Sonidegib Phosphate

DOI：10.3760/cma.j.cn131368-20250905-00490 刺猬信号通路在呼吸系统中的研究进展 冯爽曹书琦白诗瑶苏新明  （中国医科大学附属第一医院呼吸与危重症医学科，沈阳 110001）  摘 要刺猬信号通路是一种高度保守的发育调控通路，在人体肺脏发育和肺部疾病中发挥关键作用。在肺脏发育过程中，刺猬信号通路通过协调各个胚层之间的相互作用，精准调控肺分支、肺间质增殖和肺泡间隔形成等生理过程。然而，刺猬信号通路的异常活化将导致各种呼吸系统疾病的发生，如慢性阻塞性肺疾病、支气管哮喘、肺纤维化和肺癌等。在慢性阻塞性肺疾病中，刺猬相互作用蛋白的遗传变异与疾病易感性相关；在支气管哮喘中，它驱动Th2/Th17免疫反应及气道重塑；在肺纤维化中，它促进肌成纤维细胞分化和细胞外基质沉积；在肺癌中，它则通过调控肿瘤干细胞、肿瘤微环境及介导治疗耐药，影响疾病进程与治疗反应。尽管靶向刺猬信号通路的抑制剂在基础与临床研究中展现出潜力，但对非经典通路认知的缺乏仍是当前面临的挑战。本文将深入解析刺猬信号通路在肺脏发育和肺部疾病中的复杂角色，为相关靶向治疗的开发提供理论依据。  关键词肺疾病，慢性阻塞性；哮喘；肺纤维化；肺肿瘤；刺猬信号通路；呼吸系统 刺猬信号通路作为一种在进化过程中高度保守的发育调控通路，在哺乳动物胚胎发育、细胞增殖分化、稳态维持和组织损伤修复等病理生理过程中发挥重要作用。根据其作用机制的不同，刺猬信号通路可分为经典和非经典2种形式。目前，经典刺猬信号通路因其明确的分子机制和广泛的生物学功能成为2种通路中研究较为深入的途径。 肺脏作为人体重要的呼吸器官，其复杂的发育过程和精细的稳态维持功能需要多种信号通路的协同调控。刺猬信号通路可以介导肺脏的发育、调控肺分支、肺泡上皮细胞分化等关键过程。此外，刺猬信号通路自身的异常激活和对其他通路的异常串扰，会导致多种肺部疾病的发生和发展，包括慢性阻塞性肺疾病（慢阻肺病）、支气管哮喘（哮喘）、肺纤维化和肺癌等。本文将从刺猬信号通路的基本构成出发，逐步深入解析其在肺脏发育及各类常见肺部疾病中的具体作用机制，为靶向药物的开发提供新视角。 1刺猬信号通路简介 刺猬信号通路最初由生物学家Eric Wieschaus和Nusslein Volhard于1980年在果蝇中发现。刺猬信号通路的相关基因在果蝇中编码了一种分泌蛋白，而该基因的异常突变会导致果蝇角质层多刺，形似刺猬，因此将其命名为“刺猬信号通路”［1］。刺猬信号通路由声波刺猬（sonic Hedgehog，SHH）、印度刺猬（Indian Hedgehog，IHH）、沙漠刺猬（desert Hedgehog，DHH）、跨膜糖蛋白受体（patched，PTCH）、跨膜蛋白受体（smoothened，SMO）、融合抑制因子（suppressor of fused，SUFU）、胶质瘤相关癌基因同源物（glioma-associated oncogene homolog，GLI）等核心组成部分构成［2］。经典刺猬信号通路通过配体-PTCH-SMO-GLI级联反应传递信号。在无配体的情况下，PTCH会持续抑制SMO的活性，使其处于非激活构象中，SUFU 将 GLI 蛋白螯合在细胞质内，在那里它们被多种激酶复合物磷酸化，导致其水解为 GLI阻遏物形式，从而抑制刺猬信号通路靶基因的转录。当配体与PTCH结合时，其对SMO的抑制被解除，SMO转位并去除了SUFU的抑制作用，形成了GLI激活型，进而诱导靶基因的转录（图1）。 ▲ 图1   2种状态经典刺猬信号通路　　A：在无配体的情况下，刺猬信号通路处于失活的关闭状态；B：在配体与PTCH结合的情况下，刺猬信号通路处于开放的激活状态 注：PTCH为跨膜糖蛋白受体；SMO为跨膜蛋白受体；SUFU为融合抑制因子；GSK-3β为糖原合成酶激酶3β；PKA为蛋白激酶A；CK1为酪蛋白激酶1；GLI为胶质瘤相关癌基因同源物；GLIr为胶质瘤相关癌基因同源物阻遏物；GLIA为胶质瘤相关癌基因同源物激活型 相比之下，非经典刺猬信号通路不依赖于SMO或GLI的激活。由于机制特殊，目前针对该通路的独立研究较少。然而，Huang等［3］报道指出，在非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）中，配体与PTCH1之间的相互作用可通过非经典刺猬信号通路促进表皮生长因子受体的降解并抑制其活性。这一发现与当前普遍认为刺猬信号通路异常激活具有促癌作用的观点有所不同，提示非经典刺猬信号通路在肿瘤中的作用仍需进一步探究。 目前，靶向刺猬信号通路的药物研发主要集中于肿瘤治疗领域，其中靶向SMO和GLI的药物研究较为深入。靶向SMO蛋白的药物伊曲康唑、维莫德吉、索尼德吉已进入肺癌治疗临床试验阶段。研究表明，伊曲康唑可以通过抑制SMO活性，显著抑制肺癌细胞增殖并阻断气道上皮间质转化，从而延缓疾病进展［4］。其他在研的SMO拮抗剂如他拉德吉和格拉斯吉布也显现出潜在治疗价值［5-6］。