神奇的甲基——是,但并不总能奏效

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化学是神奇的,永远令人惊讶。结构的微小变化可能对其生理化学和药理学性质产生深远的影响。其中一个例子就是神奇的甲基,它作为氢的生物电子等排体,可以对化合物的药效、代谢和其他药理学性质产生奇迹功效。虽然化学家直觉能感受到神奇的甲基,但通常很难向我的生物学同事解释这一点,他们发现很难相信这样一个小的甲基取代基会对药物产生如此大的差异。从那以后,我整了一个标准答案。下面是对话的内容:
生物学家:我不明白为什么甲基会产生如此巨大的差异?

Jack:如果有选择,你会喝乙醇还是甲醇?

生物学家:当然是乙醇。

Jack:乙醇或甲醇有什么区别?

生物学家:甲基,但这是一个特例。

Jack:如果有选择,你会喝苯或甲苯吗?

生物学家:当然是甲苯,因为它在体内代谢成苯甲酸。

Jack:苯或甲苯有什么区别?

生物学家:现在我知道了!在这两种情况下,甲基会导致生死之別!


在药物设计中,甲基化可以提高效力,改善选择性,调节代谢,影响溶解度并减轻毒性。

01
甲基提高药效


到目前为止,已经充分证明了甲基对药物效力的深远影响。1虽然“神奇甲基”并不是每次都能产生神奇,但它已经取得了足够的成功,足以证实适用时考虑使用甲基作为氢的电子等排体。

GSK的联苯酰胺1是一种具有中等效力的p38aMAP激酶抑制剂。用甲基交换1上的邻位氢,得到联苯酰胺2,效力提高208倍。计算2中二芳基键的二面角为50°,而在2上加上邻位甲基将该二面角扭曲至65°。

计算结果表明,由邻甲基引起的扭转扭曲导致低能构象,其更接近于在蛋白质-抑制剂复合物的X射线晶体结构中观察到的构象异构体。蛋白质-配体复合物的分析揭示了结合配体中的显著扭转扭曲,其中观察到85°的二芳基二面角。甲基化物质更接近地模拟蛋白质结合结构(C-Me,65° vs. C-H,50°),因而导致观察到的显著结合和效力提高。2


神奇的甲基——是,但并不总能奏效   第1张


除了sp2碳上的甲基化之外,在sp3碳上加甲基还可能不时对药效产生深远影响。用双甲基化类似物4观察到复合效应,其中与作为鞘氨醇-1-磷酸受体1(S1P1)抑制剂的母药3相比,每个新加的甲基导致效力惊人地增加1067倍。3

上述两个例子是例外,而不是甲基电子等排体的规则。事实上,Jorgensen的团队使用甲基作为氢电子等排体分析了2100份样品的结果。降低亲和力的可能性与增加亲和力的可能性一样(~50:50)4
02
甲基改善选择性


甲基作为氢的电子等排体已被用于改善选择性。在诺华公司的Zimmermann等人发现第一个受体酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼(格列卫)之前,他们合成了苯基氨基嘧啶5。

虽然在酶法测定中是一种强效的v-Abl激酶抑制剂,但对c-Src、PKCa和PKCd没有选择性。加上“标志甲基”得到苯基氨基嘧啶6。甲基电子等排体消除了对c-Src、PKCa和PKCd的活性,并赋予6显著的选择性。5


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沙芬酰胺(8)最初是作为钠通道抑制剂被发现的。6a后来发现它对抑制大鼠脑中的单胺氧化酶-B(MAO-B)具有高选择性,IC50值为98 nM。与原型7相比,单个甲基引起MAO-B效力差异超过20倍,对MAO-A的选择性差异近1000倍。6b2015年,欧洲药品管理局批准沙芬酰胺(8)用于治疗中晚期波动性帕金森病患者。
03
甲基调节代谢


甲基更容易被肝脏中的细胞色素P450酶氧化代谢。

有的药需要加速代谢。虽然氯苯基衍生物S236(9)是个不错的环氧合酶-2(COX-2)抑制剂,但它在大鼠中的半衰期长(117 h)。药物停留在体内太长时间可能会导致安全问题。简单地将氯原子转换成甲基,得到塞来昔布(西乐葆,10),其具有更合理的半衰期,在大鼠中3.5 h和在人中12 h。7


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当甲基的代谢有害时,将甲基转换为氯或氟可以延缓药物代谢。

OPC-4392(11)是Otsuka发现的一种D2拮抗剂。它的有效性低,ED50为41 mmol/kg,po(口服)。仔细检查其代谢,发现两个甲基容易发生羟基化,二醇进一步氧化成相应的无活性羧酸。

