作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计.ppt

1,第 三 章 作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计,2,内 容,简介 PPAR 激动剂 PPAR 激动剂 PPAR 部分激动剂 PPAR 拮抗剂 PPAR / 双重激动剂 PPAR 激动剂 PPAR / 三重激动剂,3,一、简介,型糖尿病，又称为非胰岛素依赖型糖尿病（non-insulin-dependent diabetes mellitus，NIDDM），占糖尿病患者的90%以上。现在，已有一亿两千万人口患有糖尿病。据估计，到2020年，这一数字将达到二亿。 治疗型糖尿病的基本方法是控制血糖水平。但是，降糖治疗会导致心血管并发症如视网膜病的发生。这说明，研制开发新型高效低毒的糖尿病药物已经迫在眉睫。 在研发降糖新药的各种方法中，引人瞩目的一个方法是研发过氧化物酶体增殖因子活化受体（peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs）的激动剂。,4,过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARs）是由Issemann和Green在1990年发现的。 过氧化物酶体增殖因子活化受体（PPARs）属于核受体超家族的成员，也是一类由配体激活的转录因子。 该受体发现以后的短短几年间，科学家识别了该受体的三个亚型，分别为PPAR (NR1C1), PPAR (NR1C2) (also known as PPAR , NUCI, FAAR) 和PPAR (NR1C3).,5,PPAR 存在于肝脏和骨骼肌组织中。在这些组织中，PPAR 调节基因的表达，如脂肪的代谢和平衡。 PPAR 广泛存在于各种组织中，但是其功能尚未明确。 PPAR 主要存在于脂肪组织。体外实验表明，PPAR 在脂肪细胞分化过程中起着重要作用。这说明，PPAR 是脂肪储存利用方面的一个重要成分。,6,PPAR当被特定的小分子（如类固醇、类维生素A、脂肪酸等）激活以后，PPAR与类维生素A受体形成二聚物。该二聚物与某些基因上游的特异的一段DNA，亦称为过氧化物酶体增殖因子反应元件（peroxisome proliferator responsive element，PPRE，位于靶基因的调节区）结合，然后刺激了关于脂代谢和脂平衡的基因转录。PPREs的作用是编码蛋白质，包括脂质和脂蛋白代谢。 PPAR与类维生素A受体二聚物的激活与控制脂质，糖类和能量平衡的基因密切相关。所以，PPARs不适当的激活或者失活会导致疾病的发生，如型糖尿病、心血管病，等。,7,近十年来，PPARs介导各种代谢过程的能力已经使其成为药理学和遗传学研究的焦点。现在的药学研究目标是寻找PPAR的配体，以期发现新型高效低毒的抗糖尿病药物。现已发现的配体包括： PPAR 激动剂（抗动脉粥样硬化，抗脂异常）； PPAR 激动剂（用于治疗型糖尿病）； PPAR 部分激动剂（抗糖尿病活性，副作用小）； PPAR 拮抗剂（是研究PPAR 信号通路的工具）； PPAR / 双重激动剂（能协同的改善糖脂代谢）； PPAR 激动剂（可能对脂循环有作用）； PPAR / 三重激动剂（有抗糖尿病活性）。,8,二、PPAR 激动剂,天然PPAR 激动剂 蝶芪（音齐）（Pterostilbene (1)）是PPAR 的激动剂。,9,2. 合成的 PPAR 激动剂,2.1 苯氧基烷酸类（贝特类，Fibrates）及其类似物 近年来，贝特类药物，如氯贝丁酯(clofibrate，2)、非诺贝特(fenofibrate，3)、苯扎贝特(bezafibrate，4)(Fig. 1)是临床上广泛应用的影响胆固醇和甘油三酯代谢的药物。,Fig. 1. 贝特类药物,10,2. 合成的 PPAR 激动剂,11,2. 