KAI-11101

2024年12月13日，薛定谔公司（Schrödinger Inc.）团队在国际顶级药物化学期刊《Journal of Medicinal Chemistry》上发表了一篇题为“通过计算机辅助发现的KAI-11101，一种用于治疗神经退行性疾病和神经元损伤的临床前DLK抑制剂”的研究论文。 该研究通过前沿的计算化学方法，成功发现了一种新的、具有神经保护特性的临床前候选药物KAI-11101，这是一种针对双亮氨酸拉链激酶（DLK）的小分子抑制剂，有望用于治疗神经退行性疾病和神经损伤，如阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）以及化疗引起的周围神经病变（CIPN）。这篇论文详细介绍了KAI-11101的发现过程，包括利用自由能量微扰（FEP）技术进行的虚拟筛选、构效关系（SAR）的研究、以及对候选药物的体外和体内药效学评估。研究团队通过精确的计算化学模型预测了化合物的亲和力，并在实验中验证了这些预测，从而快速识别出具有高潜力的候选药物。该研究不仅展示了通过计算化学手段加速药物发现的潜力，还为神经退行性疾病的治疗提供了新的策略和希望。 研究背景 双亮氨酸拉链激酶（DLK，也称为MAP3K12）是混合谱系激酶（MLK）家族的成员，包含一个N端激酶结构域，后面是两个亮氨酸拉链结构域和一个富含甘氨酸/丝氨酸/脯氨酸的C端结构域。它主要在神经元细胞中表达，特别是在神经元的突触末端和轴突中。轴突损伤或其他细胞应激会导致DLK二聚化、自磷酸化、MKK7的磷酸化和JNK/cJun通路的激活。近期的研究表明，抑制DLK可以减轻阿尔茨海默病和ALS模型中的突触丢失、神经元退化和功能下降。基于这些发现，DLK抑制被认为能为以轴突退化为特征的伤害或疾病提供功能性保护，使DLK成为治疗ALS和CIPN等疾病的有吸引力的治疗靶点。鉴于未满足的医疗需求，寻求开发一种强效、选择性且能穿透中枢神经系统的DLK抑制剂，适用于治疗这些神经退行性疾病。 药物设计 苗头（Hits）发现策略 研究团队使用自由能量微扰（FEP）这一计算化学技术，预测化合物与蛋白质结合的强度，从而在实际合成之前评估化合物的潜在效果。他们选择了一个高效的最小铰链结合片段作为起点，并通过FEP评分系统逐步筛选和评估不同的化学结构，快速识别出可能的强效化合物。这种方法让他们在实验开始前就能筛选出有潜力的化合物，节省了时间和资源。在确定了合适的核心结构后，团队通过迭代优化进一步细化化学系列，并合成了一小部分代表性分子进行测试，验证了FEP模型的准确性。他们从基序出发，评估了约800个未取代的杂芳香核心结构，并通过FEP产生了约2400个新的想法，进一步通过对接筛选排除了可能与蛋白质发生冲突的配体，然后高效地分析了这组化合物。这项工作最终确定了23个可合成、未取代的核心结构，这些化合物显示出强大的效力、药物效率和低分子量，且有较高的概率能够穿透大脑。第一轮合成的结果证明了FEP模型的预测性，为后续使用FEP引导的迭代开发提供了信心。通过这种方法，研究团队能够快速确定最适合替换的位置，并在咪唑吡啶核心中实现了单位数纳摩尔的效力，FEP预测的结合亲和力与实验测量的抑制数据保持了良好的相关性。 基于咪唑并吡啶的苗头到先导 ①研究团队起初考察了三个化合物系列，经过多轮设计、评估、合成和测试后，发现咪唑并吡啶系列因其优秀的DLK抑制效果和口服药代动力学特性而最有望。其中，化合物12表现出强大的DLK抑制活性和较高的配体效率，以及尚可的细胞内效力。通过共晶结构分析，确认了12与DLK的结合方式，包括氢键和π堆叠相互作用，以及异丙基和咪唑氮的疏水和水桥作用。这些发现指导了团队进一步优化C3和C6位置，以改善化合物的性质和效力。 ②他们发现，对C6位置的取代可以通过合理设计来优化，而C3位置的取代则显著提高了化合物的效力和溶解度。特别是化合物18，在生化和细胞实验中表现出强大的DLK抑制作用，溶解度好，稳定性高，且具有良好的口服生物利用度和脑渗透性。