Irbesartan

作者：Yong-Jin Wu,* Alyah F. Chmiel, Joanne J. Bronson引用格式：https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5c03492摘要 自1951年概念提出以来，生物电子等排原理已成为药物设计与开发的核心策略，使药物化学家能够通过合理修饰分子结构，优化化合物的生物学活性与理化性质。本综述梳理了57款FDA批准药物与18个晚期临床候选药物的研发案例——这些项目均通过生物电子等排替换，成功解决了先导化合物优化阶段遇到的各类成药性挑战。这类策略性的结构替换可显著提升化合物的活性、选择性、溶解度与代谢稳定性，同时改善脂溶性偏高、血浆蛋白结合异常、活性代谢产物生成等问题。综上，这些案例充分体现了生物电子等排原理作为多功能工具的持久价值，可用于精细调控候选药物性质，攻克当代药物化学领域的多重挑战。 1. 引言 电子等排体的概念最早由Langmuir于1919年提出，他发现电子数相同的分子（如N₂和CO）具有相似的性质。1951年，Friedman将这一概念拓展为生物电子等排体，定义为结构相近、可产生相当生物学活性的原子或原子团。生物电子等排体可进一步分为两类：经典生物电子等排体（如一价、二价、三价原子或基团）与非经典生物电子等排体（如环状与非环状官能团）。本质上，生物电子等排替换是指对先导化合物中的官能团、片段或骨架进行互换，在保留化合物生物活性的同时，引入更优的成药性质。 生物电子等排原理是药物设计与开发中最强大的策略之一，它不仅能帮助药物化学家提升先导化合物的生物活性与类药性质（如溶解度、渗透性、代谢稳定性、药物相互作用风险），还可去除先导分子中潜在的毒性基团（如苯胺、苯酚、硝基取代基），从而消除或降低不良反应风险。此外，生物电子等排替换还能产生全新化学型，或得到理化性质、药代动力学更优的分子，拓展药物发现的化学空间。 生物电子等排原理的价值已在大量FDA批准药物的研发中得到充分验证，本综述将讨论其中多个案例（代表性案例见方案1）。部分药物仅通过看似简单但设计精妙的生物电子等排替换即可直接由前体得到，通常仅涉及1-2个原子的改动，例如：氘代丁苯那嗪（2，H→D，见2.1节）、布格替尼（54，砜→二甲基氧化膦，见4.4节）、拉米夫定（99，CH₂→S，见7.6节）。 但在先导分子的迭代优化中，生物电子等排替换通常会伴随其他结构修饰，以抵消新引入的等排体带来的负面影响。例如甲状腺激素受体（THR）激动剂瑞美替昂（65，见5.1.7节）的前体65b含有富电子苯酚，研究人员将其替换为缺电子哒嗪酮杂环，这一改动提升了选择性，但使活性下降了10倍。为恢复活性，研究人员进一步将CH₂CO₂H基团替换为氰基氮尿嘧啶（一种特殊的羧酸生物电子等排体），最终得到化合物65。该案例展示了通过多重生物电子等排修饰弥补先导分子缺陷的思路，这也是药物设计中的常用策略。类似地，特泊替尼（41）由高通量筛选（HTS）命中化合物41a开发而来，将代谢不稳定的噻二嗪酮母核替换为哒嗪酮，同时将氨基甲酸酯片段替换为嘧啶环（见3.3.1节）。 尽管已有多篇综述讨论药物化学中的生物电子等排原理，但本综述聚焦于最终得到FDA批准药物、或推进至后期临床试验的候选药物的研发案例。入选案例均具有代表性、指导性，且与当代药物化学遇到的实际挑战直接相关。文中讨论的大部分案例为FDA批准药物；若临床候选药物（无论研发推进中或已终止）能提供特别有价值的设计思路，也会纳入讨论。全文中，FDA批准药物使用通用名标注，临床候选药物使用企业编号指代。 本综述按生物电子等排体的主要类别划分章节：氢、卤素、羟基与硝基类生物电子等排体；酰胺、酯与羧酸类生物电子等排体；砜与磺酰胺类生物电子等排体；苯基类生物电子等排体；芳香杂环类生物电子等排体；饱和环类生物电子等排体。每一节按具体的等排替换类型（如苯基生物电子等排体章节中的苯基→吡啶酮）排布，介绍代表性案例、采用该等排体的设计逻辑，以及对药物性质的最终影响。若存在与等排体设计相关的结构生物学证据，也会纳入说明，以展示等排体与靶蛋白的关键相互作用。本文聚焦晚期临床阶段与已上市药物，旨在凸显生物电子等排原理在将新型有效药物推向临床过程中的现实价值。 2. 氢、卤素与硝基类生物电子等排体（1-2个关键原子改动）2.1 氢→氘：氘代丁苯那嗪 过去数年，氘代药物的研发热度持续上升，进入临床评估的氘代化合物数量不断增加。与母体氢取代化合物相比，氘代修饰通常对化合物的物理性质与药理活性影响极小；但由于动力学氘同位素效应（DIE，即C-H键与C-D键断裂的反应速率常数比值k_H/k_D，通常在1-7范围内），氘代可显著改变化合物的代谢特征。因此，氢→氘替换可作为改善肝微粒体（LM）稳定性、调整CYP抑制谱（包括时间依赖性抑制，TDI）、和/或改变代谢位点的策略。由于氘同位素效应对上述性质的影响并非总能预测，氘代类似物必须通过临床前研究制备并评估，才能明确同位素效应的幅度与方向。尽管如此，药物化学家仍常将氘代修饰作为改善药物性质的工具。 氘代丁苯那嗪（2）于2017年获批用于治疗亨廷顿病相关的舞蹈症，是首款获FDA批准的氘代药物。它与前体药物丁苯那嗪（1）结构几乎完全一致，仅将两个甲氧基替换为三氘代甲氧基（图1）。氢被氘替换后，两个甲氧基的CYP450介导代谢速率减慢，使药物半衰期延长（氘代丁苯那嗪为8.6 h，丁苯那嗪为4.8 h），全身暴露更稳定。这些性质支持更低的日服药频次（多数患者每日1次，对比丁苯那嗪每日2次）、更低的日剂量（氘代丁苯那嗪18 mg，丁苯那嗪37.5 mg），同时耐受性更佳。 图1 丁苯那嗪（1）与氘代丁苯那嗪（2）的结构2.2 氢→氘：氘代鲁索替尼 鲁索替尼（3）是口服Janus激酶1/2（JAK1/2）抑制剂，获批用于治疗骨髓纤维化（一种导致红细胞生成减少的骨髓恶性肿瘤）。它是目前最成功的JAK抑制剂之一，2022年年销售额峰值达41亿美元。但由于环戊基基团会被代谢生成多种羟基化代谢产物，其人体半衰期较短（3 h）。烷烃碳原子的羟基化通过回弹羟基化机制进行，其中氢原子提取是决速步，该过程通常由CYP450等酶催化，活化烷烃的惰性C-H键。 为解决这一问题，研究人员在环戊基上引入8个氘原子，得到氘代鲁索替尼（4）（图2），其半衰期略有延长，约为4 h。氘代鲁索替尼（4）于2024年获批，用于中重度斑秃成人患者的一线口服治疗。 图2 鲁索替尼（3）与氘代鲁索替尼（4）的结构2.3 氢→氘：氘可来昔替尼 靶向酪氨酸激酶2（TYK2）假激酶（JH2）结构域，是自身免疫与炎症疾病高选择性疗法的全新开发方向。传统JAK抑制剂结合所有JAK家族成员高度同源的活化激酶（JH1）结构域，而JH2抑制剂靶向TYK2特有的调控结构域，因此选择性更高、安全性更好。 氘可来昔替尼（5）是高选择性口服TYK2假激酶抑制剂，2022年获批用于成人中重度斑块状银屑病（图3）。分子中引入N-三氘代甲基-甲酰胺基团，可减慢C3位酰胺的代谢，同时提升分子整体代谢稳定性。这一分子修饰减少了主要代谢产物5a的生成——5a虽活性相近，但激酶选择性更差，存在脱靶副作用风险。与氘代有效阻断该代谢通路的结论一致，临床前物种中5a的血浆浓度极低（<2 nM）。在人体内，氘可来昔替尼（5）主要通过CYP1A2介导的三唑N-去甲基化代谢生成5b，该代谢产物保留了与母体相当的药理活性，而5a等伯酰胺代谢产物的生成可忽略不计。 图3 氘可来昔替尼（5）及其主要代谢产物（5a、5b）的结构2.4 氢→氘：氘代依伐卡托 依伐卡托（6）是囊性纤维化跨膜传导调节因子（CFTR）增效剂，目前既可单药治疗携带特定CFTR突变的囊性纤维化患者，也可与CFTR校正剂鲁马卡托联合用药。依伐卡托（6）人体半衰期为11 h，需每日2次口服给药，原因是其在人体内代谢生成两种主要代谢产物6a和6b。为精准阻断叔丁基甲基取代基的CYP3A4介导氧化，研究人员开发了氘代依伐卡托（7）（图4），其半衰期延长至16 h，可支持每日1次的口服给药方案。由氘代依伐卡托、万扎卡托与替扎卡托组成的三联复方制剂Alyftrek，于2024年获批用于治疗囊性纤维化。 图4 依伐卡托（6）、依伐卡托主要代谢产物（6a、6b）与氘代依伐卡托（7）的结构2.5 氢→氟：替扎卡托与鲁马卡托 许多药物分子的C-H键会经CYP450介导氧化生成代谢产物，进而被快速清除。C-H键键能相对较弱，替换为键能高得多的C-F键，是减轻或消除该代谢通路的有效策略。尽管氢与氟的电负性差异显著，但二者原子尺寸相近，氢→氟替换通常可保留母体化合物的药理性质，同时优化类药特征。氟独特的电子性质还有可能与靶蛋白产生新的、不同于母体的相互作用，从而提升结合亲和力与受体选择性。此外，合理的氟代修饰还可在不损害其他性质的前提下，提高候选药物的溶解度。尽管氟取代的影响难以完全预测，但开发先导分子的氟代类似物仍是先导优化中的常用策略。 在CFTR校正剂替扎卡托（8）与鲁马卡托（9）的研发中，氟代修饰提升代谢稳定性的应用颇具代表性（图5）。两款药物均于2019年获批，用于治疗至少携带1个F508del突变或其他治疗响应型CFTR基因突变的囊性纤维化患者。 以10a为代表的未取代苯并二氧戊环，化学稳定性良好，但体内存在两大潜在风险：第一，苯并二氧戊环的CH₂可在肝脏经CYP450代谢生成卡宾中间体，该中间体能与CYP酶的血红素铁原子紧密结合，形成稳定的代谢中间体（MI）复合物（10b），进而抑制酶活性（方案2）。该复合物的稳定性会升高药物与其他经CYP450清除药物的相互作用风险。第二，MI复合物解离后释放儿茶酚（10c），其可经CYP450进一步氧化生成具有化学反应性的邻位醌10d。该中间体能与蛋白质、DNA等生物分子反应，可能引发毒性。 在替扎卡托（8）与鲁马卡托（9）中，研究人员引入两个氟原子形成2,2-二氟苯并二氧戊环，在保留活性的同时阻断了卡宾中间体的生成。 图5 替扎卡托（8）与鲁马卡托（9）的结构 方案2 苯并二氧戊环（10a）的生物活化过程2.6 氢→氟：PF-06650833 PF-06650833（11）是白细胞介素1受体相关激酶4（IRAK4）抑制剂临床候选药物，用于治疗炎症（如类风湿关节炎）。研究中11a被确定为口服有效的先导化合物，但由于外周血单核细胞（PBMC）实验中活性不足，预测的人体给药剂量过高，限制了其开发。在11a的内酰胺羰基α位引入氟取代基，得到PF-06650833（11）（图6），其酶水平与PBMC实验中的活性均显著提升。 氟取代带来的活性提升，归因于内酰胺NH的氢键给体（HBD）能力增强。强吸电子诱导效应的氟原子（在与IRAK4的共晶结构中呈假直立构象）增强了11分子内酰胺NH的酸性，使其成为更优的氢键给体，可与Ala315和Asn316的骨架羰基形成氢键（图7）。这与¹⁵N NMR谱中内酰胺氮向低场位移3.2 ppm的结果一致，说明11的内酰胺氮比11a带有更多正电荷。 另一方面，氟原子的引入预计会降低内酰胺羰基的氢键受体（HBA）能力——该羰基原本可直接与Ser328侧链羟基形成氢键，并通过结合水分子间接与Lys213作用。但总体而言，氢键给体能力增强带来的收益超过了氢键受体性质损失，最终使11的活性优于11a。 PF-06650833（11）已完成类风湿关节炎与化脓性汗腺炎的II期临床试验。但在化脓性汗腺炎适应症中，该药物未展现出优于安慰剂的疗效，后续开发前景尚不明朗。 图6 11a与PF-06650833（11）的结构 图7 11与IRAK4的共晶结构（PDB: 5UIU）2.7 氢→氟：瑞戈非尼 索拉非尼（12）是首批获批的血管生成抑制剂之一，2005年上市；其后续产品瑞戈非尼（13）于2012年获批。两个分子结构几乎完全一致，仅瑞戈非尼（13）在中心苯环、脲基NH的邻位多了一个氟原子（图8）。这个精准排布的氟原子，使生化实验中血管内皮生长因子受体2（VEGFR2）的抑制活性提升约20倍。 索拉非尼（12）与VEGFR2的共晶结构显示（图9），两个脲基氢与Glu885的侧链羧酸氧形成氢键网络。尽管尚无瑞戈非尼（13）与VEGFR2的共晶结构报道，但可以推测：吸电子的氟原子增强了相邻脲基氢的酸性，提升了其作为氢键给体的能力，进而强化了与Glu885羧酸氧的氢键相互作用。