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Exploration of the S4 pocket for potency

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P4 and core modifications for PKa potency optimization

, figureFileSmall=null, figureFileBig=null, tableContent=
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Selected SAR from the P1 group library

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Selected SARs from substituted phenyl P1 groups

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Selected SARs from substituted heterocyclic P1 groups

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新型口服治疗遗传性血管性水肿病药物塞贝特拉斯他的研制
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郭宗儒
药学学报 | 新药发现与研究实例简析 2026,61(6): 2372-2376
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新型口服治疗遗传性血管性水肿病药物塞贝特拉斯他的研制
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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: 2026-06-12 doi: 10.16438/j.0513-4870.2025-1160
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郭宗儒. 新型口服治疗遗传性血管性水肿病药物塞贝特拉斯他的研制. 药学学报, 2026 , 61 (6) : 2372 -2376 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2025-1160
. Acta Pharmaceutica Sinica, 2026 , 61 (6) : 2372 -2376 . DOI: 10.16438/j.0513-4870.2025-1160
遗传性血管性水肿(HAE) 是一种罕见遗传性疾病, 患者身体的不同部位会出现疼痛性肿胀, 当肿胀发生在上呼吸道时可能危及生命。本案例就是研制治疗HAE的化学药物, 研制依据是对该疾病发生的分子机制进行干预。
HAE的发生与发作源于遗传因素, 与表达的血浆激肽释放酶(plasma kallikrein, PKa) 活性失控以及缓激肽(BK) 生成密切相关。此外, 也与内源性蛋白C1酯酶抑制剂(C1-INH) 的调节有关, C1-INH是PKa的主要生理性抑制剂。
人血浆中有许多蛋白酶在凝血、纤溶、引发炎症和疼痛等生理/病理过程中起重要作用, 其中凝血因子XII和XIIa蛋白不仅是凝血级联反应的导火索, 而且XIIa还启动了血浆激肽释放酶-激肽系统(KKS), 催化血浆前激肽释放酶(PK) 水解切割成活化态的PKa, 后者又将高分子量的缓激肽原(HK, 626肽) 转化为九肽的BK, BK具有多种生理功能, 比如引起血管舒张、增加血管通透性、诱发炎症和疼痛等。由凝血因子激活得到PKa又催化XII转化为XIIa, 形成了正反馈的激活效应。
血浆中存在的C1-INH是人体免疫和炎症系统的重要蛋白, 主要在肝脏中合成, 属于“丝氨酸蛋白酶抑制剂”家族, 作为一种内肽酶, 能水解蛋白质的一些肽键, 生成较小的蛋白质或多肽分子。C1-INH对上述的血浆激肽释放酶-激肽系统多个环节具有抑制调节作用, 既抑制PK转变为PKa, 也抑制HK水解成BK, 还抑制PKa反馈激活XII的转化。图1是上述级联/抑制过程的示意图。由SERPING1基因突变引起的C1-INH缺陷是导致最常见HAE类型的主要原因, 但HAE也可在C1-INH活性正常的情况下发生, 研究证实即使C1-INH活性正常的HAE患者PKa在发病过程中起关键作用。
