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JMC | 新型囊性纤维化增效剂GLPG2451的发现 2021/01/25 16:06:21

研究背景

囊性纤维化(cysticfibrosis,CF)是一种危及生命的隐形遗传性疾病,由囊性纤维化跨膜电导调节因子(cysticfibrosis transmembrane conductanceregulator

CFTR) 基因突变导致CFTR蛋白功能缺陷或缺失所致。 CFTR的突变影响各种组织,包括肺、胰腺、肠道、生殖道和汗管,使囊性纤维化成为一种全身性疾病。 其最严重的影响是导致呼吸道中氯化物的分泌减少,随后的肺表面脱水导致肺内黏液厚度增加,致使气道粘液纤毛清除受损,进而导致气道阻塞、慢性细菌感染和过度炎症。 最终,肺损伤导致肺功能进行性下降。 至今为止,已知的CFTR突变超过2000种,最常见的CFTR突变是F508del突变(多肽链位置508处的苯丙氨酸缺失),该突变使CFTR的折叠功能受损,最终导致细胞表面存在的离子通道数量减少。

近年来,一系列的调节剂被应用于携带CFTR突变患者的治疗中,这些CFTR调节剂包括校正剂和增效剂(通过增加细胞表面CFTR蛋白的门控活性(离子跨膜的能力)来增加缺陷型CFTR蛋白的功能),前者可以提高细胞表面CFTR水平,后者可以改善CFTR离子通道的门控功能。目前,已经批准用于CF患者治疗的CFTR调节剂有:增效剂Ivacaftor;校正剂Lumacaftor、Tezacaftor和Elexacaftor(图1)。对于携带F508delCFTR纯合子突变的患者,已经有校正剂与Ivacaftor增效剂联合疗法,而携带G551D等门控突变的患者细胞膜上已经有足够的CFTR,因此可以使用Ivacaftor作为单药治疗。

图1 已批准用于CF治疗的校正剂和增效剂

2018年,比利时生物制药公司GalapagosNV的科学家们报道了一种增效剂GLPG1837(图2),虽然GLPG1837与Ivacaftor在结构上有很大的不同,但它们竞争的结合位点是相同的,而且这两种化合物都需要每天两次给药,以提供足够的血浆暴露量。近日,该公司团队通过进一步筛选优化发现了基于药代动力学结果的仅需每日一次给药的新型增效剂GLPG2451。

图2 新型增效剂GLPG2451的发现过程

研究内容

增效剂GLPG1837的发现是基于已存在的增效剂的结构,对589种商业化分子进行筛选的结果,此外,科学家们还发现GLPG1837上的环己基也可以被磺酰胺基团取代,继而发现了化合物4,并测得其对F508del突变体的EC5017nM(图3)。在携带G551D/F508del突变患者的人原代支气管上皮细胞(HBE)实验中证实,化合物4GLPG1837对G551DCFTR通道的增强程度均明显高于Ivacaftor。

图3 化合物4的发现过程

通过大鼠微粒体分析,针对清除率对化合物4的结构进行优化,将与磺酰基连接的胺替换成哌啶得到化合物5,其清除率明显下降。提高化合物亲脂性,将磺酰胺部分替换成砜得到化合物6,由于亲脂性的增加通常导致清除率的增加,而化合物6的实验结果表明,砜作为连接子有其固有的稳定性(图4)。

图4 磺酰胺部分优化

从图4中可以看到,当磺酰胺或砜结构与吡唑酰胺同时存在时,分子具有较低的被动渗透性和高通量比,将吡唑基替换成叔丁基得到化合物7(图5),化合物7的细胞活性大大下降,可能是因为其上缺少氢键供体和受体,在此基础上设计合成了化合物89,这两种化合物的通量比差异较大,经过构象分析,化合物9相比化合物8,没有环丙基约束,使得其羟基与羰基形成氢键后能够有效屏蔽极性中心。而且化合物9在大鼠体内的血浆暴露量远远高于化合物8

图5 酰胺部分优化

尽管对F508del突变体的活性是研究一系列化合物SAR的主要参考因素,但在分子优化后期,基于G551DCFTR上的活性数据是进一步区分它们的重要依据。研究发现,通过改变砜的苯环上的取代基能进一步提高分子的效能,由此得到化合物10,虽然分子整体的亲脂性提高,但化合物10在大鼠和人肝细胞中依然表现出较低的清除率,而且在大鼠体内展示出令人满意的药代动力学数据(图6)。

图6 化合物10的实验数据

相比化合物9,化合物10不仅提高了对G551DCFTR的效力,也将原来需要每天两次给药的方案改善至每天一次给药。虽然化合物10表现出令人满意的临床前结果,但进一步的研究发现包括化合物10在内的多种类似物的体外微核试验呈阳性,因而需要继续筛选出没有基因毒性的新化合物。

