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首个口服FXa抑制剂——利伐沙班是如何设计的?

时间:2018-08-08    作者:联创生物医药信息部

作者: 道拓

卒中、心肌梗死、深静脉血栓塞 (DVT)及相关并发症等心脑血管疾病已成为影响公众健康的主要杀手之一 。在美国,每年约有20万血管栓塞的新增病例;西欧则有超过100万人患病,有37万人死于血管栓塞及其相关疾病。该病的发病率也与年龄相关,在30-49岁,血管栓塞的发病率为每千人中2人发病,但在70-79岁之间则达到了每千人中20人发病。

在出现之前,临床经常使用的抗凝药物为维生素K类抗凝剂及肝素,但它们均存在局限性,开发强效、稳定、耐受性好的的新型口服小分子抗凝药是研究的热点。而活化因子FXa (Factor Xa)受到了人们的关注,它是一种丝氨酸蛋白酶,可将原转化为,是一个极具价值的抗凝作用靶点,它在内源性和外源性两条凝血途径的会聚点发挥作用,处于内源或外源通路的中心位置,现已成为开发新一代抗凝药物的主要靶点。FXa抑制剂则可阻止的突增,减少凝血酶诱导的凝血和血小板的激活,且无传统抗凝剂所具有的局限性 。

FXa抑制剂的发现与设计

在1987年,第一个FXa抑制剂——Antistasin,在墨西哥水蛭中分离出来。1990年,又有人在蜱虫中分离出蜱虫抗凝多肽(TAP)。与Antistasin类似,TAP也是FXa的强效抑制剂,凝血实验表明,FXa在体外能够活化凝血酶原促使形成凝集,FXa抑制剂具有很强的抗凝血作用,并且治疗窗口较宽,具有成为新一代抗凝药物的潜力。

1998年,拜耳公司组建研发团队开始着手小分子FXa抑制剂的研究,经过对200000种化合物的高通量筛选,得到苗头化合物1——通过组合化学库得到的含有磷酸盐基团的小分子化合物,它的IC50 值为70nM。将其中的磷酸盐基团由脒基替换,形成苗头化合物2,它的IC50 值为120nM。


苗头化合物1与2的化学结构式

为了降低脒基的碱性和离解性,变换成弱碱性或中性基团,使其有利于吸收,增加化合物活性,研发人员合成了异吲哚啉类化合物3与4,它们的IC50值分别为2nM与8nM。虽然它们的IC50值足够小,但是生物利用度也是很低,这就极大阻碍了化合物药效的发挥。


化合物3与4的化学结构式


故而,在此基础上又合成了活性稍低的化合物5,该化合物的IC50 值为48 nM,在大鼠实验中,测得其口服生物利用度为38%。虽然生物利用度提高了,但是整体效果仍然不理想。


化合物5化学结构式

合成了诸多化合物都未达到理想状态,研发人员不得不重新考虑一味地寻找活性高的化合物这一思路是否正确。为了验证化合物基团的重要性,他们总结得出苯脒基并不是必要的,化合物3,4,5均没有这一基团。利用构效关系得出,这些化合物右边的氯噻吩甲酰胺基则是非常重要的。于是,他们重新关注那些活性低的化合物,以期发现有用的化合物。

在二次筛查后,他们发现了两个恶唑烷酮类化合物6与7。其中化合物6是很弱的FXa抑制剂,其IC50值为20000nM。7与6的不同在于7化合物中的噻吩上的氢原子被氯原子取代,这样,它的IC50值提高了200多倍,为90nM。虽然它们的活性不高,但是这类化合物有很好的生物利用度。通过这两个例子可以说明:噁唑烷酮片段对整个化合物的影响是有利的,因为它提高了化合物的溶解性与生物利用度;噻吩环的氯代对提高化合物的生物活性也很重要。于是,研发人员将化合物7作为先导化合物进行进一步地优化。


化合物6与7化学结构式

用吗啉环置换硫代吗啉环, 化合物8活性提高近2倍, IC50为32nM;用四氢吡咯替换, 化合物9的IC50为40nM。虽然化合物8没有最强的活性,但它展示了最完美的药物动力学结果,口服生物利用度高达94%。


化合物8与9化学结构式

 在吗啉环与四氢吡咯中引入羰基,得到化合物10与11。引入羰基之后,化合物活性明显提高,生物利用度降低的也不多。化合物10与11的IC50 值分别为4nM与0.7nM;它们的口服生物利用度分别为65%与60%。但是在大鼠的体内实验在,化合物10的活性却变低了,而化合物11无论在体内还是在体外实验均表现出良好的活性。且11的R对映体的 IC50 = 2300nM,证明S构型是最佳构型。因此,最终的候选化合物为11,这也是后来的首个口服FXa抑制剂——(rivaroxaban)。该药在2008年9月在欧盟和加拿大上市,2011年7月由美国FDA批准上市。


化合物10与11化学结构式

与FXa的构效关系

为了理解验证利伐沙班与FXa的相互作用,X射线衍射提供了很大的帮助,它有助于帮助解决利伐沙班与FXa的构效关系问题。


利伐沙班与FXa的X衍射结构图

如上图所示,在晶体结构中,利伐沙班与Gly219 形成两个重要的氢键,恶唑烷酮的羰基与Gly219形成强氢键结合 (2。0Å),氯代噻吩环上酰胺的 NH 与 Gly219形成弱氢键结合 (3。3Å)。这两个氢键支持着恶唑烷酮进入FXa的S1与S4口袋,这就导致了S 构型的恶唑烷酮采取了 L-形状的构象。

FXa中的Tyr99,Phe174 与Trp215组成包含S4的狭窄疏水口袋,利伐沙班的吗啉酮部分正好“夹在”Tyr99和Phe174之间,而其芳基环取向垂直地延伸穿过Trp215的表面。吗啉酮羰基和FXa 没有直接相互作用关系,只是有助于吗啉酮的平面化,使得吗啉酮部分更好地进入口袋。

氯代噻吩环结合于 S1 腔,氯原子与 Tyr228 的苯环发生卤素-π 电子的相互作用,与 Asp189 在S1 腔中形成的静电相互作用。这显然增加利伐沙班的活性与生物利用度。

参考资料:

1。The discovery and development of rivaroxaban,an oral, direct factor Xa inhibitor。

2.The discovery and development of rivaroxaban.

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