磷脂酰肌醇3-激酶(PI3Ks)蛋白家族參與了包括細胞增殖、分化、凋亡以及葡萄糖轉運等在內的多種細胞功能,與人類癌癥、糖尿病和衰老有緊密的關系。主要的PI3K有三種,與癌癥廣泛相關的是I型PI3K,也是研究最多的一種。I型PI3K為異源二聚體,它是由調節亞基p85和催化亞基p110組成(圖1),催化亞基有4種,即p110α、p110β、p110δ、p110γ,其中p110δ和p110γ僅限于白細胞,其余則廣泛分布于各種細胞中。
文獻表明I型PI3K中的PI3Kα和PI3Kδ亞型在人類癌癥生物學中發揮重要作用。PI3Kα或I型PI3K其它亞型及其下游效應蛋白包括AKT和mTOR的異常活化與腫瘤的啟動和維持有關(圖1)。因此,一種有效的PI3K/AKT/mTOR通路抑制劑既能抑制癌細胞增殖,又能誘導細胞程序性死亡。臨床研究表明,靶向PI3K-AKT-mTOR通路的抑制劑對治療腫瘤有積極作用,包括PI3K與AKT抑制劑、異構mTOR抑制劑與催化mTOR抑制劑都有顯著的抗腫瘤效果。
圖1PI3K/AKT/mTOR信號通路
研究至今,文獻中已經報道了相當多的基于嗎啉取代三嗪作為核心骨架的PI3Kα抑制劑,這其中有幾個在藥理學上表現良好的分子,如圖2A中所示:
圖2已報道的部分含嗎啉取代三嗪骨架的PI3Kα抑制劑
研究人員發現,在所有這些被報道的抑制劑中,嗎啉的氧原子在鉸鏈區與氨基酸殘基Val851(PI3Kα)和Val2240(mTOR)的NH有關鍵的氫鍵相互作用,而它們的芳基占據了PI3Kα的ATP結合位點的親和口袋。該研究作者在2015年報道了基于嗎啉取代三嗪骨架的口服生物可利用的PI3K抑制劑(化合物26),此次在之前研究基礎上,對化合物26的結構進行優化,發現了更加高效、結構類似的化合物10(SPR519),化合物10是PI3Kα和mTOR雙重抑制劑(圖2B)。
三嗪骨架上的雜芳環取代基被認為是一個重要的藥效團,基于化合物26的結構,作者改變其吲哚雜環取代基,設計并合成了結構類似的化合物1-12并評估它們對PI3K抑制活性以及對人卵巢癌細胞系(A2780)的細胞效力,其結果如圖3:
圖3結構優化與構效關系
通過HTRF技術測得化合物1抑制PI3Kα活性的IC50值為10nM,通過MTT法測得化合物1在A2780細胞系的EC50值為90nM,相比于化合物26,化合物1在酶抑制活性和細胞效力上均有大幅提升,但遺憾的是,PK結果表明,當以10mg/kg的劑量對一組小鼠進行口服給藥時,化合物1沒有血漿暴露,這可能是分子中羥基存在的緣故。其它的化合物如2、3、8、10,均表現出了相比與化合物26相當甚至更好的抑制活性和細胞效力(圖3)。將化合物26上的吲哚雜環變成相似的取代基,僅僅是在同一個環上增加或減少一個N原子,所得到的分子的細胞效力均會下降(圖3,7和9vs26)。化合物4、5、6是在化合物3的氨基吡啶環上不同位置引入一個甲基,結果是都導致了酶抑制活性和細胞效力下降,這說明在該處引入空間位阻是不利的,這與化合物11相比化合物10的活性下降結果是一致的。
化合物2、3、8雖然在酶抑制活性上不如化合物26,但是它們卻表現出了與化合物26相當甚至更好的細胞效力,一種可能的解釋是這些化合物的細胞通透性增強,或者可能是一個額外的互補靶點的參與導致細胞效力增強,前者很快被否定因為它們的結構是相似的。據報道,PI3Kα和mTOR具有高度同源的序列,因此作者測試了這幾種化合物對PI3Kα和mTOR的抑制活性以及它們在兩種癌細胞系(PC3和SKOV3)中的細胞效力,其結果如圖4:
