以天然产物为先导抗癌药物或候选药物优化策略

以天然产物为先导的抗癌药物或候选药物的优化策略 于大伟 1 一 天然产物介绍二 优化策略三 天然先导化合物的抗癌药物或候选药物的发展A药效的优化1官能团2构效关系3药效基团BADMET的优化1溶解性2细胞渗透性3化学 代谢稳定性4降低毒性5前药C化学可得性1解剖复杂的天然结构2减少手性中心3骨架迁越四 结论 于大伟 2 一 天然产物介绍 历史上 天然产物在人类对抗疾病中发挥着关键作用同时也是早期药物的主要来源 天然产物具有其他方式无法提供的分子多样性和新颖结构 发现具有显著生物相关性的新的天然结构 识别出新的作用机理 从而可以开拓创新研究领域 天然产物是细胞毒性化疗和分子靶向治疗癌症多样性的主要来源 黄花蒿 ArtemisiaannuaL 即中药 青蒿 于大伟 3 天然产物具有其他方式无法提供的分子多样性和新颖结构 Henkel等首次调研了天然产物和合成物质在分子特性方面的的差异 然产物通常有较高的分子量 更少的氮 卤素 硫原子 更多的氧原子和SP3杂化或者桥头原子 天然产品的结构中通常还具有更多的环和手性中心天然产物比合成化合物一般表现出更高的结构多样性和生物相关性 青蒿素 于大伟 4 发现具有显著生物相关性的新的天然结构 识别出新的作用机理 从而可以开拓创新研究领域 强抗癌试剂紫杉醇 paclitaxel 1 就是一个优秀的例子 紫杉醇的发现 特别是以促进微管蛋白聚集为特点的其新颖的作用机制的发现 是一个里程碑 同时开创了抗癌药物发现的新纪元 于大伟 5 天然产物是细胞毒性化疗和分子靶向治疗癌症多样性的主要来源 随着癌症分子药理学的研究进展 一大批达到特定治疗效果的潜在介入点的分子靶点涌现出来 引人注目的 靶向聚焦方式 target focusedapproaches 显示 天然产物对这些分子机制和靶点有很大影响 正像Cragg等人在其综述中阐明的一样 天然产物参与各种各样的分子靶点 包括参与细胞周期 基于天然产物的抗癌药物被发现为拥有多种作用机制的抗癌剂 这些抗癌药物的潜在的分子靶点包括但不限于微管蛋白 拓扑异构酶I和II 组蛋白去乙酰酶抑制剂 HDACs 蛋白激酶热休克蛋白90 Hsp90 和蛋白酶体 结论 所有这些观察结果表明 天然产物仍然是抗癌药物研发的分子和机制多样性的重要来源 于大伟 6 二 优化策略 优化的目的优化的策略 于大伟 7 虽然天然产物在历史上一直是治疗药物的关键来源 但有时天然分子可能遭受 有效性不足 不可接受的药代动力学特性 不受欢迎的毒性 或者可怜的实用性 这都阻碍了其直接用于治疗 在1981至2010年期间 所有的被批准被属于新化学实体 NCEs 的小分子药物 只有36 是合成分子 而其他所有的都来源于天然产物 只有一小部分是天然产物本身 这些药物的绝大数 要么是天然产物衍生物要么是受天然产物的结构或药效团引发灵感的合成分子 因此 天然产物经常充当模板并且经受结构优化以形成临床可用的结构 优化的目的 提高药效 改善吸收 分布 代谢 排泄和毒性 ADMET 属性 提高化学可得性 于大伟 8 优化的策略 天然先导化合物的优化策略可以在被分成三个渐进的层次 最简单的方法是直接对官能团的化学修饰 天然结构可以通过对官能团的置换或取代 环系的改变和电子等排取代等方式修饰 主要是靠经验和直觉 构效关系 SAR 的初步建立 以构效关系为指导的优化 主要应用于有显著生物相关性的天然先导化合物 天然产物的基本结构核心在这两种方式中通常未被改变 他们主要解决药效和ADMET问题 而很少改善天然分子的化学可得性 基于天然模板的以药效基团为引导的分子设计 天然产物的核心结构可能会显著改变 现代合理药物设计技术 例如 基于结构的设计与骨架迁越 可以加速优化工作 从第二种方式中获得的SAR线索 可以促进药效基团的识别 这种方法经常试图解决与天然先导化合物的化学可得性有关的问题 以及产生新的具有知识产权的先导化合物 于大伟 9 三 天然先导化合物的抗癌药物或候选药物的发展 A药效的优化1针对化学官能团的修饰2构效关系3药效基团BADMET的优化1溶解性2细胞渗透性3化学 代谢稳定性4降低毒性5前药C化学可得性的优化1解剖复杂的天然结构2减少手性中心3骨架迁越 于大伟 10 A药效的优化 药效的优化是传统生物活性天然产物的结构修饰的主要目标 正如上面提到的 药效的优化过程涉及三个不同层次的化学修饰 1针对化学官能团的修饰 改善天然产物药效的最直截了当的方式是通过对化学官能团的适当修饰 基本原则是结构相似的化合物拥有相似的生物活性 实际上 早期抗癌药被分类为抗代谢物 通常是作为模拟内源性代谢物而产生 A核苷酸和核苷类似物就是特别的象征 氟尿嘧啶 Fluorouracil 2 是一种嘧啶类似物 通过电子等排性策略 尿嘧啶的氢原子被氟原子取代 不可逆的 抑制胸苷酸合成酶 thymidylatesynthase TS 用于癌症治疗 于大伟 11 B其他内源性物质 如叶酸和类固醇 也称甾体 也是早期癌症化学疗法的关键原型 氨甲蝶呤 Methotrexate 9 是叶酸 Folicacid 78 类似物 抑制叶酸的代谢 是一种对抗各种癌症有效的化疗药物 二甲睾酮 Calusterone 10 和氟甲睾酮 fluoxymesterone 11 是睾丸激素类似物 作为促蛋白合成甾类 