药学学报


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R₁

R₂

R₃

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IC₅₀/μmol·L^-1

rat1-myr-p110α

rat1-myr-p110β

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Compd.

Structure

t_½/h

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1.2

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0.9

97.1

3.4

39/77

1.4

Not test

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分子模拟指导阿派西林的研制

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郭宗儒

药学学报 | 新药发现与研究实例简析 2023,58(10): 3147-3150

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药学学报 |新药发现与研究实例简析 2023 , 58 (10) : 3147 -3150

分子模拟指导阿派西林的研制

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郭宗儒

作者信息

中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 北京 100050

Affiliations

出版时间: 2023-10-12 doi: 10.16438/j.0513-4870.2019-0473

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引用本文

郭宗儒. 分子模拟指导阿派西林的研制. 药学学报, 2023 , 58 (10) : 3147 -3150 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2019-0473

. Acta Pharmaceutica Sinica, 2023 , 58 (10) : 3147 -3150 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2019-0473

正文

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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多维性质。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。

阿派西林是诺华公司研制的作用于α亚型磷脂酰肌醇-3激酶(PI3Kα) 的首创性口服药物, 治疗对PI3Kα突变的HR阳性和HER-2阴性的乳腺癌患者。在本品研制的同时不少制药公司也针对该靶标开展了研究, 都在临床研究中因脱靶的不良反应而中止, 反映了在体外到体内、由动物到患者的转化中的不确定性和风险, 以及本品之幸运。研制阿派西林的药物化学特征, 一是利于区分靶标亚型之间的微观结构差异, 分子模拟指导结构设计与优化, 聚焦于特定的PI3Kα激酶选择性和高活性的目标, 二是在保障活性和选择性的前提下, 兼顾化合物的代谢稳定性的修饰和对细胞色素P450的无碍, 实现了活性与成药性的同步优化。(编者按)

1 研发背景和靶标

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磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K) 是类脂质激酶, 催化磷脂酰肌醇的磷酸化, 生成3-磷酸磷脂酰肌醇(PIP3), PIP3作为第二信使参与细胞内信号转导, 在细胞增殖、存活、迁移、炎症和凋亡等过程起重要调节作用。人体细胞中含有编码PI3K-1A的催化亚基, 称作p110α、p110β和p110δ; PI3K-1B只表达酶p110γ, p110γ和p110δ主要存在于白细胞中。PI3K信号通路失控, 使抑癌基因失活, 一些受体酪氨酸激酶发生变异、放大或过表达会发生多种癌症, 例如结肠癌、恶性胶质瘤、胃癌、肝癌和乳腺癌等。

由于p110α发生变异而激活其激酶活性, PI3Kα成为研制抗癌药物的理想靶标, 本品就是以PI3Kα为靶标经体外和体内活性评价研制成功的抗肿瘤药物。

2 先导化合物

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诺华公司研究本项目的起始化合物是经过高通量筛选, 发现化合物1对PI3Kγ呈现活性(K_i = 0.11 μmol·L^-1), 随后确定的目标是研制泛PI3K激酶抑制剂, 优化过程中发现将氨磺酰基换成甲磺酰基的化合物2对多种PI3K激酶亚型的活性在0.03~0.08 μmol·L^-1水平。继续优化将甲磺酰基变换为1-吡唑化合物3, 泛PI3K激酶亚型的结合作用进一步增强。再将乙酰基用脲基置换, 经过多轮优化得到化合物4, 对PI3Kα激酶具有选择性结合作用(对p110α的K_i值0.005 μmol·L^-1), 比其他亚型的活性高1个数量级, 之所以聚焦于PI3Kα激酶是因为泛PI3K激酶抑制剂常出现不良反应, 而多种癌症的PI3Kα激酶处于高表达和发生突变(Bruce I, Akhlaq M, Bloomfield GC, et al. Development of isoform selective PI3-kinase inhibitors as pharmacological tools for elucidating the PI3K pathway. Bioorg Med Chem Lett, 2012, 22: 5445-5450)。

3 先导物的优化

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3.1 模板化合物的结合模式

诺华公司为了研制PI3Kα激酶选择性抑制剂, 以化合物4为起始物, 设计的化合物5, 是为了同时探索多个位置的构效关系, 即用叔丁基置换吡唑环; 苯环变换为嘧啶环; 噻唑环上的甲基和脯氨酰胺的不变。

