性物質(zhì)會給新農(nóng)藥分子設(shè)計提供許多有用的信息，通過對天然化合物結(jié)構(gòu)進(jìn)行大幅度的改變，有望開發(fā)出全新結(jié)構(gòu)的農(nóng)藥品種，是新農(nóng)藥創(chuàng)制研究中有效的途徑之一.據(jù)報道世界上至少有2 000種植物具有除草活性、殺蟲殺螨活性或殺菌活性.

(4) 以配體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分子設(shè)計.屬ME-TOO模式.對于靶標(biāo)結(jié)構(gòu)未知的抑制劑設(shè)計，可以根據(jù)眾多高活性抑制劑的結(jié)構(gòu)特點，通過模擬抑制劑的結(jié)構(gòu)，來發(fā)現(xiàn)新的抑制劑分子.類似于“從鑰匙到鑰匙”.這種方法在新醫(yī)藥、新農(nóng)藥的創(chuàng)制過程中得到了廣泛的應(yīng)用.

4.2 新方法

在研發(fā)伊始和研發(fā)過程中使用計算機輔助設(shè)計可以起到一定的指導(dǎo)作用，包括基于配體(靶標(biāo)未知)和基于結(jié)構(gòu)(靶標(biāo)已知)的藥物設(shè)計.常用的藥物設(shè)計軟件一般有FieldAlign/Stere、LigandScout、Discovery Studio、Schrodinger和MOE等.

(1) 以結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的分子設(shè)計.一般指建立在底物結(jié)構(gòu)已知或靶標(biāo)結(jié)構(gòu)已知基礎(chǔ)上的分子設(shè)計.建立在靶標(biāo)結(jié)構(gòu)已知基礎(chǔ)上的分子設(shè)計，是基于生物學(xué)上已知結(jié)構(gòu)的重要的酶或蛋白質(zhì)，即與天然配體或抑制劑結(jié)合位點的結(jié)構(gòu)是已知的.在該種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，對天然配體(或抑制劑)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的改變來檢驗這些變化對結(jié)合位點的影響.新設(shè)計的化合物作為此類抑制劑進(jìn)行生物測定，以期獲得新的酶抑制劑與酶結(jié)合位點的結(jié)構(gòu).該種方法在新醫(yī)藥創(chuàng)制領(lǐng)域已應(yīng)用多年，在某些藥物的研究開發(fā)中發(fā)揮了重要的作用.這種方法類似于“從鎖到鑰匙”.隨著對農(nóng)藥作用靶標(biāo)研究的深入，基于靶標(biāo)分子結(jié)構(gòu)的分子設(shè)計，將會在新農(nóng)藥創(chuàng)制方面得到越來越多的應(yīng)用.

(2) 藥效團理論指導(dǎo)的基于配體的藥物設(shè)計.很多藥物(特別是農(nóng)藥)靶標(biāo)(受體或酶)的三維結(jié)構(gòu)尚不清楚，但可以通過分析化合物分子的三維特征了解藥物與受體的作用點與方式.藥效團 (Pharmacophore)是分子中的一組能夠識別受體、并能形成分子生物活性的結(jié)構(gòu)特征，包括氫鍵供體、氫鍵受體、(部分)正負(fù)離子基團、芳環(huán)中心、疏水基團和親水基團等，在CADD中以不同顏色的區(qū)域來描述.藥效團的確定可以通過基于受體的結(jié)構(gòu)信息，分析受體與藥物分子間的相互作用，以推斷藥效團結(jié)構(gòu).在受體結(jié)構(gòu)未知或作用機制尚不明確時，對(一系列)化合物通過構(gòu)象分析、分子疊合等方法進(jìn)行歸納得到對化合物活性起關(guān)鍵作用的基團信息.藥效團可以用來判斷一個分子是否具有某一類的藥效特征，保留藥效團結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分子進(jìn)行簡化有可能依然保持生物活性.

(3) 虛擬篩選.用藥效團模型對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行虛擬篩選，將得到的Hits化合物進(jìn)行活性試驗篩選來發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)化合物，這是當(dāng)前CADD的重要應(yīng)用之一.目前主流的虛擬篩選軟件有Discovery Studio、Schr?dinger、MOE、Tripos等.圖7為虛擬篩選一般流程.

圖7 虛擬篩選一般流程

(4) 骨架躍遷.骨架躍遷是根據(jù)已有活性分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，設(shè)計與其骨架結(jié)構(gòu)不同，但活性相似或更好的新分子的一種方法.近年來在醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域在先導(dǎo)產(chǎn)生和先導(dǎo)優(yōu)化兩個方面都得到了廣泛的應(yīng)用.骨架躍遷實例如圖8所示.

圖8 骨架躍遷實例

在盡可能的前提下，首先判斷具有活性的化合物結(jié)合構(gòu)象，在保持結(jié)合構(gòu)象基團的前提下，對其中心部分用新的骨架進(jìn)行替換.通過骨架躍遷可以有效避開現(xiàn)有專利和改善化合物的理化性質(zhì).可以使用的CADD軟件有 Recore/MOE/Schrodinger/DS等.

