氰基在藥物分子設(shè)計中的應(yīng)用

氰基在藥物分子設(shè)計中的應(yīng)用

現(xiàn)在許多臨床藥物都含有氰基化合物。氰基是一個具有很強極性的碳氮三級化合物，具有很強的吸電性，體積僅為甲基的1.8。因此，氰基可以深入目標(biāo)蛋白質(zhì)的深部，與活動部位的關(guān)鍵氨基酸殘留物形成氫競爭。氰基也是一個很好的氫競爭物質(zhì)，通常與目標(biāo)蛋白質(zhì)中的絲綢和氨基酸形成氫競爭。同時，氰基是許多官方電子的異體。將氰基引入藥物小分子中，改變小分子的物理性質(zhì)，改善藥物小分子與靶面的相互作用，提高療效。氰基作為代謝的場所，可以抑制小分子的氧化代謝，提高化合物在體內(nèi)的代謝穩(wěn)定性?？紤]到上述特點，氰基化合物的開發(fā)和應(yīng)用，藥物設(shè)計中的氰基替代策略已成為優(yōu)化先化合物結(jié)構(gòu)的重要研究策略之一。目前，臨床應(yīng)用的氰基代表性藥物包括抗糖尿病藥物二羥基磷酸酯酶抑制劑（saxagliptin，1）、抗高血壓藥物二羥基磷酸酯酶抑制劑（milnone，2）、鈣通道抗劑米里諾明（3）、環(huán)己二醇（4）、5-羥色胺（5）、黃精等?；谇杌谒幬镌O(shè)計中的重要應(yīng)用,本文主要綜述了氰基在改變小分子理化性質(zhì);通過氫鍵作用、共價鍵作用、偶極相互作用和π-π相互作用增強與靶標(biāo)蛋白的結(jié)合能力;作為羰基、鹵素等多種官能團的生物電子等排體進行小分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化;以及提高代謝穩(wěn)定性等幾個方面在藥物設(shè)計中的應(yīng)用.1藥物的物理和化學(xué)性質(zhì)1.1增加藥物溶解度溶解度是化合物在一定溶液條件下的最大溶解濃度.藥物的溶解度對于藥物吸收和口服生物利用度具有決定性意義.藥物的溶解度與許多因素有關(guān),其中最重要的就是化合物的結(jié)構(gòu),在藥物小分子中適當(dāng)?shù)匾肭杌鶊F能夠有效地增加藥物的溶解度.法尼基轉(zhuǎn)移酶通過阻斷細(xì)胞信號傳導(dǎo)進而預(yù)防腫瘤發(fā)生是重要的抗腫瘤靶點.施貴寶公司研發(fā)的法尼基轉(zhuǎn)移酶抑制劑(8,BMS-214662)主要用于慢性髓細(xì)胞樣白血病的治療(IC50=1.35nmol/L),目前處于臨床II期研究階段(Eq.1).化合物8與法尼基轉(zhuǎn)移酶晶體復(fù)合物模式圖表明,該化合物與蛋白之間具有較強的π-π相互作用(圖1).雖然氰基沒有與特定的氨基酸殘基形成氫鍵相互作用,但是氰基改善了該化合物的藥代動力學(xué)特性.溶解性實驗表明,氰基取代與相應(yīng)的溴代化合物7相比,活性提高了44倍,水溶性提高了近10倍.1.2取代化合物pka和抗菌活性由于氰基是較強的吸電子基團,因此,將氰基引入藥物小分子當(dāng)中能夠有效地降低化合物的堿性.Seydel等在進行磺胺類藥物研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn),在右側(cè)的苯環(huán)上引入不同的取代基,對化合物的酸堿性以及抗菌活性影響顯著,活性隨pKa的降低而升高(表1).其中,在苯環(huán)的4-位引入氰基取代基,能夠顯著降低化合物的pKa,化合物17的pKa為7.36,其抗菌活性提高(MIC=1.0μmol/L),與4-甲氧基取代化合物9相比,pKa約降低2,活性提高了近10倍.2藥物的療效2.1氰基病理特性在小分子藥物中引入氰基基團,能夠有效地增強靶標(biāo)蛋白與配體之間的相互作用.