GT-20029

研究背景在该工作中，中国海洋大学秦钟课题组报告了靶向雄激素受体N末端结构域（AR-NTD）的小分子PROTAC化合物，通过连接子将AR-NTD拮抗剂和不同类别的E3连接酶配体栓系而获得。代表性化合物BWA-522有效地诱导AR-FL和AR-V7的降解，并且在体外比相应的拮抗剂更有效地对抗前列腺癌（PC）细胞。其研究结果证明BWA-522降解AR-FL和AR-V7蛋白可以抑制AR下游蛋白的表达并诱导PC细胞凋亡。BWA-522在小鼠中达到40.5%的口服生物利用度，在比格犬中达到69.3%。在LNCaP异种移植模型研究中，BWA-522也被证明是有效的PROTAC降解剂，在口服给药60 mg/kg剂量后，导致76%的肿瘤生长抑制。这项研究表明，BWA-522是一种有前途的AR-NTD PROTAC，用于治疗AR-FL和AR-V7依赖性肿瘤。    图1    前列腺癌（PC）是最常见的恶性肿瘤之一，在男性中发病率和死亡率都很高，全球有超过1000万男性患病，每年全球有超过40万人死亡。在早期阶段，PC可通过放射治疗或手术缓解，而接受雄激素剥夺疗法（ADT）治疗晚期PC的患者最终获得致死性去势抵抗性前列腺癌（CRPC），这通常与雄激素受体（AR）转录增加有关。AR及其持续的下游信号传导对于PC细胞的生长、存活和增殖至关重要。野生型全长AR基因由8个外显子和内含子组成，其形成C末端配体结合结构域（LBD）、铰链、DNA结合结构域（DBD）和N末端转录结构域（NTD）的编码序列，（图2A）。此外，AR基因突变主要由AR-LBD和剪接变体（ARV）上的特定点突变组成。AR-V7，缺乏LBD和铰链区，是最广泛表征的AR剪接变体，并被鉴定为能够显著促进CRPC中AR调节基因表达的主要雄激素非依赖性驱动因子。大多数FDA批准的AR拮抗剂（图1B），如氟替卡松（1）、比卡鲁胺（2）、恩杂鲁胺（3）和阿帕鲁胺（4），通过竞争性抑制雄激素靶向AR-LBD。然而，LBD中的点突变和AR变体中完整LBD的缺失导致对这些拮抗剂的原发性或获得性耐药性。近年来，也报道了一些针对其他AR结构域的拮抗剂。据报道，化合物5是一种有效的AR-DBD拮抗剂，在AR转录活性中的IC50= 0.1μM。Sadar等人报道，EPI化合物是从海绵中分离的双酚A衍生物，并发现通过抑制NTD的AF-1结构域来阻止AR转录活性。EPI-002（6）是一种有效的AR-NTD拮抗剂，及其乙酸酯前药EPI-506（7）于2015年进入I期临床试验，但其效力不足且代谢特性较差，限制了其进一步的临床试验。EPI-7386是EPI家族化合物中的另一种AR-NTD拮抗剂，化学结构未公开，于2020年进入I期临床试验。   图2：(A)AR的结构和AR基因突变。(B)靶向LBD、DBD和NTD的AR拮抗剂的结构蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）是一种有前景的治疗策略，其通过劫持细胞泛素-蛋白酶体系统来诱导靶蛋白的泛素化，随后通过蛋白酶体降解。（图3）与传统的小分子抑制剂相比，PROTAC具有显著的优势，包括它们治疗“无法控制的目标”的能力并通过以较低剂量和毒性消除病原蛋白质来避免耐药性。Crews等人报道了第一个AR-PROTAC降解剂（8），其设计基于MDM 2作为E3连接酶。为了改善AR降解活性和药代动力学（PK）特征，Arvinas的科学家采用有效的AR拮抗剂作为配体，沙利度胺衍生物作为（CRBN）配体，并将它们与有利的刚性接头连接以获得ARV-110（9），其是在所有测试的细胞系中具有低纳摩尔水平的DC50值的口服生物可利用的AR- PROTAC。ARV-110是2019年第一个进入I期临床试验的AR- PROTAC降解剂，目前正在II期临床试验中进行评估。