用于癌症的治疗 于大伟 12 除了内源性 天然产物 外源性天然先导化合物的优化也包括针对先导结构的官能团的各种化学修饰 额外的化学基团引入原始的天然结构 与高分子靶标产生附加的相互作用以提高药效 派生和取代 使原型分子更好结合靶点的直截了当的方式 电子等排性是改善药效的另一种方式 作为经典药物化学原则 生物电子等排性是结构优化的首要诉求 埃博霉素B EpothiloneB 12 是从纤维素囊菌中分离出来的一种天然微管稳定剂 埃博霉素及其相关化合物展现出与紫杉醇 paclitaxel 1 类似的作用方式 激起了广泛的研究兴趣 伊沙匹隆 Ixabepilone 13 由化合物12发展而来 通过将酯基的氧原子替换为氮原子 这一电子等排置换使化合物13比化合物12具有更好的抗酯酶性能 在体外和体内伊沙匹隆是最有效的埃博霉素 它在2007年被FDA批准用于治疗体外和体内治疗转移性或局部晚期乳腺癌 此外 由于化学结构比紫杉醇简单 埃博霉素具有更好的化学修饰与优化潜力 至2010年 已有六种埃博霉素类化合物进入了临床试验 大量的临床研究结果显示出该类化合物有极大的药用价值 于大伟 13 派生天然产物的官能团也是常用的改善药物功效的常用策略 西罗莫司 sirolimus 16 也被称为雷帕霉素 rapamycin 一个天然的大环内酯物 作为免疫抑制剂药物用于防止器官移植排斥 与紫杉醇的案例类似 雷帕霉素的发现 导致了一个新颖的作用机制的披露 mTOR抑制剂 因此开创了药物发现的一个新时代 作为mTOR抑制剂的原型结构 雷帕霉素后来被确认为具有抗癌活性 然而 由于其水溶解度低 化学稳定性差而阻碍了化合物16用于癌症治疗的应用 为癌症治疗提供更好的解决方案 利用结构上的羟基 研发化合物16的新类似物 于大伟 14 西罗莫司脂化物 Temsirolimus 17 是化合物16的酯衍生物 是16的一个前药 是第一个批准的用于癌症治疗的mTOR抑制剂 依维莫司 Everolimus 18 化合物16的醚衍生物 用于晚期肾癌的免疫抑制剂和癌症治疗 相比于化合物16 18显示出更大的溶解度和更好的药代动力学特征 从而作为口服抗癌药物上市 地磷莫司 Ridaforolimus 19 原名为雷帕霉素 deforolimus 化合物16的亚膦酸盐 作为mTOR抑制剂 是一种在2005年被批准用于治疗骨肉瘤的罕见药 orphandrug 它是拥有良好药代动力学属性的 化合物16的非前药类似物 于大伟 15 添加或改变天然分子的官能团 可以提高其与高分子靶标的相互作用并增加效能 发现和发展嘌呤衍生物与细胞周期蛋白依赖性激酶 cyclin dependentkinase CDK 抑制剂 阐述了这个策略的功效 植物激素 异戊烯腺嘌呤 玉米素 和其他嘌呤衍生物 6 二甲氨基嘌呤 是第一个被确认的弱CDK1抑制剂 细胞周期蛋白B cyclinB 这引起了广泛提高药效的医药工作 奥罗莫星 Olomoucine 22 被认为是具有独特选择性的CDK抑制剂 然而 实际上其抗CDKs仍然相对较弱 最好的IC50值只有微摩尔的水平 通过在分子中加入额外的取代烷基 成功改善了药效 R 核抑制剂 R roscovitine 23 被证明是强效的CDK抑制剂 目前正在临床试验治疗各种癌症 于大伟 16 另一个更进一步的CDK抑制剂的天然产物衍生物是夫拉平度 flavopiridol 是一种黄酮类抗肿瘤药 24 这个半合成的黄酮来自于罗希吐碱 rohitukine 25 是1979年从一种印度土著植物首次分离出来的天然色原烷生物碱 对化合物25的构效研究导致了24的发现 24被认为是具有广谱性的强效CDK抑制剂 通过将色原酮骨架上的一个甲基变为大位阻的邻氯苯环 夫拉平度比母体能更好的适应CDK抑制剂的ATP结合位点 ATP bindingsite 因此它的效能得到了显著地增强 夫拉平度随后成为首个进入临床试验的CDK抑制剂 它也是第一针对CDK的临床药物 于大伟 17 K 252a 26 是一个与十字花碱 20 相关的吲哚并咔唑结构化合物 它是从微生物来源 microbialorigin 分离得到的 是一种强效的蛋白激酶C抑制剂 proteinkinaseC PKC 来他替尼 Lestaurtinib 又名CEP 701 27 将化合物26的甲酯还原为羟甲基 是化合物26的类似物 据报道这个类似物 抑制其他激酶中的fms样酪氨酸激酶3 FLT 3 它被批准为治疗急性髓系白血病 acutemyeloidleukemia AML 和费城阴性经典骨髓增殖性疾病 Philadelphia negativeclassicmyeloproliferativediseases 的罕见药 于大伟 18 作为具有广泛生物活性的天然产物家族 黄酮类化合物引起了强烈的研究兴趣 异黄酮 isoflavone 28 是一种来源于大豆的食品和膳食补充剂的主要组成部分 苯妥帝尔 Phenoxodiol 29 和化合物28的合成类似物 化合物28中的4氢 色满 4 酮改为2氢 色满 2H 苯并吡喃 苯妥帝尔展现出强烈的抗肿瘤活性 尽管它的作用机制还有待阐明 化合物29已经展开了密集的临床研究 Triphendiol 30 是化合物29的另一个衍生物 化合物29中的色满骨架被对甲氧基苯基和2氢 色满组合骨架替代 