1、 1530 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1530 1539 先导化合物结构优化策略 (五) 降低药物hERG心脏毒性 周圣斌, 王 江, 柳 红* (中国科学院上海药物研究所、受体结构与功能重点实验室, 上海 201203) 摘要: 由人类果蝇相关基因 (hERG) 编码的钾离子通道在人类生理、病理过程中扮演着十分重要的角色。在心肌细胞中, hERG钾通道影响心脏动作电位的复极过程。近年来, 一些药物因阻断该通道引起QT间期延长而被撤市。本文总结了降低与hERG相关心脏毒性的先导化合物结构优化策略, 包括: 降低脂溶性、降低碱性、
2、引入羟基、引入酸性基团以及构象限制等。 关键词: 人类果蝇相关基因; 先导化合物结构优化; 脂溶性; 碱性; 构象限制; 心脏毒性 中图分类号: R916 文献标识码: A 文章编号: 0513-4870 (2016) 10-1530-10 Lead compound optimization strategy (5) reducing the hERG cardiac toxicity in drug development ZHOU Sheng-bin, WANG Jiang, LIU Hong* (Key Laboratory of Receptor Research, Shanghai
3、 Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China ) Abstract: The potassium channel encoded by the human ether-a-go-go related gene (hERG) plays a very important role in the physiological and pathological processes in human. hERG potassium channel determines the outwa
4、rd currents which facilitate the repolarization of the myocardial cells. Some drugs were withdrawn from the market for the serious side effect of long QT interval and arrhythmia due to blockade of hERG channel. The strategies for lead compound optimization are to reduce inhibitory activity of hERG p
5、otassium channel and decrease cardiac toxicity. These methods include reduction of lipophilicity and basicity of amines, introduction of hydroxyl and acidic groups, and restricting conformation. Key words: hERG; lead compound optimization; lipophilicity; basicity; conformation restriction; cardiac t
6、oxicity 近年来, 众多药物由于心脏突发死亡事件而被撤出市场 (表1)1, 2。在药物临床前研究阶段, 24%的药物由于心血管毒副作用终止开发, 45%的药物由于引起心脏毒副作用而撤市3, 4。药物引起心脏毒性的主要原因为: 阻断心脏的快速延迟整流电流 (IKr), 造成心脏动作电位时程中QT间期延长, 进而诱发尖端扭转性室性心动过速 (TdP), 严重时可引起突然收稿日期: 2016-03-10; 修回日期: 2016-04-08. 基金项目: 国家杰出青年科学基金资助项目 (81025017). *通讯作者 Tel / Fax: 86-21-50807042, E-mail: DO
7、I: 10.16438/j.0513-4870.2016-0200 死亡。IKr由hERG基因编码的Kv11.1钾离子通道传导, 在整个动作电位时程中起到至关重要的作用5, 各国的药物监管部门规定新化学实体必须按照国际协调会议 (ICH) 指南进行全面的 hERG 活性和 QT间期评价。尽早有效地预测、评价、优化, 避免药物对hERG钾通道的抑制活性, 有助于降低药物开发的成本, 提高药物开发的成功率。 1 hERG钾通道与心脏毒性 1.1 hERG钾通道的结构与功能 hERG钾通道是由KCNH2基因编码的4个相同亚单位所构成的四聚体结构。每个亚单位由 -亚基 周圣斌等: 先导化合物结构优化策
