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Article(id=1222469642019394512, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, issueId=1222469634733891832, articleNumber=null, orderNo=null, doi=10.16438/j.0513-4870.2016-0908, pmid=null, cstr=null, oa=null, hot=null, price=null, onlineType=0, articleFormat=0, articleType=null, articleTypeStr=research-article, receivedDate=null, receivedDateStr=null, revisedDate=null, revisedDateStr=null, acceptedDate=null, acceptedDateStr=null, onlineDate=1769389075044, onlineDateStr=2026-01-26, pubDate=1565539200000, pubDateStr=2019-08-12, doiRegisterDate=null, doiRegisterDateStr=null, onlineIssueDate=1769389075044, onlineIssueDateStr=2026-01-26, onlineJustAcceptDate=null, onlineJustAcceptDateStr=null, onlineFirstDate=null, onlineFirstDateStr=null, sourceXml=null, magXml=null, createTime=1769389075044, creator=13701087609, updateTime=1769389075044, updator=13701087609, issue=Issue{id=1222469634733891832, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, year='2019', volume='54', issue='8', pageStart='1333', pageEnd='1530', issueExtLink='null', onlineDate='null', pubDate='null', beforeIssueId=null, nextIssueId=null, price=null, status=1, issueComplete=1, articleOrder=1, issueType=-1, specialIssue=null, createTime=1769389073308, creator=13701087609, updateTime=1769389491233, updator=13701087609, preIssue=null, nextIssue=null, ext={EN=IssueExt(id=1222471387697111522, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, issueId=1222469634733891832, language=EN, specialIssueTitle=, coverIllustrator=null, specialIssueEditor=, specialIssueAbout=), CN=IssueExt(id=1222471387697111523, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, issueId=1222469634733891832, language=CN, specialIssueTitle=, coverIllustrator=null, specialIssueEditor=, specialIssueAbout=)}, issueFiles=null}, startPage=1524, endPage=1530, ext={EN=ArticleExt(id=1222469642531099640, articleId=1222469642019394512, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, language=EN, title=null, columnId=null, journalTitle=Acta Pharmaceutica Sinica, columnName=null, runingTitle=null, highlight=null, articleAbstract=null, correspAuthors=null, authorNote=null, correspAuthorsNote=null, copyrightStatement=Copyright ©2019 Acta Pharmaceutica Sinica. 