六價(jià)硫氟交換化學(xué)在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用*

張 煚，桂馨墨，秦藝曼

(炎癥免疫性疾病安徽省實(shí)驗(yàn)室 安徽醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，安徽 合肥 230032)

磺酰氟類化合物的合成及性質(zhì)的研究最早可以追溯到20世紀(jì)20年代的德國，隨后，這些磺酰氟化合物被嘗試作為酶抑制劑。Gold和Fahrney在1963年首次介紹了磺酰氟對酯酶的抑制作用[1]，并測定了不同結(jié)構(gòu)的磺酰氟對乙酰膽堿酯酶、α-胰凝乳蛋白酶和胰蛋白酶的反應(yīng)速率。20世紀(jì)，關(guān)于磺酰氟類酶抑制劑的研究，產(chǎn)生了眾多的成果。如今，細(xì)胞裂解液中為了防止蛋白降解而采用的蛋白酶抑制劑，如PMSF和AEBSF，即為磺酰氟類化合物。在早期的藥物開發(fā)研究中，Baker是研究芳基磺酰氟類共價(jià)抑制劑的先驅(qū)。早在20世紀(jì)60年代，Baker等就使用芳基磺酰氟類化合物作為二氫葉酸還原酶、胰蛋白酶、α-胰凝乳蛋白酶、鳥嘌呤脫氫酶和黃嘌呤氧化酶等多種酶的不可逆共價(jià)抑制劑[2-7]。Colman團(tuán)隊(duì)亦在磺酰氟類共價(jià)抑制劑的研究中做了大量的工作[8-11]。但總的來說，長期以來，硫氟化合物在藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域沒有得到足夠的認(rèn)識，關(guān)注度較低。

2014年，Scripps研究所的Sharpless(2001和2022年兩次諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主)團(tuán)隊(duì)首次提出六價(jià)硫氟交換化學(xué)(Sulfur(VI)fluoride exchange，SuFEx)是一類新型的點(diǎn)擊化學(xué)[12]。自此之后，六價(jià)硫氟交換化學(xué)引起了人們極大的關(guān)注，眾多重要的研究成果不斷涌現(xiàn)，已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、材料化學(xué)、化學(xué)生物學(xué)和藥物化學(xué)等領(lǐng)域中[13]。鑒于六價(jià)硫氟交換化學(xué)在藥物分子的設(shè)計(jì)合成中日益增加的重要性，本文介紹了近年來SuFEx在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用情況。

1 六價(jià)硫氟類化合物的結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)

目前，在藥物設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用的六價(jià)硫氟類化合物主要是烷基磺酰氟、芳基磺酰氟、芳基氧磺酰氟和芳基氟磺酰亞胺(圖1A)。相對于磺酰氯，磺酰氟具有更為惰性的化學(xué)反應(yīng)活性，能耐受還原性條件，在生理pH的水溶液中具有較長的半衰期，具有相對較好的生物相容性，和親核試劑反應(yīng)時(shí)只通過加成消除的取代機(jī)理形成共價(jià)鍵[14]。六價(jià)硫氟類彈頭與靶蛋白中的親核性氨基酸殘基反應(yīng)，能夠形成穩(wěn)定的共價(jià)復(fù)合物(圖1B)，但在特殊的情況下，芳基氧磺酰氟與賴氨酸形成的共價(jià)鍵也會因蛋白介導(dǎo)的水解作用水解為氨基磺酸[15]。

(A)六價(jià)硫氟類化合物的結(jié)構(gòu)；(B)六價(jià)硫氟化合物與靶蛋白反應(yīng)形成共價(jià)復(fù)合物。圖1 六價(jià)硫氟類化合物

為了更好地設(shè)計(jì)含六價(jià)硫氟彈頭的共價(jià)抑制劑，Mukherjee等詳細(xì)考察了烷基磺酰氟、芳基磺酰氟、乙烯基磺酰氟、芳基氧磺酰氟和芳基氟磺酰亞胺等六價(jià)硫氟化合物(圖1A)在生理?xiàng)l件下與親核性氨基酸殘基的反應(yīng)活性[15]，結(jié)果表明：烷基磺酰氟的反應(yīng)活性最高，穩(wěn)定性最差；乙烯基磺酰氟和芳基氟磺酰亞胺的穩(wěn)定性高于芳基磺酰氟且活性與取代基相關(guān)；芳基氧磺酰氟最為惰性，反應(yīng)活性最差，十分穩(wěn)定；芳基磺酰氟的反應(yīng)活性和生理?xiàng)l件下的水解性均與芳環(huán)上取代基直接相關(guān)，吸電子的取代基大幅提高活性的同時(shí)降低其水解穩(wěn)定性。因此，在藥物化學(xué)中，設(shè)計(jì)共價(jià)抑制劑時(shí)可以據(jù)此優(yōu)化目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)反應(yīng)活性與選擇性，以達(dá)到恰當(dāng)?shù)钠胶狻?/p>

