作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计.ppt

第 三 章 作用于过氧化物酶体增殖 因子活化受体的药物设计 1 内 容 n简介 nPPAR 激动剂 nPPAR 激动剂 nPPAR 部分激动剂 nPPAR 拮抗剂 nPPAR / 双重激动剂 nPPAR 激动剂 nPPAR / 三重激动剂 2 一、简介 n型糖尿病，又称为非胰岛素依赖型糖尿病（non -insulin-dependent diabetes mellitus，NIDDM） ，占糖尿病患者的90%以上。现在，已有一亿两 千万人口患有糖尿病。据估计，到2020年，这一 数字将达到二亿。 n 治疗型糖尿病的基本方法是控制血糖水平。但 是，降糖治疗会导致心血管并发症如视网膜病的 发生。这说明，研制开发新型高效低毒的糖尿病 药物已经迫在眉睫。 n在研发降糖新药的各种方法中，引人瞩目的一个 方法是研发过氧化物酶体增殖因子活化受体（ peroxisome proliferator-activated receptors， PPARs）的激动剂。 3 l l 过氧化物酶体增殖因子活化受体（过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARsPPARs）是由 Issemann和Green在1990年发现的。 l过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARs）属于核受 体超家族的成员，也是一类由配体激活的转录因子 。 l该受体发现以后的短短几年间，科学家识别了该受 体的三个亚型，分别为PPAR (NR1C1), PPAR (NR1C2) (also known as PPAR , NUCI, FAAR) 和 PPAR (NR1C3). 4 nPPAR 存在于肝脏和骨骼肌组织中。在这 些组织中，PPAR 调节基因的表达，如脂 肪的代谢和平衡。 nPPAR 广泛存在于各种组织中，但是其功 能尚未明确。 nPPAR 主要存在于脂肪组织。体外实验表 明，PPAR 在脂肪细胞分化过程中起着重 要作用。这说明，PPAR 是脂肪储存利 用方面的一个重要成分。 5 PPAR当被特定的小分子（如类固醇、类维生 素A、脂肪酸等）激活以后，PPAR与类维生 素A受体形成二聚物。该二聚物与某些基因上 游的特异的一段DNA，亦称为过氧化物酶体 增殖因子反应元件（peroxisome proliferator responsive element，PPRE， 位于靶基因的调节区）结合，然后刺激了关于 脂代谢和脂平衡的基因转录。PPREs的作用是 编码蛋白质，包括脂质和脂蛋白代谢。 PPAR与类维生素A受体二聚物的激活与控制 脂质，糖类和能量平衡的基因密切相关。所以 ，PPARs不适当的激活或者失活会导致疾病的 发生，如型糖尿病、心血管病，等。 6 p近十年来，PPARs介导各种代谢过程的能力已经使 其成为药理学和遗传学研究的焦点。现在的药学研 究目标是寻找PPAR的配体，以期发现新型高效低毒 的抗糖尿病药物。现已发现的配体包括： PPAR 激动剂（抗动脉粥样硬化，抗脂异常）； PPAR 激动剂（用于治疗型糖尿病）； PPAR 部分激动剂（抗糖尿病活性，副作用小）； PPAR 拮抗剂（是研究PPAR 信号通路的工具） ； PPAR / 双重激动剂（能协同的改善糖脂代谢）； PPAR 激动剂（可能对脂循环有作用）； PPAR / 三重激动剂（有抗糖尿病活性）。 7 二、PPAR 激动剂 n天然PPAR 激动剂 蝶芪（音齐）（Pterostilbene (1)）是 PPAR 的激动剂。 8 2. 合成的 PPAR 激动剂 2.1 苯氧基烷酸类（贝特类，Fibrates）及其类似物 近年来，贝特类药物，如氯贝丁酯(clofibrate，2) 、非诺贝特(fenofibrate，3)、苯扎贝特 (bezafibrate，4)(Fig. 1)是临床上广泛应用的影响 胆固醇和甘油三酯代谢的药物。 Fig. 1. 贝特类药物 9 2. 合成的 PPAR 激动剂 10 2. 合成的 PPAR 激动剂 n虽然贝特类药物是PPAR配体，但是其亲和力 很弱（需要微摩尔浓度才能激活PPAR ）， PPAR亚型选择性很差。因此，需要大剂量使 用(about 300-1200 mg/day)，才能起效。因 此，需要研发更有效的具有亚型选择性的 PPAR 激动剂。 