非擬肽類DPP-4抑制劑的獨特結(jié)構(gòu)與療效

衛(wèi)生部北京醫(yī)院藥劑科 紀(jì)立偉

紀(jì)立偉 主任藥師，就職于衛(wèi)生部北京醫(yī)院藥劑科。2002年獲得醫(yī)學(xué)碩士學(xué)位及執(zhí)業(yè)藥師資格。作為主要研究者承擔(dān)和參與了北京市衛(wèi)生局藥品安全性評價課題、“十一五”科技支撐計劃及國家科技重大專項等多項科研課題。2007年獲得衛(wèi)生部臨床藥師培訓(xùn)基地內(nèi)分泌專業(yè)帶教教師資格，與帶教的臨床藥師學(xué)員完成了2500余人的內(nèi)分泌科患者用藥教育。2011年獲中國藥學(xué)會醫(yī)院藥學(xué)專業(yè)委員會頒發(fā)的“青年藥師優(yōu)秀獎”。已在國家核心期刊上發(fā)表相關(guān)論文20余篇，主編學(xué)術(shù)專著2部。參編學(xué)術(shù)專著6部。中國科技核心期刊《中國臨床醫(yī)生》及《中國藥物應(yīng)用與監(jiān)測》編委。

糖尿病是一種困擾全球的慢性病，近年來發(fā)病率逐年攀升，成為21世紀(jì)人類健康的主要慢性病之一，其中90%以上為2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T 2 D M)?；赥 2 D M 的致病原因，許多新的藥物靶點已被開發(fā)，其中最為突出是以DPP-4為靶點的藥物研究。目前，DPP-4抑制劑的研究已取得較大進(jìn)展，包括西格列汀、沙格列汀、維格列汀、利格列汀、阿格列汀在內(nèi)的藥物已在我國批準(zhǔn)上市，進(jìn)入了臨床使用。該類藥物在有效降糖的同時，不增加體重、低血糖和心血管風(fēng)險，同時具有保護(hù)β細(xì)胞功能的作用，為T2DM的治療提供了新的選擇。

DPP-4的結(jié)構(gòu)與功能

DPP-4是以二聚體形式存在的高特異性絲氨酸蛋白酶，由二個同源亞單位組成不對稱結(jié)構(gòu)，通過氨基端的一個由高度糖基化區(qū)和半胱氨酸富集區(qū)形成的疏水性螺旋與膜結(jié)合，分子大小為125x80x60A，分子量為210kDa。每個亞單位包括兩個結(jié)構(gòu)域：①C末端催化區(qū)域(Gln508-Pr0766)，有α/β水解酶折疊，Ser630，Asp708，His740為其催化三聯(lián)序列，位于螺旋中央孔狀結(jié)構(gòu)的底面中心部位。第628-632位氨基酸“Gly-Trp-Ser-Try-Glu”為其催化序列，推測Ser630為催化殘基。②β螺旋漿片層區(qū)域(Lys56-Asn497)，有多β片層8葉螺旋槳狀結(jié)構(gòu)，每個螺旋槳狀結(jié)構(gòu)由4個帶狀的β片層組成[1,2]?？刂频孜锏某鋈肟谖挥趦蓚€結(jié)構(gòu)域之間的一個大小為30～45A的袋狀結(jié)構(gòu)，底物與DPP-4的結(jié)合位點就在其中[3]。DPP-4的晶體結(jié)構(gòu)(見圖1)2003年第一次報道。

圖1 DPP-4晶體結(jié)構(gòu)

DPP-4廣泛存在于各種組織中，其中以腎皮質(zhì)含量最多，其次為肺、肝臟、空腸等[4]。它能對體內(nèi)多種激素進(jìn)行滅活，包括腸促胰島素，即胰高血糖素樣肽(glucagon-like peptide-1，GLP-1)和腸抑胃肽(gastric inhibitory polypeptide，GIP)。其家族成員包括DPP-1、DPP-2、DPP-3、DPP-4、DPP-8、DPP-9和成纖維細(xì)胞活化蛋白-α(fibroblast activation protein α，F(xiàn)AP-α)等。

