侯文君 編譯
?
作物保護(hù)研究中先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn):農(nóng)化產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)的一種方法
侯文君 編譯
(上海市農(nóng)藥研究所,上海 200032)
全球人口持續(xù)增加,預(yù)期到2050年將達(dá)到90~100億。由于人口的增加和消費者對食物偏好的改變,明天全球的種植者將面臨前所未有的生產(chǎn)力需求壓力。與此同時,GDP持續(xù)升高,特別是亞洲和拉丁美洲,由此對更高品質(zhì)的富含蛋白質(zhì)食物的需求也增加了。面對此境況,卻有諸多的不利條件,如可耕地和淡水資源有限,當(dāng)前種植者可用的農(nóng)化產(chǎn)品也處于嚴(yán)峻的“生存環(huán)境”下。此生存環(huán)境主要是害物抗性的產(chǎn)生和害物的轉(zhuǎn)變;以及對作物保護(hù)產(chǎn)品的管理越來越嚴(yán),一些產(chǎn)品的使用受到禁限用,或退出市場??偠灾N植者利用有限生命期的農(nóng)化產(chǎn)品在有限的土地上提高作物產(chǎn)量所面臨的壓力很大。因此,種植者渴望有新的技術(shù)和作物保護(hù)方案可用。
在對新作物保護(hù)解決方案非常需求的情況下,農(nóng)化公司有必要開展先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)項目來開發(fā)新的、持續(xù)的解決方案。這些公司面臨的挑戰(zhàn)是如何及時、經(jīng)濟(jì)有效地發(fā)現(xiàn)這些創(chuàng)新的方案。整個農(nóng)化工業(yè)已采用許多先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)策略來增加成功發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物的可能性。道農(nóng)科已建立一套促進(jìn)先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的方法。本文介紹了與先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)有關(guān)的概念,列舉了研究范例來更詳盡地展示了道農(nóng)科應(yīng)用的先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的2個特別方法。
農(nóng)化公司長期可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵是擁有開發(fā)高價值產(chǎn)品的強(qiáng)有力管道。在道農(nóng)科發(fā)現(xiàn)工作就是確定新的、創(chuàng)新的化學(xué)和性狀解決方案,由此進(jìn)入下一步的產(chǎn)品上市的前期開發(fā)階段。對于作物保護(hù)來說,這是指候選分子的發(fā)現(xiàn)過程。此過程由4個階段組成(圖1):項目創(chuàng)建階段和隨后的類似物的選擇(1A階段)、類似物的表征(1B階段)和類似物的結(jié)構(gòu)確認(rèn)(1C階段)。
圖1 發(fā)現(xiàn)過程圖
在道農(nóng)科,項目的創(chuàng)建主要被分為兩部分:先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化。先導(dǎo)物優(yōu)化始于具有投資開發(fā)潛力的活性和新穎性的“先導(dǎo)”分子被確定后。在此階段開始對分子進(jìn)行構(gòu)-效關(guān)系研究。先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)是發(fā)現(xiàn)過程的始端,在此階段,新的苗頭化合物或具有弱的所期望的生物活性的化合物被確定,并被改造為有效“活性物”。此后,進(jìn)一步結(jié)構(gòu)精修為先導(dǎo)分子,此先導(dǎo)物具有能滿足市場需求的重要生物特性。為此,本文中把苗頭化合物定義為在水平1篩選中達(dá)到一定活性的化合物?!盎钚晕铩笔强珊铣傻膶Π袠?biāo)害物有活性的化合物,為進(jìn)一步研究的起點。
