选择性识别磷酸二酯酶PDE9的嘧啶酮类衍生物：设计、合成与分子机制研究

Phosphodiesterase-9 (PDE9) has been identified to be a new molecular target for the treatment of Alzheimer's disease (AD). However, its inhibitors have widespread subtype selective defects, thus how to design selective inhibitors is becoming one of the challenges of PDE9. We first reported the more highly selective inhibitor pyrimidinone W28 than Pfizer clinical trial drug PF04447943 (targeting unique residues Y424, JMC 2012), and its crystal structure confirmed this residue determined the selectivity of W28 towards PDE9, but conserved residues such as Q453 had no effect on the selectivity. How do selective inhibitors specifically recognize PDE9? So far it is not reported. Based on the established PDE screening and structural biology platforms for selective inhibitors, the project intends to design and synthesize a new series of pyrimidinone analogues by targeting multiple unique residues in the binding site pocket. In terms of PDE subtypes, PDE9 inhibition,and neuroprotective effects, we will preferably discover 3-5 selective inhibitors and clarify their mechanism of action towards PDE9. The project proposes to integrate chemical and biological characteristics as so to design novel inhibitors, which may increase the druggability of target compounds and thus lay the theoretical foundation for the development of new anti-AD drugs by targeting PDE9.

磷酸二酯酶PDE9是当前备受关注的抗阿尔茨海默病（AD）新靶点。但其抑制剂普遍存在亚型选择性低的缺陷，设计选择性抑制剂已成为PDE9研究的重大挑战之一。我们首次报道了选择性明显优于辉瑞临床试验药物PF04447943的嘧啶酮化合物W28（定向特有残基Y424设计得到，JMC 2012）；晶体结构证实该残基决定靶点对W28的选择性，但重要保守残基如Q453对选择性无影响。选择性抑制剂是如何靶向识别PDE9？迄今尚无文献报道。 本项目在我们建立的PDE选择性抑制剂筛选和结构生物学平台基础上，拟针对结合口袋特有残基如Y424、F441等，设计合成系列新型嘧啶酮化合物，综合其对PDE各亚型选择性、PDE9抑制效价及神经保护作用优选出3-5个目标化合物，并阐明选择性抑制剂的作用机制。本课题提出综合化学及生物学特征设计新型抑制剂以提高目标化合物的成药性，为靶向PDE9的新型抗AD药物研发奠定理论基础。

老年性痴呆(AD)已成为严重社会问题，目前尚无理想治疗药物。在项目执行期，项目组已建立以PDE9A为作用靶标的抗老年性痴呆的药物设计、有机合成和活性筛选平台。项目组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120个化合物，从中优化并发现了三个优选化合物。 a）候选化合物LW33具有较好体外酶抑制活性（PDE9, IC50 = 11 nM，对PDE1B的选择性大于40倍）、体内抗AD药效(与多奈派齐相当)、安全性（急性毒性大于1.5 g/kg）和代谢稳定性（口服生物利用度为56.5％）。b）在此基础上，定向重要残基Y424和A452设计，进一步优化得到抑制效应最高的优选化合物36d（PDE9, IC50 = 0.6 nM），其比LW33具有更高选择性（对PDE1B大于700倍）。共晶结构发现Y424与其存在较强氢键作用，是该化合物具有较高选择性的物质基础，A452与36d的氢键作用进一步提高其抑制活性，但该化合物只有10%的口服生物利用度。c）项目在36d基础上，进一步优化得到优选化合物91，其具有较好的体外活性（PDE9, IC50 = 8 nM）/选择性(大于100倍)、较高的口服生物度（32.3%），预实验显示该化合物具有较好抗AD体内药效，有望发展为抗AD药物。本课题提出综合化学及生物学特征设计新型抑制剂以提高目标化合物的成药性的药物设计策略，为靶向PDE9 的新型抗AD 药物研发奠定了理论基础。d）在本项目资助下，申报人以通讯作者发表SCI论文18篇（影响因子大于5的五篇，其中两篇为本领域的权威期刊J Med Chem，项目原计划发表SCI论文2-4篇），且都已在论文中备注并致谢。在本项目支持下，申请人主持国家重点研发计划项目（经费：749万，2017年）一项，国自然优青（2015年）/面上项目（2015年）各一项，获得2014年度的中国药学会－施维雅青年药物化学奖，于2016年入选广东省“珠江学者”特聘教授 。已申请化合物国内发明专利5项（授权一项国内发明专利、授权一项美国专利）；培养9个研究生。