本案例的目标是研制血浆激肽释放酶抑制剂, 阻断其对高分子量激肽原发生裂解, 以减少缓激肽的生成, 还能抑制血浆激肽释放酶对KKS的正反馈, 减少凝血因子XIIa和新的PKa生成, 从而提高治疗效果。
为了测定化合物对离体人源PKa抑制活性, 将受试物与人源PKa蛋白温孵5 min, 用荧光光度法测定荧光底物裂解的动力学评价酶活性。PKa酶活性采用H-D-Pro-Phe-Arg-AFC作为底物进行测定。通过四参数剂量-反应曲线对标准化荧光增长率进行拟合, 计算受试物的IC50值, IC50值越低表明活性越强。
测定候选化合物的选择性作用, 是对一组丝氨酸蛋白酶催化作用的影响, 受试物经与蛋白酶温孵5 min后, 分别加入各蛋白酶特异性荧光底物, 测定荧光强度, 通过四参数剂量-反应曲线对标准化荧光增长率进行拟合, 从而计算IC50值, IC50值越高表明选择性越强。
PKa的活性位点包含多个亚位点, 这些亚位点采用Schechter和Berger命名的S1、S2等表示, P1、P2等表示占据对应亚位点的配体基团或片段(Schechter I, Berger A. On the active site of proteases. Biochem Biophys Res Commun, 1967, 27: 157-162)。PKa属于胰蛋白酶样丝氨酸蛋白酶家族, 该家族对赖氨酸或精氨酸等带正电荷氨基酸的特异性识别, 是由位于S1腔穴底部的Asp189驱动的, 天冬氨酸的负电荷与带正电荷氨基酸形成强效静电相互作用。设计PKa抑制剂需在P1处有碱性基团以结合于S1腔, 但碱性基团往往对口服生物利用度产生不利影响。本研究的目标之一是降低或避免碱性基团。
研制者从专利中发现化合物1具有很强的PKa抑制活性(Inhibitors of plasma kallikrein. WO 2008/016883; Chilcote TJ, Sinha S. ASP-634: An oral drug candidate for diabetic macular edema. Invest Ophthalmol Vis Sci, 2012, 53: 2240), IC50 = 4.4 nmol·L-1, 配体效率LE高达0.43 (LE = 1.37 pKa/N非氢原子数), 1的pKa 11.6, 碱性的苯脒应是结合S1腔的P1结构, 为降低碱性以有利于药代, 将苯脒换作苄胺化合物2, pKa 9.1, IC50 = 3 700 nmol·L-1, LE = 3.1, 可以看到伴随分子的碱性减弱, 活性和配体效率显著降低。研制者以苄胺2为苗头化合物, 变换分子的另一端, 是延长N-苄基片段, 因为1的苄基没有触及到S4结合腔底部。
吡咯的N-苄基用噻吩甲基置换, 3的活性与2相近, 是由于苯和噻吩的尺寸和物理性质相似的缘故。不同长度的N-苯烷基(C2~C5) 置换, 以苯丁基(6) 活性最好。苯基替换丁基(对位长度相近, 是药物化学常用的环-链替换), 联芳基或芳甲芳基化合物9~18中3个化合物11、17和18的活性显著提高(表1)。
专利还报道了1的2,5-二甲基吡咯片段若被吡唑置换, 活性虽然有所损失, 但配体效率变化不大, 意味着分子尺寸减小有利于药代和物化性质, 从而将11、17和18的二甲基吡咯用吡唑替换, 得到的19~21, 活性与化合物效率列于表2。SAR显示, 19的活性降低, 20和21的活性都因改成吡唑环连接而活性提高, 尤其是21活性非凡, 配体亲脂性效率LLE (LLE的定义是pKa - pLogP) 高达7.1, 提示吡啶酮与吡唑的二环搭配是优化结构。
为了降低伯胺的碱性, 使P1呈中性或弱碱性, 研制者在ZINC片段数据库设计了一个酰胺库, 筛选分子量小于250的伯胺, 通过理化性质、与PKa抑制剂P1基团的形状叠合及分子对接实验进行过滤, 最终获得140种胺类化合物, 进行平行合成。
在96孔板初筛化合物采用1 000和100 nmol·L-1单浓度双次测定活性。在1 000 nmol·L-1抑制率超过70%且100 nmol·L-1抑制率超过30%的化合物, 测定IC50。发现P1没有碱性基团的取代苯环也具有抑制活性, 表3选取部分构效关系数据以展示取代基及其位置对抑制率的影响。无取代基化合物22在1 000和100 nmol·L-1浓度下抑制率均较低(< 30%)。间甲氧基化合物28和对甲基化合物31的IC50分别为90和88 nmol·L-1, 配体效率达0.31和0.32。
