药渡Cyber解析Kronos Bio开发的CDK9抑制剂KB-0742分子设计和优化过程

2024-02-09

临床1期信使RNA

感谢关注转发，欢迎学术交流请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程转录失调是许多癌症的一种标志，MYC癌 MYC癌基因家族的基因组扩增就是证据之一，至少20%的成人实体瘤发生过这种情况。靶向转录辅助因子和转录细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK9）已经成为一种阻止转录活性失调（包括致癌MYC）的治疗策略。Kronos Bio公司经过小分子微阵列筛选到苗头化合物1，通过多轮分子优化评估化合物的CDK9选择性，提高靶向效力及整体的物理化学性质和药代动力学特征等相关指标，得到有效、选择性高、可口服的CDK9抑制剂28（KB-0742）。化合物28在小鼠异种移植模型中表现出体内抗肿瘤活性，根据PK曲线实验结果有望成为有效的口服药物。目前正在对复发或难治性实体瘤或非霍奇金淋巴瘤患者开展I/II期剂量递增和队列研究临床试验（NCT04718675）。本篇文章主要介绍了KB-0742发现和分子优化过程，可为类似项目结构优化提供宝贵经验。图1. KB-0742发现和分子优化过程细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）是丝氨酸/苏氨酸激酶家族，和细胞周期蛋白（cyclin）协同发挥作用。CDKs按生理功能分为两类，负责细胞周期进程（CDK1、2、4、6）和细胞转录调节（CDK7、8、9、12、13）。细胞周期蛋白依赖性激酶9（CDK9）属于丝氨酸类激酶，主要在转录延伸的调控中发挥作用，而不影响细胞周期过程。CDK9/cyclin异二聚体作为一种正性转录延伸因子b（p-TEFb）中的重要催化亚基，转录调节CDKs。CDK9抑制剂可通过降解、抑制CDK9来阻断p-TEFb对RNA聚合酶II羧基末端区域的Ser2磷酸化，抑制转录，迅速降解mRNA水平，从而引起肿瘤细胞凋亡，使CDK9成为一个有吸引力的靶点。目前进入临床阶段的集中CDK9抑制剂包括atuveciclib、VIP152、AZD4573、PRT2527和GFH009，这些化合物都需要静脉注射给药。Kronos Bio使用公司内部的小分子微阵列（SMM）平台，筛选了在细胞裂解环境中与转录复合物结合的小分子库，发现化合物1（KI-Arv03）表现出优异的激酶组和CDK亚型选择性，通过多轮分子结构优化，发现有效、高选择性、可口服的CDK9抑制剂28（KB-0742）。化合物28在多种小鼠异种移植模型中表现出体内抗肿瘤活性，尤其是侵袭性MYC驱动的TNBC。经动力学实验研究发现，Kronos Bio公司筛选获得的苗头化合物1与CDK9的ATP竞争。同时，CDK9/cyclinT1共晶结构（PDB:3MY1）也证明化合物1在ATP竞争结合位点的催化裂缝隙中并以type I型与蛋白结合（如Fig1所示）。因此，公司利用基于结构的药物设计方法进一步增强对ATP竞争性结合位点的结合活性。从晶体结构中分析，该化合物吡唑并[1,5-a]嘧啶-7-胺母核与铰链Cys106（NH和C=O）形成氢键作用。母核与铰链结合后末端伯胺指向溶剂暴露区的Glu107和Asp109的主链羰基和Asp109的侧链形成氢键作用或离子键。吡唑并嘧啶的5-丙基与Leu156侧链形成疏水作用。经结合模式分析，Kronos Bio公司假定化合物1的三个关键区域，即C-3（R3）、C-5（R1）和C-7（R2）位置进行分子优化。首先R1固定为异丙基，重点研究ATP竞争结合位点R2基团的空间要求，特别是化合物与Asp109和Glu107的相互作用（如表1所示）。将1的氨基环戊烷收缩为环丁烷（化合物2）维持CDK9/cyclin T1结合活性。氨基氮杂环丁烷类似物3结合活性降低5倍。甲基化氮杂环丁烷（化合物4）失去了与Glu107氢键作用，且暴露于溶剂区引入疏水作用，降低结合活性。氮杂环丁烷（5）与氮杂环丁烷（3）表现出相似的效力。羟基环丁烷（6）IC50为183nM，恢复部分结合活性。羟基烷基化（如化合物7）对结合活性没有明显影响。而氨基替代羟基，如化合物8结合活性明显增强（IC50达到25nM），推测化合物8与Asp109和Glu107形成更强的氢键作用。