8、略 (五) 降低药物hERG心脏毒性 1531 Table 1 Withdrawal of marketed drugs due to prolonging QT interval or leading torsades de pointes (Tdp) Drug Theraputic class Year of withdrawal Prenylamine Anti-anginal 1988 Lidoflazine Anti-anginal 1989 Terodiline Anti-anginal/ urinary incontinence 1991 Terfenadine Antihist
9、amine 1998 Sertindole Antipsychotic 1998 Astemizole Antihistamine 1999 Grepafloxacin Antibiotic 1999 Cisapride Gastric prokinetic 2000 Droperidol Tranquilizer/analgesic 2001 Levacetylmethadol Methadone substitution 2001 Dofetilide Atrial fibrillation 2004 Thioridazine Antipsychotic 2005 Clobutinol A
10、ntitussive 2007 Dextropropoxyphene Opioid analgesic 2009 (6 个跨膜结构域 S1S6) 和 -亚基 (细胞膜内侧 N端和C端) 构成。主要功能区-亚基上的S1S4结构域是hERG钾通道的电压传感器, S4链带6个正电荷, 随膜电压的变化在膜内移动, 调节孔道的开放与关闭。S5 到 S6 结构域及中间的链接区 P 链上的氨 基酸残基 (关键氨基酸残基 Phe656 和 Tyr652) 构成了 hERG 钾通道的中心疏水孔道, 形似漏斗结构。P链和 S6 结构域上 3 个氨基酸残基 (Thr623、Ser624和Val625) 构成了hER
11、G钾通道上方的选择性滤膜。hERG钾通道属于电压门控型离子通道, 存在3种构象状态, 分别为: 关闭态 (closed)、开放态 (open) 和失活态 (inactive), 在动作电位的不同阶段 hERG 钾通道开放、关闭的速度和程度不同, 呈现动态的构象变化6。 1.2 药物诱导的QT间期延长的可能机制 药物引起 QT 间期延长的作用机制主要分为: 直接抑制hERG钾通道; 阻碍hERG钾通道蛋白转运。 绝大多数撤市药物均能直接作用于 hERG 钾通道, 降低 IKr, 影响心肌动作电位复极化, 进而诱发TdP, 严重时造成突然死亡。临床上主要表现为心电图 (ECG) 上 QT 间期延长
12、7。大量同源模建和定点突变实验研究表明: 药物中的脂溶性片段或芳杂环能够与疏水性 hERG 钾通道中的氨基酸残基 Phe656形成-疏水作用; 药物分子中的碱性氮原子在生理条件质子化后, 与氨基酸残基 Tyr652 形成 -阳离子相互作用; 此外, 药物还可以与过滤膜区的氨基酸残基如Thr623、Ser624 和 Val625 产生相互作用8。药物在hERG通道开放状态进入孔道, 随后hERG钾通道立即进入失活状态, 离子孔道的空间变小, 与药物的结合变强。 此外, 近期研究表明一些药物还可以通过抑制内质网上hERG钾通道蛋白的转运9, 减少心肌细胞膜表面hERG钾通道的表达, 缓慢地降低IK
13、r, 从而影响心脏的复极化, 造成 QT 间期延长。例如: 降血脂药物普罗布考10、抗抑郁药氟西汀11、抗真菌药酮康唑12等通过阻碍hERG钾通道蛋白转运, 降低IKr。近来, Wang 等13研究表明: 微小 RNA (miR-17-5p) 在慢性氧化应激条件下, 通过靶向多个压力相关的分子伴侣 (Hsp70、Hsc70、CANX 和 Golga2), 阻碍hERG钾通道蛋白转运。 1.3 降低药物hERG心脏毒性策略 采用计算机辅助药物设计 (CADD) 预测药物潜在hERG毒性, 指导药物设计与改造, 方便、快捷且成本较低。研究人员开发了很多预测 hERG 毒性的 模型和工具14, 15
14、。预测药物 hERG 毒性模型的构建 方法主要分为两类: 一类是基于配体的构建方法。如中国药科大学尤启冬等16开发了3D-QSAR药效团和2D-QSAR 联合模型, 表明强效的 hERG 抑制剂具有类似高级脂肪胺的药效团模型。中国科学院上海药 物研究所新药设计发现中心构建了 Bayesian 分类模型, 论述了药物抑制 hERG 钾通道的活性与化合物 的相对分子质量、脂溶性、极性表面积和碱性等性质的相关性, 概括总结了一系列对 hERG 钾通道具有 较强抑制活性的药效团片段17, hERG抑制剂多为脂溶性高、碱性强、缺乏氢键受体、柔性较大的分子。另一类是基于受体的预测模型构建方法。由于 hER
