基于靶标结构及作用机制的新型抗HIV-1先导物的发现
发布时间：2017-12-30 23:21
本文关键词：基于靶标结构及作用机制的新型抗HIV-1先导物的发现 出处：《山东大学》2017年博士论文 论文类型：学位论文
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【摘要】：艾滋病,又称"获得性免疫缺陷综合征"(Acquired immune deficiency syndrome,AIDS),主要由 1 型人类免疫缺陷病毒(Human immunodeficiency virus type 1,HIV-1)感染引起。由于HIV-1病毒具有高度变异性,临床上将作用于HIV-1复制周期不同靶点的药物联合使用,称为"高效抗逆转录病毒疗法"(Highly active antiretroviral therapy,HAART),但临床治疗中频繁出现耐药毒株,大大降低了该疗法的疗效。逆转录酶(Reverse transcriptase,RT)在HIV-1的复制周期中发挥着至关重要的作用,使其成为抗艾滋病药物研发的优选靶点之一。根据作用机制不同,RT抑制剂主要可分为核苷(酸)类逆转录酶抑制剂(Nucleos(t)ide reverse transcriptase inhibitors,N(t)RTIs)和非核苷类逆转录酶抑制剂(Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors,NNRTIs)两类,均为 HAART 的重要组成部分。其中,新一代NNRTIs具有高活低毒、选择性强等优点,但临床治疗中出现的毒副作用、耐药毒株以及药代动力学性质不佳等问题限制了其应用。因此,研发作用于新结合位点和具有新结构类型的HIV-1 NNRTIs,以提高抗耐药性并优化药代动力学性质,依然是目前抗艾滋病药物研究领域的重要任务。由于RT结构的柔韧性、NNRTI结合口袋需要诱导产生、结合位点氨基酸极易发生突变等因素,使完全依赖RT结构发现全新骨架的NNRTI十分困难。但是不同结构类型的NNRTI具有类似的三维结构模型,其药效团元素具有特定空间排布,体现了活性分子的抽象特征。与此同时,随着结构生物学、X-晶体衍射技术的发展,一些具有抗耐药性NNRTI的作用模式得以阐明,它们的结构特征以及与靶点的作用模式为设计新一代NNRTI提供了极为有益的信息。在此背景下,根据NNRTI的结合模式及先导化合物的构效关系结论,综合运用结构生物学信息、药物化学基本原理及计算机辅助药物设计手段,并考虑影响NNRTI药效学的诸因素,进行基于结构(机制)的合理药物设计,是发现新一代非核苷类抗艾滋病药物的有效途径。本论文第二章以二芳基嘧啶(DAPY)类新一代HIV-1 NNRTI为先导化合物,在DAPY类经典的"三点药效团"模型指导下,进行了以下结构修饰:1)在DAPY类先导化合物位于可容纳区域I的右翼取代基结构部分,分别引入多种对水溶性和药代动力学性质有利的优势结构片段如吗啉和取代哌嗪等,以使抑制剂与NNIBP形成附加作用力,增强抑制剂与RT亲和力以提高其活性和抗耐药性,同时提高水溶性,改善药代动力学性质(Series IA);2)将吲哚芳砜(IAS)类化合物中优势的苯磺酰基片段引入到DAPY类化合物疏水性作用区,深入探讨DAPY类衍生物在此作用区域的构效关系(Series IB)。Series IA所有目标化合物表现出亚微摩尔到纳摩尔的抗病毒活性(ⅢB),介于0.20μM-0.0035 μM之间,优于上市药物3TC(EC50=6.41 μM)和NVP(EC50= 0.24 μ)。活性最好的是化合物IA-II3,其抗HIV-1 ⅢB活性(EC50= 0.0035 μM)远好于3TC和NVP,是AZT(EC50=0.011μM)的3倍,与先导ETR相同。IA-II3细胞毒性较低(CC50 ≥ 173μM),选择性指数SI超过48774。并且,IA-II3还对临床最常见的双突变株(K103N/Y181C)表现出亚微摩尔的抑制活性(EC50=0.79μM),优于NVP(15.0μM),与EFV处于相同数量级(EC50=0.24μM)。此外,IA-I6(IC50=0.042 μM)酶抑制活性最佳,比NVP(IC50= 0.595μM)高一个数量级,与先导物RPV处于相同数量级(IC50=0.022 μM)。IA-II3酶抑制活性也较好(IC50= 0.067 μM)。Series IB有9个目标化合物表现出中等抗HIV-1活性,EC50范围在1.48-48.9μM之间(SI = 2 to 80)。