然而，由于化合物18在hERG实验中显示出过强的抑制作用，研究团队决定停止对其的进一步研究。 Table 3. Imidazopyridine Series SAR ③为了降低化合物对hERG通道的抑制作用，研究团队采取了多种策略，包括降低LogD值、增加分子的三维结构和调节分子的碱性。他们发现，增加极性基团或分子的三维结构并没有显著减少hERG抑制。随后，团队通过Jaguar软件预测并合成了预计碱性较低的化合物，发现调节胺基的pKa值可以有效减少hERG抑制。特别是，当pKa值调节到中性范围时，化合物的hERG特性得到了显著改善。团队最终确定了pKa值低于6.5的化合物更有可能具有较弱的hERG抑制作用，并将这一标准应用于后续化合物的选择和合成。 Table 4. Mitigating the hERG Liability in the Imidazopyridine Series ④在体外ADME特性测试中，咪唑并吡啶系列的大多数化合物表现出高水溶性和高通透性，属于BCS I类化合物。特别地，化合物26因其强大的DLK抑制作用、良好的溶解度、低清除率、高通透性和较低的hERG抑制作用而被认为是一个有潜力的候选药物。在小鼠的体内药代动力学研究中，化合物26显示出良好的口服生物利用度和大脑穿透性。此外，通过使用DRG神经元的体外模型，研究团队证明了化合物26能够保护轴突免受紫杉醇诱导的退化，这与其在细胞实验中的效果相一致。尽管化合物26及其类似物能够与目标蛋白结合，但它们显示出对CYP3A酶的时间依赖性抑制作用，可能会增加药物相互作用的风险。研究团队尝试了多种方法来减少这种抑制作用，包括改变化合物结构，但这些尝试大多未能成功。 Table 5. In Vitro and in Vivo ADME Properties of Imidazopyridine Series Exemplar  ⑤最终，他们通过FEP指导设计了新的化合物核心，以保持对DLK的抑制效果同时减少对CYP3A的抑制。新设计的化合物中，吡唑并吡啶酮41不仅减少了对CYP3A的抑制，还显示出良好的体外ADME特性，因此被选为进一步开发的对象。 Table 7. CYP3A TDI SAR for a Set of De Novo Designed Bicyclic Cores 先导优化 ①在吡唑并吡啶酮系列的先导化合物优化中，研究团队的目标是提高药物的大脑穿透能力，这对于中枢神经系统激酶药物发现项目至关重要。他们最初使用了多种公认的预测指标来指导药物设计，但发现这些指标与实际的大脑穿透性数据并不总是相关。因此，团队开发了一个新的预测模型E-sol（能量溶剂化），这是一个基于量子力学的计算方法，能预测化合物在水和真空之间的分配，从而估计其大脑穿透性。E-sol考虑了分子的三维构象、大小、极性以及pKa值等多个因素。通过分析，他们发现E-sol与大脑药物分配系数Kp,uu有很强的相关性，并使用这个新模型来指导后续的化合物设计和筛选。这使得他们能够更准确地预测和优化化合物的大脑穿透性，从而提高药物的效果和安全性。 ②化合物41具有THP基团，对DLK的抑制能力强，稳定性好，且在小鼠中显示出良好的大脑穿透力。研究团队通过FEP和E-sol计算优化了化合物的结构，发现七元环结构的效力最强，而较小的氧杂环庚烷环结构效力最弱。哌啶类似物47与THP类似物效力相似，具有良好的体外ADME特性和大脑穿透力，但hERG抑制作用较弱。通过调整哌啶的pKa值，得到了hERG IC50更高的化合物48，但其大脑穿透力下降。此外，研究发现较小的R1取代类似物49虽然DLK抑制力强，但水溶性差。对THP环进行甲氧基取代后，得到了效力更强、具有良好ADME特性和大脑穿透力的化合物50和51。 Table 9.Initial SAR on Pyrazolopyridinone Series ③吡唑并吡啶酮类似物41在激酶选择性方面表现不错，其S-scores显示了较好的靶点选择性。