此外，氟原子还可与相邻的13分子NH形成分子内氢键，“屏蔽”一个脲基氢键给体位点，从而提升膜渗透性与细胞水平活性。 临床试验中，对于索拉非尼（12）治疗后疾病进展的肝细胞癌患者，瑞戈非尼（13）可显著延长总生存期。得益于更优的药理性质，瑞戈非尼（13）口服剂量为160 mg每日1次，而索拉非尼（12）需400 mg每日2次。需要说明的是，瑞戈非尼给药剂量更低并不代表其耐受性必然更好：瑞戈非尼常见不良反应包括手足皮肤反应、高血压、乏力、腹泻；索拉非尼则常见腹泻、脱发、皮疹、手足皮肤反应。（这段是不是勉强了点） 图8 索拉非尼（12）与瑞戈非尼（13）的结构 图9 12与VEGFR2的共晶结构（PDB: 4ASD）2.8 氢→氟：阿培利司 阿培利司（14）是选择性磷脂酰肌醇3-激酶α（PI3Kα）抑制剂，2019年获批与氟维司群（雌激素受体拮抗剂）联合用药，治疗内分泌治疗后进展的激素受体（HR）阳性、人表皮生长因子受体2（HER2）阴性、PIK3CA突变的晚期或转移性乳腺癌患者。 CF₃基团的引入基于化合物14a的结合模型：模型显示，一个比叔丁基稍大的取代基可适配疏水小口袋。C-F键键长（约1.35 Å）长于C-H键（约1.09 Å），因此CF₃基团的空间体积大于甲基。基于此，研究人员将其中一个甲基替换为CF₃，得到阿培利司（14）（图10）——一种强效、高选择性的PI3Kα抑制剂。 阿培利司（14）与PI3Kα的共晶结构验证了上述结合假设，同时还发现CF₃取代基中的一个氟原子与Lys802的侧链氨基形成额外氢键（图11）。仲酰胺与噻唑的顺式构型由O-S (n-π*)硫键相互作用稳定，该拓扑结构使噻唑氮原子与相邻仲酰胺NH形成双氢键，与铰链区残基Val851结合。 除提升活性外，CF₃取代基还可阻断叔丁基的氧化，从而显著降低清除率，改善大鼠体内药代动力学（PK）性质。 图10 14a与阿培利司（14）的结构 图11 14与PI3Kα的共晶结构（PDB: 4JPS）2.9 氢→氟：比克替拉韦 水溶性差的化合物，常伴随临床前模型与临床中口服生物利用度低、暴露量波动大的问题。在先导优化阶段，解决水溶性问题通常颇具挑战。提升水溶性的经典通用策略，包括用氮原子替换碳原子的生物电子等排替换（如苯基→吡啶），或引入水溶性基团（如碱性胺、酸性官能团）。而氟取代这类更精细的结构改动，优势在于可能提升水溶性，同时不损害其他理想性质。 氟提升溶解度的效果，在第二代整合酶链转移抑制剂（INSTI）比克替拉韦（15）的研发中得到了充分体现（图12）。该药2018年获批用于治疗人类免疫缺陷病毒1型（HIV-1）感染。例如，对INSTI 15a（溶解度：pH 1/7条件下分别为34/53 μg/mL）进行6位氟代，得到的15b溶解度有小幅提升（pH 1/7条件下分别为87/85 μg/mL）。令人欣喜的是，该取代还提升了对HIV-1整合酶G140S/Q148R突变体的抑制活性，表现为倍数偏移更低。将15a的缩醛碳手性中心翻转，最终得到比克替拉韦（15）——一种强效INSTI，耐药谱更优、药代性质更好，溶解度也略有提升。 图12 15a、15b与比克替拉韦（15）的结构2.10 氟→氯：阿思尼布 阿思尼布（16）是全球首创的ABL1肉豆蔻酰口袋特异性靶向III型抑制剂，2021年获批用于伊马替尼、尼洛替尼、达沙替尼等I/II型酪氨酸激酶抑制剂治疗后进展的费城染色体阳性（Ph+）慢性髓性白血病（CML）患者。 阿思尼布（16）带有罕见的OCF₂Cl基团，用于替换其前体16a中的OCF₃基团。16a的分子模拟显示，OCF结合口袋可容纳稍大的基团，优化口袋内结合的策略之一，便是将一个氟原子替换为氯原子（图13）。该改动使活性提升2倍，同时保留了药代性质与溶解度。 后续化合物16与ABL1的共晶结构分析显示，化合物深度占据别构肉豆蔻酸结合口袋，其氯原子与Leu448的骨架羰基氧形成卤键，C(sp³)-Cl…O键角为178.3°（接近最优角度），Cl…O距离为3.3 Å（图14）。 有趣的是，从计算logP来看，OCF₃替换为OCF₂Cl预计会提升脂溶性，但实验测得16与16a的logP值完全一致。尽管氯甲基醚是已知的亲电反应性基团，但二氟氯甲基醚不会生成反应性中间体，因为两个吸电子氟原子不利于阳离子物种的形成。 图13 16a与阿思尼布（16）的结构 图14 16与ABL1（T334I_D382N）的共晶结构（PDB: 5MO4）2.11 氯→乙炔基：厄洛替尼 吉非替尼（17）与厄洛替尼（18）是首批获FDA批准的表皮生长因子受体（EGFR）抑制剂，用于治疗晚期或转移性非小细胞肺癌（NSCLC）。两个化合物的核心差异在于：17的3-氯-4-氟苯基，在18中被替换为乙炔基苯基（图15）。 吉非替尼中，邻位氟的吸电子效应增大了相邻氯原子σ空穴的尺寸与正电势，使其与EGFR L858R（驱动NSCLC的常见基因突变）活性位点内Leu788的骨架酰胺羰基形成卤键相互作用。而在厄洛替尼（18）中，弱酸性的炔氢作为氢键给体，与非活化态EGFR的Leu764骨架羰基氧结合（对应EGFR L858R中的Leu788），因此乙炔基可作为卤素的生物电子等排体。二者分别与EGFR的共晶结构均可验证上述相互作用（图16）。 尽管厄洛替尼（18）在NSCLC细胞中的体外活性谱与吉非替尼（17）大致相近，但其日口服剂量更低，为150 mg每日1次，吉非替尼为250 mg每日1次。 图15 吉非替尼（17）与厄洛替尼（18）的结构 图16 EGFR L858R与17的共晶结构（左，PDB: 2ITY）、非活化EGFR与18的共晶结构（右，PDB: 4HJO）2.12 羟基→氨基：JAB-21822 索托雷塞（19）是首款RAS GTP酶共价抑制剂，2021年获批用于成人KRAS G12C突变的局部晚期或转移性NSCLC。JAB-21822（20）是同靶点的后续产品，已在中国完成II期临床试验。 它由索托雷塞经6处生物电子等排改造演化而来：C3位N/C替换、C6位F/Cl替换、OH/NH₂替换，以及3处H/F取代（方案3）。 为降低19的高脂溶性，研究人员将吡啶并嘧啶酮母核替换为萘啶酮，并引入3-氰基，用于置换亚口袋中的高能水分子；该改动还可去除哌嗪环上的甲基，大幅降低脂溶性（cLogP下降1.2），同时保留抑制活性。 下一步优化的目标是去除或替换酚羟基——该基团存在葡萄糖醛酸化程度波动大、渗透性不佳的潜在问题。但苯酚是维持结合亲和力的关键基团，可与G12C蛋白Asp69的侧链羧酸形成氢键（图17左）。将苯酚替换为苯胺生物电子等排体（20b）后，生化水平活性得以保留，但细胞水平活性略有下降。随后对萘啶酮母核进行C6位F→Cl修饰（20c），使细胞水平活性提升10倍。最后，将未取代的苯胺全氟取代，得到20——一种强效、口服生物利用度良好的G12C抑制剂。 在19和20与GDP结合型G12C的共晶结构中，酚羟基与四氟苯胺占据相同的疏水亚口袋（图17）。19的羟基与Asp69形成直接氢键，而20的氨基未与水分子或Asp69形成特定氢键相互作用，说明该相互作用并非20与G12C结合的关键。 在苯胺环上引入4个氟原子，目的是模拟苯酚的氢键性质、阻断潜在代谢软位点、提升溶解度。尽管苯胺结构仍存在生成活性代谢产物的风险，但JAB-21822（20）的研发证明，四氟苯胺可作为药物设计中可行的苯酚生物电子等排体。 JAB-21822已在中国完成针对局部晚期或转移性NSCLC的II期临床试验，目前正在研究其与西妥昔单抗联用治疗结直肠癌（CRC）的效果。 方案3 索托雷塞（19）到JAB-21822（20）的结构演化 图17 19与G12C的共晶结构（左，PDB: 6OIM）、20与G12C的共晶结构（右，PDB: 9KPN）2.13 硝基→氯：氨氯地平 硝基是一类独特的官能团，兼具强吸电子性、高极性与大偶极矩。在小分子药物发现中，硝基主要通过“π-空穴相互作用”与蛋白结合：硝基带正电的氮原子，与蛋白原子的孤对电子（如蛋白骨架的羰基氧、半胱氨酸/甲硫氨酸侧链的硫原子）形成弱静电相互作用。此外，硝基还可参与π堆积相互作用，但其作用机制比简单的芳香环堆积更复杂。硝基会显著改变相连芳环的电子密度，从而影响环与其他π体系的相互作用。 硝基的隐患在于，它在体内易被还原生成亚硝基、羟胺中间体，这些中间体能与生物分子反应，引发毒性与致突变效应。因此，尽管已有多款含硝基药物获批，硝基通常仍被视为结构风险基团，用合适的生物电子等排体替换是更优的选择。 硝苯地平（21）是第一代二氢吡啶类L型钙通道阻滞剂，获批用于治疗心绞痛与高血压。它作用时间短，原因是CYP3A4介导的芳构化代谢，生成无活性的吡啶代谢产物21a。将硝基替换为氯，同时引入2-氨基乙氧基侧链，得到氨氯地平（22）——一种高生物利用度（人体64-90%）、长效（半衰期34 h，硝苯地平仅2 h）的二氢吡啶类钙通道阻滞剂。 氨氯地平的发现，体现了在分子中引入碱性或极性基团，以降低代谢、固有清除率并增大分布容积的设计思路。得益于每日1次的给药方案（硝苯地平需每日4次）、良好的安全性与疗效，氨氯地平（22）已成为全球最常用的高血压治疗药物之一，2006年全球年销售额峰值达49亿美元（2023年作为仿制药销售额为18.7亿美元）。 在硝苯地平（21）与氨氯地平（22）发现30余年后，研究人员通过与rCav1.1的共晶结构，揭示了哺乳动物电压门控钙离子通道的配体调控分子机制。除乙醇胺基团外，22与周围残基的结合构象几乎与21完全一致（图19）。乙醇胺基团伸入通道中央空腔，末端伯胺作为氢键给体，与Ser1011的骨架酰胺氧结合。 图18 硝苯地平（21）、硝苯地平主要代谢产物21a与氨氯地平（22）的结构 图19 rCav1.1与21的共晶结构（左，PDB: 6JP5）、rCav1.1与22的共晶结构（右，PDB: 7JPX）2.14 硝基→氰基：比卡鲁胺、恩扎卢胺与阿帕他胺 氟他胺（23）与尼鲁米特（24）是第一代非甾体抗雄激素（NSAA）药物，用于治疗前列腺癌。与众多含硝基芳环的药物一样，二者均可引发特发性肝毒性，氟他胺（23）尤为明显。由于硝基可能是肝毒性的主要诱因，研究人员制备了氰基类似物23a，在TGFR转染的小鼠肝细胞中验证该假设：结果显示23的细胞毒性略强（LD₅₀分别为75 μM与150 μM）。而23a的抗雄激素活性与23相当，说明可用吸电子性更弱、代谢稳定性更高的氰基替换硝基。 这一发现催生了第二代非甾体抗雄激素药物：比卡鲁胺（25）、恩扎卢胺（26）与阿帕他胺（27）（图20），它们在前列腺癌治疗中安全性更高、疗效更优。从结构演化上，27由26经两处生物电子等排改造得到：苯基替换为吡啶基，偕二甲基替换为环丁基环。 尽管结构差异细微，但临床试验中27的皮疹发生率显著高于26，可能由药物诱导的免疫介导超敏反应导致。研究证实，27中的氰基同时受吡啶环与强吸电子CF₃取代基的双重活化，可与硫醇亲核试剂（如谷胱甘肽）发生化学反应，经中间体27b、27c生成噻唑啉27d（方案4）。这类非特异性蛋白共价结合会引发不良免疫反应，因此27中的2-氰基吡啶片段相当于亲电弹头，与半胱氨酸残基反应触发免疫应答，最终导致患者皮疹发生率升高。 图20 氟他胺（23）、氟他胺类似物23a、尼鲁米特（24）、比卡鲁胺（25）、恩扎卢胺（26）与阿帕他胺（27）的结构 方案4 半胱氨酸诱导的阿帕他胺（27）生物活化机制2.15 硝基→三氟甲磺酰基→硝基：维奈克拉 维奈克拉（28）是强效高选择性B细胞淋巴瘤2（BCL-2）抑制剂，2019年首次获批，用于治疗成人慢性淋巴细胞白血病（CLL）或小淋巴细胞淋巴瘤。 从早期先导化合物ABT-737（28a）到维奈克拉（28）的演化中，体现了三处颇具代表性的生物电子等排策略：包括硝基替换为砜基，之后又将砜基换回硝基（方案5）。 化合物28a是BCL-2家族抗凋亡蛋白的强效抑制剂，但水溶性差、口服生物利用度低，限制了后续开发。为优化分子的类药性质，研究人员将28a末端的联苯基部分饱和，提升sp³杂化碳原子比例（Fsp³）；同时将二甲胺基替换为吗啉，降低碱性氮原子的碱性。将硝基替换为等排的CF₃SO₂取代基，得到ABT-263（28b），其口服吸收与药代性质显著改善，同时保留了与28a相当的靶点抑制谱。 