有机化学
Chine Journal of Organic Chemistry
REVIEW
* E-mail: hliu@mail. Received February 13, 2012; revid March 30, 2012; published online April 27, 2012. Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 81025017). 国家杰出青年科学基金(No. 81025017)资助项目.
Chin. J. Org. Chem. 2012, 32, 1643～1652 © 2012 Chine Chemical Society & SIOC, CAS / 1643
DOI: 10.6023/cjoc1202132
氰基在药物分子设计中的应用
王 江 柳 红*
(中国科学院上海药物研究所新药研究国家重点实验室 上海 201203)
摘要 含氰基药物在临床治疗药物中占有相当比重. 将氰基基团引入到小分子药物中是药物化学结构改造的重要研究策略之一. 综述了氰基在药物分子设计中的应用, 氰基的引入可以调节小分子药物的物理化学特性, 改变小分子的药代动力学性质, 提高药物的生物利用度; 通过氢键相互作用、共价相互作用、偶极相互作用以及π-π相互作用增强配体与靶标蛋白的相互结合能力以及对其它靶标蛋白的选择性; 同时, 氰基是羰基、卤素等多种官能团的生物电子等排体; 将氰基引入到药物小分子当中, 可以通过阻断易代谢位点进而提高药物代谢稳定性等. 关键词 氰基; 药物设计; 结构优化
Application of Nitrile in Drug Design
Wang, Jiang Liu, Hong *
(State Key Laboratory of Drug Rearch , Shanghai Institute of Materia Medica ,
Chine Academy of Sciences , Shanghai 201203)
Abstract Nitrile-containing compounds compri a substantial proportion in the therapeutic drugs. It is an important strategy to introduce nitrile substitute in the small molecule for structure-bad medicinal chemistry. The application of nitrile in drug design is reviewed. The nitrile can modulate the physicochemical and pharmacokinetic properties to improve bioavailability, enhance the lectivities
and binding affinity to target proteins by hydrogen bond interactions, covalent interactions, polar in-teractions, and π-π interactions. Meanwhile, the nitrile acts as bioisostere of various functional groups such as carbonyl and halogen groups. In addition, introducing the nitrile to drug molecules can block metabolically labile sites to increa the meta-bolic stability of drugs.
Keywords nitrile; drug design; lead optimization
目前, 许多临床使用的药物中都含有氰基基团. 氰基是具有较强极性的碳氮叁键, 具有较强的吸电子性质, 其体积仅为甲基的1/8, 因此, 氰基能够深入到靶标蛋白深处与活性部位的关键氨基酸残基形成氢键相互作用. 氰基还是良好的氢键受体, 通常与靶标蛋白中的丝氨酸和精氨酸形成氢键相互作用; 同时, 氰基是羰基、卤素等多种官能团的生物电子等排体, 将氰基引入到药物小分子当中, 能够改变小分子的物理化学性质, 增强药物小分子与靶标蛋白的相互作用, 提高药效; 氰基还可以作为代谢阻断位点, 抑制小分子发生氧化代谢, 提高化合物在体内的代谢稳定性. 鉴于以上特点, 氰基基团已经被广泛应用于药物小分子的结构修饰与改造中, 药物设计中的氰基取代策略已经成为先导化合
物结构优化的重要研究策略之一[1]
. 目前, 临床应用的含氰基代表药物包括抗糖尿病药物二肽基肽酶IV 抑制
剂沙格列汀(Saxagliptin, 1)[2]、心力衰竭治疗药物磷酸二酯酶抑制剂米力农(Milrinone, 2)[3]、降血压药物钙通道拮抗剂维拉帕米(Verapamil, 3)[4]、痛风性关节炎治疗药物黄嘌呤氧化酶抑制剂非布索坦(Febuxostat, 4)[5]、艾滋病治疗药物非核苷逆转录酶抑制剂依曲韦林(Etravirine, 5)[6]以及前列腺癌治疗药物雄激素受体拮抗剂比卡鲁胺(Bicalutamide, 6)[7]等(Chart 1).
基于氰基在药物设计中的重要应用, 本文主要综述了氰基在改变小分子理化性质; 通过氢键作用、共价键作用、偶极相互作用和π-π相互作用增强与靶标蛋白的结合能力; 作为羰基、卤素等多种官能团的生物电子等排体进行小分子结构优化; 以及提高代谢稳定性等几个方面在药物设计中的应用.
