多靶点药物:策略和挑战(下篇)

多靶点药物:策略和挑战(下篇)

 

多靶点药物治疗抑郁

抑郁与脑部的五羟色胺(5-HT)含量降低有关。五羟色胺再摄取抑制剂(SSRI类药物)抑制5-HT的重吸收从而起到抗抑郁的效果。为了解决这类药物起效迟缓的缺点,常用的靶点联合策略是,使用五羟色胺转运体(SERT)和五羟色胺受体1A(5-HT1A)这两个靶点进行组合。以下是2个5-HT1A /SERT药物开发的实例,如图所示。

实例1通过筛选以及结构修饰的方法得到多靶点化合物。Van Niel等人通过筛选的方法发现了5-HT1A受体拮抗剂(化合物1)。该化合物对5-HT1A受体以及SERT均有抑制率,但是对SERT的抑制率较低。构效关系研究发现化合物1中的胺以及苯氧甲基部位的结构修饰与5-HT1A 或者SERT受体的亲和力有关。构效关系研究指出吡啶结构能构提供理想的SERT抑制率。故通过结构修饰得到化合物2,该化合物对SERT以及5-HT1A两个靶点均具有良好的抑制率,且具有良好的口服生物利用度以及血脑屏障穿透性。

实例2通过骨架联合策略获得多靶点化合物药物化学家Mewshaw等人使用骨架联合策略研发出对5-HT1A /SERT有活性的双靶点抑制剂。在具有较强SERT活性的化合物3中引入化合物4结构中具有5-HT1A活性的芳氧乙基,从而得到化合物5。两个化合物的融合程度较高,故化合物5具有较低的分子质量。

靶向于血管紧张素系统的多靶点药物治疗高血压

血管紧张素II在调控血压的肾素-血管紧张素-醛固酮系统中扮演着关键的角色。血管紧张素转换酶(ACE)和血管紧张素受体(AT1)抑制剂(例如卡托普利和氯沙坦)在临床上被广泛地用于治疗高血压。ACE/NEP(中性肽链内切酶)双抑制剂以及AT1/ endothelin receptor 1(内皮素受体1)双抑制剂可能在治疗高血压时产生有益的协同作用。

ACE/NEP双靶点抑制剂的开发过程向我们展示了,理解靶点的药效团特征有利于多靶点药物的开发。例如NEP蛋白的S1’口袋易于疏水性成分结合,而ACE蛋白对该配体的疏水性成分的容忍性较强,因此NEP选择性抑制剂(化合物16)中的苯甲基在双靶点抑制剂的设计中被保留。ACE蛋白口袋的P2’区域则与化合物17中的脯氨酸结构结合良好,故通过整合化合物16以及化合物17的结构得到对ACE和NEP双靶点具有抑制率的化合物18。为了进一步的提高化合物18的活性,根据SAR信息设计了一系列同系物,最终获得对ACE/NEP双靶点具有良好抑制率的化合物19(奥马曲拉)。

在临床上选择性AT1受体拮抗剂氯沙坦与ETA(内皮素受体A)受体拮抗剂SB-290670联用,较单药效果更好。因此在另一项多靶点药物设计工作中,药物化学家Murugesan等人通过骨架联合的方法设计AT1/ETA双靶点抑制剂。选择性AT1受体拮抗剂以及ETA受体拮抗剂均有联芳基结构,且4号位上对AT1受体活性必须的杂环结构可以被ETA受体接纳。ETA受体拮抗剂中的Acylsulphonamide结构可被AT1接纳。故以此为骨架最终通过在在联芳基团的2号位引入一个新的亚基,得到对AT1受体以及ETA受体具有抑制率的化合物22。

基于ACHE的多靶点药物治疗阿兹海默病

阿兹海默病与脑部胆碱能神经元持续的损失有关。在临床上使用ACHE(乙酰胆碱脂酶)抑制剂例如Rivastigmine(利凡斯的明)治疗阿兹海默病,以增强中枢神经系统的胆碱能活性,然而在临床上治疗效果并不满意。为了增加疗效,ACHE抑制剂常与SERT抑制剂以及MAO(单胺氧化酶)抑制剂联用。

药物化学家Kogen设计了ACHE/SERT双靶点抑制剂。此项工作的特点是充分利用了蛋白结构信息指导化合物的骨架联合。ACHE活性位点研究指出,ACHE选择性抑制剂Rivastigmine具有三个ACHE药效团,而缺少第四个疏水性结合位点。如果将SERT抑制剂fluoxetine的苯氧乙基结构引入Rivastigmine,则可增强Rivastigmine对ACHE的活性。因此将两个抑制剂揉合并且优化氨基甲酸以及苯氧乙基结构,获得了对ACHE/SERT有活性的双靶点抑制剂。通过引入7连环结构以达到构象约束的效果,最终获得了对ACHE/SERT均有较强抑制率的化合物35。

