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[药物设计] 小菜鸟学习笔记-阿格列汀的研发历程

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发表于 2012-11-29 21:24:42 | 显示全部楼层 |阅读模式

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阿格列汀的研发过程报道较为详尽,也很有代表性,包括了晶体发现,活性位点的确定,高通量蛋白-复合物结晶,苗头化合物的发现,先导化合物的发现,先导化合物的优化,对接,SAR,骨架迁跃,推向临床化合物的确定依据,是个很好的学习例子,可以提供给我们一种药物研发的思路。根据文献报道,小菜鸟做了一些总结,不过小菜鸟对很多问题都是一知半解,还望各位朋友多多指点。
一.研发背景
DPP-4是一种丝氨酸蛋白酶,广泛表达于肠道血管内皮细胞中,能够迅速降解GLP-1(t1/2<2min), DPP-4抑制剂通过抑制DPP-4的活性,从而抑制GLP-1的降解,提高GLP-1的水平,调节血糖。阿格列汀作为一种安全有效的DPP-4抑制剂,于2008年在日本获得批准。
二:晶体结构
早在1994年研究者已经确定了DPP-4的药理作用,以及DPP-4的分布,1998年研究者得到了DPP-4的溶液形式,2003年报道了第一个人类DPP-4的晶体结构。武田公司作为较早得到DPP-4晶体结构的研发机构,也在同期报道了有关DPP-4的研究成果。
1.  揭示了9个N-糖基化位点对DPP-4的活性并无显著影响(有的酶是有影响的吗?)
2.  揭示了9个N-糖基化位点对DPP-4二聚体的形成,ADA的链接均不是一个先决条件
3.  通过晶体结构确定了小分子化合物到达活性位点的两个的通道(propeller opening, and side opening)。(这两个通道在药物分子设计中有何作用?)
4.  通过DPPIV/tNPY复合物的晶体结构,确定该活性肽是通过side opening到达活性位点。(在药物分子中这一点说明什么问题?)
5.  通过DPPIV/tNPY复合物的晶体结构,确定了两个疏水口袋S1和S2,以及活性位点。
6.  通过比较复合物晶体结构和非复合物晶体结构可以发现活性位点S630和H740构象的改变。(这一点又能说明什么问题?)


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参与人数 1金币 +30 收起 理由
川大-灰太狼 + 30 有构效兄这样的大作,神马都是浮云!.

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发表于 2012-11-30 15:04:45 | 显示全部楼层
这种大作需要细看,顺便等帖子养肥了,再来讨论~~{:soso_e100:}
发表于 2015-3-19 17:43:14 | 显示全部楼层
过程很详细,虽然有些不懂,但一定会收藏
发表于 2016-3-8 20:28:58 | 显示全部楼层
值得好好学习一下啊,谢谢楼主分享啊
 楼主| 发表于 2012-11-29 21:41:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 北京-构效 于 2012-11-30 15:07 编辑

三:苗头化合物的发现(苗头化合物除了活性还有哪些考察指标?)
阿格列汀最大的创新性在于结构的新颖性,之前的大多数化合物是模仿天然基质的N端残基,武田公司通过高通量结晶的方式得到了80个复合物晶体结构(之前应该是进行了虚拟筛选,是否应该做一个专门针对该类药物的数据库?),文献报道了两类苗头化合物及其优化过程。
1:第一类化合物是黄嘌呤类化合物,IC50=2μM,2002年的专利中曾报道过黄嘌呤类化合物的DPP-4抑制活性。(这似乎说明所应用的虚拟数据库是专门针对DPP-4设计的。

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2:第二类化合物是2-联苯苄胺,以作为第一类化合物的后备系列。
这个化合物的IC50 仅有 30 μM,是一个相当弱的抑制剂,之所以选择这个化合物是由于这个化合物的官能团及其简单,分子量非常小,有利于进一步的优化。另外早些时候文献报道的DPP-4抑制剂中含有2-苄基苯杂环类化合物,为这个小片段的价值提供了参考。
PS:苗头化合物不要选一个

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 楼主| 发表于 2012-11-29 21:52:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 北京-构效 于 2012-11-30 08:44 编辑

四:先导化合物的确立
1.对于第一类黄嘌呤类化合物的优化,据介绍是根据晶体结构,用全新药物设计的方法进行的,从晶体结构看活性位点R125和E205,E206并没有被充分利用,因此选择合适距离和合适作用力的基团有可能增加小分子与活性位点的作用,经过发明者尝试得到了下面的苗头化合物 2,不过从文献中可以看到在2002年就有报道氰基和氨基哌嗪在DPP-4抑制剂中有作用,这应该为发明者提供了灵感。(这种成功的嫁接有多大的概率?)经过取代基变换后该化合物的活性提高了近400倍,IC50=5nM (遇到这种问题我们会如何考虑改进?)
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由于该结构没有新颖性,通过分析药效团的作用位点,推论以喹唑啉酮为骨架可以有效的分布药效团特征,为此合成了下面的化合物 3:
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测试结果表明IC50 为10 nM,而且具有良好的选择性,这是一个令人振奋的结果,表明这次骨架迁跃是成功的。然而该化合物对CYP450具有抑制作用,而且也抑制心肌hERG通道,不适宜作为先导化合物。另外个人认为该化合物没有多少可修饰的空间也不适合作为先导化合物。(先导化合物的考核指标因不同的药物会有所不同,但在有苗头化合物向先导化合物过段的过程中,测试应该比较全面,包括物化性质,ADMET等,另外还要有可修饰性)。降低CYP450的抑制作用和hERG毒性的一个常用策略是降低化合物的亲脂性,发明者去掉了上面化合物的苯环,设计合成了下面两个化合物4和5:
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化合物4的IC50为14nM,化合物5的IC50为4nM,而且均具有良好的选择性和RLM,HLM代谢稳定性,符合先导化合物的基本指标,决定以此两个化合物为先导化合物进入先导化合物的优化阶段。



