ABL1 x BCR x CSF-1R x FLT3

小分子药物与靶标的结合大都以非共价键结合，氢键、静电、疏水和范德华作用以维持结合力，这些因素越多结合越牢固，活性越强。但往往伴随分子尺寸变大，产生过膜吸收代谢等药代问题，最终影响成药性。基于片段的药物发现(fragment-based drug discovery, FBDD)是普筛高质量片段以发现苗头分子，结合结构生物学，在片段生长、连接和融合中形成先导物，以及优化出候选物的运行中，始终兼顾化合物活性和物化性质之间的协调性。基于片段的药物发现与基于靶标结构的药物发现存在密切关系。前面我们已经介绍了几个通过FBDD发现的新药，本文将继续以药物为例，介绍FBDD开发过程。01阿思尼布研制背景慢性髓细胞白血病(CML)和成人ALL的发病原因是血液祖细胞的9号和22号染色体发生交互易位，导致BCR和ABL1基因在费城染色体(Ph)上融合，表达的BCR-ABL1融合蛋白具有ABL1激酶的活性结构域，使得许多信号通路异常活化，导致白血病的发生、分化、增殖的失控。已有治疗CML的药物如伊马替尼等有效药物，作用靶标是BCRABL1的ATP结合位点。然而持续用药发生BCR-ABL1T315I的突变而失效。阿思尼布的研究目标不是ATP位点，而是作用于“远方”的变构位点。2003年发现豆蔻酰基(十四烷酰基)参与ABL1的自调节过程，当豆蔻酰基进入ABL1的C端豆蔻酰基结合腔，与N端发生共价结合(酰化)，致使ABL1降低了构象的柔性而成非活化态，这是个天然的自抑制作用。而融合蛋白BCR-ABL1的BCR占据了ABL1的N端帽区的豆蔻酰结合位点，导致了BCR-ABL1的结构性活化，致使细胞发生持续性分化增殖而恶性病变。BCR-ABL1的构象与激酶ATP位点不同，与之结合的抑制剂之间不发生交叉耐药，这是研制变构抑制剂的分子依据。苗头化合物寻找苗头分子是依据NMR信号变化而定。方法是先用伊马替尼占据ABL1的ATP结合位点形成复合物，以确保信号的变化不是因结合ATP位点所致。筛选了500个水溶性和结构多样性小分子，通过滴定法测定ABL1-伊马替尼复合物特定1H谱化学位移的变化，确定变构苗头物与ABL1的结合常数，或者用滴定法测定受试物竞争性的排代工具药GNF-2(36)与ABL1复合物，36结合于变构域Kd=7.4μmol·L-1(LE=0.26)。这两种NMR测定方法有高度重合性。在发现的30个苗头中，化合物37的亲和力Kd=6μmol·L-1，相对分子质量MW=185，配体效率较高(LE=0.66)，因而是良好的苗头。苗头−先导物演化首先变换氯原子，溴代化合物结合性能提高5倍，然而生化实验没有抑制功能，对转染融合蛋白的细胞即使在50μmol·L-1浓度下也没有活性。研究化合物37-ABL1-伊马替尼三元复合物的晶体结构，表明37的结合位置与ABL1的螺旋1形成弯曲的抑制态构象是不相容的。图16a是三元复合物晶体结构示意图，伊马替尼和化合物37分别结合于ATP腔和变构区豆蔻基结合腔；图16b显示了37处于豆蔻酰基的结合位置，37的甲酯与Helix1的Ile521的侧链阻挡了Helix1转变为非活化构象，所以没有功能。基于图16的信息，模拟豆蔻基的长链将羧基甲酯置换为正己胺基(38)，提高了结合力(Kd=4μmol·L-1，LE=0.49)，但仍没有细胞活性。模拟工具药36结合于弯曲型Helix1的药效团，演化为化合物39(Kd=6μmol·L-1, LE=0.24)，但还是没有细胞活性。