First-in-class的补体因子B抑制剂Iptacopan的药物设计


 
 
1
生物学背景
 

补体系统是消除外来病原体的主要手段,也是先天免疫系统的重要组成部分,被认为是多种非传染性疾病的促成因素。补体系统由三种途径组成,即经典途径、凝集素途径和旁路途径,所有这些途径都集中在关键的节点蛋白C3上。此外,旁路途径(AP)充当补体激活的放大环,是各种人类疾病的促成因素,包括年龄相关性黄斑变性(AMD),阵发性睡眠性血红蛋白尿(PNH),非典型溶血性尿毒症综合征(aHUS)以及各种肾小球疾病。AP的补体系统成分包括蛋白酶因子B (FB)、蛋白酶因子D (FD) 和γ球蛋白备解素(因子P,FP)

 

FB是一种类胰蛋白酶丝氨酸蛋白酶 (93 kDa),主要在肝脏和巨噬细胞产生,以潜伏形式在人体血液中(包括眼睛和肾脏的血管)循环。FB可以与C3b或C3结合,生成C3转化酶原 (C3bB),引起构象变化,使复合物成为FD的底物。FD裂解该复合物中FB的Arg234-Lys235键,释放N末端片段 (Ba),而包含丝氨酸蛋白酶结构域的剩余FB亚基 (Bb) 成为完全激活的C3转化酶的关键组成部分。

 

值得注意的是,C3转化酶可以裂解额外的C3以产生更多的C3b,从而进一步放大局部补体反应。因此,FB抑制剂可以用于治疗多种补体介导的疾病。

 
 
2
药物设计
 
 
01
高通量筛选得到hit
 

研究人员应用了三种高通量筛选方法,包括:(1)用MAC deposition assay(ELISA)来评估诺华分子库(约110万),(2)对约250K化合物测量由眼镜蛇毒因子(CVF-Bb) 激活的FB对C3裂解的抑制作用;(3)由NMR和X-ray引导的基于片段的筛选。虽然三种方法都提供了有趣的化学起点,但CVF-Bb assay的效果最好,命中率达到约0.6%,并鉴定出氨基咪唑啉1(IC50 = 6.6 μM,SPR Kd = 10 μM)。此外,当针对17种蛋白酶进行评估时,1的IC50值>30 μM。


晶体结构显示咪唑啉环位于由残基Glu97、Tyr99、Tyr172F、Pro172D形成的S3口袋中,并与Gly216的主链羰基形成氢键。萘环与Arg192形成了阳离子-π相互作用,可能通过结晶缓冲溶液中硫酸根离子的存在而稳定在晶体结构中。萘基位于S1口袋的开口处,C-2处的溴占据由残基Pro172D和Val218形成的凹槽。

 

 
02
改萘环为吲哚环,改咪唑啉为哌啶环
 
 

由于最初相对保守的咪唑啉的SAR被证明是无效,研究人员假设对萘基骨架进行改变可能会增强potency。考虑到萘环骨架不容易进行SAR,且萘基的非极性性质可能会使与相对极性的S1口袋很难产生positive的相互作用,用相对极性且容易研究不同SAR的吲哚环取代萘环。对吲哚的C-3位、C-5和C-7分别进行SAR,发现C-5和C-7位有甲基取代的最优。随后,开始进行取代氨基咪唑啉的最初目标。用碳连接的咪唑啉进行保守替换,活性不变,说明并不需要氨基linker。

 

吲哚骨架相比萘环骨架结合在S1口袋的更深处,可能会在S3口袋中提供额外的空间,因此重新研究了与萘环组合时不同碱度的胺来替换咪唑啉。最初引入乙胺和吗啉导致FB活性几乎完全丧失。意外的是,哌啶衍生物18的IC50为50 μM。18的结构简单(MW = 242.4),加上哌啶的C-2和C-4方便衍生化,从而提供新的SAR位点。

 

 
03
哌啶的衍生化
 
 

哌啶为S3口袋和FB中Pro172D和Val218之间的凹槽提供了合适的占据位点,该凹槽被1的Br占据。在对该凹槽的探测中,哌啶的2位分别引入苯基(19)和-CH2OH (20)基团,以探索亲脂性和极性官能团的影响。

