药渡Cyber解析BMS公司开发的嘧啶类GSK-3抑制剂分子设计及优化过程

2024-02-15

临床终止

感谢关注转发，欢迎学术交流请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程糖原合酶激酶3（GSK-3）是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，作为多种细胞功能的重要调节剂，与阿尔茨海默病、情绪障碍、2型糖尿病和癌症等各种疾病相关。有大量证据表明，中枢神经系统中的GSK-3β在与阿尔茨海默病相关的神经元纤维缠结中发现的异常、过度磷酸化、微管相关tau蛋白的产生中发挥重要作用。BMS公司评估了一系列含有基于嘧啶的铰链结合杂环的类似物，从而鉴定具有优异激酶选择性的高效GSK-3抑制剂。其中，化合物34和40具有较好的口服生物利用度和脑渗透性GSK-3抑制剂，可有效降低磷酸化3xTg-AD转基因小鼠的水平。阿尔茨海默病的两个主要组织病理学标志是细胞外β淀粉样蛋白（Aβ）斑块的形成和tau蛋白过度磷酸化引起的细胞内神经原纤维缠结（NFT）的积累。β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块的积累和神经原纤维缠结被认为是导致神经元死亡和脑组织损伤的潜在因素。发现和开发阿尔茨海默病的有效治疗方法是未满足的重大医疗需求。图1. 嘧啶类GSK-3β抑制剂分子设计及优化过程GSK-3是脯氨酸介导的丝氨酸/苏氨酸激酶，广泛分布于全身。但其在静息、未受刺激的细胞中具有持续活性。目前已经鉴定出两种GSK-3的异构体：GSK-3α（51kDa）和GSK-3β（47kDa），在全长蛋白中有84%氨基酸序列一致，在催化结构域有98%氨基酸序列一致。GSK-3之间的主要结构差异位于GSK-3α的N端区域富含Gly的片段。GSK-3α受Tyr279（激活）和Ser9（抑制）的磷酸化调节。GSK-3α和GSK-3β在组织中广泛表达，并在大脑中大量存在。GSK-3β是在大脑大多数区域中发现的主要亚型。GSK-3调节多种细胞过程，如代谢、增殖、细胞存活、基因转录、翻译和细胞骨架。还充当众多信号传导途径的下游调节开关，包括细胞对Wnt信号传导、胰岛素信号传导途径等。GSK-3通过β-连环蛋白的磷酸化作为Wnt信号通路的抑制剂来控制细胞分化和增殖。关于GSK-3抑制以及由此引起的细胞内β-连环蛋白的增加是否导致原癌效应的不确定性一直是GSK-3抑制剂疗法的问题。然而，最近的研究表明，抑制GSK-3β来调节关键神经元分子靶点的潜在治疗窗口可以实现，同时可以避免基于机制引起的β-连环蛋白驱动的效应。微管相关蛋白tau蛋白主要存在于神经元中，在神经元中它充当微管骨架的稳定蛋白。多个丝氨酸和苏氨酸残基被GSK-3磷酸化。GSK-3β多度激活导致的tau蛋白过度磷酸化已被证明会出现与阿尔茨海默症相关的表位，导致tau蛋白从微管分离并丧失tau蛋白的微管稳定性。这回导致神经元细胞骨架不稳定，并对细胞内结构产生有害影响。过度磷酸化的tau蛋白组装形成成对的螺旋片段，随后聚集导致细胞内NFT的形成，这是阿尔茨海默症的特征之一。支持GSK-3在阿尔茨海默症作用的其它证据包括GSK-3在阿尔茨海默症的细胞质中积聚，使神经元缠结，其在阿尔茨海默症脑内的分布于神经原纤维变化的发展顺序一致。粒血管变性神经元也含有活性GSK-3β，这说明它参与了神经变性。锂是一种广泛用于治疗双相情感障碍的药物，也是一种GSK-3β抑制剂，在动物研究中已显示可降低tau磷酸化。