有机化学
1644 / © 2012 Chine Chemical Society & SIOC, CAS Chin. J. Org. Chem. 2012, 32, 1643～1652
2
N
H
N
CN O
MeO MeO
CN N
MeO MeO O
S N
HO
O N N O
NH
NH 2
Br
CN
CN
S
OH O H
N CF 3CN
O
O
F
沙格列汀(1)
米力农(2)
维拉帕米(3)
非布索坦依曲韦林比卡鲁胺(6)
(5)
(4)
Chart 1
1 药物的理化性质
1.1 药物的溶解度
溶解度是化合物在一定溶液条件下的最大溶解浓度. 药物的溶解度对于药物吸收和口服生物利用度具
有决定性意义. 药物的溶解度与许多因素有关, 其中最重要的就是化合物的结构, 在药物小分子中适当地引入氰基基团能够有效地增加药物的溶解度.
法尼基转移酶通过阻断细胞信号传导进而预防肿瘤发生是重要的抗肿瘤靶点[8]. 施贵宝公司研发的法尼基转移酶抑制剂(8, BMS-214662)主要用于慢性髓细胞样白血病的治疗(IC 50＝1.35 nmol/L), 目前处于临床II 期研究阶段(Eq. 1). 化合物8与法尼基转移酶晶体复合物模式图表明, 该化合物与蛋白之间具有较强的π-π相互作用(图1)[9]. 虽然氰基没有与特定的氨基酸残基形成氢键相互作用, 但是氰基改善了该化合物的药代动力学特性. 溶解性实验表明, 氰基取代与相应的溴代化合物7相比, 活性提高了44倍, 水溶性提高了近10倍[10]
.
8 (BMS-214662)
IC 50 = 1.35 nmol L -1 7
IC 50 = 60 nmol L -1
(1)
溶解度= 9.7 ng mL
-1= 81 ng mL
-1溶解度....
什么叫团建1.2
降低碱性
由于氰基是较强的吸电子基团, 因此, 将氰基引入
药物小分子当中能够有效地降低化合物的碱性. Seydel
图1 化合物8与法尼基转移酶的单晶结构示意图
Figrue 1 Crystal structure of binding mode of compound 8 to farnesyl transfera
等[11]在进行磺胺类药物研发过程中发现, 在右侧的苯环上引入不同的取代基, 对化合物的酸碱性以及抗菌活性影响显著, 活性随p K a 的降低而升高(表1). 其中, 在苯环的4-位引入氰基取代基, 能够显著降低化合物的p K a , 化合物17的p K a 为7.36, 其抗菌活性提高(MIC ＝1.0 μmol/L), 与4-甲氧基取代化合物9相比, p K a 约降低2, 活性提高了近10倍.
2 药物的药效
2.1 增强蛋白-配体相互作用
在小分子药物中引入氰基基团, 能够有效地增强靶标蛋白与配体之间的相互作用. 在多种药物小分子的开发中, 氰基基团的引入都能显著提高小分子与靶标蛋白之间的结合能力, 主要通过氢键相互作用、共价键相互作用、偶极相互作用以及π-π相互作用等.
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伞形信托
/ 1645
表1 磺胺类药物的酸碱性和抗菌活性
Table 1 Basicity and antibacterial activities in sulfonamide drugs
H 2N
O 2N H
R
1
R 2
R 3
9 ~ 18
严峻近义词化合物 R 1
R 2
R 3
p K a MIC/(μmol•L －1) 9 H H OMe 9.34 34.50 10 H H H 9.10 16.00 11 H H Cl 8.56 13.00 12 H H I
8.17 11.25 13 Cl H OMe 8.81 16.60 14 H CF 3 H 7.98 5.60 15 Cl H H 8.18 2.80 16 H H COCH 3 7.52 2.00 17 H H CN 7.36 1.00 18 H H NO 2 6.97 1.00
2.1.1 氢键相互作用
氢键相互作用是氰基与靶标蛋白之间最常见的相互作用. 氰基在抗癌药物表皮生长因子受体(EGFR)抑制剂、非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTI)、黄嘌呤氧化酶(XOD)抑制剂等药物开发中具有重要应用, 氰基能够与靶标蛋白中活性位点的重要氨基酸残基形成氢键相互作用.
早期研究的EGFR 抑制剂采用喹唑啉母核如化合物19, 喹唑啉3-位的氮原子通过水分子与Thr830形成氢键相互作用, 为了提高EGFR 抑制剂的活性, 将喹唑啉母核替换为3-氰基喹啉环母核(Eq. 2), 氰基中的氮原子能够直接与Thr830形成氢键相互作用, 增强了该类化
合物的药理活性[12]
.