DPP-4抑制劑的作用機制

在體內(nèi)GLP-1的活性結(jié)構(gòu)GLP-1(7-36)能夠被DPP-4迅速水解為沒有活性的GLP-1(9-36)。而DPP-4抑制劑的作用機制便是基于其結(jié)構(gòu)與天然底物相似，能夠競爭性結(jié)合DPP-4活性部位、改變DPP-4的構(gòu)象，降低其活性，從而延長GLP-1在體內(nèi)的半衰期，提高體內(nèi)GLP-1濃度，延長其降糖作用時間，并且抑制胰高血糖素分泌，延長GLP-1對胰島素分泌的刺激持續(xù)時間，發(fā)揮降糖作用[5]。

非擬肽類DPP-4抑制劑的構(gòu)效關(guān)系

非肽類抑制劑以黃嘌呤及其衍生物為代表，具有黃嘌呤母核的化合物是一類活性很強的DPP-4抑制劑。大多數(shù)以黃嘌呤為母核的DPP-4抑制劑均具有氨基和咪唑環(huán)相連的芐基、烯基或炔基。然而進(jìn)一步研究顯示可將咪唑環(huán)改變?yōu)槌黼s環(huán)，包括苯并嘧啶、吡啶并嘧啶和三氮唑并嘧啶等，甚至可換為異喹啉、喹啉、苯并咪唑和苯并三唑等。因此該類化合物又可被分為3亞類：黃嘌呤及黃嘌呤類似物，吡啶及氨甲基嘧啶類，咪唑和尿嘧啶類[6]。

1. 黃嘌呤及黃嘌呤類似物

通過高通量篩選的方式得到一系列黃嘌呤類結(jié)構(gòu)的具有DPP-4抑制活性的先導(dǎo)化合物，該類化合物中的利格列汀(見圖2)已獲批上市。黃嘌呤骨架的取代基研究表明，含有C-8位的3-氨基哌啶取代和N-7位的丁基-2-炔基取代尤其有效。N-3位甲基和連接N-1位萘基-1-甲基或3-甲基-異喹啉-1-甲基能進(jìn)一步提高其活性[7]。從利格列汀與DPP-4蛋白的共結(jié)晶結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，它與Ser630活性位點以非共價方式結(jié)合，嘌呤部分與Tyr547疊加形成復(fù)合物基本骨架，C-8位哌嗪與Glu205，Glu206和Tyr662殘基形成緊密的網(wǎng)狀氫鍵，N-7位炔基占據(jù)S1口袋，C-6位羰基與Tyr631形成氫鍵[8]。利格列汀對DPP-4具有較強的抑制活性，其50%最大抑制濃度(half maximal inhibitory concentration，IC50)=1nmol/L[9]。有研究[10]顯示，“靶外”DPP的抑制，即DPP-8/9被抑制后會出現(xiàn)一些毒性反應(yīng)，如脫發(fā)、血小板減少、貧血、脾大等等。而利格列汀選擇性抑制DPP-4超過DPP-8/9的倍數(shù)>10000，且很少經(jīng)過CYP 450酶系代謝，沒有與其他常用藥物的相互作用，從而提高了該藥物的安全性[9]。

圖2 利格列汀結(jié)構(gòu)式

通過對黃嘌呤類結(jié)構(gòu)的化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，得到了一系列3,5-二氫-咪唑并[4,5-d]噠嗪-4-酮結(jié)構(gòu)的化合物[7]。化合物1(見圖3)屬于此類化合物中的一個品種，也具有良好的DPP-4抑制活性與選擇性(IC50=1nmol/L)，并且該化合物對hERG通道沒有明顯的抑制作用，同時該化合物也很少經(jīng)CYP 450酶系代謝。

圖3 化合物1結(jié)構(gòu)式

2. 吡啶及氨甲基嘧啶類

有專利[11]報道了一系列吡啶為母核的DPP-4抑制劑，IC50在3.5～7.4nmol/L范圍內(nèi)。這些吡啶類化合物帶有位于取代苯環(huán)鄰位的氨甲基。在許多吡啶類化合物中出現(xiàn)了6-異丁基取代，而吡啶2-位及3-位似乎允許進(jìn)行更多的變化。