在多種藥物小分子的開發(fā)中,氰基基團的引入都能顯著提高小分子與靶標(biāo)蛋白之間的結(jié)合能力,主要通過氫鍵相互作用、共價鍵相互作用、偶極相互作用以及π-π相互作用等.2.1.1不可逆egfr抑制劑氫鍵相互作用是氰基與靶標(biāo)蛋白之間最常見的相互作用.氰基在抗癌藥物表皮生長因子受體(EGFR)抑制劑、非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(NNRTI)、黃嘌呤氧化酶(XOD)抑制劑等藥物開發(fā)中具有重要應(yīng)用,氰基能夠與靶標(biāo)蛋白中活性位點的重要氨基酸殘基形成氫鍵相互作用.早期研究的EGFR抑制劑采用喹唑啉母核如化合物19,喹唑啉3-位的氮原子通過水分子與Thr830形成氫鍵相互作用,為了提高EGFR抑制劑的活性,將喹唑啉母核替換為3-氰基喹啉環(huán)母核(Eq.2),氰基中的氮原子能夠直接與Thr830形成氫鍵相互作用,增強了該類化根據(jù)此改造策略,惠氏公司設(shè)計、合成了氰基喹啉類EGFR抑制劑,包括來那替尼(Neratinib,21)、培利替尼(Pelitinib,22)和伯舒替尼(Bosutinib,23)(Chart2).來那替尼是由惠氏公司開發(fā)的不可逆EGFR抑制劑(IC50=92nmol/L),主要用于治療乳腺癌和非小細(xì)胞肺癌目前處于臨床III期研究階段.惠氏公司開發(fā)的另一個抗腫瘤藥物EGFR抑制劑培利替尼(IC50=39nmol/L)主要用于實體瘤以及對吉非替尼(Gefitinib,24)和埃羅替尼(Erlotinib,25)具有抗藥性的腫瘤治療,目前處于臨床II期研究階段.伯舒替尼是由惠氏公司開發(fā)的強效Src激酶(IC50=3.8nmol/L)和Abl激酶(IC50=1.1nmol/L)的雙重抑制劑,主要用于治療慢性粒細(xì)胞白血病,目前處于臨床III期研究階段.許多艾滋病治療藥物中也含有芳香氰基這一合成砌塊,其代表藥物是非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑(NNRTI)的依曲韋林(Etravirine,TMC125-R165335,26)、達(dá)匹韋林(Dapivirine,27)和利匹韋林(Rilpivirine,28)(Chart3)其中,依曲韋林由強生公司研發(fā),于2008年1月18日獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)上市,該藥物的顯著優(yōu)點是它與之前開發(fā)出的所有非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑不具有交叉抗藥性,因此,能用于對所有非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑產(chǎn)生抗藥性的HIV病毒感染的治療.晶體復(fù)合物表明,依曲韋林的兩個氰基基團較好地深入到靶標(biāo)蛋白深處的結(jié)合口袋(圖2).強生公司開發(fā)的另外兩個非核苷類逆轉(zhuǎn)錄酶抑制劑達(dá)匹韋林和利匹韋林是依曲韋林的類似物,其中利匹韋林被稱為“目前發(fā)現(xiàn)活性最強的抗艾滋病治療藥物”,于2011年5月份獲得美國FDA批準(zhǔn)上市用于艾滋病的治療.非布索坦(Febuxostat,29)是由武田公司開發(fā)的選擇性非嘌呤類黃嘌呤氧化酶抑制劑(IC50=114nmol/L),用于治療痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎(Chart4),于2009年2月獲得美國FDA批準(zhǔn),是近40年來首個批準(zhǔn)用于治療高尿酸癥的痛風(fēng)藥物.FujiYakuhinKogyo公司開發(fā)的化合物30(FYX-051)的黃嘌呤氧化酶抑制活性更佳(IC50=5.3nmol/L).