2 含六價(jià)硫氟官能團(tuán)的小分子抑制劑

近年來，共價(jià)抑制劑的研究得到了蓬勃發(fā)展。與非共價(jià)藥物相比，共價(jià)鍵的引入可以提高藥物的活性，延長藥物在體內(nèi)的駐留時(shí)間等。對那些難以成藥的靶點(diǎn)來說，共價(jià)藥物是個(gè)很好的選擇。在傳統(tǒng)的共價(jià)藥物設(shè)計(jì)時(shí)，通常借助于α，β-不飽和酰胺(酮)等結(jié)構(gòu)[16]，但共價(jià)藥物的化學(xué)選擇性，以及伴隨而來的脫靶效應(yīng)一直困擾著我們，遲滯了共價(jià)藥物的開發(fā)。六價(jià)硫氟類(SuFEx)彈頭，尤其是芳基氧磺酰氟，在生命體系中能夠恰當(dāng)?shù)仄胶夥磻?yīng)活性和選擇性。與靶標(biāo)蛋白結(jié)合后，基于臨近效應(yīng)，能夠高度選擇性地與特定的氨基酸殘基(Tyr、Ser、Thr 和Lys 等)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的共價(jià)復(fù)合物；而與蛋白組的反應(yīng)性很低，脫靶效應(yīng)很弱。因此，含有SuFEx彈頭的化合物具有作為共價(jià)藥物的巨大潛力。幾種典型的含六價(jià)硫氟官能團(tuán)的小分子抑制劑案例如下文所示。

泛素蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)，是真核細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)降解的主要途徑，負(fù)責(zé)降解錯(cuò)誤折疊、損傷的非正常蛋白質(zhì)，對維持細(xì)胞正常生理狀態(tài)具有十分重要的作用。同時(shí)，它也是抗腫瘤靶點(diǎn)，目前已有硼替佐米、卡非佐米等蛋白酶體抑制劑被批準(zhǔn)上市，用于治療多發(fā)性骨髓瘤等惡性腫瘤。鑒于磺酰氟獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)，Brouwer等設(shè)計(jì)合成了一系列氨基酸磺酰氟衍生物[17-18]，并基于此開發(fā)了選擇性高且活性好的擬肽類磺酰氟蛋白酶體抑制劑(Peptido Sulfonyl Fluorides，PSFs)[19-24](圖2)?；衔?對絲氨酸蛋白酶具有一定的抑制作用，其對糜蛋白酶的Ki值為 22 μmol/L?；衔?對酵母20S蛋白酶體的IC50達(dá)到 7 nmol/L?；衔?對蛋白酶體的抑制作用稍弱，但具有一定的選擇性，對蛋白酶體β5i亞基的抑制作用比β5c亞基高25倍。進(jìn)一步的修飾發(fā)現(xiàn)，具有游離氨基的擬肽類蛋白酶體抑制劑9-11具有納摩爾級的IC50值，并且在不同的蛋白酶體亞基間具有顯著的選擇性。

圖2 擬肽類磺酰氟抑制劑的結(jié)構(gòu)及活性

轉(zhuǎn)甲狀腺蛋白(transthyretin，TTR)，一種以四聚體形式轉(zhuǎn)運(yùn)甲狀腺素和視黃醇的重要蛋白。在病理情況下，其解聚為單體，并錯(cuò)誤折疊或組裝生成淀粉樣纖維，從而導(dǎo)致多種淀粉樣蛋白集聚相關(guān)的疾病。Kelly等合成了兩個(gè)芳基磺酰氟(12，13)和兩個(gè)芳基氧磺酰氟(14，15)取代的1，3，4-噁二唑類TTR共價(jià)穩(wěn)定劑(圖3)[24-25]。該類化合物可以共價(jià)地與甲狀腺素結(jié)合口袋中Lys15共價(jià)結(jié)合，形成磺酰胺鍵，從而穩(wěn)定TTR。其中，芳基氧磺酰氟類化合物14和15由于活性較低，與Lys15的反應(yīng)較慢，且不能反應(yīng)完全，但對TTR的選擇性更高，具有較弱的脫靶效應(yīng)。此外，其與TTR形成的共價(jià)物顯示出很強(qiáng)的熒光性，可以用來在活細(xì)胞和秀麗隱桿線蟲體內(nèi)檢測TTR。一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，化合物14和15與TTR中Lys15形成的芳基氧磺酰胺共價(jià)物會因蛋白結(jié)構(gòu)的誘導(dǎo)作用水解為TTR-SO3。

