最近，輝瑞新一代ALK/ROS1酪氨酸激酶抑制劑Lorlatinib被FDA授予突破性藥物資格。於是，Lorlatinib作為第三代ALK抑制劑進入大家的視野，也為病人帶來了新的希望。
當看到Lorlatinib的結構(圖1)，其大環結構對我來說成了一個謎，為什麼是一個大環結構呢?這種結構又是怎麼被發現的?Lorlatinib又為什麼會被定義為第三代ALK抑制劑?帶著這些疑問，我試圖為自己以及與我有著同樣疑惑的朋友解讀Lorlatinib的大環之謎。
圖 1
醫療需求，召喚第三代ALK抑制劑
填補尚未滿足的醫療需求是新藥研發的一個重要動力，也是衡量一個新藥上市後在商業上能否取得成功的重要評估指標。Lorlatinib正是為未滿足的醫療需求而生。Lorlatinib之所以被稱為第三代ALK抑制劑，還要從ALK抑制劑的發展說起。
間變性淋巴瘤激酶(Anaplastic Lymphoma Kinase，ALK)是一種受體酪氨酸激酶，與血液、間質和實體三大類型腫瘤相關。約3-7%非小細胞肺癌(NSCLC)患者體內腫瘤染色體EML4基因外顯子與ALK基因外顯子融合，形成EML4-ALK融合酪氨酸激酶，EML4-ALK融合變異體具有高度的致癌性，且ALK在多種腫瘤細胞中高表達。因此，ALK成為一個極具吸引力的癌症治療靶點。
輝瑞研發的第一代ALK抑制劑克唑替尼即是基於EML4-ALK靶點的發現應運而生。克唑替尼(Crizotinib)是一種ATP競爭性的多靶點蛋白激酶抑制劑，它可有效抑制MET/ALK/ROS的細胞生物活性，並分別在ALK、ROS或MET激酶活性異常的腫瘤患者中顯示出較高的臨床療效。克唑替尼是腫瘤藥物研發史上最快速的藥物之一，2011年在美國上市後引起轟動。美國FDA在2016年又批准克唑替尼(Crizotinib)可用於治療攜帶ROS-1基因突變的晚期(轉移性)非小細胞肺癌(NSCLC)患者。
克唑替尼徹底改變了攜帶ALK染色體重組的晚期非小細胞肺癌(NSCLC)患者的治療。不幸的是，大部分患者在治療後的12個月內對克唑替尼產生耐藥性，並發生獲得性耐藥突變，在發生中樞神經系統轉移的患者中的療效更是十分有限。這種情況催生了對克唑替尼耐藥的NSCLC的第二代ALK抑制劑的快速發展。最近幾年，已經不斷湧現出多個療效好、毒性低的第二代ALK抑制劑(圖 2)：Ceritinib、Alectinib、Brigatinib。然而，抗腫瘤領域激酶抑制劑的坎坷命運總是驚人的相似，那就是耐藥性的產生使其失去有效性。最初，幾個第二代ALK抑制劑對發生中樞神經系統轉移的克唑替尼耐藥的患者顯示了治療活性，不過頑固的腫瘤很快就對這些新抑制劑產生了耐藥性。
面對克唑替尼及第二代ALK抑制劑的耐藥，以及耐藥後的無藥可用，輝瑞的科學家們開始研發第三代ALK抑制劑，即可用於對克唑替尼及第二代ALK抑制劑耐藥的、發生中樞神經系統轉移的NSCLC患者仍有療效的藥物。輝瑞研發出的第三代ALK抑制劑即是Lorlatinib。
圖 2. 第二代ALK抑制劑
追本溯源，源起克唑替尼
當我們比對克唑替尼和Lorlatinib的化學結構時就會驚訝的發現，這兩個隔代相望的ALK抑制劑結構上竟然有著非常大的相似性(圖1)!為什麼結構與克唑替尼具有很大相似性的Lorlatinib會成為第三代ALK抑制劑呢?這還要從Lorlatinib發現說起。
若想達到克服克唑替尼的耐藥、提升藥效、增加腫瘤細胞內和腦內游離藥物濃度從而獲得更好靶向治療作用的目的，可以通過避免血腦屏障(BBB)和腫瘤細胞表面轉運體介導的藥物外排來增加中樞神經系統(CNS)內的藥物含量。那麼進一步提升克唑替尼的類藥性質就成為化合物改造的重要目標。應用基於結構的藥物設計策略和以親脂性效率(LipE，是優化過程中監測化合物的活性、物化性質和成藥性程度的一個指標，LipE=pKi (or pIC50) − logD)為重要優化指標，輝瑞科學家開始對克唑替尼進行結構改造，引入各種取代基團得到了一系列脂肪族類氨基吡啶和氨基吡嗪類ALK抑制劑。通過對A環和B環各種取代基團的引入(圖3)，發現了一個第二代ALK抑制劑類化合物PF-06439015。與克唑替尼相比，PF-06439015的活性得到大幅度提升，對野生型pALK 細胞抑制活性是克唑替尼的105倍，對突變型pALK-L1196M細胞的抑制活性是克唑替尼的128倍，並顯示出較強的體內活性，PF-06439015的LipE (5.3)也比較適宜，但遺憾的是PF-06439015容易被外排(BA/AB = 30.6/2.8，ratio 10.9)，腦內的游離藥物濃度就會比較低，無法用於腦轉移患者的治療，因此，PF-06439015未用於進一步開發。
圖 3. 從克唑替尼到Lorlatinibd的發現：
SBDD = Structure based drug design，BBB = Blood-brain barrier，LipE = lipophilic efficiency，ADME =Absorption，distribution，metabolism and excretion.
