文 | 劉sir
大環小分子藥物是近20年來藥物化學領域熱點，因為大環結構在提高藥理活性和選擇性，完善成藥性上效果顯著，並且兼顧了與靶標結合的微觀結構和藥代動力學所需求的宏觀性質。臨床上的大環小分子藥物大部分由12～20個原子構成的環肽或內酯，主要用於治療感染、炎性和腫瘤等疾病，有口服和注射等劑型。鏈狀肽環合成環狀肽後可增加藥物的穩定性和生物活性，且主要是人為設計合成；大環內酯多則主要是從天然產物中提取。
1、輝瑞的蘿拉替尼
克唑替尼是由輝瑞針對間變性淋巴瘤激酶研製的一類治療間變性淋巴瘤和非小細胞肺癌藥物，並於2011年上市。但是臨床上發現克唑替尼使用過程中出現嚴重的耐藥性，且腫瘤細胞常常出現腦轉移現象，這表明克唑替尼難以進入中樞神經。為了克服耐藥性和能夠透過血腦屏障，輝瑞通過結構生物學分析發現，耐受克唑替尼患者的ALK激酶顯示L1196M、G1269A 和G1202R等胺基酸殘基的多位點突變或插入，這些胺基酸是與克唑替尼接觸的殘基；又對ALK空蛋白與ALK-克唑替尼複合物的晶體結構進行比較分析發現，克唑替尼的2-位氯原子與G1269骨架的羰基過於靠近(3.0 Å)，位阻效應迫使羰基扭轉了30°，因而支付了構象熵的耗能，預示2-氯對結合是不利的因素。
故以克唑替尼為起始物，去除2-氯原子發現活性變強，2位用其他取代基替換仍有活性；另外晶體結構顯示，化合物都呈「U」形結構，提示頭端的氟苯基與尾端的雜環在空間是接近的，從而設計合成了環狀的蘿拉替尼。成環後分子中的單鍵轉動也受到限制，從而可彌補簡化結構損失的結合能，也有利於穿越血腦屏障進入腦中，2018年蘿拉替尼獲批上市。
2、勃林格殷格翰的BI-4020
表皮生長因子受體（EGFR）若胺基酸殘基Ile19缺失或Leu858突變，都會導致腫瘤細胞增殖，尤其是肺癌。雖然上市的EGFR激酶抑制劑有多種，但是患者用藥兩年後，肺癌復發率較高，主要是由於EGFR變異導致耐藥所致。
為了尋找有初步選擇性的先導化合物，研究者用突變的EGFR和野生型EGFR蛋白對化合物進行活性篩選，結果顯示，衍生物1對突變型EGFR有較好的抑制活性（IC50=250 nmol/L～2100 nmol/L），而對野生型EGFR或其他激酶未見抑制活性。
去掉化合物的苯環F原子，酶學和細胞活性並未受到影響；將末端換成了苯基，活性不變，但選擇性更高；共晶結構表明，末端苯環與羥異丁基靠近是活性構象，從而將其環合。分子模擬顯示，引入烷基，與酶結合力增強，進一步優化得到BI-4020。
3、強生的伐尼瑞韋
治療丙型病毒性肝炎的重要靶標是蛋白酶NS3，其功能是裂解結構性蛋白使成熟化，裂解產物對NS3呈現抑制作用。
裂解的連接位點NS5A/5BN端生成的產物六肽2對NS3具有較強的抑制活性，以此為起始物，研製抗C肝類藥物。在結構和計算生物學指引下，經構效關係研究發現，減少一個肽鍵，N端氨基乙醯化，變換C端為環丙叉甘氨酸和脯氨酸萘甲氧基化得2a；繼之，為了提高親脂性，將脯氨酸母核變換成環戊二酸，異丙基變成叔丁基，萘環修飾成取代的喹啉片段和環丙基的乙烯得2b；P3片段簡化成環戊脲基成2c；再將2c環戊基與C端的乙烯基融合連接成大環化合物2d，同時在環丙基處引入磺醯氨基團，胺基同時連接磺醯基和羰基，兩邊拉電子使N-H有弱酸性，模擬了原來C端的羧基，並調整了化合物的極性，用作鈉鹽；隨後再修飾喹啉環，得到高活性和選擇性的NS3蛋白酶抑制劑得抗C肝藥西咪匹韋。