28b在I/II期临床试验中展现出一定临床获益，但因剂量限制性血小板减少症最终终止开发——该不良反应源于其对BCL-XL的强效抑制，而BCL-XL是血小板存活的必需蛋白。通过结构导向优化降低BCL-XL抑制活性，最终得到化合物28，值得注意的是，它保留了原始先导28a中的硝基基团。 除硝基结构外，维奈克拉（28）属于“超出五规则（bRo5）”化合物，分子量达867。维奈克拉2024年销售额达26亿美元，它的成功是药物设计突破传统规则的典型案例。 在28b、28分别与BCL-2的共晶结构中，硝基与三氟甲磺酰基均与相邻的苯胺N-H形成分子内氢键，且结合在相同的P4口袋中（图21）。28的硝基苯还与Tyr202形成面对面π-π堆积相互作用。 方案5 ABT-737（28a）到维奈克拉（28）的结构演化 图21 BCL-2与28b的共晶结构（左，PDB: 4LVT）、BCL-2与28的共晶结构（右，PDB: 6O0K）3. 酰胺、酯、羧酸类生物电子等排体3.1 1-2个关键原子改动3.1.1 酰胺→磺酰胺：达拉非尼 酰胺基团广泛存在于上市药物中，这大概率得益于其可与靶蛋白形成氢键的特性，且合成简便。酰胺提供两个独立的氢键作用位点：羰基氧作为氢键受体（HBA），N-H作为氢键给体（HBD）。用生物电子等排体替换酰胺，可改变分子的构象、电子分布与极性，有望提升水溶性与药代性质；理想情况下，还能同时提升活性与选择性。 达拉非尼（29）是携带V600E突变的致癌性B-Raf丝氨酸/苏氨酸激酶（BRAF V600E）的选择性抑制剂，2013年获监管批准，可单药或与丝裂原活化蛋白激酶（MEK）抑制剂联用，治疗BRAF V600E突变驱动的不可切除或转移性黑色素瘤。 初始先导化合物29a含有苯甲酰胺结构，尽管BRAF V600E酶抑制活性良好，但细胞水平的磷酸化细胞外信号调节激酶（pERK）实验中活性仅为中等。苯磺酰胺类似物29b的酶活性虽下降了10倍以上，但细胞水平抑制活性却大幅提升。随后将咪唑并吡啶亚基替换为噻唑母核（29c），进一步增强了酶水平与细胞水平的抑制活性。与29a类似，29c的酰胺类似物（未展示）同样存在细胞活性不足的问题，进一步验证了磺酰胺生物电子等排体对该系列化合物的优势。 由于噻唑类似物29c脂溶性极高（cLogP=6.7）、分子量较大（587），研究人员将N-甲基四氢异喹啉结构截短为氨基嘧啶，随后对三个芳环的取代基进行优化，最终得到达拉非尼（29）（方案6），其对BRAF V600E的酶水平与细胞水平均具备强效抑制活性。 达拉非尼（29）以“DFG-in”（非活化）构象结合于腺嘌呤口袋，磺酰胺基团与DFG序列的Asp594、Phe595形成两个氢键。生理条件下，磺酰胺的NH（pKa约7）发生电离，与Asp594的酰胺NH形成氢键；而磺酰胺的一个氧原子则与Phe595的酰胺NH形成氢键（图22）。磺酰胺基团是BRAF V600E抑制剂开发中的核心结构元件。 方案6 29a到达拉非尼（29）的结构演化 图22 29与BRAF V600E的共晶结构（PDB: 4XV2）3.1.2 酰胺→反向酰胺：尼洛替尼 伊马替尼（30）2001年获批，是首款靶向癌症疗法，彻底改变了费城染色体阳性慢性髓性白血病（Ph+ CML）的治疗格局。它特异性靶向导致CML细胞失控增殖的异常BCR-ABL酪氨酸激酶。尽管伊马替尼可有效控制病情，但患者会逐渐产生耐药性，因此第二代BCR-ABL抑制剂尼洛替尼（31）被开发出来，用于治疗伊马替尼耐药的突变型CML，同时降低脱靶副作用。它已成为最成功的第二代BCR-ABL抑制剂之一，2021年销售额达21亿美元。 尼洛替尼（31）是基于伊马替尼（30）与ABL蛋白结合的共晶结构合理设计而来。该结构显示，酰胺基团参与两个关键氢键：一个与C螺旋的Glu286侧链羧酸根结合，另一个与Asp381的骨架NH结合。反向酰胺31a的设计初衷，是保留酰胺的氢键相互作用，同时使D环取代基的取向不同于伊马替尼中暴露于溶剂的N-甲基哌嗪环。这种取向调整预期可让D环取代基形成额外的结合相互作用。 随后对D环取代基进行优化，得到尼洛替尼（31）（方案7），其对野生型（WT）与耐药型BCR-ABL癌细胞系的抑制活性均优于伊马替尼（30）。 ABL蛋白分别与30、31的共晶结构证实：酰胺与反向酰胺均和Glu286侧链羧酸根、Asp381骨架NH形成相同的氢键，仅D环取代基的伸展方向存在差异（图23）。 方案7 伊马替尼（30）到尼洛替尼（31）的结构演化 图23 ABL与30的共晶结构（左，PDB: 2HYY）、ABL与31的共晶结构（右，PDB: 3CS9）3.1.3 酰胺→酰肼：阿扎那韦 利托那韦（32）与洛匹那韦（33）是早期获批的HIV-1蛋白酶抑制剂（PI），用于治疗HIV-1感染。利托那韦因治疗剂量下的胃肠道毒性已不再单药使用，但其CYP3A4抑制活性使其可低剂量与洛匹那韦、阿扎那韦等蛋白酶抑制剂联用，降低后者的CYP3A4介导代谢（图24）。 32与33均含有羟乙基二肽等排体，带有3个手性中心，合成复杂度高，推高了开发成本。为减少手性中心数量并优化其他性质，研究人员将其中一个酰胺替换为酰肼，得到易于合成的羟乙基肼氮杂肽等排体。该结构保留了酰胺NH与GlyB49酰胺羰基的关键氢键，与原始羟乙基二肽的作用模式相似——HIV-1蛋白酶与早期酰肼类似物CGP 53820（34a）的共晶结构验证了这一点。 尽管该化合物酶抑制活性极强，但细胞抗病毒活性一般、口服生物利用度差，限制了其成药潜力。后续针对细胞活性、水溶性与药代性质的优化，最终发现了阿扎那韦（34）——一种强效、口服生物利用度良好的蛋白酶抑制剂，2003年获批。关键修饰包括：在P1'位引入更大的取代基，将L-缬氨酸替换为L-叔亮氨酸以提升细胞活性。 与其他蛋白酶抑制剂一样，阿扎那韦需与低剂量利托那韦联用，减少CYP3A4介导的代谢，支持每日1次给药。阿扎那韦的水溶性具有强pH依赖性：酸性条件下溶解度高（得益于吡啶结构），高pH条件下溶解度差；而洛匹那韦在所有pH下水溶性均不佳。此外，阿扎那韦的生物利用度（人体60-68%，对比洛匹那韦25%）更高，半衰期（7 h，对比洛匹那韦4-6 h）更长。 给药方案上，阿扎那韦为400 mg每日1次（联用100 mg利托那韦），洛匹那韦则需400 mg每日2次（每次联用100 mg利托那韦）。凭借每日1次给药、胃肠道耐受性更优、对血脂影响小、病毒抑制更强的优势，阿扎那韦-利托那韦联合方案成为HIV-1初始治疗的优先选择，2011-2012年期间年销售额峰值约16亿美元。 HIV-1蛋白酶分别与33、34的共晶结构显示：酰肼与酰胺的构象几乎完全一致，均与GlyB49的酰胺羰基形成关键氢键（图25）。 图24 利托那韦（32）、洛匹那韦（33）、CGP 53820（34a）与阿扎那韦（34）的结构 图25 HIV-1与33的共晶结构（左，PDB: 1MUI）、HIV-1与34的共晶结构（右，PDB: 3EKY）3.1.4 酰胺→酮：多奈哌齐 多奈哌齐（35）1996年获批，用于治疗中重度阿尔茨海默病相关痴呆。它可透过血脑屏障，可逆性抑制乙酰胆碱酯酶（AChE）——该酶负责分解记忆与学习相关的关键神经递质乙酰胆碱。 从35a开发35的核心设计策略，是将无环酰胺刚性化，并替换为环酮（方案8）。酮类化合物35b保留了酰胺35a的中等AChE抑制活性，进一步环化得到茚满酮35d后，活性略有提升。异吲哚啉酮35c的抑制活性更优，但35d的体内作用持续时间更长。随后在茚满酮的5,6位引入两个甲氧基，并缩短中间连接链为亚甲基，最终得到多奈哌齐（35）——一种强效、口服生物利用度良好、可透过血脑屏障的AChE抑制剂。 与其他AChE抑制剂不同，多奈哌齐半衰期很长（约70 h），支持每日1次给药。它的结构颇具特点：含有药物中少见的酮官能团，酮基在体内可发生还原与后续的再氧化。但研究未发现其生成还原代谢产物35e的证据，而35e的AChE抑制活性远低于母体。 多奈哌齐为外消旋混合物，其中S-对映体对人AChE的亲和力是R-对映体的2.2倍。在R-对映体与重组人AChE（rhAChE）的共晶结构中（图26），茚满酮环与Trp286形成π-π堆积相互作用；该残基还通过两个结合水分子，使两个甲氧基与外周阴离子位点（活性口袋入口处的表面结合区域）形成氢键。 方案8 35a到多奈哌齐（35）的结构演化 图26 (R)-35与rhAChE的共晶结构（PDB: 4EY7）3.1.5 内酯→内酰胺：伊沙匹隆 伊沙匹隆（36）是埃博霉素B（36a）的半合成类似物（图27）。埃博霉素B是天然产物，可稳定细胞微管网络，从而抑制癌细胞分裂。但其优异的体外活性并未转化为理想的体内抗肿瘤疗效——小鼠模型中效果不佳，原因在于代谢稳定性差、药代性质不理想。 在小鼠血浆中，内酯环易被酯酶裂解，半衰期仅20分钟，生成无活性的开环代谢产物。尽管人体血浆中的酯酶活性低于小鼠，但人肝微粒体（HLM）中的多种CYP450酶仍可导致埃博霉素B内酯开环。因此36a本身不适合临床开发，研究人员投入大量工作筛选跨物种肝微粒体稳定性更优的类似物。 将内酯转化为对应的内酰胺类似物36，可避免内酯裂解问题，在保留强效微管聚合活性与紫杉醇耐药细胞株抑制活性的同时，显著提升代谢稳定性。伊沙匹隆（36）注射剂2007年获批，用于治疗对现有化疗方案无响应的侵袭性转移性或局部晚期乳腺癌。 化合物36a与36以几乎完全相同的构象结合于β-微管蛋白，酯或酰胺的羰基均与Thr274的骨架NH形成氢键（图28）。 图27 埃博霉素B（36a）与伊沙匹隆（36）的结构 图28 β-微管蛋白与36a（青色，PDB: 7DAE）、36（绿色，PDB: 7DAF）的共晶结构叠合图3.1.6 羧酸→杂芳基磺酰胺：斯帕森坦 羧酸化合物37a是中等活性的血管紧张素II 1型受体（AT1R）拮抗剂。研究人员将羧酸替换为N-(4,5-二甲基异恶唑-3-基)苯磺酰胺，同时将中间苯环替换为乙氧甲基，最终得到斯帕森坦（37）（图29），可同时阻断AT1与内皮素A（ETA）受体。杂芳基磺酰胺基团可作为AT1与ETA受体通用的有效羧酸生物电子等排体。 37的AT1R结合亲和力提升，源于苯磺酰胺基团的拓扑几何结构：其酸性NH（或对应的负电荷）的位置，比羧酸类似物向受体方向偏移了0.6 Å。这种细微的空间位移，使苯磺酰胺的负电荷更靠近Arg167的胍基，从而形成更强的静电与氢键相互作用，增强受体结合能力（详见3.3.7节）。 斯帕森坦（37）2023年获批，是一种非免疫抑制口服药物，用于减缓成人原发性免疫球蛋白A肾病患者的肾功能下降。 图29 37a与斯帕森坦（37）的结构 3.2. 羰基到环状生物电子等排体 3.2.1. 酰胺C=O到嘧啶：达沙替尼 达沙替尼（38）是第二代BCR-ABL酪氨酸激酶抑制剂，于2006年首次获批，用于治疗对第一代酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼（30）耐药或不耐受的Ph+慢性髓性白血病（CML）患者。化合物38最初是在一项免疫学导向的药物发现项目中，作为淋巴细胞特异性激酶（LCK）抑制剂而设计的。在观察到伊马替尼（30）可作为BCR-ABL融合蛋白抑制剂后，化合物38随后被评估对BCR-ABL的作用，并发现其具有强效抑制活性。 达沙替尼（38）含有一个嘧啶环，该结构由早期类似物38a中的环丙基酰胺基团演变而来（方案9）。38a与LCK的分子对接表明，其2-氨基NH和噻唑氮与ATP结合位点的铰链区形成一对氢键，但环丙基酰胺羰基没有直接的氢键相互作用。在提高效力的努力中，酰胺羰基被多种约束杂环取代，这些杂环保留了关键的铰链结合所需的N–H。这项工作最终得到了嘧啶类似物38b，它是一种有效的LCK抑制剂。通过在嘧啶的6位引入4-羟乙基哌嗪基侧链，改善了其有限的溶解度，在共晶结构中该侧链朝向ATP结合位点的溶剂暴露区，从而得到达沙替尼（38），其生化抑制效力与38b相似，但细胞活性提高了约30倍。 在38与ABL蛋白的共晶结构（图30）中，氨基噻唑基团与Met318形成两个氢键。