抗艾滋病药物新进展:山东大学药学院发现新一代高效抗耐药性 HIV- 1 抑制剂

X-MOL / 2017-05-13
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艾滋病(AIDS)是当今世界严重威胁人类生命健康的传染性疾病,其病原体为人免疫缺陷病毒(HIV),其中 HIV- 1 是致病的主要亚型。在 HIV- 1 的生命周期中,逆转录酶(reverse transcriptase,RT)携带病毒遗传信息的单链 RNA 逆转录成双链 DNA,是抗艾滋病药物设计的关键靶标。其中,RT 抑制剂主要包括核苷类和非核苷类逆转录酶抑制剂,而 HIV- 1 非核苷类抑制剂(non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors, NNRTIs)具有活性高、选择性强、毒性低等诸多优点,是目前治疗艾滋病高效抗逆转录病毒疗法(俗称“鸡尾酒疗法”)的重要组成部分。但由于 HIV- 1 病毒的高变异性,第一代 NNRTIs 对大量的耐药株不敏感,包括 L100A、Y181C 和 Y181C+K103N(临床最严重的耐药株之一)等。第二代 NNRTIs 对多种耐药株具有很高的抑制活性,但较低的水溶性和较差的透膜性导致其生物利用度低、口服剂量加大,从而引起毒副作用和交叉耐药等问题。另外,随着依曲韦林(ETV)及利匹韦林(RPV)临床的常规化应用,一些耐变异毒株也随之出现,显著地降低了 ETV 及 RPV 的临床疗效。因此,通过合理的结构修饰得到高效、广谱抗耐药以及具有良好药代动力学性质的 NNRTIs 是当前抗艾滋病药物研究的重要领域之一。

图 1. 基于靶标结构及多样性导向的结构优化发现高效抗耐药性 HIV- 1 抑制剂

以最新一代抗艾滋病药物依曲韦林为先导化合物,山东大学药学院药物化学研究所的刘新泳教授课题组与比利时 Leuven 大学医学院微生物与免疫学研究所合作,发现了一类对 HIV- 1 野生株及多数临床常见突变株均优于上市药物依曲韦林的噻吩并嘧啶类化合物,但美中不足的是,代表性化合物 K -5a2 对临床最常见的单突变株 K103N 以及双突变株 Y181C+K103N 的活性仍有待改善。为进一步提高对这两种临床最常见突变株的活性,该团队以 K -5a2 为先导化合物,根据靶标三维空间的适配性要求,特别是蛋白溶剂界面柔性区域的结构特征,综合运用基于靶标结构的合理药物设计及抗耐药性药物设计策略(形成主链氢键、精准靶向保守型氨基酸等),依次对其右翼、中心杂环和左翼进行了系统的结构修饰(图 1),以探讨未知的化学空间,并完善该类抑制剂的构效关系;采用多样性导向的结构修饰,可克服柔性靶标与配体精准结合模式的不可预知性;设计合成了多系列噻吩并嘧啶类 HIV-1 NNRTIs 并进行了细胞及靶点水平的生物活性测试以及早期成药性评价,最终发现多个对 HIV- 1 野生株及临床常见的严重耐药株均有纳摩尔水平抑制活性的化合物。

化合物 25a(DK5-1)具有抑制 HIV- 1 野生株和多种临床常见突变株的活性,较先导化合物 K -5a2 和依曲韦林均有大幅度提高。其中,抑制临床最常见的突变株 K103N 的活性(EC50= 0.908 nM)是 K -5a2 的 3 倍;尤其是抑制临床严重的双突变株 RES056(EC50 = 5.50 nM)的活性是 K -5a2 的 6 倍、依曲韦林的 3 倍。对单突变株 L100I、Y181C、Y188L 和 E138K,25a 的 EC50 值均小于 5.5 nM,远优于上市药物依曲韦林。初步的药代动力学试验显示 25a 在大鼠体内达峰时间为 1.7 小时,半衰期为 3.93 小时,并显示出良好的口服生物利用度(F = 16.19 %)。小鼠急性毒性试验表明,其 LD50> 2000 mg/kg,心脏毒性试验结果显示其抑制 hERG 钾离子通道的作用较低。目前正在对 25a 进行后续的成药性和临床前评价。

另外,本文作者还通过分子模拟分析了该类化合物的作用模式及抗耐药性机理。作者指出,除了 DAPY 类化合物经典的作用力之外,25a 的右翼磺酰胺基团可与蛋白溶剂界面的 Lys104 和 Val106 的主链之间形成关键氢键作用,左翼新引入的氰基乙烯基基团指向由高度保守氨基酸 Phe227 和 Trp229 组成的狭长通道,并与之形成紧密的疏水作用,这也是 25a 能对多数耐药株保持高效抑制活性的主要原因。该研究的一些启示对其他易突变型或配体结合位点高度柔性靶标的药物设计具有普遍的参考价值(图 1)。

上述研究内容已在线发表于美国化学会药物化学领域权威期刊 Journal of Medicinal Chemistry 上,第一作者为山东大学药学院的康东伟博士,山东大学药学院的刘新泳教授、展鹏副教授及比利时鲁汶大学的 Christophe Pannecouque 教授为本论文的共同通讯作者。化合物的药代动力学实验由山东大学第二附属医院的方增军协助完成。目前,该成果已申请中国发明专利与国际专利,有多家制药公司对该类抗艾滋病候选药物表现出浓厚的开发兴趣。

该研究工作得到了多项科技部、国家自然科学基金委国际合作重点项目及面上项目以及山东省重点研发计划(重大关键技术)等项目的资助。

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jmedchem.7b00332

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