基于GPCR結構發現阿爾茲海默癥藥物的經典案例

導讀

小O滿懷好奇：“大膜王，為啥文獻總說基于結構的藥物設計（SBDD）出好多藥物呀？怎么設計的呀？可以告訴我嘛？”大膜王：“好呀，SBDD我的拿手技能，且聽我給你講個經典案例哈—基于GPCR結構發現阿爾茲海默癥藥物。”

 

Let us 和小O一起學習吧：

 

格拉斯哥大學和Sosei Heptares Ltd等聯合團隊在Cell上發表了基于GPCR靶點結構構建藥物的策略：從原子結構、基于細胞/組織的檢測、臨床前物種評估、臨床安全性測試以及最終在人類記憶中心建立活性等方面采取逐步轉化（圖1），設計一種具有良好耐受性的M1激動劑藥物（HTL9936）來緩解膽堿能神經元系統特異性神經遞質受損導致的認知缺陷，經過評估后，該團隊認為HTL9936是一款潛在的治療阿爾茨海默癥(Alzheimers disease，AD)的候選藥物。

 

 

圖1 基于結構設計的AD候選藥物

 

 

 

SBDD

該團隊通過將分子對接到M1同源模型（鳥類β1-腎上腺素能受體-氰平多洛醇復合物的晶體結構（PDB：2VT4）建立了與激動劑77-LH-28-1結合的人類M1受體的同源模型）的方式，篩選并購買了322個片段式分子，經過體外活性篩選得到16種有活性的分子，從中選出苗頭化合物4（雙哌啶初級酰胺，其EC50為3.5μM）（如圖2）。

 

 

圖2 苗頭化合物4

 

該團隊利用2008年報道的激動劑77-LH-28-1與M1受體的共結晶結構（圖3A）聯合苗頭化合物4進行設計，大大縮短了藥物設計時間。由于M1受體與同類型的毒蕈堿受體非常相似，例如M2、M3和M4。需要設計出對針對M1受體有特異性的藥物，先導化合物的設計就必須想辦法降低同類型受體的活性。為了研究M1受體與其激動劑的構效關系(SAR)，該團隊從苗頭化合物4出發，合成一系列小酰胺化合物，篩選出化合物5有明顯的M1受體活性，但遺憾的是，其仍具有較弱的M2和M4受體活性。這時正是利用SBDD殺手锏的關鍵時刻，該團隊對化合物5對接結構進行分析預測（圖3B，3C），他們預測附著在氨基甲酸乙酯上的環體系的形狀以及隨后的“酪氨酸籠”的結構重排將提高對M2和M3受體亞型的選擇性，因此他們通過引入一個七元氮雜環（化合物6，圖3C）來證實上述對化合物5的分析預測。該環以更有效的方式結合在Tyr1063.33、Trp3786.48、Tyr3816.51和Cys4077.42之間的正構位點的子口袋。在鈣成像試驗中化合物6對M1受體顯示亞微摩爾效力（化合物6的EC50為79nM），在M2和M3受體處沒有可檢測到的激動劑活性，在M4受體處的效力比化合物5低10倍（EC50 794nM），這是選擇性M1受體激動劑開發中的重大突破。

 

圖3 基于結構的藥物設計

 

獲得化合物6的優秀骨架后，該團隊對R1、R2、R3三處官能團進行片段修飾（如圖4），經過一系列分子篩選后得到化合物7，外消旋化合物7手性分離得到對映體(S)-化合物7(HTL9936)（受體M1的EC50為32nM，M2>20μM，M3>20μM，M4的EC50為398nM）和(R)-化合物7（受體M1的EC50為398nM，M2>20μM，M3>20μM，M4的EC50為2.5μM）。由此可知S構型的效能明顯優于R構型，所以(S)-化合物7(HTL9936)被用于開展進一步的結構研究和臨床前評估。

 

圖4  對化合物6骨架的R1、R2、R3三處官能團進行片段修飾獲得化合物7

 

上述從基于GPCR靶點的分子結構發現苗頭化合物4并且指導設計出選擇性調節劑HTL9936的過程，稱為SBDD。

 

確定先導化合物之后，該團隊持續進行了基于細胞/組織的檢測、臨床前物種評估（HTL9936在小鼠、大鼠、狗和猴子的模型中進行了系列的活性表征，點擊文末“閱讀原文”可了解更多試驗細節）。臨床安全性測試以及最終在人類記憶中心建立活性等方面的臨床研究表明，與許多其他非選擇性調節劑相比，M1選擇性臨床候選藥物HTL9936對人類的記憶中心有積極作用，用藥劑量顯著減少。這些突破性的結果表明HTL9936有可能為阿爾茨海默病患者創造一種潛在的新藥。

 

展望

經過學習，小O認為：在藥物設計領域，偶然發現、高通量篩選和天然產物的提取依然具有重要作用，但是SBDD的貢獻更加不容小覷。SBDD的優點可簡單總結如下：

 

 

·優點·

根據本文所敘述的HTL9936分子發現的整個藥物設計過程，SBDD可以結合基于片段的藥物設計（FBDD）手段通過篩選片段庫得到苗頭化合物（本文化合物4的發現過程），表明可以聯合多種設計方法進行藥物設計；

可以利用已發表的受體-藥物的共晶體結構幫助預測分析作用機制（本文化合物5、6的發現過程），節省篩選活性分子的時間；

有目的性的從構效、藥物-受體相互作用力、作用基團等各個方向設計符合的分子片段（本文先導化合物7的發現過程），藥物發現命中率高。

 

END

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