嘧啶环占据一个疏水口袋，嘧啶C5位的次甲基与Met318的羰基氧发生杂芳族CH···O=C相互作用。这些相互作用要求嘧啶氮与噻唑硫之间呈顺式构型，该构型通过N–S非共价卤键（ChB）稳定。此外，另一个O–S卤键迫使酰胺氧朝向噻唑硫的顺式取向。由于邻位大体积取代基的空间位阻，酰胺基团垂直于二取代苯环，阻止了苯环与酰胺基团之间的共轭。 与伊马替尼（30）结合于ABL的非活性构象（II型抑制剂）不同，达沙替尼（38）靶向活性构象（I型抑制剂）。因此，38对大多数伊马替尼耐药的BCR-ABL突变体具有活性，并已广泛用于伊马替尼治疗后进展的CML患者。 3.2 酯羰基→噻二唑：呫诺美林 M1毒蕈碱型乙酰胆碱受体（mAChR）激动剂长期以来被用于精神分裂症的治疗研究。该方向的先导化合物之一是槟榔碱（39a）——一种存在于槟榔种子中的生物碱，属于非选择性mAChR激动剂。尽管39a的mAChR激动活性良好，但酯基易被羧酸酯酶水解，导致口服疗效受限。 为提升口服生物利用度、血脑屏障穿透性与mAChR亚型选择性，研究人员探索了酯的生物电子等排体，最终得到39b类槟榔碱类似物（如1,2,4-恶二唑、1,2,4-噻二唑、1,2,5-噻二唑），均为强效毒蕈碱激动剂（方案10）。有趣的是，对应的恶唑、噻唑、呋喃均不能作为该体系的有效等排体，结合亲和力大幅下降。 在3-取代1,2,5-噻二唑化学型中，3-烷氧基取代的呫诺美林（39）是活性最强的槟榔碱衍生物之一，同时具备良好的中枢神经系统（CNS）性质。它可紧密结合M1受体亚型——M1受体主要表达于脑部，在认知功能与记忆处理中发挥关键作用。 尽管呫诺美林在改善精神分裂症相关认知缺陷方面颇具潜力，但胃肠道与其他外周组织的毒蕈碱受体激活引发的不良反应，阻碍了其临床开发。外周副作用可通过呫诺美林（39）与曲司氯铵（40）联用缓解——后者是毒蕈碱拮抗剂，因血脑屏障穿透性差而仅作用于外周。 这种固定剂量联合疗法名为Cobenfy，旨在靶向精神分裂症的中枢神经系统功能异常，同时最大程度降低外周副作用，2024年获批，是数十年来首款全新作用机制的精神分裂症治疗药物。 方案10 槟榔碱（39a）到呫诺美林（39）的结构演化3.3 羰基-杂原子基团→环类生物电子等排体3.3.1 氨基甲酸酯→嘧啶：特泊替尼 特泊替尼（41）是间质-上皮转化因子（c-MET）酪氨酸激酶的选择性抑制剂，2020年获批，用于治疗MET外显子14跳跃突变驱动的转移性NSCLC。它由高通量筛选命中化合物41a经生物电子等排策略优化而来（方案11）。 将41a的噻二嗪酮母核替换为代谢稳定、合成简便的哒嗪酮母核，得到类似物41b，其生化与细胞水平活性提升了10倍。41b的氨基甲酸酯基团存在水解释放苯胺的潜在风险，研究人员将其替换为嘧啶环，得到41c，生化活性进一步提升20倍以上。 除消除苯胺生成风险外，嘧啶的引入还减少了一个氢键给体，从而改善膜渗透性与药代性质。嘧啶氮原子作为氢键受体，与激酶铰链区的Met1160骨架NH结合——对比41a与41分别和c-MET的共晶结构可知，该结合作用与原始先导化合物中氨基甲酸酯羰基氧的作用模式相似（图31）。此外，嘧啶氮邻位的氢原子与Tyr1159的芳族侧链形成CH-π相互作用，也是41c活性优于41b的原因之一。后续对活性与药代性质的进一步优化，最终得到特泊替尼（41）。 方案11 41a到特泊替尼（41）的结构演化 图31 c-MET与41a的共晶结构（左，PDB: 4R1Y）、c-MET与41的共晶结构（右，PDB: 4R1V）3.3.2 酰胺→吡啶：瑞美吉泮 降钙素基因相关肽（CGRP）是一种神经肽，已证实自发性偏头痛发作时会从三叉神经释放，其后续信号传导在偏头痛病理生理中发挥核心作用。CGRP拮抗剂可阻断CGRP与中枢、外周神经系统中参与偏头痛疼痛传导的受体结合，从而抑制疼痛信号传递。 第一代CGRP受体拮抗剂替尔卡泮（42a）（方案12）曾进入临床试验，用于偏头痛的预防与急性治疗。尽管II期试验显示有效，但因多名患者出现血清转氨酶显著升高而终止开发；此外它还存在水溶性有限、药代性质不佳的问题。 为提升活性、溶解度并拓展安全窗口，研究人员将己内酰胺母核的酰胺替换为稠合杂环。稠合三唑衍生物42b的CGRP结合实验与细胞功能实验活性相当，水溶性比替尔卡泮提升5倍，但膜渗透性不足限制了口服吸收，药代性质未得到改善。 将三唑替换为稠合咪唑亚结构，得到42c，既保留了良好活性，又大幅提升了膜渗透性与大鼠口服生物利用度。另一方面，将脲替换为氨基甲酸酯，再进一步演化出吡啶作为酰胺替代物，得到亚纳摩尔级CGRP拮抗活性的42d。为提升水溶性，研究人员在环庚烷母核上引入伯胺，最终得到瑞美吉泮（42）——口服生物利用度良好的CGRP拮抗剂，2020年获批用于成人偏头痛的急性治疗。 方案12 替尔卡泮（42a）到瑞美吉泮（42）的结构演化3.3.3 酰胺→吡啶：来那卡韦 来那卡韦（43）是全球首创的HIV-1衣壳蛋白（CA）抑制剂，2022年获批，为多药耐药HIV-1感染患者提供了全新治疗选择。它的作用时效极长，每年仅需注射2次。用于HIV-1感染暴露前预防（PrEP）的每年1次注射制剂（剂量约5 g）也在开发中。值得关注的是，作为PrEP用药时，该小分子可为女性提供近乎完全的HIV-1感染保护，达到了类似疫苗的保护效果。该药物同时有口服片剂剂型，主要用于治疗启动阶段的短期用药，或补打漏用的长效注射剂。 从结构上看，它是目前上市“小分子药物”中分子量最大的之一，达968，几乎是通用类药规则建议上限的两倍。来那卡韦还含有10个氟原子，是所有FDA批准药物中氟原子数量最多的，其次是含7个氟原子的阿瑞匹坦（见7.1节）。 来那卡韦的前体是PF-3450074（43a）（方案13）——一种基于二肽的先导化合物，通过表型筛选发现，曾作为工具化合物用于研究HIV-1衣壳抑制对病毒复制的调控作用。经过多轮平行合成优化，得到类似物43b，活性显著提升（EC₅₀=48 nM）。 HIV-1衣壳蛋白分别与43a、43b的共晶结构显示，两种抑制剂的仲酰胺NH与叔酰胺羰基氧，均和Asn57残基的侧链伯酰胺形成两个关键氢键。研究人员将叔酰胺环化构建吡啶环，其中吡啶氮作为氢键受体，保留了与Asn57侧链伯酰胺NH的氢键作用。该设计得到的吡啶类似物43c抑制活性中等；经过大量额外结构修饰（其中一例见7.1节），最终得到强效HIV-1衣壳抑制剂来那卡韦（43）。43与HIV-1 CA的共晶结构证实，吡啶杂环通过与Asn57结合发挥氢键受体作用（图32右）。 方案13 PF-3450074（43a）到来那卡韦（43）的结构演化 图32 HIV-1 CA与43a的共晶结构（左，PDB: 2XDE）、HIV-1 CA与43的共晶结构（右，PDB: 6V2F）3.3.4 酰胺→喹唑啉酮/吡啶并嘧啶酮：VH-280/VH-499 来那卡韦（43）骨架中酰胺生物电子等排思路的进一步延伸，体现在基于7-溴喹唑啉-4-酮的HIV-1 CA抑制剂44a中。该类似物里，43a中的叔酰胺被刚性双环杂环替换，作为非经典酰胺替代物。值得注意的是，溴取代基提供了通用的合成手柄，可在后期多样化引入取代基，用于优化结合相互作用与药代性质。 该方向的研发得到了长效候选药物GSK878（44b）（图33），但分子量高达918。44b与HIV-1 CA的共晶结构显示（图34），喹唑啉-4-酮参与两个氢键：一个与Asn57的侧链酰胺NH结合，另一个与Thr107的侧链羟基结合，二者共同贡献了其极强的抑制活性。GSK878因犬毒性研究中发现肝损伤相关结果，已终止临床试验。 将2,6-二甲基吗啉替换为三氟甲基吡啶基团，得到VH280（44c），已推进至临床开发，2023年完成I期评估。另一方面，将喹唑啉酮骨架替换为吡啶并嘧啶酮母核，同时用三氟丙氧基替换2,6-二甲基吗啉，得到VH-499（44）（图33），目前处于I期与IIa期临床试验，开发长效注射型HIV治疗药物。 图33 44a、GSK878（44b）、VH-280（44c）与VH-499（44）的结构 图34 44b与HIV-1 CA的共晶结构（PDB: 8FIU）3.3.5 酰胺→三唑：阿普唑仑 1957年Leo Sternbach偶然发现了首款苯二氮䓬类镇静药物氯氮䓬（45），随后学界开始研发更高效的中枢神经系统药物，地西泮（46）由此诞生，用于焦虑与癫痫发作的短期治疗。1969至1982年间，它是美国处方量最高的药物，1978年销量峰值超过23亿片。 地西泮主要通过正向别构调节脑部γ-氨基丁酸A型（GABA_A）氯离子通道发挥作用。在人体内，46经CYP450代谢生成三种具有药理活性、作用持久的代谢产物46a、46b、46c，每种半衰期均超过24 h。其中去甲基代谢产物46a是主要的循环活性代谢物，半衰期长达50-120 h，远超母体46的48 h，因此地西泮作用持续时间长，存在长期滥用或成瘾风险。 将N-甲基酰胺替换为1,3,4-三唑，得到高活性、作用时间更短的阿普唑仑（47）（半衰期12 h）（方案14）。该化合物经CYP3A4代谢生成两种主要代谢产物：4-羟基阿普唑仑（47a）与α-羟基阿普唑仑（47b），二者半衰期与母体相近。但它们的血浆浓度低、活性弱，对阿普唑仑药理作用的贡献极小甚至可以忽略。 方案14 地西泮（46）到阿普唑仑（47）的结构演化3.3.6 酰胺→咪唑：咪达唑仑 为进一步缩短地西泮（46）的作用时间，研究人员将N-甲基酰胺替换为咪唑，得到短效催眠镇静药物咪达唑仑（48）（方案15）。咪唑的碱性使其可形成水溶性盐，支持注射给药；而咪唑环上的甲基则作为代谢软位点，可被快速氧化生成无活性代谢产物48a。起效快、作用时间短的特点，使咪达唑仑与其他苯二氮䓬类药物形成显著差异。 方案15 地西泮（46）到咪达唑仑（48）的结构演化3.3.7 羧酸→四氮唑：氯沙坦 氯沙坦（49）是全球首创的非肽类选择性AT1R拮抗剂，1994年上市，用于治疗高血压。氯沙坦研发的早期先导化合物是联苯羧酸49b——静脉注射对肾性高血压大鼠有效，但口服给药后活性大幅下降。 为提升活性与口服生物利用度，研究人员探索了多种羧酸生物电子等排体，最终发现了四氮唑取代的氯沙坦（49）。与49b相比，49的结合亲和力提升10倍，静脉与口服剂量更低时即可发挥口服疗效。羧酸替换为四氮唑环还改善了49的膜渗透性，人体口服生物利用度达33%。生物利用度仍不算高，因为约14%的给药剂量经肝脏代谢生成活性代谢产物49a，其终末半衰期长达6-9 h。尽管母体化合物49是竞争性AT1R阻滞剂，但其药理作用持续时间较短，终末半衰期仅1.5-2.5 h。综上，氯沙坦主要以“前药”的形式发挥药效。 氯沙坦的发现早于AT1R结构数据的解析。四氮唑基团带来的活性提升，曾被归因于四氮唑的互变异构形式：其酸性NH或去质子化后的负电荷，相比羧酸距离芳环更远。N-(苯磺酰基)苯甲酰胺49c的结合亲和力与羧酸49b相当，与CONHSO₂Ph和CO₂H基团拓扑结构相似的结论一致。反向酰基磺酰胺49d活性更强，原因是更长的C-S键使酸性基团距离联苯母核更远；此外，负电荷离域到末端苯甲酰胺氧上，使电荷进一步向外延伸，最终增强了整体活性（图35）。 尽管已有多款AT1R拮抗剂类降压药上市，但AT1R配体结合的结构基础长期未明确。直到2015年，研究人员利用串行飞秒晶体学（SFX）技术，解析了人AT1R分别与两种选择性拮抗剂ZD7155（结构未展示）、奥美沙坦（50）结合的晶体结构。 AT1R-50复合物结构显示，受体N端ECL2段上带正电的Arg167胍基，与50带负电的四氮唑形成广泛的盐桥与氢键相互作用网络。尽管尚无联苯羧酸类拮抗剂的共晶结构报道，但将49对接至AT1R结构中发现，Arg167与四氮唑可形成类似的盐桥。四氮唑类似物49比羧酸对应物49b受体结合亲和力更强，至少部分原因是：2H-四氮唑的位置比羧酸距离Arg167的胍基近约1.5 Å，从而形成更强的静电与氢键相互作用（图36）。 图35 49a-49d与氯沙坦（49）的结构 图36 50与AT1R的共晶结构（左，PDB: 4ZUD）、50的四氮唑与AT1R的相互作用（右）4. 砜与磺酰胺类生物电子等排体（1-2个关键原子改动） 砜是药物设计中一类独特的官能团，兼具强吸电子性、高偶极矩与双氢键结合能力，这些性质均可助力提升靶点结合能力与药理活性。