該化合物與黃嘌呤氧化酶具有更好的結(jié)合能力,晶體復(fù)合物表明,化合物FYX-051的氰基與氨基酸殘基E802直接形成氫鍵相互作用(圖3).2.1.2沙格列汀與dppiii的相互作用組織蛋白酶K抑制劑是一類強效的骨質(zhì)疏松治療藥物,其中化合物31具有較強的組織蛋白酶K的抑制活性(IC50<1nmol/L).該化合物與組織蛋白酶K的晶體復(fù)合物表明(圖4),N-甲基哌嗪環(huán)有效地占據(jù)了S3口袋并與周圍的氨基酸殘基Asp61以及Tyr67形成π-π相互作用;環(huán)己基有效地占據(jù)了S2親酯性口袋;氰基深入到蛋白酶的內(nèi)部,與Cys25形成共價相互作用,增強了該化合物的抑制活性,同時,化合物31對組織蛋白酶L和組織蛋白酶S的選擇性良好.二肽基肽酶IV(DPPIV)是絲氨酸蛋白酶家族中的一員,DPPIV可以水解胰升血糖素樣肽-1(GLP-1),降低其在體內(nèi)的降糖活性,因此開發(fā)有效的DPPIV抑制劑能切斷該水解通路,成為II型糖尿病的有效治療方法.Ser630是該DPPIV蛋白酶的關(guān)鍵氨基酸殘基,其中Ser630的羥基能夠與小分子抑制劑中的氰基形成共價結(jié)合,因此,許多上市和在研的DPPIV抑制劑中都含有氰基基團,包括2009年獲得美國FDA批準(zhǔn)的上市藥物沙格列汀(Saxagliptin,1)和2007年獲得歐盟批準(zhǔn)的上市藥物維格列汀(Vildagliptin,32)(Chart5).沙格列汀是由施貴寶公司研發(fā)的DPPIV小分子抑制劑(IC50=3.37nmol/L),于2009年獲得美國FDA批準(zhǔn)用于治療II型糖尿病.沙格列汀與DPPIV的活性部位形成的共價復(fù)合物結(jié)合模式圖如圖5所示.氰基碳原子與Ser630中的羥基氧形成共價鍵.4,5-亞甲基橋吡咯環(huán)處于S1口袋中,與氨基酸殘基Val711,Val656,Tyr662,Tyr666和Tyr547有范德華相互作用.金剛烷部分處于S2口袋中.在S2口袋中沙格列汀的羰基氧與Asn710的氨基形成氫鍵;沙格列汀的N端氨基與氨基酸殘基Glu205,Glu206和Asp663形成氫鍵相互作用該氫鍵對沙格列汀的抑制活性具有重要作用;Tyr547側(cè)鏈的羥基分別與金剛烷基的羥基和吡咯環(huán)的氰基形成氫鍵相互作用.維格列汀由諾華公司開發(fā),是一種具有選擇性、競爭性且可逆的DPPIV抑制劑(IC50=3.5nmol/L),已于2007年獲得歐盟批準(zhǔn)在歐洲上市,用于II型糖尿病的治療.健康人體藥動學(xué)研究表明,口服維格列汀吸收迅速,生物利用度約為85%,達(dá)峰時間為給藥后1~2h蛋白結(jié)合率低(4%~17%),血漿半衰期為1.5~4.5h,但對體內(nèi)血漿中DPPIV的抑制作用則長達(dá)10h.2.1.3甲氧基取代衍生物由于氰基具有較強的吸電子特性,因此氰基能夠與氨基酸殘基和金屬離子產(chǎn)生非特異性偶極相互作用.維拉帕米(Verapamil,33)是鈣離子通道拮抗劑(IC50=0.47μmol/L),主要用于治療心律失常和心絞痛(Chart6).維拉帕米可以降低血壓,進而減少心輸出量,同時增加心臟中的血液和氧氣,減少胸痛.戈洛帕米(Gallopamil,34)是維拉帕米的甲氧基取代衍生物,比維拉帕米的活性增加近10倍(IC50=1.76μmol/L),分子模擬表明氰基是活性必需基團,與鈣離子形成偶極相互作用(圖6).