环丙烷结构：药物化学中的常备“武器”
环丙烷（Cyclopropane），一种具有高度张力的三元环状结构，在药物化学中被广泛应用。其在药物化学中发挥着众多作用：可以增强药物药效；降低脱靶作用；提高代谢稳定性；增加血脑屏障渗透率；降低血浆清除率；增强对受体的亲和力；限制多肽构象，减缓其水解作用；改善药物的解离度等等。2018年，全球药品销售TOP200的药物中有10款药物含有环丙烷结构（商品名：Triumeq、Mavyret、Brilinta、Orkambi、Atripla、Tafinlar、Lynparza、Symdeko、YAZ、Singulair）。目前，美国FDA批准上市的含有环丙烷的药物分子超过60个；在日常生活中，人们比较常见的含有环丙烷结构的药物就是环丙沙星这一喹诺酮类抗生素。
环丙烷的结构特点主要有三点（如图1）：1、三个碳原子处于同一平面，为内角60度等边三角形；2、环丙烷结构的C-C键介于单键和双键之间，有类似于双键的性质；3、环丙烷结构的C-C键比直链烷烃的C-C键的键长短、键能高、反应活性也高很多。正常的偕二甲基的取代基角度是109.5度，而偕二甲基取代环丙烷的取代基角度却达到了118度；1,2-二取代环丙烷的二面角为141度，对比1,2-反式二取代烯烃的二面角为180度。[1]
图1 环丙烷的一些物理性质
多取代环丙烷结构主要合成方法
自从1882年环丙烷被合成以来，越来越多的结构复杂的环丙烷类化合物被合成，并且用于药物化学研究中。目前最经典的环丙烷不对称合成方法主要分为五大类（如图2）：1、Simmons-Smith-Furukawa环丙烷反应；2、金属促进的偶氮酯基化合物插入反应；3、Michael加成和1,3-消除串联反应——Corey-Chaykovsky环丙烷化反应；4、Kulinkovich反应——合成环丙基醇类化合物；5、De Meijere环丙烷反应——合成环丙基胺类化合物。[2]
图2 多取代环丙烷的不对称合成方法
环丙烷结构对于药物分子成药性改变的研究
▼ 替代直链烷烃增加口服利用度
多聚二磷酸腺苷核糖聚合酶（PARP）是一类广泛存在于真核细胞中催化多聚ADP核糖化的细胞核酶，其在DNA损伤修复和维持基因组稳定性方面发挥着至关重要的作用。经研究发现，PARP抑制剂既可以单独用于肿瘤治疗；也可以与其他化疗药物联合用于肿瘤治疗，以增强化疗药物的疗效、降低药物毒副作用。2014年，阿斯利康公司开发的奥拉帕尼2（Olaparib）（如图3），一种二氮杂萘结构的PARP抑制剂，被美国FDA批准用于治疗与BRCA基因缺陷相关的晚期卵巢癌患者。相对于乙基取代的酰胺化合物1，环丙基取代的奥拉帕尼2拥有更高的口服吸收（口服一小时后小鼠血浆浓度0.6 μg/mL vs 0.3 μg/mL 1），更好的口服生物利用度（100% vs 40% 1）。[3]
图3 奥拉帕尼及其乙基类似物的结构和活性
▼ 替代支链烷烃增加代谢稳定性
呼吸道合胞病毒（Respiratory syncytial virus, RSV），属于一种常见的引起婴幼儿急性下呼吸道感染的病原，可以感染免疫缺陷人群，器官移植后的病人和老年人，引起高致死率。百时美施贵宝制药公司科学家发现，在小鼠模型中，苯并咪唑类化合物3具有非常好的抗RSV活性。然而，体内生物研究发现其代谢不稳定，易发生N-脱甲基化反应。科学家们随后对于二甲胺结构片段进行优化（如图4），将苯并咪唑环的二甲氨基乙基结构替换成氰基丙基结构，苯并咪唑酮环的大位阻苄基替换成小位阻的异丙基，改造后的化合物4具有极强的抗病毒活性和优良的人克隆结肠腺癌细胞（Human epithelial colorectal adenocarcinoma cells, Caco-2）穿透性；然而，体内代谢实验发现其在人肝脏微粒体（Human liver microsomes, HLM）的稳定性很差。考虑到环丙基（π= 1.2）是异丙基（π = 1.53）亲脂性更小的生物电子等排体，故将环丙基引入到苯并咪唑酮环上，结构优化后的化合物5的RSV融合抑制剂活性EC50值达到10-12 nM。在小鼠、狗和猴子模型中具有非常好的血浆暴露量，不会产生基因毒性，并且药物代谢细胞色素P450亚型的IC50s值大于26.5 μM。该化合物目前处于临床前阶段。[4]
图4 RSV细胞融合抑制剂BMS-433771的构效关系研究
▼ 替代环烷烃降低亲脂性