15、G钾通道的晶体结构尚未被解析, 研究人员通过钾通道的同源模建和分子对接, 研究药物与 hERG 钾通 道的相互作用, 并总结概括 hERG 钾通道为疏水型 构象多变的离子孔道18; hERG抑制剂与钾通道氨基酸残基可形成-疏水、-阳离子等相互作用。采用计算方法预测药物潜在 hERG 心脏毒性的优点在于快速、方便、节约合成及测试成本。但由于构建模型多样、建模数据库不统一 (样本数目、实际测试方法涉及配体结合、电生理膜片钳等)、内源 hERG 钾通道构象多变的特点, 同源模建和分子对接的精准度仍是目前钾离子通道研究的一大难点19。 目前, 通过先导化合物结构优化解决药物的hERG 抑制问题, 仍是
16、改善心脏毒性最为直接和有效的策略。Jamieson20、Kerns21和 You 等22分别于2006、2008和2011 年对降低药物hERG抑制活性的 1532 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1530 1539 结构修饰策略进行了综述。 本文基于前人的工作, 重点综述了 2010 年之后降低hERG抑制作用的结构优化策略, 具体包括: 降低脂溶性、降低碱性、引入氢键受体或可生成负离子的基团以及构象限制等。本文通过对典型实例分析, 直观地反映了所采用的化学结构修饰对改造前后药物的理化性质、靶标活性、hERG抑制活性 (off-ta
17、rget效应) 以及药代性质等多方面的综合影响, 为新药开发中解决药物潜在的心脏毒性问题提供一些思路和参考。 2 化学修饰降低药物hERG心脏毒性的策略 2.1 降低脂溶性 Levoin 等23通过 QSAR 分析指出分子的脂溶性 (clogP、clogD或极性表面积PSA) 和芳香性与hERG抑制活性关系密切。药物分子中的脂溶性芳香环, 与hERG钾通道产生-疏水作用。降低分子的脂溶性, 如在药物分子的芳环上引入吸电子基团或者极性基团、或通过电子等排将苯环替换成杂环等, 可以有效地阻碍该疏水作用, 降低hERG抑制活性。 腺苷受体A2A拮抗剂可用于治疗帕金森, 化合物1 是默克公司报道的 A
18、2A 拮抗剂先导化合物 (IC50 = 5.5 nmolL1), 对腺苷受体A1具有较好的选择性, 但具有较强的hERG抑制活性 (IC50 = 1.5 molL1)。采用降低脂溶性的策略24, 将末端苯环替换为吡唑得到化合物1a和1b, 脂溶性clogP分别下降1.9和0.7个单位, hERG抑制活性显著下降 (IC50 60 molL1), 同时保持了化合物对 A2A 的活性及对 A1 的选择性 (表2)。 化合物2是广谱的抗菌药物, 抑菌活性较好, 对拓扑异构酶IV具有较强的抑制作用, hERG抑制活性IC50为3 molL1。将氮杂喹啉等排替换为极性更大的喹诺酮得到化合物 2a2c25
19、, 脂溶性 logD7.4下降0.61.6个单位, hERG抑制活性显著下降 (IC50 30 molL1) (表3)。 增加极性表面积 (PSA) 和降低 clogP, 可以协同作用降低脂溶性, 用于改善hERG抑制作用。组胺 Table 2 Reducing hERG inhibitory activity through attenuation of lipophilicity on adenosine A2A receptor antagonists 1 Compd. R Human A2A IC50/ nmolL1 Human A1 IC50/ molL1 hERG IC50/ mo
20、lL1 clogP 1 5.5 14.5 1.5 4 1a Me 24.6 15.9 60 2.1 1b t-Bu 9.4 19.1 60 3.3 Table 3 Reducing hERG inhibitory activity through attenuation of lipophilicity on antibiotics 2 Compd. X Y Z MIC/ gmL1 Topo IV IC50/ nmolL1 hERG/ molL1 logD7.4 2 0.014 1.3 3 1.46 2a N CH N 0.024 1.5 31 0.83 2b N N CH 0.138 13
21、206 0.20 2c N N N 0.258 2.0 81 0.14 H3 受体拮抗剂 3, IC50 达到 2.43.5 nmolL1, 但hERG抑制活性较强 (IC50 = 1.1 molL1), 将末端苯环替换成二甲基取代的噁唑环26, clogP 和 clogD 下降 0.30.4 个单位, 同时噁唑环上二甲基取代使得PSA增加近一倍, 化合物3a的脂溶性下降, 其hERG钾通道的抑制活性显著降低 (IC50 = 37 molL1), 同时对 H3 受体拮抗活性有所提高 (IC50 = 0.10.8 nmolL1) (表4)。 将苯环替换为含有氮或氧的脂肪杂环, 如哌啶、哌嗪、四氢