此外，靶向GLI蛋白的小分子抑制剂GANT61也可以有效抑制肺癌、胰腺癌和结肠癌等多种肿瘤细胞的迁移和侵袭［7-8］。 2刺猬信号通路与肺脏发育 肺脏的发育是一个精密又复杂的过程。这一过程可以分为5个阶段，包括胚胎期（妊娠3～7周）、假腺期（妊娠5～17周）、小管期（妊娠16～26周）、囊泡期（妊娠24～38周）和肺泡期（妊娠36周至出生后8岁）。这一漫长的过程通常会持续至儿童期8岁左右，肺部结构才最终发育完善。刺猬信号通路可以通过精密协调内胚层、中胚层和外胚层之间的相互作用，在肺部的发育过程中发挥重要作用。研究表明，抑制刺猬信号通路会导致发育过程中的肺分支形态发生障碍，表现为分支数量减少、上皮及间质增殖比例失衡，进而引起肺顺应性异常增加和气道壁结构缺陷［9］。配体SHH和受体PTCH1表达在肺分支过程中显著上调，但在出生后表达水平明显降低［10］。SHH的缺失会导致小鼠肺叶发育不良，气管形成异常，并显著影响肺间质的增殖与分化［11-12］。此外，SHH还可以通过介导下游靶标，如GLI、Wnt、BMT、TBX等影响肺分支和肺间质增殖［13-14］。值得注意的是，肺上皮中LIM同源域转录因子Islet1也能调控SHH的表达，从而影响肺分支。同时，刺猬信号通路还可以与PDGF信号通路发生串扰，促进肺泡间隔形成过程中成纤维细胞的功能［15］。而皮质醇可以通过与SMO中富含半胱氨酸的结构域竞争性结合抑制刺猬信号通路的激活，影响肺的成熟［16］。Ye等［17］研究表明，刺猬相互作用蛋白（Hedgehog-interacting protein，HHIP）是肺泡生成的关键调节因子。HHIP的缺失能够破坏肺泡生成、影响肌成纤维细胞转化，从而导致婴儿支气管肺发育不良及相关肺气肿的产生。 对于非发育期的成人而言，刺猬信号通路的失调可能导致肺部损伤的异常修复和再生，进而引发肺部纤维化等病理过程［18］。Wang等［19］证实，在成人的肺间质中，刺猬信号通路的激活状况呈现不对称性。刺猬信号通路中的下游效应转录因子GLI1优先在成人肺近端传导气道周围的间质中表达，GLI2优先在远端肺泡间质成纤维细胞中表达。在远端肺组织中，过度活跃的刺猬信号通路会通过改变周围细胞环境，间接抑制肺泡干细胞的自我修复能力。这会导致干细胞与间质细胞之间的协作信号失调，从而驱动肺气肿的发生。 3刺猬信号通路与常见肺部疾病 3.1 慢阻肺病 慢阻肺病是一种以持续性气流受限为特征的慢性炎症性肺病，通常与长期暴露于卷烟烟雾等有害颗粒物有关。其特征性病理改变包括持续性慢性气道炎症、不可逆性气道重塑、气道黏液高分泌和肺实质损伤等。近年来，越来越多的研究表明刺猬信号通路在慢阻肺病发病机制中起关键调控作用［20-21］。 在分子机制层面，刺猬信号通路通过多种途径参与慢阻肺病的病理过程。其中，HHIP作为刺猬信号通路的重要负调节因子，通过结合并抑制配体SHH、IHH和DHH，进而调节刺猬信号通路的活性［22］。全基因组关联研究发现4q31位点7-9附近的HHIP基因是慢阻肺病中复制较多的位点之一。在4q31全基因组关联分析基因座中存在一个远端增强子，该增强子可以在转化生长因子β（transforming growth factor-β，TGF-β）作用时调节人支气管上皮细胞中HHIP的表达，而HHIP和TGF-β信号传导之间的相互作用可能有助于慢阻肺病的发生［23］。功能研究显示，HHIP表达下调会促进人支气管上皮细胞中TGF-β诱导的气道上皮间质转化，导致慢阻肺病患者肺部近端和远端的上皮修复异常［24］。而过表达的HHIP则可抑制慢阻肺病状态下的气道平滑肌细胞过度增殖，并减弱其有氧糖酵解，从而缓解气道重塑［25］。HHIP不仅可以通过调节尼古丁对缰核厌恶回路的作用来影响与吸烟相关肺部疾病的易感性［26］，还可以通过抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸限制肺气肿的进展［27］。此外，Li等［28］的研究进一步发现，哮喘患者中HHIP的变化也与肺功能存在显著关联。但在慢阻肺病和非慢阻肺病患者肺组织中，并不能检测到差异性的HHIP含量变化。这表明HHIP改变的可能是蛋白质的功能而不是蛋白质的表达。与此同时，HHIP表达的异常下调还与肺癌的发生密切相关［29］。越来越多的研究者开始关注刺猬信号通路在慢阻肺病并发肺癌过程中的作用，但其具体机制仍有待进一步阐明。与此同时，靶向刺猬信号通路治疗哮喘和变应性鼻炎的药物——环索奈德，被证实可以有效抑制肺癌细胞的增殖和肿瘤干细胞的生长［30］。 环境因素与刺猬信号通路的交互作用在慢阻肺病发病中同样至关重要。研究表明，吸烟可以激活刺猬信号通路并触发气道上皮间质转化，并影响肺肠轴的形成［31］。而Dai等［32］的研究表明，微RNA（microRNA，miRNA）中的miRNA-210可以通过SHH信号通路参与卷烟烟雾提取物诱导的小鼠Ⅱ型肺泡上皮细胞凋亡。在慢阻肺病患者的气道上皮中，刺猬信号通路关键分子呈现不同的表达模式：PTCH1、GLI1蛋白表达显著增加，但SHH、GLI2、SMO的表达却显著下降［33］。