SAR还提示邻位-邻位(R1和R4) 双取代类似物33~38比单邻位取代物26~29活性显著提升。例如2-F-6-CF3双取代物35的IC50为7.8 nmol·L-1, LE = 0.32。这两个邻位取代基的变换似乎未产生显著影响。该构效关系在获得晶体结构前难以合理解释, 但可能表明S1腔中对邻位双取代苯环存在构象偏好, 或是苯环上取代基通过协同效应与S1中的不同相互作用位点发生了接触。
这一节的优化是在保持活性的前提下改善药代性质。吡唑甲酰氨片段是个极性片段, 38的活性很高, 但过膜性能很差, 若在酰基的邻近增加基团, 空间上遮盖了-C(O)-NH-氢键给体, 可提高脂溶性, 有利于穿越脂质细胞膜; 与此同时变换末端苯环三个位置的取代基, 合成的化合物结构、活性和药代/物化性质列于表4。当吡唑3-位引入甲氧甲基, 39的活性基本未变, 而过膜性提高了5倍。苯环的两个邻位基团R2和R4存在取代基都有较强活性, 单取代的41~43虽也有较好活性, 但44~46活性很差, 或许是R3极性强(形成氢键) 或体积较大的原因。综合评价性质39和48是基团配置优良的化合物。
至此, P1已由碱性的苄胺演化成2,6-二取代苯基, 说明P1对活性有较大的化学空间, 因此在固定吡唑环有甲氧甲基的取代和P4的吡啶酮前提下, 以中性或弱碱性芳杂环代替苯环, 以提高化合的溶解性, 合成的化合物和活性列于表5。
结果显示所有化合物都有不同程度的活性。含有五元环的吡唑和噻吩环的化合物58~61呈现中等强度活性。六元环系包括吡啶和嘧啶类结构, IC50值范围在6.0至7 900 nmol·L-1。提示对结构有严格的限制性, 其中连接在2-位且具有4-甲氧基的吡啶化合物69、73和74活性最强, IC50值小于10 nmol·L-1。而异丙氧基取代的75活性显著降低(2 400 nmol·L-1), 表明S1结合腔的空间不大。
进一步比较高活性化合物药代动力学性质, 发现表观渗透系数(表征过膜性) 和人肝微粒体清除率(HLM CL) 与化合物的亲脂性(cLogP) 有密切相关性, cLogP值为1.8的73具有最低清除率(数据省略)。大鼠和犬体内药代动力学实验也表明73具有良好的性质, 从而确定为候选物, 定名为塞贝特拉斯他(sebetralstat, 编号KVD-900), 经临床前和临床试验, 表明口服可有效治疗遗传性血管性水肿急性发作, 美国FDA于2025年7月批准上市。
图2是塞贝特拉斯他与PKa复合物晶体结构图, 结合特征简述如下: ① 73以U形构象结合于S1~S4腔内, 处于S1腔的3-氟-4-甲氧基吡啶的P1片段不存在强碱性, 所以没有与Asp189形成盐桥的条件, 并且在S1腔内没有发现其他的极性相互作用, 4-甲氧基取代基占据了底部的疏水腔。3-氟-4-甲氧基吡啶片段精准适配S1腔, 是对结合能的重要贡献, 从而不需要与Asp189产生离子相互作用。②酰氨的-NH-与Ser214骨架C=O形成氢键, 羰基与Lys192末端的NH3+也是氢键结合。吡啶酮羰基与Gly99骨架N-H形成氢键。③至少有3个位点发生面-面π-π堆积作用: 吡唑环与His57的咪唑环, 苯环与Trp215的吲哚环, 以及末端吡啶酮与Tyr174的苯基都分别发生π-π堆积而增强结合。

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2026年第61卷第6期
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doi: 10.16438/j.0513-4870.2025-1160
  • 首发时间:2026-09-21
  • 出版时间:2026-06-12
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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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种数
Number of
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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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