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药研视角
2026.05.06 Online
近日,合肥工业大学谢周令/陈元利团队在药物化学权威期刊 Journal of Medicinal Chemistry 上发表了一篇题为 "Discovery of the First Highly Potent, Selective, Irreversible Small-Molecule Factor XIIa Inhibitor for Treating Sepsis"(首个高活性、高选择性、不可逆小分子FXIIa抑制剂用于治疗脓毒症)的研究论文。该研究基于此前报道的可逆性共价FXIIa抑制剂化合物3,通过结构引导优化策略,成功设计并合成了一系列具有独特三环螺环骨架(2H,4H-spiro[benzo[b][1,4]dioxepine-3,1′-cyclopropane])的新型不可逆FXIIa抑制剂。其中,代表性化合物F38实现了作用机制的根本性转变——从可逆抑制升级为不可逆共价结合,FXIIa抑制活性提升至IC₅₀ = 2 nM,抗凝活性(aPTT EC₁.₅ₓ = 11.4 μM)与抗炎效应均显著增强。尤为重要的是,F38在LPS诱导的脓毒症小鼠模型中展现出显著的治疗获益,40 mg/kg剂量下几乎实现100%生存率,并有效降低血清炎症因子水平、改善多器官损伤。该研究通过引入快速肝代谢特性以限制系统暴露、降低脱靶毒性风险,为急性脓毒症的临床前药物开发提供了极具前景的候选分子,也为FXIIa靶向药物从可逆向不可逆作用模式的跨越提供了重要的概念验证与结构基础。
图文摘要
01
INTRODUCTION
研究背景
FXIIa是内源性凝血途径的关键丝氨酸蛋白酶,其抑制可在不增加出血风险的前提下减少血栓形成;同时作为接触激活系统的核心启动因子,FXIIa通过激活血浆激肽释放酶(PKal)参与多条炎症通路,因此成为血栓与炎症相关疾病(如遗传性血管性水肿、缺血性卒中、脓毒症等)的潜在治疗靶点。目前,FXIIa单抗garadacimab已获FDA批准用于预防遗传性血管性水肿,但小分子FXIIa抑制剂仍处于临床前阶段,包括KalVista开发的口服抑制剂KV998086及以1,2,4-三唑-5-胺为骨架的共价抑制剂系列。本实验室前期发现的化合物3虽具备血浆稳定性和口服生物利用度,但其可逆性抑制模式导致体内抗凝和抗炎活性不足,难以满足脓毒症等急性疾病的强效干预需求。为此,本研究基于化合物3的共价对接结合模式,通过系统优化S1、S2和S4亚位点,设计了一系列具有独特三环螺环骨架的新型不可逆FXIIa抑制剂(F38和F39),实现了从可逆抑制到不可逆结合的根本性转变,显著增强了抑制活性、抗凝与抗炎效应,并在LPS诱导的脓毒症模型中展现出显著疗效。此外,F38借鉴BAY 3389934的设计策略,利用较快的肝脏代谢加速系统清除,结合不可逆靶点占据特性,在实现持续FXIIa抑制的同时降低脱靶毒性风险。
02
RESULTS AND DISCUSSION
①设计策略:基于化合物3结合模式的结构引导优化
化合物3与FXIIa的共价对接结果显示,其萘环核心朝向S1亚位点,异丙基-高哌嗪基团占据由Trp215和Tyr99定义的S4亚位点,吡啶环位于S2亚位点,而1,2,4-三唑的氨基与Phe41形成氢键。尽管这些结合相互作用有利,但化合物3的可逆性抑制模式限制了持续靶点占据,且其萘环骨架已被广泛探索。因此,本研究基于该结合模式对化合物3进行系统改造:在S1亚位点探索新型非萘环化学类型以拓展化学空间,优化S2和S4亚位点的相互作用,并将可逆性抑制转化为强不可逆结合模式,同时调节衍生物的药代动力学性质以更适合脓毒症的急性治疗。
②萘环优化:S1亚位点饱和杂环骨架的系统性探索
为更好地适应FXIIa深而灵活的S1亚位点,并与已报道的刚性萘环/苯基/(异)喹啉骨架形成差异,研究者首先将化合物3的萘环A环替换为1,3-二氧戊环、1,4-二噁烷或1,4-二噁庚烷,得到F1−F3,其中七元环1,4-二噁庚烷衍生物F3活性最高(IC₅₀ = 47 nM)。进一步将F1−F3尾部的异丙基-高哌嗪替换为异丙基-哌嗪,得到F4−F6,三者活性均显著提升,其中F6(IC₅₀ = 24 nM)接近化合物3水平;而将F6的七元环扩展为八元1,4-二噁辛烷(F7)则导致活性大幅下降(IC₅₀ = 144 nM),表明七元1,4-二噁庚烷为S1亚位点的最优选择。考虑到S1亚位点底部可能容纳更窄的基团,研究者在F6的1,4-二噁庚烷C3位引入环丙烷或氧杂环丁烷以延伸到底部,其中含5,8-二氧杂螺[2.6]壬烷的F8活性提升3倍(IC₅₀ = 8 nM),而含更大2,6,9-三氧杂螺[3.6]癸烷的F9活性显著降低(IC₅₀ = 74 nM),提示环丙烷是S1亚位点更有利的取代基;共价对接显示F8的螺环部分有效延伸至S1底部,且三唑氨基与Tyr151和Phe41形成两个氢键,进一步增强了FXIIa抑制活性。