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b: The conformation of ET-1 in solution , figureFileSmall=yjGnisu9BMgm9Z9dMNB3/w==, figureFileBig=Ixf7tnIwEk+4tlQTsmSleg==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647140639002, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=EN, label=null, caption=null, figureFileSmall=ohGdQgVlCR4MDAIT9uNJ8A==, figureFileBig=D5prD+88YU98XTCNhvqqZg==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647232913693, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Figure 2, caption= Group alteration on the pyrimidine core , figureFileSmall=ohGdQgVlCR4MDAIT9uNJ8A==, figureFileBig=D5prD+88YU98XTCNhvqqZg==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647350354208, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=EN, label=null, caption=null, figureFileSmall=bulTvTo5zuKgR7C+zU8CxA==, figureFileBig=J5mx8/I4HVax4KovP+wz+w==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647417463076, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Figure 3, caption= Chrystallography of bosentan , figureFileSmall=bulTvTo5zuKgR7C+zU8CxA==, figureFileBig=J5mx8/I4HVax4KovP+wz+w==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647480377639, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=EN, label=null, caption=null, figureFileSmall=TBjl/2RmRhrw5VaZFOoKRQ==, figureFileBig=YJMQgoAiLxJh8ERPWVAdAQ==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647555875116, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Figure 4, caption= The docking diagrams of bosentan (a) and macitentan (b); the pharmacophoric features of bosentan (c) and macitentan (d) , figureFileSmall=TBjl/2RmRhrw5VaZFOoKRQ==, figureFileBig=YJMQgoAiLxJh8ERPWVAdAQ==, tableContent=null), ArticleFig(id=1222469647669121326, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=EN, label=null, caption=null, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
R Compd. IC50/nmol·L-1 Compd. IC50/nmol·L-1
ETA ETB ETA ETB
4-t-Bu-Ph 7 (bosentan) 45.0 202 13 4.3 76
PhCH2 14 25.7 1 131 15 8.0 465
CH3 16 4 534 9 506 17 739 1 765
), ArticleFig(id=1222469647765590322, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Table 1, caption=

Comparison of activity for the compounds with varied C4-groups and C6-side chains

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
R Compd. IC50/nmol·L-1 Compd. IC50/nmol·L-1
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4-t-Bu-Ph 7 (bosentan) 45.0 202 13 4.3 76
PhCH2 14 25.7 1 131 15 8.0 465
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Compd. R IC50/nmol·L-1
ETA ETB
15 H 8.0 465
18 5-CH3 17.8 1 501
19 5-Cl 2.8 461
20 5-Br 2.2 216
21 5-OCH3 3.2 202
22 5-SCH3 1.1 42
23 5-CF3 3.0 145
24 5-c-Pr 7.7 424
25 4, 6-(OCH3)2 4 775 > 10 000
), ArticleFig(id=1222469647958528315, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Table 2, caption=

Optimization of substituents on pyrimidine ring at C6-side chain

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Compd. R IC50/nmol·L-1
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21 5-OCH3 3.2 202
