新型抗肺动脉高压PDE5高选择性抑制剂的结构优化和分子机制研究

Phosphodiesterase-5 has been paid much attention as a novel target for anti-PAH (Pulmonary arterial hypertension) drugs, but the defects of low selectivity for its inhibitors caused many side effects. Therefore, the discovery of highly selective inhibitors have become the key problems which need to be solved urgently in PDE5 research. We constructed a PDE5 inhibitor entity library with a skeleton of 1-arylchromeno[2,3-c]pyrrol-9(2H)-one recently. Compared with the reference drug sildenafil, the lead compound 5r gave a different skeleton structure and equivalent anti-PAH efficacy, but higher selectivity. Crystal structure shows 5r entered into the Q2 pocket of PDE5, while sildenafil did not show this feature. Both gave different binding patterns and molecular mechanisms. In the present project, targeting the important residues in the Q2 pocket, we will design and synthesize of new series of pyrrole chromones compounds. In view of their inhibition on PDE different subtypes, PDE5 inhibitory activity, pharmacodynamics of PAH, and safety properties, we will select 1-3 leads. In addition, we obtain the crystal structures of PDE5 in complexes with the leads to indentify important residues which affect the selectivity of inhibitors, and validate those residues by means of mutation and bioassay. This project will elucidate the molecular recognition mechanism of selective inhibitors of PDE5, and provide more scientific basis for the design of highly selective inhibitors against PDE5.

磷酸二酯酶PDE5是当前备受关注的抗肺动脉高压（PAH）药物新靶点，但其抑制剂因亚型选择性低导致诸多副作用。因而，设计高选择性抑制剂已成为PDE5研究亟需解决的关键问题。我们近期构建了吡咯色原酮类PDE5抑制剂实体库，其中先导化合物5r与对照药物西地那非相比，具有骨架结构新颖、抗PAH药效相当但选择性更高等特点。共晶结构显示5r进入PDE5的Q2口袋，而西地那非未显示该特点，两者具有不同的作用模式和分子机制。本项目拟在已有基础上，定向Q2口袋的多个残基，使用多种药物设计方法，设计合成系列新型吡咯色原酮类化合物，综合其对PDE各亚型选择性、PDE5抑制效应、抗PAH药效和初步安全性等性质，优选出1-3个先导结构；开展先导结构与靶标的相互作用研究，揭示影响抑制剂选择性的关键性残基，并通过点突变加以验证，阐明PDE5识别选择性抑制剂的分子机制，为PDE5高选择性抑制剂的设计提供更充分的科学依据。

肺动脉高压（PAH）是一类肺血管阻力病理性升高的恶性肺血管病，最终导致右心衰竭而死亡，死亡率极高，目前尚无理想治疗药物。项目组已建立以PDE5为作用靶标的抗PAH药物设计、合成和筛选平台，综合计算机辅助药物分子设计、有机合成、体外活性测试、体内代谢测试、动物体内药效等方法，先后合成了200个化合物，从中优化并发现了三个优选化合物。A）定向Q2口袋设计，优化得到候选化合物1607（IC50=5.4nM，选择性大于10倍），具有显著的抗PAH药效作用（体内药效是阳性药物西地那非的4倍），且有使用方便（口服，1小时内起效）、时效长（口服生物利用度为61）和毒性低（急性毒性大于1.5g/kg）等优点，特别适合作为缺氧环境（高原、深空和深海）部队的特种药物使用。该成果于2017年发表在药物化学领域排名第一期刊J Med Chem上，且为封面论文，目前已许可给广州博济医药生物技术有限公司，并进入临床前评价。B）在1607基础上，进一步优化得到候选化合物1716（IC50=0.32nM，选择性大于10倍），抗PAH体内药效是阳性药物西地那非的8倍，该成果于2018年发表在药物化学领域排名第一期刊J Med Chem上，且为封面论文。C）但该类骨架均没有解决PDE5抑制剂的选择性问题，项目组通过进一步探索，发现2058等系列化合物对PDE6选择性优于3500倍，明显优于西地那非、他达那非、1716和1607，预实验显示该化合物具有较好抗PAH体内药效和较高的安全性。针对PDE5亚型，提出并得到验证的2条设计策略，可明显提高PDE5抑制剂的亚型选择性，为从根本上扭转PDE抑制剂选择性较低的缺陷提供了开创性的新设计策略；有利于提升我们在PDE研究领域的国际地位。D）在本项目资助下，发表16篇SCI论文（其中6篇项目负责人为最后通讯作者发表在药物化学领域排名第一期刊J Med Chem），且都已在论文中备注并致谢。在本项目支持下，申请人还获批国家重点研发计划项目和国自然面上项目各一项。已申请化合物国内发明专利16项；培养10个研究生；并获得教育部科技进步二等奖和中国化学会青年计算化学家奖。