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点击蓝字 ↑ 关注药研视角 PharmaView JMC速览 2026.02.11 近日，四川大学华西医院杨壮/秦蒙/Zhao min团队在药物化学权威期刊Journal of Medicinal Chemistry上发表了一篇题为"Rational Design of Novel pyrazolo[4,3-c]quinoline Derivatives as Potent, Selective, and Orally Bioavailable ATM Inhibitors with Promising In Vivo Efficacy"（新型吡唑并[4,3-c]喹啉衍生物的理性设计：强效、选择性、口服生物利用度良好的ATM抑制剂及其体内疗效评价）的研究论文。 该研究基于ATM激酶在DNA双链断裂修复中的核心作用，针对结直肠癌治疗中化疗耐药的关键瓶颈，采用计算机辅助理性设计策略，以临床候选化合物AZ31为先导，通过创新的N-N键成环策略构建全新的1H-吡唑并[4,3-c]喹啉母核，成功突破现有ATM抑制剂的骨架专利限制。研究团队经过系统的构效关系优化，最终获得优选化合物A36——该分子展现出亚纳摩尔级ATM抑制活性（IC₅₀ = 0.3 nM）、493倍选择性优于DNA-PK及超过3333倍的选择性针对PIKK家族其他激酶，同时具备良好的代谢稳定性和80.5%的口服生物利用度。 1 min速览 研究背景 ATM（共济失调毛细血管扩张突变）激酶是PIKK家族的关键成员，作为DNA损伤应答（DDR）通路的核心调控因子，在感知DNA双链断裂（DSBs）、激活细胞周期检查点及促进DNA修复中发挥不可替代的作用。临床研究表明，ATM在约10-20%的结直肠癌、胃癌、肺腺癌等实体瘤中频繁突变或低表达，使其成为肿瘤靶向治疗的潜在靶点。当前ATM抑制剂的开发面临双重挑战：其一，现有临床化合物（如AZD0156）存在安全性隐患——与化疗药物联用时可诱发严重毒性；其二，AZD0156等分子采用1,3-二氢-2H-咪唑并[4,5-c]喹啉-2-酮母核，专利壁垒森严，亟需开发具有自主知识产权的新骨架。此外，ATM与DNA-PK在DSBs修复通路中的功能协同性，要求抑制剂必须具备高度选择性以避免脱靶毒性。因此，开发强效、高选择性、口服生物利用度良好且安全性优异的新型ATM抑制剂，具有重要的临床转化价值。 重点内容 1. 基于结构的母核创新设计 研究团队通过分子对接分析临床化合物AZ31与ATM的结合模式（PDB: 6I3U），发现其喹啉-3-甲酰胺骨架中羰基与Asp762、Tyr670形成氢键，而4-氨基及甲酰胺伯胺未参与关键相互作用。基于此，提出N-N键直接成环策略，将AZ31转化为全新1H-吡唑并[4,3-c]喹啉三环母核，获得先导化合物A1（ATM IC₅₀ = 0.6 nM）。新母核与Trp684、Tyr670形成增强的π-π堆积作用，同时规避了现有专利保护范围。 2. 系统性构效关系优化 针对A1对DNA-PK选择性不足的问题，团队开展三轮SAR优化： R¹位修饰：将环己基替换为异丙基（A6），DNA-PK活性降至22%（1 μM），但代谢稳定性欠佳； R²侧链优化：引入含氮杂环并延长连接链，发现哌啶-丙氧基组合（A36）可平衡活性与选择性； 吡啶环修饰：氮原子位置及甲基取代均导致活性下降，证实原位置的重要性。 最终优化得到A36：ATM IC₅₀ = 0.3 nM，DNA-PK IC₅₀ = 148 nM（选择性493倍），ATR/mTOR/PI3Kα均>1000 nM（选择性>3333倍），人肝微粒体半衰期6.1小时。 3. 体内外药效评价 体外协同效应：A36与伊立替康联用在HCT116细胞中使伊立替康IC₅₀降低12.2倍，在SW620细胞中降低253倍，显著优于AZD0156； 机制验证：Western blot及免疫荧光显示A36有效抑制ATM信号通路（p-ATM Ser1981、p-p53 Ser15、γ-H2AX下调），诱导G2/M期阻滞及细胞凋亡； 药代动力学：小鼠口服生物利用度达80.5%，Cmax = 175.6 ng/mL，半衰期3.2小时； 体内疗效：在HCT116模型中，A36（40 mg/kg）+伊立替康组肿瘤抑制率（TGI）达92.6%；SW620模型中TGI达91.1%。