1、作用于過氧化物酶體增殖因子活化受體的藥物設計學案內 容PPAR 激動劑PPAR 激動劑PPAR 部分激動劑PPAR 拮抗劑PPAR / 雙重激動劑PPAR 激動劑PPAR / 三重激動劑2一、簡介型糖尿病，又稱為非胰島素依賴型糖尿病（non-insulin-dependent diabetes mellitus，NIDDM），占糖尿病患者的90%以上。現在，已有一億兩千萬人口患有糖尿病。據估計，到2020年，這一數字將達到二億。 治療型糖尿病的基本方法是控制血糖水平。但是，降糖治療會導致心血管并發癥如視網膜病的發生。這說明，研制開發新型高效低毒的糖尿病藥物已經迫在眉睫。在研發降糖新藥的各種方法

2、中，引人矚目的一個方法是研發過氧化物酶體增殖因子活化受體（peroxisome proliferator-activated receptors，PPARs）的激動劑。3過氧化物酶體增殖因子活化受體（PPARs）是由Issemann和Green在1990年發現的。過氧化物酶體增殖因子活化受體（PPARs）屬于核受體超家族的成員，也是一類由配體激活的轉錄因子。該受體發現以后的短短幾年間，科學家識別了該受體的三個亞型，分別為PPAR (NR1C1), PPAR (NR1C2) (also known as PPAR , NUCI, FAAR) 和PPAR (NR1C3). 4PPAR 存在于肝臟和

3、骨骼肌組織中。在這些組織中，PPAR 調節基因的表達，如脂肪的代謝和平衡。PPAR 廣泛存在于各種組織中，但是其功能尚未明確。PPAR 主要存在于脂肪組織。體外實驗表明，PPAR 在脂肪細胞分化過程中起著重要作用。這說明，PPAR 是脂肪儲存利用方面的一個重要成分。5PPAR當被特定的小分子（如類固醇、類維生素A、脂肪酸等）激活以后，PPAR與類維生素A受體形成二聚物。該二聚物與某些基因上游的特異的一段DNA，亦稱為過氧化物酶體增殖因子反應元件（peroxisome proliferator responsive element，PPRE，位于靶基因的調節區）結合，然后刺激了關于脂代謝和脂平衡

4、的基因轉錄。PPREs的作用是編碼蛋白質，包括脂質和脂蛋白代謝。PPAR與類維生素A受體二聚物的激活與控制脂質，糖類和能量平衡的基因密切相關。所以，PPARs不適當的激活或者失活會導致疾病的發生，如型糖尿病、心血管病，等。6近十年來，PPARs介導各種代謝過程的能力已經使其成為藥理學和遺傳學研究的焦點。現在的藥學研究目標是尋找PPAR的配體，以期發現新型高效低毒的抗糖尿病藥物。現已發現的配體包括：PPAR 激動劑（抗動脈粥樣硬化，抗脂異常）；PPAR 激動劑（用于治療型糖尿病）；PPAR 部分激動劑（抗糖尿病活性，副作用小）；PPAR 拮抗劑（是研究PPAR 信號通路的工具）；PPAR / 雙

5、重激動劑（能協同的改善糖脂代謝）；PPAR 激動劑（可能對脂循環有作用）；PPAR / 三重激動劑（有抗糖尿病活性）。7二、PPAR 激動劑天然PPAR 激動劑 蝶芪（音齊）（Pterostilbene (1)）是PPAR 的激動劑。82. 合成的 PPAR 激動劑2.1 苯氧基烷酸類（貝特類，Fibrates）及其類似物 近年來，貝特類藥物，如氯貝丁酯(clofibrate，2)、非諾貝特(fenofibrate，3)、苯扎貝特(bezafibrate，4)(Fig. 1)是臨床上廣泛應用的影響膽固醇和甘油三酯代謝的藥物。 Fig. 1. 貝特類藥物 92. 合成的 PPAR 激動劑102.