研究的脂肪類化合物不具備同時達到高活性(L1196M IC50<25nM)和低藥物外排率(BA/AB < 2.5)的特性，難以提升藥物在中樞神經系統(CNS)的有效性。因此，應用全新策略設計中性抑制劑成為一個新的研究方向。脂肪類化合物的研究提供了配體與蛋白相互作用的重要結構信息，如化合物A與ALK激酶的共晶結構所示(圖4)，化合物A的構象顯示出分子首尾靠近的U形結構，結合其它配體與激酶相互作用的重要信息，研究者開始研究大環類結構抑制劑。大環類化合物一定程度上可以保留分子量大小、保留較好LipE，並可以實現很好的構象限制。
圖4
研究者首先研究了含有醚鏈的12-14元環的大環結構化合物3(圖3)，但與脂肪族類化合物相比，化合物3脂溶性太高，活性也稍差，ADME和進入CNS的性能也存在問題。配體與蛋白的相互作用進一步指導設計在鄰近吡唑位置引入醯胺得到12元的醯胺類大環結構化合物4(圖3)，降低了脂溶性、提升了LipE。與克唑替尼相比，醯胺類大環結構的活性與成藥性都更加優異。因此，以醯胺類大環結構4為基礎，進一步降低化合物被外排的性質(即降低BA/AB)，提升腦內游離藥物濃度成為化合物結構優化的重要方向。經過一系列結構優化，最終得到了含有腈基吡唑結構的醯胺類大環化合物PF-06463922，即第三代ALK抑制劑Lorlatinib(圖3)。
Lorlatinib 的發現給予的提示
Lorlatinib的發現過程遠比在此呈現出來的複雜的多，它的發現也給我們進行新藥研發給予了一些提示：
①新藥研發的第一步是新藥研發方向的選擇，而好的新藥研發方向是由尚未滿足的醫療需求所主導的。
②啟動新藥研發項目首先必須確定明確的研發目標。正如研究第三代ALK抑制劑，輝瑞研究者所確定的研究目標就是發現能夠作用於CNS的高活性ALK抑制劑，可用於對克唑替尼及第二代ALK抑制劑耐藥的、發生中樞神經系統轉移的NSCLC患者仍有療效的藥物。
③為研發目標的化合物確定關鍵參數。正如研究第三代ALK抑制劑，LipE和分子量(MW)被確定為需要優化的關鍵參數。配體與大多數蛋白的相互作用都受到親脂性的影響。親脂效率(LipE = pKi(或pIC50) -log D)作為每單位親脂性的結合效力的數值指標，可被用於評估化合物優化的過程。旨在改善LipE的藥物設計能夠通過增加效能與親脂性的比例，實現ADME的優化和增加藥物安全性。而分子量多與滲透性呈現負相關，因此減小分子量對發現能夠進入CNS發揮作用的成藥性小分子至關重要。LipE和分子量(MW)這兩個參數的確定對第三代ALK抑制劑Lorlatinib的發現過程中化合物的優化起到重要的指導作用。
參考文獻
1.Johnson T W，Richardson P F，Bailey S，et al. Discovery of (10 R)-7-Amino-12-fluoro-2，10，16-trimethyl-15-oxo-10，15，16，17-tetrahydro-2H-8，4- (metheno) pyrazolo [4，3-h][2，5，11]-benzoxadiazacyclotetradecine-3-carbonitrile (PF-06463922)，a Macrocyclic Inhibitor of Anaplastic Lymphoma Kinase (ALK) andc-ros Oncogene 1 (ROS1) with Preclinical Brain Exposure and Broad-Spectrum Potency against ALK-Resistant Mutations[J]. Journal of medicinal chemistry，2014，57 (11): 4720-4744.
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