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同期18f-fdgpetct及mri对于前列腺癌的初步对照研究
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你可能喜欢5 吡唑环系的结构优化
在上述优化环戊烯化合物2的同时,连接两个苯环的吡唑环化合物3也作为先导化合物进行了优化,采用传统药物化学方法,分析构效关系以优化活性和选择性。借鉴上述的氨磺酰苯基化合物具有较高抑制COX2活性,将吡唑环系的A环固定为氨磺酰基苯基,即通式为7的化合物,变换B环的取代基团。
5.1 苯环B的取代基变换 固定吡唑环3位的三氟
甲基或二氟甲基,通式7的R作广泛的变换,以改变化合物的物理性质如溶解度、log P、pKa、离解性等,探索对COX2的抑制强度和选择性。构效关系如下: ① 2'-和4'-位单取代的活性强度高于相应的3'位取代; ② 吸电子基团降低COX2抑制活性,对COX1没有活性; 推电子基团同时提高对COX2和COX1的抑制活性。引入两个推电子基团更降低抑制COX1的作用,保持对COX2的高活性; ③ R=卤素、甲基和甲氧基可保持COX2的高抑制活性,降低COX1的作用; ④ 4'-乙基活性低于4'-甲基; 4'-乙氧基也低于4'-甲氧基,推论4'-位基团体积不宜大。
5.2 吡唑环3位取代基的变换
吡唑环3位取代基以CF3或CHF2为优势取代,甲基、氰基等对活性是不利的。
5.3 氨磺酰基的变换
与环戊烯系列相似,A环为氨磺酰基的COX2活性强于甲磺酰基,但选择性低于甲磺酰基。氨基上氢原子 (一个或两个) 被甲基取代丧失活性,或换作甲磺酰氨基、硝基、三氟乙酰基都会失去活性。没有磺酰基的二苯基吡唑化合物,失去COX2的活性,却保持有抑制COX1的作用。
5.4 苯环B用其他环替换
用吡啶、噻吩、呋喃、苯并呋喃或苯并噻吩替换苯环B,对提高活性或选择性没有明显作用。
6 候选化合物的选择
6.1 在体内长久存留的化合物不宜遴选
在上述优化和探索构效关系的操作中,化合物8(SC-236) 体外抑制COX2活性IC50 = 0.01 μmol·L−1; 对COX1活性IC50 = 17.8 μmol·L−1,选择性1 780倍。体内灌胃对大鼠关节炎佐剂的抗炎作用ED50 = 0.07 mg·kg−1,对角叉菜胶引起大鼠后趾肿胀的抗炎作用ED50 = 5.4 mg·kg−1,大鼠痛觉减退的ED50 = 6.6 mg·kg−1,呈现出体内外的高活性和选择性,拟确定为候选化合物。然而大鼠药代动力学表明,灌胃吸收后在血浆的半衰期t1/2 = 117 h,这样长时间在体内的存留,会造成药物蓄积而引起不良反应,故未选为候选化合物。
6.2 调整药代—含有代谢位点的候选化合物: 塞来昔布的确定
在高活性的化合物中选择可在体内发生代谢转化,以便有适宜的药代动力学性质,例如含有甲基或甲氧基等基团的化合物,在体内可发生氧化代谢,为此选择了9、10和11等化合物进行了体内药效和药代实验。表 1列出了它们的生物学数据。(Penning TD,Talley JJ,Bertenshaw SR,et al. Synthesis and biological evaluation of the 1,5-diarylpyrazole class of cyclooxygenase-2 inhibitors: identification of 4-[5- (4-methylphenyl)-3-(trifluoromethyl)-1H-pyrazol-1-yl] benzenesulfonamide (SC-58635,celecoxib). J Med Chem,47&#)。
表1(Table 1)
Table 1 有代表性化合物的体内外抗炎活性和大鼠血浆中半衰期
COX2 IC50/μmol·L−1
COX1 IC50/μmol·L−1
大鼠佐剂性关节炎模型ED50/mg·kg−1
大鼠角叉菜胶模型ED50/mg·kg−1
大鼠痛觉减退ED50/mg·kg−1
大鼠血浆半衰期/h
117 (灌胃)
3.3 (灌胃)
3.5 (静注)
3.5 (静注)
大鼠灌胃200 mg·kg−1引起胃损伤
Table 1 有代表性化合物的体内外抗炎活性和大鼠血浆中半衰期