如圖2所示,從苗頭化合物到開發(fā)前期的整個發(fā)現(xiàn)過程是不斷創(chuàng)新和假設(shè)驅(qū)動的研究過程。產(chǎn)品不是真正“發(fā)現(xiàn)”的,而是在反復(fù)的構(gòu)-效關(guān)系探索和優(yōu)化過程中“建起”的。此“建筑”過程包括對設(shè)計或改進(jìn)活性、穩(wěn)定性、植物吸收和運輸、溶解性和對哺乳動物和環(huán)境安全性等特性的假設(shè)驅(qū)動研究。這一般要求每一步都要對大量的類似物進(jìn)行研究(圖2中以X代表)。當(dāng)對SAR有較深的了解和選定候選分子后,要進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)精修,增強(qiáng)受市場歡迎的特性。發(fā)現(xiàn)過程以及開發(fā)管道持續(xù)性的基礎(chǔ)就是先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn),因為新穎先導(dǎo)化合物具有高價值,人們對其有很大的興趣。
農(nóng)化和醫(yī)藥公司已應(yīng)用過多種方法來發(fā)現(xiàn)新先導(dǎo)化合物。圖3列出了其中一些重要的方法,圖中這些方法是以每種方法可知的生物數(shù)據(jù)或信息減少的順序排列。因此數(shù)據(jù)挖掘法包含較多的生物信息,而多樣性篩選或以結(jié)構(gòu)多樣性為基礎(chǔ)的篩選一般缺少生物標(biāo)準(zhǔn)。另一方面,從列表的頂端到底部的方法,發(fā)現(xiàn)化學(xué)新穎性化合物的可能性逐漸增加。因此,列表下面的方法需要對大的化合物集進(jìn)行生物篩選以增加發(fā)現(xiàn)活性物的幾率。列表頂端的方法要通過系統(tǒng)的、假設(shè)驅(qū)動的研究來了解化合物的活性特征,以及只有在反復(fù)的假設(shè)-試驗后才可能發(fā)現(xiàn)新穎的化學(xué)類別化合物。每種方法都存在利弊,因此在發(fā)現(xiàn)新先導(dǎo)物的過程中應(yīng)用多種方法可能能夠有效平衡風(fēng)險-收益關(guān)系。
圖2 從苗頭化合物到商業(yè)化產(chǎn)品前期開發(fā)前的發(fā)現(xiàn)過程
不同的方法間具有相似性和重疊性,可以不同的方式對各種方法進(jìn)行分類。在道農(nóng)科,主要通過3種方式發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物:競爭對手的啟發(fā)、天然產(chǎn)品和生物活性的假設(shè)(圖4)。最后一種方法包括圖3中所列的除競爭對手的啟發(fā)和天然產(chǎn)品研究以外的所有方法。
圖3 先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)方法
競爭對手啟發(fā)的先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)法建立在已發(fā)表文獻(xiàn)的知識上。這些信息來源包括同行評審的稿件、會議報告和已公布的專利申請。這些資料可以激發(fā)許多思路和方法的產(chǎn)生。而發(fā)現(xiàn)新穎先導(dǎo)物策略包括骨架遷越(scaffold hopping)、對主要活性元素進(jìn)行生物電子等排體置換或?qū)θ藗兏信d趣的結(jié)構(gòu)基元和功能團(tuán)進(jìn)行精化。
圖4 在道農(nóng)科先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的方法