22、吡喃等, 可以有效地降低药物分子的脂溶性 (clopP), 阻碍药物分子与 hERG 钾通道的疏水相互作用。化合物4是阿斯利康公司研发的CCR5拮抗 Table 4 Reducing hERG inhibitory activity through attenuation of lipophilicity on histamine H3 receptor antagonists 3 Compd. h-H3R Ki/nmolL1 rh-H3R Ki/nmolL1 r-H3R Ki/nmolL1 hERG IC50/molL1 clogP clogD7.4 PSA/2 3 3.4 2.5 3.0
23、1.1 3.2 0.7 36 3a 0.1 0.4 0.8 37 2.8 0.4 62 周圣斌等: 先导化合物结构优化策略 (五) 降低药物hERG心脏毒性 1533 剂 (IC50 = 0.32 nmolL1), hERG 钾通道抑制活性为7.3 molL1。在口服给予50 mgkg1剂量下, 化合物4在犬模型上引起QT间期延长。采用降低脂溶性的结构改造策略27, 将苯环替换成哌啶或哌嗪, logD7.4下降0.71.0个单位, hERG抑制活性大大降低 (IC50 = 24 molL1), 同时CCR5拮抗活性保持 (表5)。 类似的策略也被成功应用于 H3 受体拮抗剂 5 的结构优化中。
24、化合物 5 对 H3 受体的拮抗活性为1.216.5 nmolL1, hERG抑制活性较强 (IC50 = 0.48 molL1)。将苯环替换成四氢吡喃环28, clogP 下降2.3 个单位, hERG 抑制活性降为原来的 1/39 (IC50 = 18.9 molL1), 同时化合物 5a 对 H3受体上的拮抗 活性提高 (IC50为0.81.0 nmolL1) (表6)。 Table 6 Reducing hERG inhibitory activity through attenuation of lipophilicity on histamine H3 receptor antag
25、onists 5 Compd. h-H3R Ki /nmolL1 rh-H3R Ki /nmolL1 r-H3R Ki /nmolL1 hERG IC50 /molL1 clogP 5 8.6 1.2 16.5 0.48 4.4 5a 1.0 0.8 1.0 18.9 2.1 2.2 降低碱性 降低碱性是先导化合物结构优化降低 hERG 抑制活性的一个重要策略。一些药物分子碱性较强, 在生理条件下可质子化, 同源模建和定点突变实验研究表明可与hERG 钾通道中的氨基酸残基 Tyr652 形成较强的-阳离子相互作用。降低药物的碱性 (pKa), 可阻碍该 -阳离子相互作用, 使 hERG 抑制活
26、性降低。降低碱性 (pKa) 包括: 引入吸电子基团 (如引入F、磺酰基、杂原子、羰基、酰胺等); 或将氨基替换为酰胺、磺酰胺等。图1总结了这些策略对于降低氨基碱性 (pKa) 的作用29。通过引入极性片段 (如羰基和氧杂环等) 降低 pKa 时, 也会导致脂溶性 (logD) 的下降, 因此, 降低碱性和降低脂溶性相互联系相互影响。然而有时降低药物分子中氨基的碱性, 会对活性和理化性质造成影响, 因为有些氨基与靶标蛋白发生关键的氢键相互作用, 而另一些则作为成盐位点, 用于改善药物的溶解性, 此为该方法的一些局限性, 在实际应用中应加以注意。 广谱抗菌药物化合物6对拓扑异构酶IV具有较好的抑
27、制活性 (IC50 = 3.2 nmolL1), hERG抑制活性IC50为44 molL1, 但在几内亚猪模型上会引起QT间期延长。在哌啶环上引入吸电性的氟原子30, pKa降低1.3个单位, hERG抑制活性降至1/5 (IC50 = 233 molL1), 同时抗菌活性保持不变 (表7)。 Table 7 Attenuation of pKa to reuduce hERG inhibitory activity on antibacterial agents 6 Compd. MIC /gmL1 Topo IV IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 pKa logD7
28、.4 6 0.038 3.2 44 8.27/5.75 0.68 6a 0.068 48 233 7.03/4.47 0.96 化合物 7 是环己基胺类 DDP-IV 抑制剂 (IC50 达到 0.5 nmolL1), hERG 抑制活性较强 (IC50 = 4.8 molL1), 在犬模型上会导致 QT 间期延长。在环己基环上碱性氨基的位引入氧原子31, pKa从8.6降低为7.3, hERG抑制活性大大降低 (IC50 = 23 molL1), 同时对DPP-IV抑制活性不受影响 (表8)。 化合物 8 是 Merck 公司开发的 2-氰基嘧啶类组织蛋白酶 K (CatK) 抑制剂, hE