对过度表达突变3xTg-AD转基因小鼠使用氯化锂，导致阿尔茨海默症中已知过度磷酸化位点的tau磷酸化水平显著降低。在另一项研究中，当产生高磷酸化tau蛋白水平的3xTg-AD转基因小鼠用氯化锂处理1个月时，观察到体内tau磷酸化的减少。GSK-3抑制可能提供潜在的治疗阿尔茨海默症的方法。目前报道了多种不同的化学结构类型的小分子GSK-3抑制剂，如马来酰亚胺、苯并呋喃、2-氨基吡嗪、4-嘧啶酮、4-吡啶酮和吲唑等母核结构属于作为治疗阿尔茨海默症的GSK-3抑制剂结构类型。最近，借助结构设计和PET成像，发现了一系列高效、选择性、脑渗透性恶唑-4-甲酰胺GSK-3β抑制剂。还发现该系列中的铅放射性标记类似物可能适合作为GSK-3的PET成像剂。图2中显示了在啮齿类动物中测试了四种GSK-3抑制剂。芳基马来酰亚胺1、吡唑2和苯并呋喃3发现可显著减少啮齿类动物的tau磷酸化。此外，据报道，化合物3可以改善3xTg-AD转基因小鼠记忆和认知功能。Tideglusib（4）是一种非ATP竞争性GSK-3抑制剂，已经完成阿尔茨海默症临床II期研究。图2. 部分代表性GSK-3抑制剂BMS公司内部筛选化合物过程中确定了吡咯并吡啶酮结构，旨在提高激酶选择性的SAR发现了一类以异烟酰胺为代表的GSK-3抑制剂（如图3所示）。该类化合物的共晶结构表明，吡啶酰胺片段与GSK-3β铰链区的氢键相互作用。异酰胺5对GSK-3表现出优异的激酶选择性，对化合物5在3xTg-AD转基因小鼠模型中发现，口服给药10mg/kg和30mg/kg可显著降低tau磷酸化水平。然而，此类化合物在小鼠体内的清除率很高，主要是由于环丙基甲酰胺基团易于水解。因此，用吡啶-2-氨基取代环丙基甲酰胺，以化合物6为代表，其中吡啶氮模拟羰基氧。与化合物5相比，化合物6的效力有所提高，表现出高激酶选择性，并在10mg/kg和30mg/kg剂量下显著降低tau磷酸化。图3. 化学结构演变到嘧啶胺类结构的过程然而，吡啶基的氮需要靠近异烟酰胺核心位点连接的芳烃环，这一要求限制了化合物5中环丙基甲酰胺的替换取代基范围，如图4用对氯苯胺取代5-氯吡啶-2-氨基导致效力降低14倍（比较化合物8和9）。与化合物9相比，化合物8的效力提高可能是由于5-氯吡啶-2-氨基中的N和酰胺NH之间可能直接或水介导形成分子内氢键，分子有利于生物活性构象。为了扩大围绕环丙基甲酰胺取代的SAR范围，BMS公司集中研究基于嘧啶基铰链结合杂环的化合物7一系列化合物。假设化合物7中的酰胺相对于嘧啶环更倾向于平面构象是最佳GSK-3β的首选构象，这种构象在酰胺和临近的嘧啶氮之间形成有利的偶极排列或潜在的内部氢键作用。BMS公司基于化合物7代表嘧啶类GSK-3抑制剂的SAR和体内药效评价。图4.比较化合物8和9的GSK-3β抑制活性在GSK-3β/α竞争测定中用荧光标记的小分子在其Kd下测量每种化合物的效力，以确定GSK-3β/α的IC50值。在酶学实验测定中通常观察到中等水平亚型选择性，并不认为具有真正的亚型选择性（如表1所示）。化合物14和15在吡啶环和嘧啶环的2位没有取代基，其GSK-3β的IC50大于2000nM。当吡啶基被4,4-二氟哌啶-1-基取代时，化合物16效力发生显著改善，GSK-3β的IC50为260nM。由于该胺与激酶铰链区中的Val135残基之间形成氢键相互作用，在嘧啶的2位引入胺导致效力提高9倍（化合物17 vs 16为30nM vs 260nM）。当化合物17中嘧啶2位的胺基被苯胺取代时，抑制活性显著提高了150倍，这可能是由于苯基增加了与蛋白质侧链的疏水作用。化合物18的GSK-3β的IC50提高至0.20nM。