天然產(chǎn)物篩選為充分利用天然存在的生物多樣性資源提供了機(jī)遇,增加了發(fā)現(xiàn)新穎活性分子的幾率。在過去,天然產(chǎn)物篩選為醫(yī)藥和農(nóng)藥工業(yè)提供了很多開發(fā)思路和商業(yè)化產(chǎn)品。據(jù)估,約50%農(nóng)化品銷售額與天然產(chǎn)品有關(guān),故道農(nóng)科以天然物為基礎(chǔ)的方法為先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)項目的主要部分。
道農(nóng)科采用數(shù)種以天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)的方法,其中包括篩選新天然產(chǎn)物。通過復(fù)雜的過程從各種資源得到了從分類、地理和環(huán)境學(xué)來說的生物多樣性天然物,繼而對這些天然物進(jìn)行篩選,增加了發(fā)現(xiàn)新穎活性分子的機(jī)遇。一般每年測定上萬個天然產(chǎn)物提取物的農(nóng)學(xué)活性,篩選到的分子具有可進(jìn)一步研究的活性特性、新穎的結(jié)構(gòu)基元。
從天然產(chǎn)物篩選項目得到的化合物主要被分為3種:不需要進(jìn)一步優(yōu)化就可商業(yè)化的新物質(zhì),需要進(jìn)行一定的合成修飾(半合成)的活性分子和啟發(fā)進(jìn)行全合成(合成模擬)開發(fā)的活性分子。在天然產(chǎn)物為基礎(chǔ)的發(fā)現(xiàn)項目中也可能發(fā)現(xiàn)新靶標(biāo)作用位點,利用此靶標(biāo)位點可進(jìn)行篩選研究或確定能夠啟發(fā)開發(fā)新化學(xué)類型結(jié)構(gòu)思路產(chǎn)生的新結(jié)構(gòu)基元或新穎“骨架”。
直接從天然產(chǎn)物篩選得到具有所有需求特性且可作為有效的農(nóng)化產(chǎn)品(如多殺菌素)分子的情況極罕見,所以這一般不被看作是天然產(chǎn)物篩選項目的主要結(jié)果。而天然產(chǎn)物篩選得到的活性分子可以作為進(jìn)一步活性優(yōu)化的起點。優(yōu)化可能為對天然分子(半合成)進(jìn)行1~2步的修飾,例如乙基多殺菌素和甲維鹽,或?qū)μ烊划a(chǎn)品的核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體重構(gòu),如甲氧基丙烯酸酯和擬除蟲菊酯。
當(dāng)天然物的物理特性(例如溶解性、光穩(wěn)定性等)使其不適宜作為農(nóng)化產(chǎn)品或從天然資源大量獲取不可行時,一般對天然產(chǎn)物進(jìn)行全合成模擬。有的天然產(chǎn)物能夠被成功全合成模擬,且有高回報,但天然分子具有使其生物活性或?qū)ι锏奶禺愋栽黾拥莫毺氐?、?fù)雜的鍵鏈接和手性中心的情況少。
另一方面,半合成在2種條件下更成功,一為天然分子的活性具有或接近商業(yè)水平,需要修飾以增加田間活性。這可能涉及分子的穩(wěn)定性或功能團(tuán)的修飾來增加防效;另一條件為:能獲得充足的天然產(chǎn)物以進(jìn)行修飾,或可通過發(fā)酵或如果分子不太復(fù)雜可合成獲得。
William Gerwick等人篩選海產(chǎn)品提取物,結(jié)果發(fā)現(xiàn)具有廣譜殺蟲活性的數(shù)個類似物。這些物質(zhì)被確定為天然產(chǎn)物microcolins。已有文獻(xiàn)報道了活性最高的acyltetrapeptide的結(jié)構(gòu),但沒有報道其殺蟲活性?;衔飉icrocolin A對煙蚜夜蛾()和二斑葉螨()有活性(表1),其LC50約為多殺菌素的10倍。其作用機(jī)制未知,初步的癥狀學(xué)、生化和電生理研究表明這是一種沒有商業(yè)開發(fā)的作用機(jī)制。
表1 Microcolins的殺蟲活性
MicrocolinTBW(LC50 mg/L)TSSM(LC50 mg/L) AR=AcR′=OH81 BR=AcR′=H304 CR=HR′=H-5 DR=H-R′=OH501 spinosad12
