Pfizer IRAK4抑制剂：Zimlovisertib的关键结构修饰思路

2024-04-09

蛋白降解靶向嵌合体临床结果

结构-活性关系（SAR）的发展是药物化学研究开发小分子候选药物的基础。Stephen W. Wright等人介绍了 Zimlovisertib（PF-06650833）的发现，揭示了在发现 IRAK4 抑制剂 Zimlovisertib（PF-06650833）过程中遇到的三种结构-活性关系（SAR）的根本原因，通过新的数据和分析，解释了这些意外的SAR趋势。第一种是异喹啉醚取代基带来的非线性药效 SAR，第二种是氟取代内酰胺带来的药效增强，第三种是氟取代内酰胺对全合成 (2S,3S,4S) 立体化学的轻微药效偏好。结构-活性关系发现Zimlovisertib 是一种白细胞介素 1 受体相关激酶 4（IRAK4）抑制剂临床候选药物（图 1），在临床试验中已被证明能降低炎症标志物的水平。IRAK4 还能介导先天性免疫和适应性免疫之间的信号传导。图 1. Zimlovisertib （1）的结构如方案 1 和表 1 所示，可以简要概括 1 从片段筛选结果 2 演化而来的过程。根据药物化学和物理有机化学的既定原则，理解了大部分结构-活性关系。从片段筛选出的 2 到异喹啉内酰胺 3，这些原理使研究者能够改善该系列化合物在靶标参与（药效）以及吸收、分布、代谢和消除方面的整体状况。方案 1. 发现 1 的部分关键化合物表 1. 方案 1 所示化合物的酶和细胞检测效力不过，在发现化合物 3 之后，出现了三个与化合物效力有关的结构-活性关系发现，但研究者无法对其做出最终解释。这些发现是与起始的异丙基醚 3 和甲基醚 4 相比，乙基醚 6 的效力出乎意料地低（表 2）。这是计算工具无法预测的，也无法通过研究之前报道的 3 在 IRAK4 中的蛋白质-配体晶体结构得到合理解释。表 2. 异喹啉醚的效力依赖性内酰胺上的氟取代基增强了药效，而在内酰胺 3 位上的其他取代基上则没有观察到这一点。同样，这也不是通过计算工具预测的，IRAK4 中 5 和 1 的蛋白质配体晶体结构都没有提供结论性信息。表 3. 同内酰胺和反内酰胺 4-取代基对（2S,3S-甲基）衍生物药效的影响与（2S,3S,4R）异构体 7（表 4）相比，观察到全合成（2S,3S,4S）内酰胺立体化学 1 的药效略有提高，其中氟取代基与其他两个取代基相抗。在 (3S) 甲基内酰胺 8 和 9 中也观察到了这种现象（表 3），而这种现象是以前的 SAR 或计算所无法预测的。表 4. 氟取代对其他内酰胺类化合物的影响类似物的影响异喹啉醚取代基：意外的效力转折在Zimlovisertib的研发过程中，科学家们首次发现了异喹啉醚取代基对效力的非线性影响。原本预期随着醚取代基的减小，效力会呈现线性增长，然而乙基醚的效力却意外地低于预期。这一发现挑战了传统的SAR理论，促使研究者深入探究其背后的分子机制。通过晶体结构分析，科学家们揭示了乙基醚在IRAK4结合位点中的独特构象，这一构象导致了与关键氨基酸残基的不利相互作用，从而解释了其效力下降的原因。甲基醚4与人类IRAK4的复合物结构解释了异喹啉醚取代基与IRAK4的相互作用。图 2. 甲醚 4 与人 IRAK4 复合物的结构乙基醚6与人类IRAK4的复合物结构，特别是其不寻常的扭转角度，有助于我们理解其效力下降的原因。图 3. 乙醚 6 与人类 IRAK4 复合物的结构内酰胺上的氟取代：效力增强的秘密第二个关键发现是内酰胺上氟取代的引入显著增强了分子的效力。这一效应在其他取代基上并未观察到，引起了研究者的极大兴趣。通过对一系列氟化衍生物的分析，科学家们发现氟取代可能通过增加内酰胺氮原子的正电荷，从而增强其作为氢键供体的能力。这一点在化合物的13C和15N NMR化学位移中得到了体现，为药物设计中氟化策略的有效性提供了新的理论支持。在CCDC中观察到的乙基醚扭转角度的频率分布体现了氟取代对效力增强的影响。图 5. 在 CCDC 中观察到的乙醚扭转角的频率。纵坐标以千为单位比较非氟化和氟化衍生物（如acetanilide 15和2′-fluoroacetanilide 16）的13C NMR化学位移，解释了氟取代如何增强内酰胺的氢键供体能力。图 8：乙酰苯胺 15 和 2′-氟乙酰苯胺 16 的结构乙酰苯胺 15 和 2′-氟乙酰苯胺 16 的结构全合成立体化学的偏好：立体选择性的微妙平衡最后，研究者们注意到，在氟取代内酰胺中，全顺式（2S，3S，4S）立体化学的化合物相对于其（2S,3S,4R）异构体展现出轻微的效力偏好。这一观察结果在多个化合物对中得到了验证，表明这并非个别现象。通过对蛋白质-配体晶体结构的细致分析，科学家们揭示了这一立体化学偏好的分子基础：反式氟异构体可能会与溶剂分子占据的空间发生排斥相互作用，而顺式异构体则避免了这种不利的立体冲突。这解释了为何顺式异构体具有更好的效力。IRAK4与化合物1的晶体结构，特别是溶剂分子占据的空间和与反式氟异构体可能发生排斥相互作用的局部负电荷环境。图 9. 1 与 IRAK4 的晶体结构（PDB：5UIU）在从 3 到 1 的过程中，有三个以前无法解释的 SAR 特征被解决。首先，通过蛋白质配体晶体学发现，乙醚 6 与 IRAK4 结合时产生了意想不到的负扭转，而异丙醚 3 则弥补了这一不足。其次，从 13C 和 15N NMR、计算和文献研究中可以清楚地看出，氟取代基确实使 1 中的内酰胺成为比 5 中的未取代内酰胺更好的 H 键供体。第三，研究发现反氟异构体会进入一个总体带部分负电荷环境的口袋，从而与同氟异构体产生部分排斥作用。总结总之，IRAK4 抑制剂 1（PF-06650833）开发过程中的结构-活性关系现已完全明了。非线性、非相加或不可预测的结构-活性关系虽然在药物化学中经常遇到，但不应简单地将其视为现象，而应视为有益的学习机会，有助于成功开发出新的化学先导药物。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↓