药学学报 Acta pharmaceutica sinica2015,50(5):633-634 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 坎格列净是以抑制钠葡萄糖共转运蛋白为靶标、阻止肾小管重吸收萄糖的首创性药物,降低血液中萄萄糖 水平,治疗2型糖尿病。这是一个由天然活性物质成功研发成药物的范例。根皮苷是个历史悠久的药理工具药,基 于药物化学的理念和方法,通过结构变换,提高活性强度和对S(L的选择性作用,同时増加代谢和化学稳定性。 从研发的脉络清晰地看到保持糖(或类糖)片段是确保识别SGLT2的药效园,适宜的亲水-亲脂的分配性质保 障化合物的成药性。将ω-苷键换作C-苷键提高了稳定性,是成功的关键。后续上市的两个“列净”药物以及众多 处于临床研究的活性化合物,结构大同小异,说明研制者的设计思路有共冋性和不同的模拟创新技巧。(编者按) 由根皮苷到坎格列净的上市 郭宗儒 (中国医学科学院药物研究所,北京100050) 坎格列净( canagliflozin)是以2型钠葡萄糖共2天然产物的初始改造 转运蛋白(SGLT2)为靶标的第一个口服降血糖药 根皮苷(1, phlorizin)是以二氢查尔酮为苷元的 通过可逆的选择性抑制肾小管对血糖的重吸收,促葡萄糖苷,含于许多果实中,已知有150年的历史 进血糖在尿液中的排泄,降低体内血糖水平,因而作( Rossetti l,eta. J Clin Invest,1987,79:1510)。根皮苷 用机制有别于已有降血糖药物。坎格列净也是以天然具有抑制SGLT2和SGLT的双重活性( Toggenburger 活性产物为先导物研制成功的范例。 G, et al. Biochim Biophys Acta, 1982, 688: 557), it 1靶标特点 择性不高和在肠道迅速水解成根皮素( phloretin)和 生理学研究表眀,循环血中的葡萄糖在肾小球葡萄糖而失效,根皮苷本身不能药用,常作为药理工 中滤过,然后在肾脏近曲小管处重吸收,重吸收作用具药,也是个良好的先导化合物 是由两个蛋白介导:1型和2型钠葡萄糖共转运蛋白 根皮苷结构改造的目标是:①对SGLT2有高选 ( SGLTI和SGLT2)。SGLT1是高选择性低容量的转择性抑制作用;②口服有效;③消除糖苷容易水解 运蛋白,主要在小肠上表达;SGLT2是低选择性高容失活的代谢不稳定性;④化学结构具有新颖性。 量的转运蛋白,主要表达于肾近曲小管的S1和S2区 初步的结构变换揭示出如下的构效关系:糖基 段上。SGLT2基因突变可导致持续的肾性糖尿。选择和两个苯环之间的连接基是必须的;A环的酚羟基可 性的抑制SLT2而不抑制SGLT1,可成为不影响胃烷基化(如甲氧基,化合物2)仍保持活性。A环换成 肠道吸收葡萄糖、不干预胰岛素系统的治疗2型糖尿苯并呋喃环,B环引入甲基得到的化合物3(-1095) 病的新途径 提高了选择性作用,同等剂量下灌胃小鼠,尿中葡萄 变换
药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2015, 50 (5): 633 −634 · 633 · ·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。 坎格列净是以抑制钠葡萄糖共转运蛋白为靶标、阻止肾小管重吸收葡萄糖的首创性药物, 降低血液中葡萄糖 水平, 治疗 2 型糖尿病。这是一个由天然活性物质成功研发成药物的范例。根皮苷是个历史悠久的药理工具药, 基 于药物化学的理念和方法, 通过结构变换, 提高活性强度和对 SGLT2 的选择性作用, 同时增加代谢和化学稳定性。 从研发的脉络清晰地看到保持糖 (或类糖) 片段是确保识别 SGLT2 的药效团, 适宜的亲水−亲脂的分配性质保 障化合物的成药性。将 O-苷键换作 C-苷键提高了稳定性, 是成功的关键。后续上市的两个“列净”药物以及众多 处于临床研究的活性化合物, 结构大同小异, 说明研制者的设计思路有共同性和不同的模拟创新技巧。 (编者按) 由根皮苷到坎格列净的上市 郭宗儒 (中国医学科学院药物研究所, 北京 100050) 坎格列净 (canagliflozin) 是以 2 型钠葡萄糖共 转运蛋白 (SGLT2) 为靶标的第一个口服降血糖药, 通过可逆的选择性抑制肾小管对血糖的重吸收, 促 进血糖在尿液中的排泄, 降低体内血糖水平, 因而作 用机制有别于已有降血糖药物。坎格列净也是以天然 活性产物为先导物研制成功的范例。 1 靶标特点 生理学研究表明, 循环血中的葡萄糖在肾小球 中滤过, 然后在肾脏近曲小管处重吸收, 重吸收作用 是由两个蛋白介导: 1 型和 2 型钠葡萄糖共转运蛋白 (SGLT1 和 SGLT2)。SGLT1 是高选择性低容量的转 运蛋白, 主要在小肠上表达; SGLT2 是低选择性高容 量的转运蛋白, 主要表达于肾近曲小管的 S1 和 S2 区 段上。SGLT2 基因突变可导致持续的肾性糖尿。选择 性的抑制 SGLT2 而不抑制 SGLT1, 可成为不影响胃 肠道吸收葡萄糖、不干预胰岛素系统的治疗 2 型糖尿 病的新途径。 2 天然产物的初始改造 根皮苷 (1, phlorizin) 是以二氢查尔酮为苷元的 葡萄糖苷, 含于许多果实中, 已知有 150 年的历史 (Rossetti L, et al. J Clin Invest, 1987, 79: 1510)。根皮苷 具有抑制 SGLT2 和 SGLT1 的双重活性 (Toggenburger G, et al. Biochim Biophys Acta, 1982, 688: 557), 因选 择性不高和在肠道迅速水解成根皮素 (phloretin) 和 葡萄糖而失效, 根皮苷本身不能药用, 常作为药理工 具药, 也是个良好的先导化合物。 根皮苷结构改造的目标是: ① 对 SGLT2 有高选 择性抑制作用; ② 口服有效; ③ 消除糖苷容易水解 失活的代谢不稳定性; ④ 化学结构具有新颖性。 初步的结构变换揭示出如下的构效关系: 糖基 和两个苯环之间的连接基是必须的; A 环的酚羟基可 烷基化 (如甲氧基, 化合物 2) 仍保持活性。A 环换成 苯并呋喃环, B 环引入甲基得到的化合物 3 (T-1095) 提高了选择性作用, 同等剂量下灌胃小鼠, 尿中葡萄
634 药学学报 Acta pharmaceutica sinica2015,50(5):633-634 糖排泄量最大( Tsujihara K,etal. Chem pharm bull,公司经Ⅲ期临床研究表明,坎格列净不仅显著降低 1996,44:1174, Tsujihara K,etal. J Med Chem,199,2型糖尿病患者的血糖水平,而且极少引起低血糖事 42:5311OkuA, et al. diabetes,19948:1794)。T-1095件。此外,其减肥效果也十分明显。坎格列净于2013 为前药(碳酸酯),仍未能克服O-糖苷的不稳定性。年经美国FDA批准上市( Schernthaner G et al 与此同时,BMS公司也在以根皮苷为先导物研 Diabetes care,2013,36:2508)。 制SGLT2抑制剂,将两个苯环间3个原子的连接基减5其他处于临床研究的SGLT2抑制剂 少为1个,成为类型4的化合物,仍保持对SGLT2的 达格列净(8, dapagliflozin)是BMS与 Astrazeneca 选择性作用( Washburn wn,etal. Chem Abstr,2001,联合研制的第二个SGL2抑制剂,已于2014年经FDA 135,273163),提示对先导物根皮苷的骨架可以作较批准上市( Meng w, et al. J Med Chem,200851:114) 大的变换。 