圖4細胞效力評估
結果表明,化合物26、2、8均表現出了對PI3Kα更好的親和力,而化合物3、10顯示出對PI3Kα和mTOR同等的親和力,4種新化合物在兩種癌細胞系中均表現出強于化合物26的細胞效力(圖4,2-10vs26)。
基于化合物3、8、10良好的細胞效力評估結果,作者利用人肝微粒體(HLM)、狗肝微粒體(DLM)和小鼠肝微粒體(MLM)進一步評估了它們的體外代謝穩定性,其結果如圖5:
圖5代謝穩定性評估
結果表明,3種化合物均表現出良好的微粒體穩定性,特別是人肝微粒體(圖5)。此外,相比與化合物26,3種新化合物均有更高的血漿暴露量。
在進一步的評估中,作者考察了化合物10的靶向選擇性,所選擇的23種激酶均與PI3Kα和/或mTOR有序列同源性。結果顯示化合物10對PI3Kα、PI3Kδ和mTOR具有較高而且相近的抑制活性,對PI3Kβ的抑制能力中等,對其它酶的正常生理活動幾乎沒什么影響(圖6)。
圖6靶向實驗
為了探索最佳給藥方案,作者進行了不同劑量給藥實驗,在三種不同劑量的給藥情況下,血漿暴露量(AUC)呈劑量依賴性增加,但它們達到峰值的時間(Tmax)和半衰期(T1/2)沒有顯著的改變(圖7)。
圖7藥代動力學實驗
隨后,作者考察了小鼠對化合物10的劑量耐受情況,在10mg/kg(BID)給藥5天后,小鼠相比于對照組沒有明顯的生理上的變化,但30mg/kg(BID)給藥9天時,觀察到小鼠有輕微的冷顫。對30mg/kg(BID)給藥5天的小鼠進行藥物分布分析,其在小鼠腎臟、肝臟和肺部含量相對較多(圖7),在這些重要的器官中沒有觀察到物理形態和變色的情況,除了肝臟有一點輕微的顏色改變。
圖7藥物分布分析(30mg/kg(BID)連續給藥5天)
基于化合物10表現出來的優異體內外實驗結果,作者分別對小鼠進行了SKOV-3(卵巢癌細胞)和HCT116(結腸癌細胞)的異種移植瘤實驗,以考察化合物10對抑制腫瘤增殖的實際效果(圖8)。
圖8ASKOV-3移植瘤實驗
圖8BHCT116移植瘤實驗
結果顯示,腫瘤體積的減少是劑量依賴的,與對照組相比,治療組的所有小鼠對治療過程都有響應。重要的是,在兩項研究中,最初3天內,無論是低劑量2.5mg/kg(QD)給藥或20mg/kg(QD)給藥均對腫瘤生長都有明顯的抑制作用。
化合物13由2,4,6-三氯-1,3,5-三嗪經兩步親核取代反應得到,13與不同的芳基硼酸或酯反應可以分別得到化合物1-12:
化合物13與化合物10對應的芳基硼酸底物進行反應時,效率較低,容易得到脫鹵的副產物,不利于反應放大,大量合成時,采用Stille偶聯:
參考文獻
DineshMahajan, Somdutta Sen, Bilash Kuila, Amit Sharma, Reena Arora, MilindSagar, Amal Ray Mahapatra, Lalita Babasaheb Gawade, and Sundeep DugarDiscovery and Development of SPR519 as a Potent, Selective, andOrally Bioavailable Inhibitor of PI3Kα and mTOR Kinases for the
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注:文中圖片均來源于參考文獻和網絡。
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