作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计学案

1、作用于过氧化物酶体增殖因子活化受体的药物设计学案内 容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2一、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

2、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。3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). 4PPAR 存在于肝脏和

3、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。5PPAR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

4、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。6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

5、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）。7二、PPAR 激动剂天然PPAR 激动剂 蝶芪（音齐）（Pterostilbene (1)）是PPAR 的激动剂。82. 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 92. 合成的 PPAR 激动剂102.

6、 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。112. 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

7、环贝特类似物(6-8)122. 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。 132. 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。142. 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,

8、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。152. 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。162. 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

9、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.172. 合成的 PPAR 激动剂Fig. 4. (S)-10的构效关系.182. 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

10、”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.192. 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。20三、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

11、 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.212. 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 Dru

12、g 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)。222. 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232. 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

13、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。242. 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）。252. 合成 PPAR 激动剂2.2 L-酪氨酸类化合物 22是PPAR 的激动剂，其EC

14、50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.262. 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.272. 合成 PPAR 激动剂Glaxo Wellcome

15、（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.282. 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p

16、Ki = 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。292. 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

17、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。302. 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。312. 合成 PPAR 激动剂2.

18、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。322. 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)。 33四、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

19、选择性的PPAR 部分激动剂。 34五、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。35六、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)

20、-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.36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.372. 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。382. 合成PPAR / 双重激动剂具有PPAR /

21、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. 392. 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3

22、q (39)，是PPAR / 双重激动剂，PPAR (EC50 = 0.36 uM)，PPAR (EC50 = 0.17 uM) (Fig. 12-2) 。 Fig. 12-2. 3q的发现. 402. 合成PPAR / 双重激动剂此外，Eli Lilly（礼来）公司和Ligand公司发现LY510929 (40) 是PPAR / 双重激动剂，其EC50分别是9和4 nM。 412. 合成PPAR / 双重激动剂Eli Lilly（礼来）公司研究了含有苯氧基苯醚结构的2-烷氧基苯丙酸类化合物构效关系，发现了改变苯氧基的取代位置会调节PPAR各亚型的活性，调节PPAR各亚型的选择性。LY5198

23、18 (41) 是一个PPAR 高效激动剂，也是一个PPAR 弱激动剂。422. 合成PPAR / 双重激动剂基于已知的-烷氧基苯丙酸和-氨基苯丙酸类PPAR激动剂的结构，Bristol-Myers Squibb（百时美施贵宝）公司通过电子等排策略设计了一个苄基甘氨酸类化合物42。通过这种改变，可以除去一个手性中心，简化合成，更易于衍生化。通过将42的N-苄基用其他基团替换，发现了莫格他唑muraglitazar (43, BMS-298585)，这是一个PPAR / 双重激动剂(Fig. 13)，其EC50分别是PPAR (EC50 = 320 nM)；PPAR (EC50 = 110 nM

24、)。Fig. 13. 莫格他唑muraglitazar的发现432. 合成PPAR / 双重激动剂2.2 苯氧基烷酸类（Fibrates）类似物 Eli Lilly（礼来）公司和Ligand公司将已知PPAR 和PPAR 选择性激动剂的药效团整合到一个分子中，设计合成了丙酸衍生物44。44具有PPAR / 双重激动活性。 442. 合成PPAR / 双重激动剂噻唑烷二酮类药物在其母核5位有一个手性中心，并且仅仅(S)-对映体有选择性PPAR 活性。2-苯氧基异丁酸是苯氧基烷酸类药物的共有结构，具有弱的PPAR 激动活性。将苯氧基烷酸结构环合，将噻唑烷二酮看作是羧酸基团的结构类似物，Merck公

25、司设计合成了一系列结构新颖的(2R)-色烷-2-羧酸类PPAR激动剂(Fig. 14)。Fig. 14. 苯氧基烷酸环合策略.452. 合成PPAR / 双重激动剂他们成功的将PPAR 和PPAR 活性整合到一个分子中。通过PPAR /双重激动活性的构效关系研究，他们发现了PPAR /双重激动剂45。462. 合成PPAR / 双重激动剂Merck公司发现了O-芳基扁桃酸类PPAR激动剂 46 (Fig. 15)，其对PPAR 激动活性是微摩尔数量级，而对PPAR 激动活性是纳莫尔数量级（Ki 63 nM）。46在50 mM时仍对PPAR 无活性，说明对PPAR 和PPAR 有高度选择性。在此

26、基础上，他们又合成了46的类似物47 (Fig. 15)。Fig. 15. 48的发现.472. 合成PPAR / 双重激动剂他们又将苯氧基烷酸类药物中的异丁酸基团和47的亲脂基团芳氧基整合到一个分子中，设计了2-芳氧基-2-甲基-丙酸类化合物48 (Fig. 15)。48是PPAR /双重激动剂，对激动活性强，对激动活性弱。Fig. 15. 48的发现.482. 合成PPAR / 双重激动剂通过对-氧取代苯丙酸的结构简化，Pinelli等人设计合成了(S)-7 (49)，是一个PPAR /双重激动剂。构效关系研究表明，其结构中的立体化学对活性至关重要。 492. 合成PPAR / 双重激动剂

27、2.3 噻唑烷二酮类（TZDs） 日本Kyorin公司的科学家发现了PPAR /双重激动剂KRP-297 (13)，这是一个亚微摩尔数量级的PPAR /双重激动剂，其:活性比约为2。502. 合成PPAR / 双重激动剂Merck公司发现了一系列5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂。这些化合物的噻唑烷二酮母核与苯环直接相连。化合物50是一个PPAR 选择性激动剂，它的噻唑烷二酮母核位于苯环的对位。当噻唑烷二酮母核位于苯环的间位时(51)，表现出PPAR /双重激动活性(Fig. 16). Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究512. 合成P

28、PAR / 双重激动剂构效关系研究表明：3-碳亚甲基链是必须的，正丙基取代在苯环C-2位活性最佳。因此他们在保留这些活性基团的基础上，根据生物电子等排原理，将噻唑烷二酮母核TZD替换成恶唑烷二酮母核OZD，设计合成了52（X = O）(Fig. 16)。 Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究522. 合成PPAR / 双重激动剂进一步的构效关系研究表明，苯环C-4位是重要的结构改造位点。通过改造，发现了口服有效的PPAR /双重激动剂53 (Fig. 16)。Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮类PPAR /双重激动剂的结构改造和构效关系研究53七、PPAR 激动剂与