研制者怀疑用1HNMR未能反映化合物结合于失活性的弯曲型Helix1构象。因而改用在Helix1上的Val525残基作15N-标记，利用15N，1H-HSQC信号峰的强度判断化合物的结合状态，结果表明，直线型的Helix1的Val525信号为尖锐高峰，而弯曲状Helix1的Val525只有平均峰高度。化合物37～39的信号是明显的高尖峰，而有功能活性的36为平均的峰高度，从而解释了无功能活性的化合物即便结合于变构区，并没有影响Helix1的直线型构型，而36则引起Helix1的弯曲。鉴于化合物36的三氟甲氧基变换位置失去功能活性，推测CF3O-对于稳定Helix1的弯曲构象是重要的药效团，因而用CF3O-基团替换39的二氯原子，化合物40对ABL1的结合活性Kd=10μmol·L-1，对野生型BCR-ABL1转染Luk Ba/F3细胞增殖的抑制活性GI50=8μmol·L-1，这个结果打开了深入研究的道路。去除苯环上酚羟基和氯原子，优化脂杂环，得到的41提高了生化活性Kd=0.55μmol·L-1(LE=0.33)和细胞活性GI50=2.93μmol·L-1。41可视作里程碑化合物。结构生物学指导优化结构图17是41-ABL1-伊马替尼三元复合物晶体结构，CF3O-处于狭窄结合通道的深部，氟原子与亮氨酸Leu359的羰基发生静电相互作用；酰胺基的NH经水分子介导与Ala452和Glu481形成氢键网络；两个芳环都与酶有良好的π-π相互作用；吗啉环有两种定位：一是未与酶分子接触，进入水相(图17中绿色)；另一是内翻180°，进入变构域的疏水裂隙中(图17中黄色)，与Thr453、Met456和Pro480组成的疏水基团发生疏水相互作用，吗啉环内翻180°的位置提示了进一步设计依据。为了契合于疏水裂隙的空间，在苯环B的3位经单键连接嘧啶环，以可旋转的平面结构适配于疏水裂隙，4位连接亲水性基团有利于溶解性。优化的目标定为对ABL1的高抑制活性，对转染野生型和突变型(T315I)BCR-ABL1的细胞有强抑制活性，以及适宜的物理化学和体外药理学性质。优化出化合物42，对ABL1酶活性IC50=2.3nmol·L-1(LE=0.32)，logP=3.0，(LLE=4.50)，对高表达BCR-ABL1T315I的Luc8/F3细胞抑制活性是GI50=0.037μmol·L-1，对大鼠肝微粒体清除率CL=40mL·min-1·kg-1。图18是42与ABL1-伊马替尼三元复合物的晶体结构图，分子处于疏水裂隙中，以氢键和疏水作用结合，羟基四氢吡咯处于开口处，指向溶剂相。进一步优化和消除对HERG蛋白的不良反应然而42对HERG蛋白有一定的抑制作用(IC50=9.6μmol·L-1)，有潜在心脏毒性，还得作结构优化。对HERG显示抑制的分子多存在含氮的碱性基团，这与提高溶解性加入碱性基团相矛盾，矛盾之中，仍以提高抑制变构域为主。图18的晶体结构显示，三氟甲氧基的结合部位尚有空余空间，为提高范德华作用应增大基团体积，可用两种方式修饰，一是硫原子替换氧原子，另一是将一个氟原子换成氯。第二处修饰位点是右侧苯环4-羟基四氢吡咯环的取代基变换，变换吡啶环与3位嘧啶环之间的扭角(构象)，提高活性和溶解性；第三个修饰位点是嘧啶环的变换，是由于42的嘧啶环距离Glu481骨架的羰基近，有可能形成氢键，但需要有氢键给体，嘧啶不能提供，而3-吡唑基的NH可发生氢键结合。综合上述3处的变换，合成了一系列化合物(结构从略)。在一批高活性化合物中遴选出43。