新型三环和稠合杂环CRBN配体

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近几年,PROTACs研究非常火热,国内外药企纷纷加入布局,近期,PROTACs先驱Arvinas宣布完成金额达3.5亿美元的私募融资,进一步说明投资者对PROTACs的看好。


全球已有20多款PROTACs进入临床,通过分析发现,大部分口服PROTACs都是基于CRBN配体,CRBN配体也是最常用的E3连接酶配体之一。


最早的CRBN配体即沙利度胺及其类似物等有容易引起脱靶等问题,为了提高基于CRBN配体的PROTACs的选择性及改善成药性,人们对CRBN配体不断进行优化,开发了各种各样新颖的CRBN配体。


近期,王少萌团队以及BMS公司团队分别在JMC杂志上发表了新型三环和稠合杂环CRBN配体,基于这些新配体设计的PROTACs也能很好的降解蛋白,为人们设计PROTACs提供更多的选择。






PROTACs的临床研究靶点及设计策略


PROTACs始于2001年一个突破性的概念验证,证明蛋白降解可以通过一个含有目标蛋白 (POI) 配体和E3-泛素连接酶配体的分子来启动。自此,第一个 PROTAC 诞生了,为通过化学方法以实现特定蛋白敲低打开了大门。

2019年,首个用于治疗前列腺癌的PROTAC药物ARV-110进入临床试验,标志着一个重要的里程碑,截止目前,全球已有20多款PROTACs进入临床1

在这20 种临床PROTACs中,大多数公司在最初的研究中主要将目光投向了已经有药物上市的靶标,有 13个临床实验主要是针对这4种靶标:(1)雄激素受体 (AR)、(2)BRAF-V600X、(3) 布鲁顿酪氨酸激酶(BTK)和(4)雌激素受体(ER)。这种策略具有坚实的现实基础,从批准的药物中获得可靠信息。

除了13项临床试验是基于已有药物批准的靶点外,其余7项临床试验是目前有小分子正在进行临床试验但尚未获得批准的靶点。集中于这4个靶点包括(1) Interleukin-1受体相关激酶4(IRAK4)、(2)含溴结构域蛋白4(BRD4)、(3)含溴结构域蛋白9(BRD9) 和(4)信号转导和转录激活剂因子3(STAT3)

对批准靶标和未批准的靶点的追求凸显了出色的综合战略。通过建立在已批准药物的知识基础上,同时冒险进入未知的领域。目前 PROTAC 的临床历程已经证明了这条道路。

PROTACs是由目标蛋白(POI)的配体、E3泛素连接酶的配体以及连接这两部分的Linker三个部分组成,PROTACs设计很复杂,但成功进入临床的PROTACs具有共同的关键设计原则:

1口服药物通常依赖于CRBN的降解剂,而基于VHL的则适合静脉给药。
2PROTAC的弹头主要是针对已知的目标蛋白结合位点,是已经报道的结合配体或其结构衍生物。
3、Linker非常重要饱和杂环和具有特定的刚性结构的Linker有助于口服药物的开发



临床在研PROTACs的新型CRBN配体


在人类基因组中约有600个E3连接酶,CRBN仍然是PROTACs药物开发中利用最多的。这可能是由于:(a) 它广泛表达于人体组织,(b) 明确的作用机制,(c) 清楚地证明了临床疗效,以及 (d) 低分子量,具有较好的类药性质。

沙利度胺、来那度胺和泊马度胺这三种传统的CRBN配体已被证明,不仅可以用作疾病的治疗,也可作为E3连接酶用于降解剂的设计中,包括正在进行临床研究的化合物,例如 ARV-471,ARV-110 和NX-2127。

除此之外,越来越多的新型CRBN配体被发现,而且这些新型CRBN配体已经被用于降解剂的设计上,其中化合物NX-5948,KT-474,CFT8634和 ARV-766采用新型CRBN配体(图1),已经用于临床研究。

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第1张

图1. 采用新型CRBN配体的临床在研化合物



王少萌团队:新型三环CRBN配体


调节 CRBN配体的化学结构是优化蛋白质降解的关键步骤。小的结构变化会对整体性质产生深远影响,包括靶标蛋白降解活性、neo-substrate降解选择性以及其他类药性质,因此仍然有很多人在继续改造和探索新型CRBN配体。

