2018全球小分子銷冠阿哌沙班誕生之路

       阿哌沙班是直接因子Xa（factor Xa, FXa）抑制劑，作為抗凝劑，用于降低非瓣膜性房顫患者中風(fēng)和全身性栓塞的風(fēng)險(xiǎn)，也可用于預(yù)防深靜脈血栓（deep venous thrombosis, DVT）的形成。阿哌沙班由輝瑞（Pfizer）與百時(shí)美施貴寶（Bristol-Myers Squibb，BMS）聯(lián)合研發(fā)，于2011年5月18日獲歐洲藥物管理局（EMA）批準(zhǔn)上市，之后于2012年12月28日獲美國食品藥品管理局（FDA）批準(zhǔn)上市，于2012年12月25日獲得日本醫(yī)藥品醫(yī)療器械綜合機(jī)構(gòu)（PMDA）批準(zhǔn)上市，于2013年1月22日獲得中國食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA）批準(zhǔn)上市。

       在剛剛過去的2018，全球藥品銷冠軍依然是大分子單抗藥物修美樂（雖然離200億美元只差了一點(diǎn)點(diǎn)），Top2品種為小分子藥物，但已不再是來那度胺，而是抗凝藥物FXa抑制劑阿哌沙班。阿哌沙班不但超越了同靶點(diǎn)首個(gè)藥物利伐沙班，更是一舉獲得2018全球小分子藥物銷售NO.1，如此成績讓業(yè)界驚嘆！而在其背后，這個(gè)分子是如何得到的，其過程更為精彩！

       1、藥物靶點(diǎn)FXa

       Xa因子是凝血級聯(lián)反應(yīng)中的一個(gè)蛋白水解酶，功能是將凝血酶原轉(zhuǎn)變?yōu)槟福闹匾栽谟谕ㄟ^內(nèi)在機(jī)制或外來刺激引發(fā)凝血過程的最后環(huán)節(jié)。FXa作為酶分子具有放大效應(yīng)，一個(gè)FXa分子可以將上萬個(gè)凝血酶原經(jīng)水解而激活成凝血酶，因而， FXa抑制劑也被認(rèn)為是更有效率的抗血栓藥。FXa是胰蛋白酶樣的蛋白酶，直接抑制FXa的活性，從而抑制凝血酶的生成，阻斷血栓形成和凝血。FXa不影響血小板功能，可降低出血的風(fēng)險(xiǎn)，在作用機(jī)制上優(yōu)于凝血酶抑制劑和抗血小板聚集藥物。

       此外，我們來看看同靶點(diǎn)首個(gè)上市藥物-利伐沙班。

       利伐沙班，拜耳公司研發(fā)的一種口服藥物，2008年在加拿大和歐盟率先上市，2009 年在我國上市，商品名為拜瑞妥?，用于選擇性髖部或膝全替換手術(shù)病人VTE的預(yù)防等。

       結(jié)構(gòu)上，1998年拜耳公司開始組建團(tuán)隊(duì)開發(fā)小分子FXa抑制劑（FXa抑制劑最初源于水蛭），通過高通量篩選（數(shù)十萬級別），得到苗頭化合物結(jié)構(gòu)，再通過一系列的優(yōu)化，最終得到利伐沙班。

       而進(jìn)一步對比看伐沙班和阿哌沙班的結(jié)構(gòu)，會(huì)發(fā)現(xiàn)阿哌沙班在結(jié)構(gòu)上絕對不是很多傳統(tǒng)同類靶點(diǎn)藥物的me-too、me-better，而是經(jīng)歷了多種結(jié)構(gòu)改造、骨架躍遷等操作，最終得到了新型FXa抑制劑。

       2、從苗頭化合物到候選化合物

       從苗頭到候選再到阿哌沙班，這個(gè)過程涉及多種原理和方法，如骨架躍遷、電子等排、分子拼合對接等，操作難度大、工作龐雜！前期工作與大部分藥物發(fā)現(xiàn)的目的相同，即提高活性！

       普篩→芳脒化合物

       起初，多家公司報(bào)道了針對FXa的雙芳香脒類抗血栓化合物，杜邦公司通過篩選IIb/IIIa受體拮抗劑（該公司曾深入研究）對FXa的活性，發(fā)現(xiàn)以下化合物對FXa的Ki值為38.5μmol·L?1，但結(jié)構(gòu)為單芳脒化合物。

       單芳脒結(jié)構(gòu)→雙芳脒結(jié)構(gòu)

       在當(dāng)時(shí)，雙芳脒結(jié)構(gòu)為主流結(jié)構(gòu)，通過將右側(cè)四氫異喹啉丁酮酸片段換成苯脒，同時(shí)進(jìn)一步考察化合物對凝血酶(越強(qiáng)越好)和胰蛋白酶(越弱越好)的作用，探究選擇性活性。

       雙芳脒結(jié)構(gòu)+異噁唑環(huán)取代

       為降低分子柔性，將異噁唑環(huán)與酰胺之間的亞甲基除去，同時(shí)在異噁唑環(huán)上引入含羰基的側(cè)鏈，但沒有突破性進(jìn)展。

       雙芳脒結(jié)構(gòu)→聯(lián)苯結(jié)構(gòu)