通過高通量篩選發(fā)現(xiàn)了一系列新型氨甲基嘧啶類化合物。優(yōu)化DPP-4抑制活性得到的化合物2(見圖4)其活性比先導(dǎo)化合物提高了105倍，特別是6位的2,4-二氯苯基使化合物的活性加強。X-晶體衍射結(jié)構(gòu)顯示，化合物2的2,4-二氯苯基較好地占據(jù)了DPP-4酶的S1口袋，氨甲基中的氨基與Glu205和Glu206發(fā)生氫鍵相互作用。另外，氨甲基嘧啶類化合物中嘧啶環(huán)不是必需的，可以用吡啶環(huán)或苯并咪唑環(huán)代替。

圖4 化合物2結(jié)構(gòu)式

3. 咪唑和尿嘧啶類

有研究[12]報道了一系列以尿嘧啶為母核的DPP-4抑制劑，其中最具代表的是阿格列汀(見圖5)。阿格列汀結(jié)構(gòu)內(nèi)的嘧啶酮部分與Tyr547形成π-π相互作用，嘧啶酮的羰基與Tyr631形成氫鍵，并在雜環(huán)上連接N取代氨基芐基，與Arg125產(chǎn)生氫鍵，苯環(huán)與Tyr622產(chǎn)生疏水作用，還有氨基哌啶與Glu205形成氫鍵。阿格列汀的發(fā)現(xiàn)可以說是將X線衍射結(jié)構(gòu)得到的經(jīng)驗應(yīng)用到基于結(jié)構(gòu)設(shè)計新化學(xué)類型藥物的成功案例[13]。利用分子建模和高通量結(jié)構(gòu)生物學(xué)，進(jìn)一步提供有利藥效基團(tuán)接近S1口袋和Glu205/206二聯(lián)體，最后以尿嘧啶取代黃嘌呤為母核，簡化分子的同時幾乎保留了所有黃嘌呤類系列DPP-4抑制劑的結(jié)構(gòu)特點。阿格列汀的IC50=24nmol/L，其對DPP-4的抑制亦有較高的選擇性[9]。

4. 其他DPP-4抑制劑

圖5 阿格列汀結(jié)構(gòu)式

通過高通量篩選的方式，再經(jīng)過結(jié)構(gòu)修飾得到了一類環(huán)己烯基胺類的結(jié)構(gòu)，例如化合物3(見圖6)，該化合物具有良好的DPP-4抑制活性和選擇性。體內(nèi)實驗[14]表明它能明顯降低小鼠體內(nèi)的血糖濃度并提高GLP-1的活性。更重要的是，它與hERG沒有明顯的結(jié)合作用，對CYP3A4，CYP2D6和CYP2C9都沒有明顯的抑制作用，表現(xiàn)出良好的安全性。

圖6 化合物3結(jié)構(gòu)式

有研究者[15]發(fā)現(xiàn)在pH=7.6的緩沖溶液中，氟烯衍生物類DPP-4抑制劑能夠相對穩(wěn)定的存在，因此對這類化合物進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)改造?；衔?(見圖7)通過電子等排原理用氟烯鍵替代酰胺鍵得到，該化合物具有較好的DPP-4抑制活性和選擇性[IC50=7.5nM(DPP-4)，0.33μM(QPP)，19μM(hERG)]，但是這類化合物在小鼠體內(nèi)并不穩(wěn)定，這可能是由于環(huán)戊烷氟烯的結(jié)構(gòu)易被肝微粒體代謝所致[16]。

圖7 化合物4結(jié)構(gòu)式

結(jié) 語

已上市的DPP-4抑制劑無論單獨使用還是與其他降糖藥物聯(lián)用，均能顯示出確切的降糖療效，且具有良好的安全性。在對上述各非擬肽類DPP-4抑制劑的構(gòu)效關(guān)系研究和晶體結(jié)構(gòu)分析等相關(guān)信息分析基礎(chǔ)上，可進(jìn)行新的DPP-4抑制劑的設(shè)計和優(yōu)化。相信通過對DPP-4和相關(guān)的活性化合物構(gòu)效關(guān)系的深入研究后，將會推出更加安全有效的DPP-4抑制劑。

[1] Thoma R, Loffler B, Stihle M, et al. Structural basis of proline-specific exopeptidase activity as observed in human dipeptidyl peptidase-IV[J]. Structure, 2003, 11(8): 947-959.