圖3 六價(jià)硫氟類TTR共價(jià)穩(wěn)定劑

抗生素耐藥是當(dāng)前嚴(yán)重威脅人類健康的因素之一，為了克服細(xì)菌的多藥耐藥，筆者在Sharpless教授指導(dǎo)下基于SuFEx化學(xué)，由酚或酚的前體制備芳基氧磺酰氟衍生物，通過抗菌活性的表型篩選，發(fā)現(xiàn)白藜蘆醇、己雷瑣辛與和厚樸酚的芳基氧磺酰氟衍生物(16-18)(圖4)可以有效殺死MRSA、VRSA、VRE和多種臨床分離得到的多藥耐藥菌。這些衍生物沒有明顯的細(xì)胞毒性，能夠高效破壞細(xì)菌的生物膜且不易產(chǎn)生耐藥菌株，己雷瑣辛的衍生物還與抗菌藥物鏈霉素和慶大霉素具有協(xié)同效應(yīng)[26]。

圖4 具有抗耐藥菌活性的白藜蘆醇、己雷瑣辛與和厚樸酚的芳基氧磺酰氟衍生物

常規(guī)的藥物發(fā)現(xiàn)策略是通過篩選或合理藥物設(shè)計(jì)來獲得靶向特定蛋白的小分子。Kelly團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種逆向藥物發(fā)現(xiàn)方法學(xué)，即通過溫和反應(yīng)性的小分子來識別蛋白質(zhì)組中的親核位點(diǎn)，再進(jìn)一步有針對性地優(yōu)化先導(dǎo)物獲得潛在藥物分子。SuFEx類化合物在生物體內(nèi)的反應(yīng)性和穩(wěn)定性間具有良好的平衡，適合在逆向藥物發(fā)現(xiàn)策略中作為探針。Kelly團(tuán)隊(duì)制備了芳基氟磺酰亞胺類小分子化合物庫，并進(jìn)一步鑒定這些SuFEx化合物所共價(jià)結(jié)合的蛋白質(zhì)。其中，基于胸苷分子的芳基氟磺酰亞胺19(圖5)可以共價(jià)結(jié)合多聚ADP核糖轉(zhuǎn)移酶1(poly ADP-ribose polymerase 1，PARP1)并抑制其活性，且在活細(xì)胞中也具有良好的活性?；诖碎_發(fā)的藥物分子有潛力作為治療癌癥的PARP1非共價(jià)抑制劑的有效補(bǔ)充[27]。

(A)芳基氟磺酰亞胺類衍生物的合成；(B)基于胸苷分子的芳基氟磺酰亞胺衍生物19。圖5 逆向藥物發(fā)現(xiàn)策略考察芳基氟磺酰亞胺類的作用靶點(diǎn)

3 基于SuFEx的化合物庫構(gòu)建

SuFEx類官能團(tuán)的化學(xué)穩(wěn)定性高，但在合適的反應(yīng)條件下針對特定官能團(tuán)又具有十分高效的反應(yīng)活性，選擇性高，因此可以用來模塊化地構(gòu)建衍生物庫，以供生物活性篩選。例如，很多臨床使用的藥物分子中含有酚羥基，而硫酰氟(SO2F2)可以高度選擇性地修飾酚羥基。Liu等采用后期官能團(tuán)化(Late-Stage Functionalization，LSF)的衍生物合成策略，用SO2F2氣體的乙腈溶液在96孔板中一次性將39個(gè)含酚羥基的抗癌藥物原位轉(zhuǎn)化為芳基氧磺酰氟衍生物，測試發(fā)現(xiàn)相對母體化合物，氧磺酰氟標(biāo)記的衍生物20F-22F(圖6)可以大幅提高抗癌活性[28]。

圖6 芳基氧磺酰氟類抗癌藥物

針對苗頭化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終獲得藥物分子的過程十分漫長且充滿挑戰(zhàn)性。SuFEx點(diǎn)擊化學(xué)具有生物相容性，基于此構(gòu)建的衍生物庫可以直接用于原位的生物活性篩選。Wolan團(tuán)隊(duì)和Sharpless團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種基于SuFEx點(diǎn)擊化學(xué)快速制備芳基氟磺酰亞胺衍生物庫的策略[29]；研究者從細(xì)菌半胱氨酸蛋白酶SpeB的中等活性抑制劑(23，Ki=8 μmol/L)出發(fā)，通過SuFEx點(diǎn)擊化學(xué)策略在微孔板中快速(過夜)合成460種衍生物(圖7A)，通過直接原位篩選發(fā)現(xiàn)了多個(gè)活性得以大幅提高的衍生物。其中，活性最高的衍生物Ki為 18 nmol/L，衍生物24活性較好(Ki為 67 nmol/L)，水溶性好，細(xì)胞毒性低，代謝穩(wěn)定性高，成藥性好(圖7B)。

