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点击蓝字 ↑ 关注药研视角 PharmaView JMC速览 2026.01.09 近日，复旦大学陈芬儿院士/王帅副研究员团队在药物化学权威期刊 Journal of Medicinal Chemistry 上发表了一篇题为《环化驱动的结构优化：设计兼具高安全性与选择性的强效非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂》的研究论文。该研究通过环化策略对现有第二代非核苷类逆转录酶抑制剂（NNRTIs）进行结构优化，成功设计并合成了一系列新型二氢蝶啶-6(5H)-酮类衍生物，显著提升了抗HIV活性、选择性及安全性。其中，候选化合物16a在多个耐药突变株中表现出纳摩尔级抑制活性，且具备优异的细胞选择性、良好的药代动力学性质及低毒性，展现出成为下一代抗HIV药物的潜力。 1 min速览 研究背景 HIV-1 非核苷类逆转录酶抑制剂（NNRTIs）是“鸡尾酒疗法”的重要组分，但临床常用的依曲韦林（ETR）与利匹韦林（RPV）仍存在耐药突变交叉、细胞毒性偏高及水溶性极差等瓶颈。如何在保持“马蹄形”构象柔性的同时，降低毒性并拓宽耐药谱，是领域核心难题。 重点内容 环化骨架替换：将 DAPY 母核中的嘧啶环锁定为“二氢蝶啶-6(5H)-酮” bicyclic 体系，既保留对 NNIBP 入口通道的占据，又引入新的水介导氢键。 两轮 SAR 优化： 第一轮换上杂芳环（吡啶、噻吩、呋喃等），发现亲脂性与 pEC₅₀ 呈线性正相关，确定 4-氰基联苯为最优左端片段。 第二轮把末端磺酰胺换成极性不同的 HBA/HBD（N-甲基磺酰胺、羟甲基、酰胺、杂环等），平衡溶解度与活性；4-N-甲基磺酰胺衍生物 16a 活性提升 14 倍、细胞毒性下降 11 倍，选择性指数高达 65 789。 耐药谱与机制：16a 对 WT 及 7 株临床单/双突变株 EC₅₀ 均 ≤ 77 nM，普遍优于 ETR/EFV；晶体对接显示其可“微调”构象，在 Y188L、F227L+V106A 等突变口袋中维持 π-π 与氢键网络。 安全与成药性：16a·HCl 对 6 种 CYP 酶及 hERG 通道几乎无抑制（IC₅₀ > 50 μM）；小鼠 2 g/kg 单次灌胃无急性毒性；酸性 pH 下甲磺酸盐溶解度 > 3.6 mg mL⁻¹，比 ETR/RPV 提升 30 倍；大鼠口服生物利用度 2.06%，半衰期 2.45 h，显著优于 ETR 的“未检出”。 研究总结 该工作以“环化锁定+亲脂性匹配+末端极性微调”三步策略，成功把 DAPY 类 NNRTIs 推向高效低毒的新高度。候选物 16a 兼具纳摩尔酶抑制、纳摩尔广谱抗病毒、超高选择性、低心脏与代谢风险，且成盐后溶解度大幅改善，为开发下一代抗 HIV 药物提供了前景分子。 图片来源：ACS 详细阅读 01 INTRODUCTION 研究背景 自1996年高效抗逆转录病毒疗法（HAART）问世并确立“治疗即预防”理念以来，HIV治疗的终极目标是实现“检测不到即不具传染性”（U=U）。HAART的成功取决于对耐药突变的持续抑制和毒副作用、药物相互作用的降低，以提高患者长期依从性。HIV复制过程中，逆转录酶（RT）将病毒单链RNA转化为双链DNA，其聚合酶活性位点由核苷类抑制剂（NRTIs）靶向，而距其约10 Å的变构疏水口袋则被非核苷类抑制剂（NNRTIs）占据，通过限制RT构象灵活性阻断DNA合成。该变构口袋因β10/β11链及P236发夹环的位置差异而具显著可塑性，为NNRTIs提供广阔适配空间。目前临床批准的第二代二芳基嘧啶（DAPY）抑制剂依曲韦林（ETR）和利匹韦林（RPV）对多种耐药株有效，其“马蹄”或U形构象可通过“摆动”与“抖动”适应口袋变化，但仍存在细胞毒性（CC50≈5 μM）、交叉耐药、肝毒性/抑郁/皮疹等副作用及极低水溶性（<1 μg/mL）的缺陷。为克服这些局限，作者借鉴Prener等人以环化策略改善溶解性的工作，将ETR/RPV的嘧啶核心替换为二氢蝶啶-6(5H)-酮骨架，并在联苯上端引入杂芳环、将末端磺酰胺替换为多种氢键受体/供体，构建了一系列新颖双环四氢蝶啶衍生物，旨在提升安全性、选择性及成药性。 