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蓬勃发展的大环小分子药物

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【摘要】:
虽然仍有许多技术问题尚待解决,迄今尚无成功的钉固肽上市,但有潜在的发展优势,是肽类药物新的生长点,尤其在作用于细胞因子和信号传导的蛋白-蛋白相互作用中扮演重要的角色。

 

大环小分子药物是近20年来药物化学领域热点,因为大环结构在提高药理活性和选择性,完善成药性上效果显著,并且兼顾了与靶标结合的微观结构和药代动力学所需求的宏观性质。临床上的大环小分子药物大部分由12~20个原子构成的环肽或内酯,主要用于治疗感染、炎性和肿瘤等疾病,有口服和注射等剂型。链状肽环合成环状肽后可增加药物的稳定性和生物活性,且主要是人为设计合成;大环内酯多则主要是从天然产物中提取。

 

1、辉瑞的劳拉替尼

 

克唑替尼是由辉瑞针对间变性淋巴瘤激酶研制的一类治疗间变性淋巴瘤和非小细胞肺癌药物,并于2011年上市。但是临床上发现克唑替尼使用过程中出现严重的耐药性,且肿瘤细胞常常出现脑转移现象,这表明克唑替尼难以进入中枢神经。为了克服耐药性和能够透过血脑屏障,辉瑞通过结构生物学分析发现,耐受克唑替尼患者的ALK激酶显示L1196M、G1269A 和G1202R等氨基酸残基的多位点突变或插入,这些氨基酸是与克唑替尼接触的残基;又对ALK空蛋白与ALK-克唑替尼复合物的晶体结构进行比较分析发现,克唑替尼的2-位氯原子与G1269骨架的羰基过于靠近(3.0 Å),位阻效应迫使羰基扭转了30°,因而支付了构象熵的耗能,预示2-氯对结合是不利的因素。

 

故以克唑替尼为起始物,去除2-氯原子发现活性变强,2位用其他取代基替换仍有活性;另外晶体结构显示,化合物都呈“U”形结构,提示头端的氟苯基与尾端的杂环在空间是接近的,从而设计合成了环状的劳拉替尼。成环后分子中的单键转动也受到限制,从而可弥补简化结构损失的结合能,也有利于穿越血脑屏障进入脑中,2018年劳拉替尼获批上市。

 

 

2、勃林格殷格翰的BI-4020

 

表皮生长因子受体(EGFR)若氨基酸残基Ile19缺失或Leu858突变,都会导致肿瘤细胞增殖,尤其是肺癌。虽然上市的EGFR激酶抑制剂有多种,但是患者用药两年后,肺癌复发率较高,主要是由于EGFR变异导致耐药所致。

为了寻找有初步选择性的先导化合物,研究者用突变的EGFR和野生型EGFR蛋白对化合物进行活性筛选,结果显示,衍生物1对突变型EGFR有较好的抑制活性(IC50=250 nmol/L~2100 nmol/L),而对野生型EGFR或其他激酶未见抑制活性。

去掉化合物的苯环F原子,酶学和细胞活性并未受到影响;将末端换成了苯基,活性不变,但选择性更高;共晶结构表明,末端苯环与羟异丁基靠近是活性构象,从而将其环合。分子模拟显示,引入烷基,与酶结合力增强,进一步优化得到BI-4020。

 

 

3、强生的伐尼瑞韦

 

治疗丙型病毒性肝炎的重要靶标是蛋白酶NS3,其功能是裂解结构性蛋白使成熟化,裂解产物对NS3呈现抑制作用。

 

裂解的连接位点NS5A/5BN端生成的产物六肽2对NS3具有较强的抑制活性,以此为起始物,研制抗丙肝类药物。在结构和计算生物学指引下,经构效关系研究发现,减少一个肽键,N端氨基乙酰化,变换C端为环丙叉甘氨酸和脯氨酸萘甲氧基化得2a;继之,为了提高亲脂性,将脯氨酸母核变换成环戊二酸,异丙基变成叔丁基,萘环修饰成取代的喹啉片段和环丙基的乙烯得2b;P3片段简化成环戊脲基成2c;再将2c环戊基与C端的乙烯基融合连接成大环化合物2d,同时在环丙基处引入磺酰氨基团,胺基同时连接磺酰基和羰基,两边拉电子使N-H有弱酸性,模拟了原来C端的羧基,并调整了化合物的极性,用作钠盐;随后再修饰喹啉环,得到高活性和选择性的NS3蛋白酶抑制剂得抗丙肝药西咪匹韦。

 

 

4、BMS的FXIa抑制剂

 

凝血是个生化级联反应,其中一个酶促环节是FXIa因子催化,是胰蛋白酶样的丝氨酸蛋白酶,在凝血酶生成的放大过程起关键作用,因而对血栓的发生和成熟至关重要。血液中高水平的FXIa有发生心肌梗死和深静脉血栓的危险,而FXIa低表达引起出血倾向较小,因此,FXIa抑制剂应是出血风险低的抗血栓药物。BMS公司研究发现,开链分子3对FXIa具有较好的抑制活性,以此为先导物,进一步优化活性、药代和物化性质。共晶结构显示,3的高活性是由于多个杂原子参与了同FXIa酶活性中心的结合,两个苯环空间相隔较近,可作为形成大环的位点。