近期王少萌教授在J med chem上报道了2篇高活性的ER和AR降解剂介绍了他们的三环CRBN配体2, 3

他们通过分析沙利度胺与CRBN的共晶结构,结果表明引入额外的并环到沙利度胺的苯基上,不会与CRBN蛋白产生任何空间冲突,所以他们试图引入可质子化的碱性氮原子进入新设计的CRBN配体中

基于此,他们通过环化苯环的 C5 和 C6 位形成三环结构得到新型CRBN配体27、28、29(图2)。他们评估了这三种新的配体以及ARD-2585和ARV-110 的CRBN配体对CRBN的亲和力。

结果表明化合物 27的 Ki = 1.4 μM,含有6元或7元环的化合物28和29的Ki 分别为 6.0 和 7.3 μM,表明含有五元环的化合物27结合活性最强。在相同的结合测定中,沙利度胺、25 和 26 分别的 Ki = 1.8、0.5 和 4.9 μM,表明化合物27可以有与沙利度胺相当的结合能力。

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第2张

图2. CRBN配体


在另外一篇文献中,王少萌教授测试了化合物9(也就是前面的化合物27)的DMPK特性,结果表明化合物9具有较好的成药性,例如高透膜性、低血浆蛋白结合率和在大鼠体内良好的药代动力学(PK)性质,生物利用度为70%(图3)
 

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第3张

图3. 代表性三环CRBN配体DMPK性质


接着他们将这个三环CRBN配体分别用于ER和AR降解剂的设计上分别得到了最优化合物ERD-3111(图4)和ARD-1676(图5)

ERD-3111 对 ERα 表现出高效的体外降解活性,DC50为0.5 nM,Dmax为91%。并在小鼠、大鼠和狗的口服生物利用度,分别为42%,20%,66%。口服ERD-3111可有效降低肿瘤组织中的野生型和突变型的ERα 蛋白水平。ERD-3111 在MCF-7 肿瘤模型和两种临床相关的ESR1突变小鼠模型都实现肿瘤消退或完全抑制肿瘤生长(图4)
 

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第4张

图4. ERD-3111的结构与活性


ARD-1676是一个非常强效的AR降解剂,在AR+ VCaP细胞中的 DC50为0.1 nM,IC50为11.5 nM,在LNCaP 细胞中DC50为1.1 nM,IC50为2.8 nM。ARD-1676可以有效诱导一系列临床相关AR的突变体降解。

ARD-1676 的口服生物利用度在小鼠、大鼠、狗和猴子中分别为为 67、44、31 和99%。口服给药ARD-1676 可有效降低小鼠VCaP肿瘤组织中AR水平的蛋白,并抑制小鼠VCaP肿瘤模型中的肿瘤生长,而且没有任何毒性(图5)
 

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第5张

图5. ARD-1676的结构与活性


因此王少萌教授发现了一个优化的CRBN 配体具有良好的结合亲和力,重要的是具有良好的吸收、分布、代谢和排泄(ADME)性质,可以实现卓越的口服生物利用度。



BMS公司:新型CRBN配体


近期,BMS公司也在J Med Chem上报道了他们的新型CRBN配体4

他们首先设计了化合物7-9这些化合物可以被设想为在沙利度胺、来那度胺的基础上删除异吲哚酮或邻苯二甲酰亚胺核心5元环的亚甲基或羰基。这些化合物显示相对于沙利度胺、来那度胺都降低活性,其中化合物9活性最强。

接下来他们切除羰基,直接制备 N-芳基戊二酰亚胺得到类似物10-12。这些类似物保留了中等的CRBN结合亲和力,但仍不如沙利度胺、来那度胺。苯环与戊二酰亚胺连接的氮原子可以被氧取代,活性相当(10 vs 13)(图6)

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第6张

图6. 化合物7-15结构及活性


接着他们探索了氮原子与苯环形成稠合杂环对活性的影响,得到了化合物16-21。相对于化合物10-12,这些融合了的杂环化合物可以提高CRBN结合亲和力。化合物21 对CRBN 结合IC50为340 nM,是该组中最有效的类似物,并表现出与泊马度胺相当的结合亲和力(图7)