Microcolin A是一個可進(jìn)一步修飾開發(fā)的物質(zhì),其活性需要被提高約10倍。因此集中對其SAR進(jìn)行了研究,來確定主要的識別結(jié)構(gòu)以及可被修飾提高活性的不穩(wěn)定源。為此應(yīng)用2個文獻(xiàn)報道的microcolin A合成路線:Decicco和Grover的總合成法和Andrus等人的中繼合成。這些合成路線為研究SAR奠定了基礎(chǔ),希望有簡單的生物活性模板來迅速完成SAR的開發(fā)。因此靶標(biāo)設(shè)計受到簡化結(jié)構(gòu)工作的影響。
對分子的3部分進(jìn)行了SAR研究,這3部分分別為脂肪酸酰胺、三肽和羥脯氨酸內(nèi)酰胺(圖5)。對脂肪酸部分主要進(jìn)行了不同非手性、親脂性基團(tuán)取代研究。對三肽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同氨基酸經(jīng)組合化學(xué)方法合成以及選擇性取代酰胺氮研究。最后,研究了羥脯氨酸內(nèi)酰胺來了解脯氨酸羥基的作用,以確定適宜的取代,能夠更易合成。
圖5 Microcolin的SAR研究
總之,發(fā)現(xiàn)分子的大部分結(jié)構(gòu)不能被修飾。對于脂肪酸,一些修飾可降低對TSSM的活性,而所有修飾都使對TBW的活性消失。對三肽結(jié)構(gòu)修飾一般會降低化合物的活性,氨基酸取代和-去甲基類似物使殺蟲活性喪失。發(fā)現(xiàn)只有亮氨酸的立構(gòu)中心倒轉(zhuǎn)仍具有活性。脯氨酸的羥基只可?;?,而用氫或鹵素取代或立構(gòu)中心倒轉(zhuǎn)后殺蟲活性大幅下降。最后,即使天然丁酰內(nèi)酰胺發(fā)生微小的變化,如雙鍵的還原或甲基的修飾(例如去甲基或立體化學(xué)的轉(zhuǎn)化)都導(dǎo)致殺蟲活性的喪失。因此,雖然microcolin A具有不錯的殺蟲活性,可作為進(jìn)一步修飾優(yōu)化的起點,但其構(gòu)-效關(guān)系譜非常窄,無法進(jìn)一步的優(yōu)化。
用生物活性假設(shè)法發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物需要不同水平的生物信息和假設(shè)的分子設(shè)計等廣泛知識(圖6)?;衔锏脑O(shè)計來自于啟發(fā)新化學(xué)起點的多種思路、觀念、直覺和文獻(xiàn)。由此,又可被分為設(shè)計、化學(xué)或de novo的先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)法。然而,道農(nóng)科把其定為“生物活性假設(shè)”先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)法,強(qiáng)調(diào)了在新化學(xué)設(shè)計和尋求中對一些具有生物活性影響元素的需求。
圖6 生物活性假設(shè)法
在研究中,為了得到希望的結(jié)果,會用一種方法或幾種方法。大多數(shù)情況下應(yīng)用計算方法,包括數(shù)據(jù)驅(qū)動工作(數(shù)據(jù)探索和活性模型)、藥效團(tuán)映射(基于片段、配體、藥效團(tuán)、形狀的,骨架遷越)和配體-蛋白建模(基于靶標(biāo)點)。在道農(nóng)科,所有方法主要依賴于由多學(xué)科人員組成的團(tuán)隊??傊糜谏锘钚约僭O(shè)研究的所有方法的集合才是成功的先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)項目的完整要素。