Wang等人随后报告两个系列的基于CRBN、ARD-2128（10）和ARD-2585（11）的有效口服AR- PROTAC在小鼠中的口服生物利用度分别为67%和51%。虽然已经开发了许多AR-LBD PROTAC，成功实现了AR的降解，但这些PROTAC靶向AR变体（如缺乏LBD的AR-V7）仍具有挑战性。MTX-23（12）是第一种AR-DBD靶向PROTAC化合物，据报道可有效降解全长AR（AR-FL）和AR-V7，DC 50值分别为2和0.37 μM。该课题组的研究组最近报道了含有AR拮抗剂、连接子以及能够诱导AR-FL和AR-V7降解的Hsp 90结合基序。假设靶向AR-NTD的PROTAC应能够同时降解AR-FL和AR-V7，并将在PC和CRPC治疗中显示出临床价值。在此，该课题组报告了第一例AR-NTD靶向PROTAC的设计、合成和生物学评价研究，发现了一种新型的口服活性AR-FL和AR-V7 PROTAC降解剂BWA-522。  图3：代表性AR PROTAC的化学结构研究内容  AR-NTD PROTAC是异双功能分子，通常由三种组分组成：结合AR-NTD蛋白的配体、募集E3连接酶复合物的第二配体和将这些配体连接在一起的接头（图4A）.由于E3连接酶，VHL和CRBN已成功用于PROTAC的设计，该课题组选择了它们相应的配体来募集AR-NTD PROTAC中的E3连接酶（图4B）。   图4.(A)含有AR-NTD配体和E3连接酶配体的AR-NTD PROTAC的一般方案(B)VHL配体和CRBN配体的结构作为一种有前景的小分子AR-NTD拮抗剂，EPI-002被认为与NTD AF-1区域共价结合（图5）。首先，EPI-002氯代醇子结构的仲醇通过快速可逆的相互作用位于NTD AF-1碱性位点附近。随后，碱位点从仲醇中除去质子，导致形成亲电子环氧化物。反应性环氧化物最终与NTD AF-1中的亲核位点反应形成共价键。因此，该课题组认为EPI-002的溶剂暴露的丙二醇亚结构可以是通过适当的接头掺入E3连接酶配体而不显著降低对NTD的结合亲和力的合适位点。    图5：EPI-002与NTD AF-1区共价结合反应的提出机制   使用含叠氮化物的VHL配体和含炔的EPI-002衍生物之间的点击反应，该课题组设计并合成了三种具有不同长度接头的潜在AR-NTD PROTAC（13−15）。在AR依赖性细胞系LNCaP和VCaP中通过蛋白质印迹法评价PROTAC的AR-FL降解。同时，还测试了它们在高水平表达AR-V7的VCaP细胞中降解AR-V7的能力。通过灰度分析定量AR-FL和AR-V7蛋白水平，提供表1中总结的数据。数据显示，基于E3连接酶VHL的化合物13 - 15在两种PC细胞系中的浓度为1和5μM时，仅具有将AR-FL降低17.6 - 53.5%的适度能力。然而，这些化合物都成功地将VCaP细胞中的AR-V7降低了38.1 - 63.3%。总之，这些结果表明，AR-NTD PROTAC具有开发为AR-FL和AR-V7双降解剂的潜力。   表1：VHL配体与柔性连接体的连接体亲和性研究该课题组质疑CRBN配体是否可以用于设计AR-NTD PROTAC。首先是确定柔性接头中的接头长度是否对AR降解活性有显著影响，该课题组继续使用点击反应合成具有脂肪烃接头和聚（乙二醇）（PEG）接头的化合物16 - 21（表2）。Western印迹显示，这些化合物在LNCaP细胞中仅轻微降解AR-FL蛋白，但有效地降低VCaP细胞中的AR-V7蛋白。在5μM下，具有最短连接体长度（10个原子）的化合物16使AR-V7中度降低64.1%。在连接体长度为11−14个原子的化合物17−20中，AR-V7的降解水平没有显著改善。具有12个原子连接基的化合物18在1和5μM下分别使AR-V7减少62.2%和71.1%。