22 5-SCH3 1.1 42
23 5-CF3 3.0 145
24 5-c-Pr 7.7 424
25 4, 6-(OCH3)2 4 775 > 10 000
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Compd. R IC50/nmol·L-1
ETA ETB
26 4-t-Bu-Ph 1.5 19.3
27 Ph 10.4 341
28 Bz 73 3 479
29 PhCH2CH2 2.2 216
30 PhCH2CH2CH2 6.7 377
31 CH3 113 1 146
32 CH3CH2 14 460
33 CH3CH2CH2 9.4 566
34 n-Bu 4.3 552
35 PhCH2NH 1.9 147
36 CH3NH 7.9 194
37 CH3CH2NH 9.9 655
38 n-PrNH 3.8 322
39 n-BuNH 1.7 167
40 N, N-BzN(CH3)H 7.0 457
41 Morpholinyl 187 1 474
), ArticleFig(id=1222469648201797961, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Table 3, caption=

Activity of optimized C4-phenylsulfonamides

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Compd. R IC50/nmol·L-1
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26 4-t-Bu-Ph 1.5 19.3
27 Ph 10.4 341
28 Bz 73 3 479
29 PhCH2CH2 2.2 216
30 PhCH2CH2CH2 6.7 377
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32 CH3CH2 14 460
33 CH3CH2CH2 9.4 566
34 n-Bu 4.3 552
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37 CH3CH2NH 9.9 655
38 n-PrNH 3.8 322
39 n-BuNH 1.7 167
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Compd. R IC50/nmol·L-1
ETA ETB
35 2-Pyrimidinyl 1.9 147
42 2-Pyrazinyl 2.1 166
43 4-Pyridinyl 3.4 561
44 4-Morpholinyl 1.4 192
45 c-Propyl 14 1 082
46 Methoxy 40 2 490
47 2-CH3OC2H4O 6.9 554
48 H 6.9 525
), ArticleFig(id=1222469648428290392, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Table 4, caption=

Activity of the compounds with varied C2-substituents

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Compd. R IC50/nmol·L-1
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45 c-Propyl 14 1 082
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Compd. X R IC50/nmol·L-1 max ΔMAP* /mmHg ABC** /mmHg·h
ETA ETB
7 Bosentan 45 202 -7 -88
49 O 3-OCH3 1.0 457 -10 -245
50 O 2-Cl-5-OCH3 1.4 712 -24 -639
51 Single bond H 6.8 5 067 NT*** NT
52 Single bond 4-CH3 0.7 441 NT NT
53 Single bond 4-Cl 1.4 506 -18 -593
54 Single bond 4-Br 1.6 461 -14 -445
55 Single bond 4-C2H5 2.3 1 264 NT NT
56 Single bond 4-CH(CH3)2 3.6 2 474 NT NT
), ArticleFig(id=1222469648650588516, tenantId=1146029695717560320, journalId=1189982191388893191, articleId=1222469642019394512, language=CN, label=Table 5, caption=

Optimization of C5-substituents. *ΔMAP = Maximal reduction in mean arterial blood pressure as extracted from the moving average over 6 h after administration of 3 mg·kg-1 of the compound to conscious hypertensive Dahl salt-sensitive rats. **Area between curve (ABC) as calculated from the blood pressure recordings 24 h before and after administration of 3 mg·kg-1 of the compound to conscious hypertensive Dahl salt-sensitive rats. ***NT: Not test