表1改造的化合物GSK-3β和GSK-3α亚型之间的效力小于2倍。接下来通过改变嘧啶2位和吡啶4位的取代基进一步探索SAR，以优化效力和体外代谢稳定性（如表2所示）。该系列基于嘧啶的GSK-3抑制剂具有高抑制活性，其中化合物35抑制活性最佳，GSK-3β的IC50为0.07nM。发现苯胺对位引入取代基具有良好的耐受性（如化合物26、27、29、33），间位氟和氯取代也具有良好的耐受性（如化合物28和29）。相反，在某些情况下，苯胺邻位引入取代基抑制活性降低8倍和25倍（如化合物31 vs 29和化合物38 vs 33）。用吡啶替换苯胺也可以耐受（如化合物47和48）。与表1显示的结果类似，表2中化合物的GSK-3β和GSK-3α亚型之间的效力通常相差3倍以内。在细胞水平测试中，用tau蛋白瞬时转染的U2OS细胞在高内涵成像测试GSK-3抑制剂调节S396氨基酸的tau磷酸化的能力（结果如表2所示）。此类化合物在GSK-3抑制剂细胞水平测试中非常有效。许多化合物的pTau IC50值低于两位数纳摩范围内，其中化合物32、33、34、35和43最有效，pTau IC50值约为10nM或更低。含有2位被苯胺取代的嘧啶和吡啶铰链结合杂环的两对类似物的GSK-3β 的IC50值比较如表3所示。结果发现嘧啶29比吡啶9强25倍（GSK-3β 的IC50分别为0.49nM vs 13nM），嘧啶43比吡啶49强70倍（GSK-3β 的IC50分别为0.28nM vs 20nM）。为了更好地了解基于嘧啶的铰链结合杂环与基于吡啶的铰链结合化合物相比的改进效率，进行扭转扫描以探测芳基铰链结合基团和酰胺键之间的键旋转能量分布。图5所示的吡啶（50）和嘧啶（51）能量最小化模型结构，扭转被限制在-150°至180°之间。溶剂化相中扭转扫描的相对能量分布（kcal/mol）如图5所示。吡啶铰链结合物（50）的结果表明，平面构象（扭转=0°和180°）在约1kcal/mol之内，而嘧啶铰链结合化合物（51）结果表明，180°旋转异构体（生物活性构象）是扫描中观察到的最低能量构象，比0°旋转异构体优选约5 kcal/mol。在生物活性构象中，酰胺NH位于嘧啶的N3氮的孤对电子附近，导致偶极-偶极相互作用。因此，嘧啶类结构偏向于生物活性构象，而吡啶除了生物活性构象外，还可以采样其它的低能构象。与化合物9和49相比，化合物29和43的酶抑制活性更好，与图5所示的扭转扫描结果一致，这表明嘧啶铰链结合化合物比吡啶类结构更可以增强GSK-3抑制活性。图5. 扭转扫描以探测理论铰链-结合基团和酰胺键（红色标注部分）之间的键的旋转能量分布通过将化合物与人、大鼠和小鼠肝微粒体一起孵育10分钟后测试体外代谢稳定性。化合物与人、大鼠和小鼠肝微粒体孵育10分钟后，代谢稳定性分为高（>75%剩余）、中（50%-75%剩余）、低（<50%剩余）代谢稳定性。在R2有苯基或2,2,2-三氟乙氧基取代的化合物与苯胺上的4-Cl、4-CN、4-CF3、4-OCHF2或4-OCF3取代基配对（如化合物29、33、41、44或46）具有中到高代谢稳定性，而未取代苯胺或4-Me或4-OMe取代苯胺的化合物（如22、26或27）降低整体代谢稳定性。苯胺邻位或间位的氯取代对代谢稳定性没有显著影响，而邻位甲基取代导致代谢稳定性适度降低。化合物18在R2为4,4-二氟哌啶基取代，体外代谢稳定性较差。当与代谢稳定的苯胺如4-CN或4-CF3组合时，R2处具有2,2,2-三氟乙氧基取代类似物显示出良好的代谢稳定性。化合物33与GSK-3β催化结构域的共晶结构如图6所示。蛋白质结晶为二聚体，并在每个结合口袋中观察到配体的类似相互作用。