候选物确定和阿思尼布的上市化合物43对ABL1激酶IC50=0.5nmol·L-1，相对分子质量416.13，LE=0.37；等温滴定量热法(ITC)测定的抑制ABL1活性IC50也是0.5nmol·L-1，换算成结合能焓(ΔH)贡献为−72.8kJ·mol-1，熵贡献(−TΔS)为−65.3kJ·mol-1，说明43与ABL1变构区以特异性结合占优势。对高表达野生型BCR-ABL1激酶的Luc-Ba/F3细胞活性GI50=1.0nmol·L-1，突变型BCR-ABL1T315I细胞活性GI50=25nmol·L-1；ClogP 3.3，亲脂性效率LLE=5.40；静脉注射小鼠/大鼠/犬的半衰期(t1/2)分别为1.1/2.7/3.7h；小鼠/大鼠/犬口服生物利用度(F%)分别为21/9/66；在20μmol·L-1浓度下对主要的药物代谢酶CYP450没有抑制作用，此外用吡唑置换嘧啶环消除了对HERG蛋白的抑制作用。随即确定为候选化合物，定名阿思尼布(asciminib)，经临床研究表明阿思尼布是慢性髓细胞白血病治疗药，尤其对门户氨基酸发生变异的T315I而产生耐药的患者，阿思尼布是有效的治疗药物，美国FDA于2021年批准上市。与BCR-ABL1的结合模式阿思尼布与BCR-ABL1和伊马替尼三元复合物晶体结构(图19a)提示，两个药物结合在不同的部位，分别是变构调节域和ATP结合域，使用这两种药物避免了发生交叉耐药。图19b是阿思尼布与变构位点的结合模式，氯代二氟甲氧基结合于小疏水腔，氟原子与Leu359的骨架羰基发生静电作用(氟键)，左侧苯环与Thr453和Met456发生疏水作用，酰胺的羰基氧经结构水与Arg351生成氢键，吡啶的氮原子经水分子介导形成氢键，吡唑环结合于疏水裂隙，并与Ala452羰基发生氢键结合，吡唑处于吡啶的酰基的间位形成U形状是非常必要的。羟基四氢吡咯处于水相边缘，起到助溶作用。02索托雷塞KRAS蛋白及其变异体人类肿瘤30%是由于癌基因KRAS突变所引起，是肺癌等许多肿瘤的驱动基因，肺癌中20%患者KRAS蛋白的Gly12变异成Cys12(KRASG12C)。在生长因子的信号通路中，KRAS的功能是分子开关，通过与二磷酸鸟苷(GDP)结合成非活化形态，或与三磷酸鸟苷(GTP)结合成活化型的开关循环，调节下游效应蛋白的增殖。当KRAS发生G12C突变，损坏了与GTP酶活化蛋白的结合，使KRAS失活，导致细胞的持续增生。KRAS蛋白已知40年，却长时间未研制出药物，原因是它的可药性差：一是KRAS与GDP酶和GTP酶的结合力非常强，Ki值达pmol·L-1，抑制剂很难达到与GD(T)P酶发生竞争性结合的程度；另一是该蛋白缺乏明显的疏水腔，难以发现设计抑制剂的切入点。共价结合的片段确定变构位点有机二硫化合物具有弱亲电性，可与亲核性强的巯基发生交换共价结合。Ostrem等用FBDD方法，筛选了380个含有二硫键的化合物对KRAS-GDP复合物的结合能力，用质谱检测全蛋白的MS信号，发现了化合物44具有结合Cys12的能力。以44为苗头作先导物演化，得到了活性较强的化合物45。图20是45与KRASG12C共晶结构，它结合于KRAS-GDP的变构区域的S-IIP处疏水性沟槽上，延伸到Cys12以外的腔穴中，氨基与Gly60羰基形成氢键，将KRAS固定在非活化的构象上。变换亲电性基团为丙烯酰胺二硫化合物与巯基发生的是可逆性共价结合。为提高抑制活性，变换为亲电性稍强的丙烯酰胺化合物46，用LC-MS-MS确证了与KRAS的Cys12发生共价结合，生化方法测定46抑制KRASG2C的速率常数(kobs/[I]=0.1(mol·L-1)-1·s-1)，显示一定活性。