双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶1A (DYRK1A) 是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,属于CMGC蛋白激酶家族中的DYRK亚家族。DYRK1A已被证实能够调控Tau病理的进展,被认为是治疗阿尔茨海默病 (AD) 有前景的靶点。然而,现有的DYRK1A抑制剂因药代动力学性能欠佳、配体利用率低及选择性不足而陷入研究瓶颈,难以满足临床治疗需求。因此,开发拥有良好体内药代动力学特性和治疗潜力的新型选择性DYRK1A抑制剂已成为当务之急。针对上述问题,沈阳药科大学赵庆春课题组通过理性设计和系统的结构优化,鉴定出一种强效且选择性的DYRK1A抑制剂。相关工作以“Discovery of
ZJCK-6-46: A Potent, Selective, and Orally Available Dual-Specificity Tyrosine
Phosphorylation-Regulated Kinase 1A Inhibitor for the Treatment of Alzheimer’s
Disease”为题发表在Journal of Medicinal
Chemistry期刊上 (J. Med. Chem. 2024, 67, 15, 12571–12600)【1】。
DYRK1A具有典型的蛋白激酶折叠构象,其ATP结合口袋呈裂隙状,主要由α螺旋组成的大亚域和以β折叠为主的小亚域构成。Gourdain等人[2]发现的双芳基-氮杂吲哚DYRK1A抑制剂效果显著,但结构中的酚羟基限制了体内应用。Chaikuad等人[3]后来发现了具有极高亲和力的甲基9-苯胺噻唑并[5,4-f]喹唑啉-2-甲酰亚胺酸酯 (EHT) 系列抑制剂,结构中的嘧啶环与酶结合口袋匹配良好。基于这些发现,研究者将1H-吡咯[2,3-b]吡啶与嘧啶片段融合,设计得到具有新型骨架的DYRK1A抑制剂 (图1A)。随后,作者通过配体亲脂效率 (LLE) 作为平衡药效和ADME性质的标准,筛选得到了3个潜在的候选物12、26和29。随后,在两种与DYRK1A具有同源性的激酶细胞周期蛋白依赖性激酶9 (CDK9) 和糖原合酶激酶-3β (GSK-3β) 上初步探讨了其激酶选择性,并根据三种蛋白结构中Leu241残基的取向不同,通过引入甲基作为位阻来进一步提高激酶的选择性,得到化合物31-33 (图1B)。
图1:(A) 新型DYRK1A抑制剂的合理设计与发现;(B) 化合物12、26和29及其相应的甲基取代衍生物31–33的结构、cLog P值、DYRK1A、CDK9和GSK-3β酶抑制活性。
在药物发现过程中,先导化合物的代谢稳定性是影响其类药性能的关键因素。因此,作者进一步评估了化合物31、32和33的人肝微粒体 (HLM) 和人血浆稳定性。结果表明,这些化合物都具有较好的人血浆稳定性,其中,化合物31和32在HLM中表现出适度的代谢,而化合物33在HLM中易发生代谢。随后,作者评估了这些化合物体外的人血浆蛋白结合率、血脑屏障通透性和细胞通透性,结果显示,这些化合物具有较高的血浆蛋白结合率和中等的细胞通透性,但只有化合物32具有较高的血脑屏障通透性。于是,作者选取化合物32进一步探索其对细胞色素 (CYP) P450酶的抑制能力,发现其对CYP2C9和CYP2C19具有较强的抑制活性,提示化合物32与这两类酶催化的代谢药物之间存在DDIs的潜在风险。同时,在对215种蛋白激酶进行选择性筛选时,发现化合物32 仅对DYRK家族和高同源性CLK家族激酶具有较高的抑制率,具有相对较高的激酶选择性 (图2)。
图2:(A) 激酶谱分析;(B) 化合物32在DYRKs和CLKs家族IC50值得测定。
在完成苗头化合物的选择和体外ADME特性评价后,作者在Tau (P301L) 293T和SHSY5Y这两种Tau蛋白高表达的细胞模型上,评价了化合物抑制Tau磷酸化的能力。Western bolting检测、荧光成像分析和细胞热稳定迁移实验表明化合物32可以直接作用于细胞中的DYPK1A,并显著抑制其介导的Tau的磷酸化 (图3)。随后,作者在Sprague-Dawley大鼠中评价化合物32的药代动性质以及血脑屏障通透性,结果显示,化合物32显示出可接受的分布、半衰期和平均驻留时间以及中等的脑组织/血浆分配系数 (Kp(brain/plasma)),表明它可以穿过血脑屏障并在大脑中积累。同时,小鼠急性毒性实验表明,单次口服给药剂量高达500 mg/kg时,未导致小鼠死亡,也没有引起体重或主要器官重量的显著变化。