嘧啶的SP2氮与嘧啶2位的苯胺NH和GSK-3β催化结构域铰链区的Val135形成氢键。吡啶环氮与Lys85形成氢键。在酰胺羰基和Asp200的主链NH之间也观察到水介导的氢键。苯基占据核糖结合口袋，苯胺与蛋白质侧链形成疏水相互作用。与蛋白质的这些额外的疏水性接触导致效力显著改善。图6B描绘了化合物33与GSK-3β的ATP结合位点结合模式。图6. 化合物33与GSK-3β激酶结构域的X-ray共晶结构（PDB ID:8FF8）由412种激酶（Ambit/DiscoverX/Eurofins）对化合物进行广泛的激酶选择性分析评估。以1μM浓度测定71种化合物结果如图7所示。用吡啶基4位上的苯基替换4,4-二氟哌啶导致总体激酶选择性显著改善（比较化合物18和29）。其中，化合物30和45也具有优异的激酶选择性。除GSK-3β外唯一显示出显著活性的激酶是GSK-3α。化合物34和36的选择性略低于上述三种化合物，仍具有良好的激酶选择性。GSK-3和CDK是CMGC激酶家族的成员，GSK-3与CDK2（与GSK-3最相似的激酶）共有33%氨基酸序列一致。还通过较小的内部25种激酶（包括CDK2和CDK5）测量上述化合物的IC50值，以评估其选择性。化合物34对CDK2（620倍，IC50=0.22μM）和CDK5（3600倍，IC50=1.3μM）具有高度选择性。PIM1是这种组唯一的其它类型激酶，其中化合物34的IC50=0.72μM。化合物40（未在 Ambit/DiscoverX/Eurofins 激酶组中测试）还对CDK2（840倍，IC50=0.47μM）和CDK5（1200倍，IC50=0.68μM）表现出优异的选择性，并且PIM1的IC50值为1.4μM。34的IC50值为该组中其余激酶中的 40 种均>2.0μM。总体上，在吡啶基的4位如化合物29、30、34、36、40和45处具有芳基的化合物对脱靶激酶具有优异的选择性。图7. 化合物18、29、30、34、36和45的激酶选择性分析图PAMPA实验中评估化合物的被动渗透性。结果发现，化合物29、30、34、40和45具有较好的渗透性，并且所有化合物具有高度的膜渗透性（表4所示），且不是P-gp底物。其中，化合物34具有最高的渗透性、化合物40具有良好的渗透性，其余三个化合物渗透性稍低，但在可接受的范围内。BMS公司测试了所选化合物的血浆蛋白结合情况，发现这些化合物由于其亲脂性在人、大鼠和小鼠中均表现出高血浆蛋白结合。化合物34和40在小鼠脑组织匀浆中具有较低的未结合部分，这类化合物的tPSA约为100 Å2或更小。计算表中所示化合物的中枢神经系统（CNS）多参数优化（MPO）评分，其中考虑六种理化性质（pH7.4时的clogP、clogD、分子量、tPSA、HBD数量和pKa）CNS MPO分数范围为3.3至3.7，处于适合中枢神经系统候选药物范围的下限（≥4为理想）。然而，当体内实验结束时测量化合物34和40的脑和血浆暴露量时，确定34和40的脑血浆比分别为0.9和1.0。由于该系列化合物的亲脂性，它们的水溶性较低。水溶性在pH1.0和pH7.4下测定化合物34水中溶解度分别为0.016和<0.001mg/mL，在pH1.0和pH7.4下测定化合物40水中溶解度分别为0.031和0.001mg/mL。药代动力学研究在雄性C57BL6小鼠中用化合物30、34和40进行药代动力学研究。化合物通过静脉注射2 mg/kg和口服10 mg/kg给药，药代动力学指标如表5所示。当静脉给药时，所有三种化合物均表现出低中度清除率，并且具有较长的半衰期为2.5h至2.9h。