11 2. 合成的 PPAR 激动剂 据报道，具有手性中心的贝特类药物(5, Fig. 2)的立体化 学性质影响其药理活性。科学家合成了一些具有手性中心 的无环贝特类似物(5, Fig. 2)和成环贝特类似物(6-8, Fig. 2)。活性测试表明，成环后，化合物刚性增加，表现出抑 制脂肪分解的活性。 Fig. 2. 无环贝特类似物(5)和成环贝特类似物(6-8)12 2. 合成的 PPAR 激动剂 nGlaxoSmithKline(葛兰素史克)公司发现了一 个PPAR 激动剂GW9578 (9)，也是苯氧基 烷酸类似物。 13 2. 合成的 PPAR 激动剂 Merck公司用1,3-二氧亚丙基linker链接酸性 头部和亲脂性尾部，发现了2,3-二氢苯并呋喃- 2-羧酸类化合物10，这是高效且具有亚型选择 性的PPAR 激动剂. 其EC50 1000倍。据推测，这类化合物的高选择 性是由于2,3-二氢苯并呋喃环引起的构象限制 产生的。 14 2. 合成的 PPAR 激动剂 nEli Lilly(礼来)公司和Ligand公司发现了具有2,4-二氢-3H- 1,2,4-三唑-3-酮(三唑酮)母核的PPAR 激动剂。其中活性 最好的一个化合物是LY518674 (11)，其对PPAR 的EC50 = 42 nM，且具有高度的亚型选择性。LY518674已经进入 临床试验研究。 15 2. 合成的 PPAR 激动剂 nMeyer等人发现了K-111(12, BM 17.0744，-取代 的烷基羧酸)是PPAR激动剂，且没有PPAR 和 PPAR 激动活性。 16 2. 合成的 PPAR 激动剂 2.2 -取代的苯丙酸衍生物 日本Kyorin公司选择了KRP-297 (13，PPAR /双重激动剂，对 /活性相当)作为先导化合物，开发选择性的PPAR激动剂。该 公司科学家预测，将噻唑烷二酮(thiazolidine-2,4-dione， TZD)母核替换成其他的酸性官能团，如贝特类药物中的羧基，可 能会减少PPAR 的亲和力，有利于PPAR 的选择性(Fig. 3)。根 据这一思想，他们发现了一个PPAR 激动剂(S)-10 (14, KCL1998001079, -烷基苯丙酸衍生物)。该化合物对PPAR 有选 择性。 Fig. 3. (S)-10的发现.17 2. 合成的 PPAR 激动剂 Fig. 4. (S)-10的构效关系. 18 2. 合成的 PPAR 激动剂 2.3 恶唑基-丝氨酸类化合物 大多数合成PPAR , 和激动剂具有以下结构特征：极性 头部 “A” 通过短链“B”和芳环“C”相连，芳环“C”又通过链“D” 与疏水环“E”相连。短链“B”和链“D”有可以含有取代基F和G (Fig. 5)。 Fig. 5. 合成PPAR , , 和 激动剂的结构特征. 19 2. 合成的 PPAR 激动剂 n在此结构特征基础上，Wei等人设计合成了一系列 恶唑基-丝氨酸类PPAR激动剂，其中，15 是活性 最好的一个，对PPAR 的 EC50 = 0.67 uM。 20 三、PPAR 激动剂 n 天然 PPAR 激动剂 Palmer和Wolf发现了cis-parinaric acid (16, CPA, Fig. 6)（杷荏酸， 十八烷四烯酸）是PPAR 激动剂，其Kd值是669 nM。这是脂肪酸激 动PPAR 的第一次报道。 无环呋喃二萜化合物saurufuran A (17, Fig. 6) 是从Saururus chinensis（三白草）的根中得到的，是 PPAR 激动剂，EC50 = 16.7 uM。 15-deoxy-12,14 前列腺素J2 (15-d-PGJ2, 18, Fig. 6)是 J-系列环戊烯 酮前列腺素的代谢产物，是迄今最有效的天然PPAR 激动剂，其 EC50 = 1-2 uM。 Fig. 6. 天然PPAR 激动剂. 21 2. 合成 PPAR 激动剂 2.1 噻唑烷二酮类(Thiazolidinediones， TZDs) n上世纪九十年代末，美国食品药品管理局 (Food and Drug Administration，FDA)批准 噻唑烷二酮类(“glitazones” or thiazolidinediones)药物上市，用于治疗 型糖尿病。这类药物具有共同的结构特征 ：噻唑烷二酮母核(TZD)。 22 2. 合成 PPAR 激动剂 n1997年，第一个噻唑烷二酮类药物曲格列酮（ troglitazone）上市。