2022醛糖还原酶抑制剂(全文)

2022醛糖还原酶抑制剂(全文)醛糖还原酶(AR)属于醛酮还原酶家族中的AKR1B1,是一种依赖于烟酰胺腺嘌吟二核苷磷酸(NADPH)的酶,能够催化亲水性和疏水性醛的还原｡AKR1B1是所谓的多元醇途径中的第一个酶,它允许葡萄糖转化为山梨醇,山梨醇又被山梨醇脱氢酶氧化为果糖｡多元醇通路在高血糖状态下的激活被普遍认为是引起一系列糖尿病长期并发症的事件,如视网膜病变､白内障､肾病和神经病变｡AR在糖尿病并发症发生中的作用使得这种酶成为能够抑制其活性的分子发展的靶标｡事实上,迄今为止,所有合成化合物作为治疗糖尿病并发症的药物都效果欠佳｡这可能部分是由AR能够减少在氧化应激条件下产生的烯烃和烷烃,从而起到解毒剂的作用｡近年来,已经提出了抑制AR的替代方法,表明通过能够优先抑制亲水性或疏水性底物还原的分子来差异抑制酶的可能性｡醛糖还原酶抑制剂(ARIs)由于AR参与了糖尿病并发症的病因学,在过去的五十年中,人们一直致力于设计和合成能够抑制AKRB1的分子｡最近,抑制AR也被认为是干预导致糖尿病患者并发症的炎症过程的工具[1]｡ARIs具有多种结构,但有一些共同特征可以鉴定｡ARIs通常呈现极性部分,与上述酶的“阴离子结合口袋”和疏水部分相互作用,与AR活性位点的非极性区域相互作用[2-6]｡大部分ARIs基本上可分为三大类:包含环亚胺､羧酸衍生物和多酚类化合物的化合物｡山梨醇首先由辉瑞公司引入,可以被认为是环酰亚胺类的祖先[7]｡尽管这种ARIs能够有效地抑制酶的体外活性,通过形成氢键与活性位点结合[3],但用索比尼(Sorbinil)治疗糖尿病患者并没有较好改善继发性糖尿病并发症如多发性神经病变[8]｡索比尼在糖尿病患者中的无效性,加上对药物的过敏反应的发生,导致了新的抑制剂的设计,其结构是基于索比尼的,其中最有效的被发现是菲达司他(Fidarestat),米那司他(Minalrestat)和米瑞司他(Imirestat)[9]｡阿司他丁(Alrestatin)是首批被提出作为ARIs的羧酸衍生物之一,其结构已被用作开发一系列新型ARIs的模型｡依帕司他(Epalrestat)是最有效的羧酸衍生物之一,它是一种有效的ARIs,能够降低由多元醇途径产生的果糖和山梨醇的浓度,从而降低氧化应激的水平｡实验证据表明依帕司他治疗糖尿病神经病变和肾病的疗效[10]｡托雷司他(Tlrestat)是另一类羧酸衍生物的强效AR抑制剂｡对人类进行的研究已经证明这种抑制剂能够改善糖尿病患者的神经病变和肾病[11-13]｡在几个国家商业化后,托雷司他因严重影响和随后的临床试验疗效降低而被撤回[14]｡在研究最多的分子,作为ARIs测试,是化合物的国际药物检测(IDD)系列｡这些抑制剂都是从一个普通的支架开始设计的,在低微摩尔或纳摩尔范围内对半抑制浓度(IC50)是有效的和特异性的[15-16]｡对人AR,NADP+和抑制剂IDD594的三元复合物晶体结构分析,提供了参与几种ARIs结合的特异性口袋开放分子机制有价值的信息｡尽管许多羧酸类衍生物的ARI在体外表现出很强的亲和力,但它们在体内的效力大大降低｡体内有效性降低与这些抑制剂的pKa非常低有关,这导致它们在生理pH下被电离｡负电荷使得这些化合物难以通过细胞膜[17]｡已经显示多种多酚化合物､例如姜黄素(curcumin),槲皮素(quercetin)和山奈酚(kaempferol)在各种体外和体内系统中对AR活性具有有效的抑制作用[18-19]｡寻找AR的新抑制剂是一个活跃和不断发展的研究领域,每年都有几个用于抑制AR的新分子被设计和提出[20-24]｡