29、RG 抑制活性 IC50为0.16 molL1。将结构中哌啶替换成氨基酰胺片段32, 碱性 (pKa) 和脂溶性 (clogP) 分别下降 1.8 和 2.2 个单位, hERG抑制活性降为原来的1/30 (IC50 = 3.16 molL1), 大鼠给药化合物8a 100 mgkg1两周, 未见心脏不良反应 (表9)。 Table 5 Reducing hERG inhibitory activity through attenuation of lipophilicity on CCR5 antagonists 4 Compd. X CCR5 IC50/ nmolL1 hERG IC50/
30、molL1 logD7.4 F/% 4 0.32 7.3 2.2 3886 4a CH 0.26 24 1.5 4151 4b N 3.7 32 1.2 7.322 1534 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1530 1539 Figure 1 Introduction of withdrawing group to reduce pKa Table 8 Attenuation of pKa to reduce hERG inhibitory activity on DPP-IV inhibitors 7 Compd. R DPP-I
31、V IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 pKa 7 0.5 4.8 8.6 7a CF3 1.3 23 7.3 7b 0.66 30 7.3 Table 9 Attenuation of pKa to reduce hERG inhibitory activity on CatK inhibitors 8 Compd. CatK IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 clogP pKa 8 4 0.16 4 9.2 8a 3 3.16 1.8 7.4 将氨基替换成酰胺可以显著降低碱性, 改善对hERG 钾通道的抑制活性。化合物 9 和 10 是 Shin
32、等33报道的一类三级胺类的 T-型钙通道阻滞剂, 是潜在的用于治疗心血管疾病的先导化合物, hERG 抑制活性较强, 分别为0.18和1.38 molL1。将氨基替换成酰胺, 碱性和脂溶性均下降, hERG 抑制活性 IC50分别降为 12.5 和 16.8 molL1, 但该方法导致钙通道阻滞活性略微下降 (表10)。 2.3 引入羟基 羟基是一个强极性氢键供体基团, 引入羟基可 Table 10 Attenuation of pKa to reduce hERG inhibitory activity on T-type calcium channel blockers 9 and 10
33、Compd. T-type IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 clogP F/% 9 8.17 0.178 5.84 9a 56 12.5 5.40 60.3 10 95 1.38 5.70 10a 654 16.8 4.77 9.2 以显著地改变分子的理化性质, 降低脂溶性和碱性, 阻碍药物分子与 hERG 钾通道的疏水作用和 -阳离子相互作用。近年来, 越来越多的研究实例证明引入羟基对于改善hERG抑制活性具有重要作用。 化合物 11 是黑色素聚集激素受体 (MCHR) 拮抗剂 (IC50为 13 nmolL1), 但 hERG 抑制活性极强 (IC50 = 0.00
34、2 molL1)。采用上述降低脂溶性的策略, 将苯环替换成四氢吡喃环, hERG抑制活性下降至11的 1/60 (IC50 = 0.12 molL1), 抑制活性仍较强。在四氢吡喃环上引入羟基34, hERG抑制活性进一步下降至11的1/4 000 (IC50 = 8.24 molL1), 同时MCHR拮抗活性保持, 可见羟基在改善hERG抑制活性的重要作用 (表11)。 N-型钙离子通道 (NVDCC) 是治疗神经疼痛的潜在靶点, 化合物12是由Ogiyama 等35报道的有效的N-型钙离子通道阻滞剂 (IC50 = 0.6 nmolL1), hERG 周圣斌等: 先导化合物结构优化策略 (
35、五) 降低药物hERG心脏毒性 1535 Table 11 Introducing hydroxy group to reduce hERG inhibition on MCHR antagonists 11 Compd. R MCHR IC50/molL1 hERG IC50/molL1 11 0.013 0.002 11a H 0.021 0.12 11b OH 0.025 8.24 抑制活性较强 (IC50 = 8.3 molL1)。采用类似的结构优化策略, 将 2-甲氧基取代的苯环替换成羟基取代的环己基片段, hERG活性下降至98 molL1 (表12)。 Table 12 Intr