随着连接体长度延伸至13（19）和14个原子（20），降解活性略微降低，并且与18 - 20相比，含有PEG连接体的化合物21在VCaP细胞中显示出降低的降解活性。接下来，该课题组合成了化合物22 - 24（表2），引入带有哌啶基团的半刚性连接体来限制构象并提高溶解度。在以5μM浓度给药的这些化合物中，随着连接体长度的延长，观察到AR-V7降解水平呈增加趋势。含有10个原子的连接体的化合物24显示出最有效的降解活性，在LNCaP细胞中，1和5μM的浓度分别使AR-FL降低21.2%和39.1%。此外，在VCaP细胞中，在1和5μM下，它使AR-FL显著降低22.6%和49.3%，使AR-V7显著降低54.4%和75.7%。  表2：柔性和半刚性连接基CRBN配体的连接基稳定性研究连接体的构象限制有助于形成稳定且高产的三元复合物，从而显著提高化合物的降解活性。因此，该课题组合成了化合物25 - 34（表3），其中使用了刚性越来越大的连接体，如四元或六元杂环，以限制化合物的构象。虽然这些化合物中的大多数未能降解LNCaP细胞中的AR-FL，但化合物28（BWA-522）在1和5μM下使AR-FL降低了48.7%和72.0%。在VCaP细胞中，化合物25 - 27（在连接体中有两个杂环）使AR-FL轻微降低<40%，使AR-V7中度降低43.6 - 69.9%。类似地，通过将化合物27中的连接体延长一个亚甲基获得的BWA-522显示出最强的AR-FL和AR-V7降解活性，在1和5μM下分别将AR-FL有效降低52.4%和73.1%，将AR-V7有效降低77.3%和84.6%。化合物29−32在其连接基中含有三个杂环，在1和5μ M下保持有效的降解活性，使AR-FL水平降低62.5%，AR-V7水平降低29.2− 80.3%。然而，观察到化合物31和32在5μM时诱导细胞死亡。在22 Rv 1和PC-3细胞中评价了不同浓度的化合物31和32对AR-FL和AR-V7的降解作用。结果表明，31和32在低浓度（0.03−1μM）下不能诱导AR-FL和AR-V7降解，但在高浓度下导致细胞死亡。此外，化合物31和32显著抑制AR非依赖性PC-3细胞生长，IC50值分别为1.03和1.37μM。这些结果表明，化合物31和32显示出脱靶细胞毒性。化合物33和34（在接头中含有三个环和一个酰胺基团）使VCaP细胞中的AR-FL和AR-V7水平降低<50%，其效力低于化合物BWA-522。    表3：不同刚性连接体对AR-NTD PROTAC影响的研究最后，由于使用刚性连接体后降解活性的提高，通过将化合物25 - 34中沙利度胺苯环的连接位置从间位改变为邻位，合成了化合物35 - 44（表4）。Western印迹显示，这些化合物中的大多数在降低LNCaP细胞中的AR-FL蛋白水平方面上级相应的间位取代化合物。此外，它们在VCaP细胞中对AR-FL和AR-V 7保持相同的降解活性。在LNCaP细胞中，化合物39在1和5μM时分别使AR-FL降低13.9%和62.4%，并且是化合物35 - 44中最有效的AR-FL和AR-V7降解剂。在VCaP细胞中，1μM和5μM的AR-FL进一步有效降低44.3%和51.2%，AR-V7降低37.1%和72.7%。与化合物31和32类似，化合物41和42在5μM时显示出细胞毒性。尽管化合物43相对于化合物33改善了LNCaP细胞中AR降解的能力，但未观察到其在VCaP细胞中具有任何降解效力。化合物44在降低两种细胞中的AR-FL和AR-V7水平方面比34有效得多。  表4：不同刚性连接体对AR-NTD PROTAC影响的研究基于AR-FL或AR-V7在LNCaP和VCaP细胞系中的明确降解活性，该课题组评估了三种代表性化合物（24、BWA-522和39）在小鼠中的PK（表5和图6）。