合成的 PPAR 激动剂,虽然贝特类药物是PPAR配体，但是其亲和力很弱（需要微摩尔浓度才能激活PPAR ），PPAR亚型选择性很差。因此，需要大剂量使用(about 300-1200 mg/day)，才能起效。因此，需要研发更有效的具有亚型选择性的PPAR 激动剂。,12,2. 合成的 PPAR 激动剂,据报道，具有手性中心的贝特类药物(5, Fig. 2)的立体化学性质影响其药理活性。科学家合成了一些具有手性中心的无环贝特类似物(5, Fig. 2)和成环贝特类似物(6-8, Fig. 2)。活性测试表明，成环后，化合物刚性增加，表现出抑制脂肪分解的活性。,Fig. 2. 无环贝特类似物(5)和成环贝特类似物(6-8),13,2. 合成的 PPAR 激动剂,GlaxoSmithKline(葛兰素史克)公司发现了一个PPAR 激动剂GW9578 (9)，也是苯氧基烷酸类似物。,14,2. 合成的 PPAR 激动剂,Merck公司用1,3-二氧亚丙基linker链接酸性头部和亲脂性尾部，发现了2,3-二氢苯并呋喃-2-羧酸类化合物10，这是高效且具有亚型选择性的PPAR 激动剂. 其EC50 1000倍。据推测，这类化合物的高选择性是由于2,3-二氢苯并呋喃环引起的构象限制产生的。,15,2. 合成的 PPAR 激动剂,Eli Lilly(礼来)公司和Ligand公司发现了具有2,4-二氢-3H-1,2,4-三唑-3-酮(三唑酮)母核的PPAR 激动剂。其中活性最好的一个化合物是LY518674 (11)，其对PPAR 的EC50 = 42 nM，且具有高度的亚型选择性。LY518674已经进入临床试验研究。,16,2. 合成的 PPAR 激动剂,Meyer等人发现了K-111(12, BM 17.0744，-取代的烷基羧酸)是PPAR激动剂，且没有PPAR 和PPAR 激动活性。,17,2. 合成的 PPAR 激动剂,2.2 -取代的苯丙酸衍生物,日本Kyorin公司选择了KRP-297 (13，PPAR /双重激动剂，对/活性相当)作为先导化合物，开发选择性的PPAR激动剂。该公司科学家预测，将噻唑烷二酮(thiazolidine-2,4-dione，TZD)母核替换成其他的酸性官能团，如贝特类药物中的羧基，可能会减少PPAR 的亲和力，有利于PPAR 的选择性(Fig. 3)。根据这一思想，他们发现了一个PPAR 激动剂(S)-10 (14, KCL1998001079, -烷基苯丙酸衍生物)。该化合物对PPAR 有选择性。,Fig. 3. (S)-10的发现.,18,2. 合成的 PPAR 激动剂,Fig. 4. (S)-10的构效关系.,19,2. 合成的 PPAR 激动剂,2.3 恶唑基-丝氨酸类化合物 大多数合成PPAR , 和激动剂具有以下结构特征：极性头部 “A” 通过短链“B”和芳环“C”相连，芳环“C”又通过链“D”与疏水环“E”相连。短链“B”和链“D”有可以含有取代基F和G (Fig. 5)。,Fig. 5. 合成PPAR , , 和 激动剂的结构特征.,20,2. 合成的 PPAR 激动剂,在此结构特征基础上，Wei等人设计合成了一系列恶唑基-丝氨酸类PPAR激动剂，其中，15 是活性最好的一个，对PPAR 的 EC50 = 0.67 uM。,21,三、PPAR 激动剂,天然 PPAR 激动剂 Palmer和Wolf发现了cis-parinaric acid (16, CPA, Fig. 6)（杷荏酸，十八烷四烯酸）是PPAR 激动剂，其Kd值是669 nM。这是脂肪酸激动PPAR 的第一次报道。 无环呋喃二萜化合物saurufuran A (17, Fig. 6) 是从Saururus chinensis（三白草）的根中得到的，是 PPAR 激动剂，EC50 = 16.7 uM。 15-deoxy-12,14 前列腺素J2 (15-d-PGJ2, 18, Fig. 6)是 J-系列环戊烯酮前列腺素的代谢产物，是迄今最有效的天然PPAR 激动剂，其EC50 = 1-2 uM。