作为C-糖苷可视作坎格列净的噻吩环被苯环替换的 3C-糖苷提高稳定性 类似物,为选择性作用更强的化合物,对SGLT2和 将3和4的O-苷换为C苷,使糖基经CC键与SGL1的ICo分别为1.1 nmol. L和1390 noll- 苷元连接,化合物5( Tomiyama F,eta. Chem abstr 由 Boehringer Ingrehaim与 Eli Lilly联合研发的 2001,135:304104)和通式6( Ellsworth B, et al. Chem艾帕列净(9, empagliflozin)是第3个于2014年上市 Abst,2001,134:281069)仍保持活性和选择性,其代的SGLT2抑制剂,也是C-葡萄糖苷,艾帕列净与达格 谢和化学稳定性显著强于相应的O苷化合物3和4。列净骨架结构相同,只是将外侧苯环的乙基改为四氢 4芳环的变换—一杂环的引入和候选药物坎格列净呋喃片段,对SGLT2的Cs为3.1molL-,作用于 的确定 SGLT-1,比4、5和6选择性高300倍以上( Grempler 为了优化活性和选择性以及实现结构的新颖性,R,etal. Diabetes obes metab,2012,14.83-90) 对6的A和B环分别用杂环做电子等排置换,例如 化合物10称作 ipragliflozin,,是由 Astellas和 A环用噻吩、吡咯、吡啶、吡嗪等杂环,B环用吡啶、 Merck联合研发的另一个SGLT2抑制剂,也是C-葡 吡嗪、吲哚、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并噻唑、苯并萄糖苷,结构中含有苯并噻吩环,相当于坎格列净的 唿唑、苯并咪唑等代替,对化合物体外测定对人噻吩与苯的并合。对SGLT2的抑制活性IC=7.4 SGLT2( hSGT2)的抑制活性(C50)和对 hSGT1 noll-,强于SGLl约254倍。大鼠灌胃的生物利 的选择性倍数。结果表明,A为苯环、B为苯基噻吩用度F=717%,血浆半衰期t12=36h。现处于Ⅲ期 的母核活性和选择性优于其他系列,其中化合物7临床研究( Imamura M,etal. Bioorg med Chem,2012, 对 hSGT2和 hSGT1的IC50分别为2.2 noll和20:3263)。 910 nmol-Lˉ,选择性高达414倍,表明对小肠吸收 日本中外制药与韩国研发的 tofogliflozin(1) 葡萄糖的影响很小。大鼠口服生物利用度F=83%,血是将葡萄糖环换成多羟基环己烷与苯并二氢呋喃形 浆半衰期tn=5h。雄性SD大鼠一次灌胃30mgkg-,成螺环化合物,对 hSGT2和 hSGT的ICo分别为 尿中排泄3696mg葡萄糖200g体重。7被命名为2.9mmL和844molL,选择性近3000倍,对 坎格列净( canagliflozin)进入临床前和临床研究猴的生物利用度F=85%。目前也在I期临床阶段 ( Nomura s,etal. J Med Chem,2010,53:6355)。强生 Ohtake Y, et al. j med chem,2012,5:7828)
· 634 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2015, 50 (5): 633 −634 糖排泄量最大 (Tsujihara K, et al. Chem Pharm Bull, 1996, 44: 1174; Tsujihara K, et al. J Med Chem, 1999, 42: 5311; Oku A, et al. Diabetes, 1999, 48: 1794)。T-1095 为前药 (碳酸酯), 仍未能克服 O-糖苷的不稳定性。 与此同时, BMS 公司也在以根皮苷为先导物研 制SGLT2抑制剂, 将两个苯环间3个原子的连接基减 少为 1 个, 成为类型 4 的化合物, 仍保持对 SGLT2 的 选择性作用 (Washburn WN, et al. Chem Abstr, 2001, 135; 273163), 提示对先导物根皮苷的骨架可以作较 大的变换。 3 C-糖苷提高稳定性 将 3 和 4 的 O-苷换为 C-苷, 使糖基经 C-C 键与 苷元连接, 化合物 5 (Tomiyama H, et al. Chem Abstr, 2001, 135: 304104) 和通式 6 (Ellsworth B, et al. Chem Abstr, 2001, 134: 281069) 仍保持活性和选择性, 其代 谢和化学稳定性显著强于相应的 O-苷化合物 3 和 4。 