必需的氮原子——神奇的氮对药物有很多好处

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前言

有时你读一篇文章,会因为它的结果令人难以置信而差点从座位上跳起来。GSK的关于RIP1激酶抑制剂的论文就是这样一篇文章。


受体相互作用蛋白 1(RIP1)在肿瘤坏死因子介导的炎症中起重要作用。GSK从700万个化合物的高通量筛选未能得到任何类似药物的命中物。令人欣慰的是,一个由77亿个化合物组成的三循环氨基酸核心DEL筛选提供了非常有效和选择性的命中物,GSK’4811;IC50=1.6nM) 

不同寻常的是,在未优化的筛选中,在大鼠体内表现出良好的口服全身性暴露。它是通过简单地使用两个通过酰胺键连接的结构单元来制备的。苯并恶氮杂的核心结构不是传统激酶空间所声称的独特且非典型的化学型。

在GSK广泛的构效关系研究中,发现替换GSK’481(1)的异恶唑环对调节该系列的活性和可开发性的总体影响最大。例如,咪唑类似物 显示出比 的生物活性低800倍。令人难以置信的是,的咪唑环中的芳族CH基团替换为N原子使得到的GSK2982772(3)具有良好的生物活性,大概是由于N原子与酰胺NH基团形成有利的分子内氢键并克服现有N原子与酰胺O原子的不利孤对排斥,从而将配体构象限制在与RIP1结合的有利构象中。

由于三唑环的偶极矩较大m=5.8D),三唑类似物 对>450多种脱靶激酶具有出色的选择性并且具有较高溶解度(230mg/mL)。三唑类似物 3 也具有良好的 PK特性(食蟹猴的口服生物利用度为85%)。新药RIP1激酶特异性抑制剂 GSK2982772(3)正在进行II期临床试验,用于治疗溃疡性银屑病等炎症性疾病。1

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Pennington和Moustakas于2017年发表了一篇具有里程碑意义的评论“必要的氮原子:用于多参数优化的多功能高影响设计元素”。2一旦利用适当,芳香族CH基团用N原子交换可以为小分子药物发现中多参数优化创造奇迹。必要的氮原子可以提高体外亲和力和活性、体外PK/ADME特征、体外安全性特征和体内药理学特征。它被认为是小分子药物设计中最优先的结构修改之一。
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芳香族CH基团→N原子交换可提高体外亲和力和活性

用吡啶环取代苯环可以提供一个额外的氮原子作为氢键受体,它可以与目标蛋白建立更多的连接(如除了在π-堆积中的微妙变化外还可以形成氢键)。最终产生更高的结合亲和力、更好的生化和细胞活性。


2.1 芳香族CH基团→N原子交换提高生化活性

在一个极端的例子中,安进公司用氮原子取代了吲哚 上的CH,得到氮杂吲哚 ,生化活性提高了300倍。吲哚 作为细胞分裂周期7(Cdc7)激酶抑制剂,在酶促测试中无效(IC50为2.7μM)。神奇的是,氮杂吲哚 5 细胞活性很差,但在酶促测试中非常有效(IC50为9.0nM)。在构象上,吲哚 倾向于大于150°的联芳基二面角,而氮杂吲哚 倾向于0°的联芳基二面角,这是一种与 ATP(激酶的内源性配体)的腺嘌呤部分非常相似的平面构象。3

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另一个展示芳香族CH基团→N原子交换的例子,就利用了吡啶可以提供N作为氢键受体的能力。安进的苯基连接磺酰胺 作为雷帕霉素(mTOR)和磷酸肌醇 3-激酶α(PI3Kα)抑制剂的双重哺乳动物靶标不是很有效。对 个鉴定出的吡啶基连接的磺酰胺 的苯基支架进行部分氮扫描,分别显示对mTOR和 PI3Kα的活性提高了140倍和30倍。的酶促活性提高可能是由于吡啶氮与酶亲和口袋中的Asp841和Tyr867残基之间形成了有利的氢键相互作用。4

非共价分子内氮→硫相互作用(NSI)5是药物设计中鲜为人知的秘密之一。芳香族CH基团→N原子交换也会对化合物的构象产生重大影响,从而影响其活性。


脊髓性肌萎缩症(SMA)的主要病因是存活运动神经元(SMN)蛋白水平低。诺华是发现小分子作为SMN2定向RNA剪接修饰剂治疗SMA的先驱。哒嗪 是诺华公司最初用表型高通量筛选出来的青苗。在构效关系研究中发现吡啶 完全失去了药效。但是氮→硫相互作用可能锁定了哒嗪 平面的构象,从而有助于提高 9 与RNA靶点的亲和力和SMN蛋白水平。6