综合多项活性数据,化合物11优于其他化合物,确定为候选药物作进一步研发,定名为塞来昔布 (celecoxib)。I期临床试验表明塞来昔布的半衰期为12 h,口服tmax为2 h,体内代谢产物主要是4'-甲基 经P450催化氧化生成羟甲基和羧基进而葡醛酸苷化等化合物。经II、III期临床研究,FDA于1999年批准上市,治疗骨关节炎和风湿性关节炎。
7 选择性COX2抑制剂的结构基础
塞来昔布的研制,苗头和先导化合物是经动物表型/功能实验确定的,先导物优化是用体外酶法评价对COX2/COX1的活性,当时尚未解析出酶的三维结构,因而是靠药物化学方法和构效关系分析进行的。1996年解析了COX2与选择性抑制剂12 (SC-558,与塞来昔布的结构只是4'-溴与甲基之别) 复合物的晶体结构,并用氟比洛芬和吲哚美辛的复合物作比较,得以解释COX2选择性抑制剂的结构特征。
COX1与COX2作为同工酶,虽然都是以花生四烯酸为底物,而且活性中心的氨基酸序列大同小异,但在活性中心的关键性氨基酸残基有区别,导致选择性COX2抑制剂与传统NSAIDs对两种酶结合的选择性差异。COX2与COX1酶活性中心的重要区别是: ① COX2的残基Val523对应在COX1是Ile523,缬氨酸的侧链比异亮氨酸少1个碳原子,占据较小的空间,因而COX2的结合腔可利用空间大于COX1的。② COX2的残基Leu503对应在COX1是Phe503,苯 丙氨酸的侧链体积大于亮氨酸 (图 2中未标出),又为选择性COX2抑制剂腾出可占据的空间。这样使 得COX2活性部位的容积比COX1大约多出25%,设计COX2抑制剂就是利用了这个结构差异。③ COX2的残基Arg513对应在COX1是His513,精氨酸残基可与氨磺酰基形成氢键,并与Tyr355和Val523形成了一个可与苯磺酰氨片段结合的结合腔 (Kurumbail
RG,Stevens AM,Gierse JK,et al. Structural basis for selective inhibition of cyclooxygenase-2 by anti- inflammatory agents,Nature,4&#)。
图 2图 2 化合物12与COX2复合物的晶体结构 (也标出了COX1相应的氨基酸残基)
8 罗非昔布的命运
8.1 追求高活性和高选择性抑制剂
默克公司以化合物1为模板,固定甲磺酰苯基和4-氟代苯片段,变换中间的五元环连接基,如图 3所示的杂环母核。用重组人COX2和COX1酶评价化合物的体外活性,以IC50COX1/IC50COX2的比值作为选择性活性的标准,研发高选择性的COX2强效抑制剂。
图 3图 3 改变杂环以优化COX2选择性抑制剂
这些化合物都未显示比化合物1更优胜的体外活性或选择性,而且灌胃给药的生物利用度也较差,例如噻二唑化合物的体内大剂量用药,未见消化道溃疡的发生 (Gauthier JY,Lebalnk Y,Black WC,et al. Biological evaluation of 2,3-diarylthiophenes as selective COX2 inhibitors. Part II: replacing the heterocycle. Bioorg Med Chem Lett,−92)。进而变换结构得到了如下的构效关系: ① 甲磺酰基被氨磺酰基取代,可提高生物利用度,但也提高了对COX1的抑制作用,从而降低了对COX2的选择性作用 (与塞来昔布的构效关系相同); ② 连接基五元环上有大基团的取代也会增高COX1的抑制活性; ③ 大基团的取代降低生物利用度。
8.2 五元内酯环为母核化合物系列: 罗非昔布的研制
基于上述的构效关系,设计了通式为13的化合物,用全血来源的或CHO全细胞来源的COX2和COX1酶评价体外活性和选择性,R为苯、吡啶或不同位置取代的氟代苯。结果表明,化合物14的体内外活性与选择性最佳 (IC50COX1/IC50COX2的比值和大鼠灌胃的抗炎作用与消化道溃疡的发生)。表 2列出了化合物14与塞来昔布、美洛昔康和二氯酚酸等对全血来源的COX2和COX1的抑制活性 (IC50),而化合物14是选择性最强的抑制剂。
表2(Table 2)
Table 2 化合物14与塞来昔布、美洛昔康和二氯酚酸对COX2和COX1的抑制活性。*全血来源的COX酶。不同来源的酶对抑制剂的敏感性是不同的
COX2 (IC50/μmol·L−1)
COX1 (IC50/μmol·L−1)