其中，PTCH1与气道上皮细胞的伤口闭合和黏液分泌密切相关［34］。GLI2的表达减少与肺功能指标第1秒用力呼气容积下降显著相关［35］，并可能导致纤毛发生障碍和黏液分泌改变［36］。此外，空气污染物细颗粒物也可上调慢阻肺病状态下支气管平滑肌细胞中SHH、GLI1和Snail的表达，诱导气道平滑肌细胞的迁移，加重气道重塑过程［37］。 目前，针对刺猬信号通路在慢阻肺病中的研究主要聚焦于HHIP的调控作用上，但该领域仍存在若干重要问题有待阐明。对刺猬信号通路的进一步研究，不仅有助于揭示慢阻肺病的发病本质，还可能为开发新型靶向治疗策略提供理论依据，有望为慢阻肺病易感性和慢阻肺病相关并发症的治疗提供新的思路。 3.2 哮喘 哮喘是一种以慢性气道炎症、气道高反应性和气道重塑为主要特征的异质性疾病。其核心病理改变包括持续性气道炎症、气道高反应性和进行性气道重塑［38］。哮喘的发病机制复杂，涉及遗传、环境、免疫调节等多种因素。根据其免疫学特征和临床表现不同，哮喘可分为2型哮喘（Th2型哮喘）和非2型哮喘（非Th2型哮喘）2种亚型。2型哮喘主要由Th2及2型先天淋巴细胞活化介导，而非2型哮喘则主要涉及Th1、Th17和中性粒细胞等多种免疫细胞。在分子水平上，哮喘小鼠模型的肺组织分析显示SHH、PTCH1、SMO和GLI1等刺猬信号通路关键组分的表达均显著上调［39］。 刺猬信号通路还通过调节局部T细胞功能参与哮喘的免疫反应。研究表明，刺猬信号通路靶基因GLI的下游靶标涵盖IL-4、IL-1rl1等Th2调节因子［40］。此外，刺猬信号通路相关分子SMO与GLI3在Th17模型中上调，并能经IL-6/STAT3通路调控Th17分化［41］。在肺组织中，SHH能够直接向T细胞传递信号，促进Th2的分化和功能，从而驱动过敏性哮喘的发生［42］。抑制SMO可以显著减少肺组织中T细胞浸润和Th2数量，并对过敏性气道疾病具有保护作用。例如，SMO抑制剂维莫德吉已被证实能够改善哮喘小鼠的气道炎症和疾病进展［43］。 刺猬信号通路除了能够介导免疫调节作用外，还能够参与哮喘的气道重塑过程。研究表明，刺猬信号通路可以通过TGF-β1介导的PTCH1-SMO-GLI轴，调控哮喘气道重塑的发生［44］。此外，IL-4/IL-13诱导的JAK/STAT6信号传导能够上调SHH的表达，从而驱动过敏性气道上皮重塑［45-46］。而STAT6可以直接结合在SHH启动子区域介导SHH的转录。在屋尘螨和TGF-β1介导的哮喘模型中，SHH信号通路通过诱导气道上皮细胞发生上皮间质转化，进一步加剧气道重塑［47］。与此同时，SHH信号通路在过敏性气道上皮细胞中的高表达还可以诱导杯状细胞化生，增加黏液和黏蛋白分泌。此外，刺猬信号通路可以通过抑制miRNA-206的表达，上调气道平滑肌细胞中脑源性神经营养因子的表达，进而影响气道神经支配和重塑过程［48］。而miRNA-212-3p可以干扰靶基因SHH，进而抑制TGF-β1刺激导致的气道上皮间质转化［49］ 。 总之，刺猬信号通路在哮喘的免疫调节、炎症反应、气道重塑中均发挥重要作用，可能成为未来哮喘治疗的潜在靶点。 3.3 肺纤维化 刺猬信号通路在肺纤维化中的重要作用已得到广泛证实。肺纤维化是一种以肺部组织异常瘢痕组织形成和过度沉积为特征的间质性肺疾病，其发病过程涉及上皮间质转化、炎症反应及氧化应激等多种病理过程。在此过程中，刺猬信号通路被广泛激活。研究表明，在肺纤维化细胞模型中，Ⅱ型肺泡上皮细胞及间质细胞中的刺猬信号通路表达显著上调［50］。该通路的激活可通过介导SMO和GLI等关键因子，直接诱导成纤维细胞向肌成纤维细胞分化，促进胶原沉积［51］。此外，刺猬信号通路与肺纤维化的其他核心机制也存在密切的交互作用。一方面，它参与调控细胞自噬过程［52］；另一方面，Ⅱ型肺泡上皮细胞分泌的SHH可经骨桥蛋白介导巨噬细胞活化，进而推动纤维化进展［53］。而在动物模型中，小鼠肺组织中SHH的过表达可以诱导特发性肺纤维化潜在标志物CXCL14的上调［54］。与此同时，刺猬信号通路还与TGF-β信号通路存在显著的串扰关系。刺猬信号通路可以刺激TGF-β的表达，进而增强TGF-β信号通路自身诱导的促肺纤维化效应。 在治疗方面，特发性肺纤维化的常用治疗药物吡非尼酮可以通过调节 SUFU、GLI等的表达，干扰刺猬和TGF-β信号通路，从而影响肺纤维化的发生和发展［55］。一些传统药物香青兰和神思肌归片也被发现具有通过抑制刺猬信号通路发挥抗纤维化作用的潜力［56-57］。 3.4 肺癌 肺癌是一种起源于肺部组织的恶性肿瘤，是全球范围内高发病率和病死率的癌症之一。从病理分型上看，肺癌主要分为小细胞肺癌（small cell lung cancer，SCLC）和NSCLC。刺猬信号通路的异常激活不仅能直接促进肿瘤细胞的生长、增殖与侵袭，还在肿瘤血管生成、免疫逃逸及侵袭转移等过程中扮演关键角色。且在多种肿瘤中，刺猬信号通路还常在干细胞区室中被差异激活。 SUFU依赖性激活在SCLC中尤为重要［58］。研究表明，SHH高表达与SCLC患者更短的生存期相关，并且可能作为SCLC的预后标志物［59］。