为了进一步提高选择性，研究团队通过FEP模型预测和实验验证，确定了几种关键的非靶激酶，并以此为基础优化化合物结构。他们发现，在THP基团上添加手性甲氧基团可以提高选择性，其中顺式构型的类似物51相比其反式异构体50和母体化合物41显示出更好的选择性。这些发现帮助团队在保持药效的同时，减少了对非靶激酶的抑制，提高了药物的安全性。 Table 10.Top off-Target Kinase Kd Ratio over DLK Potency ④化合物51的共晶结构显示了它与DLK激酶活性位点的关键相互作用，特别是与GLN197和VAL131残基的关系。研究团队假设，通过改变甲氧基团的空间排列，可以提高化合物的选择性，使其更倾向于与DLK而非其他非靶激酶结合。基于这个假设，他们设计并测试了新的化合物，发现在甲氧基位置添加较大的基团可以提高选择性。此外，他们还研究了铰链区域的变化对选择性的影响，并发现某些变化能够提高DLK的效力和选择性。 Table 11.Pyrazolopyridinone Series SAR to ImproveSelectivity ⑤在进行药物选择性研究的同时，化合物51虽然整体表现良好，但在狗体内的清除率较高。研究团队通过代谢物鉴定发现，高清除率主要是由于THP环的氧化和甲氧基团的脱甲基作用引起的。他们尝试了不同的化学修饰来降低清除率，最终发现用顺式取代的二氟环己基替换THP环的化合物59在三个物种中都稳定，且具有皮摩尔级别的效力和优秀的激酶选择性。在小鼠体内的药代动力学研究显示，化合物59具有低清除率、长半衰期和良好的生物利用度，以及良好的大脑穿透能力。因此，KAI-11101（化合物59）被选为进一步研究的对象。在体外实验中，KAI-11101显示出对DLK活性的强效抑制和对紫杉醇诱导的轴突退化的保护作用，其效果优于Genentech的临床一期候选药物GDC-0134。 Table 12.Pyrazolopyridinone Series SAR to Improve dLM CLint 体内活性评价 KAI-11101在体内实验中显示出随着剂量增加，大脑中的药物浓度也线性增加，并且能有效抑制小鼠小脑中的p-cJun，表明药物能够达到预期的靶点。此外，KAI-11101在多个物种中展现出良好的口服药代动力学特性和大脑穿透能力。尽管在狗体内清除率较高，可能涉及肝外清除机制，但在其他物种中未观察到N-甲基化。KAI-11101在体外安全性测试中表现良好，对激酶选择性高，且预测的人体剂量能够达到神经保护效果。虽然对CYP3A有轻微抑制作用，但预计临床药物相互作用风险低。因此，KAI-11101因其整体良好的特性被选为进一步毒理学评估的临床前候选药物。 亲脂性分析：从苗头到候选 作者强调了自由能微扰（FEP）技术在预测DLK抑制剂的生物活性方面的高效性和准确性。FEP预测的pKi值与实验值高度一致，平均误差仅为0.4个pKi单位，意味着预测值通常在实验值的2.5倍范围内。此外，FEP预测的稳定性和DLK抑制剂的生化与细胞效力之间的强相关性进一步证实了FEP技术在药物开发中筛选和优化化合物的实用性，有助于提高药物研发的效率。 总结 这篇论文描述了通过计算化学方法，特别是自由能微扰（FEP）技术，发现并优化了一种新型DLK抑制剂KAI-11101的过程。该抑制剂针对神经退行性疾病和神经损伤，展现了良好的体外效力、激酶选择性、药代动力学特性和安全性，被选为临床前候选药物。研究中利用FEP预测化合物的生物活性，优化了化合物设计，并最终确定了具有准皮摩尔级别效力和良好大脑穿透性的KAI-11101，为未来治疗相关疾病的药物开发提供了有力候选。 参考来源： https://doi-org.libproxy1.nus.edu.sg/10.1021/acs.jmedchem.4c02074 --------- End --------- 感兴趣的读者，可以添加小邦微信加入读者实名讨论微信群。添加时请主动注明姓名-企业-职位/岗位 或  姓名-学校-职务/研究方向。