药物化学家Youdim等人使用Rivastigmine(化合物32)和MAOB选择性抑制剂rasagiline(化合物36)作为起始化合物。构效关系研究发现化合物32中的氨基甲酸结构以及化合物36中的丙炔胺结构均是对ACHE以及MAO活性抑制关键的药效元素。最终通过骨架联合的方法保留对靶蛋白活性的必须基团获得AChE/MAO双靶点抑制剂拉多替吉(化合物37)。

活性优化与选择性优化

在开发多靶点药物的过程中经常面临的困难是将化合物对不同蛋白的亲和力优化到理想的比例,以达到增效减毒的效果。将化合物对多个靶点的亲和力调整到合适的水平不是一项简单的工作。困难主要包括两点:

1、体内水平的疗效和体外水平的受体亲和力比值之间的关系非常复杂;

2、化合物在不同组织分布程度不同以及不同组织蛋白密度不同等因素将会影响蛋白亲和力的理想比例。

药物研发者往往通过临床研究数据和动物模型的数据发现理想的蛋白亲和力比值。

抗抑郁药物研发领域的实例展现了多靶点药物亲和力比例优化的过程。例如经典的SERT/NET双靶点抑制剂fluoxetine(化合物33),对两个靶点的抑制活性的比值为30倍。这意味着该药仅仅在高剂量时才是多靶点药物。而Duloxetine(化合物62)具有更强的亲和力和更优的亲和力比例。

有时体外亲和力的差异可以达到理想的药效。例如第二代抗精神病药物氯氮平的非典型特性(新型抗精神病药很少或无锥体外系反应,也称非典型抗精神病药。)就是因为该药对多巴胺受体D4以及5-HT2A受体的亲和力比对多巴胺D2受体的亲和力更低。研究显示,当多巴胺D2受体的占有率达到60-70%足以产生非典型性的抗精神病效果。甚至在5-HT2A受体在占有率较高的情况下,如果D2受体的占有率过高,非典型性疗效将会丧失。

除了调整化合物的活性比例,优化药物的作用谱也是必须的工作。许多多靶点药物治疗领域的文献甚至没有讨论多靶点药物的脱靶效应这一问题。在抗精神病药物和抗癌药物领域,多靶点药物的脱靶效应是关键问题。例如多个单胺类GPCR受体和转运体结合的抗精神病药物也会与肾上腺素能GPCR受体结合从而导致心血管副作用。

药代动力学的挑战

比起优化亲和力以及消除脱靶现象,多靶点药物开发过程中面临的更大的困难是使多靶点药物具有良好的药代动力学性质。目前开发出的多靶点化合物相对于已经上市的药物具有更高的分子质量和脂溶性。更高的分子质量以及脂溶性往往会导致较差的口服生物利用度。多靶点药物具有更大的分子质量的原因是,初始化合物的质量与一般药物的质量几乎相同,且骨架联合的程度一般较低。为了获得较好口服生物利用度的多靶点药物,使用分子质量较小的初始化合物且必须将骨架整合的程度最大化。对具有保守的结合位点或者内源性配体较为简单的靶点,获得具有较好药代动力学性质的多靶点化合物则更为容易。 

通过筛选方法获得的多靶点化合物与通过骨架联合方法获的化合物相比,具有更低的分子质量。且在优化活性的过程中,通过引入合适大小的基团或者修饰现有基团就可以达到平衡活性的目的。该种方法相较于骨架联合的方法更容易获得合适的多靶点口服化合物。

大量的证据显示,部分蛋白家族更易获得具有良好药代动力学性质的多靶点药物。例如转运体、氧化酶以及单胺类GPCR家族,而肽类GPCR家族的多靶点药物的药代动力学性质往往不佳,如图所示。故设计靶向于肽类G蛋白偶联受体的多靶点口服药物往往更加困难。但是通过坚持不懈的努力和高超的技巧,肽类G蛋白偶联受体的多靶点口服药物也能被设计出来,例如上文提到的化合物22,该化合物具有良好的口服生物利用度。

对某些靶点而言,设计出既有良好的活性比例以及良好的药代动力学性质的多靶点化合物是不可能的。由于两个靶点的药效团是截然不同的,不可能将两个药效团溶入一个较小的分子中。尽管骨架联合的方法倾向于产生更大的分子,但是如果研发目的是开发注射用药物或者验证靶点组合的药理学工具,骨架联合的方法将会变为一个有用的方法。

通过改变多靶点药物的给药方式,例如静脉注射,使得多种多靶点药物的应用成为可能。例如药物化学家Van Boeckel等人设计了抗血栓化合物69。该化合物的一端连接NAPAP,另一端连接抗凝血因子3调节因子,中间用一个代谢稳定连接基团连接。由于连接基团的聚乙二醇结构,使得该化合物水溶性较好,易于成为一个注射用药物。由于抗凝血因子3调节因子(13–15 h)的半衰期较NAPAP(18min)更长,故化合物69相对于NAPAP具有更长的半衰期,因此该药比两药连用(抗凝血因子3调节因子和NAPAP)具有更好的疗效。

参考资料:Chapter 27 The practice of medicinal chemistry. In The Practice of Medicinal Chemistry, 3rd Ed, 2008.