Table 2 化合物14与塞来昔布、美洛昔康和二氯酚酸对COX2和COX1的抑制活性。*全血来源的COX酶。不同来源的酶对抑制剂的敏感性是不同的
化合物14定名为罗非昔布 (rofecoxib),进入临床研究。志愿者口服1 g,为治疗剂量的40倍,用半体外方法测定的全血中血栓烷的生成量,表明没有显著变化,说明对COX1没有抑制作用。其实,恰恰因为对COX1没有活性,过分地抑制COX2,导致罗非昔布后来引发的心血管事件。
动物体内实验表明,化合物14连续14天灌胃300 mg·kg−1,未见消化道损伤作用,这也与体外对COX1低抑制作用相一致。大鼠灌胃1 mg·kg−1显示抗炎作用 (ED50),预示化合物14的治疗窗 & 300。(Ehrich E,Dallob A,Van Hecken A,et al. Arthritis & Rheumatism
SUPPL).); Prasit P,Wang Z,Brideau C,et al. The discovery of rofecoxib,[MK 966,Vioxx,4-(4'-methylsulfonylphenyl)-3-phenyl-2(5H)- furanone],an orally active cyclooxygenase-2-inhibitor. Bioorg Med Chem Lett,73&#; Leblanc Y,Roy P,Boyce S,et al. SAR in the alkoxy lactone series: the discovery of DFP,a potent and orally active COX-2 inhibitor. Bioorg Med Chem Lett,07&#)。罗非昔布经过三期临床研究,于1999年5月经FDA批准上市。人口服生物利用度93%,血浆半衰期17 h,主要代谢产物是顺式和反式二氢罗非昔布。治疗骨关节炎引起急性和慢性疼痛的口服剂 量为每日25～50 mg。(Davies NM,Teng XW,Skjodt NM. Pharmacokinetics of rofecoxib: a specific cyclo- oxygenase-2 inhibitor. Clin Pharmacokinetics,5&#)。
8.3 罗非昔布的撤市
罗非昔布上市获得了巨大的成功,2003年销售额达到25亿美元,一时全球的处方量高达8千万张。但好景不长。2004年9月默克公司主动停止使用罗非昔布而撤市,原因是大范围患者应用罗非昔布引发心肌梗死而死亡事故,是因为促进血栓形成的缘故。塞来昔布的临床应用未见心血管事件发生的趋势而继续应用。
罗非昔布与塞来昔布之命途差异主要是对COX2选择性不同。表 2中的数据表明,塞来昔布对全血来源的COX1/COX2抑制作用的比值为6.3,罗非昔布为38,对COX2选择性作用高于塞来昔布5倍。为什么高选择性反而是不利的呢？
在研发初期,认为COX2只是炎症介质诱导产生的“坏酶”,而COX1是有益的“管家酶”,传统的NSAIDs两种酶都被不同程度的抑制,且因显著抑制COX1导致消化道损伤,所以认为高选择性COX2抑制剂是理想的抗炎药,只有抗炎作用而无消化道损伤。这是个误解,忽视了COX2也是正常组织存在的氧合酶。
正常的机体同时存在COX1和COX2,维持了前列腺素、前列环素、血栓烷A2等花生四烯酸的诸多代谢产物之间的平衡。药物对COX1的适度抑制 (如阿司匹林) 可抑制血栓烷A2的合成,防止血栓形成,具有保护心脏和防止脑卒中作用。罗非昔布对COX2高选择性抑制,减少了前列环素 (PGI2) 等抑制血小板聚集和舒张血管的作用; 对COX1的“无犯”,虽然降低了对消化道的损伤,但增加了发生心肌梗死和脑卒中的风险,从一个极端 (消化道损伤) 走到另一个极端 (心血管损伤)。
罗非昔布的撤市还由于代谢成顺丁烯二酸酐产物的毒性以及药代的组织分布问题。由于罗非昔布的教训,引发了2004年全球对COX2靶标的质疑和检讨,虽然最终确定COX2仍是个药物靶标,但各国药监部门要求COX2抑制剂 (以至NSAIDs) 剂量和疗程加以警示标注。
9 其他上市的COX2选择性抑制剂
基于COX2选择性抑制剂的构效关系以及COX2活性中心的结构特征,解析出抑制剂有明确的药效团特征。根据药效团特征后继研制的昔布类药物,由于都是在2004年秋罗非昔布撤市之前确定的候选化合物,研发的COX2抑制剂都具有高选择性抑制作用。