新药的发现是一件耗资巨大、效率较低的研究工作。为了加速新药研究和发现的效率，上世纪九十年代，科学家Jencks提出了“基于片段的药物发现”（Fragment-based drug discovery, FBDD）的概念，即通过对与靶标结合的片段分子筛选和优化，得到新颖的药物实体。英国生物技术公司Astex Therapeutic Ltd科学家利用这一策略，通过不同结构的片段分子与周期蛋白依耐性激酶（Cyclin-dependent kinase, CDK）形成蛋白复合物晶体，研究发现吡唑基苯并咪唑片段分子6可以作为CDK抑制剂先导化合物（如图5）。将化合物6进一步结构优化得到环己基脲衍生物7，具有对极光激酶A和B类似的抑制活性，其中极光激酶A的活性是先导化合物6的6倍以上；然而，化合物7的脂溶性太好，导致其成药性较差。接着，他们将亲脂性的环己基换成位阻更小、亲脂性稍差的环丙基，结构优化后的化合物8基于酶和细胞的抑制活性进一步提高，疏水常数减小，水溶性增加。目前，化合物8（AT9283）正在进行非霍奇金淋巴瘤和晚期实体瘤的临床I期研究。[5]
图5 CDK抑制剂AT9283的构效关系研究
▼ 替代亚甲基改善物理化学性质
组织蛋白酶K（Cathepsin K），一种溶酶体蛋白酶，是破骨细胞降解骨有机质作用种最主要的组织蛋白酶和骨吸收的关键酶。通过基因沉默阻止组织蛋白酶K的表达，可以抑制骨吸收和胶原分解，因此，组织蛋白酶K成为骨质疏松治疗的一个新靶点。默沙东公司的科学家们通过筛选发现联苯结构化合物9具有非常好的组织蛋白酶K抑制活性（IC50 = 0.2 nM），对于其他亚型有大于800倍的抑制选择性（如图6）；然而由于化合物9易于酰胺水解，其在体内代谢稳定性较差，科学家们无法对其进行更加深入的研究。为了增加酰胺的稳定性，他们将亚甲基替换为位阻更大的环丙基，同时采用氟代亮氨酸片段制备得到化合物10（Odanacatib），其具有相似的组织蛋白酶K抑制活性（IC50 = 0.2 nM）和抑制选择性，并且代谢稳定性提高了很多。药物Odanacatib的临床数据表明其能够有效增加骨密度，同时降低骨折风险，成为默沙东公司重点开发的一款骨质疏松症药物，有望成为一款年销售额高达25亿美元的重磅炸弹。不幸的是，临床III期的最终结果表明Odanacatib有比较严重的副作用——增加了房颤和中风的风险。经过权衡，默沙东公司于2016年放弃了药物Odanacatib的开发工作。[6]
图6 组织酶蛋白K抑制剂Odanacatib的结构优化对比图
▼ 替代双键提高成药性
纳洛酮11（Naloxone），一种阿片类特异性拮抗剂，主要用于已知或疑似阿片类药物过量引起的呼吸抑制和昏迷等症状，也可用于阿片类药物成瘾者的鉴别诊断（如图7）。其烯烃被环丙基替换的类似物纳屈酮12（Naltrexone），与μ阿片受体（Ki = 0.11 nM）和κ阿片受体（Ki = 0.19 nM）具有非常高的亲和力，与δ阿片受体（Ki = 60 nM）有较弱的亲和力。另一个环外烯烃类似物纳美芬13（Nalmefene），阿片受体抑制活性与纳屈酮12相当（μ阿片受体Ki = 0.11 nM、κ阿片受体Ki = 0.19 nM、δ阿片受体Ki = 60 nM）。这两个类似物相对于纳洛酮，亲脂性更好，中枢神经系统分布更广泛，成药性也更好。纳屈酮和纳美芬这两种药物，已逐渐替代纳洛酮用于麻醉性镇痛药急性中毒的解救，和阿片类药物成瘾者；并被开发了新的适应症——用于治疗酒精依赖患者。[7]
图7 阿片受体拮抗剂的构效关系研究
▼ 替代苯环减低疏水性、提高抑制活性
丝裂原活化细胞外信号调节激酶（Mitogen-activated extracellular signal-regulated kinase, MEK），是一种可对靶蛋白上丝氨酸/苏氨酸和酪氨酸残基进行磷酸化的双特异性激酶，也是RAS-RAF-MEK-ERK信号转导通路的主要成分。该信号通路参与了细胞凋亡，细胞周期进行，细胞迁移、分化、代谢和细胞增殖等众多过程的调节。深入研究发现，MEK结构及其表达水平的改变于肿瘤等多种疾病的发生密切相关，因此，MEK特异性抑制剂的研发成为当今肿瘤治疗研究的一大热点。日本烟草公司和葛兰素史克公司的科学家合作，通过高通量筛选的方法发现三苯基取代的吡啶并嘧啶骨架化合物14具有中等MEK抑制活性，并期望通过降低其疏水性来提高其活性（如图8）。首先，他们将疏水基团3位氨基取代的苯基换成生物电子等排体环丙基；接着，将对氯苯胺替换为MEK激酶抑制剂中较为常用的药效基团2-氟-4-氯苯胺。这两个基团改变，使得曲美替尼15（Trametinib）分子极性增加，疏水性降低，同时人肾腺癌细胞系抑制活性提高了490倍，人结直肠癌HT-29细胞系抑制活性提高了1700倍。曲美替尼15于2013年被美国FDA批准，用于携带BRAF V600E突变的晚期黑色素瘤患者，成为FDA批准的第一个激酶别构抑制剂。[8]