③异丙基-哌嗪优化:S4亚位点尾部基团的构效关系探索
以F8为基础,研究者系统修饰其异丙基-哌嗪尾部以优化S4亚位点占据。异丙基替换为环丙烷(F10,IC₅₀ = 9 nM)活性相当,但替换为氧杂环丁烷或环戊烷(F11/F12)活性显著下降;高哌嗪(F13/F14)、N,N-二甲基哌啶-4-胺(F15)及螺环2-氧杂-6-氮杂螺[3.3]庚烷(F18)均不利。桥环双环结构F19活性无提升,F20活性下降。意外的是,R-甲基取代哌嗪(F23,IC₅₀ = 5 nM)活性优于F8,且R构型显著优于S构型(F22),提示R-甲基采取更有利结合构象。以吡咯烷-3-胺替代得F24−F27,其中R-N,N-二甲基类似物F24(IC₅₀ = 11 nM)优于S构型F25,但立体化学偏好在N-异丙基-N-甲基类似物中反转:S构型F27(IC₅₀ = 9 nM)优于R构型F26,F27活性与F8相当,表明S-N-异丙基-N-甲基吡咯烷-3-胺是异丙基-哌嗪的有前景替代基团。
④吡啶环优化:S2亚位点杂芳环取代基的构效关系研究
基于F8,研究者在吡啶环C4位引入不同大小的取代基(氯、甲氧基、环丙烷、呋喃)得到F28−F31。含小取代基的F28(-氯,IC₅₀ = 11 nM)和F29(-甲氧基,IC₅₀ = 8 nM)保留了FXIIa活性;而较大取代基的F30(-环丙烷,IC₅₀ = 31 nM)和F31(-呋喃,IC₅₀ = 63 nM)活性显著降低。喹啉和喹喔啉此前已被证明是1,2,4-三唑-5-胺类FXIIa抑制剂中吡啶的有效替代基团,本研究将其引入该新型系列:以喹啉或喹喔啉替换F8的吡啶环显著增强了FXIIa活性,得到F32(IC₅₀ = 3 nM)和F33(IC₅₀ = 6 nM)。进一步将F8中异丙基-哌嗪替换为1-环丙基哌嗪、R-1-异丙基-2-甲基哌嗪或S-N-异丙基-N-甲基吡咯烷-3-胺等备选碱性尾部,得到F34−F39系列,均展现出优异的FXIIa活性;其中F38的IC₅₀为2 nM,F37和F39的IC₅₀低于1 nM,后两者较F8活性提升近16倍,为迄今报道的最强FXIIa抑制剂。对接研究显示F38中的喹喔啉部分有效占据S2亚位点,这很可能是其突出活性的结构基础。
图片来源:ACS
⑤选择性评价与体外抗凝活性:高特异性FXIIa抑制及浓度依赖性抗凝效应
F8及F32−F39等强效化合物与化合物3类似,对同源丝氨酸蛋白酶(包括凝血酶、PKal、FXa、FXIa、胰蛋白酶、糜蛋白酶、纤溶酶和tPA)表现出优异的选择性,这种对FXIIa的高特异性可最小化对外源性凝血及其他通路的干扰,从而降低出血和额外副作用风险。抗凝活性通过人活化部分凝血活酶时间(aPTT)和凝血酶原时间(PT)测定进一步评价:aPTT反映内源性凝血,PT反映外源性凝血。在25 μM浓度下,所有受试化合物均未显著延长PT,提示外源性凝血通路相关出血风险极小;而在aPTT测定中,F28、F32、F33、F36、F37、F38和F39表现出显著抗凝活性,25 μM时增幅超过200%,明显优于化合物3,且其抗凝活性与强FXIIa抑制活性一致。然而,F8、F34和F35尽管FXIIa抑制活性强,但抗凝效果较弱,这可能由其高血浆蛋白结合或不良溶解度所致。在所有受试化合物中,F33、F37−F39以浓度依赖性方式延长aPTT的效果最强(EC₁.₅值分别为6.8、5.0、11.4和6.2 μM),较化合物3提升3至7倍。
⑥血浆稳定性:F37−F39的时间依赖性抗凝活性增强与潜在酶原共价抑制机制
在基于凝血的测定中,F37、F38和F39与化合物3一样保持血浆稳定性。如图5A−D所示,当与非活化人血浆孵育时间从0分钟延长至180分钟时,这些化合物在10 μM浓度下的抗凝活性显著增强;而此前报道的血浆不稳定化合物则因血浆降解导致抗凝活性随时间逐渐下降。孵育180分钟后,F37−F39的抗凝活性明显高于0分钟时点,凸显其在体内纠正凝血功能障碍的更大潜力及更持久的作用时间。值得注意的是,这种时间依赖性的抗凝活性增强提示F37−F39可能还通过共价抑制FXII酶原发挥作用,与化合物3的行为一致;此前研究表明,无活性的FXII酶原可在生理条件下短暂采取可及活性位点构象,这可能促进F37−F39与FXII的结合。化合物与FXII之间的潜在强结合亲和力使得在含FXII体系中直接评估血浆半衰期不可行,未来需进行更全面的药代动力学表征以准确评价体内血浆稳定性。