生物活性假設(shè)的每一方法都有優(yōu)點和缺陷。例如靶標(biāo)位點方法很吸引人,因為具有未被商業(yè)開發(fā)的作用機(jī)制的新穎先導(dǎo)物的確定很受歡迎,然而確定的未開發(fā)仍然商業(yè)化的靶標(biāo)位點很少。此外,當(dāng)有趣的靶標(biāo)位點已被確定和篩選大的化學(xué)庫的生測方法已被開發(fā),而從這些篩選很少能確定具有適宜轉(zhuǎn)化特性的可行的或“ag-like”苗頭化合物。反之,常常能確定具有弱到無活體轉(zhuǎn)化性的離體苗頭化合物。把具有不利物理特性的離體苗頭化合物變構(gòu)為具有有利物理特性的活體活性物質(zhì)是項具有挑戰(zhàn)的任務(wù),一般成功率有限。
為了抵消每種方法的不利影響,常采用一些策略。一種策略為可能應(yīng)用2個或多個互補(bǔ)的方法以提高效用。例如,靶標(biāo)點已知和有數(shù)個配體存在的新化學(xué)領(lǐng)域的研究可能應(yīng)用基于混合配體/藥效團(tuán)的方法和分子形狀篩選。在應(yīng)用缺少生物信息的化學(xué)方法時,通過有效合成得到的大的“ag-like”庫可能增加發(fā)現(xiàn)可行的先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾率。
在圖6所列的方法中,從小的化學(xué)結(jié)構(gòu)或有趣的骨架發(fā)展而來的優(yōu)勢結(jié)構(gòu)是一種有發(fā)展前途的發(fā)現(xiàn)新先導(dǎo)物的方法,因為此方法能夠把希望的物理特性并入到靶標(biāo)分子的設(shè)計中。當(dāng)骨架有一定獨特性或在開發(fā)中,新穎的骨架也是產(chǎn)生顯著不同于文獻(xiàn)中結(jié)構(gòu)的一種方法。新穎骨架可被用作設(shè)計和合成含有載體基團(tuán)或綁定元素等額外結(jié)構(gòu)特征的期望目標(biāo)化合物的基礎(chǔ)。期望的新穎骨架可能也具有一個重要的分子片段或識別元素,已發(fā)現(xiàn)或猜測其與生物活性有關(guān)。
在某些方面,新穎的骨架被認(rèn)為與基于片段的方法相似,二者都是建立在一個或多個核心結(jié)構(gòu)的活性或固有特性基礎(chǔ)上的模塊方法。在這2種情況下,片段或骨架被作為設(shè)計和合成復(fù)雜目標(biāo)物的基礎(chǔ),合成的物質(zhì)含有載體基團(tuán)或綁定元素等額外結(jié)構(gòu)特征。然而與以片段為基礎(chǔ)的方法不同,新穎的骨架法不是根據(jù)已知靶標(biāo)位點來發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物,得到的物質(zhì)一般缺少生物活性,因此是一個更de novo法?;谄蔚姆椒ǖ牧硪徊煌帪?,首先篩選片段,選擇,然后系統(tǒng)性地精化為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)。新穎的骨架法,憑借經(jīng)驗來選擇片段或骨架,精化為靶標(biāo)分子庫,然后篩選對整個植物或生物的活性。圖7為對這2種方法的比較。
在基于骨架方法發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)物前景的誘惑下,開始確定一組有發(fā)展前途的骨架進(jìn)行進(jìn)一步研究。候選的骨架分子量要相對小,具有氫鍵供體和/或受體,作為農(nóng)化模板要新穎或在開發(fā)中,可被多點取代,具有合成多樣性而能被廣范取代。一個被選擇進(jìn)行研究的骨架為亞砜酰亞胺基團(tuán)(圖8)。雖然早在20世紀(jì)40年代就有亞砜酰亞胺的報道,但在農(nóng)化產(chǎn)品的研究中其一直未被廣泛應(yīng)用。此外,亞砜酰亞胺也是具有一個小的親水核、一個氫鍵受體和3個可被多樣取代的附著點的結(jié)構(gòu)模板。
圖8 新穎骨架亞砜酰亞胺