 

用亚烷基或氧亚烷基(X=O)连接成12和13元环(n=1, 2),咪唑环的R可为H或Cl,所有合成的化合物活性都低于开链的先导物3。在大环中引入双键,化合物3a抑酶活性和抗凝血作用显著提高;咪唑环引入氯原子,化合物3b的Ki值达到最小,不过抗凝活性未见提高。

 

 

5、其他

 

环肽药物可有不同的结构类型,完全由氨基酸组成的环肽,可以是N-端与C-端首尾相连的环肽,例如环孢菌素A是由11个氨基酸首尾经肽键相连而形成最大的环,由于多为N-甲基氨基酸,对蛋白酶比较稳定,是少有的可口服环肽。环孢菌素A用作器官移植的排异药物,然而不良反应较大,改构的voclosporin只变换一个氨基酸侧链。三期临床表明voclosporin的不良反应显著低于环孢菌素A,而且对狼疮性肾炎有显著疗效。

 

 

30年前,研究肽类化合物大都是聚焦于非肽化和肽模拟物,随着对许多蛋白的非可药性和蛋白-蛋白相互作用的深入认识,以及肽化学和生物药剂学的发展,直接研制肽类药物已经成为重要领域,其中钉固肽就是近20 年来发展的平台技术。

 

在干预MDM2-p53蛋白-蛋白相互作用基础上,有研究者合成了p5314-29, α-螺旋片段的烃钉固肽,设计烃基钉固的位置避开与MDM2结合位点,烃环跨越为i, i+7,经圆二色谱研究,合成的8个肽中有的可稳定α-螺旋构象,其中化合物4与没有烃基钉固的肽比较,与MDM2结合的α-螺旋构象占85%,活性Kd =55 nmol·L-1,而未钉固化的活性构象只有11%,活性提高了7倍。此外,由于钉固化也提高穿越细胞膜的能力,保护了天然p53的作用,癌细胞呈现凋亡作用。

 

 

第一个进入临床研究的钉固肽是ALRN-6924,目前在二期阶段,是p53-MDM2和p53-MDMX的双重抑制剂,通过噬菌体展示发现的活性多肽,经第i, i+7的烃基钉固而成的。对MDM2 和MDMX 结合力Ki分别为0.9 和6.8nmol·L-1。由于阻断了MDM2对p53的结合,促进了癌细胞的凋亡。

 

 

6、小结

 

有机合成反应的进步得以在温和条件下发生C-C键偶联,形成大环结构,是研究大环药物的技术支撑。结构生物学、分子模拟和计算化学则指导大环的设计,从微观结构上设计大环的维持、尺寸和元素组成,从而开辟了药物创制的新领域,为研发可药性差的靶标和干预蛋白-蛋白相互作用的药物扩大了化学空间,钉固肽作为另类大环分子,虽然仍有许多技术问题尚待解决,迄今尚无成功的钉固肽上市,但有潜在的发展优势,是肽类药物新的生长点,尤其在作用于细胞因子和信号传导的蛋白-蛋白相互作用中扮演重要的角色。

 

参考文献

1.Giordanetto F, Kihlberg J. Macrocyclic drugs and clinical candidates: what canmedicinal chemists learn from their properties? [J]. J Med Chem, 2014,57:278−295.

2.Johnson TW, Richardson PF, Bailey S, et al. Discovery of (10R)-7-amino-12-fluoro-2,10,16-trimethyl-15-oxo-10,15,16,17-tetrahydro-2H-8,4-(metheno)pyrazolo[4,3-h][2,5,11]-benzoxadiazacyclotetradecine-3-carbonitrile(PF-06463922), a macrocyclic inhibitor of anaplastic lymphoma kinase (ALK) andc-ros oncogene 1 (ROS1) with preclinical brain exposure and broad-spectrumpotency against ALK-resistant mutations[J]. J Med Chem, 2014, 57: 4720−4744.

3. Engelhardt H, Böse D, Petronczki M, et al. Start selective and rigidify: the discoverypath toward a next generation of EGFR tyrosine kinase inhibitors[J]. J Med Chem, 2019, 62:10272−10293.

4. Corte JR, Fang TA, Osuna H, et al. Structure-based design of macrocyclicfactor XIa inhibitors: discovery of the macrocyclic amide linker[J]. J MedChem, 2017, 60: 1060−1075.

5.Rancourt J, Cameron D, Gorys V, et al. Peptide-based inhibitors of thehepatitis C virus NS3 protease: structure-activity relationship at theC-terminal position[J]. J Med Chem, 2004, 47: 2511-2422.

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文 | 刘sir

来源 | 药渡