但砜的极性虽有利于提升溶解度，也可能成为限制因素——降低膜渗透性，进而影响口服生物利用度。 为攻克上述挑战，药物化学中策略性地应用砜的生物电子等排体，在保留砜核心性质的同时降低相关成药风险，优化溶解度、选择性与活性，最终推动多款候选药物与上市药物的成功开发。4.1 砜→磺酰亚胺：AZD6738 AZ20（51a）是共济失调毛细血管扩张突变和Rad3相关（ATR）激酶的强效抑制剂，具备多种癌症治疗潜力，但存在水溶性差、CYP3A4时间依赖性抑制（TDI）的缺陷。一般认为，其TDI风险源于吲哚环经氧化代谢生成活性代谢产物。 基于该假设，研究人员筛选吲哚等排体，得到7-氮杂吲哚化合物51b，降低了CYP3A4 TDI风险，但脂溶性与51a相近，水溶性未得到改善。为优化理化性质，研究人员将磺酰亚胺作为砜的生物电子等排体进行探究。与普通亚胺不同，磺酰亚胺的化学与构型均高度稳定；更重要的是，其S=NH基团既可作为氢键给体也可作为氢键受体，且氮原子具有弱碱性（对应NH₂⁺的pKa=2.7），可与强酸成盐。 此外，磺酰亚胺额外引入的氮原子增加了分子极性与氢键结合能力，通常水溶性优于砜，这一特性对优化药物的药代性质十分有利。当然，硫原子新增的手性中心也提升了合成复杂度。 在AZD6738（51）的研发中（方案16），将51b的砜替换为磺酰亚胺后，化合物溶解度提升了82倍，同时完全保留了ATR抑制活性。该结果与磺酰亚胺基团在ATR激酶ATP结合口袋中朝向溶剂区的取向一致。从51a到51，logD下降，人与小鼠血浆中的药物游离分数显著升高。目前AZD6738处于实体瘤单药治疗II期临床试验，同时联合用药治疗非小细胞肺癌处于III期临床阶段。 方案16 AZ20（51a）到AZD6738（51）的结构演化4.2 砜→磺酰亚胺：VIP152 CDK9抑制剂VIP152（52）的发现，进一步印证了磺酰亚胺作为砜生物电子等排体的应用价值。早期先导化合物磺酰胺BAY-958（52a）是强效CDK9抑制剂（IC₅₀=11 nM），激酶选择性高（包括CDK家族内选择性），但存在水溶性有限、渗透性差、外排率高的缺陷，最终导致口服生物利用度不佳。 对应的砜类化合物52b活性与52a相当，但溶解度问题仍未解决。将砜替换为磺酰亚胺，得到BAY 1143572（52c）：CDK9抑制活性提升2倍，对CDK2的选择性提升100倍。活性提升大概率源于磺酰亚胺的NH与酶Glu107骨架羰基形成了额外氢键。 值得关注的是，52c的水溶性显著改善、外排效应降低，口服生物利用度相较52a大幅提升。尽管I期临床试验中药代性质良好，但因中性粒细胞减少的剂量限制性毒性，52c的后续开发被终止。学界认为该毒性源于每日口服给药后，CDK9调控的转录蛋白MCL-1被持续抑制，而循环中性粒细胞的存活高度依赖该蛋白。 基于此，研究人员将给药方式从口服改为间歇静脉给药，预期可缓解毒性。在此方向下，保留磺酰亚胺结构、同时引入氟嘧啶杂环作为三嗪母核生物电子等排体的BAY-332（52d）被开发出来，其活性更强、选择性更高，适合静脉给药，但在预测的人体剂量下，溶解度仍不足以支持静脉制剂。 后续进一步应用生物电子等排策略（吡啶替换氟苯基、氟吡啶替换氟嘧啶），最终得到VIP152（52）（方案17）：活性提升10倍，选择性优异，水溶性足以支持临床静脉制剂开发。VIP152采用每周一次静脉给药，在晚期血液肿瘤与实体瘤患者中已验证了安全性与临床获益，目前处于弥漫性大B细胞淋巴瘤的II期临床试验阶段。 方案17 BAY 958（52a）到VIP152（52）的结构演化4.3 砜→磺酰亚胺酰胺：DFV890 NLRP3（NOD样受体家族含pyrin结构域蛋白3）炎症小体是炎症反应的关键介导因子，抑制NLRP3是治疗多种炎症疾病的极具前景的策略。早期临床阶段NLRP3拮抗剂CRID3（53a）细胞水平活性优异、选择性高，在小鼠皮肤与肺部炎症模型中均显示体内活性，但每日需高达1.2 g的剂量才能起效，且存在肝毒性证据。 上述缺陷可能与两个结构警示基团相关：中心的磺酰脲与呋喃环。磺酰脲在体内可裂解生成异氰酸酯活性中间体；呋喃则可经氧化后开环，生成反应性羰基中间体。 针对上述风险，研究人员将磺酰亚胺酰胺基团作为磺酰脲的等排替代物进行探索。结果显示，R构型的磺酰亚胺酰胺53b活性远高于S构型对映体53c。同时，呋喃可替换为其他五元杂芳环，其中活性最优的是噻唑，对应化合物53d。 DFV890（53）中的磺酰亚胺酰胺生物电子等排体（方案18），使其活性相较磺酰脲化合物53d提升100倍以上，且同样为R构型活性更优。53具备良好的药代性质，跨物种口服生物利用度优异，预测人体给药剂量大幅降低（45 mg，每日一次）。目前DFV890处于II期临床试验，适应症涵盖家族性寒冷自身炎症综合征、髓系疾病、膝骨关节炎与冠心病。 方案18 CRID3（53a）到DFV890（53）的结构演化4.4 砜→氧化膦：布格替尼 布格替尼（54）是第二代间变性淋巴瘤激酶（ALK）酪氨酸激酶抑制剂，2017年获FDA批准用于ALK阳性转移性非小细胞肺癌的一线治疗，也是全球首款成功上市的含氧化膦结构的药物。 与其前体TAE684（54a）相比，布格替尼用二甲基氧化膦（DMPO）替换了异丙基砜。54a存在生物活化风险：富电子的1,4-二氨基苯环经氧化生成活性代谢产物（54b→54c），而54无此隐患。目前远端DMPO减弱活性代谢产物生成的具体机制仍不明确。 此外，DMPO基团还大幅降低了分子脂溶性、总极性表面积（tPSA）与血浆蛋白结合率，同时显著提升水溶性（表1）。 表1 54a与54的性质对比 ALK共晶结构显示，尽管54a的砜与54的氧化膦均和相邻苯胺NH形成六元分子内氢键，但P=O键的氧原子使分子呈现更刚性、更扁平的U型活性构象。因此，相较于54a的异丙基砜-苯胺结构，54的DMPO-苯胺片段相对P-loop向外旋转，带来构象差异，与ALK蛋白的结合模式也有所区别（图37）。 方案19 TAE684（54a）的生物活化与布格替尼（54）的结构演化 图37 ALK与54a的共晶结构（左，PDB: 2XB7）、ALK与54的共晶结构（右，PDB: 5J7H）4.5 砜→氧化膦：SY-5609 DMPO基团的成药优势持续得到验证，近期研究将其用于替换55a的二甲基砜，以提升CDK7选择性并优化药代性质，最终得到SY-5609（55）（图38）——一种强效、高选择性、口服生物利用度良好的CDK7抑制剂，目前已推进至胰腺癌I/II期临床试验。 研发初期尚无CDK7晶体结构，研究人员解析了55b（55a的去氰基类似物）与CDK2的共晶结构，辅助阐明结合模式（图39左）。砜基团与相邻的吲哚NH形成六元分子内氢键，在活性位点内参与多重相互作用：一个砜氧原子直接与催化残基Lys33结合，另一个砜氧原子通过水分子桥接，与Gln131、P-loop上的Glu12骨架羰基形成相互作用。 SY-5609与突变型CDK7（CDK7W132R，该突变使激酶从非活化态切换为活化构象）的共晶结构显示，DMPO的作用与55b中的砜高度相似（图39右）。DMPO既与吲哚NH形成分子内氢键，又通过两个甲基的脂溶性相互作用稳定P-loop构象。此外，催化残基Asp155与抑制剂形成两个氢键：一个与吲哚NH结合，另一个与DMPO的氧原子结合。 图40总结了55b中的砜官能团、55中的DMPO取代基，分别与对应靶蛋白形成的关键相互作用。 图38 55a、55b与SY-5609（55）的结构 图39 55b与CDK2的共晶结构（左，PDB: 7RA5）、55与CDK7W132R的共晶结构（右，PDB: 8R9U） 图40 55b与SY-5609（55）和靶蛋白的代表性相互作用对比4.6 砜→双四氢呋喃：达芦那韦 含环丁砜结构的56a是一类全新P2配体的HIV-1蛋白酶抑制剂——P2配体指占据HIV-1蛋白酶活性位点S2亚口袋的取代基。研究人员最初推测，与烷氧基处于顺式的砜氧原子，可作为氢键受体与Asp30'的酰胺NH结合。 为保留该相互作用，同时引入第二个氢键受体结合S2口袋中相邻的Asp29'，研究人员将环丁砜替换为双四氢呋喃（bis-THF）杂环，其两个缩醛氧原子的空间取向恰好可作为双氢键受体。引入bis-THF配体后，化合物56b展现出极强的HIV-1蛋白酶抑制活性与细胞抗病毒活性。 后续对P2'位磺酰胺芳基的进一步优化，最终得到高活性HIV蛋白酶抑制剂达芦那韦（56）（图41），兼具良好的药代性质与安全性。 56与HIV-1蛋白酶的共晶结构证实（图42）：bis-THF双环与S2口袋残基形成紧密的范德华相互作用；更关键的是，两个缩醛氧原子均与保守的Asp29'、Asp30'骨架酰胺形成关键氢键。这些相互作用赋予其皮摩尔级的抑制活性，以及对多重耐药HIV-1毒株的广谱抑制效果。 与bis-THF不同，环丁砜P2配体在几何上无法同时与Asp29'-Asp30'骨架形成双氢键，且与S2疏水腔的范德华相互作用也较弱。因此，bis-THF环既模拟了砜的部分性质，又额外增加了氢键相互作用（图42）。 与“缩醛化学不稳定”的普遍认知相反，bis-THF的稳定性极佳：瞬时开环后，会因分子内高有效摩尔浓度、有利的熵效应与低环张力快速发生再环化。bis-THF P2片段替换环丁砜的设计，最终推动了达芦那韦的成功开发，该药2006年获批用于HIV-1感染与艾滋病的治疗。 达芦那韦主要经CYP3A4介导的异丁基与苯胺羟基化代谢，bis-THF环系统不会被代谢。与利托那韦联用可显著抑制CYP3A4活性，降低代谢清除率，大幅提升达芦那韦的全身暴露量。 图41 56a、56b与达芦那韦（56）的结构 图42 56与HIV-1的共晶结构（PDB: 2IDW）4.7 磺酰胺→酰胺：达利雷生 达利雷生（57）是双重食欲素受体拮抗剂，2022年获FDA批准用于失眠症治疗。其研发源于对磺酰胺类化合物ACT-462206（57a）的优化——57a是早期双重食欲素受体拮抗剂，临床研究显示剂量依赖性镇静效应与良好耐受性，但大概率因理化性质不佳终止开发。 研究人员通过生物电子等排策略解决该问题：首先将苯胺片段替换为苯并咪唑，得到57b，活性略有下降但溶解度提升；随后将磺酰胺替换为酰胺，使化合物对食欲素1型受体（OX₁）与2型受体（OX₂）的活性均大幅提升。 基于该苯并咪唑-吡咯烷酰胺全新化学型，经进一步优化得到达利雷生（57）（方案20），与57a相比活性与溶解度均显著改善。与OX₁的共晶结构显示，57a中一个磺酰氧原子与Asn318侧链形成氢键，而57的酰胺氧原子完美模拟了该结合作用（图43）。 方案20 ACT-462206（57a）到达利雷生（57）的结构演化 图43 OX₁与57a的共晶结构（左，PDB: 6TP4）、OX₁与57的共晶结构（右，PDB: 6TP3）5. 苯基类生物电子等排体 苯环是小分子药物中出现频率最高的芳香结构单元，可通过π-π堆积、疏水相互作用、范德华力等多种方式与靶蛋白结合口袋匹配。但未取代苯环脂溶性强、易发生CYP450介导的氧化代谢，常导致化合物溶解度不足、清除率过高；同时高度平面的芳香结构也可能带来脱靶风险与专利布局限制。苯基生物电子等排替换是先导优化阶段的核心策略之一：通过杂芳环、饱和环或特殊官能团替换苯环，可在保留核心结合构象的前提下，精准调控化合物的活性、选择性、理化性质与药代动力学特征，同时拓展化学空间、规避专利障碍。 5.1. 1-2个关键原子变化5.1.1. 苯基替换为噻吩：奥氮平（Olanzapine） 氯氮平（58）是FDA批准的非典型抗精神病药物，主要作用于多巴胺和5-羟色胺受体，用于治疗典型抗精神病药无法控制症状的精神分裂症患者。使用氯氮平的一个顾虑是粒细胞缺乏症风险，其特征为白细胞计数短暂降低，使患者更易受感染，因此需要定期进行血液学监测。氯氮平还与多种其他不良反应相关，包括流涎、镇静和癫痫发作。其相对较高的治疗剂量（300-900 mg/天）可能进一步加剧这种不良副作用。 为提高效价并降低安全风险，研究者制备了多种杂芳基稠合苯二氮䓬类似物，最终发现了奥氮平（59）。奥氮平具有广泛的受体结合谱，对多种多巴胺和5-羟色胺受体亚型具有高亲和力，包括对5-HT2A/2C受体的明显偏好超过D2受体（图44）。