西洛司特(Cilomilast,35)是由葛蘭素史克公司開發(fā)的選擇性磷酸二酯酶4抑制劑,用于治療炎癥和哮喘(IC50=95nmol/L),目前處于臨床III期研究階段.晶體復(fù)合物結(jié)構(gòu)表明,氰基與周圍的氨基酸殘基M347和L393形成偶極相互作用(圖7).通過結(jié)構(gòu)改造,優(yōu)化該類化合物的活性,減少惡心、腹瀉和頭痛等副作用.2.1.4細(xì)菌和鼠體內(nèi)及肺曲霉菌病施貴寶公司開發(fā)的雷夫康唑(Ravuconazole,36)是口服有效的新型強效廣譜抗真菌劑,安全性良好,目前處于臨床II期研究階段.雷夫康唑抗白色念珠菌、光滑念珠菌、新型隱球菌和熏煙色曲霉菌的活性強于依曲康唑(Itraconazole),對鼠全身及肺曲霉菌病的活性強于依曲康唑.雷夫康唑與甾醇14α-去甲基化酶的對接結(jié)果表明,雷夫康唑中的噻唑環(huán)與氨基酸殘基Tyr131,Leu134以及Ile389形成相互作用,其中4-氰基苯基與氨基酸殘基Phe240,Met528以及Ile529形成疏水相互作用,氰基取代的苯環(huán)結(jié)構(gòu)與氨基酸殘基His133形成π-π相互作用.2.2生物電子等排體2.2.1芳氰基抑制劑在許多非甾體芳香酶抑制劑的研發(fā)過程中,藥物化學(xué)研究人員采用氰基作為羰基的電子等排體,一方面提高了小分子的靶標(biāo)選擇性,減少了與其它相關(guān)甾體類受體的相互作用;另一方面可以改善藥物小分子的口服生物利用度.4-氰基取代苯環(huán)中的氰基氮原子與孕酮3-位的羰基占據(jù)了相同的靶標(biāo)蛋白結(jié)合位點,能夠與關(guān)鍵氨基酸殘基形成氫鍵相互作用(Chart8).氰基是羰基的經(jīng)典生物電子等排體,與羰基相比氰基具有非特異性的極性相互作用.通常在芳香環(huán)的對位引入氰基,能夠提高芳香環(huán)的極化作用,使得芳香體系更加穩(wěn)定而不易發(fā)生氧化代謝,提高了化合物的藥物代謝穩(wěn)定性.許多芳香酶抑制劑在苯環(huán)的對位引入氰基取代,苯環(huán)4-位的氰基基團模擬了雌激素甾體類化合物的羰基,與周圍的氫鍵受體形成氫鍵相互作用,氰基的引入有效地提高了該類化合物的芳香酶抑制活性.諾華公司開發(fā)的芳香酶抑制劑法曲唑(Fadrozole,37)是第一個用于治療乳腺癌的非甾體芳香酶抑制劑(IC50=30nmol/L)(Chart9),構(gòu)效關(guān)系表明,苯環(huán)上4-位為吸電子的溴原子取代和氰基取代時活性最優(yōu).諾華公司后續(xù)開發(fā)的來曲唑(Letrozole,38)主要用于輔助治療荷爾蒙引起的乳腺癌(IC50=0.29nmol/L).Hormos公司研發(fā)的芬羅唑(Finrozole,39)同樣含有氰基苯基這一結(jié)構(gòu)片段,該化合物是芳香酶和醛固酮的雙重抑制劑,目前處于臨床II期研究階段.芬羅唑中的氰基就是模仿甾體化合物中的羰基與氫鍵受體形成相互作用.單晶結(jié)構(gòu)表明(圖8),4-氰基與His93L和Phe94L形成氫鍵相互作用.由阿斯利康公司開發(fā)的雄激素受體拮抗劑比卡魯胺(Bicalutamide,40)于1995年獲得美國FDA批準(zhǔn),是前列腺癌治療的代表藥物.比卡魯胺口服生物利用度良好,達(dá)到了90%,同時對其它甾體受體無拮抗作用,具有良好的靶標(biāo)蛋白選擇性.比卡魯胺中的氰基與氨基酸殘基M745,R752和Q711形成氫鍵相互作用(圖9),增強了該化合物與靶標(biāo)蛋白的相互作用,提高了化合物的拮抗活性(IC50=190nmol/L).芳氰基作為甾體類化合物羰基的生物電子等排體的另一個例子是黃體酮(Progesterone,41)與他那特羅(Tanaproget,42).