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Compd. X R IC50/nmol·L-1 max ΔMAP* /mmHg ABC** /mmHg·h
ETA ETB
7 Bosentan 45 202 -7 -88
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50 O 2-Cl-5-OCH3 1.4 712 -24 -639
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53 Single bond 4-Cl 1.4 506 -18 -593
54 Single bond 4-Br 1.6 461 -14 -445
55 Single bond 4-C2H5 2.3 1 264 NT NT
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Compd. X R1 R2 IC50/nmol·L-1 max ΔMAP* /mmHg ABC** /mmHg·h
ETA ETB
54 Single bond C6H5CH2NH- 4-Br 1.6 461 -14 -445
57 Single bond CH3NH- 4-Br 1.7 812 -21 -1 045
58 Single bond C2H5NH- 4-Br 0.8 830 -20 -598
59 Single bond CH3CH2CH2NH- 4-Br 0.5 391 -25 -922
60 Single bond n-C4H9NH- 4-Br 0.3 158 -16 -443
61 Single bond c-Pr-NH 4-Br 4.4 1 474 NT NT
62 Single bond N, N-BzN(CH3)H 4-Br 4.3 5 208 NT NT
63 Single bond Morphlinyl 4-Br 2.8 2 829 NT NT
64 Single bond CH3CH2CH2NH- 4-Cl 1.2 784 NT*** NT***
65 O CH3CH2CH2NH- 3-OCH3 1.9 408 -15 -391
66 O CH3CH2CH2NH- 3-OCH3, 6-Cl 0.4 208 -21 -500
67 Single bond CH3CH2CH2- 4-Br 2.2 3 058 -25 -1 116
68 Single bond CH3CH2CH2CH2- 4-Br 1.1 2 424 -22 -734
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Activity of the compounds with varied C4-substituent. *ΔMAP = Maximal reduction in mean arterial blood pressure as extracted from the moving average over 6 h after administration of 3 mg·kg-1 of the compound to conscious hypertensive Dahl salt-sensitive rats. **Area between curve (ABC) as calculated from the blood pressure recordings 24 h before and after administration of 3 mg·kg-1 of the compound to conscious hypertensive Dahl salt-sensitive rats. ***NT: Not test

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Compd. X R1 R2 IC50/nmol·L-1 max ΔMAP* /mmHg ABC** /mmHg·h
ETA ETB
54 Single bond C6H5CH2NH- 4-Br 1.6 461 -14 -445
57 Single bond CH3NH- 4-Br 1.7 812 -21 -1 045
58 Single bond C2H5NH- 4-Br 0.8 830 -20 -598
59 Single bond CH3CH2CH2NH- 4-Br 0.5 391 -25 -922
60 Single bond n-C4H9NH- 4-Br 0.3 158 -16 -443
61 Single bond c-Pr-NH 4-Br 4.4 1 474 NT NT
62 Single bond N, N-BzN(CH3)H 4-Br 4.3 5 208 NT NT
63 Single bond Morphlinyl 4-Br 2.8 2 829 NT NT
64 Single bond CH3CH2CH2NH- 4-Cl 1.2 784 NT*** NT***
65 O CH3CH2CH2NH- 3-OCH3 1.9 408 -15 -391
66 O CH3CH2CH2NH- 3-OCH3, 6-Cl 0.4 208 -21 -500
67 Single bond CH3CH2CH2- 4-Br 2.2 3 058 -25 -1 116
68 Single bond CH3CH2CH2CH2- 4-Br 1.1 2 424 -22 -734
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Dose
(10 mg·kg-1)		 AUC0-∞
/ng·h·mL-1		 Cmax
/ng·mL-1		 Tmax/h F/%
Wistar rats 18 500 ± 8 100 1 670 ± 371 6.0 79
Beagle dogs 27 500 ± 6 500 4 590 ± 2 540 2.0 87