02 Drug Design ①药物设计策略 为提高ETR和RPV的安全性与选择性，作者采用环化策略：把嘧啶环整体替换为二氢蝶啶-6(5H)-酮骨架，使中心母核仍能嵌入NNIBP入口通道并通过水分子与p51-E138建立氢键，模拟ETR中溴和氨基的作用；随后在上端联苯片段引入吡啶、噻吩、呋喃等杂芳环作为苯环生物电子等排体，保持药效团空间排布并增强π-π堆积；最后在溶剂暴露的“P236发夹环”界面，将远端磺酰胺换成N-甲基磺酰胺、羟甲基、酰胺、硝基、氰基、杂环等极性基团，以破坏固态分子间作用、提高水溶性和附加氢键相互作用，从而生成9a–k与16a–z两系列共四十余个全新双环四氢蝶啶衍生物。 ②结构优化与构效关系 9a−k 的体外 HIV-1 抑制活性与细胞毒性 在第一轮构效关系探索中，作者将多种杂环引入 4-氰基苯片段，得到 11 个新衍生物 9a−k；其中 9a 对 HIV-1(IIIB) 的 EC₅₀ 为 43.2 nM，CC₅₀ 17.76 μM，选择性指数 41，优于奈韦拉平。换用极性更大的吡啶环（9b）活性骤降（EC₅₀ 247.5 nM），而甲基取代吡啶 9c、9d 及二甲基类似物 9e 可恢复或提升效力；三氟甲基化合物 9f 兼具 38.1 nM 抗病毒活性和 19.44 μM 细胞毒性。嘧啶替换（9g）使活性降至 1.40 μM，但细胞毒性极低（CC₅₀ > 208 μM）；引入甲氧基（9h）部分恢复效力。用电子密度更高的噻吩（9i）或呋喃（9j）后活性回升至 45 nM 左右；上端苯环引入氟（9k）亦保持 40.3 nM 的抑制水平，提示电子与立体微调对活性影响显著。 9a、9c 与 9f 对 WT HIV-1 RT 结合模式的分析 为解释极性与亲脂性对抗病毒活性的影响，作者对 9a、9c、9f 进行分子对接：9c 的杂联芳基片段深入由 Y181、Y183、Y188、F227、W229 形成的疏水口袋，占据 NNIBP 并获得 −12.06 的对接评分；将三者构象叠加可见 9c（绿色）较 9a（灰色，评分 −11.50）和 9f（麦秆色，评分 −11.20）略有位移，尽管 9c 的焓贡献更高，其实测抑制活性却低于 9a，提示除单纯亲和力外，化合物的理化性质可通过亲脂相互作用及熵补偿显著调节最终药效。 图片来源：ACS 9a−k 的亲脂性与药效关系分析 作者用反相高效液相色谱快速测得 9a−k 的 LogP 介于 1.46–2.11 之间，发现 LogP 与 pEC₅₀ 呈清晰正线性相关：亲脂性越高，抗病毒活性越强；增强的亲脂性通过疏水效应提高熵贡献，同时改善膜吸收与渗透，共同提升药效，由此确定 4-氰基联苯片段为后续优化的平衡亲脂性与活性的参考骨架。 03 RESULTS ①16a−z 与 16aa 的体外 HIV-1 抑制活性及细胞毒性 在第二轮优化中，作者针对溶剂/蛋白界面（P225、P236、K104、S105、V106）将末端磺酰胺替换为各种氢键受体/供体，合成 46 个衍生物 16a−z 与 16aa；其中 16a（N-甲基磺酰胺）对 WT HIV-1 的 EC₅₀ 降至 3.0 nM，比 9a 提升 14 倍，CC₅₀ 达 196.46 μM，选择性指数 65 789，明显优于 ETR。甲基磺酰基类似物 16b 保持 8.6 nM 活性；酰胺 16c 活性中等，N-甲基化后的 16d 则兼具 6.4 nM 效力与 140.12 μM 低毒性；羟甲基、硝基、氰基等取代亦维持个位数 nM 活性，且 4-位取代普遍优于 2-/3-位。延长亲水链的 16s（羟乙基磺酰胺）活性下降 40 倍，甲醚化（16t）部分恢复；环状或更大疏水尾如 16x、16aa 则再次提高活性，但细胞毒性未见进一步降低，提示疏水效应对效力至关重要，而增溶需与最佳亲脂性谨慎平衡。 ②9a、16a−z 与 16aa 的亲脂性与药效关系分析 作者将 9a、16a−z 及 16aa 的 LogP 与 pEC₅₀ 进行关联，发现二者仍呈正线性关系（R² = 0.9969）：亲脂性越高，抗病毒活性越强；N-甲基化（9a→16a、16c→16d、16s→16t）均使 LogP 微增、活性显著提升，而裸露羟基等亲水延伸则因需断裂分子间氢键、熵代价高，导致活性下降；相反，暴露于溶剂区的疏水环状尾（16x、16aa）反而因疏水效应增益而活性更佳，再次表明增溶必须与维持足够亲脂性同步考量，方能保留高效抗病毒效力。 ③代表性化合物对 HIV-1 突变株与 WT RT 的体外抑制活性 作者选取活性高、毒性低或选择性突出的 9a、9f、16a、16d、16f、16q、16x、16aa，在单突变株 L100I、K103N、Y181C、Y188L、E138K 及双突变株 F227L+V106A、临床复合株 RES056 上进行测试：16a 表现最均衡，对七株突变株 EC₅₀ 介于 8.2–43 nM，对 Y188L、F227L+V106A、RES056 的效力分别是 EFV 的 8.3 倍、3.2 倍与 6.2 倍，与 ETR 相当；16q 对 K103N 和 Y181C 分别达 3.8 nM 与 6.8 nM；16d 对 Y188L、F227L+V106A、RES056 亦保持两位数 nM 水平，显示 N-甲基化磺酰胺/酰胺对耐药突变保持优势。ELISA 测 WT RT 酶水平 IC₅₀ 为 0.13–0.83 μM，普遍弱于细胞水平，提示高细胞渗透与可能的胞内蓄积、代谢激活或多靶协同贡献整体药效。 图片来源：ACS ④16a 与 RT 酶的分子对接分析 对接结果显示，16a 的联苯片段嵌入 Y181、Y183、Y188、F227、W229 构成的疏水芳香口袋，上苯环与 Y188 呈平行错位 π-π 堆积，下二甲苯环与 W229 的吡咯和苯环形成 T 形边对面作用；N-甲基磺酰胺的磺酰氧作为氢键受体与 V106 主链 NH 成键，右侧 NH  linker 向 K101 羰基提供氢键。在 K103N、Y181C、E138K、F227L+V106A 等突变体中，16a 通过轻微构象扭转，不仅保留 V106 氢键，还在 F227L+V106A 双突变中新形成与 K104 羰基的氢键，并与 L188 保持 2.8 Å 范德华接触，从而在不同突变环境下维持高活性，解释其对耐药株的广谱效力。 图片来源：ACS ⑤16a·HCl 的体外 CYP 酶抑制活性 为评估药物-药物相互作用风险，作者测试 16a·HCl 对 CYP1A2、2C9、2C19、2D6、3A4（咪达唑仑与睾酮底物）六种主要人源 CYP 亚型的抑制活性，结果所有亚型 IC₅₀ 均大于 50 μM，显示无可见抑制；相比之下，ETR 和 RPV 对 2C9/2C19 的 IC₅₀ 低至亚微摩尔水平，提示 16a·HCl 的代谢相互作用风险远低于现有 NNRTIs。 ⑥ 16a·HCl 的 hERG 抑制风险评估 在 CHO-hERG 细胞实验中，16a·HCl 对 hERG 钾通道的抑制 IC₅₀ 为 27.455 μM，远低于阳性对照 cisapride 的 0.052 μM，显示其心脏毒性风险极低，符合安全性候选化合物的要求。 ⑦16a 及其盐型的水溶性 在中性 pH 7.4 条件下，16a 及其多种盐型（盐酸盐、氢溴酸盐、对甲苯磺酸盐、甲磺酸盐、硫酸盐、琥珀酸盐、马来酸盐、磷酸盐）均保持低于 1 μg/mL 的极低溶解度；但在酸性环境（pH 4.5 与 2.0）中，溶解度显著升高，其中甲磺酸盐 16a·MeSO₃H 在 pH 2.0 下超过 3,620 μg/mL，约为 ETR（127 μg/mL）和 RPV（103 μg/mL）的 30 倍，表明成盐可大幅改善酸性介质中的水溶性。 图片来源：ACS ⑧16a·HCl 的体外肝微粒体代谢稳定性测定 在人、大鼠和犬肝微粒体中，16a·HCl 的半衰期分别为 2.2、8.3 和 46.5 min，对应体内清除率预测值远高于 ETR 和 RPV；人源微粒体中代谢最快（MF% 仅 2.02），提示该化合物人体首过代谢较强，需通过成盐或制剂手段改善暴露。 图片来源：ACS ⑨体内药代动力学研究 大鼠单次静脉注射 1 mg/kg 后，16a·HCl 的 t₁/₂ 为 4.24 h，Cₘₐₓ 800 ng/mL，AUC₀₋∞ 385 ng·h/mL；口服 10 mg/kg 后 Tₘₐₓ 1.5 h，Cₘₐₓ 29 ng/mL，AUC₀₋∞ 86 ng·h/mL，绝对生物利用度 2.06%，虽低但显著优于 ETR（口服几乎检测不到），且半衰期与 RPV 相当（约 2.5 h），提示口服吸收快、消除适中，具备进一步优化的基础。 