4、BMS的FXIa抑制劑
凝血是個生化級聯反應，其中一個酶促環節是FXIa因子催化，是胰蛋白酶樣的絲氨酸蛋白酶，在凝血酶生成的放大過程起關鍵作用，因而對血栓的發生和成熟至關重要。血液中高水平的FXIa有發生心肌梗死和深靜脈血栓的危險，而FXIa低表達引起出血傾向較小，因此，FXIa抑制劑應是出血風險低的抗血栓藥物。BMS公司研究發現，開鏈分子3對FXIa具有較好的抑制活性，以此為先導物，進一步優化活性、藥代和物化性質。共晶結構顯示，3的高活性是由於多個雜原子參與了同FXIa酶活性中心的結合，兩個苯環空間相隔較近，可作為形成大環的位點。
用亞烷基或氧亞烷基（X=O）連接成12和13元環（n=1, 2），咪唑環的R可為H或Cl，所有合成的化合物活性都低於開鏈的先導物3。在大環中引入雙鍵，化合物3a抑酶活性和抗凝血作用顯著提高；咪唑環引入氯原子，化合物3b的Ki值達到最小，不過抗凝活性未見提高。
5、其他
環肽藥物可有不同的結構類型，完全由胺基酸組成的環肽，可以是N-端與C-端首尾相連的環肽，例如環孢菌素A是由11個胺基酸首尾經肽鍵相連而形成最大的環，由於多為N-甲基胺基酸，對蛋白酶比較穩定，是少有的可口服環肽。環孢菌素A用作器官移植的排異藥物，然而不良反應較大，改構的voclosporin只變換一個胺基酸側鏈。三期臨床表明voclosporin的不良反應顯著低於環孢菌素A，而且對狼瘡性腎炎有顯著療效。
30年前，研究肽類化合物大都是聚焦於非肽化和肽模擬物，隨著對許多蛋白的非可藥性和蛋白-蛋白相互作用的深入認識，以及肽化學和生物藥劑學的發展，直接研製肽類藥物已經成為重要領域，其中釘固肽就是近20 年來發展的平臺技術。
在幹預MDM2-p53蛋白-蛋白相互作用基礎上，有研究者合成了p5314-29, α-螺旋片段的烴釘固肽，設計烴基釘固的位置避開與MDM2結合位點，烴環跨越為i, i+7，經圓二色譜研究，合成的8個肽中有的可穩定α-螺旋構象，其中化合物4與沒有烴基釘固的肽比較，與MDM2結合的α-螺旋構象佔85%，活性Kd =55 nmol·L-1，而未釘固化的活性構象只有11%，活性提高了7倍。此外，由於釘固化也提高穿越細胞膜的能力，保護了天然p53的作用，癌細胞呈現凋亡作用。
第一個進入臨床研究的釘固肽是ALRN-6924，目前在二期階段，是p53-MDM2和p53-MDMX的雙重抑制劑，通過噬菌體展示發現的活性多肽，經第i, i+7的烴基釘固而成的。對MDM2 和MDMX 結合力Ki分別為0.9 和6.8nmol·L-1。由於阻斷了MDM2對p53的結合，促進了癌細胞的凋亡。
6、小結
有機合成反應的進步得以在溫和條件下發生C-C鍵偶聯，形成大環結構，是研究大環藥物的技術支撐。結構生物學、分子模擬和計算化學則指導大環的設計，從微觀結構上設計大環的維持、尺寸和元素組成，從而開闢了藥物創製的新領域，為研發可藥性差的靶標和幹預蛋白-蛋白相互作用的藥物擴大了化學空間，釘固肽作為另類大環分子，雖然仍有許多技術問題尚待解決，迄今尚無成功的釘固肽上市，但有潛在的發展優勢，是肽類藥物新的生長點，尤其在作用於細胞因子和信號傳導的蛋白-蛋白相互作用中扮演重要的角色。
參考文獻
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