,Fig. 6. 天然PPAR 激动剂.,22,2. 合成 PPAR 激动剂,2.1 噻唑烷二酮类(Thiazolidinediones，TZDs) 上世纪九十年代末，美国食品药品管理局(Food and Drug Administration，FDA)批准噻唑烷二酮类(“glitazones” or thiazolidinediones)药物上市，用于治疗型糖尿病。这类药物具有共同的结构特征：噻唑烷二酮母核(TZD)。,23,2. 合成 PPAR 激动剂,1997年，第一个噻唑烷二酮类药物曲格列酮（troglitazone）上市。之后因陆续出现肝损害报告而撤出。1999年，罗格列酮rosiglitazone和吡格列酮pioglitazone上市，成为此类目前应用的主要品种。,Fig. 7. 噻唑烷二酮类药物,24,2. 合成 PPAR 激动剂,同时，在九十年代中期，科学家发现噻唑烷二酮类药物的靶点是PPAR 。噻唑烷二酮类药物通过激动PPAR ，增加脂肪细胞、肝细胞、骨骼肌细胞对胰岛素的敏感性，促进胰岛素靶细胞对血糖的摄取、转运和氧化利用；同时降低血糖及游离脂肪酸的水平。,25,2. 合成 PPAR 激动剂,Fig. 8. 噻唑烷二酮类PPAR激动剂的药效团结构.,Kurogi研究了噻唑烷二酮类药物的可能药效团结构。他将罗格列酮rosiglitazone和吡格列酮pioglitazone的结构分成连接区和效应区。连接区是噻唑烷二酮母核，效应区是决定生物活性的区域。在连接区和效应区之间有一个linker（Fig. 8）。,26,2. 合成 PPAR 激动剂,2.2 L-酪氨酸类化合物 22是PPAR 的激动剂，其EC50在微摩尔数量级。以22为先导化合物，Glaxo Wellcome(葛兰素威康)公司发现了PPAR 激动剂 23 (Fig. 9)。,Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现.,27,2. 合成 PPAR 激动剂,对化合物的结构优化发现23结构中烯胺酮基团被2-氨基二苯酮基团替换得到24，活性更好(Fig. 9)。将24的苄基用4-乙基-5-甲基-2-苯基唑代替，得到高效选择性的PPAR 激动剂25 (法格列酮，farglitazar) (Fig. 9)。,Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现.,28,2. 合成 PPAR 激动剂,Glaxo Wellcome（葛兰素威康）公司又进一步研究了芳烷基醚基团的构效关系。将苯基恶唑基团中的苯基用极性基团代替，如吡啶基，得到26 (PPAR pKi = 8.85, PPAR pEC50 = 8.74)。将苯基恶唑基团中的苯基用极性基团代替，如4-甲基哌嗪基，得到27 (PPAR pKi = 8.66, PPAR pEC50 = 8.89)。这两个化合物是选择性的PPAR 激动剂，与法格列酮farglitazar相比，水溶性增加(Fig. 9)。,Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的发现.,29,2. 合成 PPAR 激动剂,与噻唑烷二酮类药物相比，法格列酮farglitazar对PPAR 的pKi = 8.94，pEC50 = 9.47，亲和力和活性都有了较大提高。噻唑烷二酮类药物与法格列酮亲和力和活性的差别可以通过Fig. 10 得到解释。法格列酮farglitazar现已进入期临床实验。,30,2. 合成 PPAR 激动剂,Fig. 10. PPAR 活性位点的氨基酸。催化区由SER289, HIS323, TYR473 and HIS449组成（蓝色）。法格列酮farglitazar是PPAR 激动剂。 在PPAR 活性位点左侧底部，有一个口袋。法格列酮farglitazar的2-氨基二苯酮基团能够伸入这个口袋。