Triphendiol具有优越的抗癌活性 特别是对胰腺癌和胆管癌 在2008年被批准用于治疗一些实体瘤 于大伟 19 隐陡头菌素S IlludinS 31 是一种存在于奥尔类脐菇属蘑菇 mushroomsofthegenusOmphalotus 中的一种倍半萜烯毒素 它属于倍半萜烯家族的隐陡头菌素 通常都是剧毒 因此其本身不适合临床应用 对隐陡头菌素的构效研究导致伊洛福芬 irofulven 32 的发现 作为化合物31的衍生物 伊洛福芬拥有改善的治疗指数 improvedtherapeuticindex 伊洛福芬是一种DNA 烷化剂 拥有独特的作用机制 它干扰DNA复制和目标恶性肿瘤细胞尤其是快速区分恶性细胞 伊洛福芬已被批准为治疗肾细胞癌和卵巢癌的临床药物 于大伟 20 烟曲霉素 Fumagillin 33 分离自烟曲霉菌的微生物 后来标识为甲硫氨酸氨肽酶2 methionineaminopeptidase2 MetAP2 抑制剂 因此化合物33及其衍生物 被研究作为治疗癌症的血管生成抑制剂 Beloranib 34 CDK 732 和PPI 2458 35 是化合物33的半合成衍生物 替换了化合物33中的四双链酸 这些化合物被设计成MetAP2抑制剂 用于癌症临床治疗的测试 随着对MetAP2生物相关性理解的加深 化合物34和35随后被用于类风湿性关节炎 rheumatoidarthritis 和肥胖症 obesity 的治疗测试 2013年 Beloranib被批准用于普瑞德威利症候群 Prader Willisyndrome 的治疗 于大伟 21 另一种结构优化策略是对天然分子环系的修改 通过增加 去除 改变环结构 以便使这些分子更好的与目标大分子 targetmacromolecules 形状互补 shapecomplementarity 山油柑碱 Acronycine 36 从Sarcomelicopesimplicifolia中分离得到的吡喃生物碱 展现出广谱的抗肿瘤活性 然而 由于其响应率不足和不良的毒性 化合物36用于癌症化疗的临床治疗被终止 随后 通过在吡喃环的C1和C2位置引入两个酯基并用额外的苯环扩展分子 化合物36的结构被修饰 制备了一系列的二酯苯并 b diesterbenzo b 山油柑碱衍生物 这些化合物比36药效更强 在这其中 二醋酸酯化合物S23906 1 37 被认为是不管是体外还是体内都是最强效的衍生物 被用于癌症治疗的临床研究 于大伟 22 链玉红菌素B StreptorubinB 38 和灵菌红素 prodigiosin 39 是来自于细菌 bacteria 的吡咯生物碱 链玉红菌素B及其衍生物后来被认为是小分子Bcl 2 B淋巴细胞瘤 2基因 抑制剂 对化合物38和39的广泛地结构修饰 导致了作为治疗慢性淋巴细胞白血病 奥巴拉克 40 GX15 070 的发现 相比于化合物38 38中的吡咯环被化合物40中吲哚环取代 将38中附和在吡咯环上的的环葵烷简化为40中的两个甲基 奥巴拉克是比化合物38更强效的Bcl 2抑制剂 结合在BH3域的疏水腔 hydrophobicpocket 也研究了治疗各种癌症的临床试验 但是目前没有此药的进一步临床发展 于大伟 23 改变天然骨架的饱和状态是天然先导化合物优化的另一种化学策略 通过使骨架饱和或不饱和可以使整个分子构象发生改变 埃博霉素D EpothiloneD 43 从S纤维素中分离得到的天然聚酮化合物 是埃博霉素B 12 的脱氧类似物 正如晶体结构和构象分析所揭示的 化合物43的C8 C12碳骨架采用了相似的反叠构象 antiperiplanarconformation 相应的 KOS 1584 9 10 二氢埃博霉素D 44 化合物43的一种高活性的反式 烯烃类似物 C9 C10为不饱和键 被假定为与43具有相似的活性构象 化合物44是一种临床实验的抗癌化合物 表现出改善的药效和药代动力学性质 于大伟 24 Phenylahistin 45 是一种从焦曲霉中分离得到的 真菌2 5 二酮哌嗪 fungal2 5 diketopiperazine 针对若干肿瘤细胞的微管蛋白结合剂 microtubulebindingagent 细胞毒素 为了优化化合物45的生物活性 合成了并评估了多种脱氢类似物 Plinabulin NPI 2358 46 就是在这些工作中发现的 具有抗多重耐药 multidrug resistant MDR 肿瘤细胞系活性并进入治疗非小细胞肺癌 non small celllungcancer SCLC 临床试验 于大伟 25 对原型结构的多重修饰 以便对天然先导化合物的生物性能的进行微调 finelytune 长春花碱 Vinblastine 47 是一种来自于长春花生物碱家族的天然药物 是一种治疗各种癌症的抗有丝分裂的化疗药物 包括霍金淋巴瘤 非小细胞肺癌 乳腺癌 头颈癌 睾丸癌 针对化合物47长春花碱的结构修饰产生了一系列具有更好药效和更低毒性的新类似物 长春花 于大伟 26 长春地辛 Vindesine 48 是最令人印象深刻的类似物之一 与长春花碱47相比 仅在文朵灵环 vindolinering 有细微差别 甲酯被酰胺基取代 去掉了乙酰基 然而 化合物48却具有更低的神经毒性 并显示与长春新碱没有交互抗性 