以2 mg/kg静脉内给药后，化合物24、BWA-522和39具有不同的半衰期（t1/2 = 0.5、8.2和13.6 h）和最大浓度（Cmax = 518、782和662 ng/mL）。化合物BWA-522达到了最高的最大浓度（图6A），这反映了高血浆暴露（AUC值= 3018 h·ng/mL）。BWA-522具有594 mL/h/kg的低血浆清除率，而化合物24和39的血浆清除率为6636和2314 mL/h/kg。还比较了10 mg/kg剂量的三种化合物的口服给药，发现化合物24、BWA-522和39也具有不同的半衰期（t1/2 = 1.8、7.9和20.5 h），达到最大浓度的时间（tmax = 0.2、4.7和2.0 h）和最大浓度（Cmax = 130、376和47 ng/ mL）。化合物BWA-522具有优异的口服血浆暴露，AUC值为5947 h·ng/mL（图6B），这比24（图6A）或39（图6C）好得多。此外，化合物BWA-522的口服生物利用度为40.5%，而化合物24和39的口服生物利用度分别仅为7.8%和12.3%。鉴于BWA-522在小鼠中的良好口服利用度，进一步评估了其在比格犬中的PK（表6）。当以5 mg/kg的剂量口服给药时，BWA-522的t1/2较长，为31.2 h，口服生物利用度较高，为69%。这些结果共同表明，BWA-522是一种口服活性PROTAC降解剂。  表5：化合物24、BWA-522和39在小鼠体内的PK     图6：小鼠血浆浓度-时间曲线 表6：化合物BWA-522在比格犬中的PK基于在LNCaP和VCaP细胞中的初步筛选和PK谱，选择BWA-522用于用蛋白质印迹法进一步评估其降解能力。使用三种PC细胞系LNCaP、VCaP和22 Rv 1测定BWA-522的效力。在这些细胞中，22 Rv 1是一种CRPC细胞系，据报道其对AR拮抗剂恩杂鲁胺具有耐药性。BWA-522显著降低了三种细胞系中AR-FL或AR-V7的水平。它在最初的3小时间隔有效地降低了LNCaP细胞中的AR-FL水平，并产生了持续的降低直到24小时，但AR-FL在48小时内反弹（图7A）。值得注意的是，在VCaP和22 Rv 1细胞中，AR-V7的降解效果比AR-FL的降解效果更显著（图7 B、C）。数据表明，BWA-522还以剂量依赖性方式诱导AR-FL和AR-V7蛋白降解（图7A-C）。处理24小时后，BWA-522在三种细胞系中有效地将AR-FL和AR-V7从0.03μM降低到30μM。在高达30μM的浓度下，未观察到BWA 522的钩状效应。BWA-522在LNCaP、VCaP和22 Rv 1细胞中诱导AR-FL蛋白降解，DC 50值分别为3.45、0.73和2.41μM（图7D）。它还在VCaP和22 Rv 1细胞中实现了有效的AR-V7蛋白降解，DC50值分别为0.67和0.76μM（图7E）。与结构-降解关系研究一致。  图7：（A-C）LNCaP、VCaP和22 Rv 1细胞中AR-FL和AR-V7蛋白的蛋白质印迹分析。D，E）基于PC细胞系中归一化为α-微管蛋白水平的AR-FL和AR-V7水平的定量的BWA-522的DC50值  该课题组发现在同一细胞系中，相对于比AR-FL蛋白的降解，BWA-522更有效地诱导AR-V7蛋白降解，接下来研究BWA-522在PC细胞系中的降解机制。10μM BWA-522处理10 h后，VCaP和22 Rv 1细胞中的AR-FL和AR-V7被有效地降低。当在BWA-522处理前用蛋白酶体抑制剂MG132（3μM）、活化E1酶抑制剂MLN4924（1μM）和CRBN配体沙利度胺（100μM）预处理细胞时，降解效应显著阻断（图8）。这些机制数据充分证实了BWA-522对AR-FL和AR-V7的降解依赖于泛素蛋白酶体系统和CRBN泛素连接酶。  