6、 合成的 PPAR 激動劑雖然貝特類藥物是PPAR配體，但是其親和力很弱（需要微摩爾濃度才能激活PPAR ），PPAR亞型選擇性很差。因此，需要大劑量使用(about 300-1200 mg/day)，才能起效。因此，需要研發更有效的具有亞型選擇性的PPAR 激動劑。112. 合成的 PPAR 激動劑據報道，具有手性中心的貝特類藥物(5, Fig. 2)的立體化學性質影響其藥理活性。科學家合成了一些具有手性中心的無環貝特類似物(5, Fig. 2)和成環貝特類似物(6-8, Fig. 2)。活性測試表明，成環后，化合物剛性增加，表現出抑制脂肪分解的活性。Fig. 2. 無環貝特類似物(5)和成

7、環貝特類似物(6-8)122. 合成的 PPAR 激動劑GlaxoSmithKline(葛蘭素史克)公司發現了一個PPAR 激動劑GW9578 (9)，也是苯氧基烷酸類似物。 132. 合成的 PPAR 激動劑Merck公司用1,3-二氧亞丙基linker鏈接酸性頭部和親脂性尾部，發現了2,3-二氫苯并呋喃-2-羧酸類化合物10，這是高效且具有亞型選擇性的PPAR 激動劑. 其EC50 1000倍。據推測，這類化合物的高選擇性是由于2,3-二氫苯并呋喃環引起的構象限制產生的。142. 合成的 PPAR 激動劑Eli Lilly(禮來)公司和Ligand公司發現了具有2,4-二氫-3H-1,2,

8、4-三唑-3-酮(三唑酮)母核的PPAR 激動劑。其中活性最好的一個化合物是LY518674 (11)，其對PPAR 的EC50 = 42 nM，且具有高度的亞型選擇性。LY518674已經進入臨床試驗研究。152. 合成的 PPAR 激動劑Meyer等人發現了K-111(12, BM 17.0744，-取代的烷基羧酸)是PPAR激動劑，且沒有PPAR 和PPAR 激動活性。162. 合成的 PPAR 激動劑 2.2 -取代的苯丙酸衍生物日本Kyorin公司選擇了KRP-297 (13，PPAR /雙重激動劑，對/活性相當)作為先導化合物，開發選擇性的PPAR激動劑。該公司科學家預測，將噻唑烷

9、二酮(thiazolidine-2,4-dione，TZD)母核替換成其他的酸性官能團，如貝特類藥物中的羧基，可能會減少PPAR 的親和力，有利于PPAR 的選擇性(Fig. 3)。根據這一思想，他們發現了一個PPAR 激動劑(S)-10 (14, KCL1998001079, -烷基苯丙酸衍生物)。該化合物對PPAR 有選擇性。Fig. 3. (S)-10的發現.172. 合成的 PPAR 激動劑Fig. 4. (S)-10的構效關系.182. 合成的 PPAR 激動劑2.3 惡唑基-絲氨酸類化合物 大多數合成PPAR , 和激動劑具有以下結構特征：極性頭部 “A” 通過短鏈“B”和芳環“C

10、”相連，芳環“C”又通過鏈“D”與疏水環“E”相連。短鏈“B”和鏈“D”有可以含有取代基F和G (Fig. 5)。Fig. 5. 合成PPAR , , 和 激動劑的結構特征.192. 合成的 PPAR 激動劑在此結構特征基礎上，Wei等人設計合成了一系列惡唑基-絲氨酸類PPAR激動劑，其中，15 是活性最好的一個，對PPAR 的 EC50 = 0.67 uM。20三、PPAR 激動劑 天然 PPAR 激動劑Palmer和Wolf發現了cis-parinaric acid (16, CPA, Fig. 6)（杷荏酸，十八烷四烯酸）是PPAR 激動劑，其Kd值是669 nM。這是脂肪酸激動PPAR

11、 的第一次報道。無環呋喃二萜化合物saurufuran A (17, Fig. 6) 是從Saururus chinensis（三白草）的根中得到的，是 PPAR 激動劑，EC50 = 16.7 uM。15-deoxy-12,14 前列腺素J2 (15-d-PGJ2, 18, Fig. 6)是 J-系列環戊烯酮前列腺素的代謝產物，是迄今最有效的天然PPAR 激動劑，其EC50 = 1-2 uM。Fig. 6. 天然PPAR 激動劑.212. 合成 PPAR 激動劑2.1 噻唑烷二酮類(Thiazolidinediones，TZDs)上世紀九十年代末，美國食品藥品管理局(Food and Dru