化合物48被用于治疗不同类型的癌症 包括白血病 淋巴瘤 黑素瘤 乳腺癌和肺癌 长春瑞滨 Vinorelbine 49 第一个5 nor半合成的长春花生物碱 是化合物47的另一个重要类似物 化合物49的结构修饰包括 将47的色氨酸部分的改造为芦竹碱 通过变为少一个碳的环系并消除一分子水以在哌啶环上形成一个双键 长春瑞滨49展现出更好的药理学和药代动力学性能 被用于治疗乳腺癌和非小细胞肺癌 长春氟宁 Vinflunine 50 一个新具有楷二氟部分的5 nor长春花生物碱 它展现了优越的体内临床抗肿瘤活性并用于各种实体肿瘤的治疗的研究 2010年 英国批准其为临床抗肿瘤药 目前正在积极进行临床III期试验 配合卡培他滨 capecitabine 用于治疗局部复发 recurrent 或转移性 metastatic HER 2阴性乳线癌 于大伟 27 阿霉素 doxorubicin 51 属于蒽环霉素氨基糖甙类家族 它最初是通过对链霉菌属菌株的发酵和发酵的主要产品道诺霉素 daunorubicin 52 一道分离出而得到 化合物51 和52的发现 提供了重要的抗癌化疗药物 阿霉素是一种拓扑异构酶II抑制剂广泛用于癌症化疗 然而 阿霉素伴有抗药性和心脏毒性 因此引起了广泛的结构修饰 这些工作揭示出 针对化合物51阿霉素的细微结构改变 能够引起生物效应的显著改善 特别是抗肿瘤谱和毒性属性方面 于大伟 28 表阿霉素 Epirubicin 53 是化合物51的非对映异构体 仅仅是4 碳原子的手性不同 表阿霉素53比阿霉素51具有更好的治疗属性 立体化学上的轻微变化致使消除更快因此毒性更低 蒽环霉素 anthracyclines 的疗效还可以改善通过增加分子亲油性 从而促进细胞吞噬 吡柔比星 Pirarubicin 54 是化合物51的4 氧吡喃衍生物 与母体51一样都是与拓扑异构酶II相互作用 但具有更小的心脏毒性 同时对51具有抗药性的细胞系也有活性 于大伟 29 针对天然分子的官能团的衍生 也能引起作用机制的改变 对天然木酚素足叶草毒素 lignanpodophyllotoxin 57 的结构修饰 就是一个很好地例子 足叶草毒素最初是作为抑制有丝分裂纺锤体 mitoticspindle 的组装 assembly 的细胞毒素 cytotoxicagent 而被发现的 尽管与化合物57相比有着不可接受的副作用尤其是肠胃毒性 阻碍了它的作为癌症治疗的临床使用 针对这一天然化合物的大量结构修饰工作 最终导致了依托泊苷 etoposide 58 和替你博甘 teniposide 59 的发现 有趣的是 而不是抑制微管的组装 58和59而是通过拓扑异构酶II发挥他们的细胞毒性 诱导DNA断裂 于大伟 30 天然分子的结构修改也能引起新的治疗应用 天然生成的木酚素 lignan 内消旋 去甲二氢愈创木酸 meso nordihydroguaiareticacid 63 和其他去甲二氢愈创木酸 nordihydroguaiareticacid NDGA 衍生物最初是作为针对各种病毒性感染 viralinfections 都有效的转录霉抑制剂 transcriptioninhibitors 而被研究的 然而 一个NDGA衍生物 terameprocol 64 出乎意料地发现是一个新颖的位点专一的 site specific 影响细胞周期 cellcycle 的转录抑制剂 从而表现出体内抗肿瘤的活性 Terameprocol被应用于癌症临床治疗的研究 于大伟 31 1针对化学官能团的修饰小结 天然结构可以通过对官能团的置换或取代 环系的改变和电子等排取代等方式修饰 主要是靠经验和直觉 基本结构核心通常未被改变 针对内源性天然产物的官能团修饰主要利用 电子等排性策略外源性天然先导化合物的优化也包括针对先导结构的官能团的各种化学修饰 作为经典药物化学原则 生物电子等排性是结构优化的首要诉求 派生天然产物的官能团也是常用的改善药物功效的常用策略 额外的化学基团可以引入原始的天然结构 与高分子靶标产生附加的相互作用以提高药效 添加或改变天然分子的官能团 可以提高其与高分子靶标的相互作用并增加效能 天然分子环系的修改 通过增加 去除 改变环结构 以便使这些分子更好的与目标大分子形状互补 改变天然骨架的饱和状态是天然先导化合物优化的另一种化学策略 对原型结构的多重修饰 以便对天然先导化合物的生物性能的进行微调 针对天然分子官能团的衍生 也能引起作用机制的改变和新的治疗应用 于大伟 32 对许多具有新颖结构和独特作用机制的天然产物 原型分子将受到广泛的结构修饰 基于这些结果数据确切的SAR函数将会被建立起来 而SAR将引导天然结构的进一步优化 2以构效关系为导向的优化 以微管为靶点 microtubule targeting 的天然产物 作为最能说明问题的例子 紫杉醇 paclitaxel 1 埃博霉素 epothilones 海兔毒素 dolastatins 等将会被简短的讨论 来强调SAR研究对结构优化的重要性 于大伟 33 如前所述 紫杉醇 1 的发现开创了抗癌药物研究的一个新纪元 其独特的作用机制的识别 不仅刺激了广泛的结构修改和关于这一原型分子的SAR研究 也促进了寻找新的微管结合剂 尽管紫杉醇具有高药效 但仍遭受着可怜的溶解性和高毒性 因此许多紫杉醇类似物被合成出来以克服这些缺陷 