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2.2 芳香族CH基团→N原子交换提高结合亲和力

破坏葡萄糖激酶-葡萄糖激酶调节蛋白(GK-GKRP)的复合物是治疗糖尿病的良好策略。从高通量筛选获得的二芳基甲基磺酰胺先导化合物开始,安进得到了苯基类似物 10 ,它与hGKRP的结合亲和力较差。但当将芳香族CH变为N时,使吡啶类似物 11 与hGKRP的结合亲和力提高了140倍。11 中氮原子的孤对电子和芳香族硫之间的稳定作用限制了二芳基的构象,并允许与hGKRP中的关键残基接触。7

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2.3 芳香族CH基团→N原子交换增强细胞活性

此外,芳香族CH基团→N原子交换已被证明可以提高细胞活性。

吲唑 12 是一种成纤维细胞生长因子受体FGFR)抑制剂(通过一种基于已知的FGFR 抑制剂骨架迁跃的方法鉴定出来)。在将CH变为N后,所得氮杂-吲唑 13 的酶促活性提高了11倍(从3.3nM到0.3 nM)。更值得注意的是,氮杂吲唑 13 用H1581细胞系进行活性检测时,活性提高了190倍。此外,氮杂吲唑 13 在FGFR驱动的 H1581异种移植模型中表现出显着的抗肿瘤活性。8


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通过芳香族CH基团→N原子的交换,有的反向激动剂会转化为拮抗剂、部分激动剂转化会为拮抗剂,拮抗剂会转化为部分激动剂的情况。2
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芳香族CH基团→N原子交换可以改善体外PK/ADME特性

芳香族CH基团→N原子交换除了影响体外结合、生化和细胞活性,还可以调节药物的体外PK/ADME(包括溶解度、渗透性、蛋白质结合等)特性。


氮原子在药物中如此普遍的原因之一是它的两亲性。胺的pKa值在6到8,因此在血液pH值为7.45时部分电离,在离子化和非离子化形式之间达到平衡,同时能很好地平衡水溶性和脂溶性的双重要求。它们可以以非离子形式穿过细胞膜,而离子形式具有良好的水溶性,并能与其目标结合位点进行良好的结合相互作用。药物设计的难题之一就是实现亲脂性的平衡。


3.1 芳香族CH基团→N原子交换提高溶解度

芳香族CH基团→N原子交换已被证明可以提高药物的水溶性。

安进的共价KRASG12C抑制剂吡啶基 15(索托拉西布)的水溶性部分归功于额外的氮。安进以Shokat的ARS-1620作为起点,得到了具有良好体外和体内活性的苯基类似物 14 。遗憾的是,尽管结果并不令人惊讶,但是这与我们早期研究中使用的无定形相比,14 的结晶多晶型的口服生物利用度显着降低(4−12%)。这是 14 水溶性低的直接结果。9


提高溶解度的一种策略是降低药物的亲脂性。另一种策略是增加药物的极性表面积。安进选择通过将额外的氮原子引入H95/Y96/Q99隐蔽口袋苯环来增加 14 的极性表面积。其中,吡啶基 15 在所有生物相关介质中水溶性显着增强,使口服生物利用度得到显著改善(IC50为结晶形式的22–40%)9

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吉利德的化学家为发现生物可利用的大环化合物作为源自血相素A的亲环蛋白抑制剂做出了巨大努力。构效关系研究过程中,他们发现分子内氢键也会对生物利用度产生巨大影响。异喹啉 16 没有内部氢键的潜力,在pH7.4时的log D为 2.0,细胞顶端到细胞底外侧的渗透性非常差,且高外排。 


不出所料,具有分子内氢键的喹啉 17 的log D值为3.2,比异喹啉 16 高1.2。出乎意料的是,喹啉 17 在水性介质中的溶解度为55μg/mL,比母体化合物 16 的溶解度高9倍。据推测,这种现象是由于大环的柔性或“变色龙效应”使其能够在更极性的环境中采用交替构象。10


3.2 芳香族CH基团→N原子交换提高渗透性


CP-533,536 (18) 是一种选择性非前列腺素EP2受体激动剂(EP2代表前列腺素E2)。芳香族CH基团→N原子交换合成了奥米帕格 (19) 其活性是 18 的15倍。然而,奥米帕格 (19) 的细胞膜通透性不足(用平行人工膜测定渗透性 (PAMPA)为0.9×10–6cm/s)。令人欣慰的是,异丙酯前药(奥米帕格异丙基 (OMDI, 20) )具有足够的细胞膜渗透性(渗透速率2.8×10–5cm/s)。在对眼压正常的猴子进行眼部给药显示出降低眼内压的功效后,异丙基奥米帕格 (20) 也因此成为治疗青光眼的临床候选药物。11