辉瑞的伐地考昔 (15,valdecoxib) 2001年FDA批准上市,治疗关节炎引起的疼痛 (Talley JJ,Brown DL,Carter JS,et al. 4-[5-Methyl-3-phenylisoxazol-4- yl]-benzenesulfonamide,valdecoxib: a potent and selective inhibitor of COX-2. J Med Chem,5&#),也由于存在心血管事件的隐患于2005年被撤市。辉瑞公司还将伐地考昔衍生化,将氨基丙酰化并制成钠盐,成为可溶性注射用药,称作帕瑞昔布 (16,parecoxib),于2002年FDA批准上市 (Talley JJ,Malecha JW,Bertenshaw S,et al. N-[[(5-Methyl- 3-phenylisoxazol-4-yl)-phenyl]sulfonyl]propanamide,sodium salt,parecoxib sodium: a potent and selective inhibitor of COX-2 for parenteral administration. J Med Chem,61&#)。帕瑞昔布是伐地考昔 的前药,作为注射剂短期用药缓解手术中和术后的疼痛。
默克的依他昔布 (17,etoricoxib) 在2002年FDA批准上市。(Friesen RW,Brideau C,Chan CC,et al. 2- Pyridinyl-3-(4-methylsulfonyl)phenylpyridines: selective and orally active cyclooxygenase-2 inhibitors. Bioorg Med Chem Lett,77&#)。
笔者与恒瑞医药合作,基于已知COX2抑制剂的药效团,设计合成了以吡咯烷酮为母核的化合物,在2000年优化和选择候选药物的过程中,为了避免高选择性COX2抑制剂发生心血管障碍的风险,也杜 绝一些NSAID显著抑制COX1引起的消化道损伤,提出了对COX1/COX2适度抑制的策略,以便在抑制引起炎症的COX2的前提下,不过分地抑制COX2,保持体内COX2和COX1功能上的平衡。经体内外活性、药代和安全性研究,确定了艾瑞昔布 (18,imrecoxib) 为侯选物,经三期临床研究,表明艾瑞昔布是治疗骨关节炎的安全有效药物,CFDA于2011年5月批准上市。(郭宗儒. 国家一类新药艾瑞昔布的研制. 中国新药杂志,3&#)。
10 COX2作为药物靶标的潜力和风险
分子生物学的研究发现了两种 (或以上) 环氧合酶的存在,得以揭示传统的非甾体抗炎药的抗炎作用和消化道损伤的不良反应分别是对COX2和COX1的抑制,起初认为对COX2高选择性抑制是研制新型抗炎药物的方向。其实COX2并非单纯是炎症细胞中的诱导性酶,它也是正常组织中固有的构成酶,例如血管壁的COX2产生的前列环素 (PGI2) 具有抑制血小板聚集和舒张血管的作用,PGI2与血栓烷A2的作用相反,对血管和血小板的作用相互制约,调节生理功能的平衡。过分地抑制COX2会导致PGI2/TxA2的失衡而引起心血管事件 (Cannon CP,Cannon PJ. Physiology. COX-2 inhibitors and cardiovascular risk. Science,86&#)。所以设计COX2抑制剂的选择性应当适度,以抑制炎症细胞过高表达的COX2为度,不过分抑制,从而不干扰血管中PGI2/ TxA2的平衡。不过COX1和COX2都可催化产生PGI2和TxA2,所以化合物的药代和组织分布尤显重要。
此外,COX是体内合成前列腺素的重要酶系,除与上述炎症相关外,还具有许多生理功能,并参与细胞生长发育和恶性变等过程。结/直肠癌的发病过程呈现COX2高表达,塞来昔布治疗结/直肠癌正处于研究阶段,(Rial NS,Zell JA,Cohen AM,et al. Clinical end points for developing pharmaceuticals to manage patients with a sporadic or genetic risk of colorectal cancer. Expert Rev Gastroenterol Hepatol,7&#),还与其他抗肿瘤药物合用临床实验治疗非小细胞肺癌。}