因此SAR被彻底的研究透了 作为抗肿瘤活性 主要结构部件是必须的 包括二萜紫杉烷的核心 C13位的苯基异丝氨酸侧链 3 位的氮 酰基侧链 包含C4 C5 C20位的氧杂环丁烷 针对紫杉烷核心和C13侧链官能团的结构修饰 测试其对抗癌活性的影响 图1总结了关键的细胞毒性的紫杉烷类的SAR相关性 基于这些SAR线索 开发了几个具有改进治疗属性的新紫杉醇类似物 于大伟 34 图1 紫杉烷类似物重要SAR总结 于大伟 35 多西紫杉醇 Docetaxel 65 是1的类似物 用于治疗乳腺癌 卵巢癌 前列腺癌和非小细胞肺癌 non SCLCs 在结构上 65与1只在C10和C 3位有所不同 这一结构修饰 增加了65的水溶性 卡巴他赛 Cabazitaxel 66 是一个半合成的二甲氧基的65衍生物 将C7和C10的羟基修饰为二甲氧基可能改善P 糖蛋白 P glycoprotein P gp 的亲和力 因此 克服了65的抗药性问题 2010年 卡巴他赛66被批准作为治疗激素抗拒性前列腺癌药物 于大伟 36 埃博霉素是来自细菌的大环内脂聚酮化合物 polyketidemacrolactones 他们代表了另一个重要由微管稳定 microtubule stabilizing 抗癌剂衍生的天然产物家族 尽管与紫杉醇共享相同的结合位点并表现出类似的生物效应 但是在早期实验中 埃博霉素显示出比紫杉醇更佳的药效 更温和的副作用 针对这一化学家族大量的结构修饰揭露出部分构效关系 图 2 基本上 16 元的大环和七个手性中心的配置对于保持生物活性至关重要 然而 变更 添加和减少埃博霉素B 12 原型分子的各种功能可以更容易做到 图2 以这一SAR为指引 研发了几个新的埃博霉素类似物用于治疗使用或者临床试验 图2埃博霉素衍生物重要SAR总结 于大伟 37 正如埃博霉素D 43 所具有有效的微管稳定和强效的抗恶性肿瘤增生活性而证明的 埃博霉素的C12 C13的环氧部分对生物活性而言不是绝对必须的 可以变为双键 进一步整合C9与C10或者C10与C11之间的反式双键也可以提高抗肿瘤活性 KOS 1584 44 是43的 E 9 10 脱氢衍生物 KOS 1584在体内显示出改善的药效 在做临床测试 伊沙匹隆 13 利用电子等排将12的内酯部分取代为内酰胺 lactam 获得 这一结构修饰显著地降低了细胞毒性和微管稳定活性 同时提高了抗酯酶裂解和扩大治疗窗口 2007年伊沙匹隆 13 批准为用于治疗乳腺癌 这一SAR特色也导致了C26氟取代的衍生物 弗迪隆 fludelone 67 的发现 67证明在体内有强效的抗肿瘤活性 于大伟 38 进一步改善药效 另一个埃博霉素同系物 异 弗迪隆 iso fludelone 68 将67中的噻唑部分替代为异恶唑 同其他埃博霉素相比 68 显示优异的生物稳定性 水溶性和药效 这一新衍生物对晚期实体肿瘤患者已经进入临床I期研究 将埃博霉素B 12 噻唑环C20位的甲基改为小的或者中等的取代基通常是可耐受的 根据构效关系观察 研发了两个新的衍生物BMS 310705 69 andABJ879 70 用于临床治疗 BMS 310705 69 在埃博霉素B 12 的C21包含一个氨基 从而增加了埃博霉素B 12 化学稳定性和水溶性 ABJ879 70 是埃博霉素B 12 的C20位去甲基的甲硫基衍生物 是比埃博霉素B 12 更强的抗人肿瘤细胞株 埃博霉素B 12 的C15位侧链和C6位的甲基也可以被修饰 以改善多耐药性和抗肿瘤功效 沙戈匹隆 Sagopilone 71 ZK EPO 是埃博霉素B 12 的亲脂性衍生物 将埃博霉素B 12 的噻唑环改为苯并噻唑环 C6位的甲基改为丙烯基 这一化合物不仅显示显著的抗肿瘤活性和功效 而且与其他埃博霉素显著不同的是 它能穿过血脑屏障且对外排机制缺乏认识 来自临床前和临床一期的七个埃博霉素衍生物的对比数据已经报道出来了 目前 埃博霉素B 12 异 弗迪隆 68 和沙戈匹隆 71 二期 和正在进行积极的临床试验 于大伟 39 于大伟 40 海兔毒素是一系列来自海洋生物 marineorigin 的抗肿瘤多肽 海兔毒素10 72 是这一结构家族中最有活性的化合物 对小鼠 murine P388淋巴细胞白血病显示出亚纳摩尔级 sub nanomolar 的抑制活性 它被认定为一个抗有丝分裂剂 与长春花生物碱 vincaalkaloid 位点结合 并进行临床试验 虽然由于不可接受的毒性 其临床研究被终止 但其高体外活性和新颖的作用机制 促进了对72及与天然缩肽相关的其他结构的广泛修改研究 海兔毒素15 73 保留抗癌活性降低毒性 72和73结构修饰的效果在图3中简短的总结 图3海兔毒素衍生物重要SAR总结 于大伟 41 Soblidotin 74 是海兔毒素10 72 的去掉了噻唑环的衍生物 Cematodin 75 和synthadotin 76 是73的合成衍生物 这俩化合物中将化合物73中的独特的 2 羟基异戊酸 杜冷吡咯烷酮 Hiva Dpy2 终端部分 分别修改为苄胺和叔丁胺 衍生物74 76表现出强大的抗有丝分裂和显著抗恶性肿瘤增生 antiproliferative 活性 和临床抗肿瘤效果 他们用于治疗各种癌症的临床研究 但未能作为抗癌化药上市 于大伟 42 然而 