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Pharmacokinetic parameters of macitentan after oral administration in male Wistar rats (n = 10) and male Beagle dogs (n = 10)

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
Dose
(10 mg·kg-1)		 AUC0-∞
/ng·h·mL-1		 Cmax
/ng·mL-1		 Tmax/h F/%
Wistar rats 18 500 ± 8 100 1 670 ± 371 6.0 79
Beagle dogs 27 500 ± 6 500 4 590 ± 2 540 2.0 87
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肺动脉高压治疗药:首创的波生坦和跟随的马西替坦
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郭宗儒
药学学报 | 新药发现与研究实例简析 2019,54(8): 1524-1530
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肺动脉高压治疗药:首创的波生坦和跟随的马西替坦
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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: 2019-08-12 doi: 10.16438/j.0513-4870.2016-0908
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郭宗儒. 肺动脉高压治疗药:首创的波生坦和跟随的马西替坦. 药学学报, 2019 , 54 (8) : 1524 -1530 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2016-0908
. Acta Pharmaceutica Sinica, 2019 , 54 (8) : 1524 -1530 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2016-0908
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。
肺动脉高压是凶险的难治之症, 被称为心血管系统的癌症。以内皮素受体为靶标的拮抗剂波生坦作为治疗药首创于2001年, 从10万个化合物筛选出苗头分子到确定波生坦为候选物, 合成了1 200个化合物, 虽然在发表的文章中难以厘清研发细节, 但从专利报道的实施例可以读出研发者围绕苗头分子的结构作了全面的改造, 而且常常对某一位置作反复优化, 以免此处的结构变换影响了彼处的结合模式, 这是应用构效关系和试错探索(trial and error)应加注意的。12年后上市的马西替坦是以波生坦为起点的跟随性药物, 它优胜和超越波生坦, 反映在药效、药代和安全性等方面, 虽然借鉴了波生坦的许多经验, 但结构上也有许多创新, 读者可从其研发历程领悟出怎样进行跟随性药物创新。(编者按)
1 首创的波生坦
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1.1 研制背景和靶标
1.1.1 肺动脉高压
肺动脉高压(pulmonary artery hypertension, PAH)指肺动脉压力升高超过一定界值的一种血流动力学和病理生理状态, 可导致右心衰竭, 是一种致残率和病死率很高的疾病, 被称为心血管系统的癌症。患者内皮素浓度明显增高, 尤其是肺动脉血浆内皮素水平显著高于右心室和股动脉, 由于肺动脉平滑肌细胞的异常收缩和增殖, 导致肺动脉压力及肺血管阻力增大, 提示血浆内皮素增高在肺动脉高压形成中具有重要的病理生理作用。降低或阻断内皮素的作用是治疗PAH的重要环节。
1.1.2 内皮素和内皮素受体
1988年日本学者Yanagisawa等首先纯化和克隆了由血管内皮细胞产生的多肽, 具有强效收缩血管的功能, 定名为内皮素(endothelins, ETs) (Yanagisawa M, Kurihara H, Kimura S, et al. A novel potent vasoconstrictor peptide produced by vascular endothelial cells. Nature, 1988, 332: 411-415)。内皮素是包括3个结构相近的二十一肽ET-1、ET-2和ET-3的总称, ET收缩血管的作用远强于血管紧张素Ⅱ和去甲肾上腺素作用, 其中ET-1的活性最强。ET的受体是G蛋白偶联受体, ET与受体结合启动的生理效应是多方面的, 最重要的是收缩血管。内皮素受体有两种: ETA和ETB, 主要表达于血管平滑肌细胞上, 作为药物靶标这两种受体都是重要的。血液循环中内皮素水平提高使内皮素系统活化, 引起肺动脉高压等心血管疾病。
1.1.3 内皮素的结构
ET-1是21个氨基酸组成的寡肽, N端的Cys1和Cys3分别与Cys11和Cys15形成两个二硫键, 构成两个环状结构, C端的6个保守的疏水性氨基酸是与受体ETA结合的主要位点。NMR解析ET-1的三维结构表明, C端的六肽靠近中部的二硫环, 是由于Phe14与Ile19、Ile20和Trp21疏水簇集所致。这个构象特征对于模拟肽类或小分子药物设计是重要的启示。图 1是ET-1的结构和ET-1水溶液经NMR测定的构象图(Ragg E, Mondelli R, Penco S, et al. Tertiary structure of endothelin-I in water by 1H NMR and mole-cular dynamics studies. J Chem Soc Perkin Trans 2, 1994, 1317-1326)。