体内外实验均证实，SMO的组成型激活会促进SCLC的发生和发展，而应用SMO抑制剂可有效抑制其生长［60］。然而，Vestergaard等［61］发现，虽然刺猬信号通路对SCLC体内生长至关重要，SCLC细胞系中却未见某些关键刺猬信号通路成员的表达。这提示刺猬信号通路在SCLC中的作用可能不主要源于肿瘤细胞本身。此外，Cochrane等［62］研究证实，TP53与RB1这2个经典抑癌基因的联合失活会导致细胞对配体的过度敏感。神经发生相关蛋白则可通过稳定GLI1和SMO的表达，促进SCLC肿瘤干细胞的形成与侵袭性［63］。SCLC中的刺猬信号通路还可与核因子κB通路、Wnt通路及bombesin样神经肽介导的信号通路发生串扰，共同推动疾病进展。 在NSCLC中，同样存在经典刺猬信号通路激活机制。NSCLC细胞可分泌SHH配体，激活肿瘤相关成纤维细胞的刺猬信号通路，形成正反馈循环。肿瘤相关成纤维细胞分泌的蛋白质又能通过旁分泌方式激活其他信号通路，诱发细胞外基质重塑［64］。但刺猬信号通路是否参与NSCLC的干细胞维持仍有待阐明。 基于上述机制，研究人员不仅开发了靶向刺猬信号通路的抗肿瘤药物，也日益认识到该通路在肺癌治疗耐药中的重要作用。刺猬信号通路广泛参与化疗、放疗、酪氨酸激酶抑制剂和其他肺癌靶向治疗的耐药过程。例如，Ahmad等［65］报道了刺猬信号通路参与紫杉醇获得性耐药，而黄芪甲苷、雷公藤内酯等可基于该通路逆转耐药。应用刺猬信号通路抑制剂还能增强NSCLC、基底细胞癌及头颈部鳞癌对放疗的敏感性［66-67］。Corte等［68］指出，SMO基因扩增介导的经典刺猬信号通路激活是肺癌对酪氨酸激酶抑制剂药物耐药的重要机制。伊曲康唑［69］与谷胱甘肽过氧化物酶 GPX2［70］等则可通过调控刺猬信号通路逆转这一耐药过程。此外，Rodriguez-Blanco等［71］还探索了SMO的上游潜在靶点，并提出SKN与DISP-1HH或将成为新的研究方向。 4总结与展望 综上所述，刺猬信号通路在呼吸系统的发育、稳态维持及疾病进展中均发挥关键作用。该通路不仅调控肺分支形态发生和间质细胞增殖，还参与慢阻肺病、哮喘、肺纤维化和肺癌的病理进程。刺猬信号通路通过介导气道重塑、免疫细胞分化、慢性炎症反应、上皮间质转化及细胞外基质沉积等多重机制影响疾病的发生和发展。这些发现不仅深化了对呼吸系统疾病发病机制的理解，也为开发新型靶向治疗药物提供了新的理论依据。但目前对于非经典刺猬信号通路的研究仍存在挑战。未来，对刺猬信号通路更全面、更深入的理解，必将为攻克一系列难治性肺部疾病开辟新的道路。 （参考文献略） 点击页面左下角“阅读原文”，了解更多相关内容

研究背景 苯环是药物分子设计中最常用的结构砌块。药物设计对苯环的过度依赖虽源于合成便利性，但苯环的过多引入常导致不良药代动力学性质。研究表明，含三个及以上苯环的药物活性分子常因水溶性低、代谢稳定性差等问题而面临成药性挑战。2012年，辉瑞公司A. F. Stepan团队以双环[1.1.1]戊烷（BCP）等排置换对位取代苯环，显著提升了先导化合物成药性，证明了利用富含C(sp³)的三维刚性笼状骨架替代苯环的可行性。此后，该领域经历了两个发展阶段（图1）：第一阶段（1st wave）为对位取代苯环的饱和生物电子等排体开发；第二阶段（2nd wave）为更具挑战性的邻位和间位取代苯环的饱和生物电子等排体设计合成。在合成化学家和药物化学家的共同努力下，近年来涌现了大量对位、邻位及间位二取代苯环的饱和生物电子等排体，例如立方烷、1,2-二取代BCPs、双环[2.1.1]己烷（BCHs）、双环[3.1.1]庚烷（1,5-BCHeps）、楔形烷（cuneanes）、梯形烷（ladderanes）、降三环庚烷（nortricyclanes）等。 图1. 苯环饱和生物电子等排体研究概况（图片来源：冯见君课题组） 2020年，默克集团Sherer等人对2019年底前获FDA批准的所有小分子药物中苯环的类型分布进行统计，结果显示：1,2,4-三取代苯的使用频率（18%）显著高于邻位（12%）和间位（4%）取代苯（J. Med. Chem. 2020, 63, 13389）。然而，迄今仅有1例1,2,4-三取代苯的饱和生物电子等排体在生物活性层面得到确证，而邻位及间位取代苯的饱和等排体已有多例报道（图1）。开发经生物活性确证的、具有重要药用价值的多取代苯饱和生物电子等排体，将成为该领域下一波重要的发展方向。 针对上述问题，美国德克萨斯大学西南医学中心秦天课题组通过手性转移策略实现了1,2,3-三取代BCP硼酸酯的合成；进而开发了BCP双硼酸酯的可编程后期官能团化策略，以七步5%的产率构建了p38激酶抑制剂的三维类似物，首次证实了1,2,3-三取代BCP骨架可以作为1,2,4-三取代苯环生物电子等排体的可行性（Nat. Chem. 2024, 16, 285）（图2b）。因此能否发展更简洁高效的合成方法创制1,2,4-三取代苯环的新型的生物电子等排体具有重要研究价值。