化合物8经CDK激酶谱筛选，显示出对CDK4和CDK7的活性，对CDK9的选择性分别为195倍和360倍。吡唑并嘧啶（9）3位氯原子取代对CDK9（IC50为12nM）更有效，但失去了选择性，特别是对CDK4，选择性倍数从195倍下降到18倍。单甲基取代10与化合物8相比失去效力，这说明在Asp109和Glu107之间需要两个能够形成氢键的氢原子。改变R2中与Asp109和Glu107形成氢键的距离和电子要求会产生混合效应。将氢键供体/氢键受体基团进一步向具有羟基亚甲基的溶剂区延伸，如化合物11，近似于其非亚甲基类似物6。相比于单甲基化胺10，乙酰胺12和酰胺13几乎没有变化，这表明仅以电子效应改变氮上的氢键受体能力对效力影响不大。甲基磺酰胺17进一步验证了这一想法，该类似物结合活性仅有微小改变和类似的选择性特征。然而，甲基脲14结合活性增加至46nM，并且CDK选择性提高。认为两个尿素N-H基团都可以与Asp109有效结合形成氢键。使用氰基胍15也可以看到类似结果，与其它测试的CDKs相比，选择性均≥32倍。苯胺16与氰基胍和脲具有同等效力，但对CDK2的选择性较低。接下来，Kronos Bio公司研究五元环对结合活性的影响，从3-氨基吡咯烷18和19开始，R-对映异构体的效力比S-构型强大约6倍。回到二氨基环戊烷系列，正如最初筛选得到的化合物1类似结果，发现（S, S）构型（20）非常有效，可与二氨基环丁烷化合物8相媲美。母核3位氯取代类似物21的IC50为4nM，但失去了选择性，特别是针对CDK3、4和7。五元环系列的甲基脲变体（24）与四元环（14）具有相似的效力，对CDK9与其它测试的CDK激酶的选择性≥31倍。羟基化氨基环戊烷25比其环丁烷类似物6更有效，但未能表现出比二氨基环丁烷（8）或二氨基环戊烷（20）更优。与环丁烷8和环丁烷20相比，二氨基环己烷26的效力降低，这意味着类似物结合的环最好为四元环和五元环。根据优化结果，可以确定任何与Asp109和Glu107相互作用的R2取代都会改善吡唑并[1,5-a]嘧啶-7-胺母核的铰链结合，增加结合活性。仅结合一个氨基酸残基（尤其是Asp109）的R2取代基结合活性降低，可能是由于母核与铰链残基Cys106的相互作用较弱或较短暂。在评估R2不同片段后，发现（S, S）-二氨基环戊烷系列最佳。接下来评估吡唑并嘧啶母核5位不同R1取代基团（如表2所示）。根据晶体结构分析，这些片段将指向由Leu156侧链，与CDK9/cyclin T1蛋白形成疏水作用。公司采用最小药效基团方法并逐渐扩大化合物20的异丙基。首先测试了单甲基延伸，2-丁基化合物27增强效力，IC50为10nM。3-戊基28结合活性进一步增强达到6nM。CDK激酶组筛选证明与其他CDK激酶相比，该化合物对CDK9具有≥66倍的选择性。3-氯取代化合物29并未表现出针对CDK9显著改善活性。接下来，评估芳基R1基团，发现邻位取代，尤其是较小的基团，如甲基（32）可以维持与化合物28相似的效力和整体选择性。氟化甲基化合物33对CDK9的结合活性IC50为9 nM，并且表现高选择性，对CDK9的选择性是其他测试CDK激酶的233倍以上。与氟化物33相比，改用氯取代（34）保持CDK9效力，但丧失了对CDK4和CDK7的选择性。鉴于CDK9效力和CDK亚型选择性，选择基于化合物28进一步优化。二氨基环戊烷立体化学要求如表3所示进行评估，显示（S, S）构型是最有效的构型。然后对每种异构体进行选择性分析。表4说明了测试的CDKs中化合物28的选择性，具体如表4所示。Kronos Bio公司将四种异构体对接到CDK9的ATP竞争性结合口袋中，其中（S,S）构型在能量上最受青睐（如Fig2所示）。化合物28与CDK9/cyclin T1的共晶结构（PDB:8K5R）证实了配体结合如模型预测一样（如Fig3所示）。化合物28的氨基-吡唑并嘧啶母核与ATP竞争性结合口袋的铰链区Cys106结合，二氨基环戊烷的末端胺与Asp109形成氢键相互作用。3-戊基指向由Leu156侧链形成的疏水作用。化合物28在631种激酶（375种野生型、232种突变型和24种非典型激酶）的激酶组中筛选发现，与SMM筛选得到的化合物1相比，化合物28保留了选择性，对CDK9/cyclin T1显示出更强的效力，对所有分析的CDKs选择性超过66倍，对CDK1、3、4的选择性超过100倍。使用TNBC细胞培养模型，利用荧光标记抗体和高内涵荧光成像来测量细胞增殖和凋亡，对化合物28的细胞活性进行体外评估。