另一海兔毒素10 72 的衍生物 单甲基化阿里他汀E monomethylauristatinE MMAE 77 化学偶联到嵌合的anti CD30抗体产生了用于治疗复发性霍金淋巴瘤和系统性间变性大细胞淋巴瘤的抗体偶联药物 brentuximabvedotin 长尾背肛海兔 于大伟 43 2以构效关系为导向的优化小结 主要应用于有显著生物相关性的天然先导化合物 原型分子将受到广泛的结构修饰 基于这些结果数据确切的SAR函数将会被建立起来 而SAR将引导天然结构的进一步优化 基本结构核心通常未被改变 紫杉醇的发现开创了抗癌药物研究的一个新纪元 其独特的作用机制的识别 不仅刺激了广泛的结构修饰和关于这一原型分子的SAR研究 也促进了寻找新的微管结合剂 埃博霉素是来自细菌的大环内脂聚酮化合物 代表了另一个重要由微管稳定抗癌剂衍生的天然产物家族 针对这一化学家族大量的结构修饰揭露出部分SAR 海兔毒素是一系列来自海洋生物的抗肿瘤多肽 它被认定为一个抗有丝分裂剂 与长春花生物碱位点结合 进行了广泛的结构修改和关于这一原型分子的SAR研究 发现具有显著生物相关性的新天然结构 并识别出新的作用机理 开拓创新研究领域 于大伟 44 3以药效基团为导向的分子设计 进一步优化天然产物的策略是设计和合成 基于天然先导化合物药效基团的拟态天然产品 采用这一方法 首先需要认定天然先导化合物的关键药效基团的特征 然后 设计不同于先导化合物的新的支架结构 同时保留药效基团 与前两种策略相比 这一策略在提高结构新颖性和化学可得性方面具有显而易见的优越性 作用于ATP位点的激酶抑制剂 就是基于内源性物质的以药效基团为引导的分子设计的一个很好的例子 大多数激酶抑制剂可以看做是保留药效基团属性的ATP模仿药 例如 氢键与ATP位点的铰链去形成相互作用 但是改变了基本骨架 例如疏水内核 hydrophobiccore 以期改善结构新颖性和化学可得行 将抗代谢物发现和开发为抗癌药 是癌症化疗领域以药效基团为导向的分子设计的另一个例子 于大伟 45 叶酸 Folicacid 78 是一种许多生理功能必不可少的内源性物质 尤其是快速分裂的细胞和组织 因此 与叶酸结构相似的抗叶酸剂 可以干扰叶酸代谢 可用于治疗癌症 氨甲叶酸 Methotrexate MTX 9 是叶酸类似物 作为有效的治疗药物 广泛应用于许多实体肿瘤的治疗 然而 尽管研发新的药物输送系统来改善MTX9的分配 可怜的药物动力学和狭窄的安全裕度限制其治疗应用 因此 正在积极寻求新的叶酸类似物 以作为更好的治疗药物 普拉曲沙 Pralatrexate 79 是10 脱氮氨基喋呤的衍生物 氨甲叶酸 9 的电子等排同类物 它选择性地抑制癌细胞专一减少1型叶酸载体一种质膜转运体 负责细胞摄取叶酸 普拉曲沙是第一个被批准作为治疗复发或难治性外周T细胞淋巴瘤 peripheralT celllymphoma PTCL 的药物 于大伟 46 除了79之外 通过以药效基团为导向的分子设计其他叶酸衍生物也被发现 其中 谷氨酸酯 78主要的药效特征 被保留 而芳香喋啶环和对氨基苯甲酸部分被改为其他支架 雷替曲塞 Raltitrexed 80 是一个TS抑制剂 用于癌症治疗 80与原型分子78在喋啶和苯环上都不同 相似的 培美曲塞 pemetrexed 81 也是一个在改变了78的喋啶和苯环的叶酸衍生物 培美曲塞81 使用叶酸衍生物作为基板 抑制三种酶 即 胸苷酸合成酶 TS 二氢叶酸还原酶 dihydrofolatereductase DHFR 甘氨酰胺核苷酸甲酰转移酶 glycinamideribonucleotideformyltransferase GARFT 它已经研发为多靶点 multitargeted 的叶酸抑制剂 用于各种癌症的治疗 于大伟 47 以药效基团为导向的分子设计策略也适用于内生激素的合成类似物 十四肽生长激素抑制素 tetradecapeptidesomatostatin SRIF14 82 是一个环肽激素调节内分泌系统影响神经传递以及细胞增殖 82潜在的医学应用 使它成为一个有吸引力的拟肽类药物设计的模板 苯丙氨酸 Phe 色氨酸 Trp 赖氨酸 Lys 苏氨酸 Thr 残基被确认是SRIF14 82的药效基团 根据这个结论 化合物82的两个缩短了肽链的衍生物 奥曲肽 octreotide 83 和兰瑞肽 anreotide 84 被合成了 药效基团要么被保留 83 要么被细微修饰 84 奥曲肽83和兰瑞肽84都是化合物82的长效衍生物 用于治疗神经内分泌肿瘤 于大伟 48 于大伟 49 HDAC 组蛋白去乙酰化酶 histonedeacetylase HDAC 抑制剂作为抗癌药物的发展是另一个基于天然先导化合物的以药效基团为引导的分子设计很好的例子 曲古抑菌素A TrichostatinA TSA 85 是一种链霉菌属的产品 在体内对 对细胞增殖和分化有影响 它被确认为一种强有力的和对哺乳动物HDAC的选择性抑制剂 TSA 85 中的异羟肟酸 hydroxamate 基团被认为是抑制HDAC的药效特征 伏立诺他 Vorinostat 辛二酰苯胺异羟肟酸 suberoylanilidehydroxamicacid SAHA 86 是85的一个简化的类似物 保留了异羟肟酸部分 而去掉了反式共轭双键以及手性中心 