       逆“大流”，將雙芳脒結(jié)構(gòu)改為聯(lián)苯，后發(fā)現(xiàn)，聯(lián)苯基與FXa的結(jié)合腔S4是由Trp215、Tyr99和Phe174等氨基酸殘基構(gòu)成的疏水腔。分子模擬與FXa的結(jié)合特征表明，磺?；难踉优cTyr99發(fā)生較強(qiáng)的氫鍵結(jié)合，且選擇性很高。

       聯(lián)苯片段+近端苯環(huán)優(yōu)化+側(cè)鏈酯基變換

       固定間位脒基、異噁唑環(huán)的乙酸甲酯基，考察中間的芳環(huán)對活性的影響；同時(shí)，由于結(jié)構(gòu)中含有酯基，在體內(nèi)會(huì)發(fā)生水解，在動(dòng)物的血漿中有相當(dāng)比例的游離酸存在，該游離酸對FXa的體內(nèi)活性顯著低于未水解的酯。

       異惡唑環(huán)→吡唑環(huán)

       異噁唑啉不是芳香環(huán)，含有手性碳原子，同時(shí)證明5-位的碳鏈對活性影響不大，進(jìn)而用吡唑替換異噁唑，活性未變，同時(shí)方便合成。后以吡唑結(jié)構(gòu)為優(yōu)化新起點(diǎn)（IC50已經(jīng)達(dá)到0.13 nM）。

       吡唑-CH3& -CF3化→活性&選擇性

       3-甲基取代的吡唑化合物，對FXa的抑制活性提高了1個(gè)數(shù)量級，3-三氟甲基取代的吡唑化合物，活性更強(qiáng)。多數(shù)化合物有較低的清除率分布容積和較長的半衰期，但口服生物利用度低于5%，未能達(dá)到口服給藥的要求。分子結(jié)構(gòu)中含有堿性較強(qiáng)的脒基(pKa為10.7)，在體內(nèi)分子帶有正電荷，不易過膜吸收，因而口服吸收差。部分化合物PK/PD數(shù)據(jù)如下。

       3、候選化合物的確定

       DPC-423

       芐胺代替苯脒結(jié)構(gòu)，活性略弱于脒基化合物1-2個(gè)數(shù)量級，但因脒基具有pM水平的高活性，經(jīng)得起活性的消減，以彌補(bǔ)過膜吸收性，優(yōu)化藥代+藥效的總效果。

       由于降低了分子的堿性，增加了過膜吸收性。在芐胺化合物中，吡唑環(huán)上有三氟甲基取代、聯(lián)苯的近端苯環(huán)2位被氟取代、遠(yuǎn)端苯環(huán)4-甲磺?；〈幕衔锏目诜锢枚?、半衰期長達(dá)7.5 h，用家兔動(dòng)靜脈分流血栓形成模型測定的ID50= 1.1 μmol·kg?1·h?1，IC50= 0.15 μmol·L?1。給予這些活性數(shù)據(jù)和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，杜邦公司確定了候選化合物，編號(hào)為DPC-423，進(jìn)入開發(fā)。

       雷扎沙班

       構(gòu)效關(guān)系研究表明：DPC-423的甲磺酰基變換成氨磺?；?，其活性未變，選擇性提高了，但過膜性顯著降低，系因增加了分子極性的緣故；遠(yuǎn)端苯環(huán)換成吡啶環(huán)，活性未變，過膜性仍較低；用咪唑、四氫吡咯或嗎啉置換遠(yuǎn)端苯環(huán)，增加了助溶基團(tuán)，提高了過膜性，但也因此與血漿蛋白的結(jié)合率>97%，也是活性降低的原因；為調(diào)整藥代、維持活性強(qiáng)度和選擇性，宜用1-(2-甲基咪唑)基取代；變換咪唑環(huán)上的取代基，羥甲基和氨甲基可能因極性強(qiáng)而降低活性；最終發(fā)現(xiàn)雷扎沙班（razaxaban），以鹽酸鹽形式進(jìn)行臨床研究，口服預(yù)防和治療深度靜脈栓塞疾病。

       BMS740808

       考慮到酰胺鍵可能在體內(nèi)被水解成吡唑甲酸和聯(lián)芳胺，后者具有潛在的致突變作用的風(fēng)險(xiǎn)，因而需要避免產(chǎn)生**的警戒結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)變換最小原則，將酰胺環(huán)合到吡唑環(huán)上，形成并合的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，以提高代謝穩(wěn)定性。

       將雷扎沙班的氨基苯并異噁唑與雜環(huán)并合吡唑連接，合成了一類新的化合物，構(gòu)效關(guān)系總結(jié)如下：（1）變換遠(yuǎn)端苯環(huán)上的叔胺基，二甲胺甲基和3-R-羥基四氫吡咯活性最強(qiáng)，體內(nèi)抗凝作用也最強(qiáng)。（2）在近端苯環(huán)的鄰位引入氟原子，比相應(yīng)的化合物活性弱。（3）3-羥基四氫吡咯R構(gòu)型活性比其S構(gòu)型強(qiáng)3倍，體內(nèi)抗凝活性也強(qiáng)于S構(gòu)型。（4）吡唑環(huán)上的三氟甲基用甲基代替，活性降低。比格犬的藥代動(dòng)力學(xué)研究表明，以下化合物具有的性質(zhì)，即BMS740808。