1.2 先导化合物
1.2.1 活性评价
评价化合物对内皮素受体的拮抗作用使用两种体外模型。用重组的人ETA受体表达在Sf9或CHO细胞模型, 评价化合物与放射性标记的内皮素对受体的竞争性结合实验, 计算化合物对ETA受体的IC50。用人胎盘细胞膜富集的内皮素受体(富含ETB)与放射性标记的内皮素竞争性结合实验, 评价化合物对ETB的IC50值。受试物扩张血管的功能实验是对抗一定浓度的内皮素引起大鼠主动脉环的收缩力, 使主动脉环收缩力降低50%所需的化合物摩尔浓度EC50, 作为受试物的拮抗功能的量度, 取其负对数值(pA2), 数值越大化合物的活性越高。
1.2.2 先导化合物的发现
由于缺乏受体三维结构信息, 难以进行理性分子设计, 罗氏公司筛选了10万个化合物, 以10个化合物为一组的混合物作为受试样品实行高通量筛选, 对出现的苗头再区分评价结合作用和功能。这样, 发现化合物1具有初步活性, IC50(ETA) 10 μmol·L-1和IC50(ETB) 8.5 μmol·L-1。这个化合物原作为降血糖而合成的, 但没有降糖作用, 由于1有良好的物化性质和容易合成, 例如用会聚方法构建嘧啶环, 再分步引入4位的苯磺酰和6位的侧链, 还可用不同的脒和取代的丙二酸酯, 变换2位和5位的取代基, 对于制备多样性是易行的, 因而1适宜作为先导物。
对先导物的结构优化位点, 嘧啶环除了1, 3位不能取代和变换外, 其余4个位置都可以修饰, 应用药物化学的构效关系和试错(trial and error)方法, 罗氏对先导结构作了“地毯”式的探索, 如图 2所示的各个位置进行变换的内容。
这些不同位置的各种基团的组合, 共合成了大约1 200个目标物, 测定了活性(Burri K, Clozel M, Fischli W, et al. Verwendung von Sulfonamiden als Heilmittel und neue Sulfonamide. EP 510526.28, 28 Oct, 1992, F Hoffmann-La Roche, Germany)。下面就研发成功波生坦的主要脉络作简要叙述。
1.3 构效关系和结构优化
1.3.1 嘧啶环的4位取代基的变换
化合物1的4位胺磺酰基NH被甲基化(2)失去了活性, (IC50(ETA) > 100 μmol·L-1), 提示氮上氢原子对活性是必要的。由于磺酰基的拉电子效应和p-π共轭的电荷离域化, NH显示酸性和部分离解性, 可能与受体发生重要的氢键或盐键结合。
4位的苯基上4'-氯原子被三氟甲基置换, 化合物3的活性IC50(ETA) 18 μmol·L-1和IC50(ETB) 2 μmol·L-1, 对ETA略有降低, 而ETB的活性提高3倍。CF3的尺寸大于Cl (Es(CF3)=-2.49; Es(Cl)=-0.97, 绝对值越大体积越大), CF3的疏水常数(π值)略大于氯原子(πCF3=0.82, πCl=0.71), 提示苯环对位的大体积和亲脂性基团可能有利于提高活性。这为后来的优化增大该位置的亲脂性提示了方向。
1.3.2 嘧啶环的5位取代基的变换
进而合成亲脂性更强的4'-叔丁基(Es(t-Bu)=-2.78; πt-Bu=1.98), 同时变换嘧啶的5位苯基上取代基, 合成的化合物中, 4的活性显著提高, IC50(ETA) 0.22 μmol·L-1和IC50(ETB) 1.0 μmol·L-1, 动物实验显示对高血压猴有降压作用。将化合物4的3'-甲氧基移至2'位, 化合物5的活性虽略低于4 [IC50(ETA) 1.5 μmol·L-1], 但提高了扩张大鼠主动脉活性, pA2 (-log EC50)为6.02。
1.3.3 嘧啶环2位引入取代基
根据ET-1的三维结构揭示的C端的氨基酸残基Ile19、Ile20和Trp21与Phe14发生疏水性簇集, 并且是与受体ETA结合的重要位点(经ET-1的肽模拟物的构效关系证实), 在化合物5嘧啶环的2位连接出苯环, 模拟配体的簇集特征, 合成了化合物6, 其活性显著提高, IC50(ETA) 0.8 μmol·L-1, pA2为6.90。
在苯环的不同位置用各种基团取代, 以及用其他芳环或芳杂环置换苯基, 经广泛的合成和活性评价, C2被2'-嘧啶基取代的化合物7对ETA和ETB显示出优良和相匹配的活性, IC50(ETA) 0.08 μmol·L-1, IC50(ETB) 0.15 μmol·L-1, 功能活性pA2为7.4。化合物7的构效关系表明, 去除2位苯环上叔丁基(8)使活性减弱; C4磺酰胺基的H被甲基化完全失去活性; 将C5苯环上的甲醚基去甲基化成羟基活性显著减弱; 嘧啶母核换成苯基的活性也减弱。这些构效关系与前述的结构演化所得的的结论是一致的(Neidhart W, Brau V, Bur D, et al. The discovery of non-peptide endothelin receptor antagonists. Progression towards bosentan. Chim Int J Chem, 1996, 50: 519-524)。
化合物7的物理化学性质表明, 水溶解度为0.3%(pH 7.4), log P 3.1, log D 1.3, pKa 5.1, 呈弱酸性。药代动力学实验表明, 口服生物利用度F=50%, 口服给药后3~5 h血药浓度达到峰值。分布容积大约为18 L·kg-1, 清除率大约为8 L·h-1, 消除半衰期t1/2为5.4 h, 与血浆蛋白结合率98%, 主要是白蛋白。罗氏公司命名7为波生坦(bosentan), 经临床Ⅲ期试验研究, 于2001年美国FDA批准上市, 治疗肺动脉高压。每日口服2次, 初始剂量每次62.6 mg, 维持剂量为每次125 mg。
1.4 波生坦的结构特征
波生坦晶体X-射线衍射分析表明, 磺酰胺基呈同向配置, 两面角为62°。两个嘧啶环具有共面结构(4个迫位都是氮原子没有阻转效应), 因而扩大了芳环的平面。5位的苯基受4位和6位基团的“夹挤”, 采取的构象是垂直于中心嘧啶环的平面。图 3为波生坦的X-射线晶体衍射图。与中心的嘧啶环相连的4'-叔丁基苯磺酰胺环和2'-甲氧基苯环在空间的相对位置, 构成了内皮素受体拮抗剂与ET受体特异性结合的构象, 这在后继研发的ET拮抗剂的构象中得到进一步确认。