将化合物5分子对接到p110α的晶体结构(抽出复合物中的配体p85α) 得到的低能复合物如图 1所示。结合特征如下: ①噻唑环的氮原子和2-NH与Val851形成双齿型氢键(一个给体, 一个接受体); ②嘧啶环结合于由Tyr836、Ile932、Ile848、Ileu800、Asp933、Lys802、Pro778和Met772组成的疏水腔内; ③末端的脯氨酸的S-酰胺的NH₂与Ser854的羰基形成氢键, NH₂作为氢键给体与Gln859生成两个氢键。Gln859在不同的PI3K亚型是不一样的, p110β、δ和γ亚型在该位置的残基分别是Asp、Asn和Lys, β和γ的Asp和Lys显然不能与5形成如同Gln的两个氢键, δ亚型的Asn因长度短于Gln也难以形成氢键, 因而, 化合物5对p110α显示特异性结合作用。测定5的活性表明, 对p110α的IC₅₀为0.007 5 μmol·L^-1, 而对其他亚型的抑制作用减弱数十到上百倍(表 1)。

3.2 先导物的优化

以化合物5为先导化合物变换4个位置的原子或基团, 即叔丁基的变换、嘧啶的变换、噻唑环上单甲基和脯氨酰胺的变换。合成的代表性化合物列于表 1。表中列出了化合物对4种亚型的抑制活性、人肝微粒体的代谢清除率和对CYP3A4的抑制作用, 后两个是评价化合物的体外药代性质。分析构效关系如下: ①分子模拟提示化合物5的嘧啶环N3在ATP结合腔内未显示有电性相互作用, 预示换成碳原子的吡啶环对抑制p110α的活性影响不大。果然, 化合物6对p110α活性与5相近; ②化合物7、8和9与6的区别分别是N-甲基(仲胺)、无酰胺基团的四氢吡咯, 以及6的对映异构体, 这3个化合物都不能与Gln859发生双齿型氢键结合, 因而活性显著降低; ③ 10是缩环氮杂丁烷化合物, 活性略有下降, 可解释为氮杂丁烷不如四氢吡咯与His855的咪唑环发生的充分范德华作用所致; ④化合物11的活性强于5和6, 是叔丁基的一个甲基被三氟甲基取代的缘故。分子模拟显示, 容纳叔丁基的疏水腔还有空余的空间, 体积较大的三氟甲基增加了疏水-疏水相互作用。化合物19的活性与6相同, 连接在嘧啶环的甲基环丙基可视作叔丁基的环合物; ⑤其余的化合物活性都有所减弱, 提示那样的变换不利于活性。其中18是二乙胺基取代, 虽然体积比叔丁基大, 但基团的形状与结合腔不匹配, 因而活性也减弱; ⑥研究对人肝微粒体的代谢作用显示5和6的主要代谢位点是叔丁基的羟基化和噻唑环的4-甲基羟基化。化合物11、12、16和17由于三氟甲基或氰基的拉电子效应, 降低了氧化代谢能力, 因而提高了代谢稳定性。17还因为噻唑环有4-氯取代, 进一步提高了稳定性。

4 候选物的确定

收起

用大鼠分别高表达p110α、p110β和p110δ的细胞评价化合物4~19阻断PI3K/Akt信号通路的活性表明, 抑制剂的活性强度和选择性与酶水平测定的结果有相同的趋势, 提示作用机制是相同的。表 2列出了化合物对3种细胞系的抑制活性。数据显示化合物5、6和11对大鼠1-myr-p110α细胞的抑制活性达到纳摩尔水平, 选择性作用很高。

进而选出4个高活性和高选择性的化合物评价对大鼠的药代动力学性质, 结果列于表 3。化合物11的药代性质显著优于其他化合物(Furet P, Guagna V, Fairhurst RA, et al. Discovery of NVP-BYL719 a potent and selective phosphatidylinositol-3 kinase alpha inhibitor selected for clinical evaluation. Bioorg Med Chem Lett, 2013, 23: 3741-3748)。