4 芳环的变换——杂环的引入和候选药物坎格列净 的确定 为了优化活性和选择性以及实现结构的新颖性, 对 6 的 A 和 B 环分别用杂环做电子等排置换, 例如 A 环用噻吩、吡咯、吡啶、吡嗪等杂环, B 环用吡啶、 吡嗪、吲哚、苯并呋喃、苯并噻吩、苯并噻唑、苯并 噁唑、苯并咪唑等代替, 对化合物体外测定对人 SGLT2 (hSGLT2) 的抑制活性 (IC50) 和对 hSGLT1 的选择性倍数。结果表明, A 为苯环、B 为苯基噻吩 的母核活性和选择性优于其他系列, 其中化合物 7 对 hSGLT2 和 hSGLT1 的 IC50 分别为 2.2 nmol·L −1 和 910 nmol·L −1 , 选择性高达 414 倍, 表明对小肠吸收 葡萄糖的影响很小。大鼠口服生物利用度 F=83%, 血 浆半衰期 t1/2=5 h。雄性 SD 大鼠一次灌胃 30 mg·kg−1 , 尿中排泄 3 696 mg 葡萄糖/200 g 体重。7 被命名为 坎格列净 (canagliflozin) 进入临床前和临床研究 (Nomura S, et al. J Med Chem, 2010, 53: 6355)。强生 公司经 III 期临床研究表明, 坎格列净不仅显著降低 2 型糖尿病患者的血糖水平, 而且极少引起低血糖事 件。此外, 其减肥效果也十分明显。坎格列净于 2013 年经美国 FDA 批准上市 (Schernthaner G, et al. Diabetes Care, 2013, 36: 2508)。 5 其他处于临床研究的 SGLT2 抑制剂 达格列净 (8, dapagliflozin) 是BMS 与 AstraZeneca 联合研制的第二个SGLT2 抑制剂, 已于2014 年经 FDA 批准上市 (Meng W, et al. J Med Chem, 2008, 51: 114)。 作为 C-糖苷可视作坎格列净的噻吩环被苯环替换的 类似物, 为选择性作用更强的化合物, 对 SGLT2 和 SGLT1 的 IC50 分别为 1.1 nmol·L −1 和 1 390 nmol·L −1。 由 Boehlinger Ingrehaim 与 Eli Lilly 联合研发的 艾帕列净 (9, empagliflozin) 是第 3 个于 2014 年上市 的 SGLT2 抑制剂, 也是 C-葡萄糖苷, 艾帕列净与达格 列净骨架结构相同, 只是将外侧苯环的乙基改为四氢 呋喃片段, 对 SGLT2 的 IC50 为 3.1 nmol·L −1 , 作用于 SGLT-1, 比 4、5 和 6 选择性高 300 倍以上 (Grempler R, et al. Diabetes Obes Metab, 2012, 14: 83−90)。 化合物 10 称作 ipragliflozin, 是由 Astellas 和 Merck 联合研发的另一个 SGLT2 抑制剂, 也是 C-葡 萄糖苷, 结构中含有苯并噻吩环, 相当于坎格列净的 噻吩与苯的并合。对 SGLT2 的抑制活性 IC50 = 7.4 nmol·L −1 , 强于 SGLT1 约 254 倍。大鼠灌胃的生物利 用度 F=71.7%, 血浆半衰期 t1/2=3.6 h。现处于 III 期 临床研究 (Imamura M, et al. Bioorg Med Chem, 2012, 20: 3263)。 日本中外制药与韩国研发的 tofogliflozin (11), 是将葡萄糖环换成多羟基环己烷与苯并二氢呋喃形 成螺环化合物, 对 hSGLT2 和 hSGLT1 的 IC50 分别为 2.9 nmol·L −1 和 8 444 nmol·L −1 , 选择性近 3000 倍, 对 猴的生物利用度 F = 85%。目前也在 III 期临床阶段 (Ohtake Y, et al. J Med Chem, 2012, 55: 7828)