JMC: 新型HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂的发现

2021-11-30 09:30:16



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导读

近日,美国Merck公司的Michael H. Reutershan研究员和Michelle R. Machacek研究员合作报道了一类高活性和高选择性的HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂,可作为潜在的抗癌药物相关成果发表在J. Med. Chem.上(DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01524)。

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p53是人体内关键的抑癌基因,其编码的p53蛋白一类非常重要的肿瘤抑制因子,对于调节细胞凋亡、细胞周期、DNA损伤修复和细胞代谢发挥着重要的作用,p53蛋白的失活是肿瘤发生的主要因素之一。相关研究表明,几乎所有人类肿瘤中均存在p53信号通路的异常,近一半的恶性肿瘤中存在p53突变。人双微基因2(Human double minute 2, HDM2)是p53的关键负调节因子,在肿瘤中高表达,对肿瘤的发生和发展起到重要的作用。相关研究表明,p53失活的重要机制之一是HDM2过表达,HDM2不仅能够通过与p53结合阻断其肿瘤抑制活性而且还能够泛素化p53蛋白,使其蛋白酶体降解。因此,利用小分子抑制HDM2-p53蛋白相互作用是治疗肿瘤疾病的有效策略。至今为止,药物化学家已报道了多款HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂Figure 1但均存在不少问题因此,研发具有高活性和高生物利用度的HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂具有重大意义
近日,美国Merck公司的Michael H. Reutershan研究员和Michelle R. Machacek研究员合作报道了一类高活性和高选择性的HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂,可作为潜在的抗癌药物相关成果发表在J. Med. Chem.上(DOI: 10.1021/acs.jmedchem.1c01524)。
图片来源:J. Med. Chem.
首先,作者通过高通量筛选得到活性良好的先导化合物1,并将结构优化集中于嘌呤环的C6、N7和C8位点,最终得到活性更为优异的化合物2Figure 2A)。在共结晶结构中作者发现化合物2嘌呤环骨架能够很好的模拟α-螺旋,这表明嘌呤架作为一种新型的α-螺旋模拟物,有效地将取代基投射到HDM2表面的三个已知的热点结合袋中。C6烷基胺占据Leu26口袋,N7苄基填充Trp23口袋,C8苯并噻吩占据Phe19口袋。此外,C2位的羧基还与HDM2的His96残基侧链存在重要的静电相互作用下载化学加APP,阅读更有效率。
图片来源:J. Med. Chem.
基于共结晶结构,作者对嘌呤环C8和N7位的取代基进行了研究(Table 1)。作者发现,将环丙烷和氯原子分别替换成环丁烷和三氟甲基能够增强化合物的疏水性,从而达到增强化合物结合亲和力和LBE的目的。因此,作者基于化合物23对R1和R2位的取代基进行了筛选。首先,作者保持R1位的三氟甲基苯不变,将R2位的苯环替换成吡啶环得到化合物24,其抑制活性达到了4 nM。接着,作者引入一系列烷基胺得到化合物25-28,其中化合物2627的活性最为优异(IC50 = 1.5 & 1.8 nM)。基于化合物24,作者将三氟甲基替换成三氟甲氧基得到化合物2930,但活性均没有显著变化;而将苯基换成噻吩得到了化合物31,活性却显著下降,说明芳基取代基不能够完全占据口袋的三维空间,于是作者尝试引入饱和脂肪取代基得到化合物32(顺式)和33(反式),发现其中化合物33具有优异的活性和LBE值。基于此,作者对化合物32的结合模式进行了研究(Figure 4)。结果显示,饱和脂肪基团不仅能够更好的占据口袋空间,而且4位甲基能够深入到口袋深处。
图片来源:J. Med. Chem.