值得注意的是，AZD0156联用组出现3/5小鼠死亡，而A36各剂量组均无治疗相关死亡，显示显著更优的治疗窗口。 研究总结 本研究通过理性药物设计策略，成功开发了具有完全自主知识产权的吡唑并[4,3-c]喹啉类ATM抑制剂新骨架，突破了现有ATM抑制剂的专利壁垒。优选化合物A36在保持亚纳摩尔级ATM抑制活性的同时，实现了对DNA-PK及PIKK家族激酶的高选择性，并具备优异的口服生物利用度和代谢稳定性。 关键突破在于：A36与伊立替康联用在结直肠癌异种移植模型中展现出与AZD0156相当甚至更优的抗肿瘤疗效，但安全性显著改善，解决了ATM抑制剂临床开发中的核心毒性瓶颈。该研究为ATM靶向联合化疗提供了极具临床转化潜力的新候选药物，也为DNA损伤应答通路抑制剂的理性设计提供了重要范式。 图片来源：ACS 详细阅读 01 INTRODUCTION 研究背景 ATM激酶是分子量约350 kDa的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，属于高度保守的PIKK家族，作为DNA损伤应答通路的核心调控因子，其功能包括感知DNA双链断裂信号、通过同源重组或非同源末端连接促进DNA修复、激活细胞周期检查点、促进染色质重塑以及诱导细胞衰老或凋亡；DNA双链断裂是最具危害性的DNA损伤形式，未修复可导致细胞死亡，错误修复则造成遗传信息丢失或染色体重排，而ATM在断裂位点以二聚体形式被招募，经MRN复合物作用及S367、S1893、S1981和S2996位点自磷酸化激活后，单体形式磷酸化Mdm2、p53、p21、Chk2和Cdc25A等下游靶点，调控细胞周期控制、DNA修复、凋亡和细胞存活；二代测序分析显示ATM是散发性肿瘤中最常突变的基因之一，在结直肠癌、胃癌、肺腺癌和胰腺导管腺癌中突变率约10-20%，约31%乳腺癌和超40%肺腺癌呈低表达，凸显其在肿瘤发生中的关键作用。靶向ATM激酶的新药开发具有重要临床潜力：一方面，伊立替康、依托泊苷等上市化疗药通过诱导DNA双链断裂发挥抗肿瘤效应，抑制ATM介导的修复可增强其细胞毒性并克服获得性耐药；另一方面，在BRCA1/2突变等特定DDR缺陷肿瘤中，肿瘤细胞高度依赖ATM功能存活，ATM抑制剂单药可通过合成致死诱导显著细胞毒性。目前已报道多种结构多样的ATM抑制剂，早期化合物多为天然产物来源或PI3K/mTOR抑制剂的脱靶效应产物，如NVP-BEZ235、Torin2等；KU55933虽为高选择性ATM抑制剂，但水溶性差、口服生物利用度低，仅适用于体外研究；KU59403活性增强但仍需腹腔给药；CP466722溶解性差、清除快；AZ32和AZ31为AstraZeneca开发的强效抑制剂，但AZ31的喹啉甲酰胺骨架可能导致低渗透性、高临床剂量预测及显著hERG抑制，限制其临床推进。迄今仅五种小分子ATM抑制剂进入临床研究：AZD0156为首个进入I期临床试验的口服ATM抑制剂，但2019年因内部战略考量终止；AZD1390具有优异血脑屏障穿透性，正在评估联合放疗治疗脑肿瘤；M4076正在进行I期试验，M3541因不良反应和缺乏明确剂量-效应关系提前撤回；XRD-0394为ATM/DNA-PKcs双靶点抑制剂，处于I期临床。总体而言，进入临床开发的小分子ATM抑制剂数量有限且进展缓慢，此前研究发现AZD0156与伊立替康联用在小鼠模型中诱导显著高于其他组的毒性，但鉴于ATM在维持基因组稳定性中的关键作用及其突变或缺陷在多种散发性肿瘤中的普遍性，开发具有高效力、高选择性和良好成药性的新型ATM抑制剂对推进精准肿瘤学仍具重要意义。 02 Drug Design ①先导化合物A1的优化 为开发新型选择性ATM抑制剂，研究团队首先分析了处于临床前和临床阶段ATM抑制剂的结构特征，发现大多数化合物具有高度保守的1,3-二氢-2H-咪唑并[4,5-c]喹啉-2-酮药效团三环母核；临床候选化合物AZD0156即由先导化合物AZ31经针对药效团的环合策略优化而来，后续衍生物AZD1390、M4076、M3451和XRD-0394均通过对AZD0156骨架的专利驱动修饰而保留其核心药效团。