聚腺苷二磷酸核糖聚合酶[poly (ADPribose) polymerase,PARP]催化聚腺苷二磷酸核糖(PAR)的形成,涉及众多生物进程,如基因组完整性检测、细胞周期进程、DNA损伤修复启动、凋亡及转录调节等。
在PARP家族成员中,PARP1和2在DNA单链断裂修复中扮演关键角色。
PARP1是一种丰富的核蛋白,可以检测断裂的DNA链,并通过其N端锌指结构域与受损的DNA结合,从而激活C端催化结构域,水解NAD+生成PAR聚合物。这种聚-ADP-核糖基化过程促进了DNA修复蛋白募集至DNA断裂位点,随后通过碱基切除修复方式进行修复。PARP2也存在于细胞核中,其功能与PARP1相似,但含量相对较少,仅占PARP总活性的5% - 10%。
大多数PARP抑制剂为烟酰胺的类似物,如奥拉帕尼(olaparib;olaparib)、尼拉帕尼(niraparib;Tesaro/Merck)、维利帕尼(veliparib;AbbVie)、他拉唑帕尼(talazoparib;BioMarin/LEAD/Medivation)(实例化合物均已上市或处于临床I//II期)。
这些PARP抑制剂不仅与替莫唑胺和拓扑异构酶抑制剂等DNA损伤剂联合使用显示抗肿瘤活性,而且它们中的许多还显示出单剂量疗效。
值得注意的是,除了抑制PARP1和PARP2的催化活性外,某些PARP抑制剂还可将PARP蛋白“捕获”到DNA上,干扰DNA的修复和复制。实际上,PARP捕获是PARP杀死癌细胞的主要机制。
拜玛林制药(BioMarin Pharmaceutical, BMRN)以偶然得到的副产物为重要中间体获得先导,对先导进一步优化最终发现了BMN673(Talazoparib, Pfizer)。Talazoparib于2018年获FD批准,用于治疗局部晚期或转移性乳腺癌。
从副产物中间体到先导
化合物5是拜玛林制药公司早期研发的PARP抑制剂,最初的合成计划是从4-硝基异苯并呋喃酮6开始,通过中间体7和8制备酞嗪酮中间体9,随后通过上溴和环化反应后生成化合物5。
然而将化合物7转化为8时,多次尝试,无法得到产品。
核磁谱图及质谱显示主要的产物为全新结构的12(该化合物的生成涉及到三个意料之外的级联反应,如机理图)。
研究人员意识到,通过将肼与酮酯部分环合得到的化合物可能成为潜在的PARP抑制剂。这类环合的三环四氢吡啶并酞嗪酮核心母核,可能与其他现有的PARP抑制剂一样,为PARP酶的烟酰胺结合位点提供氢键和π-堆积相互作用。
正如猜测,环化后得到的化合物13的PARP酶活性达到了惊人的6.1nM。然而其细胞活性相对较弱(GI50>300μM),需要进一步优化。
先导优化
为了提高化合物的溶解性和细胞活性,首先将8和9位的苯环替换为芳香杂环,但是激酶活性大大下降,此外,将苯环替换为非芳香性的取代基,活性也下降。因此研究者保留了苯环,并在苯环上作出取代。
结果显示8位苯基的取代优于9位苯基的取代,其中化合物15虽然体外活性较好,但是代谢并不稳定,推测为9位苯基的对位存在羟基化,因此在对位引入不同的取代基,堵住了代谢位点,代谢得到一定程度的改善。
为了进一步提高代谢稳定性,在9位引入唑类取代苯环,在8位的对位引入F等取代基堵住代谢位点,代谢得到进一步提高,且活性得到保持,同时值得注意的是,在5位引入F相对其他体积更大的取代基活性最佳。而43和45的对比发现,三唑结构的微小变化将导致25倍的细胞活性差异,因此,基于该SAR结果,研究者集合所有的优势取代,在5位引入F,在8位苯基对位引入F,在9位引入1-甲基-1,2,4-三唑,由此产生了活性最强的化合物47。
外消旋体手心拆分
母核上8,9位的同时取代产生了两个手心中心,因此研究者优选了部分化合物进行手性拆分(顺式异构体活性低,且差率低,因此未探讨顺式异构体)并评价其体外活性,结果表明对映异构体中(8S,9R)总是优于(8R,9S)的,这表明化合物在PARP激酶中的相互作用是存在立体定向性的。
此外,活性最佳的化合物(8S,9R)-47(BMN673)活性为外消旋体47的两倍,且对PARP1和2具有相同的抑制作用。
BMN673与PARP1相互作用的结构基础
BMN673的氟苯与Tyr889形成π-堆积作用,1,2,4-三唑与Tyr896形成水介导的氢键相互作用,与(8R,9S)-47(分子对接)对比发现,小分子在结合位点显示了清晰的立体定向性。
PK性质
在两个临床前物种中(SD裸鼠和狗),BMN673显示杰出的口服生物利用度,暴露量,合适的半衰期和较低的清除率。同时,BMN673也显示了优良的体外安全性,没有明显的脱靶效应,CYP酶和hERG抑制,较低的致癌性及合适的血浆蛋白结合。
体内抗肿瘤活性
在MX-1移植模型中,单次口服1mg/kg(8S,9R)-4724h后,瘤内PAR水平仅仅部分恢复,作为对比,奥拉帕尼口服100mg/kg24后PAR水平完全恢复。
在BRCA1缺陷的MX-1乳腺癌移植模型中,(8S,9R)-47,0.33mg/kg一天一次口服给药明显抑制肿瘤生长,六只小鼠中四只实现了肿瘤的完全消退。
一天一次口服(8S,9R)-47终止给药后,肿瘤开始出现恢复,因此研究者尝试一天两次口服给药,结果显示,一天两次0.165mg/kg口服给药,所有给药老鼠均实现肿瘤消退,且停药5周不见肿瘤复发。
此外,(8S,9R)-47与顺铂联用证明了剂量依赖性的增敏作用,且明显加强卡铂的抗肿瘤活性
总结
Talazoparib是迄今为止最强的PARP抑制剂,其区别于以前的PARP抑制剂,可以以低得多的浓度发挥疗效(在BRCA1缺陷的MX-1细胞中其EC50比奥拉帕尼低50倍,在BRCA1缺陷的Capan-1细胞中,其EC50比维利帕尼低2000倍),Murai等研究显示,BMN673是一个强效PARP-捕获抑制剂,这可以解释其区别于其他PARP抑制剂的显著提高的抗肿瘤活性。
参考文献
Bing Wang, et al. Discovery and Characterization of (8S,9R)-5-Fluoro-8-(4-fluorophenyl)-9-(1-methyl-1H-1,2,4-triazol-5-yl)-2,7,8,9-tetrahydro-3H-pyrido[4,3,2-de]phthalazin-3-one(BMN 673, Talazoparib), a Novel, Highly Potent, and Orally EfficaciousPoly(ADP-ribose) Polymerase-1/2 Inhibitor, as an Anticancer Agent. J. Med.Chem. 2016, 59, 1, 335–357.
【来源:健康界】
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