将两个甲基转换为两个氯原子,得到OPC-14597(12),对代谢更具抗性。得到的化合物12(阿立哌唑,安律凡)更有效,ED50为0.6 mmol/kg,p.o.。2002年被FDA批准为一种有效且独特的抗精神病药物。8 
04
甲基影响溶解度


在正常情况下,用甲基取代氢会使化合物具有亲脂性,从而降低其水溶性。然而,在某些特定情况下,甲基化可以对水溶性产生有利影响,特别是当甲基能够使分子更致密和/或降低晶格能量时。9 

阿斯利康的甲基化细胞周期蛋白依赖性激酶-2(CDK2)抑制剂14的溶解度比氢原型13高230倍。据推测,14的溶解度改善是由于邻甲基和二甲基酰胺之间的空间冲突,对固态包被产生不利影响。同时,甲基化类似物14也具有较低的心脏毒性潜力,因为它对hERG结合的亲和力低于原型13。10 


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阿斯利康的甲基-D-天冬氨酸(NMDA)甘氨酸位点拮抗剂15是一种物理性质差的先导化合物,如溶解度(0.05 mg/mL)、细胞渗透性和口服生物利用度。其甲基化类似物16的溶解度提高了近6倍(>0.29 mg/mL)

同时,化合物16也显示细胞渗透性和口服生物利用度的显著改善。在苄基位置加上甲基最有可能通过扭曲分子平面性来改善其物理性质,从而破坏晶体堆积并降低晶格能量。11
05
甲基减轻毒性


如前所述,甚至我的生物学家朋友也知道甲苯的毒性低于苯。这是因为人类肝脏可以使用细胞色素P450酶将甲苯氧化成无害的苯甲酸,苯甲酸是一种用作食品防腐的成分。


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PTC的小分子,SMN2定向RNA剪接修饰剂,吡啶并嘧啶-4-酮17在RNA和蛋白质测定中均被检测为活性,但在Ames试验中仍然被检测为阳性。结构-毒理学关系(STR)强烈表明Ames试验的结果取决于右手侧片段。

奇迹般地,仅具有额外甲基取代的吡啶并嘧啶-4-酮18在Ames试验中被检测为阴性,而相应的氢原型17被检测为阳性。最终,该系列导致发现risdiplam(Evrysdi)用于治疗脊髓性肌萎缩症。12 

甲基降低毒性的另一种方式是增加Michael受体的空间位阻,如奎宁衍生物的体内代谢活化。

06
为什么甲基是神奇的?


单独的疏水性并不能解释为什么甲基是神奇的。与氢原型相比,甲基显示的去溶剂化作用可导致结合亲和力增加3-10倍。

不能认为加上甲基总是会导致效力增加。活性位点必须有空间容纳甲基。事实上,对来自药物化学文献的2100多个最近实例的统计分析表明,加上甲基降低亲和力的可能性与增加亲和力的可能性一样!13 

文献中提出了几种理论来解释这种神奇。它们包括有利的去溶剂化能量学、代谢稳定性变化(降低和增加)、定制的疏水相互作用和诱导的构象效应。就我个人而言,诱导的构象效应对我来说更有意义,可以解释甲基罕见的“神奇”效应。

例如,非甾体盐皮质激素受体(MR)激动剂19是辉瑞公司的先导化合物。

在吗啉的alpha-氧位上加上顺式甲基导致化合物20的效力增加45倍。计算和单晶X射线衍射实验表明,苯基顺式甲基的存在将芳烃锁定在轴向位置(> 5 kcal mol)。这种构象被认为会导致苯基和甲基埋藏在活性位点内的疏水口袋中,导致观察到的效力增强。14 


神奇的甲基——是,但并不总能奏效   第6张



在发现用于治疗失眠的创新食欲素受体拮抗剂suvorexant(Belsomra)的过程中,默克科学家观察到了一种有趣的神奇甲基效应。

哌啶衍生物21的甲基化产生化合物22,效力提高480倍。也被认为是由于诱导了深刻的构象变化,导致了更接近结合构象的低能构象异构体。对22的NMR研究证实,该分子以酰胺扭曲的形式存在于U形双轴构象中,以使甲基和紧密结合在一起的两个芳基部分之间的1,3-双轴相互作用最小化,可能是由于pi-堆叠。在22(未结合)的X射线晶体结构中也观察到双轴排列。15
07
总结


并非所有的甲基都是神奇的。加上甲基降低亲和力的可能性与增加亲和力的可能性一样。

● 如果操作得当,甲基化可以提高效力、改善选择性、调节代谢、影响溶解度并减轻毒性。

● 神奇甲基背后的原因很可能是由于甲基诱导的构象效应。16




参考文献

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标签: 药物设计

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