2022年，牛津大学Edward A. Anderson在Nature上发表了利用[3.1.1]螺桨烷的应力释放合成了全碳的双环[3.1.1]庚烷（BCHep），并证明其可以作为间位取代苯的有效替代物。基于此，设计合成1,2,5-三取代的BCHep的衍生物则有望作为1,2,4-三取代苯环的潜在等排体，但这一猜想迄今并未被证实。这是因为设计合成和确证这类1,2,4-三取代苯饱和生物电子等排体时，必须同时解决三大难题：(a)在复杂的刚性桥环骨架上精准复现苯环上的三个矢量药效团；(b)对映选择性构建由此产生的手性中心，验证对映异构体对药物理化性质和药物活性的影响；（c）带来相较于母体苯环药物活性分子的成药性提升。 图2. 背景介绍与反应设计（图片来源：Nat. Chem.） 研究思路与亮点 湖南大学冯见君教授课题组聚焦“面向药用分子成药性提升的双环丁烷环加成化学”研究，构建了"方法学创新→分子库构建→成药性评价"的系统性研究体系。近五年以唯一或末位通讯作者在Nature Chemistry (1篇)、Angew. Chem. Int. Ed. (8篇)、J. Am. Chem. Soc. (1篇)、Nat. Commun. (2篇)等国际著名期刊上发表论文近30篇；申请发明专利4件。基于前期研究基础，针对上述科学问题，近日该课题组以路易斯酸催化双环丁烷(BCB)与廉价的巯基乙醛二聚体（0.28元/克）的（不对称）(3+3)环加成反应开发为切入点，集群式合成了硫杂双环[3.1.1]庚烷（thia-BCHep）与硫杂双环[3.1.1]庚烯（thia-BCHeptene），并联合中山大学钱宇教授（生物活性评价）、南京中医药大学张薇副教授（生物活性与体内外毒性评估）以及南京大学王国强教授（机理计算与矢量分析）对thia-BCHep 类骨架作为1,2,4-三取代、间位和邻位取代苯环的饱和生物电子等排体的可行性进行了确证。 该研究的核心亮点主要体现在以下四个方面： （1）原子经济性与步骤经济性的集群式合成策略。该研究以100%的原子经济性高效构建具有两个或三个“出口向量”的硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架。该骨架分别可作为邻位取代和1,2,4-三取代苯环的3D生物电子等排体。进一步的后修饰可衍生出包括1,5-二取代硫杂双环[3.1.1]庚烯在内的多样化学空间，用于模拟间位取代苯（图2f）。而这些thia-BCHep骨架有望替代药物分子中常见的多取代苯酚结构单元（图2c）。 （2）硫杂双环[3.1.1]庚烷的设计理念与合成方法创新。含硫药物在TOP 200小分子药物中占据约25%的重要份额，富含C(sp³)的含硫六元杂环已成为药物设计中的重要药效团。另一方面，非共价硫相互作用（包括O···S、N···S、硫-卤素及硫···芳烃相互作用）可赋予分子特定的构象偏好，该特性正日益受到药物化学界的关注。鉴于此，嵌入硫原子的双环[n.1.1]烷烃生物电子等排体有望与靶蛋白形成额外相互作用，从而降低脱靶效应（图2d）。尽管Mykhailiuk团队已报道氧杂或氮杂双环[n.1.1]烷烃在理化及药代动力学性质上优于母体芳烃，但硫杂双环[n.1.1]烷烃的设计、合成与生物验证仍存在明显研究空白，其瓶颈在于高效合成方法的匮乏。例如，Hamanaka团队曾报道通过化学计量法（>10步）合成2-硫杂双环[3.1.1]庚烷衍生物（图2e）。 （3）硫杂双环[3.1.1]庚烷的对映选择性合成。鉴于含手性因素的化学药物的对映体在人体内的药理活性、代谢过程及毒性存在显著的差异。基于课题前期开创的“路易斯酸催化双齿螯合型双环丁烷不对称环加成反应体系”（Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202505803；CCS Chem. 2025, 7, 1903），实现了R-或S-构型的硫杂双环[3.1.1]庚烷的选择性合成。 （4）硫氧化态调控策略。通过调控硫原子的氧化态（硫醚/亚砜/砜），调节三维骨架的整体极性，为优化药物分子理化性质提供有效手段（图2f）。 前沿科研成果 反应条件优化与底物的普适性考察 研究人员首先选取酰基吡唑取代的1,3-二取代双环丁烷和巯基乙醛二聚体为模型底物，优化反应条件。通过对一系列路易斯酸催化剂和溶剂的筛选，获得了构建外消旋thia-BCHeps的最优条件：Zn(OTf)₂为催化剂，DCE或者MeCN作为溶剂，在室温下反应12小时；此外，还成功开发了该反应的对映选择性版本，通过使用Zn(OTf)₂/Ph-BOPA(L1)和PyIPI (L2)（L2配体由郭海明/谢明胜团队开发），能以高对映选择性分别获得(R)-和(S)-构型的环加成产物。该(3+3)环加成方法具有广泛的底物适用性。对于带有酰基吡唑基团的双环丁烷，苯环上带有多种给电子或吸电子取代基（如三氟甲氧基、氟、氯、三氟甲基、烷氧基、炔基等）的底物均能以良好至高产率得到相应产物。此外，双环丁烷酮类底物也能顺利进行反应，高产率地得到含有β-羟基酮结构单元和两个桥头季碳中心的硫杂双环[3.1.1]庚烷，并且兼容芳基酮、杂芳基酮、脂肪酮等多种结构（图3）。