图3:化合物32对Tau (P301L) 293T细胞 (A) 和SH-SY5Y细胞 (B)中p-Tau Thr212/总Tau比率的影响;(C) 化合物32对Tau (P301L) 293T细胞中活性P301L-hTau单体表达的影响; (D)SH-SY5Y细胞中化合物32处理后DYRK1A的蛋白稳定性。
最后,为评估化合物32在体内抑制Tau磷酸化的潜力,研究者建立了Okadaic acid (OA) 诱导的AD小鼠模型,通过OA 引发认知功能障碍,并采用莫里斯水迷宫测试分析化合物32对学习和记忆功能障碍的改善效果。结果表明,化合物32显著改善了小鼠的认知功能障碍,其效果与剂量呈正相关。此外,化合物32显著降低了小鼠海马和颞叶皮层中p-Tau Thr212的表达,并减少了OA引起的海马神经元损伤 (图4)。这些结果表明,化合物32作为一种新型选择性DYRK1A抑制剂,具有潜力成为抗AD药物。
图4: (A) 在为期三天的可见平台预训练中,对所有小鼠的运动能力进行了评估,以排除游泳速度存在显著差异的小鼠;(B) 化合物32处理的AD小鼠在隐形平台测试中的逃避潜伏期; (C)通过Nissl染色检测小鼠海马CA1区和齿状回 (DG) 区域中Nissl阳性细胞的表达情况; (D) 通过免疫组织化学染色检测小鼠海马CA1区和DG区域中p-Tau Thr212的阳性表达情况。
总结
总之,作者通过合理的结构优化鉴定出一种有效的DYRK1A抑制剂化合物32 (ZJCK-6-46),其IC50为0.68 nM,具有良好的激酶选择性和适中的代谢稳定性。化合物32能有效穿透血脑屏障,降低Tau蛋白磷酸化,并在OA诱导的小鼠模型中显著改善认知功能,同时表现出较低的急性毒性和肝肾损伤风险。然而,它对CLK家族中的CLK1和CLK4有一定的抑制作用,并可能受到P-糖蛋白的外排影响。未来需要进一步研究其在阿尔茨海默病治疗中的应用潜力,并解决相关问题。
参考文献
【1】Chen, H.; Gao, X.; Li, X.; Yu, C.; Liu, W.;
Qiu, J.; Liu, W.; Geng, H.; Zheng, F.; Gong, H.; Xu, Z.; Jia, J.; Zhao, Q.
Discovery of ZJCK-6-46: A Potent, Selective, and Orally Available
Dual-Specificity Tyrosine Phosphorylation-Regulated Kinase 1A Inhibitor for the
Treatment of Alzheimer’s Disease. J. Med.
Chem. 2024, 67, 1234–1245. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c00123.
【2】Gourdain,
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J. M.; Cariou, K.; Dodd, R. H. Development of DANDYs, New
3,5-Diaryl-7-azaindoles Demonstrating Potent DYRK1A Kinase Inhibitory Activity. J. Med. Chem. 2013, 56, 9569–9585. DOI:
10.1021/jm401049v.
【3】Chaikuad,
A.; Diharce, J.; Schröder, M.; Foucourt, A.; Leblond, B.; Casagrande, A.-S.;
Désiré, L.; Bonnet, P.; Knapp, S.; Besson, T. An Unusual Binding Model of the
Methyl 9-Anilinothiazolo[5,4-f] quinazoline-2-carbimidates (EHT 1610 and EHT
5372) Confers High Selectivity for Dual-Specificity Tyrosine
Phosphorylation-Regulated Kinases. J.
Med. Chem. 2016, 59,
10315–10321. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.6b01083
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