帕比司他:治疗复发性多发性骨髓瘤的首个HDAC抑制剂

多发性骨髓瘤(multiplemyeloma,MM)是一种起源于B细胞系的恶性肿瘤,其特征为产生单克隆免疫球蛋白的异常浆细胞增多,并在骨髓内恶性增殖,引起骨折和骨髓功能衰竭 。据美国癌症协会(ACS)报道,2015年有超过26800例新增病例,有11240患者死于该病。它是仅次于非霍奇金氏淋巴瘤的第二大血液恶性肿瘤,其发病率占所有肿瘤的1%,血液系统恶性肿瘤的10%。男性发病率高于女性;若家族中有患此病的,其后代也有患病的风险。

大量研究发现,哺乳动物细胞周期的G1期到S期由周期蛋白依赖性激酶或周期素依赖性激酶-2 (cyclin-dependent kinase-2,CDK2)控制,CDK2抑制剂可以使细胞停止在G1期。后来发现P21waf1可以调节CDK2的活性,工作原理是:P21waf1通过与CDK2络合,阻止Rb的磷酸化,使之不能释放E2f,细胞停滞于G1期不能进入S期(该过程如下图所示)。

与此同时,有研究表明,组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)的抑制剂能够使细胞周期停止在G1和G2期。并且抑制HDAC也可以促进P21waf1基因的表达,所以HDAC是潜在的抑制肿瘤生长的靶点。组蛋白存在于染色质的大部分蛋白中,表面带有正电荷,组蛋白的赖氨酸尾部被乙酰化后,中和了组蛋白的正电荷,降低了染色质分子内与磷酸基团负电荷的相互作用,从而使染色质变得更松散,促进DNA的转录,使细胞增殖。HDAC抑制剂有效抑制HDAC作用,减少组蛋白乙酰化,阻止细胞分裂。

先导药物的发现

有研究发现,古曲抑菌素A (trichostatin A)具有抑制HDAC,促进P21waf1基因的表达的作用,但是抑制效果不强,于是药物学家在此基础上探索更加强效的化合物,于是合成了许多古曲抑菌素A的含有异羟肟酸基团的类似物。经过大量的实验找到化合物LAG134,该化合物具有很强的生物活性,但是它的物理化学性质不好阻碍了它成药的可能性。为了提高化合物的物理化学性质,合成了化合物LAG673。可惜的是,该化合物只有中等的HDAC抑制活性,并且在体内不稳定。所以,将LAG673中的OCH2-用乙烯基替换,得到物理化学性质稳定的LAK974。

然而,LAK974在做体内实验时却发现该化合物的活性不高,于是研究人员在此基础上利用分子对接等手段对化合物进行模拟优化,通过研究发现,HDAC中有一个含Zn2+的狭窄的疏水性口袋,古曲抑菌素A异羟肟酸基团与该离子牢牢地结合在一起,多烯基团通过狭窄的口袋延伸出来,苯环则附着在HDAC同源蛋白的表面。而LAK974只连接一个乙烯基,它的对接效果比古抑菌素A更加理想。

所以,在不改变异羟肟酸基团与乙烯基的情况下对LAK974进行修改,这些化合物在不改动R2基团的情况下,改变R1,LAK974和LAQ008虽然有很强的抑制HDAC活性,但是在体内却没有活性;LBJ478和 LAL902在体内的活性也不是很强。于是,在LAL902的基础上,研究人员改变了R2,得到表2所示化合物:

通过大量的细胞实验,包括HCT116细胞、A549 (NSCLC)、MDA435细胞、造血细胞株等,最终发现LAQ824具有良好的抗肿瘤活性和诱导细胞凋亡的作用。并且在正常人的细胞中使用高剂量的LAQ824,只会观察到细胞周期被抑制,而不会发散细胞凋亡,一旦停止使用LAQ824,正常细胞就会恢复正常状态。

于是研究人员对LAQ824做了临床前研究,发现它能被肿瘤细胞快速吸收,在狗和人体中它的活性代谢物能够稳定地存在,但是,在体内实验却发现,LAQ824对CYPs 1A2、2D6、2C9、2C19和E1有微弱地抑制作用,对CYP3A4/5有中等强度抑制作用,这就导致在与其他药物合用时,LAQ824的血药浓度会偏高。在安全性方面,主要集中在肠道反应、免疫抑制、与造血功能功能方面,有实验证明,中国仓鼠摄入LAQ824之后,会有染色质断裂的危险。为了寻求更安全的化合物,研究人员对LAQ824进行优化,结果如表3所示。

表3 对LAQ824芳香环的改变之后的化合物活性数据

综合安全性、细胞毒性、与抑制剂效果等各方面考虑,最终得到LBH589作为候选药物,也就是所说帕比司他(Panobinostat),经过大量临床试验,于2015年2月23日由美国FDA批准上市,商品名Farydak,是第一款治疗多发性骨髓瘤的HDAC抑制剂。

帕比司他的构效关系总结

首先,化合物的异羟肟酸基是必不可少的基团,它与HDAC中的Zn2+发生络合作用,对HDAC的抑制效果起决定性作用,将异羟肟酸基换成其他基团,化合物活性将下降至少1000倍。化合物中的乙烯基团起到稳定性作用,且为反式构型,顺式构型将使化合物活性降低。苯环的对位结构经过试验证明是最佳的。中间N原子距离末端芳香环(吲哚环)的距离为一到两亚甲基最佳;中间N原子被酰基化与磺化之后,活性将会降低。相比于LAQ824,在吲哚环的2位上引入烷基,中和吡啶N原子的吸电子作用,有助于提高化合物抗肿瘤活性,经过试验,烷基为甲基时,活性最强。

(来源:药渡)