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KCNQ2/3钾通道作为癫痫等CNS疾病药物研发靶点，Retigabine（RTG） 是首个神经元Kv7钾通道激动剂，曾用于治疗部分性癫痫，但由于其邻位二氨基苯结构化学不稳定性，易氧化形成醌二亚胺并聚合；以及选择性问题，会导致皮肤与视网膜色素沉着（与黑色素结合形成二聚体），最终于2017年退市。 图1 RTG增加炔基基团 针对RTG出现的问题，上海药物研究所研究人员在RTG的连接链氮原子上引入丙炔基得到P-RTG，其亲脂性增加导致脑-血药物分布发生逆转（分布比从RTG的0.16逆转为2.3），抗惊厥活性增强（小鼠ED50从RTG的15.0 mg/kg降至6.5 mg/kg），但化学稳定性仍不理想。（通过HYDE评分发现炔基上原子绿色球很大，说明该炔基有利于自发的结合在疏水口袋中） 针对RTG结构不稳定的核心问题，研究团队尝试直接删除易导致二聚化的邻位–NH₂基团。虽然多数脱氨基类似物活性显著降低，但发现脱氨基类似物L1-1（即将RTG/P-RTG中的乙基氨基甲酸酯替换为甲基氨基甲酸酯）在体外和体内仍保持显著活性（ΔV1/2为-24.21 mV）。 图2 L1-1增加邻位二甲基 基于L1-1，研究团队系统探索在右侧苯环引入取代基时，单个邻位甲基（L3-8）可显著增强活性，而间位甲基则导致活性丧失。受多种中枢神经药物结构（包括临床三期化合物XEN1101）启发，推测双邻位甲基取代可能具有更高活性。 实验证实，双邻位甲基化合物HN37的ΔV1/2达-38.52 mV，对KCNQ2/3通道的EC50为33.07 nM，效力较RTG提升约125倍。（HYDE显示双邻位甲基（绿色）有利于HN37自发结合KCNQ2离子通道）（海南海药HN37位于临床二期） 为更好地理解其选择性，观察与分析HN37与KCNQ相关离子通道的结合模式。 HN37与KCNQ2结合的动态过程推测 图3 两个HN37（橙色）结合KCNQ2 PDB 8IZY：在膜电位初步变化的背景下，HN37分子以2:1的比例与每个KCNQ2亚基结合。HN37_A 深深嵌入由相邻亚基S5和S6形成的经典疏水口袋，稳定孔域局部结构。HN37_B 结合在电压感应域与孔域之间的界面，HN37_B可能在PIP₂结合之前，通过稳定激活的VSD，承担了部分PIP₂的作用。。此时，通道的电压感应域激活，离子通道处于紧闭状态。说明单靠HN37是不足以使离子通道打开。 图4 HN37（橙色）与PIP₂（绿色）结合KCNQ2 PDB 8W4U：HN37_A仍保留在其经典口袋，继续稳定孔域；而HN37_B已完全被一个PIP₂分子所取代。此时，离子通道被打开状态。 结合上述两个PDB ID推测，当HN37_A和HN37_B稳定激活通道的电压感应域，细胞膜去极化信号加强，内源性脂质PIP₂在膜中富集并接近通道。而PIP₂分子凭借其更强的电负性和互补的几何形状，竞争性地取代了结合在VSD-PD界面的HN37_B。从而推动离子通道的打开。 HN37与KCNQ5结合的动态过程推测 图5 HN37（橙色）与PIP₂（绿色）结合KCNQ5 PDB 9LJ1：此复合物捕捉到一独特的中间态。一个HN37_A位于经典疏水口袋，一个PIP₂位于P3位点。关键的VSD-PD界面（P2位点）暂时空置。此时，离子通道处于紧闭状态，说明PIP₂在P3位点不足以开门，但可能起到了初步锚定和预拉S6的作用。 图6 HN37（橙色）与两个（绿色）结合KCNQ5 PDB 9LJ5：在9LJ1的基础上，第二个PIP₂分子结合到VSD-PD界面的P2位点上，原先结合在P3位点的第一个PIP₂分子并未离开，而是调整姿势，转而与相邻亚基的S6螺旋相互作用。两个PIP₂分子从两侧协同牵引并锁定同一个S6螺旋的C端，产生强大的合力使其弯曲。由此触发的构象重排比KCNQ2更为剧烈和稳定，导致HA/HB/CaM复合体旋转，通道打开。 基于结构差异的药物设计启示 上述结合模式的对比揭示了KCNQ2与KCNQ5激活机制的微妙差异，为设计更高选择性的KCNQ2激活剂提供了明确思路： 图7 HN37末端进行片段生长 利用P3位点进行选择性优化：结构对比表明，PIP₂在KCNQ5的P3位点结合并稳定开放态，而该现象在KCNQ2中并不显著。这提示我们可通过在HN37的甲基氨基甲酸酯位点进行定向片段生长，使延伸出的片段结构能够选择性占据或空间阻碍KCNQ5的P3口袋，从而在维持KCNQ2活性的同时，减弱对KCNQ5的作用。 运用SeeSAR‑inspirator-Fastgrow进行片段生长，在笔记本上约1分钟内生成并对接评估100个具有合理构象和结合取向的新化学实体，极大加速针对亚型选择性修饰的探索。 图8 两个HN37连接形成双价分子 开发双价分子以增强效价与选择性：HN37以2:1的化学计量比结合于每个KCNQ2亚基，这为开发双价药物提供了结构基础。通过共价连接两个HN37药效团，有望产生显著的结合协同效应，从而提升对KCNQ2的亲和力与亚型选择性。 SeeSAR-ReCore 能够基于三维结构智能设计连接子，初步测试，在10分钟内生成、对接并完成打分评估500个双价候选分子。其中超过300个在计算亲和力上优于单价HN37，快速揭示了双价策略的可行性与优势。 参考资料： doi.org/10.1021/acs.jmedchem.0c02252  doi.org/10.1038/s41467-023-42416-x  doi.org/10.1073/pnas.2416738122                                                                                                                                          “分子设计，启迪未来”-（分迪科技）专注于新药设计与药物发现18年，分迪一直在路上为工业制药企业、科研机构提供最前沿的药物设计解决方案与工具应用、以及药物设计项目合作等。 “分迪科技”是“分迪药业”的前身，现为分迪药业的全资子公司。"分迪药业"是一家致力于开发靶向蛋白降解创新药研发企业，目前“分子胶”新药已经进入临床实验，欢迎各大药企与投资机构洽谈合作。