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第7张

图7. 化合物16-21结构及活性


鉴于与 5,6-稠合杂环的高亲和力,特别是吲唑类化合物21,他们探索了用碳连接苯并杂环和戊二酰亚胺得到化合物22-29

化合物 22,23和24是最有效的非传统CRBN配体,对 CRBN 的结合亲和力在100 nM左右。直接芳基相连的类似物 25−29具有1-2摩尔左右的结合亲和力,也与来那度胺相当(图8)

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第8张

图8. 化合物22-29结构及活性


接着他们用二氢尿嘧啶 (DHU) 替代戊二酰亚胺设计了一系列化合物,DHU类似物30−32比相应的戊二酰亚胺(22−24)结合弱20-60倍左右。而用直接芳基连接 DHU得到的化合物(33−35) 也比戊二酰亚胺类似物 (25−27)活性弱5-20倍(图9)

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第9张

图9. 化合物30-36结构及活性


除苯并咪唑类似物 16、18和 19对Aiolos有轻度降解外,其它的新型CRBN配体对Aiolos或GSPT1都不降解。

接下来他们将发现的新型CRBN配体用于AR降解剂的设计上,如图10所示,大部分化合物都可以有效地降解AR。
 

新型三环和稠合杂环CRBN配体  第10张

图10. 基于新型CRBN配体的AR降解剂



— 小结 
  
PROTAC中配体的性质对它的成药性影响很大,CRBN配体仍然是最常用的E3连接酶配体,新型CRBN配体层出不穷,本文主要介绍了王少萌团队以及BMS公司团队分别在JMC杂志上发表的新型CRBN配体结构及活性,以及基于这些新型CRBN配体的降解剂,相信以后会有更多新型CRBN配体被报道。

参考文献:

1. O’Brien Laramy, M. N.;  Luthra, S.;  Brown, M. F.; Bartlett, D. W., Delivering on the promise of protein degraders. Nature Reviews Drug Discovery 2023, 22 (5), 410-427.

2. Xiang, W.;  Zhao, L.;  Han, X.;  Xu, T.;  Kregel, S.;  Wang, M.;  Miao, B.;  Qin, C.;  Wang, M.;  McEachern, D.;  Lu, J.;  Bai, L.;  Yang, C.-Y.;  Kirchhoff, P. D.;  Takyi-Williams, J.;  Wang, L.;  Wen, B.;  Sun, D.;  Ator, M.;  McKean, R.;  Chinnaiyan, A. M.; Wang, S., Discovery of ARD-1676 as a Highly Potent and Orally Efficacious AR PROTAC Degrader with a Broad Activity against AR Mutants for the Treatment of AR + Human Prostate Cancer. Journal of Medicinal Chemistry 2023, 66 (18), 13280-13303.

3. Chen, Z.;  Hu, B.;  Rej, R. K.;  Wu, D.;  Acharyya, R. K.;  Wang, M.;  Xu, T.;  Lu, J.;  Metwally, H.;  Wang, Y.;  McEachern, D.;  Bai, L.;  Gersch, C. L.;  Wang, M.;  Zhang, W.;  Li, Q.;  Wen, B.;  Sun, D.;  Rae, J. M.; Wang, S., Discovery of ERD-3111 as a Potent and Orally Efficacious Estrogen Receptor PROTAC Degrader with Strong Antitumor Activity. Journal of Medicinal Chemistry 2023, 66 (17), 12559-12585.

4. Norris, S.;  Ba, X.;  Rhodes, J.;  Huang, D.;  Khambatta, G.;  Buenviaje, J.;  Nayak, S.;  Meiring, J.;  Reiss, S.;  Xu, S.;  Shi, L.;  Whitefield, B.;  Alexander, M.;  Horn, E. J.;  Correa, M.;  Tehrani, L.;  Hansen, J. D.;  Papa, P.; Mortensen, D. S., Design and Synthesis of Novel Cereblon Binders for Use in Targeted Protein Degradation. Journal of Medicinal Chemistry 2023.

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