发现化合物28可抑制细胞生长，在测试的TNBC细胞系中显示出细胞抑制（GI50值范围为530nM至1μM）和细胞毒性（IC50值范围为600nM至1.2μM）。值得注意的是，化合物28在5个测试细胞系中的4个中有效诱导细胞凋亡（如表5所示）。此外评估了化合物28的化学性质和ADME性质（如表6所示）。该化合物在2、10和50μM浓度的Caco-2测定中表现良好的渗透性，流出比范围1.48至1.85。对CYP450酶的抑制表明均不抑制。化合物28在小鼠、大鼠、犬和人微粒体中表现出低的体内清除率。在肝细胞中表现出低至中等的清除率，导致这些测定的t1/2≥2小时。在小鼠和人血浆蛋白测定中表现出高游离分数，并且在所有测试物种的血浆中稳定性超过360分钟。与其良好的理化和体外ADME特征一致，化合物28在小鼠、大鼠和犬中表现出良好的总体PK特性（如表7所示）。静脉给药后的血浆T1/2，小鼠为1.2h，大鼠未2.4h，犬为4.7h。在所有临床前物种中，相对于肝血流量，血浆清除率低至中等。表观稳态分布容积（Vd, ss）在不同物种之间略有差异，范围从小鼠的3.9L/kg到大鼠的7.3 L/kg。化合物28表现出可口服。结合体内外推法和异速生长方法来预测人体PK参数。基于70kg体重，平均预测人血浆清除率（CL）和Vd, ss分别为2.0mL/min/kg和6.0L/kg假设单室药代动力学，估计终末半衰期为35小时（半衰期=[ln 2]×Vss/CL）。来自非临床物种的预测人口服生物利用度为75%。当在临床中探索剂量递增至药理学活性剂量时，预计的长血浆半衰期应使化合物28能够实现持续暴露，同时避免出现高峰 (Cmax) 浓度（如Fig4所示）。接下来评估化合物28在MYC扩增的TNBC患者来源的异种移植模型（PDX）中对体内肿瘤生长的药效（PD）影响。为了评估化合物28的靶向PD，检测了MYC水平和RNA聚合酶II Ser2磷酸化水平作为异种移植肿瘤样本中CDK9活性的下游指标。化合物28终末剂量2小时后，MYC和pSER2均显著降低，而化合物28的血浆浓度仍然很高（如Fig5所示）。携带已建立的皮下PDX肿瘤无胸腺Nude-Foxn1nu小鼠接受对照、标准化疗药物或化合物28治疗。在所有模型中均观察到化合物28的肿瘤生长抑制，其中两种CTG-1017和CTG-0437模型的化合物28肿瘤生长抑制与SOC相比，靶向PD效果与显著的体内抗肿瘤效果相对应（如Fig6所示）。从发现苗头化合物1开始，使用基于结构的药物设计方法对SMM筛选命中的优化，从而发现了临床候选物28 (KB-0742)，这是一种有效的、选择性的、可口服的CDK9抑制剂。化合物28在TNBC小鼠异种移植模型中表现出体内抗肿瘤活性。在体外，化合物28以浓度依赖性方式降低肿瘤裂解物中的 MYC和pSER2，并在降低这些PD标志物水平的相同剂量下显着抑制体内肿瘤生长。此外，化合物28的aPK曲线预测人体持续暴露有利于临床上有效的口服给药。目前化合物28已经开展针对复发性或难治性实体瘤或非霍奇金淋巴瘤患者的I/II期剂量递增和扩展临床试验（NCT04718675）。文章来源10.1021/acs.jmedchem.3c01233请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程1.药渡CyberSAR结合药物设计思想，挖掘了文献及专利报道的活性的结构，通过CyberSAR以方便快速获得研发人员兴趣靶向结构，以供开拓思路，就CDK9抑制剂举例如下：2.在靶点界面选中“化学空间”选项标签下级联“聚类结构视图”选项卡，可以将CyberSAR平台收录的文献和专利具有关于CDK9/cyclin T1相关实验测试活性的分子以“母核结构聚类 “的形式展示。其中绿色字体高亮的”为文献报道的体外酶、细胞活性测试实验中IC50<100nM的活性分子结构、具体实验、实验结果及实验来源。3.在靶点界面选中“化学空间”选项标签下级联“原始结构视图”选项卡，可以将CyberSAR平台收录的文献具有关于CDK9/cyclin1相关实验测试活性的分子以“研发阶段时光轴“的形式展示。其中绿色字体高亮的”数据挖掘“即为潜力Hit。登录方式CyberSAR在电脑浏览器端登录网址：https://data.pharmacodia.com/cybersar/，欢迎猛烈试用。请点击此处链接观看CyberSAR系统详细使用教程如需进一步沟通，请扫码添加微信联系药渡赵博士或药渡CyberSAR沟通群。