在化合物筛选过程中,无论是噻吩左边SO2连接部分还是右边酰胺部分都已经进行了广泛的研究,两者均被认为是值得保留的结构。化合物10的分子内相互作用模型表明(图7),分子内存在广泛的接触,中央部分可以认为基本是平面结构,基于这样的理解,将噻吩环换成吡啶环、甲酰胺换成氨基并将与杂芳环连接的酰胺键反转设计得到化合物11,两种化合物可以被视为一对匹配分子,它们保持相似的分子内相互作用,并且具有相似的电荷分布(图7-A)。

图7 基于化合物10的主要骨架设计化合物11

数据显示,化合物11为对F508delCFTR的EC5033nM,更重要的是,化合物11的体外微核试验(MNT)和污染物致突变性试验(AMES)均呈阴性,证明无基因毒性。在此基础上,考察了化合物11中与SO2连接的芳环部分和与CO连接的胺部分(图8)。值得注意的是,当酰胺上的N被完全烷基化时,化合物的活性丧失,这与分子设计模型是一致的(图7-B)。

图8 以化合物11为模版的结构优化

结合药效和清除率,选择化合物1213151920进行大鼠PK评估(图9)。数据表明,化合物12的半衰期>50h,这与总体低的清除率和较高的Vss有关,其非结合血浆清除率为5.2L/h/kg,说明该化合物具有良好的内在稳定性。化合物1315在大鼠体内具有与化合物12相似的血浆清除率,但它们较低的Vss降低了静脉给药后的半衰期,分别为8.9h和>15h。清除率较高的化合物1920分别给出了6.7h和1.3h的半衰期,结合次纳摩尔级的药效,化合物19被认为是比较有潜力的分子。

图9 几种化合物的大鼠PK数据

要实现成功的联合治疗,潜在的药物-药物相互作用(DDI)是一个必须考虑的因素,而与CYPP450酶的潜在相互作用通常被认为是最相关的相互作用,因此需要评估化合物对CYP的抑制和诱导作用。在噻吩甲酸酰胺类和3-氨基吡啶酰胺类这一系列化合物中,CYP抑制并不是普遍问题,通过PXR(孕烷X受体)报告发现,反而存在一些具有CYP诱导作用的化合物。基于上述化合物的大鼠PK数据,选择化合物11121319,以Rifampicin为阳性对照,测试了它们对PXR的活化数据(图10)。结果显示,化合物13PXR的活化相比对照组仅有12%,虽然化合物12拥有和化合物13相似的效果,但动力学水溶性较差。

图10 几种化合物对PXR的活化数据

基于化合物13的低CYP诱导潜力及其在药效和大鼠PK方面整体的优异数据,进一步对该化合物进行了表征。在携带F508del突变患者的HBE细胞上测得该化合物的EC5018nM,此外,该化合物在FaSSIF(空腹状态下的人工胃液)介质中的热力学水溶性为83μM,在MDCK实验中展示出良好的渗透性,对CYP无明显抑制作用,在MNT和AMES试验中均为阴性,且未检测到对hERG的抑制作用(图11)。在狗和猴的PK试验中,化合物13表现出较低的清除率,使得半衰期分别达到了15和16小时,而且口服给药5mg/kg后,两种动物的生物利用度均超过了90%(图11)。

图11 化合物13的综合评估

根据以上实验结果,将化合物13命名为GLPG2451并进行临床前安全评估。

全文总结

本文通过对增效剂3进行结构改造,将其中的噻吩酰胺骨架替换成吡啶酰胺,继而优化筛选出新型增效剂GLPG2451表征结果显示,GLPG2451在携带F508del突变患者的HBE细胞上展现出优秀的生物活性,此外,该化合物在FaSSIF介质中的水溶性良好,对CYP无明显抑制和诱导作用,MDCK细胞渗透性良好,无心脏毒性,而且骨架的替换避免了噻吩衍生物潜在的体外遗传毒性。新型增效剂GLPG2451和增效剂GLPG1837虽然由同一初始分子衍生而来,但两者的化学性质是不同的,最重要的是,相比IvacaftorGLPG1837需要每天2次给药,GLPG2451只需要每天1次给药。

底物合成
0 1
合成化合物10


0 2
合成化合物13

参考文献

StevenE. Van der Plas, Hans Kelgtermans, Oscar Mammoliti, Christel Menet,Giovanni Tricarico, Ann De Blieck, Caroline Joannesse, Tom De Munck,Dominique Lambin, Marlon Cowart, Sebastien Dropsit, Sebastien L. X.Martina, Maarten Gees, Anne-Sophie Wesse, Katja Conrath and MartinAndrews, Journalof Medicinal Chemistry(2021),64(1), 343-353.

注:文中图片均来源于参考文献

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