⑦作用机制:F38与F39的不可逆共价抑制动力学确证
F38和F39与化合物3一样表现出明显的时间依赖性FXIIa抑制,其抑制活性随与FXIIa孵育时间延长至20分钟而显著增强,之后达到稳态,提示这些化合物与FXIIa之间存在潜在的共价相互作用;而非共价FXIIa抑制剂在不同孵育时间下活性无显著变化。化合物3通过可逆共价机制抑制FXIIa,在跳释稀释实验中,经100倍稀释后FXIIa活性逐渐恢复,且随孵育时间延长恢复更明显;意外的是,在相同条件下,经F38或F39预孵育的FXIIa酶活性即使在长达540分钟的孵育后也无法恢复,表明其为不可逆抑制机制。结合动力学进一步评价显示,F38的Ki为0.51 nM、kinact为0.061 min⁻¹(kinact/Ki = 0.11740 nM⁻¹min⁻¹),F39的Ki为0.47 nM、kinact为0.053 min⁻¹(kinact/Ki = 0.11124 nM⁻¹min⁻¹),两者较化合物3(Ki = 11.4 nM、kinact = 0.027 min⁻¹、kinact/Ki = 0.00237 nM⁻¹min⁻¹)均展现出显著增强的结合亲和力和共价反应活性。
图片来源:ACS
⑧脓毒症体内疗效:F38在LPS诱导小鼠模型中的生存获益与组织保护作用
基于良好的体外安全性,F38被选用于LPS诱导的脓毒症小鼠血栓炎症模型进行进一步评价。如图12A所示,腹腔注射F38在20和40 mg/kg剂量下呈剂量依赖性改善脓毒症小鼠生存,40 mg/kg时几乎实现100%生存。给药24小时后检测血清促炎细胞因子水平(图12B),F38以剂量依赖性方式显著降低IL-6和IL-1β水平,表明其对脓毒症相关炎症反应具有强效抑制作用。此外,苏木精-伊红(H&E)染色组织切片的组织学分析显示,与LPS组明显的器官病理改变相比,20和40 mg/kg剂量的F38显著改善了脓毒症诱导的多器官损伤,包括心脏、肺、肝脏、肾脏和脾脏(图12C),凸显F38在脓毒症模型中的有利保护效应。值得注意的是,体外研究显示F38的人肝微粒体稳定性相对较短(T₁/₂ = 40 min,Cl = 35 mL/min/g蛋白),这一快速代谢特征与急性脓毒症静脉给药的设计策略一致——快速系统清除高度 desirable 以降低脱靶毒性风险。与该体外特征一致,后续体内评价证实了这一快速清除:给药后30分钟内,F38在小鼠血浆中的浓度已降至检测限以下。
图片来源:ACS
总结与展望
近年来,FXIIa作为血栓炎症性疾病(包括脓毒症)的潜在治疗靶点受到广泛关注。本研究在此前发现的可逆性共价FXIIa抑制剂化合物3基础上,进一步优化了S1、S2和S4亚位点的取代基,获得了一系列基于新型三环2H,4H-螺[苯并[b][1,4]二噁庚烷-3,1′-环丙烷]骨架的衍生物(以F37−F39为代表),其FXIIa抑制活性较化合物3提升10倍以上,并对相关丝氨酸蛋白酶保持优异选择性。此外,F37−F39在人血浆中表现出良好的稳定性,F38和F39较先导化合物3展现出显著改善的抗凝活性和增强的抗炎效应。关键的是,跳释稀释实验确证本研究的优化策略成功将作用模式从化合物3的瞬时可逆抑制转变为稳健的不可逆共价机制,这一独特的不可逆结合特征带来了强而持久的靶点占据,F38和F39的kinact/Ki值分别为0.11740和0.11124 nM⁻¹min⁻¹。在LPS诱导的脓毒症模型中,F38显著改善生存率(40 mg/kg时近100%生存),降低循环炎症细胞因子水平,并减轻脓毒症诱导的组织损伤;同时,F38相对较低的代谢稳定性有助于限制系统暴露,从而降低脱靶毒性风险。综上所述,本研究所呈现的独特结构创新与机制突破使F38成为脓毒症急性治疗的高度有前景且安全的候选分子。
文献详细全面信息请跳转原文阅读:
https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.6c01243
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