对映选择性合成同样适用于多种带有酰基咪唑或酰基吡唑基团的双环丁烷，能以高对映选择性得到多种手性产物（图4）。 图3. 底物普适性考察（图片来源：Nat. Chem.） 图4. 不对称催化反应的底物普适性考察（图片来源：Nat. Chem.） 机理研究 为深入研究反应机理，在南京大学王国强教授DFT计算研究的帮助下，探究了BCBs与巯基乙醛二聚体的（3+3）环加成机理：反应始于配体交换生成活性锌催化剂，随后反应主要经历速率决定步骤—亲核取代/开环过程（决速步，能垒22.2 kcal/mol）和分子内Aldol反应（能垒15.7 kcal/mol）。在亲核开环过程中，TfO⁻作为质子梭介导质子转移，形成关键中间体。对映选择性控制的关键在于C–C成键过渡态：生成(R)-产物的能垒比(S)-低2.8 kcal/mol，该差异源于催化剂与底物的扭曲能不同，与实验观察到的高对映选择性一致 （图5）。 图5. 密度泛函理论计算与机理探索（图片来源：Nat. Chem.） 产物衍生化：集群式合成硫杂双环[3.1.1]庚烷 为了展示该方法学的实用性，作者进行了放大反应实验，克级规模下仍能以80%产率获得3b（图6a）。产物中存在的羰基、羟基、炔基和硫等丰富的官能团赋予了环加成产物多样性转化进一步拓展硫杂双环[3.1.1]庚烷分子空间的潜力。例如，如图6d所示。通过简单的酯化反应，研究者轻松地将具有药用价值的分子 (如阿塔鲁伦 (Ataluren) 和丙磺舒 (Probenecid) )) 引入到三维的thia-BCHep环系中 (7a→20，7a→21)。用戴斯-马丁氧化剂氧化7a，以71%的产率得到化合物22。通过乙酰化及随后的Wittig反应，从7a合成了烯烃23。值得注意的是，将(S)-3a经DBU/MeOH和DAST处理，成功获得对映体富集的氟代thia-BCHep 25。该类含氟的BCHeps骨架可作为合成塞来西布（Avagacestat，一种口服选择性γ-分泌酶抑制剂）三维等排类似物的前体 （图2c）。 图6. 克级规模反应及产物转化（图片来源：Nat. Chem.） 更为重要的是：此前BCB环加成反应所得双环[n.1.1]烷烃产物难以衍生化，无法有效模拟苯环类药物活性分子。相比之下，该方法制备的硫杂双环[3.1.1]庚烷可通过简单化学转化，可模拟至少5种苯环类药物活性分子的结构特征。从环加成产物5i或3g出发经过2-4步反应就可以分别实现Tolterodine（毒蕈碱受体拮抗剂）和URB597（抗癫痫抑制剂）核心母体苯环结构的模拟（图7a-b）。鉴于1,2,4-三取代的二氟尼柳药物具有很好的抗炎活性以及二氟尼柳的类似物水杨酰苯胺40具有非常好的抗骨质疏松活性。研究者通过调控硫的氧化态分别合成了含硫醚、亚砜和砜结构单元的多达7种硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架。此外，对标上市抗癌药物索尼吉布（Sonidegib），作者利用其合成方法学以3b为起始原料，通过羟基的消除，以及硫氧化态的调控，经过3-4步反应构建了Sonidegib 的3类间位取代苯环类似物（43，45，47）（图7c）。 通过上述研究，该团队利用其方法学对标了5类治疗不同病症的活性药物，为1,2,4-三取代苯环、间位取代苯环提供了12类三维骨架，为相应的药物化学研究提供了丰富的工具箱，充分展示了该合成方法学在药物分子合成中的实用价值。 图7.苯环类药物三维类似物的制备（图片来源：Nat. Chem.） 出口矢量分析、药代动力学、药物活性以及安全性评价 接下来，作者通过晶体学结构分析比较了取代的thia-BCHeps与邻位、间位及1,2,4-三取代苯环的空间矢量分布 (图8a)，表明它们的空间几何特征基本一致。 此外，作者研究了二氟尼柳(Diflunisal)、破骨细胞抑制剂40和索尼吉布(Sonidegib)及其三维类似物的理化性质，重点关注水溶性、亲脂性和代谢稳定性 (图8b)。 （1）水溶性。将二氟尼柳和40中的1,2,4-三取代苯环分别替换为1,4,5-三取代的thia-BCHep消旋体rac-30和rac-36，水溶性仅有少量的提升。然而，通过调控硫原子的氧化态可以调节thia-BCHeps衍生物的水溶性。将砜基引入thia-BCHeps骨架显著提高了其水溶性。比较索尼吉布与其含亚砜基thia-BCHep骨架的饱和类似物 (45) 的溶解度时，也观察到类似现象。总体而言，立体异构体表现出相近的溶解度。但化合物36是个例外：(S)-36的水溶性显著高于其对映体和消旋体rac-36。 （2）亲脂性。引入thia-BCHeps使clogP值降低了约2到3个单位。趋势上，含有更高硫氧化态的thia-BCHeps与更低的亲脂性相关。 （3）代谢稳定性。饱和生物电子等排体对生物活性化合物代谢稳定性的影响在所测试的类似物中有所不同。对于破骨细胞抑制剂40，引入thia-BCHeps (rac-36) 略微增强了其代谢稳定性。