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首個口服FXa抑制劑——利伐沙班是如何設計的?

時間:2018-08-08    作者:聯創生物醫藥信息部

作者: 道拓

卒中、心肌梗死、深靜脈血栓塞 (DVT)及相關並發症等心腦血管疾病已成爲影響公衆健康的主要殺手之一 。在美國,每年約有20萬血管栓塞的新增病例;西歐則有超過100萬人患病,有37萬人死于血管栓塞及其相關疾病。該病的發病率也與年齡相關,在30-49歲,血管栓塞的發病率爲每千人中2人發病,但在70-79歲之間則達到了每千人中20人發病。

在利伐沙班出現之前,臨床經常使用的抗凝藥物爲維生素K類抗凝劑及肝素,但它們均存在局限性,開發強效、穩定、耐受性好的的新型口服小分子抗凝藥是研究的熱點。而活化因子FXa (Factor Xa)受到了人們的關注,它是一種絲氨酸蛋白酶,可將凝血酶原轉化爲凝血酶,是一個極具價值的抗凝作用靶點,它在內源性和外源性兩條凝血途徑的會聚點發揮作用,處于內源或外源通路的中心位置,現已成爲開發新一代抗凝藥物的主要靶點。FXa抑制劑則可阻止凝血酶的突增,減少凝血酶誘導的凝血和血小板的激活,且無傳統抗凝劑所具有的局限性 。

FXa抑制劑的發現與設計

在1987年,第一個FXa抑制劑——Antistasin,在墨西哥水蛭中分離出來。1990年,又有人在蜱蟲中分離出蜱蟲抗凝多肽(TAP)。與Antistasin類似,TAP也是FXa的強效抑制劑,凝血實驗表明,FXa在體外能夠活化凝血酶原促使形成凝集,FXa抑制劑具有很強的抗凝血作用,並且治療窗口較寬,具有成爲新一代抗凝藥物的潛力。

1998年,拜耳公司組建研發團隊開始著手小分子FXa抑制劑的研究,經過對200000種化合物的高通量篩選,得到苗頭化合物1——通過組合化學庫得到的含有磷酸鹽基團的小分子化合物,它的IC50 值爲70nM。將其中的磷酸鹽基團由脒基替換,形成苗頭化合物2,它的IC50 值爲120nM。


苗頭化合物1與2的化學結構式

爲了降低脒基的堿性和離解性,變換成弱堿性或中性基團,使其有利于吸收,增加化合物活性,研發人員合成了異吲哚啉類化合物3與4,它們的IC50值分別爲2nM與8nM。雖然它們的IC50值足夠小,但是生物利用度也是很低,這就極大阻礙了化合物藥效的發揮。


化合物3與4的化學結構式


故而,在此基礎上又合成了活性稍低的化合物5,該化合物的IC50 值爲48 nM,在大鼠實驗中,測得其口服生物利用度爲38%。雖然生物利用度提高了,但是整體效果仍然不理想。


化合物5化學結構式

合成了諸多化合物都未達到理想狀態,研發人員不得不重新考慮一味地尋找活性高的化合物這一思路是否正確。爲了驗證化合物基團的重要性,他們總結得出苯脒基並不是必要的,化合物3,4,5均沒有這一基團。利用構效關系得出,這些化合物右邊的氯噻吩甲酰胺基則是非常重要的。于是,他們重新關注那些活性低的化合物,以期發現有用的化合物。

在二次篩查後,他們發現了兩個惡唑烷酮類化合物6與7。其中化合物6是很弱的FXa抑制劑,其IC50值爲20000nM。7與6的不同在于7化合物中的噻吩上的氫原子被氯原子取代,這樣,它的IC50值提高了200多倍,爲90nM。雖然它們的活性不高,但是這類化合物有很好的生物利用度。通過這兩個例子可以說明:噁唑烷酮片段對整個化合物的影響是有利的,因爲它提高了化合物的溶解性與生物利用度;噻吩環的氯代對提高化合物的生物活性也很重要。于是,研發人員將化合物7作爲先導化合物進行進一步地優化。


化合物6與7化學結構式

用嗎啉環置換硫代嗎啉環, 化合物8活性提高近2倍, IC50爲32nM;用四氫吡咯替換, 化合物9的IC50爲40nM。雖然化合物8沒有最強的活性,但它展示了最完美的藥物動力學結果,口服生物利用度高達94%。


化合物8與9化學結構式

 在嗎啉環與四氫吡咯中引入羰基,得到化合物10與11。引入羰基之後,化合物活性明顯提高,生物利用度降低的也不多。化合物10與11的IC50 值分別爲4nM與0.7nM;它們的口服生物利用度分別爲65%與60%。但是在大鼠的體內實驗在,化合物10的活性卻變低了,而化合物11無論在體內還是在體外實驗均表現出良好的活性。且11的R對映體的 IC50 = 2300nM,證明S構型是最佳構型。因此,最終的候選化合物爲11,這也是後來的首個口服FXa抑制劑——利伐沙班(rivaroxaban)。該藥在2008年9月在歐盟和加拿大上市,2011年7月由美國FDA批准上市。


化合物10與11化學結構式

利伐沙班與FXa的構效關系

爲了理解驗證利伐沙班與FXa的相互作用,X射線衍射提供了很大的幫助,它有助于幫助解決利伐沙班與FXa的構效關系問題。


利伐沙班與FXa的X衍射結構圖

如上圖所示,在晶體結構中,利伐沙班與Gly219 形成兩個重要的氫鍵,惡唑烷酮的羰基與Gly219形成強氫鍵結合 (2.0Å),氯代噻吩環上酰胺的 NH 與 Gly219形成弱氫鍵結合 (3.3Å)。這兩個氫鍵支持著惡唑烷酮進入FXa的S1與S4口袋,這就導致了S 構型的惡唑烷酮采取了 L-形狀的構象。

FXa中的Tyr99,Phe174 與Trp215組成包含S4的狹窄疏水口袋,利伐沙班的嗎啉酮部分正好“夾在”Tyr99和Phe174之間,而其芳基環取向垂直地延伸穿過Trp215的表面。嗎啉酮羰基和FXa 沒有直接相互作用關系,只是有助于嗎啉酮的平面化,使得嗎啉酮部分更好地進入口袋。

氯代噻吩環結合于 S1 腔,氯原子與 Tyr228 的苯環發生鹵素-π 電子的相互作用,與 Asp189 在S1 腔中形成的靜電相互作用。這顯然增加利伐沙班的活性與生物利用度。

參考資料:

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

2.The discovery and development of rivaroxaban.

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