之后因陆续出现肝损害报告而撤出 。1999年，罗格列酮rosiglitazone和吡格列酮 pioglitazone上市，成为此类目前应用的主要品种。 Fig. 7. 噻唑烷二酮类药物 23 2. 合成 PPAR 激动剂 n同时，在九十年代中期，科学家发现噻唑 烷二酮类药物的靶点是PPAR 。噻唑烷二 酮类药物通过激动PPAR ，增加脂肪细胞 、肝细胞、骨骼肌细胞对胰岛素的敏感性 ，促进胰岛素靶细胞对血糖的摄取、转运 和氧化利用；同时降低血糖及游离脂肪酸 的水平。 24 2. 合成 PPAR 激动剂 Fig. 8. 噻唑烷二酮类PPAR激动剂的药效团结构. Kurogi研究了噻唑烷二酮类药物的可能药效团结构。他将罗格列酮rosiglitazone和吡 格列酮pioglitazone的结构分成连接区和效应区。连接区是噻唑烷二酮母核，效应区 是决定生物活性的区域。在连接区和效应区之间有一个linker（Fig. 8）。 25 2. 合成 PPAR 激动剂 2.2 L-酪氨酸类化合物 22是PPAR 的激动剂，其EC50在微摩尔数量级。以22 为先导化合物，Glaxo Wellcome(葛兰素威康)公司发现了 PPAR 激动剂 23 (Fig. 9)。 Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现. 26 2. 合成 PPAR 激动剂 对化合物的结构优化发现23结构中烯胺酮基团被2-氨基二苯酮基团替换得 到24，活性更好(Fig. 9)。将24的苄基用4-乙基-5-甲基-2-苯基唑代替，得到 高效选择性的PPAR 激动剂25 (法格列酮，farglitazar) (Fig. 9)。 Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现. 27 2. 合成 PPAR 激动剂 nGlaxo Wellcome（葛兰素威康）公司又进一步研究了芳烷基醚基团的构效 关系。将苯基恶唑基团中的苯基用极性基团代替，如吡啶基，得到26 (PPAR pKi = 8.85, PPAR pEC50 = 8.74)。将苯基恶唑基团中的苯基用 极性基团代替，如4-甲基哌嗪基，得到27 (PPAR pKi = 8.66, PPAR pEC50 = 8.89)。这两个化合物是选择性的PPAR 激动剂，与法格列酮 farglitazar相比，水溶性增加(Fig. 9)。 Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现 . 28 2. 合成 PPAR 激动剂 n与噻唑烷二酮类药物相比，法格列酮 farglitazar对PPAR 的pKi = 8.94，pEC50 = 9.47，亲和力和活性都有了较大提高。 噻唑烷二酮类药物与法格列酮亲和力和活 性的差别可以通过Fig. 10 得到解释。法格 列酮farglitazar现已进入期临床实验。 29 2. 合成 PPAR 激动剂 Fig. 10. PPAR 活性位点的氨基酸。催化区由SER289, HIS323, TYR473 and HIS449组成（蓝色）。法格列酮farglitazar是PPAR 激动剂。 在PPAR 活性位点左侧底部，有一个口袋。法格列酮farglitazar的2-氨基二苯 酮基团能够伸入这个口袋。这种伸入导致了法格列酮farglitazar和PPAR 更有 效的结合（主要是通过疏水作用）。但是，噻唑烷二酮类药物没有能够伸入口 袋的基团。此外，-苯丙酸基团可以看作是苄基噻唑烷二酮的电子等排体。 30 2. 合成 PPAR 激动剂 2.3 苯并恶嗪酮衍生物 Rybczynski等人发现了苯并恶 嗪酮类化合物是PPAR 激动 剂。这类化合物不含噻唑烷二 酮母核。他们还研究了构效关 系。苯并恶嗪酮的苯环上有取 代基时，不利于活性。苯并恶 嗪酮氮原子上连接脂肪侧链时 ，活性最好，最佳侧链长度是 5-8个原子。化合物的立体化 学也对活性至关重要。R构型 化合物活性最好。28 和29是 活性最好的两个化合物，其 PPAR EC50分别是110 nM 和274 nM。 31 2. 合成 PPAR 激动剂 2.4 二芳基醚羧酸衍生物 LY293111 (30)是一个二芳基醚羧酸衍生物，也 是一个PPAR 激动剂，已经进入期临床实验。 32 2. 