圖7 基于SuFEx點(diǎn)擊化學(xué)構(gòu)建衍生物庫發(fā)現(xiàn)細(xì)菌半胱氨酸蛋白酶SpeB抑制劑

4 基于SuFEx的共價(jià)蛋白藥物

圖8 非天然氨基酸FSY的結(jié)構(gòu)及SuFEx介導(dǎo)的蛋白質(zhì)偶聯(lián)

5 基于18F/19F同位素交換的PET示蹤劑的合成

基于18F的正電子發(fā)射斷層顯像(Positron Emission Tomography，PET)技術(shù)在疾病的診斷和病理研究等方面具有十分廣泛的應(yīng)用。未來這一技術(shù)的主要研究方向之一是在18F脫氧葡糖(18F-FDG)等示蹤劑之外，開發(fā)更多具有靶向性的18F標(biāo)記的示蹤劑，以滿足日益增長的精準(zhǔn)醫(yī)療的需求。由于18F的半衰期較短，只有 110 min，因此在示蹤劑中通過常見的碳-氟鍵引入18F，并在有限時(shí)間里快速分離純化，非常具有挑戰(zhàn)性。Scripps研究所Wu Peng團(tuán)隊(duì)證實(shí)了芳基氧磺酰酯在室溫下可以快速與無機(jī)氟鹽發(fā)生18F/19F同位素交換，并基于此開發(fā)了一種基于硫氟交換的超快18F標(biāo)記技術(shù)[35]。這一技術(shù)得到的18F標(biāo)記的示蹤劑具有高比活度和高放化純度。研究者應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)在 2 min 之內(nèi)便近乎當(dāng)量地獲得18F標(biāo)記的PARP抑制劑奧拉帕尼，并且在小鼠的PET/CT中證實(shí)其對PARP高表達(dá)的腫瘤組織具有較高的選擇性?；谠摷夹g(shù)，He等合成了新型的阿爾茨海默病中β-淀粉樣蛋白斑塊(Aβ)的PET放射性示蹤劑[36]。為進(jìn)一步提高基于SuFEx的18F標(biāo)記效率，Walter等開發(fā)了一種新的方案[37]，即將[18F]F-負(fù)載到陰離子交換樹脂上，并用BnEt3NCl的MeOH溶液洗脫，以獲得18F標(biāo)記的示蹤劑。這種方法使得我們能夠在高度稀釋的溶液中對低納摩爾量的芳基氧磺酰氟進(jìn)行18F標(biāo)記。和最初的方案相比，該方法避免了共沸干燥、堿的添加和HPLC純化。作者利用這一方式，成功制備了29種18F-芳基氧磺酰氟，并且初步評估表明[18F]FS-DPA是一種非常有前景的易位蛋白(TSPO)表達(dá)可視化的示蹤劑。Kim等[38]近來也開發(fā)了一種18F標(biāo)記方案，即通過[18F]FSO2+轉(zhuǎn)移試劑，可以原位地由苯酚或者胺制備芳基氧磺酰[18F]氟或氨基磺酰[18F]氟(圖9)。

(A)18F標(biāo)記的奧拉帕尼芳基氧磺酰氟衍生物；(B)18F標(biāo)記的β-淀粉樣蛋白斑塊(Aβ)的PET示蹤劑；(C)[18F]FS-DPA。圖9 18F標(biāo)記的PET示蹤劑

6 展望

六價(jià)硫氟類化合物具有特殊的理化性質(zhì)，在化學(xué)穩(wěn)定性和反應(yīng)性上具有很好的平衡。近年來，隨著SuFEx的新型合成砌塊、新型合成技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，藥物化學(xué)家擁有了更多的工具來修飾小分子和生物大分子為六價(jià)硫氟衍生物，并基于此發(fā)現(xiàn)共價(jià)小分子和大分子藥物。但當(dāng)前六價(jià)硫氟化合物的反應(yīng)機(jī)制尚未完全明確，該類共價(jià)抑制劑的脫靶效應(yīng)，尤其是體內(nèi)的毒副作用還需進(jìn)一步研究。未來，隨著研究的不斷深入，六價(jià)硫氟交換化學(xué)在藥物的設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。