惠氏公司研發(fā)的他那羅特是一種新型組織選擇性非甾體類孕激素受體激動劑(EC50=0.15nmol/L),目前處于臨床II期研究階段.單晶結(jié)構(gòu)表明,他那羅特中的芳氰基與關(guān)鍵氨基酸殘基Gln725,Arg766以及水分子形成氫鍵相互作用(圖10).2.2.2奧普力農(nóng)與甲狀腺素的晶體結(jié)構(gòu)氰基能夠模擬鹵素產(chǎn)生的極性相互作用,因而成為鹵素的生物電子等排體.氰基的體積小于溴原子和碘原子,氰基中的氮原子能夠更好地與周圍的氨基酸殘基形成相互作用.磷酸二酯酶抑制劑米力農(nóng)(Milrinone,43)是治療心力衰竭的首選藥物(Chart10).米力農(nóng)的結(jié)構(gòu)與甲狀腺素類似,同時刺激心肌膜具有與荷爾蒙類似的功能奧普力農(nóng)(Olprinone,44)是米力農(nóng)的類似物,通過增強心肌收縮能力用于治療心力衰竭的血管舒張劑.奧普力農(nóng)與甲狀腺素運載蛋白的晶體復(fù)合物表明,氰基吡啶酮部分位于荷爾蒙的結(jié)合口袋.氰基占據(jù)了與甲狀腺素中碘原子的結(jié)合口袋,并與氨基酸殘基形成了緊密結(jié)合.將氰基替換為氨基,活性保持,但是不能與周圍的氨基酸殘基形成較好的相互作用.雖然溴原子也能較好地與氨基酸殘基進行作用深入結(jié)合口袋,但是氰基的疏水性更強.氰基是碘原子和溴原子的非經(jīng)典生物電子等排體,是先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化中所采取的重要研究策略.維拉佐酮(Vilazodone,54)是由默克公司開發(fā)的選擇性五羥色胺重攝取抑制劑(IC50=0.3nmol/L),于2011年1月21日獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)上市,用于成人抑郁癥的治療.通過對一系列類似物的篩選,最終發(fā)現(xiàn)氟原子和氰基取代的化合物活性最強,將X基團替換為氟原子和氰基基團活性相當(dāng)(表2),表明氰基是氟原子的生物電子等排體.3藥物的代際性質(zhì)3.1結(jié)構(gòu)修飾-環(huán)哌氰基能夠改善小分子化合物的藥代動力學(xué)性質(zhì).計算機輔助藥物設(shè)計以及經(jīng)驗規(guī)則(例如Lipinski五規(guī)則)是基于結(jié)構(gòu)藥物設(shè)計的重要指導(dǎo)原則.當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一個具有較強藥理活性的小分子之后,改善藥物的藥代動力學(xué)特性就成為化合物開發(fā)成為藥物的重要決定因素.先導(dǎo)化合物優(yōu)化通常會增加化合物的復(fù)雜性和脂溶性,而引入氰基基團能夠有效地降低脂溶性,例如:用氰基替換氫原子能夠顯著地降低clogP,而將鹵素或甲基替換為氰基,clogP/logD的比值也將減少.通常來說,提高II相代謝穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)修飾主要包括以下三種策略:(1)引入吸電子基團和空間位阻;(2)將酚羥基改造為環(huán)脲或者硫脲基團;(3)將酚羥基轉(zhuǎn)變?yōu)榍八?在酚羥基類胰高血糖素受體拮抗劑的鄰位引入氰基基團,能夠有效減少該類化合物與葡萄糖醛酸的結(jié)合(表3).將該類化合物R1基團從氯原子替換為氰基使得該類化合物與葡萄糖醛酸結(jié)合活性降低,進而減慢其代謝清除速率,其中化合物60比化合物59的代謝清除速率降低了4