合成 PPAR 激动剂 2.5 吲哚类化合物 Mahindroo等人合成了一系列吲哚类PPAR 激动剂，并研究了 构效关系。正丙基或正丁基是最佳的linker连接；5-取代的吲 哚、羧酸头是最佳的PPAR 结合基团；苯基恶唑尾是最佳的 效应基团。吲哚基团可与PPAR 活性位点疏水结合，是重要 的结合基团。通过体外实验，发现了先导化合物BPR1H036 (31)。 33 四、PPAR 部分激动剂 n最近临床前研究表明，血管紧张素受体拮 抗剂泰米沙坦telmisartan (32)是选择性的 PPAR 部分激动剂。 34 五、PPAR 拮抗剂 l上述PPAR 配体都是其激动剂。发现PPAR 拮抗剂能够提 供研究PPAR 信号通路的工具，有重大意义。 l在高通量筛选寻找PPAR 配体过程中，GlaxoSmithKline（ 葛兰素史克）公司发现了GW9662 (33)是PPAR 拮抗剂，其 对PPAR 拮抗活性IC50达到纳摩尔数量级，且对PPAR 有 选择性拮抗作用。 35 六、PPAR / 双重激动剂 n 天然PPAR / 双重激动剂 n8-(S)-HETE (34)是花生四烯酸代谢产物，是PPAR 强激动剂(EC50 = 100 nM)，对PPAR 也有部分激动 活性。因此，Caijo等人选择8-(S)-HETE作为先导化 合物，设计其类似物(Fig. 11)。 Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉类衍生物. 36 n部分类似物表现出PPAR /双重激动活性。其中活 性最好的一个化合物是喹啉类化合物35。其结构特 点是在56位有一个炔键。该化合物对PPAR 的 EC50是114 nM，对PPAR 的EC50是617 nM。 Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉类衍生物. 37 2. 合成PPAR / 双重激动剂 2.1 -取代苯丙酸衍生物 n替赛格列他Tesaglitazar (36, AZ242)是苯丙酸衍生物 ，是PPAR / 双重激动剂。 38 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n具有PPAR / 双重激动活性的该类化合物还有SB 213068 (37)。 nLohray等人用不同的三环系统取代SB 213068 (37)的甲 氨基苯并恶唑基团，发现了罗格里扎ragaglitazar (38, (- )DRF 2725), 是含有吩嗪结构的苯丙酸类化合物(Fig. 12- 1)。罗格里扎ragaglitazar是PPAR / 双重激动剂，其 EC50分别是0.98 和 0.092 uM。 Fig. 12-1. 罗格里扎ragaglitazar的发现. 39 2. 合成PPAR / 双重激动剂 Novo Nordisk（诺和诺德）公司用咔唑三环系统替代罗格里 扎ragaglitazar的吩嗪三环系统，发现了3q (39)，是PPAR / 双重激动剂，PPAR (EC50 = 0.36 uM)，PPAR (EC50 = 0.17 uM) (Fig. 12-2) 。 Fig. 12-2. 3q的发现. 40 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n此外，Eli Lilly（礼来）公司和Ligand公司发现 LY510929 (40) 是PPAR / 双重激动剂，其EC50分 别是9和4 nM。 41 2. 合成PPAR / 双重激动剂 Eli Lilly（礼来）公司研究了含有苯氧基苯醚结构的2-烷氧基 苯丙酸类化合物构效关系，发现了改变苯氧基的取代位置会 调节PPAR各亚型的活性，调节PPAR各亚型的选择性。 LY519818 (41) 是一个PPAR 高效激动剂，也是一个PPAR 弱激动剂。 42 2. 合成PPAR / 双重激动剂 基于已知的-烷氧基苯丙酸和-氨基苯丙酸类PPAR激动剂的结构，Bristol- Myers Squibb（百时美施贵宝）公司通过电子等排策略设计了一个苄基甘 氨酸类化合物42。通过这种改变，可以除去一个手性中心，简化合成，更 易于衍生化。通过将42的N-苄基用其他基团替换，发现了莫格他唑 muraglitazar (43, BMS-298585)，这是一个PPAR / 双重激动剂(Fig. 13) ，其EC50分别是PPAR (EC50 = 320 nM)；PPAR (EC50 = 110 nM)。 