这些化合物的Vss超过体内总水体积。当以口服给药时，化合物34和40吸收良好。两种化合物的暴露量都很高，且易于口服（F%分别为100%和53%）。与化合物34和40相比，化合物30的暴露量和口服生物利用度较低，可能是用于该化合物Caco-2测定中渗透性较低。抑制Tau磷酸化使用LaFerla 3xTg-C57BL6小鼠对化合物34和40进行了评估。这些小鼠可以产生高水平的过度磷酸化Tau蛋白，并出现与年龄相关的进行性板块和缠结病理学，这是阿尔茨海默症的已知特征。使用氯化锂作为阳性对照，给药剂量为250mg/kg（腹腔注射给药）。在两个独立实验中，当以10mg/kg的剂量口服纳米混悬剂给药，化合物34和40分别是pTau396降低33%和37%（如图8所示）。实验结束时（5小时），测量末端血浆和脑暴露量，化合物34在血浆和脑暴露量分别为410±150nM和370±80nM，平均脑与血浆全药浓度比值为0.9。化合物40在血浆和脑暴露量分别为180±50nM和180±70nM，平均脑与血浆比为1.0。根据测量的小鼠中未结合的脑和血浆分数（表4），确定34和40的Kp, uu值是相等的。两个化合物的Kp, uu计算值均为0.4。图8. 3xTg-阿尔茨海默症转基因小鼠体内药效结论BMS公司发现了一系列高效的基于嘧啶的GSK-3抑制剂。扭转扫描探测铰链结合嘧啶和酰胺之间键的旋转能量分布表明生物活性构象本质上是有利的。PAMPA和Caco-2测定结果表明这些化合物具有很高的跨膜渗透性。412种激酶的激酶选择性评估表明，吡啶环4位上带有苯基的类似物表现出优异的激酶选择性（化合物29、30、34和45）。化合物34和40也对内部激酶组中的CDK2和CDK5显示出优异的选择性，且两个化合物在小鼠药代动力学研究中具有高暴露量和优异的口服生物利用度。化合物34和40体内研究表明，这些化合物是脑渗透性GSK3抑制剂，可显著降低3xTg-AD转基因小鼠中的tau磷酸化。说明此类GSK-3抑制剂具有成为阿尔茨海默氏病的潜力治疗手段。文章来源doi: 10.1021/acs.jmedchem.3c00364.请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程1.药渡CyberSAR结合药物设计思想，挖掘了文献及专利报道的活性的结构，通过CyberSAR以方便快速获得研发人员兴趣靶向结构，以供开拓思路，就GSK-3β抑制剂举例如下：2.在靶点界面选中“化学空间”选项标签下级联“聚类结构视图”选项卡，可以将CyberSAR平台收录的文献和专利具有关于GSK-3β相关实验测试活性的分子以“母核结构聚类 “的形式展示。其中绿色字体高亮的”为文献报道的体外酶、细胞活性测试实验中IC50<100nM的活性分子结构、具体实验、实验结果及实验来源。3.在靶点界面选中“化学空间”选项标签下级联“原始结构视图”选项卡，可以将CyberSAR平台收录的文献具有关于GSK-3β相关实验测试活性的分子以“研发阶段时光轴“的形式展示。4.点击研发进展阶段早期发现（1146个）下面的绿色字体“数据挖掘（1078个）”，可以查看所有早期发现阶段有GSK-3β抑制活性的分子结构。登录方式CyberSAR在电脑浏览器端登录网址：https://data.pharmacodia.com/cybersar/，欢迎猛烈试用。请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程如需进一步沟通，请扫码添加微信联系药渡赵博士或药渡CyberSAR沟通群。