图片来源：ACS ⑩16a 的体内急性毒性及器官组织 HE 染色 小鼠单次灌胃给予 2 g/kg 的 16a 后，14 d 观察期内雌雄动物体重增长与对照组无差异，未见死亡、中毒征象或行为异常；HE 染色显示心、肝、脾、肺、肾、脑六大脏器均未出现病理性损伤，表明 16a 在该剂量下无急性毒性，初步安全性良好。 图片来源：ACS CONCLUSIONS 本研究通过环化策略将 ETR/RPV 的嘧啶核替换为二氢蝶啶-6(5H)-酮骨架，并在联苯上端引入杂芳环、把末端磺酰胺改为多种氢键供/受体，系统优化出 46 个新衍生物；构效关系证实亲脂性与抗病毒效力正相关，化合物 16a 以 3.0 nM 抑制 WT HIV-1，选择性指数高达 65 789，对七株临床突变株保持 8–43 nM 活性，且对六种 CYP 酶及 hERG 通道几乎无抑制，小鼠 2 g/kg 单次灌胃无急性毒性，成盐后在酸性介质中溶解度比 ETR/RPV 提高 30 倍，大鼠口服生物利用度 2.06%，半衰期 2.45 h。综合药效、耐药谱、心脏与代谢安全性及初步药动表现，16a 被确立为高效低毒的下一代 NNRTI 先导化合物，具备进入临床前开发的坚实基础。 文献详细全面信息请跳转原文阅读： https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.5c02556 作者介绍 陈芬儿 中国工程院院士，复旦大学化学系教授、江西师范大学校长、博士生导师、精细有机化工和原料药制造专家。担任中国药学会药物化学专业委员会主任委员，上海市药学会副理事长。主要围绕HIV病毒中蛋白酶、逆转录酶、整合酶等靶点开展抗HIV创新药物的研发。在过去的20年中，陈院士课题组运用基于结构/片段的药物设计、骨架跃迁、分子杂交、生物电子等排等多种现代药物设计策略，开展了近15类全新结构类型的小分子抗HIV药物开发，其中2个高活性化合物已经完成了临床前研究，正在与相关企业开展进一步的新药开发。在国际顶级期刊Nat Commun, Angew Chem Int Ed, J Med Chem, Acta Pharm Sin B等发表SCI论文250余篇, 申请中外发明专利102项（授权43项），主参编著作7部。此外，陈院士在手性药物合成方面，围绕实用高效催化剂、新型合成反应、生产新工艺等三个方面开展研究，取得了一批具有国际水平的研究成果，为发展我国化学工业和医药工业做出了突出贡献。相关成果获2005年国家技术发明二等奖、2007年国家科技进步二等奖、2006年何梁何利科学与技术进步奖、2006年中国专利金奖及省部级科技一等奖3项。  王帅 国家级青年人才，上海市浦江学者，复旦大学化学系青年副研究员、博士生导师。现任中国药学会药物化学专业委员会秘书和青年委员，上海市药学会第十届药物化学专业委员会委员，并入选中国药学会药物化学决策咨询专家团队青年研究员。受邀担任国际权威药物化学期刊《J Med Chem》青年编委联合主席及客座主编，《Acta Pharm Sin B》青年编委，《Chin Chem Lett》青年编委以及《Eur J Med  Chem》客座主编。主要研究方向为AI+连续流驱动创新药物研究，涉及病毒、肿瘤、代谢性疾病及罕见病等。近年来，致力于融合人工智能与连续流合成技术，高效构建面向“老药新用”（Drug Repurposing）的高质量分子库，推动新适应症发现与快速临床转化，在高效合成方法学、智能药物设计与新药发现的交叉前沿领域取得了一系列具有应用前景的研究成果。截止目前，在国内外著名药物化学期刊J Med Chem, Acta Pharm Sin B, Innov Med, Med Res Rev, Eur J Med  Chem等发表SCI论文44余篇。参编教材4部。先后主持或参与国家科技重大专项（重大新药创制、重大传染病防治）、国家自然科学基金面上与青年基金、中美国际合作、上海市浦江以及上海市基础特区等多项科研项目。 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↓