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通过芳香族CH基团→N原子交换改善渗透性的例子,可以在灵北公司的三环噻唑并吡唑衍生物作为代谢型谷氨酸受体 (mGluR4) 正变构调节剂(PAM)的工作中找到。苯基苯胺 21 在PAMP中表现出较弱的PAM活性和较差的渗透性。氮的引入使3-吡啶基苯胺 22 的渗透性增加了190倍以上,但活性降低。2-吡啶基苯胺的渗透性提高了30倍以上,活性提高了10倍,但动力学溶解度较低。最终,2-嘧啶基苯胺衍生物在活性、渗透性和溶解性之间取得了良好的平衡。这种情况是多一个氮原子好,多两个更好!12 


3.3 芳香族CH基团→N原子交换解决蛋白结合问题

芳香族CH基团→N原子交换已被用于解决蛋白结合(血浆蛋白质位移)问题。例如,烯烃 23 作为选择性雌激素受体降解剂(SERD)对降低稳态ERα水平具有极好的活性,但在稀释的小鼠血浆中高度蛋白结合(fu=0.30%)。芳族CH基团→N原子交换提供了几种吡啶基类似物,其中2-吡啶基 24 表现出低11倍的蛋白结合度(fu=3.2%)。显然,降低分子的亲脂性有助于减少蛋白结合。13

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芳香族CH基团→N原子交换可以提高体外安全性

芳香族CH基团→N原子交换也被用于解决代谢稳定性问题。此外,芳香族CH基团→N原子交换也已应用于改善体外安全性,包括CYP抑制(潜在 DDI)和hERG活性(潜在心脏毒性)。以下示例中芳香族CH基团→N原子交换降低了致突变性。


4.1 芳香族CH基团→N原子交换改善CYP450的问题

Agios制药的异柠檬酸脱氢酶-1 (IDH1) 抑制剂之一AGI-14100 (25) 很有希望作为候选药物,它在在基于酶和细胞的测定中具有良好的个位数nM效力以及所需的代谢稳定性。然而,在人孕烷X受体(hPXR)筛选中的评估表明AGI-14100 (25) 可能是CYP 3A4诱导剂。


AGI-14100 (25) 对hPXP的激活率约为利福平(一种已知的强CYP 3A4诱导剂)的70%。奇迹般地,用嵌入环中的N原子改变两个C–F键中一个,合成具有两个吡啶环的艾伏尼布 (26) ,达到了所需特性平衡:良好的酶和细胞活性、人肝微粒体(HLM)中的良好稳定性、降低hPXR激活、良好的渗透性和低流出率(Eh14

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4.2 芳香族CH基团→N原子交换改善致突变性的问题

具有萘支架的化合物 27 是一种Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1(KEAP1)/核因子(类红细胞衍生2)(NFR2)抑制剂。但其核心结构1,4-二氨基萘支架是一种致突变警示结构。事实上,在鼠伤寒沙门氏菌和大肠杆菌中进行的小型艾姆斯试验中证实,27 是阳性的,在这两种细菌菌株的组氨酸位点诱导反向突变。许多等排体已经准备好取代核心结构。喹啉类似物之一,具有1,4-异喹啉支架的化合物 28 经测试具有较低的致突变性,且不会影响活性、代谢稳定性或溶解性。15

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芳香族CH基团→N原子交换可以改善体内药理特性


芳香族CH基团→N原子交换之前的所有优势都可以转化为更好的体内药理学特征。


Jack Li(作者)和他在辉瑞的同事于2008年从高通量筛选命中开始,就开始了基质金属蛋白酶-13(MMP-13)特异性抑制剂计划。MMP-13是参与细胞外基质降解的锌和钙依赖性内肽酶大家族的成员。一项构效关系研究鉴定出喹唑啉酮 29 及其氮杂类似物氮杂喹唑啉酮 3030 旨在阻断CYP介导的C7代谢(该代谢已在 29 中被观察到)。在大鼠的药代动力学研究中,与 29 相比,30 显着提高了生物利用度,清除率和暴露量。16


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总结


如果应用得当,芳香族CH基团→N原子交换在药物发现中提供了许多优势,以改善:

● 体外亲和力和活性

 体外PK/ADME特性

 体外安全性

 体内药理学特性

 额外的N也可能产生新的知识产权。


参考文献

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标签: 药物发现

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