将40中的1,2,4-三取代苯环替换为含砜基的thia-BCHeps (rac-38)，导致在人肝微粒体中的清除率显著降低，与母体芳烃相比，代谢稳定性提高了约十倍。此外，虽然化合物36和38的(R)-对映体与化合物40 相比表现出相当的代谢稳定性，但它们的(S)-对映体相对于化合物40则显示出显著增强的代谢稳定性。这一发现突显了发展不对称催化构建thia-BCHeps重要性。 最后，为了验证硫杂双环[3.1.1]庚烷替代1,2,4-三取代苯环对生物活性的影响。在南京中医药大学张薇副教授与中山大学钱宇教授的帮助下，该团队比较了非甾体抗炎药二氟尼柳、消旋化合物rac-29、rac-32、30、34及其对映体对COX-2（环氧合酶-2，是体内引起炎症反应的主要介质）的抑制活性，发现(S)-34对PGE₂产生的抑制效果优于二氟尼柳(图8c)。 图8. 硫杂BCHeps骨架与取代苯的几何结构及理化性质对比及其生物学评价（图片来源：Nat. Chem.） 作者还进一步评估了化合物40的三维类似物的破骨细胞抑制活性。采用TRAP染色法检测化合物对RANKL诱导的RAW264.7细胞破骨细胞生成作用的抑制活性。如图9a所示，消旋化合物36、37和38在5 μM浓度下能有效抑制破骨细胞分化。然而，化合物37尽管具有抗破骨细胞生成活性，但在此细胞模型中却具有显著的细胞毒性。值得注意的是，硫杂双环[3.1.1]庚烷衍生物的生物活性可以通过调控硫原子的氧化态 (35对比37) 和手性碳中心 ((S)-对映体 (36和38) 对比 (R)-对映体) 进行调节。(S)-对映体在抑制破骨细胞分化方面表现出比其 (R)-构型对应物显著更强的活性，并且单个 (S)-对映体的疗效甚至优于消旋混合物。 此外，为了探究1,5-二取代的硫杂双环[3.1.1]庚烯骨架能否有效模拟现有药物中的间位取代苯环，作者评估了抗癌上市药物Sonidegib及其三维类似物(特别是化合物43、45和47)的生物活性。为此，研究者们对5种癌细胞系：B16 (髓母细胞瘤)、MDA-MB-231 (三阴性乳腺癌)、HCC1954 (乳腺癌)、A549 (肺腺癌)和MIA PaCa-2 (胰腺癌)进行了CCK-8测定，评估Sonidegib三维类似物的抗增殖活性。结果所有类似物在所测试的细胞系中均表现出强效的抗增殖活性。值得注意的是，含硫化合物43对乳腺癌、肺癌和胰腺癌细胞系的抗肿瘤活性显著高于Sonidegib (图9b)。 由于thia-BCHeps 43和45可能经过代谢氧化为具有迈克尔受体结果的47，会带来结构上的警示，由共价交联产生基因毒性和肝毒性。于是，研究者们对thia-BCHeps化合物进行了初步安全性评价。体外和体内安全性评价数据表明，化合物43、45和47在治疗有效剂量下表现出有限的毒性，具有良好的安全性(图9c和图10)。 图9. 破骨细胞抑制活性、抗肿瘤活性与毒性评估（图片来源：Nat. Chem.） 图10. 化合物在小鼠体内的毒性评估（图片来源：Nat. Chem.） 综上所述，该研究开发了路易斯酸催化的双环丁烷与廉价巯基乙醛二聚体的[3+3]环加成反应，以100%原子经济性和优秀的对映选择性，高效合成了具有两个和三个“出口向量”的2-硫杂双环[3.1.1]庚烷。通过系统性的后期官能团转化及硫原子氧化态调控，快速拓展了包括2-硫杂双环[3.1.1]庚烯在内的结构多样性化学空间。该方法可实现克级规模制备，并通过对5种苯环类药物活性分子的结构模拟，成功创制12种双环[3.1.1]庚烷类三维类似物，充分彰显了该方法学在药物新骨架创制以及1,2,4-三取代、邻位和间位二取代苯环饱和生物电子等排体集群式合成方面的应用潜力。出口矢量分析结合药代动力学、生物活性及安全性评价确证了上述硫杂双环[3.1.1]庚烷骨架作为苯环饱和生物电子等排体的可行性，揭示了硫氧化态调控及等排体对映体对理化性质和生物活性的显著影响；此类硫杂双环[3.1.1]庚烷/烯衍生物作为可调节理化性质与生物活性的新型分子骨架，展现出广阔的药用前景，为药物发现的工具库增添了重要成员。 这一成果近期发表在Nature Chemistry上（DOI: 10.1038/s41557-026-02097-7），湖南大学冯见君教授、中山大学钱宇教授、南京大学王国强副教授和南京中医药大学张薇副教授为本文共同通讯作者。湖南大学为第一完成单位。上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目和国家高层次人才青年(海外) 项目等的经费支持。作者同时感谢同行评审专家提出的宝贵意见以及大力支持。 通讯作者简介 冯见君：湖南大学化学化工学院教授，博士生导师，国家高层次人才青年项目(海外)入选者（2022），德国洪堡学者，中国化学会高级会员，《Chinese Chemical Letters》第七届编委会委员。