對亞砜酰亞胺模板的R1、R2和R3取代得到數(shù)個不同的“探針”庫。取代基的選擇最初偏重于農(nóng)化特征的輸入。起初著重制備多種多樣的化學(xué)庫,其化合物的R1、R2、R3有較多樣的取代。然而從這些化合物庫得到的重要苗頭化合物較少。所以,轉(zhuǎn)向重點開發(fā)被認(rèn)為與殺菌活性有關(guān)的附加結(jié)構(gòu)模板,包括芳氧基芐基基團(tuán)(圖9,結(jié)構(gòu)A)。隨后對此系列的R3基團(tuán)進(jìn)行取代開發(fā)得到了一個-硝基亞砜酰亞胺類似物,此物質(zhì)的活性沒有引人注意的地方,只是對亞砜酰亞胺模板的骨架擴(kuò)展以繼續(xù)研究。對與結(jié)構(gòu)骨架(結(jié)構(gòu)B)相關(guān)的靶標(biāo)探尋最終發(fā)現(xiàn)了-硝基亞砜酰亞胺1,有較好殺蚜活性的一個類似物(桃蚜LC50=20 mg/L)。因此,亞砜酰亞胺1為新穎的先導(dǎo)物分子,用于進(jìn)一步優(yōu)化殺蚜活性。
對化合物1的系統(tǒng)性研究和優(yōu)化最終發(fā)現(xiàn)了氟啶蟲胺腈2 (圖10)。氟啶蟲胺腈的活性(桃蚜LC50= 0.11 mg/L)比先導(dǎo)物的提高了約200倍?;钚缘奶岣呤峭ㄟ^對亞胺取代(X)、不同鏈接系統(tǒng)(L)、尾部或封端基團(tuán)(R)和取代的雜環(huán)系統(tǒng)(HET)進(jìn)行了廣泛的研究所得到的結(jié)果。以前已報道了詳細(xì)的SAR研究。發(fā)現(xiàn)氰基取代亞胺氮、6-三氟甲基-3-吡啶和甲基,能提高化合物的殺蚜活性。對雜環(huán)和亞砜酰亞胺基團(tuán)間連接鏈長度(圖11)與殺蚜活性間關(guān)系的分析表明一個碳亞甲基橋為最佳的鏈接。最后,亞甲基橋的甲基取代物具有最好的殺蟲活性。把以上所有優(yōu)化組合在一起發(fā)現(xiàn)了氟啶蟲胺腈,此產(chǎn)品是對廣譜刺吸式害蟲,包括對現(xiàn)有許多殺蟲劑產(chǎn)生抗性的害蟲有高防效的商業(yè)化殺蟲劑。
圖9 殺蟲劑先導(dǎo)物的開發(fā)過程
圖10 導(dǎo)致氟啶蟲胺腈發(fā)現(xiàn)的SAR研究
雜環(huán)(HET)和亞砜酰亞胺基團(tuán)間連接的碳原子數(shù)(L)
氟啶蟲胺腈是昆蟲煙堿乙酰膽堿受體的激動劑,與作用于相同受體的其他殺蟲劑的作用方式不同,如新煙堿類。特別是,氟啶蟲胺腈與靶標(biāo)點的結(jié)合力相對弱,但產(chǎn)生非常強(qiáng)的nAChR電流,這是此殺蟲劑不同于其他作用于煙堿乙酰膽堿受體的殺蟲劑之處。氟啶蟲胺腈與涉入其他類型殺蟲劑抗性的代謝酶作用弱。其不易被與新煙堿殺蟲劑抗性有關(guān)的P450單氧化酶代謝。此獨特性是由于其化學(xué)和生化特性所致,故氟啶蟲胺腈被殺蟲劑抗性作用委員會分為4C類,而新煙堿為4A類。因此,氟啶蟲胺腈是作物生產(chǎn)中管理刺吸式口器害蟲的重要的新工具。
不斷增長的消費需求,害蟲抗性壓力和越來越嚴(yán)的管理環(huán)境,需要為現(xiàn)在和將來的種植者開發(fā)新的作物保護(hù)劑。先導(dǎo)物的發(fā)現(xiàn)是農(nóng)化化學(xué)公司開發(fā)新的高價值產(chǎn)品的管道的重要“工程”。有多種方法可用于發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)物,其中許多已被證明很成功。每一種方法都利弊共存,但可通過各種途徑來緩減彼此的風(fēng)險,而在生物和化學(xué)方面有效銜接能提高先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)的成功率,這對假設(shè)驅(qū)動的研究很重要。在風(fēng)險管理和先導(dǎo)物發(fā)現(xiàn)項目長期運行中應(yīng)應(yīng)用組合方法來發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)物。
10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.02
TQ450
A
1009-6485(2017)05-0004-05
侯文君,女,工程師,碩士。E-mail: sjnywp@163.com。
2017-10-09。