为获得新型ATM抑制剂，团队对AZ31进行了分子对接研究（PDB:6I3U），结果显示其喹啉-3-甲酰胺骨架的羰基与Asp762和Tyr670形成氢键，而喹啉-4-氨基和甲酰胺伯胺伸向结合口袋内部却未形成氢键，表明这些位点是结构修饰的潜在靶点。基于此，团队假设对AZ31实施不同环合策略可在保留原始构象和ATM抑制活性的前提下获得新结构；依此设计策略，通过直接N-N键成环介导的环合反应合成了化合物A1，其核心骨架为1H-吡唑并[4,3-c]喹啉。对接结果显示新形成的三环与相邻残基Trp684和Tyr670产生新的π-π相互作用，增强了化合物对ATM蛋白的亲和力；A1保持与AZD0156类似的结合姿态，进一步证实了设计合理性。后续激酶活性测定表明A1保留了强效ATM抑制活性（IC₅₀=0.6 nM）并展现出优于AZ31的细胞效力，但A1对DNA-PK表现出显著增强的活性（1 μM时酶活性值为16%对照），这些结果验证了该修饰策略的可行性，而进一步的结构优化可能降低DNA-PK活性从而获得高选择性ATM抑制剂。 ②构效关系 基于化合物A1的化学结构，其增强的DNA-PK酶活性似乎与吡唑环上的R¹取代基相关，因此团队对R¹修饰进行了研究。通过PIKK激酶家族（包括mTOR、PI3Kα、DNA-PK、ATR和ATM）的激酶活性分析、细胞活性测定及初步代谢稳定性评价对所有衍生物进行评估，以AZD0156为阳性对照。A1与AZD0156相比在肝微粒体中代谢稳定性降低，但仍相对稳定。为优化R¹，首先合成了脂肪族取代类似物A2-A6：随着取代基从环己基缩小至环丙基，A5（环丙基）和A6（异丙基） surprisingly 显示出降低的DNA-PK活性（1 μM时酶活性值分别为24和22），其中A6保留了强效ATM激酶活性（IC₅₀=0.5 nM）和细胞效力（IC₅₀=1.3 nM），以及延长的肝微粒体半衰期（>6.4 h）。选择PIKK激酶家族进行评价是基于DNA-PK与ATM在DNA损伤修复通路中的已知协同关系。根据A1-A6的体外肝微粒体代谢结果，当R¹为环状取代基时对化合物稳定性不利，这可能归因于环结构的较大张力。随后将R¹替换为芳香环得到A7-A11，然而在保持ATM激酶活性（IC₅₀<1 nM）的同时，这些类似物保留了高DNA-PK活性，多数在1 μM时激酶活性值约为10；此外，由于苯环的富电子性质，A7和A8也缺乏代谢稳定性。吡唑环上取代基的修饰未能实现对PIKK家族特别是DNA-PK的选择性增强，因此团队转而探索亲水性末端R²基团的变化。 ③合成路线 研究团队按照合成路线1-3详细合成了一系列高选择性ATM抑制剂。首先，以商业可得的4-溴苯胺和2-(乙氧基亚甲基)乙酰乙酸乙酯为原料，在乙醇中高温反应得到中间体2；中间体2经二苯醚高温（240°C）环化得到中间体3，再与不同取代基的肼反应获得中间体4a-k；随后与2-氟吡啶-5-硼酸进行偶联反应，最后使用NaH进行取代反应得到目标化合物A1-11（合成路线1）。化合物A12-38采用上述类似路线合成（合成路线2），其中R²基团进行多样化修饰。在化合物A39-43的合成中，则使用了不同的吡啶硼酸酯原料（合成路线3）。 03 RESULTS ①化合物A36的选择性评价 基于上述发现，A36在激酶活性、选择性、细胞活性和代谢稳定性方面表现优异，因此被选中进行进一步研究。团队对A36进行了111种激酶的选择性评估，结果显示A36对相关激酶具有良好的选择性：在PIKK家族内，A36对ATR、mTOR和PI3Kα的IC₅₀值均大于1000 nM，选择性超过3333倍；对DNA-PK的选择性也达到493倍。这些结果表明A36具有显著的激酶选择性。 ②A36与ATM的预测结合模式 为探究A36强效ATM活性及选择性的结构基础，研究团队利用ATM结构（PDB:6I3U）进行了分子对接研究。结果显示A36与ATM的结合模式与AZD0156相似：A36通过嵌入ATM活性位点空腔稳定其位置，其吡唑并[4,3-c]喹啉母核作为单齿铰链结合基序，核心氮原子与ILE685形成氢键，并与铰链区Trp684和Tyr670侧链形成广泛的π-π堆积作用；吡啶氮原子与Lys636形成重要氢键，维持末端亲水性基团的构象；通过丙氧基链连接的末端哌啶环位于左侧疏水区，同时与Asp762建立静电相互作用。