进而优化活性和过膜性，47的活性和成药性都得到改善。然而47与KRASG2C共晶结构显示，哌嗪−氮杂环丁烷−丙烯酰胺链超出了S-IIP的结构域，从而将迈克尔基团经哌嗪环直接连在母核上；结构中邻氨基酚和甘氨酸等片段都是代谢不稳定的片段，将邻氨基酚变换成喹唑啉为骨架，合成了系列化合物，优化出化合物48。48的联喹唑啉−苯基邻位都有取代基，两芳环平面呈正交构象，由于转动受阻导致有阻转异构体存在，拆分后S-构型为优映体。图21是S-48与KRASG12C共晶图，分子以伸展形处于变构区的S-II腔中(Switch-II pocket)，酚羟基经3个结构水与Asp69、Arg68和Gln99形成氢键网络，喹唑啉N1与His95发生氢键结合，哌嗪旁的羰基与Lys16氢键结合，迈克尔基团与Cys12发生共价结合。S-48没有继续下去，是因为有了更好的片段，但揭示的特征在后来得到了应用。新的片段组合安进公司与Carmot公司合作，利用Carmot拥有化学型演化(chemotype evolution)技术平台，用含有迈克尔基团的片段分子与有成药骨架的片段分子缩合成单一化合物组成的化合物库，进行筛选。图22是两类片段的代表性结构，图22a是含有丙烯酰胺的片段分子，X为片段偶联位点。22b是3000多个结合于亲电性片段的分子。平台合成出大约两万个单个纳克级目标分子，用生化和质谱方法快速评价化合物的结合性能，凡是达到所设定标准的苗头，制备毫克级的纯净化合物进一步评价，这样得到苗头化合物49。图23是化合物49与KRASG12C共晶的X射线衍射图，结合特征是丙烯酰胺骨架结合于Cys12，而且羰基氧与Lys16形成氢键，另一个羰基与Ala56和Tyr96的羟基形成两组氢键。溴苯基深入到疏水腔中，溴原子被众多疏水残基环绕。异噁唑酰胺处于Gln99侧链和Switch II之间。环合母核以稳定构象将49的溴代苯与旁边的氨酰基环合成吲哚环以稳定构象，变换吲哚3-位连接的末端片段，综合评价动力学数据(kobs/[I])、生化转化活性(IC50)和细胞活性(IC50)，得到化合物50。50与KRASG12C的共晶结构有两个低能构象，如图24a、b所示，图24a的吲哚环在Arg68侧链的上面，发生范德华结合，3位的酰胺平面与吲哚环的CCCO两面角为155°，几乎呈共面性。5-甲氧基四氢异喹啉(THIQ)处于Tyr96和Gln99环之间，与His95的咪唑环发生π-π叠合。图24b的酰胺平面与吲哚环的CCCO两面角为69°，THIQ所处的位置与图24a不同，除了与His95的π-π叠合外，还与Tyr96发生边−面的π-π叠合。两种共晶的其他部位的结合方式相同，例如与Lys16和Tyr96的氢键结合以及与Cys12的共价键结合等。下一步保持甲氧基-THIQ不变，对吲哚环各个位置作单个和多组合的变换，优化出化合物51，抑制细胞活性达到IC50=0.219μmol·L-1。图25是51与KRASG12C复合物晶体结构图。51的结合模式与50大体相同，重要的区别是四氢异喹啉环进入新的“神秘”腔内，是由于His95的侧链旋转，形成了由Tyr96、His95和Gln99组成的腔。2-环丙基的引入降低了扭转两面角的能耗，同时也增加了范德华作用力，因而活性提高了。吲哚环上7-甲基处于Thr58、Tyr71和Gly60所在结合范围的范德华力，增加了活性贡献。然而化合物51在啮齿类的口服生物利用度较低，体内的消除率却很高，仍需作进一步优化。