基于结构的选择性PAK4抑制剂的设计、优化及抗肿瘤活性研究

Metastasis of malignant tumor is the main cause of tumor related death, which is a complicated biologic process. The p21-activated kinases 4 (PAK4) plays important roles in cytoskeletal organization, cellular morphogenesis, and survival and have generated significant attention as potential therapeutic targets for cancer. Based on previous research results, our current research is intended to design and synthesis selective PAK4 inhibitors with high potency and selectivity by means of techniques from areas of structural biology, computational chemistry, pharmacokinetics and cell biology. Based on precision drug design strategy, the studies will focus on modification of the lead compound according to the “Hot-spot residues” in ATP-binding site that govern the subtype selectivity within the PAKs family. The structures with good activities and drug-likeness will be synthesized for further in vitro and in vivo biological assay to validate the inhibitory effects. Furthermore, our research work will provides an important resource to further interrogate the perturbation of PAK4 signaling and paves a road towards discovering some potent, orally available small-molecule PAK4 inhibitors with significant promise for the treatment of human cancers.

恶性肿瘤转移是目前癌症治疗中导致手术及化疗失败的主要原因。p-21活化激酶4 (PAK4) 与细胞骨架的动态变化密切相关，在肿瘤的发生、发展，特别是侵袭转移中具有重要作用，被认为是发现新型抗肿瘤药物的重要潜在靶标。本项目拟在前期PAKs靶点相关研究的基础上，借助多学科交叉的优势，针对现有抑制剂选择性低、类药性质差等缺点，以PAKs 两大亚家族代表PAK1和PAK4为研究对象，基于靶标结构中关键残基的差异进行精准药物设计，开展选择性PAK4抑制剂的合成和活性筛选，阐明其选择性的分子机制并进行构效关系研究；通过针对性的成药性优化，获得代谢稳定、生物利用度高的选择性PAK4抑制剂，评价其在体外及动物体内的抗肿瘤活性并阐明其抗肿瘤机制，为发现新型抗肿瘤药物特别是抗肿瘤转移药物奠定基础。

恶性肿瘤转移是目前癌症治疗中导致手术及化疗失败的主要原因。p-21活化激酶4 (PAK4)与细胞骨架的动态变化密切相关，在肿瘤的发生、发展，特别是侵袭转移中具有重要作用，被认为是发现新型抗肿瘤药物的重要潜在靶标。首先，本项目为改善CZh-226的不良PK性质，课题组采用前药策略，设计并合成了12个全新的前药分子。尽管PK性质有所改善，但是活性测试发现许多PAK4抑制剂在肿瘤细胞增殖抑制上成效不足。我们推测PAK4的非激酶活性亦可促进肿瘤细胞的增殖并能介导肿瘤细胞的迁移、侵袭。有鉴于此，我们认为在靶向PAK4的激酶活性的同时，一并抑制PAK4的非激酶活性，或许可以提高化合物整体的抗增殖活性。因此，我们计划使用靶向蛋白降解技术来解决这一问题。然而，课题组前期发现的小分子PAK4抑制剂不具备Protac分子的天然的可修饰位点。故我们利用已构建的PAK4蛋白表达体系与高活性化合物进行共结晶研究，结合分子模拟，设计、合成了嘧啶类PAK4小分子抑制剂20个。然而，进一步激酶活性测试中发现其激酶选择性低。紧接着，通过蛋白序列的叠合分析，总结PAK4小分子抑制剂的必需药效团特征，渐进式的对GNE-2861进行了改造。此部分综合运用分子叠合、生物电子等排技术、基于结构的药物设计方法和计算机辅助药物设计技术，设计并合成了以6-炔基吲哚为母核的四个系列，共计85个化合物。在此工作的基础上，以D11为PAK4结合配体，泊马度胺（或来那度胺）作为E3连接酶CRBN配体，设计并合成30个PROTACs分子及一个阴性对照分子。并完成了完成PROTAC分子的激酶抑制能力、细胞抗增殖能力、PAK4的降解能力、抗迁移和侵袭能力、机制验证等相关评价。.综上所述，本项目设计合成3类新型的PAK4抑制剂和1类PAK4降解剂，并完成了构效关系讨论和药理活性研究。所做工作经整理发表SCI论文3篇，授权专利2篇，培养博士研究生3名，硕士研究生6名。该项目所研究的工作为PAK4抑制剂和降解剂的开发提供了新的思路，具有很高的理论意义和实用价值。