2ARIs分类根据ARI在结构上各不相同,并且ARI的代表性结构类别包括可分为[25]:①羧酸衍生物:包括依帕司他(Epalrestat),阿瑞司他丁(Alrestatin),唑帕司他(Zopalrestat),折那司他(Zenarestat),泊那司他(Ponalrestat),利多司他(Lidorestat)和托雷斯塔(Tlrestat);②螺乙内酰胺和相关的环酰胺:包括索比尼(Sorbinil),米那司他(Minalrestat)和菲达司他(Fidarestat);③酚类衍生物:包括与苯并吡喃-4-酮和查尔酮(Chalcones),姜黄素(curcumin),槲皮素(quercetin)和山奈酚(kaempferol)｡这些抑制剂被发现可以被安全用于人类,但被发现效果欠佳,因为他们效果有限｡看看过去几年的趋势,似乎对新化学实体的研究已经相对下降;然而,具有AR抑制活性的天然产物和植物提取物正在获得更多的兴趣,同时寻找适当形式的已知抑制剂,其基于合理的受体集中的潜优化赋予较低的微摩尔或亚微摩尔活性作为改善其受损的物理化学特征的方法,以及与其他药物感兴趣的化合物的潜在组合疗法[26-27]｡醛糖还原酶差异抑制剂尽管在过去的几十年中,人们致力于ARIs的合成,但几乎所有合成的化合物都未能成为治疗糖尿病并发症的药物｡迄今为止,上市的药物是依帕司他,仅在日本和中国使用｡这种失败的原因可能是多种多样的,从作为ARIs的分子的生物利用度降低到与使用这些抑制剂相关的重要副作用的开始｡另一方面,一个可能的解释可能在于AR在高血糖条件下的活性,除了潜在的有害影响之外,还可能具有有益的效果,因为如上所述,AR能够减少在脂质过氧化过程中形成的有毒醛类物质,如氧化脂质(HNE)和其他烯烃和碱类物质｡由于经典ARIs的失败,基于依赖于被转化底物的抑制作用的可能性,最近提出了抑制该酶的新策略[28]｡AR是一种多特异性酶,因为它可以催化还原亲水性以及疏水性底物｡然而,如果我们考虑酶对其多种底物的特异性,似乎很明显,AR不仅是一种允许的酶,而且能够区分同一类别的不同底物[29-30]｡在这方面的标志是醛糖的不同异构体和立体异构体之间的比较;例如,在葡萄糖的情况下,AR对L-葡萄糖的活性几乎可以忽略不计｡值得注意的是,在葡萄糖和其他醛糖的情况下,AR的反应速率作为底物浓度的函数出现两相｡据信与所使用的酶制剂的异质性有关,这些酶制剂应该含有酶的两种氧化状态[31],用葡萄糖和其他醛糖底物观察到的双相行为证明取决于半缩醛形式的糖对醛还原的不完全抑制[32]｡这种酶可以同时降低疏水性和亲水性醛的事实表明,不同的分子可以通过不同的途径与这种酶相互作用｡事实上,一项分子建模研究已经强调了底物葡萄糖､HNE和GS-HNE与酶活性位点相互作用的不同方式[33]｡计算分析显示,除了与催化残基H110和Y48的氢键之外,葡萄糖与存在于酶的活性位点和辅因子NADPH中的残基W111和L300形成其他氢键｡除了HNE与催化残基H110和Y48之间的两个氢键之外,HNE似乎还能诱导开放容纳HNE疏水尾巴的“特异性口袋”｡至于GS-HNE,分子的HNE部分与“特异性口袋”以类似于HNE的方式相互作用,而谷胱甘肽部分与位于活性位点上部的V47,W20和Q49残基形成氢键[33]｡考虑到不同的分子可能以不同的方式结合到酶的催化位点,这支持了这样的想法,即通过阻断酶的有害活性并保留有利的活性,可能有选择性地作用于酶｡因此,一种有用的醛糖还原酶差异抑制剂(ARDI)应优先抑制AR对葡萄糖和/或GS-HNE的活性,使酶对HNE的解毒作用保持不变或受影响较小｡因此,ARDI可预防与多元醇途径激活有关的糖尿病并发症和AR的促炎作用,另一方面,它可维持酶的解毒能力,有助于减少氧化应激｡正如在理论研究中强调的那样,多特异性酶的差异抑制剂应该能够优先与游离酶结合,即它应该表现为竞争性抑制剂,或者在混合型抑制中能够与游离酶和酶-底物复合物结合,它仍然应该对游离酶具有显着的亲和力[34]｡一般来说,可以想象的是,无论作用机制如何,强烈干扰Tyr-48关键催化功能的非常强大的抑制剂几乎不能作为ARDI,不能区分不同的底物｡尽管有上述限制,但在前体研究中,获得了明确的动力学证据,即一些分子能够优先抑制亲水底物的还原(例如D-甘油酰胺),而其他分子更有效地抑制疏水底物的还原[28]｡