1502 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica2016,51(9):1502-1504 新药发现与研究实例简析 新药创制是复杂的智力活动,涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效罘等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹,而构建化学结构是最重要的环节,因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角,对有代表性的药物的成功构建,加以剖析和解读 抗阿尔茨海默病药物多奈哌齐是通过经典药物化学方法,由普筛发现苗头仳合物,经结构变換实现了苗头 向先导化合物的过渡,先导物的优化是用分段逐步完成的,前后合成了700多个目标物,综合优选出的多奈哌齐 临床证明是有效的抗老年痴呆药物。后续研究的多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶晶体结构表明,概念验证的目标化合 物,其微观结构的各个因素都得到了与酶分子结合的印证。 (编者按) DO:10.16438/0513-4870.2015-0046 实现概念验证的多奈哌齐的研制 郭宗儒 (中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所,北京100050) 1研究背景 阿尔茨海默病的发生是由于大脑皮层缺失了胆 碱乙酰转移酶(ChAT,不能或降低了由胆碱合成乙 酰胆碱的能力,皮层的胆碱能传导功能降低,造成记 忆障碍和痴呆。所以,提高神经元的胆碱能活性是治 疗痴呆患者的一个切入点。此外,胆碱酯酶(AChE) 抑制剂也是治疗阿尔茨海默病的重要手段。多奈哌 齐的研制就是从寻找新结构类型的胆碱酯酶抑制剂 合物4的ICs0=0.56molL,活性的下降提示硝基 入手的。 可能提供了与酶结合的因素。而若将酰胺的NH换成 2苗头化合物及其向先导物的过渡 CH2,化合物5的活性与4相当,ICso=0.53molL 21随机筛选得到苗头化合物:连接基-O(CH2)-N- 这为以后消除氮原子提供了依据。另外,若将4中N 的变换日本卫材公司为了研发与他克林结构不同 原子甲基化,化合物6的活性提高2倍,ICs0=0.17 molL,可认为N甲基化产物6不仅消除了氢键 的新型胆碱酯酶抑制剂,用随机筛选方法,发现公司 内部为研制抗动脉硬化药物而合成的化合物1对胆 供体,而且由于甲基的阻转异构,改变了分子的走向 构象)。在6的苯甲酰对位引入苯甲磺酰基(模拟3 碱酯酶有弱抑制作用,对AChE的活性ICso=12.6 umol.L-。以1作为苗头化合物,对结构逐步修饰,例 的硝基,并提高脂溶性),化合物7的活性有显著提升, IC=06 nmol-L-,活性提高了280倍( Sugimoto h, 如将哌嗪环变换为哌啶,化合物2降低了分子的极 Tsuchiya Y, Sugumi H, et al. Novel piperidine deriva 性,活性提高了36倍,C=034umo进而将烷tive. Synthesis and anti-acetylcholinesterase activit 氧链的-O-CH 成酰胺片段CONH-,化合物3ofl- benzyl-4-[2-(N- benzoylamino) ethyl] piperidine 的IC0=0.055μmolL,活性提高了5倍,提示虽然 derivatives. J Med chem,1990,33:1880-188 化合物3的极性强于2但降低了分子的柔性,可能有2.3由内酰胺环演化为二氢茚酮母核——先导物的 利于与酶的结合。 确定将化合物6的NCH3与旁侧的苯基形成脂环, 22变换构象和硝基的替换去除3中的硝基,化得到内酰胺化合物8,其抗乙酰胆碱酯酶活性略有提