2 跟随的马西替坦
收起
2.1 研发目标
罗氏公司研发的波生坦为治疗肺动脉高压的首创性药物(first-in-class)。Actelion公司为了研制更优良的药物, 设定了如下的目标: ①比波生坦的作用更强; ②体内对ETB受体也有抑制活性; ③口服一日一次; ④消除波生坦对肝脏小管对胆酸盐外排的抑制作用。为此需要对波生坦的结构作深层次的改造。
2.2 C6侧链连接嘧啶环
2.2.1 外来的线索
日本田边制药研发的ET受体拮抗剂T-0201 (12)体外活性很高, IC50(ETA) 0.4 nmol·L-1, IC50(ETB) 0.12 nmol·L-1, 并进入临床研究, 其结构特征是在C6的乙二醇链的末端连接了嘧啶环, 抑制双靶标的活性显著提高。Actelion依此作为研发的切入口, 在波生坦的C6位的侧链末端也连接了2'-嘧啶环。
2.2.2 在波生坦的骨架上引入嘧啶环
田边的化合物与罗氏的母核有区别, 前者是5-苯基(苯环与嘧啶环单键相连), 后者是5-苯氧基(苯环与嘧啶环经氧桥相连), 模拟12的6位基团, 合成了探索性的化合物列于表 1, 成对地比较末端嘧啶基对活性贡献。
表 1中的数据显示, C4基团无论是芳基、芳烷基或烷基, 只要C6侧链连接有嘧啶环, 对ETA和ETB的抑制活性都比无嘧啶环的高。化合物13是在波生坦(7)的6位侧链连接嘧啶基, 抑制ETA活性提高10倍, ETB提高3倍。另外两对化合的活性虽然较弱, 但含有嘧啶环的化合物活性都比相应不含的要高。
2.2.3 末端嘧啶环上取代基的变换
化合物15对ETA活性IC50 8 nmol·L-1, 以15为模板考察嘧啶环上取代基对活性的影响。表 2列出了化合物的活性。
表 2的构效关系提示, 除5-甲基化合物(18)的活性低于无取代基的(15)外, 其余化合物在5位的取代都提高了ETA的抑制活性, 此外, 5-溴(20)、5-甲氧基(21)、5-三氟甲基(23)也提高了ETB的活性, 尤其以5-甲硫基(22)活性更高。然而, 4, 6-二甲氧基化合物25几乎没有活性。化合物20和22的双靶标活性强度基本达到预定的目标。然而由于结构中含有5个芳香环, 相对分子质量超过600, 预计对物化性质不利, 因而对嘧啶母核的各个位置仍需优化。
2.3 C4取代的优化
为了考察C4苯磺酰胺基连接的基团对活性的贡献, 固定C2、C5和C6的基团不变, 变换叔丁苯基, 合成的有代表性的化合物列于表 3。分析构效关系提示如下:化合物26是波生坦的C6链端连接5-溴嘧啶环, 对ETA和ETB有很强的活性, 但去除叔丁基(27)的两种活性都降低10倍, 提示叔丁基之重要。苄基取代的化合物28活性更低。但苯乙基化合物29对ETA的活性接近26 (但对ETB活性未能恢复活性), 苯丙基(30)的活性略低于苯乙基(29)。简单的烷基取代(31~34) ETA的活性随着链的增长活性提高, 但对ETB活性稍有提升, 但不敏感。
将磺酰胺连接基变换成磺酰二胺化合物, 除吗啉化合物41外, 35~40的活性都很强, 明显优于磺酰胺, 对ETB也呈现有意义的活性, 如苄胺基化合物强于苄基, 甲胺基强于甲基, 乙胺基强于乙基等等, 这个发现指引了优化的新方向。
2.4 C2基团的优化
固定C4的取代基为N-苄基磺酰二胺, C5和C6仍保持原优化的基团, 变换C2的嘧啶环, 考察构效关系, 合成的化合物列于表 4。
C2的嘧啶环变换成吡嗪、吡啶或吗啉, 对ETA和ETB的活性基本不变, 即使换成较小的烷基或烷氧基对ETA活性变化也不大(对ETB较大)。有意义的是化合物48在C2位没有取代, 对ETA活性影响也不大, 提示C2的基团对于受体结合的贡献较小。这个发现对降低分子尺寸很有意义, 若能去除C2的嘧啶基, 可减少一个芳环, 分子量降低79, 对改善物化性质是有利的。虽然在研发波生坦过程中确认C2基团的必要性, 但在新的结构特征下(C4的磺酰二胺基和C6末端的嘧啶基), 需要重新审视C2取代基的作用。
2.5 C5基团的优化
优化至此, 已经对波生坦的结构做了多位点的变换, 在去除C2的取代基后需要对C5位置再做优化, 所选择的片段是从罗氏和田边公司报道的高活性化合物中借鉴而来的(这是跟随性药物研发的常循之道), 表 5列出了化合物的体外活性和体内降压作用。
化合物49的C5取代基是3'-甲氧苯基(不同于波生坦的2'-甲氧基), 抑制ETA作用强于波生坦40余倍, 对ETB的活性减弱一倍。C5苯环直接连在嘧啶母核上, 化合物50的抗ETA活性也比较强, 但对ETB显著减弱, 不过4'-位取代后(52~56)活性明显升高, 这又恢复到研发波生坦初期的结构上, 只是在C2与C6位置上的取代基有较大的变化罢了。
用大鼠灌胃受试物(3 mg·kg-1)评价了化合物的体内降压作用, 波生坦(7)的降低动脉血压的最大值为7 mmHg, 降压持续时间为15 h, ABC值为-88 mmHg·h, 表明7的活性远低于化合物53和54。53和54是里程碑式化合物, 成为优化结构的新起点。为此, 固定C5为单键相连的4'-溴苯基, 再优化C4连接的磺酰(二)胺的取代基。
2.6 候选化合物和马西替坦上市
2.6.1 候选化合物的确定
以C5单键连接4'-溴苯基为固定基团, 变换C4的磺酰二胺结构, 目标为体内外活性最大化, 合成了有代表性的化合物列于表 6。由于57~60等较小烷基取代的化合物活性都很强, 难以区分和选择, 为此进行体内降压活性的比较, 化合物59呈现活性最强, 从而合成了58的周边化合物以发现更强的化合物, 例如64是将化合物59的4'-Br换成4'-Cl, 66是将苯基换成苯氧基(4'-Br换成3'-OCH3, 6'-Cl), 68是将59的正丙胺基换成正丁基, 然而, 这些结构类似的化合物的体外或体内活性都低于59, 因此确定59为进一步研发的候选化合物, 定名为马西替坦(macitentan)。
2.6.2 马西替坦的药效学