图8：BWA-522降解AR-FL和AR-V7的作用机制 AR及其变体在调节AR依赖性PC细胞的增殖中至关重要，因此接下来使用EPI-002（5）作为AR拮抗剂对照，在LNCaP、VCaP和22 Rv1细胞中测试了BWA-522的抗增殖能力，治疗6天。如图9A-C所示，BWA-522在抑制AR依赖性PC细胞生长方面具有很高的效力，在LNCaP和VCaP细胞中达到1.07和5.59μM的IC50值。BWA-522能有效抑制恩杂鲁胺耐药细胞22 Rv 1的生长，IC50值为4.08μM。AR拮抗剂EPI-002在这些癌细胞中显示出弱的抑制作用（IC50值>30μM）。  图9：BWA-522对PC细胞的抗增殖活性该课题组还在LNCaP和22 Rv1细胞系中进行了集落形成实验，以评估长期细胞生长抑制作用。培养细胞并用三种浓度的BWA-522和EPI-002处理。与细胞活力测定一致，BWA-522以剂量依赖性方式减少这两种细胞系的殖民地形成（图10）。EPI-002在这些癌细胞中显示出比BWA-522更弱的抑制活性。  图10：BWA-522对PC细胞的抗增殖活性   为了研究BWA-522对AR信号通路的作用，该课题组接下来测试了BWA-522抑制LNCaP（图11A）和VCaP（图11B）细胞中AR下游蛋白表达的能力，AR-NTD拮抗剂EPI- 002（6）作为对照。在用两种化合物处理48 h后，结果显示BWA-522可以有效地并且剂量依赖性地下调两种细胞系中的TMPRSS 2、FKBP 51和PSA蛋白水平。在LNCaP细胞中，BWA-522在10μM时使TMPRSS 2蛋白水平降低1.45%，使FKBP 51蛋白水平降低1.25%，使PSA蛋白水平降低1.15%。同时，10μM的BWA-522还使VCaP细胞中的TMPRSS 2蛋白水平降低约40%，FKBP 51蛋白水平降低约25%，PSA蛋白水平降低>80%。这些结果表明，BWA-522诱导AR-FL和AR-V7的降解，导致其下游信号通路的抑制。  图11：BWA-522抑制AR调节蛋白的表达此外，该课题组还使用蛋白质印迹分析来研究BWA-522诱导LNCaP和VCaP细胞凋亡的能力。如图12 A、B所示，BWA-522在5和10μM浓度下导致PARP-1和Caspase-3的显著裂解。EPI-002仅对两种PC细胞中裂解的PARP-1和裂解的Caspase-3的表达有轻微影响。  图12：BWA-522抑制AR调节蛋白的表达   评估了在小鼠的LNCaP异种移植肿瘤模型中口服施用BWA-522的抗肿瘤功效。当肿瘤达到约100 mm 的平均体积时，小鼠每天接受媒介物、恩杂鲁胺（10 mg/kg，PO）和BWA-522（20或60 mg/kg，PO）治疗，持续4周。根据已报道结果，EPI-002在体内的抗肿瘤功效取决于施用的高剂量。因此，每天以180 mg/kg口服给予EPI-002。结果如图13所示。数据显示，两种测试剂量的BWA-522有效抑制肿瘤体积和肿瘤重量的生长（图13 A、B）。在28天处理结束时，与溶媒对照相比，经口给予180 mg/kg EPI-002和10 mg/kg恩杂鲁胺的肿瘤生长抑制分别为43%和72%。然而，用EPI-002组治疗的一半小鼠的死亡可能与药物毒性有关。与溶剂对照相比，口服给予20和60 mg/kg的BWA-522抑制肿瘤生长26%和76%。令人满意的是，60 mg/kg的BWA-522显示出比180 mg/kg的EPI-002更有效的抑制。在媒介物组中观察到16%的动物体重减轻（图13 C）。在对照组中观察到的体重减轻和其他组的早期报告一致。与溶剂对照相比，20和60 mg/kg的BWA-522在整个实验中没有导致明显的体重减轻，表明小鼠耐受性良好。  图13：BWA-522在小鼠中的LNCaP异种移植肿瘤模型中的抗肿瘤活性为了探索BWA-522的药物样特征，本研究初步评估了BWA-522的体外稳定性。