这种伸入导致了法格列酮farglitazar和PPAR 更有效的结合（主要是通过疏水作用）。但是，噻唑烷二酮类药物没有能够伸入口袋的基团。此外，-苯丙酸基团可以看作是苄基噻唑烷二酮的电子等排体。,31,2. 合成 PPAR 激动剂,2.3 苯并恶嗪酮衍生物 Rybczynski等人发现了苯并恶嗪酮类化合物是PPAR 激动剂。这类化合物不含噻唑烷二酮母核。他们还研究了构效关系。苯并恶嗪酮的苯环上有取代基时，不利于活性。苯并恶嗪酮氮原子上连接脂肪侧链时，活性最好，最佳侧链长度是5-8个原子。化合物的立体化学也对活性至关重要。R构型化合物活性最好。28 和29是活性最好的两个化合物，其PPAR EC50分别是110 nM 和274 nM。,32,2. 合成 PPAR 激动剂,2.4 二芳基醚羧酸衍生物 LY293111 (30)是一个二芳基醚羧酸衍生物，也是一个PPAR 激动剂，已经进入期临床实验。,33,2. 合成 PPAR 激动剂,2.5 吲哚类化合物 Mahindroo等人合成了一系列吲哚类PPAR 激动剂，并研究了构效关系。正丙基或正丁基是最佳的linker连接；5-取代的吲哚、羧酸头是最佳的PPAR 结合基团；苯基恶唑尾是最佳的效应基团。吲哚基团可与PPAR 活性位点疏水结合，是重要的结合基团。通过体外实验，发现了先导化合物BPR1H036 (31)。,34,四、PPAR 部分激动剂,最近临床前研究表明，血管紧张素受体拮抗剂泰米沙坦telmisartan (32)是选择性的PPAR 部分激动剂。,35,五、PPAR 拮抗剂,上述PPAR 配体都是其激动剂。发现PPAR 拮抗剂能够提供研究PPAR 信号通路的工具，有重大意义。 在高通量筛选寻找PPAR 配体过程中，GlaxoSmithKline（葛兰素史克）公司发现了GW9662 (33)是PPAR 拮抗剂，其对PPAR 拮抗活性IC50达到纳摩尔数量级，且对PPAR 有选择性拮抗作用。,36,六、PPAR / 双重激动剂,天然PPAR / 双重激动剂 8-(S)-HETE (34)是花生四烯酸代谢产物，是PPAR 强激动剂(EC50 = 100 nM)，对PPAR 也有部分激动活性。因此，Caijo等人选择8-(S)-HETE作为先导化合物，设计其类似物(Fig. 11)。,Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉类衍生物.,37,部分类似物表现出PPAR /双重激动活性。其中活性最好的一个化合物是喹啉类化合物35。其结构特点是在56位有一个炔键。该化合物对PPAR 的EC50是114 nM，对PPAR 的EC50是617 nM。,Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉类衍生物.,38,2. 合成PPAR / 双重激动剂,2.1 -取代苯丙酸衍生物 替赛格列他Tesaglitazar (36, AZ242)是苯丙酸衍生物，是PPAR / 双重激动剂。,39,2. 合成PPAR / 双重激动剂,具有PPAR / 双重激动活性的该类化合物还有SB 213068 (37)。 Lohray等人用不同的三环系统取代SB 213068 (37)的甲氨基苯并恶唑基团，发现了罗格里扎ragaglitazar (38, (-)DRF 2725), 是含有吩嗪结构的苯丙酸类化合物(Fig. 12-1)。罗格里扎ragaglitazar是PPAR / 双重激动剂，其EC50分别是0.98 和 0.092 uM。,Fig. 12-1. 罗格里扎ragaglitazar的发现.,40,2. 合成PPAR / 双重激动剂,Novo Nordisk（诺和诺德）公司用咔唑三环系统替代罗格里扎ragaglitazar的吩嗪三环系统，发现了3q (39)，是PPAR / 双重激动剂，PPAR (EC50 = 0.36 uM)，PPAR (EC5