 楼主| 发表于 2012-11-29 22:08:48 | 显示全部楼层
本帖最后由 北京-构效 于 2012-11-30 08:49 编辑

对于2-联苯苄胺类化合物,从复合物晶体结构分析,同样希望增加与活性位点R125和E205的作用,基于现有片段,结构修饰是希望增加与R125的π-堆积作用,以及与E205的盐桥作用,选择了氮类杂环化合物2,该化合物的另外一个特点是可修饰性。
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然而该化合物的活性提高极少,IC50 仅为12 μM,研究者推断可能是由于分子内氢键的作用阻碍了与活性位点的作用,因此合成了下面两个化合物3a,3b以验证该推论:
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化合物3a破坏了分子内氢键的形成,并限制了苄胺的构象,活性提高了12倍。但是仍然不能作为一个先导化合物使用,根据晶体结构信息,研究者制定了SAR策略(我们会如何制定SAR策略?):

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从晶体结构分析R基团处在邻位好像更容易与Arg125作用,而且R基团所在的苯环会与疏水性口袋作用。R1期望能够与Arg358作用,R2期望能够与Ser209相互作用,R5期望能够与Ser630作用,可以看到该系列化合物所设计的作用位点与黄嘌呤类化合物有很多的不同之处(药物分子设计时是不是已测定活性位点附近的残基都要考虑一下?)


首先变换R和R1基团,分别测试IC50,DPP-8选择性,RLM/HLMt1/2,确定R和R1基团后,继续优化R2,R5基团。
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化合物24的抑制效果增长了6倍,这表明吡啶与Ser209发生了相互作用,与我们的预计相符。含有氰基基团的化合物30的抑制效果显著提高,IC50 = 8 nM,这是由于氰基与周围的残基具有显著的相互作用,同时氰基限制了两个苯环之间键的旋转,限制了两个苯环的构象,使两个苯环成为垂直状态,增加了氯原子与Arg125的静电相互作用。就活性来讲,研究者的SAR设计策略是正确的,得到了很高活性的化合物,但是通过比较半衰期,代谢稳定性等因素,最终没有被列为先导化合物。

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 楼主| 发表于 2012-11-29 22:15:56 | 显示全部楼层
本帖最后由 北京-构效 于 2012-11-30 08:52 编辑

五:先导化合物的优化
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依据R5取代基位阻和电负性越来越大的规则,合成了一系列化合物(该阶段是否可以做基于片段的虚拟筛选?),发现R5的变化对分子活性影响很小,R6的微小变化就会因为分子活性很大的波动,比如R6由氢变为甲基时活性较低了6倍。在该阶段初步的筛选需要做的测试有IC50,DPP-8,DPP-9的选择性,RLM/HLMt1/2,有希望的化合物会进行系统的PK-PD测试,在该阶段的比较测试中,化合物的盐型可以不同。

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对尿嘧啶类化合物也进行了相关QSAR的研究.


 楼主| 发表于 2012-11-29 22:22:24 | 显示全部楼层
本帖最后由 北京-构效 于 2012-11-30 08:53 编辑

六:候选化合物的确立

最终根据他们的药效,以及ADMET的性质,确定下面三个化合物进入临床试验(同时选三个是不是太多了?)。

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临床试验表明,化合物1具有更好的人体动力学,命名为阿格列汀,于2008年在日本上市,一个新药从此诞生,非常光辉的时刻。



    附件为相关文献

Zhang J. Med. Chem. 2007, 50, 2297-2300.pdf

306.11 KB, 下载次数: 69

Zhang\\'s J. Med. Chem. 2011, 54, 510–524.pdf

1.29 MB, 下载次数: 81

structure-based design and synthesis of benzimidazole derivatives as dipeptidyl-.pdf

403.91 KB, 下载次数: 58

DPP-4晶体结构1.pdf

369.1 KB, 下载次数: 55

DPP_4晶体结构2.pdf

432.08 KB, 下载次数: 53

发表于 2012-11-30 09:00:07 | 显示全部楼层
终于出炉啦哈哈,仔细看后再向你请教
发表于 2012-11-30 09:15:07 | 显示全部楼层
{:soso_e179:}
发表于 2012-11-30 09:32:36 | 显示全部楼层
大赞!

药物设计的经典例子,过程介绍得很详细……
发表于 2012-11-30 12:46:30 | 显示全部楼层
呵呵,学习啦~~
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