· 1502 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (9): 1502 −1504 ·新药发现与研究实例简析· 新药创制是复杂的智力活动, 涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效果等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹, 而构建化学结构是最重要的环节, 因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角, 对有代表性的药物的成功构建, 加以剖析和解读。 抗阿尔茨海默病药物多奈哌齐是通过经典药物化学方法, 由普筛发现苗头化合物, 经结构变换实现了苗头 向先导化合物的过渡, 先导物的优化是用分段逐步完成的, 前后合成了 700 多个目标物, 综合优选出的多奈哌齐 临床证明是有效的抗老年痴呆药物。后续研究的多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶晶体结构表明, 概念验证的目标化合 物, 其微观结构的各个因素都得到了与酶分子结合的印证。 (编者按) DOI: 10.16438/j.0513-4870.2015-0046 实现概念验证的多奈哌齐的研制 郭宗儒 (中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 北京 100050) 1 研究背景 阿尔茨海默病的发生是由于大脑皮层缺失了胆 碱乙酰转移酶 (ChAT), 不能或降低了由胆碱合成乙 酰胆碱的能力, 皮层的胆碱能传导功能降低, 造成记 忆障碍和痴呆。所以, 提高神经元的胆碱能活性是治 疗痴呆患者的一个切入点。此外, 胆碱酯酶 (AChE) 抑制剂也是治疗阿尔茨海默病的重要手段。多奈哌 齐的研制就是从寻找新结构类型的胆碱酯酶抑制剂 入手的。 2 苗头化合物及其向先导物的过渡 2.1 随机筛选得到苗头化合物: 连接基-O(CH2)3-N- 的变换 日本卫材公司为了研发与他克林结构不同 的新型胆碱酯酶抑制剂, 用随机筛选方法, 发现公司 内部为研制抗动脉硬化药物而合成的化合物 1 对胆 碱酯酶有弱抑制作用, 对 AChE 的活性 IC50 = 12.6 μmol·L −1。以 1 作为苗头化合物, 对结构逐步修饰, 例 如将哌嗪环变换为哌啶, 化合物 2 降低了分子的极 性, 活性提高了 36 倍, IC50=0.34 μmol·L −1。进而将烷 氧链的 -O-CH2-变换成酰胺片段 -CO-NH-, 化合物 3 的 IC50 = 0.055 μmol·L −1 , 活性提高了 5 倍, 提示虽然 化合物 3 的极性强于 2 但降低了分子的柔性, 可能有 利于与酶的结合。 2.2 变换构象和硝基的替换 去除 3 中的硝基, 化 合物 4 的 IC50 = 0.56 μmol·L −1 , 活性的下降提示硝基 可能提供了与酶结合的因素。而若将酰胺的 NH 换成 CH2, 化合物 5 的活性与 4 相当, IC50=0.53 μmol·L −1 , 这为以后消除氮原子提供了依据。另外, 若将 4 中 N 原子甲基化, 化合物 6 的活性提高 2 倍, IC50 = 0.17 μmol·L −1 , 可认为 N-甲基化产物 6 不仅消除了氢键 供体, 而且由于甲基的阻转异构, 改变了分子的走向 (构象)。在 6 的苯甲酰对位引入苯甲磺酰基 (模拟 3 的硝基, 并提高脂溶性), 化合物 7 的活性有显著提升, IC50=0.6 nmol·L −1 , 活性提高了 280 倍 (Sugimoto H, Tsuchiya Y, Sugumi H, et al. Novel piperidine derivatives. Synthesis and anti-acetylcholinesterase activity of 1-benzyl-4-[2-(N-benzoylamino) ethyl] piperidine derivatives. J Med Chem, 1990, 33: 1880−1887)。 2.3 由内酰胺环演化为二氢茚酮母核——先导物的 确定 将化合物 6 的 N-CH3 与旁侧的苯基形成脂环, 得到内酰胺化合物 8, 其抗乙酰胆碱酯酶活性略有提
郭宗儒:实现概念验证的多奈哌齐的研制 1503 3.2片段2:亚甲基的变换将活化14的片段2 (-CH2-)用单键替换,或用不饱和的=CH、CH=替换, 抑制活性都有不同程度的下降;用二亚甲基、三亚甲 基、四亚甲基或五亚甲基置换,其中三亚甲基化合物 的ICs0=1.5 nmol- L-,强于14,而其余的活性都弱于 14,有趣的是亚甲基链为奇数的化合物比相邻的偶 数链化合物的活性高 高,ICs0=98 moll-,将8中的酰胺氮原子换成CH, 即内酰胺环变成二氢茚酮母核,化合物9的IC50=230 moi L-(消旋物),活性稍有降低。