伏立诺他86 是第一个被FDA批准的用于治疗皮肤T细胞淋巴瘤 cutaneousTcelllymphomaCTCL 的HDAC抑制剂 于大伟 50 对85或86复合着HDAC同系物的结构形式分析揭示出这些HDAC抑制剂的交互模式 并提出了一个由三部分组成的药效团 一个与锌结合的部分 疏水连接子和表面识别基团 图4 异羟肟酸和取代芳环分别充当与锌结合部分和表面识别基团 这对与HDAC的高亲和力是至关重要的 相对的 疏水连接子对适当地安放前两部分起着重要的作用 同时连接子的变化也可能影响抑制活动 图4 曲古抑菌素A及SAR特征 于大伟 51 药效基团的识别促进了进一步的HDAC抑制剂的分子设计 一些含苯乙烯基的符合药效结构要求的异羟肟酸已经被成功的研发出来作为研究用药 达西司特 Dacinostat LAQ 824 87 和帕比司他 panobinostat LBH 589 88 是两个用于临床试验的HDAC抑制剂 在这两个药中 异羟肟酸部分都被保留 引入苯乙烯基并作为疏水连接子 设计了一个包含色氨酸残基的部分作为表面识别基团 于大伟 52 以药效基团为引导的分子设计策略也包含 将不同的化学类抗癌药物的药效基团的杂交或合并 hybridizationormerging 以产生新的化学型 乌拉莫司汀 Uramustine 尿嘧啶氮芥 uracilmustard 95 是氮芥 nitrogenmustard 和尿嘧啶的 uracil 的混合结构 它是一个DNA 烷化剂 通过损伤DNA 主要由与其结构与尿嘧啶相似的癌细胞优先摄取这一化合物 乌拉莫司汀95 是一个用于淋巴恶性肿瘤 例如 非霍金淋巴瘤的化疗药 后来被撤回 于大伟 53 3以药效基团为导向的分子设计小结 首先需要认定天然先导化合物的关键药效基团的特征 然后 设计不同于先导化合物的新的支架结构 同时保留药效基团 与前两种策略相比 天然产物的核心结构可能会显著改变 从第二种策略中获得的SAR线索 可以促进药效基团的识别 用以解决与天然先导化合物的化学可得性有关的问题 以及产生新的具有知识产权的先导化合物 以药效基团为导向的分子设计可用于 基于内源性物质的作用于ATP位点的激酶抑制剂 抗代谢物 内生激素 HDAC 组蛋白去乙酰化酶 histonedeacetylase HDAC 抑制剂 以药效基团为引导的分子设计策略也包含 将不同的化学类抗癌药物的药效基团的杂交或合并 hybridizationormerging 以产生新的化学型 于大伟 54 尽管优化通常以改善药效为主 改善药代动力学性能和不可接受的毒性也逐渐被重视起来 B ADMET性能的优化 然而 一个分子的ADME属性 通常是与整个分子的分子特征有关 因此 调整ADME属性的结构修饰 通常涉及改善分子的物理化学性质的化学修饰 毒性更复杂 除了结构修饰和毒性载体之外 整体分子性质 特别是亲油性 也可以导致药物积累从而影响药物的毒性 在本节中 改善溶解度 增强细胞的渗透性 提高化学或代谢稳定性以及减少毒性的一般方法 将以例证的形式加以讨论 在药物化学中 前药是解决ADME和毒性问题的重要方式 将分别加以讨论 于大伟 55 1改善溶解度的方法 改善水溶解度最简单的方法就是将亲水基团有意地引入到天然先导化合物中 喜树碱 camptothecin CPT 100 类似物的研发为有效的抗癌药物 就是该方法的一个很好的例子 是一种从喜树皮和茎中分离得到的细胞毒性生物碱 喜树碱CPT100 抑制DNA拓扑异构酶I 它在早期临床试验中表现出非凡的抗癌活性 然而 药物不良反应和低溶解度是这种天然先导化合物的主要缺点 这限制了它的治疗应用 喜树碱类似物的构效关系研究表明 共轭融合 conjugatedfused ABCD环 内酯环E 羟基以及C20位的S构型 S configuration 对于细胞毒性来说是必不可少的 而 7位 9位和10位能是可以结构修改的位点 因此 研发了几个在这些位点引入亲水片段的水溶性的喜树碱类似物 拓扑替康 Topotecan 101 是喜树碱的水溶性的衍生物 在C10和C7位分别引入羟基和二甲氨基甲基 拓扑替康以其盐酸盐的形式使用 用于治疗卵巢癌 宫颈癌和小细胞肺癌 于大伟 56 玫瑰树碱 Ellipticine 116 甲基羟基玫瑰树碱 Elliptinium 117 是116的2 甲基 9羟基衍生物 改善了水溶性 于大伟 57 靛玉红 Indirubin 120 是中药当归龙荟丸的有效成分 是从青黛中分离出来的双吲哚的天然产物 然而120的溶解性差导致了口服时生物利用度低 通过在120的酰胺氮上引入一个甲基 导致了甲异靛 meisoindigo 121 一个具有更高的抗肿瘤的活动和更好的吸收特性的衍生物的发现 甲异靛121上的甲基的存在 降低了可能的分子内氢键 增加了水溶性 而这有助于帮助改善121的药代动力学 于大伟 58 2增加细胞膜渗透性的方法 一些天然先导化合物的细胞渗透性差 可能导对高分子靶点的接触不足 从而 未能达到细胞以及体内活性 为增加细胞渗透性 整个分子的整体亲油性必须调制 通过消除极性 亲水部分或者增加亲脂部分 熏草菌素A LavendustinA 122 是一个微生物次代谢产物 它能有效抑制细胞提取液的表皮生长因子受体 epidermalgrowthfactorreceptor