作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计

1、1,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,2,内容,简介PPAR激动剂PPAR激动剂PPAR部分激动剂PPAR拮抗剂PPAR/双重激动剂PPAR激动剂PPAR/三重激动剂,3,一、简介,型糖尿病，又称为非胰岛素依赖型糖尿病（non-insulin-dependentdiabetesmellitus，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。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。在研发降糖新药的各种方法中

2、，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（peroxisomeproliferator-activatedreceptors，PPARs）的激动剂。,4,过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARs）是由Issemann和Green在1990年发现的。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。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)(alsoknownasPPAR,NUCI,FAAR)和PPAR(NR1C3).,5,PPAR存在于肝脏和骨骼肌组织中。在这些组织中

3、，PPAR调节基因的表达，如脂肪的代谢和平衡。PPAR广泛存在于各种组织中，但是其功能尚未明确。PPAR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。,6,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（peroxisomeproliferatorresponsiveelement，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

4、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。,7,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

5、（可能对脂循环有作用）；PPAR/三重激动剂（有抗糖尿病活性）。,8,二、PPAR激动剂,天然PPAR激动剂蝶芪（音齐）（Pterostilbene(1)）是PPAR的激动剂。,9,2.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,10,2.合成的PPAR激动剂,11,2.合成的PPAR激动剂,虽然贝特类药物是PPAR配体，但是其亲和力很

6、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(about300-1200mg/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。,12,2.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),13,2.合成的PPAR激动剂,GlaxoSmithKline(葛兰

7、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。,14,2.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EC501000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。,15,2.合成的PPAR激动剂,EliLilly(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P

8、PAR的EC50=42nM，且具有高度的亚型选择性。LY518674已经进入临床试验研究。,16,2.合成的PPAR激动剂,Meyer等人发现了K-111(12,BM17.0744，-取代的烷基羧酸)是PPAR激动剂，且没有PPAR和PPAR激动活性。,17,2.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

9、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.,18,2.合成的PPAR激动剂,Fig.4.(S)-10的构效关系.,19,2.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.,20,

10、2.合成的PPAR激动剂,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=0.67uM。,21,三、PPAR激动剂,天然PPAR激动剂Palmer和Wolf发现了cis-parinaricacid(16,CPA,Fig.6)（杷荏酸，十八烷四烯酸）是PPAR激动剂，其Kd值是669nM。这是脂肪酸激动PPAR的第一次报道。无环呋喃二萜化合物saurufuranA(17,Fig.6)是从Saururuschinensis（三白草）的根中得到的，是PPAR激动剂，EC50=16.7uM。15-deoxy-12,14前列

11、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=1-2uM。,Fig.6.天然PPAR激动剂.,22,2.合成PPAR激动剂,2.1噻唑烷二酮类(Thiazolidinediones，TZDs)上世纪九十年代末，美国食品药品管理局(FoodandDrugAdministration，FDA)批准噻唑烷二酮类(“glitazones”orthiazolidinediones)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)。,23,2.合成PPAR激动剂,1997年，第一个噻唑烷二

12、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,24,2.合成PPAR激动剂,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。,25,2.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

13、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）。,26,2.合成PPAR激动剂,2.2L-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，GlaxoWellcome(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.,27,2.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

14、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.,28,2.合成PPAR激动剂,GlaxoWellcome（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(PPARpKi=8.85,PPARpEC50=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(PPARpKi=8.66,PPARpEC50=8.89)。这两个化合物是选

15、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.,29,2.合成PPAR激动剂,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。,30,2.合成PPAR激动剂,Fig.10.PPAR活性位点的氨基酸。催化区由SER289,HIS323,TYR473andHIS449组成（蓝色）。法格列酮f

16、arglitazar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。,31,2.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

17、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PPAREC50分别是110nM和274nM。,32,2.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。,33,2.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

18、合基团。通过体外实验，发现了先导化合物BPR1H036(31)。,34,四、PPAR部分激动剂,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。,35,五、PPAR拮抗剂,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。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。,36,六、PPAR/双重激动剂,天然PPAR/双重激动剂8-(S)

19、-HETE(34)是花生四烯酸代谢产物，是PPAR强激动剂(EC50=100nM)，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.,37,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114nM，对PPAR的EC50是617nM。,Fig.11.8-(S)-HETE及其喹啉类衍生物.,38,2.合成PPAR/双重激动剂,2.1-取代苯丙酸衍生物替赛格列他Tesaglita

20、zar(36,AZ242)是苯丙酸衍生物，是PPAR/双重激动剂。,39,2.合成PPAR/双重激动剂,具有PPAR/双重激动活性的该类化合物还有SB213068(37)。Lohray等人用不同的三环系统取代SB213068(37)的甲氨基苯并恶唑基团，发现了罗格里扎ragaglitazar(38,(-)DRF2725),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0.092uM。,Fig.12-1.罗格里扎ragaglitazar的发现.,40,2.合成PPAR/双重激动剂,NovoNordisk（诺和

21、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=0.36uM)，PPAR(EC50=0.17uM)(Fig.12-2)。,Fig.12-2.3q的发现.,41,2.合成PPAR/双重激动剂,此外，EliLilly（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4nM。,42,2.合成PPAR/双重激动剂,EliLilly（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P

22、PAR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。,43,2.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-MyersSquibb（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=320nM)；PPAR(EC50=110nM)

23、。,Fig.13.莫格他唑muraglitazar的发现,44,2.合成PPAR/双重激动剂,2.2苯氧基烷酸类（Fibrates）类似物EliLilly（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。,45,2.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

24、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.,46,2.合成PPAR/双重激动剂,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。,47,2.合成PPAR/双重激动剂,Merck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（Ki63nM）。46在50mM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)。,F

25、ig.15.48的发现.,48,2.合成PPAR/双重激动剂,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.,49,2.合成PPAR/双重激动剂,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。,50,2.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

26、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。,51,2.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,52,2.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

27、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，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,53,2.合成PPAR/双重激动剂,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,54,七、PPAR激动剂,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