新型结构IDO1抑制剂的发现及其逆转肿瘤免疫逃逸与抗癌作用研究

Tryptophan metabolism catalyzed by IDO1 is considered as a crucial mechanism in tumor immune escape and it is also considered as an important therapeutic target for small-molecule intervention. In previous studies, we had solved the problems on protein flexibility and iron-ligand interactions by theoretical calculation and then applied to subsequent virtual screening, leading to identify the hit V-2(IC50:0.69μM), which showed the best activity derived from virtual screening. Furthermore, the third binding region was found for the first time by use of molecular dynamic simulation technology, resulting in discovering a more potent compound Z-83(IC50:9.19nM), which could significantly reverse T cell inhibition and Tregs differentiation mediated by IDO1 under the concentration of 30nM. In addition, based on the residue Cys129 in pocket A, we had also found the irreversible inhibitors that had never been reported before. In this proposal, we will use the previously identified V-2 and Z-83 as our chemical starting points to discover novel IDO1 inhibitors with high inhibitory activity and good drugability properties for preclinical research, which can effectively reverse tumor immune escape. What is more, we hope to develop covalent agents of IDO1 with high activity and investigate their application in cancer immunotherapy.

IDO1作为一种重要的免疫抑制分子可通过催化色氨酸代谢介导肿瘤免疫逃逸，已成为研发肿瘤免疫治疗小分子药物的热门靶点。申请人前期采用理论计算解决了IDO1的柔性和金属-配体相互作用的问题，并应用于虚拟筛选发现了迄今虚筛来源的活性最高的IDO1抑制剂V-2(0.69μM)。我们还运用分子动力学模拟首次发现了IDO1活性位点的第三个结合区域，据此设计并发现了高活性Z-83(9.19nM)，其在30nM下便能有效促进T细胞增殖，并抑制调节性T细胞分化。另外，我们还首次基于A口袋Cys129设计并得到了IDO1不可逆抑制剂，这一全新的作用方式未见文献报道。本项目拟以V-2和Z-83为先导化合物开展结构优化及逆转IDO1介导的肿瘤免疫逃逸与抗肿瘤作用研究，旨在发现活性高且成药性好的IDO1抑制剂供临床前评价。此外，本项目还将设计并合成高活性的IDO1不可逆抑制剂，以探索其用于肿瘤免疫治疗的可行性。

近年来，以PD-1/PD-L1单抗为代表的肿瘤免疫治疗获得了快速发展，其适应症已拓展到大多数常见的肿瘤类型，显著改善了肿瘤患者的生存时间，提高了患者的生活质量。然而，这些单抗存在应答率低和获得性耐药等缺陷。研究表明，这与其治疗时产生的IFN-γ诱导IDO1过表达有关。因此人们希望通过IDO1抑制剂来解决上述难题。为此，我们利用理论计算探索了小分子抑制剂与IDO1的相互作用，为苗头化合物的发现和结构优化提供了理论依据。在此基础上，我们采用组合虚拟筛选策略，从ChemBridge和Specs化合物库中筛选得到了4个苗头化合物，随后通过结构优化发现了两类新型holo-IDO1抑制剂，并经实验证明了它们能够通过与holo-IDO1蛋白结合逆转其介导的免疫逃逸，从而有效抑制免疫健全小鼠移植瘤的生长。接着，我们设计并合成了一系列含有共价亲电弹头—Michael受体的丙烯酰胺类化合物，探索了该类化合物逆转IDO1介导的免疫抑制、体内药效学以及抗肿瘤作用机制。此外，我们还开展了先导物Z-83的结构优化研究，探索了该类化合物的构效关系，发现了一系列高活性的吲哚类抑制剂。重要的是，我们发现该类化合物与靶蛋白的作用有别于holo-IDO1抑制剂。一系列实验证实了该类抑制剂通过与apo-IDO1蛋白而非holo-IDO1结合，阻断heme与IDO1重新装配，从而抑制靶蛋白的催化活性。值得一提的是，随后我们还发现了一系列更高活性的apo-IDO1吡咯类抑制剂，大多数化合物的IC50达到皮摩尔级，其中化合物30和52更是达到16pM和10pM，明显强于正在III期临床开发的BMS-986205，是至今为止活性最强的IDO1抑制剂。一系列药理实验结果表明，这些化合物在低剂量下便能有效逆转IDO1介导的免疫抑制，从而在多种免疫健全小鼠移植瘤模型中显示出强效抗肿瘤作用，并且与PD-1单抗联用可以明显增加其抗肿瘤活性，因此值得深入研究。本项目的实施为后续开展候选化合物的临床前评价奠定了基础，同时为新型apo-IDO1抑制剂研发提供了新的思路，而且还培养了项目合作双方的9名硕士生、2名博士生、2名博士后学者和1名青年教师,该老师获得了2019年国家自然科学基金优秀青年基金资助，强化了团队合作，提升了创新能力，并且推动了免疫小分子药物研发技术平台的建设。