鉴于该疏水区富含酸性残基，质子化的碱性碳链可能通过静电相互作用增强结合亲和力。为验证A36与ATM结合的稳定性，团队对A36-ATM复合物进行了100 ns分子动力学模拟：均方根偏差（RMSD）分析显示复合物在60 ns时达到平衡，随后紧密波动于2.1 Å左右，表明A36与靶标具有稳健的结合稳定性；均方根波动（RMSF）显示复合物整体RMSF值较低（多数<2.3 Å），反映构象可塑性降低和结构完整性增强。模拟过程中分子间氢键数目在0-2之间变化，复合物主要维持1个氢键，这种持续适度的氢键作用支持有利的特异性配体-靶标相互作用。综上，A36-ATM复合物表现出稳定的结合特征，包括紧密的RMSD收敛、低残基柔性和持续的分子间氢键，均为良好锚定的蛋白-配体相互作用的标志。 ③优选化合物A36的体外活性 伊立替康作为DNA拓扑异构酶I抑制剂，可诱导单链和双链DNA断裂；ATM抑制剂通过阻断DNA损伤修复信号通路增强DNA损伤的不可逆性，从而增强化疗疗效。因此，研究团队考察了化合物A36与伊立替康的协同效应。A36与伊立替康在HCT116和SW620细胞系中的初步联合评价显示出不同程度的协同效应：经6天伊立替康处理后，MTT法检测显示两细胞系细胞活力均呈剂量依赖性降低；在HCT116细胞中，伊立替康与AZD0156及A36（20和40 nM浓度）联用分别使IC₅₀值较单用伊立替康降低7.8倍、10.2倍和12.2倍，显示增效作用，且A36在相同浓度下比AZD0156表现出更强的协同效应；在SW620细胞中，A36表现出更显著的协同效应，伊立替康与AZD0156（20 nM）、A36（20和40 nM）联用分别使IC₅₀值大幅降低253倍、84.3倍和253倍。此外，团队通过克隆形成实验进一步验证了伊立替康诱导的结直肠癌细胞中的联合效应：在HCT116细胞中，随着伊立替康浓度增加，克隆形成率逐渐降低，AZD0156和A36与伊立替康联用进一步抑制肿瘤细胞增殖，伊立替康IC₅₀值在联合组中分别降低10.1倍和11.7倍；在SW620细胞中，与A36（10 nM）联合组显示伊立替康IC₅₀值降低5.9倍。总体而言，化合物A36在多种肿瘤细胞系中实现了放疗和化疗的增敏效应。 ④先导化合物A36的体外性质评价 研究团队对不同物种的A36进行了体外肝微粒体稳定性测定，结果显示A36在代谢稳定性方面存在显著的种属差异：在人和大鼠肝微粒体中表现出良好的代谢稳定性，但在小鼠肝微粒体中稳定性较差，半衰期仅为11.8分钟，清除率相对较高。随后考察了A36的血浆代谢稳定性，37°C下孵育60分钟后，A36在小鼠血浆中残留率为100%，大鼠血浆中为95.6%，表明A36在血浆中具有良好的代谢稳定性。此外，A36在水中的溶解度测定为1258.1 μg/mL，提示其具有优异的水溶性，可满足口服给药的基本要求。进一步研究显示，A36对CYP450酶的抑制IC₅₀值均大于30 μM，意味着A36与其他联用药物发生药物-药物相互作用的风险较低。 图片来源：ACS ⑤A36的药代动力学性质 A36表现出显著的体内抗肿瘤活性。鉴于口服生物利用度可显著影响药效，可能受吸收和代谢因素调控，团队进一步研究了化合物A36的类药性。表5总结了单次给药5 mg/kg后A36的关键药代动力学参数，包括最大血浆浓度（Cmax）和药时曲线下面积（AUC₀₋ₜ）。A36表现出良好的体内药代动力学性质：口服Cmax为175.6 ng/mL，AUC₀₋ₜ为736.6 ng·h/mL，口服生物利用度达80.5%。这些良好的体内药代动力学性质可能是其在口服给药条件下观察到疗效的原因。 ⑥化合物A36与伊立替康联用的体内疗效评价 结直肠癌是全球第三常见的恶性肿瘤，72%发生于结肠，28%发生于直肠，疾病负担凸显了伊立替康等有效治疗手段的迫切需求。作为结直肠癌一线和二线治疗的基石药物，DNA拓扑异构酶I抑制剂伊立替康通过稳定DNA-拓扑异构酶I切割复合物，在S期复制过程中造成不可逆DNA损伤而发挥细胞毒性作用；然而，尽管作用机制复杂，其疗效常受固有和获得性耐药机制限制。