将9中连接茚酮 与哌啶的亚乙基缩短为亚甲基,化合物10的IC50= 150 moll(消旋物)可以看出,将柔性的开链骨架 演化成具有刚性的二氢茚酮为母核的骨架,活性没 有显著的改变。从而将化合物10确定为先导化合物 进行系统的结构优化。 3.3片段3:哌啶环的变换将化合物14的片段3 哌啶环的连接方式变换180°,化合物15的活性降低 80多倍,IC50=480 nmol.L,提示连接方式的重要 性。用哌嗪环替换的化合物16,活性仍不及14,ICso 94 nmol-L,说明化合物14的片段3环的配置和连 接方式已是优化状态 HC 3先导化合物的优化 前述的 hit-to-lead是分散的非系统性的变换,与 先导物的系统优化是不同的。下述的优化过程是将化 合物10分成4个片段(图1),进行逐段优化。 3.4片段4:苄基的变换化合物14苄基的苯环上 片段1片段2片段3片段4 作不同位置的甲基或硝基取代,发现间位取代的化 图1先导物分成4个片段进行逐段优化 合物17和18的活性略强于14,IC30分别为20和 40 moll-,而其他位置的取代均低于14,说明间 3.1片段1:苯并环酮的优化和苯环上的修饰化 位取代有利于同酶的结合。用环己甲基、苯乙基或 合物10的二氢茚酮扩环成四氢禁酮和苯并环庚酮2-萘甲基替换苄基,所得的化合物活性都降低 12,评价它们对AChE的抑制活性,表明1(Cx分别是( Sugimoto H, Iimura Y, Yamanishi Y,eta.! ynthesi 130、2100和15000m,提示扩环对活性有不 and structure-activity relationships of acetylcholinesterase 利影响,所以仍以10为基础骨架进行优化 nhibitors: 1-benzyl-4-[(5, 6-dimethoxy-I-oxoindan-2-yl) 在化合物10的并苯环的4、5、6和7位置上分 methyl ]piperidine hydrochloride and related compounds 别用甲氧基作单取代或双取代,报道了9个化合物,对 J Med chem,1995,38:4821-4829) AChE的抑制活性都强于无取代的10,ICs0值5.7 4候选化合物的选择:多奈哌齐 85 nmol-L。其中化合物13和14活性最高,ICs值 通过上述的诸片段的依次优化,综合构效关系, 分别为64和5.7 nmol.L。 仍显示化合物14为优秀的化合物,进一步评价14的
郭宗儒: 实现概念验证的多奈哌齐的研制 · 1503 · 高, IC50=98 nmol·L −1 , 将 8 中的酰胺氮原子换成 CH, 即内酰胺环变成二氢茚酮母核, 化合物 9 的 IC50 = 230 nmol·L −1 (消旋物), 活性稍有降低。将 9 中连接茚酮 与哌啶的亚乙基缩短为亚甲基, 化合物 10 的 IC50 = 150 nmol·L −1 (消旋物)。可以看出, 将柔性的开链骨架 演化成具有刚性的二氢茚酮为母核的骨架, 活性没 有显著的改变。从而将化合物 10 确定为先导化合物 进行系统的结构优化。 3 先导化合物的优化 前述的 hit-to-lead 是分散的非系统性的变换, 与 先导物的系统优化是不同的。下述的优化过程是将化 合物 10 分成 4 个片段 (图 1), 进行逐段优化。 图 1 先导物分成 4 个片段进行逐段优化 3.1 片段 1: 苯并环酮的优化和苯环上的修饰 化 合物 10 的二氢茚酮扩环成四氢萘酮 11 和苯并环庚酮 12, 评价它们对 AChE 的抑制活性, 表明 IC50 分别是 130、2 100 和 15 000 nmol·L −1 , 提示扩环对活性有不 利影响, 所以仍以 10 为基础骨架进行优化。 在化合物 10 的并苯环的 4、5、6 和 7 位置上分 别用甲氧基作单取代或双取代, 报道了 9 个化合物, 对 AChE 的抑制活性都强于无取代的 10, IC50 值 5.7～ 85 nmol·L −1。其中化合物 13 和 14 活性最高, IC50 值 分别为 6.4 和 5.7 nmol·L −1。 3.2 片段 2: 亚甲基的变换 将活化 14 的片段 2 (-CH2-) 用单键替换, 或用不饱和的=CH、CH=替换, 抑制活性都有不同程度的下降; 用二亚甲基、三亚甲 基、四亚甲基或五亚甲基置换, 其中三亚甲基化合物 的 IC50=1.5 nmol·L −1 , 强于 14, 而其余的活性都弱于 14, 有趣的是亚甲基链为奇数的化合物比相邻的偶 数链化合物的活性高。 