大鼠一次灌胃马西替坦3 mg·kg-1, 最大降低动脉血压平均为25 mmHg, 持续时间60 h。大鼠给药范围1~100 mg·kg-1未出现心律变化的不良反应。大鼠灌胃1 mg·kg-1·d-1, 连续7天, 动脉压恒定降低20 mmHg, 并持续到停药后48 h, 恢复到正常水平, 未出现血压反跳现象, 其间也未出现心动过速的不良反应。
2.6.3 马西替坦的药代动力学
大鼠和犬实验表明马西替坦有良好的药代动力学性质, 表 7列出了口服给药的主要药代参数, 表明有较高的口服生物利用度, 大鼠有较低的血浆清除率(6.7 mL·min-1·kg-1)和较好的组织分布(1.8 L·kg-1)。马西替坦在体内代谢位点是N-去丙基化, 代谢生成物69对ETA和ETB的IC50分别是3.4和987 nmol·L-1, 仍具有活性。
2.6.4 马西替坦消除了波生坦的抑制胆酸外排作用
波生坦可引起剂量依赖性的转氨酶增高, 是由于抑制了肝脏转运胆酸的功能, 引起肝内胆酸淤积作用。动物实验表明, 马西替坦不抑制肝脏的胆酸转运功能(Fattinger K, Funk C, Pantze, M, et al. The endothelin antagonist bosentan inhibits the canalicular bile salt export pump: a potential mechanism for hepatic adverse reactions. Clin Pharmacol Ther, 2001, 69: 223-231)。
2.6.5 马西替坦批准上市
马西替坦的物化性质、药效学和药代动力学性质达到了Acterion公司预定的研发标准, 完成临床前研究后, 经Ⅲ期临床试验, 表明是治疗肺动脉高压的有效药物, 美国FDA于2013年批准了马西替坦上市。
2.7 波生坦和马西替坦与ETA受体的结合特征
ETA受体为G蛋白偶联受体, 迄今仍未解析三维结构。根据已知的孤啡肽受体(orphanin FQ receptor)晶体结构, 经同源模建生成ETA受体三维结构, 对波生坦和马西替坦分别做分子对接, 配合对受体结合部位的氨基酸残基做定点突变, 测定突变体与波生坦和马西替坦的结合力, 用以分析它们的结合特征。结果表明, 二者的结合方式是不同的。
首先, 由于波生坦的磺酰胺基有一定的酸性(pKa 5.1), 与Arg326形成较强的正负电荷引力, 因而当Arg326突变为Gln326, 因后者缺少正电荷, 降低了波生坦的结合力。而变换为磺酰二胺, 两个-NH-导致离解性减弱(pKa 6.2), 与Arg326未能形成静电结合作用, 因而突变为Gln326不影响马西替坦的结合。
第二, 波生坦为刚性分子, 它的叔丁苯基以伸展型构象突入到由Ile355等组成的另一个疏水腔内。当Ile355突变为Ala355, 空间变小不能容纳叔丁苯基的进入, 因而导致基团间不能适配, 结合作用减弱。但马西替坦相对应的片段为正丙基链, 突变后的Ala355仍可容纳该柔性链, 所以也不影响马西替坦的结合。
最后, Leu322变异为Ala322对马西替坦的结合影响显著, 是因为Leu322形成的腔与正丙基发生强效的疏水性结合, Ala322减弱了这种作用。然而波生坦的结构本来就没有触及到这个腔穴, 所以变异前后都不影响其结合(Gatfield J, Grandjean CM, Bur D, et al. Distinct ETA receptor binding mode of macitentan as determined by site directed mutagenesis. PLoS One, 2014, 9: e107809)。图 4a和b分别是波生坦和马西替坦分子对接并参考定点突变受体的实验结果模拟的结合图。如前所述, 两个药物分子都结合于ETA同一活性中心, 但由于结构的刚柔区别和离解性差异, 导致微观结合的不同。若将对接后的分子抽提出来, 比较波生坦与马西替坦分子的取向和构象(图 4c和d), 可以看出有两个结构片段的区别:即在图中标示的2和3处分别有缺失, 但并不影响结合与功能(Gatfield J, Mueller Grandjean C, Sasse T, et al. Slow receptor dissociation kinetics differentiate macitentan from other endothelin receptor antagonists in pulmonary arterial smooth muscle cells. PLoS One, 2012, 7: e47662; Boss C, Bolli MH, Gatfield J. From bosentan (Tracleer) to macitentan (Opsumit): the medicinal chemistry perspective. Bioorg Med Chem Lett, 2016, 26: 3381-3394)。
回到本文开始提到的内皮素结构的话题。C端6个疏水性氨基酸与Phe14发生疏水性簇集作用, 并且是与ETA受体结合的重要因素, 作为拮抗剂的波生坦和马西替坦外周的芳香环履行的功能就是对应了天然配体内皮素的关键氨基酸, 这些芳环结合的受体部位是Gln165、Lys166、Leu322、Arg326、Lys329、Asp351和Ile355组成的结合位点。
2019年第54卷第8期
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doi: 10.16438/j.0513-4870.2016-0908
  • 首发时间：2026-01-26
  • 出版时间：2019-08-12
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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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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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