2007-2010年在华东理工大学学习（硕士学位导师：施敏研究员）；2008-2010期间在中科院上海有机化学研究所联合培养（指导老师：段伟良研究员）；2013年博士毕业于华东师范大学（师从张俊良教授）；2013-2014年于上海药明康德新药开发有限公司担任有机合成高级研究员；2014-2017年获聘华东师范大学讲师、晨晖学者；2017-2020年获德国“亚历山大-冯-洪堡基金会” (Alexander von Humboldt-Stiftung)”资助在柏林工业大学与Martin Oestreich教授合作开展有机硅合成研究；2020年底加入湖南大学。主持国家级和省部级项目4项。课题组聚焦“面向药用分子成药性提升的双环丁烷环加成化学”研究，构建了"方法学创新→分子库构建→成药性评价"的系统性研究体系。现以通讯作者和第一作者在Nat. Chem. (1)、Chem. Sov. Rev. (1)、J. Am. Chem. Soc. (5)、Angew. Chem. Int. Ed. (12)、Nat. Commun. (2)、ACS Catal. (4)、CCS Chem. (1)、Sci. China Chem. (2) 等期刊发表高水平论文近60篇。 目前课题组在双环丁烷等张力环化学领域取得良好积累和多项成果。课题组长期招聘博士后、研究助理和访问学生。热忱欢迎热爱化学、努力工作、用心生活的同学加入本课题组共同奋斗和成长。同时期待与药物化学家们和制药企业开展生物电子等排置换的新药研发合作。联系方式：jianjunfeng@hnu.edu.cn。 王国强，南京大学副教授。2016年在南京大学化学化工学院获博士学位，导师黎书华教授。2016-2020年在南京大学物理学院从事博士后研究，合作导师黎书华教授。2019-2020年赴德国柏林工业大学从事博士后研究，合作导师Martin Oestreich教授。2021年起任南京大学副教授。主要从事理论计算与数据驱动反应设计、人工智能辅助的化学合成等方面的研究。构建了自动化学反应设计、自动化学反应合成等技术与平台。主持国家自然科学基金委项目2项，以 (共同) 通讯作者、(共同) 第一作者及在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commum., Chem. Sci., ACS Catal.等国际有重要影响力的学术期刊发表研究论文30余篇。联系方式：wangguoqiang710@nju.edu.cn。张薇，南京中医药大学副教授，硕士研究生导师。江苏省“333人才工程”培养对象，江苏省免疫学会中医药免疫分委会委员。主要研究方向：1）炎症、感染、自身免疫性疾病发生的分子免疫学机制研究；2）天然产物及小分子化合物抗炎、抗感染的机制研究。在免疫分子信号转导、自噬及溶酶体功能调控、线粒体代谢方面具有丰富的经验。主持国家自然科学基金面上项目（2024）、国家自然科学基金青年基金（2020）、江苏省自然科学基金青年基金（2018）、江苏省高等学校自然科学研究面上项目（2017）各1项，参与国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划子课题各1项。在Cell Mol Immunol、Free Radic Biol Med、PLoS Pathog等高水平学术杂志发表研究论文10余篇，授权中国发明专利1项，参编人民卫生出版社《医学免疫和病原生物实验学》。目前担任Autophagy、Phytomedicine等学术杂志审稿专家。联系方式：zhangwei@njucm.edu.cn。钱宇，中山大学教授。中山大学“百人计划”二期引进人才，广东省珠江人才团队核心成员，广东省药学会制药工程专业委员会常务委员，广东省化学会药物化学专业委员会委员，主要研究方向为通过开发合成新技术在药物合成工艺以及抗感染、肿瘤领域进行药物开发与研究。在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nat. Commun., Cancer Discov., Chem. Sci., Sci. China Chem., J. Med. Chem., Org. Lett., Org. Chem. Front. 等国际核心期刊上发表SCI论文50多篇，获授权专利十余项。联系方式：qianyu5@mail.sysu.edu.cn。 论文信息 Collective synthesis of 1,2,4-trisubstituted, meta- and ortho-substituted arene bioisosteres from bicyclobutanes Feng Wu,†Ji-Jie Wang,† Yuanjiu Xiao,† Quanxin Peng, Yu-Jie Li, Keren Peng, Qianlan Han, Mengran Wei, Yu Qian,* Wei Zhang,* Guoqiang Wang,* and Jian-Jun Feng* Nat. Chem., 2026, https://doi.org/10.1038/s41557-026-02097-7