12、g Administration，FDA)批準噻唑烷二酮類(“glitazones” or thiazolidinediones)藥物上市，用于治療型糖尿病。這類藥物具有共同的結構特征：噻唑烷二酮母核(TZD)。222. 合成 PPAR 激動劑1997年，第一個噻唑烷二酮類藥物曲格列酮（troglitazone）上市。之后因陸續出現肝損害報告而撤出。1999年，羅格列酮rosiglitazone和吡格列酮pioglitazone上市，成為此類目前應用的主要品種。Fig. 7. 噻唑烷二酮類藥物232. 合成 PPAR 激動劑同時，在九十年代中期，科學家發現噻唑烷二酮類藥物的靶點是PPAR 。噻

13、唑烷二酮類藥物通過激動PPAR ，增加脂肪細胞、肝細胞、骨骼肌細胞對胰島素的敏感性，促進胰島素靶細胞對血糖的攝取、轉運和氧化利用；同時降低血糖及游離脂肪酸的水平。242. 合成 PPAR 激動劑Fig. 8. 噻唑烷二酮類PPAR激動劑的藥效團結構.Kurogi研究了噻唑烷二酮類藥物的可能藥效團結構。他將羅格列酮rosiglitazone和吡格列酮pioglitazone的結構分成連接區和效應區。連接區是噻唑烷二酮母核，效應區是決定生物活性的區域。在連接區和效應區之間有一個linker（Fig. 8）。252. 合成 PPAR 激動劑2.2 L-酪氨酸類化合物 22是PPAR 的激動劑，其EC

14、50在微摩爾數量級。以22為先導化合物，Glaxo Wellcome(葛蘭素威康)公司發現了PPAR 激動劑 23 (Fig. 9)。Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的發現.262. 合成 PPAR 激動劑對化合物的結構優化發現23結構中烯胺酮基團被2-氨基二苯酮基團替換得到24，活性更好(Fig. 9)。將24的芐基用4-乙基-5-甲基-2-苯基唑代替，得到高效選擇性的PPAR 激動劑25 (法格列酮，farglitazar) (Fig. 9)。Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的發現.272. 合成 PPAR 激動劑Glaxo Wellcome

15、（葛蘭素威康）公司又進一步研究了芳烷基醚基團的構效關系。將苯基惡唑基團中的苯基用極性基團代替，如吡啶基，得到26 (PPAR pKi = 8.85, PPAR pEC50 = 8.74)。將苯基惡唑基團中的苯基用極性基團代替，如4-甲基哌嗪基，得到27 (PPAR pKi = 8.66, PPAR pEC50 = 8.89)。這兩個化合物是選擇性的PPAR 激動劑，與法格列酮farglitazar相比，水溶性增加(Fig. 9)。Fig. 9. 法格列酮farglitazar及其衍生物的發現.282. 合成 PPAR 激動劑與噻唑烷二酮類藥物相比，法格列酮farglitazar對PPAR 的p

16、Ki = 8.94，pEC50 = 9.47，親和力和活性都有了較大提高。噻唑烷二酮類藥物與法格列酮親和力和活性的差別可以通過Fig. 10 得到解釋。法格列酮farglitazar現已進入期臨床實驗。292. 合成 PPAR 激動劑Fig. 10. PPAR 活性位點的氨基酸。催化區由SER289, HIS323, TYR473 and HIS449組成（藍色）。法格列酮farglitazar是PPAR 激動劑。在PPAR 活性位點左側底部，有一個口袋。法格列酮farglitazar的2-氨基二苯酮基團能夠伸入這個口袋。這種伸入導致了法格列酮farglitazar和PPAR 更有效的結合（主

17、要是通過疏水作用）。但是，噻唑烷二酮類藥物沒有能夠伸入口袋的基團。此外，-苯丙酸基團可以看作是芐基噻唑烷二酮的電子等排體。302. 合成 PPAR 激動劑 2.3 苯并惡嗪酮衍生物 Rybczynski等人發現了苯并惡嗪酮類化合物是PPAR 激動劑。這類化合物不含噻唑烷二酮母核。他們還研究了構效關系。苯并惡嗪酮的苯環上有取代基時，不利于活性。苯并惡嗪酮氮原子上連接脂肪側鏈時，活性最好，最佳側鏈長度是5-8個原子。化合物的立體化學也對活性至關重要。R構型化合物活性最好。28 和29是活性最好的兩個化合物，其PPAR EC50分別是110 nM 和274 nM。312. 合成 PPAR 激動劑2.