36、oducing hydroxy group to reduce hERG inhibition on N-type calcium channel blockers 12 Compd. NVDCC IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 12 0.6 8.3 12a 1.0 98 纺锤体蛋白 (KSP) 抑制剂可用于抗肿瘤。化合物 13 是 Merck 公司开发的 KSP 抑制剂 (IC50 = 4 nmolL1), hERG抑制活性较强 (IC50 = 1.2 molL1)。在二氢吡咯2-位引入羟甲基得到化合物13a, logP从2.5 降到 1.7, hERG 抑制活性下降
37、到原来的 1/12 (IC50 = 14.6 molL1), 但化合物13a多药耐药性比值 (MDR) 较高, 易被细胞外排, 通过调节侧链在氨基哌啶引入氟原子, pKa下降1.22.2个单位, hERG抑制活性进一步下降 (IC50 20.5 molL1), 同时MDR下降至10以下, 细胞活性提高 (表13)36。 化合物 14 是一类选择性较高的组织蛋白酶 S (CatS) 抑制剂 (IC50 = 3 nmolL1, CatL/CatS = 120)。CatS是一类半胱氨酸蛋白酶, 主要在树突状细胞、B细胞、巨噬细胞和脑小神经胶质细胞上表达, 负责水解蛋白和抗原呈递, 选择性抑制脊髓小胶
38、质的 CatS可以逆转神经性疼痛。化合物14 过血脑屏障的能力较好, 但hERG抑制活性较强 (IC50 = 0.71 molL1), 在氨基侧链上引入羟基, 对hERG抑制活性影响不大。通过采用上述的降低碱性的策略, hERG 抑制活性达到 IC50大于 30 molL1, 但化合物 14b 过血脑屏障能力下降, 脑中的药物浓度小于13 nmolL1。将氨基 Table 13 Introducing hydroxy group to reduce hERG inhibition on kinesin spindle protein inhibitors 13 Compd. KSP IC50/
39、 nmolL1 Cell EC50/ nmolL1 MDR ratio hERG IC50/ molL1 pKa logP 13 4 400 10 1.2 2.5 13a 6.2 125 21.2 14.6 8.8 1.7 13b 2.2 5.3 4.5 20.5 7.6 13c 11.5 16.5 2.4 36.9 6.6 侧链替换成羟乙基, hERG抑制活性大于30 molL1, 同时化合物14c在Cat上的活性、选择性以及过血脑屏障的能力均保持 (表14)37。 Table 14 Introducing hydroxy group to reduce hERG inhibition on
40、 cathepsin S inhibitor 13. aBrain concentration profiles for several compounds 1414c in Sprague-Dawley rats (po 10 mgkg1, 3 h) IC50/molL1 Compd. R CatS CatL hERG Brain concentrationa /nmolL1 14 3 360 0.71 718 14a 3 300 0.89 14b 10 2 500 30 30 849 2.4 引入酸性基团 在药物分子中巧妙地引入酸性片段, 可以与碱性氨基形成内盐, 能够显著降低了分子的脂溶
41、性, 降低分子的碱性, 降低其与疏水性较强的hERG钾通道相互作用; 同时降低化合物的透膜性, 使其难以通过hERG钾通道的滤膜区。酸性片段的引入是阻断小分子配体与 hERG 通道相互作用直接有效的结构修饰策略, 然而有时引入酸性基团, 对药物分子的理化性质影响较大, 对药物分子的药效学和药代动力学性质产生较大影响。 化合物15 是美国安进公司开发的高效选择性黑色素聚集激素受体MCHR1拮抗剂 (Ki = 0.3 nmolL1, IC50 = 0.5 nmolL1), 用于肥胖治疗。化合物15对hERG 1536 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51