临床上，奥氮平以5-25 mg/天的剂量治疗精神分裂症有效，且无需常规血液监测，这是相对于氯氮平的实际优势。与氯氮平类似，奥氮平也与体重增加相关，尤其是在治疗初期。尽管如此，自1996年上市以来，奥氮平已成为最成功的第二代非典型抗精神病药之一，2010年年度销售额峰值约为50亿美元。 在奥氮平的开发中，噻吩环作为苯的等排体，相比氯氮平提供了更优的性质。尽管噻吩环容易发生代谢活化产生活性代谢物——这是多种含噻吩药物毒性的相关因素——但奥氮平似乎对这种代谢具有抗性，可能是由于其三取代噻吩结构阻断了反应位点。 图44. 氯氮平（58）和奥氮平（59）的结构5.1.2. 苯基替换为吡啶：阿帕他胺（Apalutamide） 恩扎卢胺（26）于2012年获批，成为首个用于治疗转移性去势抵抗性前列腺癌（CRPC）的第二代抗雄激素药物，适用于化疗后和化疗前患者。六年后，其后续疗法阿帕他胺（27）也获批用于非转移性CRPC。这些类似物通过阻断促进前列腺细胞（包括癌细胞）生长的雄激素（如睾酮）来治疗前列腺癌。两种药物靶点效价相似，核心结构相同，但在两个方面存在结构差异：阿帕他胺用吡啶基替代苯基，用环丁基替代偕二甲基（图45）。 恩扎卢胺的主要副作用是癫痫发作风险增加，这是药物穿透血脑屏障并随后抑制γ-氨基丁酸受体的结果。在小鼠临床前研究中，阿帕他胺的脑摄取量比恩扎卢胺低4倍，提示癫痫发作风险更低。阿帕他胺脑穿透性降低与吡啶杂环的引入一致——吡啶杂环降低了clogP值并增加了拓扑极性表面积（tPSA）。在临床实践中，恩扎卢胺的高稳态脑浓度与癫痫等中枢神经系统相关事件相关，而阿帕他胺稳态脑浓度较低，癫痫副作用较少。尽管如此，两者均存在潜在癫痫风险，因此不推荐用于有癫痫病史或其他易感因素的患者。 另一个主要差异是恩扎卢胺在人体内的半衰期长得多，可能导致副作用持续时间更长。此外，与恩扎卢胺相比，阿帕他胺的皮疹发生率显著更高。这种效应被认为源于阿帕他胺中的缺电子腈基——该腈基因其在吡啶环上的位置和邻位CF3取代基的双重活化作用而具有高反应性。 恩扎卢胺和阿帕他胺均由加州大学洛杉矶分校的Michael Jung及其同事发现，分别由辉瑞和强生公司开发。自获批以来，这些药物已成为前列腺癌的重要治疗手段，2022年销售额分别为58亿美元和18亿美元。 图45. 恩扎卢胺（26）和阿帕他胺（27）的结构 5.1.3. 苯基替换为吡啶：JNJ-63576253 另一个将苯环替换为吡啶杂环的例子来自抗雄激素药物JNJ-63576253（60）的发现，该药物目前处于临床试验阶段，用于治疗对第二代雄激素受体（AR）靶向治疗无应答或疾病进展的前列腺癌患者。化合物60a被确定为潜在先导化合物，对野生型AR、F877 AR突变体以及其他临床相关AR突变体均具有抑制活性。尽管60a具有良好的体外和体内药理学性质，但由于在犬中出现特发性肝毒性而无法继续开发。 后续体内代谢研究显示，60a会形成苯酚代谢物60b，后者可进一步氧化为活性邻醌结构。事实上，60b在犬肝微粒体中孵育后可形成谷胱甘肽（GSH）加合物。为阻断活性代谢物的形成，研究者对60a的苯氧基环进行了简单的生物电子等排N/CH交换，得到了60c。去甲基哌啶产物JNJ-63576253（60）（方案21）是60c的活性代谢物，因其良好的性质被选择进行开发。化合物60在犬中未表现出肝毒性或其他主要安全性问题。与此发现一致，其吡啶酮代谢物60d不形成GSH加合物。60安全性的改善支持了以下假设：60a产生的苯酚60b的生物活化途径是犬肝毒性的原因，而将苯环替换为吡啶杂环可减轻这种毒性。 方案21. 60a到JNJ-63576253（60）的演化过程5.1.4. 苯基替换为吡啶：哌柏西利（Palbociclib） 哌柏西利（61）是首个选择性CDK4/6抑制剂，可阻断细胞周期从G1期向S期进展，从而使肿瘤细胞阻滞在G1期并抑制其生长。哌柏西利的发现早于CDK4/6结构信息的获得，始于高通量筛选命中物61a。该化合物仅表现出中等程度的CDK4抑制作用，但具有较强的CDK2抑制活性，这将无法验证CDK4抑制剂可抑制肿瘤生长的假设。 通过对2-氨基苯环进行广泛的构效关系（SAR）研究，发现2-氨基吡啶类似物61b对CDK4的选择性是CDK2的35倍。对该化学型进行全面优化后，得到了高效、高选择性的CDK4/6抑制剂哌柏西利（61）（方案22），该药于2015年获批用于治疗绝经后女性晚期乳腺癌。 氨基吡啶类CDK4/6抑制剂高选择性的原因可从下一代类似物阿贝西利（62）与CDK6的共晶结构中得到解释：吡啶氮原子通过一个结合水分子与铰链区的His100相互作用（图46）。在所检测的442种激酶中，仅有8种含有该组氨酸残基，而在CDK家族中，仅CDK4和CDK6具有His100。方案22. 61a到哌柏西利（61）的演化过程 图46. CDK6与62的共晶结构（PDB: 5L2S）（左）。CDK6与62的选择性相互作用（右）5.1.5. 苯基替换为吡啶酮：多拉韦林（Doravirine） 吡啶酮同时含有氮杂原子和羰基，是一类独特的六元平面杂环。根据氮原子相对于羰基的位置，可分为2-吡啶酮和4-吡啶酮。当氮原子未被取代时，羟基吡啶与其吡啶酮异构体可通过互变异构快速相互转化，在固态和溶液中，尤其是生理条件下，氧代形式（吡啶酮）占主导。N-取代吡啶酮提供氢键受体（HBA），而未取代吡啶酮既可作为氢键受体也可作为氢键供体（HBD）。 由于其平面性和氢键形成能力，吡啶酮已被用作酰胺、苯环、苯酚、吡啶以及氮/氧杂环的生物电子等排体。由于内酰胺官能团的存在，吡啶酮的极性远高于苯、吡啶或苯酚，这体现在它们的clogP值上（图47）。因此，吡啶酮也被用于改善药物样性质，如水溶性。 N-取代吡啶酮的构象偏好性被用于多拉韦林（63）的发现（方案23）。多拉韦林是第三代非核苷类HIV逆转录酶抑制剂（NNRTI），于2018年获批用于治疗HIV-1感染。早期先导化合物63a对主要临床相关的逆转录酶（RT）突变体表现出广谱抗病毒活性。与野生型RT的共晶结构揭示了63a的吡唑并吡啶基团与Lys103主链NH和C=O之间的两个关键氢键（图48，左），这些相互作用在先导化合物优化过程中得以保留。 图47. 苯、吡啶、苯酚和吡啶酮的计算理化性质 方案23. MK-4965（63a）到多拉韦林（63）的演化过程 图48. HIV-RT与63a（PDB: 3DRS）（左）和63（PDB: 4NCG）（右）的共晶结构5.1.5. 苯基替换为吡啶酮：多拉韦林（续） 含亚甲基连接子的化合物63b表现出与63a相当的活性。将63b的对接构象与63a的生物活性构象叠加后，发现末端双环核心的对齐度极佳。主要构象差异源于连接子与中心苯环之间二面角的变化。含醚键连接子的63a倾向于苯核相对于OCH2连接子呈更平面的排列，测得二面角为150°。相比之下，亚甲基连接的类似物63b更倾向于中心苯环与末端吡唑并吡啶核心之间呈正交取向，计算二面角为81°。 因此，这些化合物中的吡唑并吡啶核心采用相似的构象——几乎与中心苯环正交——使吡唑部分适当地定位，与Lys103形成关键的双齿氢键。尽管63b在酶抑制测定中具有效价，但在细胞培养中缺乏强劲的抗病毒活性，且在大鼠中药代动力学性质较差。因此，将中心苯环替换为极性更强的吡啶酮环，该环能够维持所需的正交取向，从而改善了药代性质。事实上，63c在大鼠中的口服生物利用度为57%，但其进一步开发因溶解度差而受阻。 63c的低溶解度和高结晶性归因于吡唑并吡啶部分形成的供体/受体氢键。为了削弱晶格从而提高溶解度，将双环氮杂吲唑替换为生物电子等排的单环三唑酮，随后在吡啶酮C4位进行生物电子等排Cl/CF3交换，得到了多拉韦林（63）——一种第三代NNRTI，保留了关键的N-NH受体-供体基序，可与RT酶的Lys103主链形成一对氢键（图48，右）。多拉韦林具有良好的溶解度以及在人体内有利的口服生物利用度，可实现每日一次给药。5.1.6. 苯基替换为吡啶酮：奥芦他赛布（Olutasidenib） 奥芦他赛布（64）是一种突变型异柠檬酸脱氢酶-1（IDH1）抑制剂，于2022年获批用于治疗携带易感IDH1突变的急性髓系白血病（AML）患者。它由早期先导化合物64a演化而来（方案24）。通过将苯环替换为吡啶酮实现了效价和选择性的提高——吡啶酮引入了与蛋白质的额外氢键相互作用，并通过消除苯酚形成的可能性降低了代谢风险。 在mIDH1-R132H与64a和64的共晶结构中（图49），两种抑制剂均结合在二聚体界面的变构位点。64的吡啶酮氮原子与Leu120的主链酰胺形成氢键，而羰基氧与水分子相互作用。这种额外的氢键网络有助于64相对于64a的效价增强。吡啶酮替换还降低了分子的亲脂性，从而提高了溶解度并降低了血浆蛋白结合率。 方案24. 64a到奥芦他赛布（64）的演化过程 图49. mIDH1-R132H与64a（PDB: 6O2Y）（左）和64（PDB: 6U4J）（右）的共晶结构5.1.7. 苯酚替换为哒嗪酮：Resmetirom和ALG-055009 Resmetirom（65）和ALG-055009（66）是选择性甲状腺激素受体-β（THR-β）激动剂，开发用于治疗代谢功能障碍相关脂肪性肝炎（MASH）。该发现项目始于甲状腺激素T3及其类似物。含酚羟基的化合物65a作为早期先导物。为提高THR-β相对于THR-α的选择性并减少心血管副作用，将苯酚替换为哒嗪酮部分。 这种生物电子等排替换得到了65c，其效价降低了100倍，但对THR-β的选择性提高了10倍。为恢复效价，将65c的CH2CO2H替换为氮杂尿嘧啶（一种弱酸）——这是一种受高通量筛选命中物65e启发的不寻常羧酸替代物。将65d中的氮杂尿嘧啶部分替换为氰基增加了酸性（ΔcpKa = 0.8）并进一步增强了THR-β选择性，最终得到resmetirom（65），该药于2024年获批，成为首个用于治疗中重度肝纤维化成人MASH的同类疗法。 值得注意的是，在体外微核试验中检测潜在遗传毒性时，65呈阴性，而65a、65b和几种早期哒嗪酮类似物均呈阳性。作为持续改善65溶解度或效价努力的一部分，将氮杂尿嘧啶上的氰基替换为多种极性基团，得到了氨基氮杂尿嘧啶ALG-055009（66）（方案25）——一种高效、高选择性的THR-β激动剂，目前处于MASH治疗的II期临床研究中。 方案25. T3及早期T3类似物到Resmetirom（65）和ALG-055009（66）的演化过程 图50. hTHR-β与65a（PDB: 3GWS）（左）和66（PDB: 8RQN）（右）的共晶结构5.2. 苯基替换为饱和环5.2.1. 苯基替换为哌啶：Leniolisib 喹唑啉68a被确定为高效、同工酶选择性的PI3Kδ抑制剂，在体内表现出剂量依赖性的PI3Kδ药理抑制作用。然而，在水性条件下，它会逐渐形成溶解度差的结晶三水合物，导致吸收受溶解度限制。为改善理化性质，对喹唑啉核心进行修饰，得到部分饱和的双环5,6,7,8-四氢吡啶并[4,3-d]嘧啶作为可行替代物，亲脂性显著降低，溶解度提高。 在先前针对相关PI3Kδ选择性抑制剂系列的项目中，苯甲酰哌嗪连接子已成功截短为醚键连接的吡咯烷，得到膜通透性改善的类似物。受此发现启发，将68c精简得到68d，效价降低2倍但膜通透性更优。在吡啶环上引入CF3基团（68e）增强了效价。最后的生物电子等排O/NH变化得到了leniolisib（68）（方案27），该药于2023年获批，成为首个用于治疗活化PI3Kδ综合征（APDS）的药物——APDS是一种由PI3Kδ功能获得突变或PIK3R1功能丧失突变引起的罕见原发性免疫缺陷病。 方案27. 68a到Leniolisib（68）的演化过程5.2.2. 苯基替换为哌啶：格拉吉布（Glasdegib） 格拉吉布（69）是一种Hedgehog通路抑制剂，于2018年获批与低剂量阿糖胞苷联合治疗，用于老年患者或无法耐受强化化疗的新诊断AML患者。先导化合物69a效价高，但代谢稳定性差、水溶性低（0.1 μg/mL），且由于高亲脂性（clogD = 4.48，pH 6.5）在各物种中血浆蛋白结合率高（游离率<1%）。 