18、4 二芳基醚羧酸衍生物 LY293111 (30)是一個二芳基醚羧酸衍生物，也是一個PPAR 激動劑，已經進入期臨床實驗。322. 合成 PPAR 激動劑2.5 吲哚類化合物 Mahindroo等人合成了一系列吲哚類PPAR 激動劑，并研究了構效關系。正丙基或正丁基是最佳的linker連接；5-取代的吲哚、羧酸頭是最佳的PPAR 結合基團；苯基惡唑尾是最佳的效應基團。吲哚基團可與PPAR 活性位點疏水結合，是重要的結合基團。通過體外實驗，發現了先導化合物BPR1H036 (31)。 33四、PPAR 部分激動劑 最近臨床前研究表明，血管緊張素受體拮抗劑泰米沙坦telmisartan (32)是

19、選擇性的PPAR 部分激動劑。 34五、PPAR 拮抗劑上述PPAR 配體都是其激動劑。發現PPAR 拮抗劑能夠提供研究PPAR 信號通路的工具，有重大意義。在高通量篩選尋找PPAR 配體過程中，GlaxoSmithKline（葛蘭素史克）公司發現了GW9662 (33)是PPAR 拮抗劑，其對PPAR 拮抗活性IC50達到納摩爾數量級，且對PPAR 有選擇性拮抗作用。35六、PPAR / 雙重激動劑天然PPAR / 雙重激動劑8-(S)-HETE (34)是花生四烯酸代謝產物，是PPAR 強激動劑(EC50 = 100 nM)，對PPAR 也有部分激動活性。因此，Caijo等人選擇8-(S)

20、-HETE作為先導化合物，設計其類似物(Fig. 11)。Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉類衍生物.36部分類似物表現出PPAR /雙重激動活性。其中活性最好的一個化合物是喹啉類化合物35。其結構特點是在56位有一個炔鍵。該化合物對PPAR 的EC50是114 nM，對PPAR 的EC50是617 nM。 Fig. 11. 8-(S)-HETE及其喹啉類衍生物.372. 合成PPAR / 雙重激動劑2.1 -取代苯丙酸衍生物替賽格列他Tesaglitazar (36, AZ242)是苯丙酸衍生物，是PPAR / 雙重激動劑。382. 合成PPAR / 雙重激動劑具有PPAR /

21、雙重激動活性的該類化合物還有SB 213068 (37)。Lohray等人用不同的三環系統取代SB 213068 (37)的甲氨基苯并惡唑基團，發現了羅格里扎ragaglitazar (38, (-)DRF 2725), 是含有吩嗪結構的苯丙酸類化合物(Fig. 12-1)。羅格里扎ragaglitazar是PPAR / 雙重激動劑，其EC50分別是0.98 和 0.092 uM。Fig. 12-1. 羅格里扎ragaglitazar的發現. 392. 合成PPAR / 雙重激動劑Novo Nordisk（諾和諾德）公司用咔唑三環系統替代羅格里扎ragaglitazar的吩嗪三環系統，發現了3

22、q (39)，是PPAR / 雙重激動劑，PPAR (EC50 = 0.36 uM)，PPAR (EC50 = 0.17 uM) (Fig. 12-2) 。 Fig. 12-2. 3q的發現. 402. 合成PPAR / 雙重激動劑此外，Eli Lilly（禮來）公司和Ligand公司發現LY510929 (40) 是PPAR / 雙重激動劑，其EC50分別是9和4 nM。 412. 合成PPAR / 雙重激動劑Eli Lilly（禮來）公司研究了含有苯氧基苯醚結構的2-烷氧基苯丙酸類化合物構效關系，發現了改變苯氧基的取代位置會調節PPAR各亞型的活性，調節PPAR各亞型的選擇性。LY5198

23、18 (41) 是一個PPAR 高效激動劑，也是一個PPAR 弱激動劑。422. 合成PPAR / 雙重激動劑基于已知的-烷氧基苯丙酸和-氨基苯丙酸類PPAR激動劑的結構，Bristol-Myers Squibb（百時美施貴寶）公司通過電子等排策略設計了一個芐基甘氨酸類化合物42。通過這種改變，可以除去一個手性中心，簡化合成，更易于衍生化。通過將42的N-芐基用其他基團替換，發現了莫格他唑muraglitazar (43, BMS-298585)，這是一個PPAR / 雙重激動劑(Fig. 13)，其EC50分別是PPAR (EC50 = 320 nM)；PPAR (EC50 = 110 nM