图8 MEK抑制剂Trametinib的结构优化对比图
▼ 引入稠环增加化学稳定性
肿瘤细胞多药耐药（Multidrug resistance, MDR）的发生是肿瘤化疗失败的主要原因之一。细胞膜上P-糖蛋白（P-glycoprotein, P-gp）的过度表达是多药耐药的最主要发生机制，有效抑制P-糖蛋白的表达可逆转肿瘤的多药耐药性，延长患者的生存时间，因此P-糖蛋白抑制剂成为肿瘤研究的热点之一。日本东京肿瘤化疗中心的科学家发现喹啉衍生物16在体内外测试中对多药耐药人细胞系都有非常好的抑制活性（如图9）。然而，由于N-二苯环庚基在酸性条件下不稳定（t1/2 at pH 2/37 oC ~ 15 min），导致化合物16口服生物利用度不稳定。接着，新泰克公司的科学家对于化合物16进行了结构修饰，其中二氟环丙基稠环化合物17具有类似的抑制活性（Ki = 59 nM），同时酸性条件下稳定性大大提高（t1/2 at pH 2/37 oC ~ 72 h）。礼来公司进行了Zosuquidar对于急性髓性白血病（acute myeloid leukemia, AML）和髓性增生异常综合征（Myelodysplastic syndrome）的临床III期研究；但是，由于体内毒性和P-糖蛋白抑制效率不足等原因，礼来公司于2010年停止了药物Zosuquidar 的开发。[9]
图9 P-糖蛋白抑制剂Zosuquidar的结构优化对比图
▼ 代替多环骨架的烯烃降低毒性
丙型肝炎病毒（Hepatitis C Virus, HCV）非结构蛋白5B（non-structural protein 5B, NS5B），是丙型肝炎病毒复制的关键酶（RNA依赖性RNA聚合酶，RdRP）。由于NS5B在丙型肝炎病毒RNA基因组复制中的关键作用，并且人类缺少功能对应的表达，因此NS5B可以做抗丙型肝炎病毒的靶标。百时美施贵宝制药公司通过构效关系研究发现，相对于烯烃化合物18，环丙基化合物19拥有结构更加刚性的五环骨架；其结构中的环丙烷与NS5B聚合酶拇指域I的残基有较强的分子间相互作用力；避免了烯烃结构18作为Michael受体引起的副作用。目前化合物19与NS5A抑制剂Daclatasvir、NS3/4A蛋白酶抑制剂Asunaprevir联用正在进行临床III期的研究，用于治愈丙型肝炎患者。[10]
图10 丙型肝炎NS5B抑制剂BMS-791325的结构优化对比图
▼ 代替直接烷烃上的C-C键增加亲和力和偏向性
多巴胺（Dopamine, DA）是儿茶酚胺类神经递质，在体内是合成肾上腺素和去甲肾上腺素的前体物质，广泛存在于中枢和外周组织中。多巴胺受体是七个跨膜区域组成的与鸟苷酸结合蛋白（G蛋白）相偶联的受体家族，主要分为D1类受体和D2类受体两个家族。D1类受体包括D1和D5受体；D2 类受体包括D2，D3和D4受体。其受体激动剂是一类在分子构象上同多巴胺相似，能直接作用于多巴胺受体的药物；其中，D2受体激动剂可用于治疗帕金森病、精神分裂症、多动腿综合征等。美国国立卫生研究院（NIH）科学家将辉瑞制药公司开发的Sumanirole与其他药效片段通过烷基链相连接进行构效关系研究（如图11），发现相对于直链连接的化合物20，采用反式环丙烷结构相连接的化合物21抑制活性相当，却具有更出色的Go蛋白相对于b抑制蛋白偏向性。[11]进一步生物物理学研究发现，反式环丙烷结构相连接的化合物可以增加底物亲和力，成药性和Go蛋白偏向激活。众所周知，配体-受体相互作用的杂泛性可能是目前临床使用的D2样激动剂药物出现副作用的众多原因之一，化合物21具有非常好的偏向性，有望成为一种具有新颖结构的D2样受体激动剂。
图11 D2样受体激动剂结构优化对比图
注：所有图片来源于参考文献。
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