骨架的变换化合物51的结构是各个优势片段的组合，似乎优化到了尽头。研制者想到前述的S-48。当叠合S-48和51的活性构象，发现S-48的喹唑啉N1位连接出的疏水片段相当于51的四氢异喹啉所占的位置，因而合成了以酞嗪和喹啉酮为母核的新类型化合物，优化得到52，对酶和细胞活性比51分别提高了3和9倍。图26是52与KRASG12C复合物晶体图，苯环上异丙基与Tyr95之间的疏水作用是提高活性的主要片段。共晶结构还显示化合物52的喹唑啉酮环与异丙基苯环的构象呈正交取向，也由于2-F，6-OH-苯与喹啉酮环的阻转异构，存在光学异构体，经色谱拆分和测定活性发现R-52为优映体，抑制细胞活性的IC50=0.130μmol·L-1，显著高于S-异构体。52的共晶结构还提示了在哌嗪的C2位置有可与Cys12、Glu62和Tyr96接触的空间；末端的氟代苯酚处，还有空间可加入疏水性基团与Val9和Ile100结合，以及与Arg68和Asp69的极性基团的结合空间。这些都是进一步优化52结构的契机。因为52的水溶性很低，而且过膜性和生物利用度也较差。52已是通往成药的最后的先导化合物。进一步优化R-52作进一步优化，包括提高活性和对G12C变异细胞株的选择性，因而用发生G12S变异的A539细胞作为评价脱靶的量度，同时还评价化合物的物化性质和药代行为，结构变化的位置是喹唑啉酮的7位引入疏水基团，以增强与该空间的疏水性结合。同时探索在哌嗪环的2位甲基取代对活性的影响。此外还考察母核的8位元素CH作N等排变换的作用。合成的众多化合物中优选出53，53是2′-甲基-8-氮杂-52，活性和选择性超过52，8-氮杂电子等排体使酚羟基与8-氮杂形成分子内氢键，降低了酚羟基为穿越细胞膜需去溶剂化的能量损耗，结果表明，53的过膜性显著提高，也提高了溶解性。53的生物利用度达到33%，而且细胞活性很高(p-ERK IC50=44nmol·L-1；MIA PaCa-2活力IC50=5nmol·L-1)。光活体的稳定性和索托雷塞的批准上市53的母核氮杂喹唑啉酮与异丙基苯的连键由于邻位取代基而形成阻转异构，发生R和S异构体。图27是两个对映体互相转化的能量变化和光活体的活性。然而53的光活体在25℃下逐渐消旋化，半衰期为8天，转化自由能垒ΔG≠=26kcal·mol-1，所以优映体R-53研制成药物有不稳定之缺点。解决的办法是变换结构，途径有三个：一是提高构型转化的能垒，使活化自由能ΔG≠提高到30kcal·mol-1以上，这样在室温下能以稳定的构型存在；二是将转化能垒降低到20kcal·mol-1以下，成为容易转化的混合物，研发成消旋体；三是制备对称的取代基，消除手性轴。变换异丙基苯片段设计不同的单或双取代基和苯环变为芳杂环，评价化合物光活体的化学稳定性用两种方法测定化合物转换构型的能垒。对于慢速转化的化合物用1HNMR信号随时间的变化得到的阻转异构体的比例的信息，拟合艾林方程(Eyring equation)求出活化自由能值ΔG≠；快速转化的化合物用变温核磁谱(VT-NMR)加以确定。经过多轮的构效关系和反馈，化合物R-54(光活体转化自由能ΔG≠>30kcal·mol-1，在25℃半衰期计算为t1/2>180年)显示高活性和选择性，药代和物化性质优胜其他分子(数据从略)，因而确定为候选化合物，定名为索托雷塞(sotorasib)，于2018年开始临床研究，对KRASG12C变异的中晚期肺癌在免疫疗法和化疗无效的患者，88%症状明显改善，于2021年5月经美国FDA批准上市。