鉴于ATM在DNA双链断裂修复中的核心作用，抑制ATM可阻断DNA双链断裂修复通路、增强伊立替康细胞毒性、降低耐药性，从而改善结直肠癌等恶性肿瘤的治疗效果。随后，团队在HCT116荷瘤免疫缺陷小鼠模型中评价了A36的体内抗肿瘤疗效：采用2 mg/kg脂质体伊立替康（脂质体制剂具有安全性优势且可在较低剂量下发挥更好疗效），与A36（20和40 mg/kg）联用；阳性对照AZD0156（20 mg/kg）也纳入研究。经12天给药方案，伊立替康和A36单药分别产生33.3%和41.7%的肿瘤抑制率；相比之下，A36与伊立替康联用显示出统计学显著改善的疗效（与单药组相比p<0.001），20和40 mg/kg A36联合伊立替康的肿瘤抑制率分别为82.3%和92.6%。AZD0156虽在第4天即显示抗肿瘤效应，但表现出高毒性，导致显著死亡率。A36显示出更有利的安全性特征，仅高剂量组出现中度体重下降。团队随后建立SW620异种移植瘤模型系统评价A36的抗肿瘤疗效：A36单药20 mg/kg表现出较弱抗肿瘤活性，肿瘤抑制率28.4%且未引起小鼠体重下降；值得注意的是，与脂质体伊立替康联用时，A36在10 mg/kg和20 mg/kg剂量下肿瘤抑制率分别增至80.8%和91.1%，该联合方案与脂质体伊立替康单药（2 mg/kg，肿瘤抑制率60.0%）相比产生统计学显著增强（p<0.01）。即使在该模型中降低AZD0156剂量，治疗组仍持续出现小鼠死亡（3/5），提示其固有的药理学毒性局限；相比之下，A36在所有评价给药方案中均未出现治疗相关死亡，凸显其更优的安全性特征。在上述两个模型中，A36单药均未显示出显著疗效，这与既往报道的ATM抑制剂一致，突出了ATM抑制剂与化疗药物联合使用的重要性。 图片来源：ACS 总结与展望 ATM在感知和修复细胞毒性DNA双链断裂中发挥关键作用，使其成为增强当前诱导DNA双链断裂治疗策略（如化疗和放疗）疗效的具有吸引力的治疗靶点；然而，有效的ATM抑制剂尚未上市。本研究中，基于已知ATM抑制剂AZD0156的结构，团队采用计算机辅助理性设计开发了具有吡唑并[4,3-c]喹啉母核的新型化合物系列；初始先导化合物A1保留了强效ATM抑制活性（IC₅₀=0.6 nM），与AZD0156相当，但A1对DNA-PK表现出显著增强的抑制活性，降低了其选择性。为在保持ATM活性的同时最小化脱靶DNA-PK抑制，团队针对ATM选择性和体外代谢稳定性进行了系统性构效关系研究；所得化合物中，A36成为最优候选，在激酶效力、选择性、细胞活性和代谢稳定性方面表现出良好平衡。广谱激酶谱分析显示，A36对DNA-PK的选择性达493倍，对PIKK家族其他激酶的选择性超过3333倍。体外研究在HCT116和SW620结直肠癌细胞系中证实，A36与伊立替康联用产生强效协同抗肿瘤效应；Western blot和免疫荧光机制研究显示A36有效抑制ATM信号及下游通路，且A36诱导G2/M期细胞周期阻滞和细胞凋亡，与ATM抑制机制一致。药代动力学评价进一步支持A36的潜力，其口服生物利用度为80.5%，提示良好的类药性。体内疗效在HCT116异种移植结直肠癌模型中得到证实，A36口服20和40 mg/kg与伊立替康联用分别产生81.0%和92.6%的肿瘤抑制率；此外，在SW620异种移植结直肠癌模型中，A36（10和20 mg/kg）与伊立替康联用分别显示80.0%和91.1%的良好肿瘤抑制率。在这两个模型中，A36与AZD0156相比表现出更优的安全性。综上所述，这些发现凸显A36作为联合治疗药物用于结直肠癌及其他ATM依赖性恶性肿瘤进一步开发的候选化合物。 文献详细全面信息请跳转原文阅读： https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5c03290 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！ 长按关注本公众号  粉丝群/投稿/授权/广告等 请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