42、(10): 1530 1539 钾通道具有较强的抑制作用 (IC50 = 0.03 molL1)。在四氢吡喃的4-位引入羧酸基团得到化合物15a, 其hERG抑制活性下降至1/10 (IC50 = 0.3 molL1), 但MCHR1 拮抗活性显著下降, 缩短碳链后化合物 15b和 15c 的 MCHR的拮抗活性提高。将四氢吡喃替换成环己基得到化合物 15c, MCHR 活性保持 (IC50 = 0.6 nmolL1), 而hERG抑制活性下降到化合物15的1/166之下 (IC50 5 molL1), 在大鼠、犬、猴等模型上表现出良好的药代性质, 且未观察到 QT 间期 延长的不良反应38,
43、 此外, 化合物15c透过血脑屏障的能力较强, 在大鼠、犬、猴等动物模型上均有效39 (表15)。 Table 15 Adding acidic group to reduce hERG inhibition on MCHR1 antagonists 15. aDose: 0.5 mgkg1 (iv) and 3 mgkg1 (po) F/%a Compd. n x MCHR1 IC50/ molL1 hERG IC50/ molL1 Rat Dog Cyno 15 1 O 0.000 5 0.03 81 33 70 15a 1 O 0.04 0.3 15b 0 O 0.00 9 5 15c
44、0 CH2 0.000 6 5 70 40 29 2.5 构象限制 对药物分子基本骨架进行细微的调整, 比如改变手性、引入甲基、并环扩环或者引入双键增加分子刚性, 限制药物分子构象或减少柔性构象数目, 可有效地阻碍药物分子与 hERG 钾通道 (off-target) 相互作用; 同时由于药效团不变, 该策略对药效影响不大。近年来, 通过构象限制改善hERG抑制活性的报道越来越多, 为改善药物hERG抑制活性提供新思路。 2.5.1 改变手性 上市药物中手性药物越来越普遍, 手性不同往往会导致药物药效学、药代动力学和毒理等性质各不相同。同样, 手性药物分子的不同异构体对于 hERG 钾通道的抑
45、制作用不尽相同, 如化合物 (R, R)-16和 (R, R)-17是法尼基转移酶抑制剂, 体外具有良好的活性 (IC50 30 molL1) (表17)42。 Table 17 Reducing the hERG inhibitory activity on H3 receptor (H3R) antagonist 18 Compd. H3R Ki/nmolL1 hERG IC50/molL1 18 7 7 18a 4 30 2.5.3 增加分子刚性 肾素抑制剂19可用于抗高血压, 但其hERG抑制活性较强 (IC50 = 5 molL1), 通过并入螺环增加分子刚性43, 成功限制了芳环平
46、面旋转, 化合物19a hERG抑制活性下降至19的1/5以下 (IC50 = 24 molL1), 同时肾素抑制活性显著提高。此策略巧妙地实现了骨架跃迁, 降低hERG抑制活性的同时得到结构新颖的候选化合物 (表18)。 化合物20是白三烯A4水解酶 (LTA4H) 抑制剂, 具有较强的hERG抑制活性 (IC50 = 1.5 molL1), 采用上述的杂环替换策略, 脂溶性 clogP 降低, 化合物20a 抑制 hERG 的活性下降至 20 的 1/6 (IC50 = 8.9 molL1)。基于此引入刚性托品烷结构44, 可以减少化合物20b分子柔性构象数目, hERG抑制活性进一步降低
47、 (IC50 10 molL1) (表19)。 周圣斌等: 先导化合物结构优化策略 (五) 降低药物hERG心脏毒性 1537 Table 18 Intramolecular cyclization to reduce hERG inhibition on renin inhibitors 19 Compd. Renin potency IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 19 320 5 19a 5 24 Table 19 Increasing the rigidity to reduce hERG inhibition on leukotriene A4 hydrola
48、se (LTA4H) inhibitor 20 Compd. LTA4H IC50/nmolL1 hERG IC50/molL1 20 17 1.5 20a 6 8.9 20b 1 10 化合物21 的乙基季铵盐氯非胺具有抗心律失常作用, 但 hERG 抑制活性较强 (IC50 = 4.3 nmolL1), 结构中存在较强的碱性氮和两个较长的柔性疏水链。Louvel 等45研究表明碱性氮对抗心律失常活性重要, 因此考察分子骨架刚性和连接链对 hERG 抑制活性的影响。当引入双键得到的化合物 21a, 对构象改变无明显影响, 仍可以与关键的氨基酸残基 Tyr652 和Phe656 发生相互作用, hERG抑制活性较强; 而当引入炔基得到化合物 21b21c, 分子刚性增强, hERG抑制活性下降至1/131/110 (表20)。 Tab
