抗慢性阻塞性肺病PDE4高选择性抑制剂的发现:天然产物桑辛素M的结构优化及生物活性研究

Phosphodiesterase-4 (PDE4) has been paid much attention as a novel target for anti-asthma and anti-COPD (Chronic obstructive pulmonary diseases) drugs, but the defects of low selectivity for its inhibitors caused many side effects and severely limits its application in clinical research. Therefore, the discovery of highly selective inhibitors has become the key problems which need to be solved urgently in PDE4 drug research. Our recent research shows that the natural product moracin M has good PDE4 inhibitory activity and good selectivity for PDE subtypes. Meanwhile, we have completed the synthetic work of moracin M. And we obtain the crystal structures of PDE4 in complexes with the derivatives p56 to identify important residues which affect the selectivity of inhibitors. In the present project, targeting the important residues in the active pocket, we will design and synthesize of new series of moracin derivatives. In view of their inhibition on PDE different subtypes and PDE4 inhibitory activity, we will select 1-3 leads. This project will elucidate the molecular recognition mechanism of selective PDE4 inhibitors, and provide more scientific basis for the design of highly selective PDE4 inhibitors.

磷酸二酯酶4型(PDE4)是当前备受关注的抗哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)药物新靶点，但其抑制剂因选择性低而导致诸多副作用，严重限制了药物的临床应用。因而，高选择性抑制剂的发现已成为PDE4药物研究亟需解决的关键问题之一。项目组近期的研究发现：骨架新颖的天然产物桑辛素M具有较好的PDE4抑制活性和选择性，并实现了该化合物的高效合成；此外，还获得了衍生物p56与靶标的共晶结构，进而发现影响活性的多个结构要素。本项目拟在已有基础上，针对桑辛素M多个可修饰区域，综合采用多种药物设计方法，设计合成系列桑辛素类衍生物，测试其对PDE4的抑制活性、PDE各亚型的选择性，优选出1-3个nM级选择性先导化合物。通过开展先导化合物与PDEs的相互作用研究，揭示影响选择性的关键氨基酸残基，并通过点突变加以验证，阐明PDE4识别选择性抑制剂的分子机制，为设计选择性高活性强的PDE4抑制剂提供更充分的科学依据。

磷酸二酯酶（PDEs）在人体内分布广泛，家族成员包括11种亚型（PDE1-11），它们具有不同的生理功能，其作为新型的药物靶点参与多种疾病的治疗。近年来， PDE4抑制剂已成功应用于临床治疗哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）等疾病。但现有该类药物因亚型选择性不高而存在一定程度的恶心、呕吐等副作用。因而，高选择性抑制剂的发现已成为PDE4药物研究亟需解决的关键问题之一。项目组前期研究发现骨架新颖的天然产物桑辛素M具有较好的PDE4抑制活性和选择性。本项研究设计并合成系列新型桑辛素衍生物，目前经过两轮的结构优化共获得32个衍生物，其中14个衍生物的PDE4抑制活性<1.0μM，5个衍生物的PDE4抑制活性<200nM，2个衍生物的PDE4抑制活性为100nM左右。目前正进行第三轮的结构优化。同时，本项目研究中充分考虑现有上市PDE4抑制剂存在的缺陷（PDE4亚家族无选择性，特别是PDE4B与PDE4D），并从结构生物学角度出发，表达、纯化获得了PDE4的蛋白全长结构，为后续亚型选择性研究提供科学依据。.在完成本项研究工作的同时，以本项目的研究方法为指导还进行了四个方面的研究工作：（1）针对项目组前期获得的高活性PDE5抑制剂，进行进一步的成药性优化研究，最终获得高活性高选择性PDE5抑制剂，并获得了优选化合物与蛋白的共晶结构。抗肺动脉高压（PAH）动物实验研究显示，该化合物具有比阳性药物西地那非更好的体内药效，具有开发成抗PAH药物的良好前景。（2）通过基于分子动力学模拟的虚拟筛选获得两个高活性的PDE10抑制剂，并开展后续的结构改造与生物活性研究，经过三轮的结构优化获得12个高活性高选择性PDE10抑制剂，并通过动物实验研究验证了PDE10可作为抗PAH的治疗靶标。（3）通过实体筛选小分子化合物库，获得9个化合物具有较好的醛酮还原酶AKR1C3抑制活性，其中以吡唑并吡喃类化合物S18具有最佳的AKR1C3抑制活性，其IC50值为0.142μM。（4）为丰富药用优势骨架的合成方法，发展了一类无过渡金属催化剂参与的苯环C-H直接芳基化反应。.通过本项研究，为设计选择性高活性强的PDEs抑制剂提供更充分的科学依据。