肝脏代谢是药物从体内清除的主要贡献者，肝微粒体通常用作测量代谢稳定性的酶源。因此，首先通过测量小鼠和人肝微粒体中BWA-522随时间的消耗来确定BWA-522的稳定性。如表7所示，BWA-522在小鼠和人微粒体中代谢稳定，两种物种中的清除率较低，为7.40μL/min/mg蛋白（t1/2 = 187.21和187.35 min）。  表7：BWA-522在小鼠和人肝微粒体中的稳定性 除了肝代谢外，化合物还将通过血浆中的酶，特别是水解酶和酯酶进行降解和修饰。因此，还通过在0、15、30、45、60和120分钟的六个不同时间点将BWA-522与小鼠和人血浆孵育来测定血浆稳定性。BWA-522在120分钟孵育后保持在90%以上，表明BWA-522在小鼠和人血浆中高度稳定。BWA-522的体外稳定性与体内半衰期长有关。        表8：BWA-522在小鼠和人血浆中的稳定性  人类（hERG）通道是一种钾离子通道，在调节心脏电活动中发挥重要作用。62 hERG抑制可导致心律异常，如QT间期延长，从而增加心脏副作用的风险。因此，评价hERG抑制的潜力很重要.在自动膜片钳hERG试验中，BWA-522显示出较低的hERG抑制作用，IC50> 10 μM（表9和S3），表明心脏毒性的风险较低。  表9：BWA-522对hERG通道的影响      结论与展望 从这项研究中，该课题组报告了一系列AR-NTD PROTAC，其将EPI-002衍生物作为AR-NTD配体和不同类型的E3连接酶配体通过接头连接。数据表明，某些具有构象约束接头的PROTAC在降低LNCaP和VCaP细胞系中的AR-FL和AR-V7蛋白水平方面是高度有效的。强效PROTAC的PK评价导致最有效的化合物BWA-522被鉴定为口服生物可利用的AR-NTD PROTAC降解剂。进一步的降解研究证实，BWA-522在LNCaP、VCaP和22 Rv 1细胞系中以剂量依赖性和时间依赖性方式诱导AR-FL或AR-V7蛋白降解，特别是在VCaP细胞中达到0.73μM（AR-FL）和0.67μM（AR-V7）的DC 50。机制研究证实，BWA-522对AR-FL和AR-V7的降解可通过MG 132、MLN 4924或沙利度胺预处理阻断，表明泛素蛋白酶体系统和CRBN泛素连接酶对该化合物的功能至关重要。在体外，BWA-522对LNCaP、VCaP和恩杂鲁胺耐药22Rv1细胞的细胞生长表现出强效抑制活性。它还有效地导致AR靶向蛋白的下调并触发细胞凋亡。此外，口服20和60 mg/kg的BWA-522可有效抑制LNCaP异种移植肿瘤模型中的肿瘤生长。最后，初步药物样性质的体外评价表明，BWA-522在小鼠和人中具有良好的血浆和肝微粒体稳定性，对hERG抑制作用轻微。总之，BWA-522是一种有效的和口服生物可利用的AR-NTD的PROTAC降解剂，并且有可能成为AR-FL和AR-V7阳性肿瘤的药理学候选药物。  作者：向凤娇 校审：周金明 编辑：蔡江涛 时间：2024年11月17日 参考文献 Discovery of BWA-522, a First-in-Class and Orally Bioavailable PROTAC Degrader of the Androgen Receptor Targeting N-Terminal Domain for the Treatment of Prostate Cancer. J Med Chem. 2023, 66(16):11158-11186. 声明：发表/转载本文仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本公众号观点或证实其内容的真实性。据此内容作出的任何判断，后果自负。若有侵权，告知必删！ 长按关注本公众号  粉丝群/投稿/授权/广告等 请联系公众号助手 觉得本文好看，请点这里↓