其中,IB-Ⅰ1和IB-II1的抗HIV-1 ⅢB活性最好(EC50=1.48μM 和EC50=1.61μM),远高于对照药 ddI(EC50 = 76.0 μM),与3TC相当(EC50= 2.54 μM),但弱于先导RS-80(EC50= 0.0026 μM)和RPV(EC50= 0.0013 μM)。水溶性测试表明,化合物IA-I6和IA-II3水溶性较先导物依曲韦林(ETR)大大提高,有望改善药代动力学性质。本章所合成的DAPY类衍生物活性结果表明,基于DAPY类先导物"三点药效团"模型,进一步探讨NNIBP中可容纳区域I的化学空间,增强抑制剂与RT作用力以保持和提高活性和抗耐药性,思路初步验证可行。引入优势水溶性结构片段使抑制剂溶解度大大提高,有望改善药代动力学性质。但对疏水性作用区的修饰则使活性大幅下降。本论文第三章以上述"三点药效团"模型为基础,在ETR中心环5,6位引入第四个药效团元素作用于可容纳区域Ⅱ,新构建DAPY类化合物"四点药效团"模型。该"四点药效团"模型具有"多位点结合"的作用特征,通过最大程度地占据结合口袋,可以有效增强DAPY类NNRTIs与RT的结合力,从而提高DAPY类化合物的活性和抗耐药性。基于新构建的"四点药效团"模型,我们设计了一系列具有"多位点结合"特征的以五元或六元并六元稠环为母核的DAPY类衍生物(Series IC)和N-取代的哌啶胺结构修饰的[1,2,4]三唑并[1,5-a]嘧啶类DAPY衍生物(Series ID)。体外抑酶活性结果显示,Series IC中有17个衍生物的抑酶活性在几十个纳摩尔级,在0.014μM-0.080μM之间,比NVP高出一个数量级(IC50 = 0.595 μM)。活性尤为突出的含桥头氮原子的吡咯并[2,1-f][1,2,4]三嗪类化合物IC-VI2(IC50 =0.014μM),是NVP的42.5倍,比先导物RPV略好(IC50=0.022μM),与先导物RDEA427相当(IC50=0.016μM)。细胞水平的抗病毒活性结果显示,Series ID化合物中,有12个衍生物的抗HIV-1野生毒株活性在8.1 nM-42nM之间,多个衍生物的选择性指数高于1000。其中,活性最为突出的ID-I4和ID-I9(EC50=8.1nM、8.7nM)的抗HIV-1野生毒株的活性远远好于上市药物ddI、3TC、NVP和DLV(EC50分别为23198 nM、2239 nM、312 nM 和540 nM),与AZT和EFV活性相当(EC50分别为7.1 nM和6.3 nM),与ETR处于相同数量级(EC50= 1.8nM)。并且,有3个化合物ID-I2、ID-I4和ID-I5对临床最常见的双突变毒株RES056(K103N/Y181C)表现出一定的抑制活性(EC50 分别为6.4μM、13μM和22μM),好于药物DLV(EC5036μM)。水溶性测试表明,化合物ID-I4水溶性较ETR大大提高,有望改善药代动力学性质。以上活性结果表明,基于新构建的DAPY类先导物"四点药效团"模型,通过"多位点结合",可以有效增强DAPY类NNRTIs与RT的结合力,从而提高DAPY类化合物的活性和抗耐药性,设计思路验证合理。此外,在可容纳区域I引入取代哌啶胺结构使化合物溶解度大大提高,有望改善药代动力学性质。IC-VI2和ID-I4可作为先导化合物进一步优化。本论文第四章选取临床候选药物二苯酮类NNRTI GW678248和对K103N/Y181C RT具有很好抑制活性的吡唑类NNRTI GA-40为先导化合物,运用分子杂合和生物电子等排原理,提取两个先导物中的优势片段进行组合,设计合成了一系列吡啶氧乙酰胺类HIV-1 NNRTIs。细胞水平的抗病毒活性结果显示,该类衍生物中仅有三个化合物IIA-I1、IIA-I8和IIA-I10表现出微摩尔级的HIV-1ⅢB抑制活性(EC50=41.5μM、10.8μM和8.18μM)。尽管活性与我们预期相差较大,但是初步的构效关系为进一步的修饰提供了有价值的信息。本论文第五章分别基于前药和孪药药物设计原理,设计合成了 DAPY类HIV-1 NNRTI候选药物RDEA427的磷酸酯前药RDEA427-PB和碳酸酯前药RDEA427-CIC 以及 HIV-1 NRTI 上市药物 AZT 与 HIVNCp7 抑制剂(SAMT-1b)通过二硫键连接的孪药分子Ⅲ-7。体外抑酶活性结果表明,RDEA427-PB和RDEA427-CIC对HIV-1 RT有一定的抑制活性,且活性相近(IC50= 0.239 μM,0.264 μM),均弱于原药 RDEA427(IC50=0.016μM)。