 

 

化合物19的共晶结构显示哌啶的C-4位能够生长到S3口袋中,在哌啶的C-4位引入-OMe得到的21可以显著提高效力,还表现出α2c受体结合亲和力的显著降低 (IC50 = 11 μM)。从C-2苯基取代的哌啶中获得的SAR知识也适用于20,如C-4甲氧基取代的哌啶29,相比20效力提高了2倍。

 

 
04
模拟硫酸根的氢键网络引入羧酸
 
 

更有趣的是,29与FB的共晶揭示了羟基和结晶缓冲液中的硫酸根离子之间的相互作用,与Arg192、Val218和Asn220B形成了复杂的氢键网络。为了进一步提高potency,尝试通过在哌啶的C-2位置引入极性官能团来模拟这种相互作用。不幸的是,用磺酰胺、砜或脲都无法模拟这些相互作用。

 


于是,重新评估了29和19与FB结合的晶体结构。当将这两个分子重叠时(图5),很明显,19中苯环的对位位置完美,可以将取代基放入硫酸盐占据的空间中。因此,制备了一系列对位取代的苯基哌啶,目的是模拟硫酸根离子产生的一些蛋白质相互作用。

 

相对于未取代的19,砜和酰胺取代的化合物的效力均提高了约4-8倍。特别地,当羧酸安装在苯环对位时 (35) 时,potency提高了近100倍。通过35与FB的共晶结构,揭示了该酸参与了Asn220B和Asp218A-NH的几个关键氢键。此外,酸的添加消除了hERG和肾上腺素能受体活性。

 

 
05
微调取代基,克服物种间的功能活性差异
 

不幸的是,当使用测量C3b沉积的50%小鼠血清测定法(IC50 = 2.28 μM)评估功能活性时,35的效率显著降低,这可能是由于蛋白质结构的物种差异。通过序列分析,小鼠FB的催化结构域与人类只有80%的序列同源性。特别是形成结合口袋的三个残基:Pro172B(小鼠FB中的Gln)、Arg192(小鼠FB中的Lys)和Asn220B(小鼠FB中的Asp)在小鼠FB中是不同的。虽然针对人类FB的效力显然是最关键的,但选择性FB抑制剂的体内药理学从未有过报道,这一事实导致研究人员希望鉴定出对人类和小鼠均有效的化合物,以便能够评估PK/PD以及在各种疾病模型中的功效。

 

猜测填充S3口袋应该会增强对抗人类酶的效力,也可能导致小鼠效力随之增加。在哌啶的C-4处引入-OMe产生了3636在50%人血清MAC沉积测定和 50%小鼠血清C3b沉积测定中均提供相似的效力,IC50值分别为0.15 μM和0.16 μM。36具有良好的体内PK性质,方便探究骨架的细微变化。用乙氧基替换C-4哌啶甲氧基来更深地扩展到S3口袋,用C-5甲氧基取代的吲哚比甲基提供了更大程度的眼部AP抑制,最终得到上市药物iptacopan

 

 
 
3
市场分析
 

Iptacopan于2023年12月获FDA批准用于治疗成人阵发性睡眠性血红蛋白尿症 (PNH),Evaluate Pharma预计其销售峰值约为9.2亿美元。目前国内有多家药企也在布局小分子补体B因子抑制剂。其中,朗来科技的MY008进度是最快的,目前在2期;其次是恒瑞的HRS-5965,目前在1期。

 

除了小分子,还有在临床阶段的ASO和单抗疗法,其中最受瞩目的是Roche和Ionis公司共同开发的ASO药物IONIS-FB-LRx,其适应症包括IgAN(3期临床)和地图样萎缩/AMD(2期临床)。2022年,IONIS-FB-LRx治疗IgAN的2期临床研究中达到了主要终点。

 
参考文献:
[1] J. Med. Chem. 2020, 63, 11, 5697–5722

[2] https://www.ionispharma.com/ionis-technology/antisense-pipeline/

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