由于中心苯基是化合物亲脂性的主要来源，将其替换为N-甲基哌啶，得到化合物69b——其中取代基的取向与先导化合物相似。尽管效价降低了9倍，但哌啶69b表现出可接受的药代动力学性质（如犬中生物利用度F = 33%）；这种改善归因于clogD大幅降低3.4个单位以及Fsp3增加。 为进一步优化抑制效价和药代性质，合成了酰胺和脲类似物，最终得到格拉吉布69（方案28），在各物种中均表现出良好的口服生物利用度（大鼠、犬和人中分别为33%、68%和55%）。与其低亲脂性（clogD = 2.1）一致，69在大鼠、犬和人血浆中具有高游离分数（10-14%）。格拉吉布的发现表明，通过降低亲脂性和增加Fsp3，含多个芳基或杂芳基的高亲脂性化合物可转化为具有更优药物样性质的分子。 方案28. 69a到格拉吉布（69）的演化过程5.2.3. 苯基替换为2-氮杂螺[3.3]庚烷：JDQ443 苯基丙烯酰胺70a是一种弱效KRAS G12C共价抑制剂，存在非选择性化学反应性问题——GSH孵育测定中半衰期为84分钟。为降低丙烯酰胺弹头的固有化学反应性并优化连接子取向，评估了多种富含sp3的苯胺替代物，其中70b中的螺氮杂环丁烷部分被认为是最优的。该化合物对GSH结合的稳定性显著提高（t1/2 = 241分钟），同时仍保留中等程度的G12C抑制活性。 在保持螺氮杂环丁烷连接的弹头不变的前提下，进行了广泛的SAR研究以提高亲和力，最终得到JDQ443（70）（方案29），在G12C抑制活性和GSH稳定性之间取得了平衡。JDQ443（70）曾进入II期临床研究，用于治疗局部晚期或转移性G12C突变非小细胞肺癌，但由于KRAS G12C驱动癌症患者的治疗选择日益增多，其开发于2024年5月终止。 共晶结构显示，化合物70a和70以相似的构象结合KRAS G12C，苯胺（末端C到N距离4.2 Å）和螺氮杂环丁烷（长度3.9 Å）分别作为丙烯酰胺弹头的有效连接子（图51）。 方案29. 70a到JDQ443（70）的演化过程 图51. KRAS G12C与70a（PDB: 7R0Q）（左）和70（PDB: 7R0M）（右）的共晶结构6. 芳香杂环生物电子等排体6.1. 1-2个关键原子变化6.1.1. 噻唑替换为噻二唑：Fezolinetant 噻唑是一种缺电子杂芳烃，是药物设计中通用的构建模块，常被用作苯环或吡啶环的生物电子等排体。然而，5位未取代的噻唑（71a）可发生C4-C5环氧化生成环氧化物71b，后者可水解为二醇71c，再自发开环得到硫代酰胺71d（方案30）。这种代谢物能够共价修饰关键的细胞大分子，导致毒性和特发性药物不良反应。 为此，1,2,4-噻二唑（72）已被证明可规避潜在的生物活化风险，是噻唑环的有效生物电子等排体。这种生物电子等排替换策略的一个有效实例是fezolinetant（73）的发现（方案31）——一种神经激肽3受体（NK3R）拮抗剂，于2023年获批用于治疗更年期引起的中重度血管舒缩症状或潮热。 将73a中的2-甲基-1,3-噻唑替换为3-甲基-1,2,4-噻二唑（73b），显著改善了NK3拮抗活性，同时保持了良好的溶解度和CYP抑制特性。然而，73b未能达到hERG安全性阈值（IC50 > 10 μM）。由于hERG抑制通常与高亲脂性和多个芳香环相关，将末端噻吩（另一个因可能形成活性代谢物而发出结构警示的基团）截短为单个氟原子（73），使hERG抑制降低了10倍以上。尽管效价比73b低10倍，但fezolinetant（73）在NK3选择性、NK3抑制和口服疗效方面总体平衡。与1,2,4-噻二唑不同，引入1,3,4-噻二唑（73c）或1,2,4-恶二唑（73d）导致效价显著降低。 方案30. 噻唑代谢：C4-C5烯烃环氧化起始 方案31. 73a到Fezolinetant（73）的演化过程6.1.2. 咪唑替换为咪唑酮：厄贝沙坦（Irbesartan） 厄贝沙坦（74）是一种血管紧张素II受体拮抗剂，于1997年获批用于治疗高血压和糖尿病肾病。它是通过修饰含咪唑环的先导化合物74a发现的。74中的咪唑酮环作为咪唑环的生物电子等排替换引入，提供了与受体的额外氢键相互作用并改善了口服生物利用度。 咪唑酮部分同时作为氢键供体和受体，能够与血管紧张素II受体形成更强的相互作用。这种修饰还通过消除咪唑环上的潜在氧化代谢位点提高了分子的代谢稳定性。厄贝沙坦（74）口服吸收良好，半衰期长，适合每日一次给药。6.1.3. 苯并呋喃替换为吲哚：阿来替尼（Alectinib） 阿来替尼（75）是第二代间变性淋巴瘤激酶（ALK）抑制剂，于2015年获批用于治疗ALK阳性非小细胞肺癌（NSCLC）。阿来替尼的发现源于苯并呋喃类先导化合物75a。将苯并呋喃替换为吲哚环提高了对ALK的效价和选择性。 阿来替尼中的吲哚氮原子与ALK的铰链区形成额外的氢键，这是其高效价的原因之一。这种生物电子等排替换还改善了分子的代谢稳定性和药代动力学性质。阿来替尼表现出优异的中枢神经系统穿透性，这对于治疗脑转移尤为重要——脑转移是ALK阳性NSCLC患者常见的并发症。 6.1.4. 异香豆素替换为吡啶并嘧啶：利司扑兰（Risdiplam） 利司扑兰（76）是一种存活运动神经元2（SMN2）剪接修饰剂，于2020年获批用于治疗脊髓性肌萎缩症（SMA）。该发现项目始于高通量筛选得到的异香豆素类命中化合物。经过广泛优化，异香豆素母核被替换为吡啶并嘧啶骨架——作为生物电子等排体，它保留了关键的氢键相互作用，同时改善了药物样性质。 利司扑兰中的吡啶并嘧啶母核与SMN2前体mRNA和剪接因子相互作用，促进7号外显子的纳入，增加全长功能性SMN蛋白的产生。这种生物电子等排替换改善了分子的溶解度、代谢稳定性和口服生物利用度。利司扑兰是首个口服给药的SMA疗法，代表了这种罕见遗传病治疗的重大进展。 6.2. 环氮异构6.2.1. 吡唑并嘧啶酮替换为咪唑并三嗪酮：伐地那非（Vardenafil） 伐地那非（79）是一种5型磷酸二酯酶（PDE5）抑制剂，于2003年获批用于治疗勃起功能障碍。它是在含吡唑并嘧啶酮母核的西地那非（万艾可）成功之后开发的。伐地那非采用咪唑并三嗪酮母核作为生物电子等排替换，提高了对PDE5的效价和选择性。 伐地那非中的环氮异构改变了几何构型和氢键模式，使其能够与PDE5活性位点形成更优化的相互作用。这种修饰使效价比西地那非提高了10倍。伐地那非还表现出更快的起效时间和更优的药代动力学特征，口服生物利用度更高，半衰期更长。 6.2.2. 咪唑并哒嗪替换为吡唑并嘧啶：TAK-279 TAK-279（80）是一种选择性TYK2抑制剂，处于临床开发阶段，用于治疗银屑病和炎症性肠病等自身免疫性疾病。该化合物由咪唑并哒嗪类先导系列演化而来。研究者采用环氮异构策略，将咪唑并哒嗪转化为吡唑并嘧啶骨架。 这种生物电子等排重排保留了与TYK2 JH2结构域的关键氢键相互作用，同时改善了相对于其他激酶（尤其是JAK1）的选择性谱。TAK-279中的吡唑并嘧啶母核结合到TYK2的调节性JH2结构域，将酶稳定在非活性构象。这种变构抑制机制提供了优异的选择性，并可能减少泛JAK抑制相关的副作用。 6.2.3. 3-去氮嘌呤替换为5-去氮嘌呤：GLPG3667 GLPG3667（81）是一种选择性IRAK4抑制剂，处于临床开发阶段，用于治疗炎症和自身免疫性疾病。该发现项目探索了多种嘌呤等排体，从3-去氮嘌呤骨架开始。通过SAR研究发现，5-去氮嘌呤异构体提供了更优的效价和激酶选择性。 嘌呤环系统中氮原子从3位移至5位改变了与IRAK4铰链区的氢键模式，产生了更有利的结合相互作用。这种环氮异构还改善了代谢稳定性并降低了脱靶激酶抑制的可能性。GLPG3667对IRAK4的选择性远高于人类激酶组中的其他激酶，使其成为一种有前景的治疗药物，潜在副作用更少。 6.2.4. 稠合吡啶酮替换为异构稠合吡啶酮：曲美替尼（Trametinib） 曲美替尼（82）是一种MEK1/2抑制剂，于2013年获批用于治疗BRAF V600突变的黑色素瘤和非小细胞肺癌。该化合物具有稠合吡啶酮骨架，经过广泛的SAR研究优化。在先导优化过程中，发现一种异构的稠合吡啶酮具有更优的效价和药代动力学性质。 稠环系统的特定排列和吡啶酮部分中羰基的位置对于最佳结合MEK变构位点至关重要。曲美替尼结合到MEK上邻近ATP结合位点的独特变构口袋中，将酶锁定在非活性构象。这种抑制机制提供了对MEK1/2相对于其他激酶的高选择性。曲美替尼常与BRAF抑制剂联合用于治疗BRAF突变癌症，与单药治疗相比可改善临床疗效。 6.3. 伪杂环6.3.1. 氨基吡唑并嘧啶替换为4-酰胺基-5-氨基吡唑：泽布替尼和吡托布替尼 伊布替尼（81）是首个共价布鲁顿酪氨酸激酶（BTK）抑制剂，于2013年获批用于治疗多种B细胞恶性肿瘤。它含有氨基吡唑并嘧啶母核，与BTK的铰链区结合。然而，伊布替尼也抑制EGFR、ITK和TEC等其他激酶，这是其脱靶副作用的来源。为提高选择性，将氨基吡唑并嘧啶骨架替换为4-酰胺基-5-氨基吡唑伪杂环。 这种生物电子等排替换打开了嘧啶环，同时保留了关键的铰链结合氢键供体和受体，被用于泽布替尼（82）和吡托布替尼（83）的发现。泽布替尼（82）于2019年获批，是第二代共价BTK抑制剂，选择性优于伊布替尼，因此腹泻和皮疹等脱靶副作用更少。吡托布替尼（83）于2023年获批，是一种非共价（可逆）BTK抑制剂，能够克服影响共价抑制剂的耐药突变。 这些化合物中的伪杂环设计提供了更灵活的铰链结合基序，使弹头（共价抑制剂）能够最佳取向，或改善结合相互作用（非共价抑制剂）。这种骨架跃迁策略已被证明是开发具有更优选择性和药理学性质的下一代BTK抑制剂的宝贵方法。 6.3.2. 氨基吡唑并嘧啶替换为4-酰胺基-5-氨基吡唑：ICP-192和KIN-3248 同样的伪杂环策略也被应用于FGFR抑制剂的开发。ICP-192（87）和KIN-3248（88）是下一代FGFR抑制剂，采用4-酰胺基-5-氨基吡唑骨架作为传统氨基嘧啶铰链结合基序的生物电子等排替换。 ICP-192（87）是一种共价泛FGFR抑制剂，处于临床开发阶段，用于治疗FGFR驱动的实体瘤。伪杂环设计使丙烯酰胺弹头能够最佳定位，与FGFR铰链区的半胱氨酸残基形成共价键。该化合物对野生型和突变型FGFR均表现出强效活性。 KIN-3248（85）是一种不可逆FGFR抑制剂，旨在解决获得性耐药突变，特别是FGFR2守门员突变。4-酰胺基-5-氨基吡唑骨架提供了独特的结合模式，能够适应耐药突变引入的空间位阻，同时保持高效价。这种下一代抑制剂代表了克服FGFR靶向治疗耐药性的有前景的方法。 6.3.3. 吡啶酮-嘧啶替换为脲基-嘧啶：英菲格拉替尼（Infigratinib） 英菲格拉替尼（89）是一种选择性FGFR1-3抑制剂，于2021年获批用于治疗携带FGFR2融合的胆管癌。该化合物由吡啶酮-嘧啶先导系列演化而来。研究者采用生物电子等排替换策略，将稠合的吡啶酮-嘧啶系统转化为脲基-嘧啶骨架。 脲基作为伪杂环，模拟了吡啶酮环的氢键模式，同时增加了灵活性。这种修饰改善了分子的选择性谱和药代动力学性质。英菲格拉替尼结合到FGFR的ATP结合口袋，脲基-嘧啶部分与铰链区形成关键氢键。 从稠合双环系统跃迁到含伪杂环脲的单环系统，这种骨架跃迁方法展示了生物电子等排替换在优化候选药物方面的多功能性。英菲格拉替尼为FGFR驱动癌症患者提供了重要的靶向治疗选择。 6.3.4. 己内酰胺稠合吲哚替换为4-酰胺基苯并咪唑：尼拉帕利（Niraparib） 尼拉帕利（90）是一种聚（ADP-核糖）聚合酶（PARP）抑制剂，于2017年获批用于卵巢癌、输卵管癌和原发性腹膜癌的维持治疗。该发现项目始于己内酰胺稠合吲哚先导化合物。通过骨架优化，将己内酰胺稠合吲哚替换为4-酰胺基苯并咪唑部分作为生物电子等排替换。 苯并咪唑环系统作为伪杂环，模拟了原始己内酰胺稠合吲哚与PARP催化结构域的结合相互作用。4位的酰胺基提供了额外的氢键相互作用，这是尼拉帕利高效价的原因之一。这种生物电子等排替换还改善了分子的药物样性质，包括口服生物利用度和代谢稳定性。 尼拉帕利以其长半衰期和高组织分布著称，可实现每日一次给药并有效渗透到肿瘤组织中。