N N
NH
MeO MeO
H
O H H
Br
N NH
MeO MeO
C
N Br
H O
19
EGFR IC 50 = 0.19 μmol L -1A431 IC 50
= 0.78 μmol L -1SKBR3 IC 50 = 0.48 μmol L -1SW620 IC 50 = 3.72 μmol L
-120EGFR IC 50 = 0.07 μmol L
-1A431 IC 50
= 1.52 μmol L -1SKBR3 IC 50 = 0.82 μmol L -1 SW620 IC 50
= 13.94 μmol L
-1
(2)
根据此改造策略, 惠氏公司设计、合成了氰基喹啉类EGFR 抑制剂, 包括来那替尼(Neratinib, 21)、培利替尼(Pelitinib, 22)和伯舒替尼(Bosutinib, 23)(Chart 2). 来那替尼是由惠氏公司开发的不可逆EGFR 抑制剂 (IC 50＝92 nmol/L)[13], 主要用于治疗乳腺癌和非小细胞肺癌, 目前处于临床III 期研究阶段. 惠氏公司开发的另一个抗肿瘤药物EGFR 抑制剂培利替尼(IC 50＝39 nmol/L)[14]主要用于实体瘤以及对吉非替尼(Gefitinib, 24)和埃罗替尼(Erlotinib, 25)具有抗药性的肿瘤治疗, 目前处于临床II 期研究阶段. 伯舒替尼是由惠氏公司开发的强效Src 激酶(IC 50＝3.8 nmol/L)和Abl 激酶(IC 50＝1.1 nmol/L)的双重抑制剂, 主要用于治疗慢性粒细胞白血病, 目前处于临床III 期研究阶段[15,16].
许多艾滋病治疗药物中也含有芳香氰基这一合成砌块, 其代表药物是非核苷类逆转录酶抑制剂(NNRTI)的依曲韦林(Etravirine, TMC125-R165335, 26)、达匹韦林(Dapivirine, 27)和利匹韦林(Rilpivirine, 28)(Chart 3).
N N
HN
F
Cl
O
O N O
N
HN
CN EtO
H N Cl
O
N O N
N
HN
CN EtO
H N F
O N
N HN
O
MeO Cl Cl N
N N N
HN
O
O O
O
吉非替尼来娜替尼培利替尼伯舒替尼埃罗替尼(21)
EGFR IC 50 = 92 nmol L
-1.EGFR IC 50 = 39 nmol L
-1(22)
.Src IC 50 = 3.8 nmol L -1Abl IC 50
= 1.1 nmol L
-
1(23)
..EGFR IC 50 = 2 nmol L
-1(25)
.EGFR IC 50 = 1 nmol L
-1.(24)
Chart 2
有机化学
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CN
O N N NH
CN
NH 2
Br
HN N
涌泉中学N NH
CN
HN N
N NH
CN
CN
依曲韦林达匹韦林利匹韦林IC 50 = 38.40 nmol L
-1.(26)IC 50 = 38.40 nmol L
-1(27).IC 50 < 8 nmol L
-1.(28)
Chart 3
其中, 依曲韦林由强生公司研发, 于2008年1月18日
获得美国食品药品监督管理局(FDA)批准上市, 该药物的显著优点是它与之前开发出的所有非核苷类逆转录酶抑制剂不具有交叉抗药性, 因此, 能用于对所有非核苷类逆转录酶抑制剂产生抗药性的HIV 病毒感染的治疗[17]. 晶体复合物表明, 依曲韦林的两个氰基基团较好地深入到靶标蛋白深处的结合口袋(图2)[18]. 强生公司开发的另外两个非核苷类逆转录酶抑制剂达匹韦林[19]和利匹韦林[20]是依曲韦林的类似物, 其中利匹韦林被称为“目前发现活性最强的抗艾滋病治疗药物”, 于2011
年5月份获得美国FDA 批准上市用于艾滋病的治疗.
图2 化合物依曲韦林与逆转录酶的单晶结构示意图 Figrue 2 Crystal structure of binding mode of compound et-ravirine to rever transcripata
非布索坦(Febuxostat, 29)是由武田公司开发的选择性非嘌呤类黄嘌呤氧化酶抑制剂(IC 50＝114 nmol/L), 用于治疗痛风性关节炎(Chart 4), 于2009年2月获得美国FDA 批准, 是近40年来首个批准用于治疗高尿酸症的痛风药物[21,22]. Fuji Yakuhin Kogyo 公司开发的化合物30 (FYX-051)的黄嘌呤氧化酶抑制活性更佳(IC 50＝5.3 nmol/L)[23]. 该化合物与黄嘌呤氧化酶具有更好的结合能力, 晶体复合物表明, 化合物FYX-051的氰基与氨基酸残基E802直接形成氢键相互作用(图3)[24].