3.3 片段 3: 哌啶环的变换 将化合物 14 的片段 3 哌啶环的连接方式变换 180°, 化合物 15 的活性降低 80 多倍, IC50 = 480 nmol·L −1 , 提示连接方式的重要 性。用哌嗪环替换的化合物 16, 活性仍不及 14, IC50= 94 nmol·L −1 , 说明化合物 14 的片段 3 环的配置和连 接方式已是优化状态。 3.4 片段 4: 苄基的变换 化合物 14 苄基的苯环上 作不同位置的甲基或硝基取代, 发现间位取代的化 合物 17 和 18 的活性略强于 14, IC50 分别为 2.0 和 4.0 nmol·L −1 , 而其他位置的取代均低于 14, 说明间 位取代有利于同酶的结合。用环己甲基、苯乙基或 2- 萘 甲 基 替 换 苄 基 , 所 得 的 化 合 物 活 性 都 降 低 (Sugimoto H, Iimura Y, Yamanishi Y, et al. Synthesis and structure-activity relationships of acetylcholinesterase inhibitors: 1-benzyl-4-[(5,6-dimethoxy-l-oxoindan-2-yl) methyl]piperidine hydrochloride and related compounds. J Med Chem, 1995, 38: 4821−4829)。 4 候选化合物的选择: 多奈哌齐 通过上述的诸片段的依次优化, 综合构效关系, 仍显示化合物 14 为优秀的化合物, 进一步评价 14 的
1504 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica206,51(9):1502-1504 E2020 KBI 1 KBI 2 图2a:多奈哌齐与AChE复合物晶体结构的结合位点;b:多奈哌齐与AChE分子模拟示意图 峡道的底部,与Trp84发生N-x相互作用,Gly18与 Gily119构成的氧负离子穴接近于乙酰胆碱的羰基氧 17 然而多奈哌齐与AChE的结合则复杂的多,图2a是多 奈哌齐-AChE复合物晶体结构的结合图,图2b是多 奈哌齐与AChE的分子对接模拟图,二者非常相似。 多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶大体由5个关键结合位点 (KBI)构成:①茚酮的苯环与Trp27形成x堆积 选择性作用,表明对 BuChE的抑制作用很弱,IC0=作用(KBI1;②甲氧基与Arg289(经结构水介导) 形成氢键结合(KBI2),③茚酮的羰基氧原子经水 7138 moll,与抑制AChE的ICs0=5.7mmoL相 分子介导与Phe288氢键结合(分子模拟的羰基与 差1252倍。对大鼠灌胃5mgkg-,4h后对脑中的 Iyr70或121氢键结合)(KBI3),④哌啶经质子化形 乙酰胆碱酯酶仍然受到完全抑制.化合物14制成盐成的铵离子没有像乙酰胆碱的季铵离子沉入底部与 酸盐,命名为盐酸多奈哌齐( donepezil hydrochloride.Tp4结合,而是在“半途”与Phe30形成Nz相互 患者口服生物利用度F几近100%,血浆半衰期=作用、与Asp72成盐以及与T1氢键结合(KB4 70h,适于日服一次,经临床研究,于1997年首先在⑤苄基沉入到峡道底部,与Tp84发生xx堆积作 美国上市(1999年在日本上市),治疗中度阿尔茨海用(KB5)( Inoue a, Kawai t, Wakita m,etal.The 默症患者。多奈哌齐分子中含有1个手性碳原子,该 simulated binding of(±)-2,3- dihydro-5,6- dimethoxy 碳原子处于羰基的a位置,容易发生酮-烯醇的互变2-[1-( phenylmethyl)-4- piperidinyl] methyl]-lH- inden 异构而消旋化,所以临床应用的多奈哌齐是消旋体。1 one hydrochloride (e2020) and related inhibitors to 5多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶的结合模式 free and acylated acetylcholinesterases and corresponding 多奈哌齐作为AChE可逆性抑制剂,与底物乙 structure-activity analyses. J Med Chem, 1996, 39 4460-4470: Sussman JL. Harel M. frolow F. et al 酰胆碱的结合模式有相当大的区别。AChE的活性中 Atomic structure of acetylcholinesterase from torpedo 心是个由多个芳香性氨基酸残基构成的峡道(45 Ax californica. a prototypic acetylcholine-binding protein 20A,ACh-AChE复合物晶体结构表明,季铵离子在 Science,1991,253:872-879)
