基于晶体结构的DPP-4和AT1受体双靶点调节剂先导化合物发现与抗糖尿病肾病作用研究

Diabetic nephropathy (DN) is the most common complication of diabetes. Current treatments cannot fully prevent the development and progression of diabetic nephropathy, and an unmet need remains for additional novel therapies. Multi-target therapeutics with their various pleiotropic effects have become new trend of drug discovery. Dual modulators of DPP-4 and AT1 receptor have potential to be new therapeutic agents for DN. In previous studies, we have identified some hit compounds with preferable DPP-4 but weak AT1 activities, thus further optimization is needed to improve the AT1 activities. In this project, based on the crystal structure of DPP-4 and AT1 receptors, combined with the systematically molecular docking and structure-activity relationships studies, a key pharmacophore model of dual modulators was developed, and then novel diverse compound libraries with the characteristics of pharmacophore were constructed by using structure-based drug design, combined with scaffold hopping, hybridization principle and bioisosterism strategies. After virtual screening, chemical synthesis, and biological evaluations and mechanism studies at different levels, novel lead compounds of dual DPP-4/AT1 modulator with excellent DPP-4 and AT1 activities will be achieved, expected to possess anti-DN activity in vitro/in vivo. The project tried to apply the multi-target drug strategy to complex metabolic diseases for discovery of new therapeutic agents of DN, which can provide scientific evidence for developing new drugs for the treatment of DN.

糖尿病肾病（DN）是糖尿病最常见的并发症，目前尚无特效治疗药物。致病因素复杂是当前DN药物治疗的瓶颈，针对多种致病因素的DPP-4和AT1双靶点调节剂具有成为新型DN治疗药物的潜力。课题组前期发现了多个DPP-4/AT1双靶点调节剂，DPP-4活性和临床使用药物相当，但是未找到双靶点活性均强的先导物。本课题基于DPP-4和AT1受体晶体结构、前期的构效关系研究以及分子对接结合模式提出双靶点调节剂的关键药效团模型，基于该模型，利用基于结构的药物设计原理与骨架跃迁原理、拼合原理和生物电子等排原理设计多样性的化合物库，再通过虚拟筛选，化学合成获得目标化合物，最后在受体水平、细胞水平和动物水平评估抗糖尿病肾病作用并探讨作用机制，以期开发出具有抗DN的DPP-4/AT1活性均显著的双重调节剂先导物。我们应用多靶点药物策略探究治疗DN的新思路，可为研发新型抗DN药物提供科学依据。

糖尿病肾病（DN）是糖尿病最常见的并发症之一，超过1/4的糖尿病患者最终会出现慢性肾病。致病因素复杂是当前DN药物治疗的瓶颈，针对多种致病因素的DPP-4和AT1双靶点调节剂具有成为新型DN治疗药物的潜力。本课题运用药物化学的研究思路和手段，开展新型DPP-4和AT1双靶点调节剂研究。首先，基于DPP-4和AT1受体晶体结构、前期的构效关系以及分子对接结合模式提出双靶点调节剂的关键药效团模型，并对苗头化合物进行结构改造，设计并合成目标化合物27个，其中化合物I-16的DPP-4活性略优于上市药物西格列汀，AT1活性优于苗头化合物ZLQ-001，分子模拟表明四氮唑部分的N原子以及β-丁酰胺部分的羰基与Arg167形成氢键作用，提升了化合物的AT1活性。进一步的体内药效研究表明，化合物I-16的羧酸酯I-18能够改善昆明小鼠口服糖耐量，在高脂饮食诱导的C57BL/6糖尿病模型小鼠中，I-18的降血糖活性优于西他列汀。其次，对化合物ZLQ-001开展体内活性研究，ZLQ-001治疗STZ诱导糖尿病模型鼠4周后，能够有效控制血糖，小鼠的胰岛细胞数量明显增加；同时ZLQ-001能够显著降低血压。另外，将联苯羧酸改造为苯甲酸后，发现化合物的DPP-4抑制活性很强，但AT1活性较弱，因此开展了新型DPP-4抑制剂相关研究：①应用苯甲酸药效团，通过同时作用于Trp629和Lys554锚点残基，设计发现了强效DPP-4抑制剂化合物I-2b，IC50达到1.7 nM。②应用骨架跃迁策略，将化合物2b的骨架尿嘧啶替换为黄嘌呤，发现活性在皮摩尔级的DPP-4抑制剂，最好的化合物达到0.1 nM，为现有文献报道的活性最强的化合物之一，且化合物具有较长的半衰期，较好的生物利用度等药代动力学性质，对体内DPP-4酶的抑制强于阿格列汀，具有成为长效DPP4抑制剂的潜力。③将原有的邻苯甲酸的羧基迁移到间位和对位，发现间位苯甲酸和苯甲酸酯活性更优，引入卤素后DPP-4抑制活性进一步提高，优选化合物II-3b具有非常好的选择性、代谢稳定性和生物利用度，同时具有较长的半衰期和长效持续DPP-4抑制活性，具有进一步研究的潜力。通过系统研究DPP4/AT1的构效关系，为后续的DPP-4/AT1相关化学或生物学研究提供重要的参考，同时为后续小分子优化奠定基础。