进一步对化合物11在小鼠、大鼠和犬评价了生物利用度和体内清除率, 并对各种细胞色素P450亚型评价了活性, 证明不是抑制剂和诱导剂。在10 μmol·L^-1浓度下对448种激酶没有显示抑制作用, 提示具有选择性抑制PI3Kα激酶的作用, 遂确定为候选化合物, 定名为阿派西林(alpelisib), 经三期临床研究证明对PI3Kα突变的HR-阳性、HER-2阴性的乳腺癌患者可延长无进展生存期, 治疗中患者对阿派西林有更高的耐受性。经美国FDA批准于2019年上市, 成为第一个针对该靶标治疗晚期乳腺癌的口服药物。

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2023年第58卷第10期

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doi: 10.16438/j.0513-4870.2019-0473

首发时间：2025-11-21
出版时间：2023-10-12

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中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 北京 100050

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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15	6-i-Pr	N	CH₃	0.32	> 9.1	Not test	Not test	Not test	Not test
16		CH	H	0.009 5	3.9	1.1	0.38	2.7	> 10
17		CH	Cl	0.039	5.5	0.43	1.4	17	Not test
18		N	CH₃	0.016	1.2	0.34	0.41	96	Not test
19		N	CH₃	0.012	3.1	0.81	0.69	47	> 10

Compd.

R₁

R₂

R₃

IC₅₀/μmol·L^-1

CL /μL·min^-1·mg^-1

CYP IC₅₀/μmol·L^-1

p110α

p110β

p110δ

p110γ

2-t-Bu

CH₃

0.007 5

1.8

0.35

0.21

> 10

2-t-Bu

CH₃

0.014

4.4

0.33

0.43

> 10

2-t-Bu

CH₃

2.7

> 9.1

4.2

4.6

104

Not test

2-t-Bu

CH₃

0.62

4.9

0.59

0.93

186

Not test

2-t-Bu

CH₃

> 9.1

8.2

3.3

> 10

Not test

2-t-Bu

CH₃

0.019

1.2

0.29

0.32

Not test

CH₃

0.005

1.2

0.29

0.25

> 10

CH₃

0.019

4.1

2.0

1.1

> 10

2-i-Pr

CH₃

0.016

4.0

0.96

1.4

> 10

2-cyc-Bu

CH₃

0.020

1.8

0.69

0.61

> 10

6-i-Pr

CH₃

0.32

> 9.1

Not test

0.009 5

3.9

1.1

0.38

2.7

> 10

0.039

5.5

0.43

1.4

Not test

CH₃

0.016

1.2

0.34

0.41

Not test

CH₃

0.012

3.1

0.81

0.69

> 10

Compd.	IC₅₀/μmol·L^-1
4	0.13	2.1	0.62
5	0.039	3.1	1.5
6	0.061	8.1	0.72
7	> 10	> 10	5.8
8	2.5	> 10	0.77
9	Not test	Not test	Not test
10	0.23	6.4	1.6
11	0.074	2.2	1.2
12	0.64	> 10	> 10
13	0.10	5.9	1.3
14	0.44	7.3	> 10
15	4.6	> 10	> 10
16	0.14	2.4	2.9
17	0.34	> 10	4.9
18	0.17	4.4	2.5
19	0.15	9.6	3.0

Compd.

IC₅₀/μmol·L^-1

rat1-myr-p110α

rat1-myr-p110β

rat1-myr-p110δ

0.13

2.1

0.62

0.039

3.1

1.5

0.061

8.1

0.72

> 10

5.8

2.5

> 10

0.77

Not test

0.23

6.4

1.6

0.074

2.2

1.2

0.64

> 10

0.10

5.9

1.3

0.44

7.3

> 10

4.6

> 10

0.14

2.4

2.9

0.34

> 10

4.9

0.17

4.4

2.5

0.15

9.6

3.0

Compd.	t_½/h	CL in vivo/in vitro /mL·min^-1·kg^-1	Vss /L·kg^-1	PPB /%
5	1.2	21/62	1.2	94
19	1.7	8/47	0.9	97.1
6	3.4	39/77	1.4	Not test
11	2.9	10/29	1.9	94.3

Compd.

Structure

t_½/h

CL in vivo/in vitro /mL·min^-1·kg^-1

Vss /L·kg^-1

PPB /%

1.2

21/62

1.2

1.7

8/47

0.9

97.1

3.4

39/77

1.4

Not test

2.9

10/29

1.9

94.3