N S
O OH
O NC
N
N
N
HN N
CN
IC 50 =114 nmol L
抗压力
-1
FYX-051 (30)
IC 50 = 5.3 nmol L
-1.非布索坦.(29)
Chart 4
图3 化合物FYX-051与黄嘌呤氧化酶的单晶结构示意图
Figrue 3 Crystal structure of binding mode of compound FYX-051 to xanthine oxida
2.1.2 共价相互作用
组织蛋白酶K 抑制剂是一类强效的骨质疏松治疗药物, 其中化合物31具有较强的组织蛋白酶K 的抑制活性(IC 50＜1 nmol/L). 该化合物与组织蛋白酶K 的晶体复合物表明(图4), N -甲基哌嗪环有效地占据了S3口袋并与周围的氨基酸残基Asp61以及Tyr67形成π-π相互作用; 环己基有效地占据了S2亲酯性口袋; 氰基深入到蛋白酶的内部, 与Cys25形成共价相互作用, 增强了该化合物的抑制活性, 同时, 化合物31对组织蛋白酶L 和组织蛋白酶S 的选择性良好[25].
二肽基肽酶IV (DPP IV)是丝氨酸蛋白酶家族中的一员, DPP IV 可以水解胰升血糖素样肽-1 (GLP-1), 降低其在体内的降糖活性, 因此开发有效的DPP IV 抑制
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N
N
N
CN
N
N 31
Cat K IC 50 < 1 nmol L -1Cat L IC 50 = 410 nmol L -1Cat S IC 50
= 460 nmol L
-1...
图4 化合物31与组织蛋白酶K 的单晶结构示意图
Figrue 4 Crystal structure of binding mode of compound 31 to cathepsin K
剂能切断该水解通路, 成为II 型糖尿病的有效治疗方法. Ser630是该DPP IV 蛋白酶的关键氨基酸残基, 其中Ser630的羟基能够与小分子抑制剂中的氰基形成共价结合, 因此, 许多上市和在研的DPP IV 抑制剂中都含有氰基基团, 包括2009年获得美国FDA 批准的上市药物沙格列汀(Saxagliptin, 1) 和2007年获得欧盟批准的上市药物维格列汀(Vildagliptin, 32) (Chart 5).
O 2
维格列汀沙格列汀IC 50 = 3.37 nmol L
-1.(1)IC 50 = 3.5 nmol L
-1.(32)
Chart 5
沙格列汀是由施贵宝公司研发的DPP IV 小分子抑
制剂(IC 50＝3.37 nmol/L)[26], 于2009年获得美国FDA 批准用于治疗II 型糖尿病. 沙格列汀与DPP IV 的活性部位形成的共价复合物结合模式图如图5所示. 氰基碳原子与Ser630中的羟基氧形成共价键. 4,5-亚甲基桥吡咯环处于S1口袋中, 与氨基酸残基Val711, Val656, Tyr662, Tyr666和Tyr547有范德华相互作用. 金刚烷部
分处于S2口袋中. 在S2口袋中沙格列汀的羰基氧与
Asn710的氨基形成氢键; 沙格列汀的N 端氨基与氨基酸残基Glu205, Glu206和Asp663形成氢键相互作用
, 该氢键对沙格列汀的抑制活性具有重要作用; Tyr547侧链的羟基分别与金刚烷基的羟基和吡咯环的氰基形成氢键相互作用.
图5 沙格列汀与二肽基肽酶IV 的单晶结构示意图
Figrue 5 Crystal structure of binding mode of saxagliptin to DPP IV
维格列汀由诺华公司开发, 是一种具有选择性、竞争性且可逆的DPP IV 抑制剂(IC 50＝3.5 nmol/L)[27], 已于2007年获得欧盟批准在欧洲上市, 用于II 型糖尿病的治疗. 健康人体药动学研究表明, 口服维格列汀吸收迅速, 生物利用度约为85%, 达峰时间为给药后1～2 h, 蛋白结合率低(4%～17%), 血浆半衰
期为1.5～4.5 h, 但对体内血浆中DPP IV 的抑制作用则长达10 h [28,29]. 2.1.3 偶极相互作用
由于氰基具有较强的吸电子特性, 因此氰基能够与氨基酸残基和金属离子产生非特异性偶极相互作用.
维拉帕米(Verapamil, 33)是钙离子通道拮抗剂 (IC 50＝0.47 μmol/L)[30], 主要用于治疗心律失常和心绞痛(Chart 6). 维拉帕米可以降低血压, 进而减少心输出量, 同时增加心脏中的血液和氧气, 减少胸痛. 戈洛帕米(Gallopamil, 34)是维拉帕米的甲氧基取代衍生物, 比维拉帕米的活性增加近10倍(IC 50＝1.76 μmol/L), 分子模拟表明氰基是活性必需基团, 与钙离子形成偶极相互作用(图6)[31].
