药物发现中的”魔法氯效应”

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氯是小分子药物中除了碳、氢、氮和氧之外最常见的原子之一。它常作为药物化学中常用的一种小取代基,可作为许多不同官能团的生物电子等排体,其可以作为卤素用来取代F、Br或I,还可以作为一价取代基取代-OH、-SH、-CF3和-CN等基团。目前有超过250种FDA批准的药物中含有氯原子(比氟原子更普遍),但氯取代基的有益作用尚未被研究。有时看似简单的用氯原子取代氢原子可以显著提高活性达10万倍,并可能对药代动力学参数产生深远影响,包括清除率、半衰期和体内药物暴露量。这些偶然发现的活性改善500倍或1000倍的案例让人感到“神奇”, 解释这种“魔法氯效应”现象有利于加速药物发现周期。在这篇综述中,Vividion Therapeutics公司的研究人员基于2010-2022年间发表的主流期刊中近5万篇文献的数据分析,详细论述了氯取代基对药物分子活性以及药代动力学性质的影响,进一步对氯原子带来这些影响的内在原因进行了分析总结,并对药物发现中的氯取代策略给出了建议。该综述论文近日发表在美国化学会出版的药物化学核心期刊Journal of Medicinal Chemistry期刊上(J. Med. Chem. 2023, 66, 8, 5305-5331)【1】。
研究人员手动筛选了2010年至2022年间约12.5年的大约5万篇文章的数据。在这些文章中,当用氯取代氢时,有超过600篇文章显示至少10倍的活性提高,而有超过100篇文章显示活性提高超过100倍,更有20篇文章中活性提高超过1000倍(见图1)。从分子的亲脂性角度分析,当氯替代氢时,分子的亲脂性增加。数据表明,由氯取代氢引起的ΔlogD的变化在0.60-0.70之间,本研究将ΔlogD∼1.0视为变化的上限。如果亲脂性是影响生物靶标效力的唯一驱动因素,那么期望效价改善的对数也应该是∼1.0,相当于10倍的活性差异。然而,在某些情况下,通过将单个氢原子替换为氯原子实现的>1000倍效应,缺乏明确的物理化学解释,被称为“Magic Chloro效应”(“魔法氯效应”)。

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图1:当目标分子经历1~2次由H 到 Cl 取代后,生物活性得到提高的情况统计(2010-2022年间文献报道)
在一项抗疟化合物的研究中,研究人员发现了一个罕见的间位氯取代的"魔法氯效应"。在这个特例中,氯原子的引入使药效提高了超过15000倍(图2)。通过比较取代基R=Cl(17B)与F(17C)、甲基(17D)和Br(17E)的活性,研究人员发现在这一特定分子骨架中,“魔法甲基效应”和“魔法氯效应”同样显著。这表明支持氯取代基发挥作用的主要因素是位置合适的亲脂性提高以及在该位置上耐受良好的取代基的特定范德华半径。此外,在某些蛋白质-配体相互作用中,引入两个氯原子可能更加重要。例如,在优化成纤维细胞生长因子受体1(FGFR1)激酶抑制剂时,研究者发现双氯化合物26B的抑制活性是母体分子26A的12,363倍(图2)。在这个例子中,两个邻位氯原子有助于苯环和吡唑并吡啶母核垂直的构象,同时与酶产生有利的疏水相互作用,从而解释了对活性的显著影响。在天然产物的优化过程中,偶尔将卤素原子,特别是氯原子引入是有益的。在一项双氢青蒿素类似物的研究中(图2),34A对人结直肠腺癌细胞系HT-29表现出强烈的抗癌活性,而引入氯原子的化合物34B对HT-29的效力是34A的1093倍,这种效应可能主要由亲脂性提高所决定。此外,研究人员还注意到氯取代对药代动力学参数,如半衰期和清除率等,会产生显著影响。

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图2:“魔法氯效应”的三个案例
接着,研究人员分析了魔法氯效应背后的原理。氯取代基的引入具有以下的作用:(1)改变化合物中苯环和杂芳烃的偶极矩; (2)氯原子可以使(杂)芳香酸(或共轭酸)更具酸性,降低pKa;(3)氯可以使苯环的中心具有较少的负静电势;(4)氯取代基的范德华半径大于氟和甲基,因此可以引入空间相互作用从而影响构象;(5)氯的亲脂性也有利于通过范德华相互作用改善支架与目标蛋白质的结合;(6)氯原子最独特的特征是它可以参与卤键,这使它与氟和甲基区分开来。这些分析可能会有助于解开部分“魔法氯效应”的神秘面纱,但仍然有许多例子表明氯的已知性质不能解释氢到氯的变化会导致的意外的活性悬崖,此外,许多其他因素可能会进一步影响或促成观察到的“魔法氯效应”,如化合物在测定介质中的溶解度和聚集现象以及在表型测定中透膜性表现。研究人员认为结合基于靶标的效力测量与这些化合物的 ADME 评估,将更好地了解氯取代的真正效果。
表1: 氢、氟、氯和甲基取代基的性质比较
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小结
在此研究中,研究人员介绍了神奇的“魔法氯效应”并分析了其中的原理,包括偶极效应增加、杂芳香族体系的pKa降低、使苯环的电子密度降低、改变支架的构象、增强亲脂性或通过卤素键与靶蛋白结合等因素。“魔法氯效应”提示着氯取代基的益处可能很大,在优化药物分子结构时采用氯原子扫描(chlorine scanning)是一种有价值的思路。
参考文献
1Chiodi, D.; Ishihara, Y. “Magic Chloro”: Profound Effects of the Chlorine Atom in Drug Discovery. J. Med. Chem 2023, 66 (8), 5305-5331. 

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