基于定向识别的新型脲酶抑制剂的设计、合成和活性研究

Urease is a specific pathogenic factor to cause diseases such as infectious gastritis, gastric ulcer and urolithiasis. Urease inhibitors (UIs) are therefore regarded as first-line drugs for treating urease caused diseases. A troublesome problem for a UI developing to a clinical drug is how to design efficient UIs. We foucused our efforts to break the limitation for UI development, and a series of novel UIs were therefore found in our group. Based on the specific hydrophobic surface (S1) which was newly identified in our group, design of a molecule for simultaneous recognition of the urea-binding site and S1 site must be an excellent novel strategy to achieve a high active UI. In the light of this hypothesis, the hydroxamic acid moiety in the lead arylaminopropionylhydroxamic acid and the new introduction group sulfamido moiety as binding fragments are used to directionally recognize the urea-binding site and S1 site respectively. Modification of these two fragments and design of the linker are carried out in Muse and Sybyl enviroments following Fragment-Based Drug Design. Potencies of the obtained compounds are evaluated through in vitro and in vivo models, and their drug-likeness is evaluated through determinations of toxicological and pharmacokinetic properties. One to two hits with IC50 in the range of nM level are expected to be obtained for further clinical research after 1-3 optimization cycles, which may provide a basis for drugs with independent intellectual property rights. This project will open a door for UI discovery, and show very important role for breaking through the bottleneck and the unique clinical drug in UI field.

脲酶是感染性胃炎、胃溃疡、尿路结石等疾病的关键致病因子，脲酶抑制剂（UI）被视为治疗此类疾病的首选药物。然而如何获得高效UI是目前UI发展成为临床药物所面临的重大难题。本项目开展了大量新型UI的前期研究，致力于突破UI研究的局限，发现了脲酶独特疏水区（S1），提出基于尿素结合区和S1区定向协同识别的思路来设计高活性UI的新方法。将先导化合物芳胺基丙酰氧肟酸的氧肟酸部分和新引入的磺酰胺基分别作为尿素结合区和S1区定向识别的片段，通过Muse和Sybyl软件平台实现片段及之间linker的设计和优化，通过体外和体内病理模型相结合的方法来评价化合物的有效性，通过毒理学和药代动学研究来评价化合物的类药性，经历1-3个优化循环，力争获得1-2个IC50达nM有临床应用价值的UI，为获自主知识产权药物奠定基础。本项目将为UI研究打开新思路，对突破UI研究瓶颈、打破UI唯一临床药物的现状具有重大意义。

尿素酶是感染性胃炎、胃溃疡、尿路结石等疾病的关键致病因子，尿素酶抑制剂被视为治疗此类疾病的首选药物，研究团队利用尿素酶独特疏水区S1和尿素结合区，根据定向协同识别的思路进行高活性尿素酶抑制剂设计，将能定向识别尿素结合区的氧肟酸、硫脲、氨基片段和能定向识别S1区的磺酰胺基片段进行融合，设计并合成了磺酰胺基-氧肟酸、N-酰基硫脲类、N-取代氨基硫脲类、二硫酰胺类、二磺酰基间芳基二胺类、N-磺酰基芳胺类等8个系列的新型尿素酶抑制剂300多个。从中发现了高活性、低毒性值得进一步研究的新型尿素酶抑制剂62个，活性均显著高于阳性对照，部分抑制剂活性是市场药物AHA的600倍以上，对活细胞尿素酶也具有良好的抑制作用，其中部分抑制同时具有抗H. pylori作用，最好的抗菌活性与市场药物阿莫西林相当，预示着它们有较高的成药性，值得进一步研究，具有良好的开发与应用前景。本项取得了预期的研究成果，达到了预期的研究目标，在药物化学主流期刊上共发表SCI收录论文6篇，获授权发明专利2项，正在整理和投稿中的论文2篇。主要研究成果体现在如下几方面：（1）发现了高活性、低毒性值得进一步研究的新型尿素酶抑制剂。活性最好的化合物抑制尿素酶的IC50为0.011 μM，活性是AHA的2400多倍，部分化合物还同时对活细胞尿素酶具有良好的抑制作用及兼有抗H. pylori作用。（2）揭示了这些新型抑制剂的构效关系。为进一步的结构优化提供了良好的基础和重要的理论指导。（3）阐述了抑制剂的作用机制和可能的结合模式。作用机制研究揭示这些类型的尿素酶抑制剂均为可逆抑制剂，并具有混合型抑制机制，获得了K_i、K_i^'和KD等重要的动力学参数，它们揭示有这些抑制剂对尿素酶具有很强的亲和能。分子对接研究揭示了这些抑制剂与尿素酶作用时可能的结合模式，其可靠性得到了分子动力学研究的支持，为尿素酶抑制剂的进一步设计与优化提供了理论指导。（4）优化了N-单取代磺酰胺类化合物的合成方法。在尝试了常规方法均无法合成N-单取代磺酰胺类化合物后，在揭示形成N,N-二磺酰基苯胺衍生物的本质的基础上提出解决方案，并成功获得合成N-单取代磺酰胺类化合物的方法，为类似化合物的合成提供了指导。