西洛司特(Cilomilast, 35)是由葛兰素史克公司开发的选择性磷酸二酯酶4抑制剂, 用于治疗炎症和哮喘(IC 50＝95 nmol/L)[32], 目前处于临床III 期研究阶段. 晶体复合物结构表明, 氰基与周围的氨基酸残基M347和L393形成偶极相互作用(图7)[33]. 通过结构改造, 优化该类化合物的活性, 减少恶心、腹泻和头痛等副作用.
熊英语
有机化学
高地平
1648 / © 2012 Chine Chemical Society & SIOC, CAS
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MeO MeO
CN N MeO MeO
MeO MeO
CN N
MeO MeO
OMe
维拉帕米IC 50 = 1.76 μmol L -1IC 50 = 14.0 μmol L
-1.(33)
戈洛帕米.(34)
Chart 6
O O
N
O
Y 3i10Y
3o14
I
E
3p50
4p50Y 4i11
A
4i15
I 4i18
图6 含氰基的钙离子通道拮抗剂剂的分子模拟意图
Figrue 6 Molecular modeling of binding mode of compound
containing nitrile group to calcium channel
西洛司特IC
50 = 95 nmol L
-1.(35)
图7 西洛司特与磷酸二酯酶4的单晶结构示意图
Figrue 7 Crystal structure of binding mode of cilomilast to PDE4
2.1.4 π-π相互作用
施贵宝公司开发的雷夫康唑(Ravuconazole, 36)是口服有效的新型强效广谱抗真菌剂, 安全性良好, 目前处于临床II 期研究阶段[34]. 雷夫康唑抗白色念珠菌、光滑念珠菌、新型隐球菌和熏烟色曲霉菌的活性强于依曲康唑(Itraconazole), 对鼠全身及肺曲霉菌病的活性强于依曲康唑. 雷夫康唑与甾醇14α-去甲基化酶的对接结果表明, 雷夫康唑中的噻唑环与氨基酸残基Tyr131, Leu134以及Ile389形成相互作用, 其中4-氰基苯基与氨
基酸残基Phe240, Met528以及Ile529形成疏水相互作
用, 氰基取代的苯环结构与氨基酸残基His133形成π-π相互作用
.
N N
N
雷夫康唑(36)
人间清欢
Chart 7
2.2 作为生物电子等排体
2.2.1 羰基的生物电子等排体
在许多非甾体芳香酶抑制剂的研发过程中, 药物化学研究人员采用氰基作为羰基的电子等排体, 一方面提高了小分子的靶标选择性, 减少了与其它相关甾体类受体的相互作用; 另一方面可以改善药物小分子的口服生物利用度. 4-氰基取代苯环中的氰基氮原子与孕酮3-位的羰基占据了相同的靶标蛋白结合位点, 能够与关键氨基酸残基形成氢键相互作用(Chart 8).
O
H Enzyme
C
H
Enzyme
Chart 8
氰基是羰基的经典生物电子等排体, 与羰基相比, 氰基具有非特异性的极性相互作用. 通常在芳香环的对位引入氰基, 能够提高芳香环的极化作用, 使得芳香体系更加稳定而不易发生氧化代谢, 提高了化合物的药物代谢稳定性. 许多芳香酶抑制剂在苯环的对位引入氰基取代, 苯环4-位的氰基基团模拟了雌激素甾体类化合物的羰基, 与周围的氢键受体形成氢键相互作用, 氰基的引入有效地提高了该类化合物的芳香酶抑制活性. 诺华公司开发的芳香酶抑制剂法曲唑(Fadrozole, 37)是第一个用于治疗乳腺癌的非甾体芳香酶抑制剂(IC 50＝30 nmol/L) (Chart 9)[35] , 构效关系表明, 苯环上4-位为吸电子的溴原子取代和氰基取代时活性最优. 诺华公司后续开发的来曲唑(Letrozole, 38)主要用于辅助治疗荷尔蒙引起的乳腺癌(IC 50＝0.29 nmol/L)[36]. Hormos 公司研发的芬罗唑(Finrozole, 39)[37] 同样含有氰基苯基这一结构片段, 该化合物是芳香酶和醛固酮的双重抑制剂, 目前处于临床II 期研究阶段. 芬罗唑中的氰基就是模仿甾体化合物中的羰基与氢键受体形成相互作用. 单晶结构表明(图8), 4-氰基与His93L 和Phe94L 形成氢键相互作