(5)基于片段的藥物設(shè)計.基于片段藥物設(shè)計原理是篩選為數(shù)不多的小分子量“片段”以期尋找出不需較高活性的片段，然后通過融合、成長或連接這些有活性的片段成為高活性的先導(dǎo)化合物.這已成為新一代制藥行業(yè)發(fā)現(xiàn)新穎先導(dǎo)化合物的有力技術(shù)，但是在農(nóng)藥創(chuàng)制中的應(yīng)用尚未見文獻(xiàn)報道.由于小分子“片段”一般只有比較低的活性，如何設(shè)計試驗和選取靶點是關(guān)鍵.小分子“片段”定義會有所不同，但總的來說可以用三規(guī)則說明，即相對分子質(zhì)量Mr≤300, 油水分配系數(shù)clogP≤3和氫鍵供體HBD≤3.基于片段的藥物設(shè)計與HTS高通量篩選(Lipinski 五規(guī)則)相比獲得有活性片段的幾率大大增加.

4.3 分子理化性質(zhì)的指導(dǎo)意義

(1) 從類藥性-利平斯基五規(guī)則到類農(nóng)藥性-農(nóng)化五規(guī)則：利平斯基五規(guī)則是總結(jié)大量藥物分子得出的經(jīng)驗規(guī)則.利平斯基五規(guī)則是指：① 相對分子質(zhì)量<500; ② LogP<5; ③ 氫鍵供體 (NH與OH的總和)小于5個; ④ 氫鍵受體 (N與O的總和)小于10個.Veber加了另外一條規(guī)則：可自由旋轉(zhuǎn)的鍵小于10個，不符合規(guī)則會造成吸收不好和生物利用度低 (針對口服藥物).對于農(nóng)藥活性成分而言，分子的理化性質(zhì)影響著化合物的滲透性和傳導(dǎo)能力，也影響其殘留和代謝.農(nóng)藥所需要的理化性質(zhì)因作用對象和使用方式(例如土壤處理或葉面噴施)、病害位置的不同而有不一樣的要求，未滿足所需的理化性質(zhì)會影響開發(fā)的新藥從實驗室向田間的轉(zhuǎn)化.有目的地改變結(jié)構(gòu)可以得到具有優(yōu)良理化性質(zhì)的化合物.影響理化性質(zhì)的因素包括相對分子質(zhì)量、親酯性、氫鍵供體數(shù)量、氫鍵受體數(shù)量、自由旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)量.農(nóng)藥對化合物理化性質(zhì)的要求與醫(yī)藥的不同，其特點是平均分子量較小和較少的氫鍵供體.表1為部分醫(yī)藥、芽后除草劑、殺蟲劑的利平斯基五規(guī)則統(tǒng)計數(shù)據(jù).

表1 醫(yī)藥、芽后除草劑、殺蟲劑的利平斯基五規(guī)則統(tǒng)計數(shù)據(jù)

(2) 親脂性(LogP)對農(nóng)藥分子的影響.同類化合物即使具有相同的藥效，由于化合物理化性質(zhì)尤其是親脂性的不同，其影響會導(dǎo)致在動植物體內(nèi)吸收分布傳導(dǎo)的不同，從而可以用不同的使用方式作用在不同的病蟲害對象.

5 展 望

長期以來，全球農(nóng)化行業(yè)第一梯隊呈現(xiàn)“六巨頭”格局，六大跨國公司(先正達(dá)、拜耳、巴斯夫、道農(nóng)科、孟山都、杜邦)占據(jù)著全球80 %的市場份額；然而這一狀況將隨著“中國崛起”而被打破.據(jù)中國化工集團公司2017年6月8日官網(wǎng)報道：中國化工集團公司在2017年6月已完成對瑞士先正達(dá)公司的交割，收購金額達(dá)到430億美元，這成為中國企業(yè)最大的海外收購案；自此，美國、歐盟和中國“三足鼎立”的全球農(nóng)化行業(yè)格局正式形成；對于中國農(nóng)藥工業(yè)而言，這具有跨時代的歷史意義.

隨著中國《農(nóng)藥工業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》的發(fā)布與實施，這將進(jìn)一步調(diào)整我國的農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)布局和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，極大地推動農(nóng)藥技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，有助于制定適合我國國情的新農(nóng)藥創(chuàng)制戰(zhàn)略.相信在不久的將來，我國的新農(nóng)藥研發(fā)工作一定能夠取得較大的突破，一定能夠研制出具有國際影響力的、“重磅炸彈型”的創(chuàng)制成果.

The Progress and Trends of New Pesticide Research and Development

ZHANG Li-xin

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

This article describes the progress and trends of R&D of new pesticides;The global pesticide market continues to grow however it is getting difficult to develop new chemical entity because of tougher requirements of higher activity, better selectivity and stricter environmental safety requirements; With the integration of pharmaceutical′s and pesticide′s R & D methods, together with the advances in synthetic technology and bioassay methods, the rational drug design applications such as structure-based and ligand-based drug design will further increase.

new pesticide research and development; the rational drug design; progress; trends

2017-06-20

張立新(1966-)，男，遼寧錦州人，教授，博士，主要從事新藥創(chuàng)制的研究.

2095-2198(2017)02-0097-08

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.02.001

TQ 450

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