24、)。Fig. 13. 莫格他唑muraglitazar的發現432. 合成PPAR / 雙重激動劑2.2 苯氧基烷酸類（Fibrates）類似物 Eli Lilly（禮來）公司和Ligand公司將已知PPAR 和PPAR 選擇性激動劑的藥效團整合到一個分子中，設計合成了丙酸衍生物44。44具有PPAR / 雙重激動活性。 442. 合成PPAR / 雙重激動劑噻唑烷二酮類藥物在其母核5位有一個手性中心，并且僅僅(S)-對映體有選擇性PPAR 活性。2-苯氧基異丁酸是苯氧基烷酸類藥物的共有結構，具有弱的PPAR 激動活性。將苯氧基烷酸結構環合，將噻唑烷二酮看作是羧酸基團的結構類似物，Merck公

25、司設計合成了一系列結構新穎的(2R)-色烷-2-羧酸類PPAR激動劑(Fig. 14)。Fig. 14. 苯氧基烷酸環合策略.452. 合成PPAR / 雙重激動劑他們成功的將PPAR 和PPAR 活性整合到一個分子中。通過PPAR /雙重激動活性的構效關系研究，他們發現了PPAR /雙重激動劑45。462. 合成PPAR / 雙重激動劑Merck公司發現了O-芳基扁桃酸類PPAR激動劑 46 (Fig. 15)，其對PPAR 激動活性是微摩爾數量級，而對PPAR 激動活性是納莫爾數量級（Ki 63 nM）。46在50 mM時仍對PPAR 無活性，說明對PPAR 和PPAR 有高度選擇性。在此

26、基礎上，他們又合成了46的類似物47 (Fig. 15)。Fig. 15. 48的發現.472. 合成PPAR / 雙重激動劑他們又將苯氧基烷酸類藥物中的異丁酸基團和47的親脂基團芳氧基整合到一個分子中，設計了2-芳氧基-2-甲基-丙酸類化合物48 (Fig. 15)。48是PPAR /雙重激動劑，對激動活性強，對激動活性弱。Fig. 15. 48的發現.482. 合成PPAR / 雙重激動劑通過對-氧取代苯丙酸的結構簡化，Pinelli等人設計合成了(S)-7 (49)，是一個PPAR /雙重激動劑。構效關系研究表明，其結構中的立體化學對活性至關重要。 492. 合成PPAR / 雙重激動劑

27、2.3 噻唑烷二酮類（TZDs） 日本Kyorin公司的科學家發現了PPAR /雙重激動劑KRP-297 (13)，這是一個亞微摩爾數量級的PPAR /雙重激動劑，其:活性比約為2。502. 合成PPAR / 雙重激動劑Merck公司發現了一系列5-芳基噻唑烷二酮類PPAR /雙重激動劑。這些化合物的噻唑烷二酮母核與苯環直接相連。化合物50是一個PPAR 選擇性激動劑，它的噻唑烷二酮母核位于苯環的對位。當噻唑烷二酮母核位于苯環的間位時(51)，表現出PPAR /雙重激動活性(Fig. 16). Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮類PPAR /雙重激動劑的結構改造和構效關系研究512. 合成P

28、PAR / 雙重激動劑構效關系研究表明：3-碳亞甲基鏈是必須的，正丙基取代在苯環C-2位活性最佳。因此他們在保留這些活性基團的基礎上，根據生物電子等排原理，將噻唑烷二酮母核TZD替換成惡唑烷二酮母核OZD，設計合成了52（X = O）(Fig. 16)。 Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮類PPAR /雙重激動劑的結構改造和構效關系研究522. 合成PPAR / 雙重激動劑進一步的構效關系研究表明，苯環C-4位是重要的結構改造位點。通過改造，發現了口服有效的PPAR /雙重激動劑53 (Fig. 16)。Fig. 16. 5-芳基噻唑烷二酮類PPAR /雙重激動劑的結構改造和構效關系研究53七、PPAR 激動劑與