RDEA427-PB 和RDEA427-CIC体外活性比原药RDEA427差一个数量级,初步验证了设计的合理性。RDEA427-CIC在人血浆中的半衰期大于2h,其在2h之内可以裂解释放出少量原药RDEA427。我们推测RDEA427-CIC可能在释放出羟甲基中间体后未继续裂解,或者可能存在其他代谢位点和途径。AZT-NCp7抑制剂孪药分子Ⅲ-7对HIV-1 RT有较微弱的抑制活性,IC50为128 μM。虽然Ⅲ-7对RT抑制活性较弱,但若进入感染细胞内,将在谷胱甘肽(GSH)介导下释放出两个原药,协同发挥抗HIV作用。Ⅲ-7酶抑制活性较弱也在一定程度上说明了通过二硫键形成的孪药分子设计的合理性。目前,本部分研究涉及的三个目标化合物细胞水平的抗HIV活性和RDEA427-PB血浆代谢稳定性以及孪药裂解机制的测试正在进行之中。本论文针对现有HIV-1NNRTIs的不足,根据靶点结构生物学新进展,综合运用药物化学原理及计算机辅助技术进行合理药物设计,共合成120余个全新结构目标化合物,经细胞水平和酶水平活性测试,发现多个抗HIV-1(RT)活性达到纳摩尔级活性的抑制剂,部分抑制剂对HIV-1 K103N/Y181C双突变株也有一定抑制作用。化合物IC-VI2对HIV-1 RT的抑制活性超过最新先导药物RPV,且母环结构新颖,具有重要开发价值。另有化合物IA-I6、IA-II3和ID-I4水溶性远远超过ETR,有望进一步改善生物利用度,且活性与先导相同或处于同一数量级,也具有深入修饰改造的潜力。
[Abstract]:Reverse transcriptase ( RT ) plays an important role in the replication cycle of HIV - 1 , which greatly reduces the therapeutic effect of HIV - 1 . The development of X - crystal diffraction ( NNRTI ) is a new generation of non - nucleoside anti - AIDS drugs . All of the target compounds of Series IA showed sub - micromolar to nanomolar antiviral activity ( 鈪 ) , between 0.20 渭M and 0.0035 渭M , superior to marketed drug 3TC ( EC50 = 6.41 渭M ) and ( EC50 = 0.24 渭 ) . The activity of IA - II3 was better than that of 3TC ( EC50 = 0 . 011 渭M ) . The activity of IA - II3 was 3 times higher than that of 3TC ( EC50 = 0 . 011 渭M ) , which was the same as the pilot ETR . The IA - II3 had a lower toxicity ( EC50 = 0.79 渭M ) than that of ETR . Furthermore , IA - II3 was of the same order of magnitude as EFV ( EC50 = 0.595 渭M ) , and was in the same order of magnitude as the pilot RPV ( IC50 = 0 . 022 渭M ) . The inhibition activity of IA - II3 was also good ( IC50 = 0.067 渭M ) . The series IB has 9 target compounds exhibiting moderate anti - HIV - 1 activity , EC50 ranges between 0.48 and 48.9 渭M ( SI = 2 to 80 ) . Among them , the anti - HIV - 1 鈪 activity of IB - 鈪，
本文编号：1356996
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