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作者结合优势基团(R)-苯基吗啉环和反式甲基环己环得到化合物15,其活性达到了0.2 nM,但其BLA细胞仅为1.1 μM。作者猜想是由于嘌呤环羧基的酸性过高使得化合物透膜性较差导致的。于是,作者对R取代基进行了研究(Table 2)。首先,去除羰基得到化合物34,其抑制活性显著降低,但细胞易位提高了近100倍,而C2位羧基与His96存在氢键相互作用,因此,作者尝试引入羧基的电子等排体而降低其酸性得到化合物16-1735-37。相比于化合物15,化合物16的活性虽略有下降(IC50 = 0.63 nM),但其细胞活性显著提高了近20倍,可以作为进一步结构优化的基础。
图片来源:J. Med. Chem.
基于活性优异的化合物16,为了进一步提高其PK性质,作者对C6位的取代基进行了研究(Table 3)。利用苯基取代脂肪胺得到化合物38-40,但相比于化合物15,化合物38-41的活性并没有显著变化。基于对化合物39的结合模式的研究,作者发现苯基上氯原子能够与Leu26残基形成额外的疏水作用(Figure 5)。基于此,作者利用吡啶环替换苯环得到化合物41,其蛋白活性显著提高,但细胞活性却显著下降。为了进一步提高化合物的透膜性,作者去除3位氮原子得到化合物42,令人惊喜的是,相比于化合物15,化合物42不仅能够保持优异的蛋白活性,其细胞活性也显著提高。
图片来源:J. Med. Chem.
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作者对活性优异的化合物42进行了PK性质研究,发现其在狗和大鼠体内的平均滞留时间均较短,并通过代谢物研究发现吗啉环苯基是其主要代谢位点,作者猜测通过降低化合物亲脂性能够改善化合物的PK性质。基于此,作者对吗啉环取代基进行了研究(Table 4)。首先,去除苯基得到化合物55,但其活性显著下降。然后,引入双环吗啉环和取代吡咯烷基得到化合物56-58,相比于化合物42,四个化合物的蛋白和细胞活性没有显著变化,但其中化合物56的PK性质显著提高。为了进一步降低化合物分子量、张力和亲脂性,作者引入脂肪族取代基得到化合物59-63,其中最为突出的是化合物62,在保持蛋白和细胞活性的同时,其平均滞留时间和生物利用度也显著提高。
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基于上述研究,作者对化合物56586062结合模式进行了研究(Figure 6)。作者发现化合物5658的双环吗啉环和吡咯烷环与咪唑并吡啶母核的二面角增加,使得吗啉环和吡咯烷环能够深入Phe口袋而转变成不需要高能量构象,从而增强了结合活性。同样的,对于化合物6062而言,烷基醚能够深入Phe口袋而更好的占据Phe口袋,使得结合活性增强。
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基于化合物56的优异蛋白和细胞活性,作者对其进行了体内抗肿瘤活性研究(Figure 7)。结果显示,HDM2扩增SJSA-1骨肉瘤移植肿瘤小鼠模型中,化合物56能够有效抑制肿瘤生长,50 mg和100 mg剂量下的肿瘤抑制率分别为1182%,且随着剂量的增加并未出现明显的体重下降(Figure 7A&B而在p21蛋白诱导实验中,随着剂量的增加,化合物56能够有效诱导p21蛋白的表达(Figure 7C)。此外,作者还研究了p21蛋白和PHLDA3对HDM2抑制剂的响应实验(Figure 7D)。相比于对照MK-8242,化合物56呈现出类似的剂量依赖性诱导表达能力。


图片来源:J. Med. Chem.
最后,作者研究了化合物56在大鼠、狗和恒河猴体内的PK性质(Figure 8)。从表中能看出,化合物56表现出显著的物种差异,其在狗体内清除率较低,而在大鼠和猴体内的清除率较高,与生物利用度差异相似。此外,对于多种CYP蛋白酶,化合物56的抑制活性均较低(> 30 μM)。
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母核的合成路线如图所示(Scheme 4)。首先,化合物43依次经过C3位碘化、Pd催化C-N键偶联和环化得到化合物44。然后,化合物44在Pd催化条件下发生选择性Suzuki偶联得到化合物45,再经氰化得到46。最后,化合物46NBS条件下发生C2位选择性溴化得到关键中间体49
图片来源:J. Med. Chem.
总结:美国Merck公司的Michael H. Reutershan研究员和Michelle R. Machacek研究员发现了一类高活性和高选择性的HDM2-p53蛋白相互作用抑制剂,展现出一定的临床潜力,未来或许有望进入市场,为多种癌症的治疗策略提供新思路。


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