       4、阿哌沙班的誕生

       候選物為化合物DPC423、雷扎沙班、BMS740808，下一步是將這些片段作進(jìn)一步的優(yōu)化組合，從體外 FXa 活性、選擇性、體內(nèi)抗凝作用和藥代性質(zhì)等多維度進(jìn)行優(yōu)化，以確定更優(yōu)結(jié)構(gòu)。

       將苯甲醚、吡唑并二氫吡啶酮、聯(lián)苯叔胺等優(yōu)勢片段拼接起來，變換吡唑環(huán)上的取代基，合成系列化合物。其中化合物如甲磺?；?、氨甲酰基、氰基和四唑基等與三氟甲基化合物相比，都有較高的活性和選擇性，體內(nèi)抗凝作用顯著強(qiáng)于BMS740808，提示這些基團(tuán)可以移植在不同的母核上。相對比較，下圖化合物具有良好的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)、較低的清除率(CL = 0.32L·kg?1·h?1)、半衰期t1/2為5.6 h，口服生物利用度F=，因而將氨甲?；潭ǎM(jìn)一步優(yōu)化。

       在進(jìn)行上述結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，另一個(gè)同時(shí)研究的是探索遠(yuǎn)端苯環(huán)取代基的變換對活性影響，發(fā)現(xiàn)單苯環(huán)的對位N-甲基乙酰氨基取代是獨(dú)特的，因?yàn)橛坞x氨基或其他相關(guān)的基團(tuán)活性都很差，提示，?；闹侔窇?yīng)是參與結(jié)合的重要基團(tuán)。

       氨甲?；〈秃蜻x物的確定糾正了三氟甲基過強(qiáng)的脂溶性，結(jié)合遠(yuǎn)端苯環(huán)對位N-甲基乙酰氨基取代，得到下述化合物，體外抑制FXa和體內(nèi)抗凝血作用以及選擇性都很強(qiáng)。對人體的蛋白酶和肝 臟CYP的活性很弱，如遠(yuǎn)端苯環(huán)含內(nèi)酰胺結(jié)構(gòu)化合物與肝微粒體溫孵的半衰期>100 min，Caco-2細(xì)胞的過膜性也非常高，血漿蛋白結(jié)合率為87%，家兔抗血栓的IC50=329 nmol·L?1，口服半衰期為5.8 h，口服生物利用度F=58%。終于，我們的小分子藥王阿哌沙班，誕生了！

       05小結(jié)

       阿哌沙班的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，可謂精益求精！在早期獲得多個(gè)活性非常非常好的化合物時(shí)，并未冒進(jìn)，急于開發(fā)，而是繼續(xù)對活性進(jìn)行研究，以期為后續(xù)的成藥性結(jié)構(gòu)改造打下足夠犧牲活性的“量”！

       其結(jié)構(gòu)改造的原理和方法看似廣譜，實(shí)則表現(xiàn)出很贊的有機(jī)結(jié)合程度，尤其是跨越了利伐沙班的骨架結(jié)構(gòu)以及早期苗頭化合物的雙脒結(jié)構(gòu)，這種大膽放棄“經(jīng)典結(jié)構(gòu)”的舉動(dòng)對于國內(nèi)藥物分子的開發(fā)來說很具有指導(dǎo)意義。

       參考：

       1. Design and synthesis of isoxazolinederivatives as factor Xa inhibitors. J Med Chem.1999. DOI:10.1021/jm980406a.

       2. Discovery of 1-[3-(aminomethyl)phenyl]-N-[3-fluoro-2'-(methylsulfonyl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl]-

       3-(trifluoromethyl)-1H-pyrazole-5-carboxamide(DPC423), a highly potent, selective, and orally bioavailable inhibitor of blood coagulationfactor Xa. 2001. DOI: 10.1016/S0030-

       4018(98)00117-5.

       3.Structure-based design of novel guanidine/benzamidinemimics:potent and orally bioavailable factor Xa inhibitors as novel anticoagulants. 2003.DOI: 10.1021/jm020578e.

       4. Discovery of 1-(4-methoxyphenyl)-7-oxo-6-(4-(2-oxopiperidin-1-yl)phenyl)-4,5,6,7-tetrahydro-1H-pyrazolo[3,4-c]pyridine-3-carboxamide(Apixaban，BMS-562247)，a highly potent，selective，efficacious，and orally bioavailable inhibitor of blood coagulation factor Xa. 2007.DOI: org/10.1021/jm070245n.

       5. Discovery of potent, efficacious, and orallybioavailable inhibitors of blood coagulation factorXa with neutral P1 moieties. DOI: 10.1016/j.bmcl.2006.08.027.

       6. 阿哌沙班創(chuàng)制的多維優(yōu)化.郭宗儒

       7. 凝血因子Xa直接抑制劑的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用. 2018.