该化合物同时抑制PARP-1和PARP-2酶，导致DNA损伤积累，并选择性杀伤同源重组修复途径缺陷的癌细胞（如BRCA突变的癌细胞）。 7. 饱和环生物电子等排体7.1. 环己烷替换为双环[3.1.0]己烷：来那帕韦（Lenacapavir） 来那帕韦（43）是首个HIV衣壳抑制剂，于2022年获批用于治疗多药耐药HIV-1感染。该化合物具有独特的双环[3.1.0]己烷骨架，作为环己烷环的生物电子等排替换。这种张力双环系统提供了更刚性的构象，最适合与HIV衣壳蛋白结合。 来那帕韦中的双环[3.1.0]己烷部分引入了构象限制，将分子锁定在衣壳结合所需的生物活性构象中。这种刚性是来那帕韦异常高效价的原因之一——对野生型和耐药HIV毒株均具有皮摩尔级的抗病毒活性。这种生物电子等排替换还改善了分子的代谢稳定性和药代动力学性质。 来那帕韦半衰期极长，可每六个月皮下给药一次，代表了HIV治疗的重大进展。该化合物结合到衣壳蛋白亚基之间的界面，干扰病毒生命周期的多个阶段，包括衣壳组装、核进入和病毒复制。这种新颖的作用机制使来那帕韦对其他类抗逆转录病毒药物耐药的HIV毒株仍然有效。 7.2. 哌啶替换为吗啉：阿瑞匹坦（Aprepitant） 阿瑞匹坦（89）是一种神经激肽-1（NK1）受体拮抗剂，于2003年获批用于预防化疗引起的恶心呕吐（CINV）和术后恶心呕吐（PONV）。阿瑞匹坦的发现涉及对哌啶类先导化合物的优化。将哌啶环替换为吗啉环作为生物电子等排体，改善了药代动力学特征并降低了代谢风险。 与哌啶相比，阿瑞匹坦中的吗啉环在饱和环系统中引入了氧原子，增加了极性并降低了亲脂性。这种修饰改善了化合物的溶解度和口服生物利用度。吗啉氧还参与与NK1受体的关键氢键相互作用，有助于提高结合亲和力。 阿瑞匹坦是首个获批临床使用的NK1受体拮抗剂。它通过阻断P物质（一种参与呕吐反射的神经肽）发挥作用。吗啉环中氧原子的加入不仅作为生物电子等排替换，还提供了额外的氢键受体以增强受体结合。阿瑞匹坦广泛与其他止吐药联合用于预防CINV，特别是对于高度致吐性化疗方案。 7.3. 哌啶替换为四氢吡喃：PF-07220060 PF-07220060（93）是一种选择性CDK4抑制剂，处于癌症治疗的临床开发阶段。该化合物通过生物电子等排替换策略发现——将哌啶环替换为四氢吡喃（THP）环。饱和环系统中氧替换氮改变了分子的碱性和氢键性质。 将碱性哌啶氮替换为THP中的醚氧，消除了生理pH下的正电荷，这有助于减少脱靶相互作用并提高选择性。这种生物电子等排替换还调节了化合物的亲脂性和膜通透性。THP环保持了与哌啶环相似的大小和形状，保留了靶点结合所需的整体构象。 PF-07220060对CDK4的选择性远高于CDK6和其他激酶，与泛CDK4/6抑制剂相比可能提供差异化的安全性特征。四氢吡喃生物电子等排体代表了一种有价值的策略，可调节候选药物的理化和药代动力学性质，同时保持与靶蛋白的关键结合相互作用。 7.4. 碳大环替换为醚大环：瑞波替尼（Repotrectinib） 瑞波替尼（91）是下一代ROS1/TRK/ALK抑制剂，于2024年获批用于治疗ROS1阳性非小细胞肺癌和NTRK融合阳性实体瘤。该化合物具有大环结构，通过将碳基大环生物电子等排替换为含醚大环进行优化。 在大环系统中引入醚键具有多种优势：增加构象灵活性、降低亲脂性、引入额外的氢键受体。这种生物电子等排修饰改善了分子的溶解度、代谢稳定性和药代动力学性质，同时保持了对ROS1、TRK和ALK激酶的强效抑制活性。 瑞波替尼旨在克服获得性耐药突变，特别是限制第一代抑制剂疗效的溶剂前沿突变。大环结构使化合物即使存在空间位阻大的耐药突变时也能进入ATP结合口袋。含醚大环提供了强效抑制野生型和突变激酶所需的刚性和灵活性的最佳平衡。瑞波替尼代表了ROS1和TRK驱动癌症治疗的重大进展，对耐药疾病具有更优的疗效。 7.5. 哌嗪酮替换为三嗪酮：巴洛沙韦（Baloxavir） 巴洛沙韦酯（97）是首个帽依赖性核酸内切酶抑制剂，于2018年获批用于治疗甲型和乙型流感病毒感染。其活性形式巴洛沙韦酸（92b）具有三嗪酮环，作为早期先导化合物中哌嗪酮环的生物电子等排替换。 巴洛沙韦中的三嗪酮环在饱和杂环中引入了额外的氮原子，改变了氢键模式和电子性质。这种生物电子等排替换对于实现对流感帽依赖性核酸内切酶（病毒mRNA转录必需的酶）的强效抑制至关重要。三嗪酮部分与酶活性位点中的两个镁离子螯合，这是抑制机制的关键特征。 巴洛沙韦酯是一种前药，口服给药后迅速转化为活性巴洛沙韦酸。基于三嗪酮的骨架提供了优异的抗病毒效价，单次给药即可起效，与需要多日给药的现有流感治疗相比具有显著优势。从哌嗪酮到三嗪酮的生物电子等排替换，对于实现单次给药抗病毒疗法所需的效价、选择性和药代动力学性质的最佳平衡起到了关键作用。 7.6. 四氢呋喃替换为氧硫杂环戊烷：拉米夫定和恩曲他滨 拉米夫定（99）和恩曲他滨（100）是核苷类逆转录酶抑制剂（NRTIs），广泛用于治疗HIV感染和乙型肝炎。两种化合物均具有氧硫杂环戊烷环（含氧和硫的五元环），作为天然核苷中四氢呋喃核糖环的生物电子等排替换。 将核糖中的3'-亚甲基替换为硫原子形成了氧硫杂环戊烷环系统。这种生物电子等排修饰改变了糖部分的构象，并消除了DNA链延伸必需的3'-羟基。一旦被逆转录酶整合到正在生长的病毒DNA链中，这些核苷类似物就会导致链终止，从而抑制病毒复制。 拉米夫定（3TC）于1995年获批，是最早用于HIV联合治疗的NRTI之一。恩曲他滨（FTC）于2003年获批，是拉米夫定的5-氟类似物，效价和药代动力学性质略有改善。两种化合物均为L-对映体构型，与D-对映体相比抗病毒活性更好、毒性更低。氧硫杂环戊烷生物电子等排体代表了核苷类似物药物发现中糖修饰的经典案例，该策略已成功应用于开发多种抗病毒药物。 7.7. 吗啉替换为硫代吗啉二氧化物：非戈替尼（Filgotinib） 非戈替尼（95）是一种选择性JAK1抑制剂，于2022年获批用于治疗类风湿性关节炎、溃疡性结肠炎和其他炎症性疾病。该化合物具有硫代吗啉二氧化物（也称为砜基吗啉）环，作为吗啉环的生物电子等排替换。 将吗啉氧替换为砜基（SO2）增加了饱和杂环的极性和吸电子特性。这种生物电子等排修饰降低了环氮的碱性并改变了分子的整体理化性质。砜基还提供了额外的氢键受体，有助于靶点结合。 非戈替尼对JAK1的选择性远高于其他JAK家族成员，这被认为是其相对于泛JAK抑制剂安全性更优的原因。硫代吗啉二氧化物部分通过优化与JAK1 ATP结合口袋的结合相互作用，在选择性中发挥作用。这种生物电子等排替换策略展示了对饱和杂环的细微修饰如何对效价、选择性和药物样性质产生深远影响。 7.8. 硫代吗啉替换为吗啉酮：利伐沙班（Rivaroxaban） 利伐沙班（103）是一种直接Xa因子抑制剂，于2008年获批用于预防和治疗血栓栓塞性疾病，包括深静脉血栓（DVT）、肺栓塞（PE）以及房颤患者的卒中预防。该化合物具有吗啉酮环，通过生物电子等排替换从硫代吗啉先导系列演化而来。 硫代吗啉转化为吗啉酮在饱和环系统中引入了羰基，用酰胺官能团替代了硫原子。这种修饰显著改变了环的电子性质和氢键能力。吗啉酮羰基作为氢键受体，与Xa因子活性位点形成关键相互作用。 利伐沙班是首个获得广泛临床应用的口服直接Xa因子抑制剂，为华法林和肝素治疗提供了替代选择。吗啉酮环是结合药效团的关键组成部分，羰基氧与Xa因子S1口袋中Gly216的主链NH形成氢键。从硫代吗啉到吗啉酮的生物电子等排替换，对于实现利伐沙班作为成功抗凝药物所需的效价、选择性和口服生物利用度的最佳平衡至关重要。 8. 结论与展望8.1. 生物电子等排体在药物发现中的价值总结 生物电子等排替换已被证明是药物化学和药物发现中最有价值和应用最广泛的策略之一。正如本综述通篇所示，将原子、官能团或环系统策略性地替换为其生物电子等排对应物，可以深刻影响候选药物的药理学和理化性质。 前面章节讨论的实例表明，生物电子等排修饰可以实现多种目的：提高靶效价和选择性、增强代谢稳定性、增加水溶性、降低脱靶毒性、优化药代动力学特征以及克服耐药性。从简单的单原子取代（如N/CH交换）到更复杂的环系统替换（如苯基到吡啶酮、哌啶到吗啉），生物电子等排为药物优化提供了多功能的工具包。 值得注意的是，FDA批准药物中的许多生物电子等排替换并非仅源于理性设计，而是通过系统的构效关系探索和偶然发现的。然而，随着计算化学和结构生物学的进步，生物电子等排原理的理性应用变得日益复杂和具有预测性。8.2. GLP-1R激动剂案例：口服小分子的突破 生物电子等排原理应用中一个令人兴奋的最新进展是口服小分子GLP-1受体激动剂的发现，这代表了2型糖尿病和肥胖症治疗的重大突破。传统的GLP-1疗法是需要皮下注射的肽类药物。口服生物利用度小分子GLP-1R激动剂的开发在很大程度上依赖于生物电子等排替换策略来优化效价、选择性和口服吸收。 Orforglipron（LY3502970）、GSBR-12990和ECC5004（AZD5004）等化合物已成为有前景的口服GLP-1R激动剂。这些分子采用多种生物电子等排修饰来模拟天然GLP-1肽的结合相互作用，同时获得适合口服给药的药物样性质。口服GLP-1R激动剂的成功开发展示了生物电子等排替换如何实现从注射用生物制剂到口服小分子的转变，显著提高了患者的便利性和治疗依从性。 这一研究领域继续快速发展，多家制药公司都在开发口服GLP-1R激动剂和其他非肽类GPCR激动剂。随着药物化学家努力优化这些新型治疗剂的药理学和药代动力学性质，生物电子等排无疑将在这些工作中发挥核心作用。 生物电子等排设计的未来正因计算化学、人工智能（AI）和机器学习（ML）的进步而发生变革。传统的生物电子等排替换方法依赖于药物化学家的直觉、文献先例和经验性SAR数据。然而，现代计算工具正在使生物电子等排替换的识别更加系统化和具有预测性。 分子动力学模拟、自由能计算和量子力学建模等计算方法可以提供关于生物电子等排修饰的结合热力学和结构后果的详细见解。包括生成模型和深度学习算法在内的AI/ML方法正在被开发，用于基于化学结构和生物活性的大型数据集预测新型生物电子等排对。这些工具可以提出通过传统药物化学方法可能不会考虑的非显而易见的生物电子等排替换。 此外，将生物电子等排设计与AI驱动的药物发现平台相结合，有可能显著加速先导化合物优化过程。通过预测生物电子等排变化对效价、选择性、溶解度、代谢和毒性的影响，这些计算工具可以指导药物化学家进行最有前景的修饰，减少需要合成和实验测试的化合物数量。 尽管取得了这些技术进步，生物电子等排替换仍然既是科学也是艺术。任何生物电子等排修饰的成功都取决于特定的分子背景，包括靶点结合位点环境、整体骨架以及分子的理化性质。计算工具是药物化学家的强大辅助手段，但人类判断和实验验证仍然必不可少。展望未来，经验丰富的药物化学直觉与日益复杂的AI/ML工具相结合，无疑将继续产生创新的生物电子等排解决方案，推动药物发现进步并改善人类健康。 说   明 本公众号内容系基于文献阅读提炼总结，疏漏与谬误在所难免，恳请不吝批评指正。标记【原创】指原创编译，是出于便于传播目的，著作权归出版社与作者所有。往期文章推荐RMC-6236胰腺癌适应症NDA获FDA受理(内附RASolute 302研究全文)ESMO 2026前瞻：三个月后马德里，这几项研究值得提前划重点10 笔合作、超 70 亿美元订单背后：英矽智能的第二次战略转身JMC-王少萌教授2000-2026年文章汇总。2026.07，国内big pharma 管线整理（一）恒瑞，百济，中生刚拿全球首个III期阳性就进优先审评，宜联B7-H3 ADC凭什么？Revolution 的 330 亿市值：Biotech 不卖给大药企，到底走不走得通？JMC综述-2021-2025年靶向蛋白降解的PROTAC新设计：新型E3连接酶与前体PROTACNjardarson Lab-2025年全球最畅销的200款小分子药物Njardarson Lab-2025年全球最畅销的200款药物JMC综述-基于喹啉骨架的抗疟药物发现与开发进展全球首个第四代BTK抑制剂获批！麓鹏制药洛布替尼破解十年耐药困局，改写血液肿瘤治疗格局Alessio Ciulli 团队在Chemical Reviews的PROTAC综述全解析