EGRF 络氨酸激酶 tyrosinekinase 而不是完整细胞 intactcells 的 这种差异是由于熏草菌素A 122 由多个极性基团和高表面的高极性造成的细胞渗透性差 改善122的细胞渗透性和抗增殖活性的药物化学努力已经开始 合成了含有局部结构的123 去掉了邻甲酚基以降低极性 然而 123对细胞仍不活跃 对羧基进一步的酯化 以及对2 5 二羟基苯基部分进行醚化 氧甲基化 产生了化合物124 并显示微摩尔级别的出抗增殖活性 于大伟 59 结构优化以提高细胞渗透性也可以促进渗透穿过血 脑屏障 blood brainbarrier BBB 表柔比星 Berubicin 127 是一个4 氧苄基阿霉素 51 衍生物 本来是设计为规避抗药性 然而 增加的苄基让127能穿过血 脑屏障 这让127这种化合物从其他蒽环霉素衍生物 anthracyclinederivatives 中脱颖而出 使其适用于脑部肿瘤的治疗 于大伟 60 3增加化学或代谢稳定性方法 化学或代谢稳定性的缺失会对天然产物发展为治疗药物提出严峻挑战 全反式视黄酸 维生素A酸 all trans retinoicacid ATRA 128 是一种主要用于治疗急性早幼粒细胞白血病的治疗药物 然而 这个药在室温下是化学不稳定的 尤其是在紫外线 空气 氧化剂存在下 全反式视黄酸ATRA 128 充当视黄酸受体 retinoicacidreceptor RAR 激动剂 视黄酸受体激动剂的药效基团由疏水尾和极性端 因此 他米巴罗汀 tamibarotene 129 通过合并四甲基四氢萘基团作为疏水尾 这一化合物是有效的和口服活性的RAR 激动剂 相比128具有显著改善的化学稳定性 并已成功开发作为抗白血病药物 于大伟 61 电子等排的置换也是一个改善天然先导化合物代谢稳定性的策略 正如在3 A 1中提到的 伊沙匹隆 Ixabepilone 13 由化合物12 埃坡霉素B 发展而来 通过将酯基的氧原子替换为氮原子 这一电子等排置换使化合物13比化合物12具有更好的抗酯酶 esterases 性能 因此具有更好的代谢稳定性 更高的药效 这样一个微小的变化 subtlechange 赋予了伊沙匹隆以知识产权 intellectualproperty IP 也让百时美施贵宝 Bristol MyersSquib 也有可能将其发展为新的化学实体 于大伟 62 4降低毒性的方法 不可接受的毒性是妨碍自然产品的开发为治疗药物的另一个难题 毒性一般涉及两个来源 脱靶效应 off targeteffects 和所谓的特殊药物反应 idiosyncraticdrugreactions 第一种毒性通来源 常要求结构优化来提高化合物的特异性 这通常涉及到对原型分子的特定分子领域的结构修饰 这类问题通常可以通过改善药效的优化工作中来解决 如在3 A节所描述的许多例子一样 毒性的第二个来源通常涉及非特异性的负面影响由不可预知的刺激引起的内源性生物分子 这种毒性通常是由结构变化引起 有着固定的或变化的化学反应 通常采用两个可选的方法来克服由结构变化引起的毒性 首先 毒性可以减少通过增加药效或局部聚集 以减少药物的暴露时间 其次 通过结构修饰可以避免毒性 于大伟 63 将阿霉素 51 类似物发展作为新的 具有较低的心脏毒性的治疗药物 就是一个很好的通过减少毒性 增加局部聚集和药效例子 如在3 A 1节所描述的那样 吡柔比星 Pirarubicin 54 戊柔比星 valrubicin 55 和伊达比星 idarubicin 56 都是51的高亲脂性药物 分子属性的这一变化 让化合物在细胞核上更容易聚集 因此 增加药效降低毒性 于大伟 64 5前药方法 前药方式经常被用作改善ADME性能 特别是口服生物利用度 它还可以降低不良反应 促进修饰工作 甚至改善目标药物的味道 前体药物的方法是将天然先导化合物发展为治疗用抗癌药物的一个重要策略 这种方法经常用于提高口服生物利用度 改善代谢稳定性 或促进目标传递 直截了当的 设计 就是利用无处不在的酶如酯酶或酰胺酶 而一个 巧妙的 设计涉及针对靶点的由特定酶引发的裂解反应甚至级联酶促反应 于大伟 65 在天然产物领域 前药方式最常应用的提高溶解度 提高口服生物利用度的方法 正如3 B 1 节中提到的 喜树碱CPT 100的临床应用受到低溶解度的阻碍 伊立替康 Irinotecan 138 是CPT的一个水溶新性前药 通过一个氨基甲酸酯连杆将双哌啶功能整合在C10位上 通过主要存在于肝脏中的羧酸酯酶 carboxylesterases 酶解 Enzymaticcleavage C10位的侧链 获得1000倍活性的 更有效的拓扑异构酶I抑制剂 比138更有细胞毒性的活跃代谢物SN 38 139 伊立替康被批准用于治疗癌症 尤其是结肠癌 直截了当的 设计 利用无处不在的酶如酯酶或酰胺酶 于大伟 66 雷公藤甲素 Triptolide 140 是一个从雷公藤中分离出来的环氧二萜 它展示了一种独特的生物活性谱 在中国临床评估 治疗类风湿性关节炎和白血病 然而 水溶性差 严重的毒性限制了它的治疗应用 昂曲托来 Omtriptolide PG 490 88Na 141 14位的丁二酰雷公藤甲素钠盐 是一个改善水溶性的前药 它是高度水溶性的 并在体内可以转换成140 1