· 1504 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (9): 1502 −1504 图 2 a: 多奈哌齐与 AChE 复合物晶体结构的结合位点; b: 多奈哌齐与 AChE 分子模拟示意图 选择性作用, 表明对 BuChE 的抑制作用很弱, IC50 = 7 138 nmol·L −1 , 与抑制 AChE 的 IC50=5.7 nmol·L −1 相 差 1 252 倍。对大鼠灌胃 5 mg·kg−1 , 4 h 后对脑中的 乙酰胆碱酯酶仍然受到完全抑制。化合物 14 制成盐 酸盐, 命名为盐酸多奈哌齐 (donepezil hydrochloride), 患者口服生物利用度 F 几近 100%, 血浆半衰期 t1/2 = 70 h, 适于日服一次, 经临床研究, 于 1997 年首先在 美国上市 (1999 年在日本上市), 治疗中度阿尔茨海 默症患者。多奈哌齐分子中含有 1 个手性碳原子, 该 碳原子处于羰基的 α 位置, 容易发生酮−烯醇的互变 异构而消旋化, 所以临床应用的多奈哌齐是消旋体。 5 多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶的结合模式 多奈哌齐作为 AChE 可逆性抑制剂, 与底物乙 酰胆碱的结合模式有相当大的区别。AChE 的活性中 心是个由多个芳香性氨基酸残基构成的峡道 (4.5 Å × 20 Å), ACh-AChE 复合物晶体结构表明, 季铵离子在 峽道的底部, 与 Trp84 发生 N + -π 相互作用, Gly118 与 Gly119 构成的氧负离子穴接近于乙酰胆碱的羰基氧。 然而多奈哌齐与 AChE 的结合则复杂的多, 图 2a 是多 奈哌齐-AChE 复合物晶体结构的结合图, 图 2b 是多 奈哌齐与 AChE 的分子对接模拟图, 二者非常相似。 多奈哌齐与乙酰胆碱酯酶大体由 5 个关键结合位点 (KBI) 构成: ① 茚酮的苯环与 Trp279 形成 π-π 堆积 作用 (KBI 1); ② 甲氧基与 Arg289 (经结构水介导) 形成氢键结合 (KBI 2); ③ 茚酮的羰基氧原子经水 分子介导与 Phe288 氢键结合 (分子模拟的羰基与 Tyr70 或 121 氢键结合) (KBI 3); ④ 哌啶经质子化形 成的铵离子没有像乙酰胆碱的季铵离子沉入底部与 Trp84 结合, 而是在“半途”与 Phe330 形成 N + -π 相互 作用、与 Asp72 成盐以及与 Tyr121 氢键结合 (KBI 4); ⑤ 苄基沉入到峽道底部, 与 Trp84 发生 π-π 堆积作 用 (KBI5) (Inoue A, Kawai T, Wakita M, et al. The simulated binding of ((±)-2,3-dihydro-5, 6-dimethoxy- 2-[[1-(phenylmethyl)-4-piperidinyl] methyl]-1H-inden- 1-one hydrochloride (E2020) and related inhibitors to free and acylated acetylcholinesterases and corresponding structure-activity analyses. J Med Chem, 1996, 39: 4460−4470; Sussman JL, Harel M, Frolow F, et al. Atomic structure of acetylcholinesterase from Torpedo californica: a prototypic acetylcholine-binding protein. Science, 1991, 253: 872−879)