[2] Rasmussen HB, Branner S, Wiberg FC, et al. Crystal structure of human dipeptidyl peptidase IV/CD26 in complex with a substrate analog[J]. Nat Struct Biol, 2003, 10(1): 19-25.

[3] Havale SH, Pal M. Medicinal chemistry approaches to the inhibition of dipeptidyl peptidase-4 for the treatment of type 2 diabetes[J]. Bioorg Med Chem, 2009, 17(5): 1783-1802.

[4] Doupis J, Veves A. DPP4 inhibitors: a new approach in diabetes treatment[J]. Adv Ther, 2008, 25(7): 627-643.

[5] Duez H, Cariou B, Staels B. DPP-4 inhibitors in the treatment of type 2 diabetes[J]. Biochem Pharmacol, 2012, 83(7): 823-832.

[6] Szczepankiewicz BG, Kurukulasuriya R. Aromatic heterocycle-based DPP-IV inhibitors: xanthines and related structural types[J]. Curr Top Med Chem, 2007, 7(6): 569-578.

[7] Eckhardt M, Hauel N, Himmelsbach F, et al. 3,5-Dihydro-imidazo[4, 52d] pyridazin-4-ones: a class of potent DPP-4 inhibitors[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2008, 18 (11): 3158-3162.

[8] Eckhardt M, Langkopf E, Mark M, et al. 8-(3-(R)-aminopiperidin-1-yl)-7-but-2-ynyl-3-methyl-1-(4-methyl-quinazolin-2-ylmethyl)-3,7-dihydropurine-2,6-dione(BI 1356), a highly potent, selective, longacting, and orally bioavailable DPP-4 inhibitor for the treatment of type 2 diabetes[J]. J Med Chem, 2007, 27, 50(26): 6450-6453.

[9] Baetta R, Corsini A. Pharmacology of dipeptidyl peptidase-4 inhibitors: similarities and differences[J]. Drugs, 2011, 71(11): 1441-1467.

[10] Lankas GR, Leiting B, Roy RS, et al. Dipeptidyl peptidase IV inhibition for the treatment of type 2 diabetes: potential importance of selectivity over dipeptidyl peptidases 8 and 9[J]. Diabetes, 2005, 54(10): 2988-2994.

[11] Oi S, Maezaki H, Suzuki N. Pyridine compounds as inhibitors of dipeptidyl peptidase IV[P]. World (PTC) Patent: WO2005042488, 2005-05-12.

[12] Feng J, Zhang Z, Wallace MB, et al. Discovery of alogliptin: a potent, selective, bioavailable, and efficacious inhibitor of dipeptidyl peptidase IV[J]. J Med Chem, 2007, 50(10): 2297-2300.

[13] Kuhn B, Hennig M, Mattei P. Molecular recognition of ligands in dipeptidyl peptidase IV[J]. Curr Top Med Chem, 2007, 7(6): 609-619.

[14] Pei Z, Li X, von Geldern TW, et al. Discovery of ((4R,5S)-5-amino-4-(2,4,5- trifluorophenyl)cyclohex-1-enyl)-(3- (trifluoromethyl)-5,6-dihydro- [1,2,4]triazolo[4,3-a]pyrazin-7(8H)-yl)methanone (ABT-341), a highly potent, selective, orally efficacious, and safe dipeptidyl peptidase IV inhibitor for the treatment of type 2 diabetes[J]. J Med Chem, 2006, 49(22): 6439-6442.

[15] Van der Veken P, Senten K, Kertèsz I, et al. Fluoro-olefins as peptidomimetic inhibitors of dipeptidyl peptidases[J]. J Med Chem, 2005, 48(6): 1768-1780.

[16] Edmondson SD, Wei L, Xu J, et al. Fluoroolefins as amide bond mimics in dipeptidyl peptidase IV inhibitors[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2008, 18(7): 2409-2413.