Fig. 13. 莫格他唑 muraglitazar的发现 43 2. 合成PPAR / 双重激动剂 2.2 苯氧基烷酸类（Fibrates）类似物 Eli Lilly（礼来）公司和Ligand公司将已知PPAR 和PPAR 选 择性激动剂的药效团整合到一个分子中，设计合成了丙酸衍 生物44。44具有PPAR / 双重激动活性。 44 2. 合成PPAR / 双重激动剂 噻唑烷二酮类药物在其母核5位有一个手性中心，并且仅仅(S)-对映体有选 择性PPAR 活性。2-苯氧基异丁酸是苯氧基烷酸类药物的共有结构，具有 弱的PPAR 激动活性。将苯氧基烷酸结构环合，将噻唑烷二酮看作是羧酸 基团的结构类似物，Merck公司设计合成了一系列结构新颖的(2R)-色烷-2- 羧酸类PPAR激动剂(Fig. 14)。 Fig. 14. 苯氧基烷酸环合策略. 45 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n他们成功的将PPAR 和PPAR 活性整合到一个分子 中。通过PPAR /双重激动活性的构效关系研究， 他们发现了PPAR /双重激动剂45。 46 2. 合成PPAR / 双重激动剂 nMerck公司发现了O-芳基扁桃酸类PPAR激动剂 46 (Fig. 15) ，其对PPAR 激动活性是微摩尔数量级，而对PPAR 激动 活性是纳莫尔数量级（Ki 63 nM）。46在50 mM时仍对 PPAR 无活性，说明对PPAR 和PPAR 有高度选择性。在 此基础上，他们又合成了46的类似物47 (Fig. 15)。 Fig. 15. 48的发现. 47 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n他们又将苯氧基烷酸类药物中的异丁酸基团和47的 亲脂基团芳氧基整合到一个分子中，设计了2-芳氧基 -2-甲基-丙酸类化合物48 (Fig. 15)。48是PPAR / 双重激动剂，对激动活性强，对激动活性弱。 Fig. 15. 48的发现. 48 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n通过对-氧取代苯丙酸的结构简化，Pinelli等人设计 合成了(S)-7 (49)，是一个PPAR /双重激动剂。 构效关系研究表明，其结构中的立体化学对活性至 关重要。 49 2. 合成PPAR / 双重激动剂 2.3 噻唑烷二酮类（TZDs） 日本Kyorin公司的科学家发现了PPAR /双重 激动剂KRP-297 (13)，这是一个亚微摩尔数量 级的PPAR /双重激动剂，其:活性比约为2 。 50 2. 合成PPAR / 双重激动剂 Merck公司发现了一系列5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂。这些化合物 的噻唑烷二酮母核与苯环直接相连。化合物50是一个PPAR 选择性激动剂，它 的噻唑烷二酮母核位于苯环的对位。当噻唑烷二酮母核位于苯环的间位时(51)，表 现出PPAR /双重激动活性(Fig. 16). Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究 51 2. 合成PPAR / 双重激动剂 构效关系研究表明：3-碳亚甲基链是必须的，正丙基取代在苯环C-2位活性 最佳。因此他们在保留这些活性基团的基础上，根据生物电子等排原理生物电子等排原理， 将噻唑烷二酮母核TZD替换成恶唑烷二酮母核OZD，设计合成了52（X = O） (Fig. 16)。 Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究 52 2. 合成PPAR / 双重激动剂 n进一步的构效关系研究表明，苯环C-4位是重要的结构改造位 点。通过改造，发现了口服有效的PPAR /双重激动剂53 (Fig. 16)。 Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究 53 七、PPAR 激动剂 n与PPAR 和 相比，还没有靶向于PPAR 的 上市药物。由于缺乏PPAR 的选择性配体作 为研究其药理学的工具，PPAR 的生理功能 仍是未知的。 因此，发现PPAR 高效选择性 的配体对于阐明其功能至关重要。然而，现在 已知的绝大部分配体都对PPAR