与KRAS的结合模式索托雷塞与KRASG12C的共晶结构(图28)显示，母核氮杂喹唑啉酮环占据了S-II疏水腔，丙烯酰胺与Cys12的巯基发生共价键结合。S-甲基哌嗪采取扭船式构象，使2′-甲基与Cys12和Tyr96接触，吡啶环上的异丙基完全进入S-II疏水腔中，与Tyr96、His95和Gln99发生范德华作用。吡啶的N原子对手性轴的稳定性没有影响。03培西达替尼集落刺激因子1及其受体集落刺激因子1受体(CSF1R)是调节巨噬细胞生长、增殖和分化的主要生长因子，是一种跨膜的酪氨酸激酶受体，与配体CSF1结合形成信号轴，在细胞发育和生长中起重要作用。当CSF1R异常表达，引起多种恶性肿瘤发生发展，因而成为肿瘤治疗药物的靶标。CSF1R介导的信号通路也是驱动滑膜中异常细胞增生的主要因素。培西达替尼(pexidartinib)是日本第一/三共制药研制的CSF1R抑制剂，2019年美国FDA批准上市，用于治疗症状性腱鞘巨细胞瘤(TGCT)成人患者。这些患者的疾病造成严重功能性限制，而且无法通过手术改善疾病症状，所以培西达替尼成为治疗TGCT的第一个也是迄今唯一获批的药物。只是研制者没有披露信息的药物化学研制过程。FBDD的片段生长Plexxikon公司(维罗非尼的研制单位)仍是用多种激酶“垂钓”筛选。得到7-氮杂吲哚(55)对Pim-1显示微弱活性(图29a)，基于复合物晶体结构，生长成3-(3′-甲氧基)苄基-7-氮杂吲哚(56)(图29b)，进而增长并优化成57(图29c)。进一步优化是在7-氮杂吲哚环的5位引入氯原子得到的58培西达替尼，图30是培西达替尼与CSF1R(又称FMS)复合物晶体结构图。研制抗阿尔茨海默病治疗药CSF1R还表达于脑内的小胶质细胞。小胶质细胞是一种主要分布在中枢神经系统的星形胶质细胞，其重要作用已成为近年来神经科学研究的热点。神经生物学研究表明，小胶质细胞可以在野生型和阿尔茨海默病模型小鼠中持续存在，与淀粉样蛋白β斑块的生成密切关联。研究表明，通过抑制CSF1R蛋白，阻断小胶质细胞的功能，可阻止阿尔茨海默病的发展。Plexxikon公司以化合物57为先导物，设计合成可口服吸收和穿越血脑屏障进入大脑的CSF1R抑制剂，得到化合物59(PLX5622)，是一种高选择性脑内CSF1R抑制剂。59已证明可以消除大脑中的小胶质细胞。图31是59与CSF1R复合物晶体结构图，59骨架与58相同，二者结合模式大同小异，基团的变化主要有利于口服吸收和穿越血脑屏障。结语高质量的苗头分子是高效率演化成先导物和优化出候选物的基础，FBDD是从小尺寸分子(作为片段)出发，将活性测定与多种生物物理方法相结合，能够迅速发现苗头和与靶标的结合模式，从而演化成先导物和优化出候选物，一路上都是以结构生物学指引的药物化学操作。高质量的片段库是发现优质苗头的前提。片段分子可以与靶标弱键结合，也可以是可逆的或不可逆的共价结合。配体效率或配体亲脂性效率是监视苗头到先导物质量的重要指标。从维罗非尼2011年第一个FBDD药物上市至今有6个成功药物，研发的难易不同，干预蛋白−蛋白相互作用的维奈托克和变构抑制剂索托雷塞比竞争激酶ATP结合位点抑制剂要困难得多，所以确定靶标、苗头和先导物更须谨慎。原文：郭宗儒. 基于片段方法创制的药物. 药学学报[J]. 2023, 58(12):3490-3507.声明：本文内容完全来自文献，发表本文仅提供学习交流使用，为更好阅读，排版时做了稍微调整，内容基本与原论文保持一致，论文版权归原作者所有，仅排版申请原创，如有侵权，联系删除。关注我，更多资讯早知道↓↓↓