从这第一个实验证据开始,随后对一系列先前作为AR经典抑制剂开发的化合物进行了筛选,以测试其中一些化合物作为ARDI的可能性｡不同底物与酶的特定部分结合的可能性[33]以及长链醛糖的半缩醛形式可以调节AR的活性提出了更普遍的问题[32],即哪种底物应该用于AR抑制剂的筛选研究｡大多数抑制研究使用D,L-甘油醛,一种三糖,根据上述考虑,不能被认为是酶的模型底物｡因此,在寻找抑制AR还原D-葡萄糖的分子的研究中,D-葡萄糖应该被用作合适的底物｡然而,D-葡萄糖,由于非常高的KM的AR为这种糖,是一个非常差的底物酶｡因此,无论是大量的酶或极高的葡萄糖浓度需要有可接受的速率测量｡为了避免使用D-葡萄糖所造成的方法学局限性,L-idose,模拟D-葡萄糖结构的D-葡萄糖的C-5差向异构体已被提出作为D-葡萄糖的良好替代底物[35],并应常规用于搜索ARDI｡此外,有证据表明,二甲基亚砜(DMSO)在AR抑制研究中最常用于增溶化合物的溶剂,通过不同的抑制机制影响L-碘和HNE还原[36],特别是在寻找ARDI的研究中,需要严格控制溶剂浓度｡在一些先前描述的ARIs中寻找ARDI证明了经典的有效的ARIs,如依帕司他和索比尼,没有显示出差异性抑制AR的能力｡同时,已经证明其他分子能够根据特定的底物(L-碘,HNE或GS-HNE加合物)调节酶的活性｡特别是,当筛选一类吡唑并[1,5-a]嘧啶化合物的酸衍生物的分子时,发现存在吡唑并[1,5-a]嘧啶核心和羧基部分,据报道,该类别中的一些化合物可优先抑制糖和GS-HNE加合物相对于HNE的还原[37]｡要解释一个能够抑制某种作用机制而不影响其他途径的分子所需的结构特征并不容易｡可用于AR的广泛的结构信息不如人们预期的有用,因为它缺乏关于底物和位于酶上的抑制剂之间的相互影响的最相关信息｡在纯粹的推测水平上,人们可能假设能够优先抑制HNE减少而不是葡萄糖减少的化合物能够以某种方式阻断分配HNE疏水尾巴的特异性口袋的开放｡这一假设在优先抑制葡萄糖减少的分子的情况下可能不成立｡在这种情况下,进一步复杂的存在,半缩醛形式的葡萄糖,影响AR的活性｡虽然AR的差异抑制的可能性已被证明使用合成分子,设计和合成新的药物供人类使用是一个耗时和昂贵的过程｡因此,除了使用合成分子进行的AR抑制研究之外,其他研究集中在天然来源的化合物上｡有许多植物衍生分子作为强有力的抑制剂的例子｡其中一些还可以作为ARDI｡尽管在天然来源的提取物中寻找ARDI并不是一项容易的任务,因为在复杂的混合物中,AR经典抑制剂的存在可能对ARDI具有掩蔽作用,但是获得了一些有希望的结果｡在首次筛选可食用蔬菜的提取物后,表明存在可能作为ARDI的分子[38],在佐非诺豆种子的提取物中鉴定出一些三萜皂苷作为有效的AR抑制剂;其中,大豆皂苷Bb显示能够差异地抑制人AR[39]｡最近,对绿茶中存在的分子进行了一项研究,以验证其中一些已经被报道为AR经典抑制剂也可以作为ARDI的可能性[40-41]｡在这项研究中,表没食子儿茶素和没食子酸的酯(EGCG)是绿茶中最丰富的儿茶素,优先抑制L-碘和GS-HNE相对于HNE的还原,而没食子酸(GA)仍然能够比HNE还原更有效地抑制糖还原,在抑制GS-HNE还原方面效率较低[33]｡为了解释EGCG,GA和ECG的行为而进行的分子建模研究提供了对分子相互作用的一些见解,使得一些分子优先抑制L-碘和/或GS-HNE的还原相对于HNE还原｡EGCG与AR的催化位点在GS-HNE的谷胱甘肽部分所占据的区域相互作用,主要通过空间位阻抑制GS-HNE和L-idose的还原,阻碍GS-HNE与酶的结合,阻断L-idose进入催化口袋｡至于GA,它可以与L-idose形成两个强的H键,但与HNE和GS-HNE只有一个较弱的键:因此,可以假设GA能够在催化位点的水平上比HNE和GS-HNE更有效地阻断L-idose[33]｡总括而言,除了上述有关天然分子和合成分