环丙烷结构片段在药物中的应用

 

一, 前言

环丙烷是最小的环状化合物，具有独特的结构特征和理化性质，广泛用于小分子药物的设计，2016年美国圣约翰大学药学院Tanaji T. Talele教授在JMC上发表综述，总结了环丙烷在药物中的应用情况。

二, 环丙烷介绍

环丙烷于1882年首次被合成，是一种无色、易燃、有甜味的气体，具有麻醉作用。环丙烷分子结构中C原子均为sp3杂化成键，但四个杂化轨道并不等性，两个外指轨道s特征较多，两个环内轨道p特征较多，即C-C键具有更多的p成分，而C-H键具有更多的s成分，因此，其化学反应活性与C=C非常类似。

相比于乙烷，环丙烷中的C-H键更短、更强，其键能为106 kcal/mol，乙烷中C-H键能为101 kcal/mol，因此，环丙基代谢稳定性比甲基强，因为环丙基环比甲基更难失去质子，这是氧化代谢的必须过程。由于分子中三个C原子在同一平面上，C-H被迫以重叠构象存在，因此，低亲脂性的环丙基是疏水性苯环的良好生物电子等排体。此外，环丙烷中C-C键角为60°，与正常脂肪链中C-C键角109°相差49°，产生了角张力；C-H键的重叠构象产生扭转张力，因此环丙烷是一种具有高度张力的三元环状结构，其张力能为27.5 kcal/mol，环丙烷也能作为π电子供体。

三, 环丙烷在药物设计中的应用

在分子中引入单取代环丙烷、稠环环丙烷、螺环环丙烷、1,2-二取代和1,2,3-三取代手性环丙烷骨架能够明显提高化合物的成药性。包括了增加生物活性、受体类型选择性、生物利用度、半衰期、肝微粒体稳定性、脑渗透性、靶蛋白结合位点适应性、水溶性、有利结合熵和减少分子亲酯性、代谢敏感性、脱靶效应、熵罚结合因子等。例如，环丙基(CLogP~1.2)取代异丙基(CLogP~1.5) 和苯基(CLogP~2.0)能够减少分子亲酯性；N-甲基取代变为N-环丙基取代能够增加CPY450稳定性；在甘氨酸酰胺键的α-C上引入环丙基化能够避免酰胺键水解；用螺环丙烷取代代谢不稳定的苄基C原子增加代谢稳定性；将能够发生E/Z异构化的非环状烯烃替换为环丙烷环可以稳定几何异构体；将α,β不饱和羰基化合物的双键替换为环丙烷得到环丙基羰基化合物可以消除反应性Michael受体；在苄基C上引入环丙基调控分子中苄胺部分的pKa，以调节中枢神经系统(CNS)的渗透性；1,2-二取代或1,2,3-三取代环丙基环可以作为手性骨架，以获得有利于结合靶蛋白的分子构象；螺环丙基是偕二甲基、偕二氟基和亚甲基的生物电子等排体；引入环丙烷环进行构象限制可获得具有生物活性的分子构象。

2019年，全球药品销售TOP200中有9款药物含有环丙烷结构，目前FDA批准上市的含有环丙烷的药物分子超过60个，包括中枢神经系统(CNS)药物、心血管药物、抗糖药、自身免疫及抗炎药、抗癌药、抗病毒药、抗菌药以及呼吸系统紊乱药等。因此环丙烷环在药物分子设计中具有广泛的应用，在药物中引入环丙基能够改变分子的多种性质。

（1）引入环丙基增加生物活性

丙型肝炎病毒(HepatitisC Virus, HCV)是一种单股正链RNA病毒，其编码蛋白质包括结构蛋白核心蛋白、包膜蛋白E1和E2以及非结构蛋白NS2、NS3、NS4A、NS4B、NB5A、NS5B。HCV可引起肝炎，慢性化率较高，可进一步发展为肝硬化和肝癌等一系列肝脏疾病，研究表明，非结构蛋白NS5A在HCV复制周期中发挥着重要作用，因此NS5A蛋白抑制剂是治疗HCV感染的重要手段。雷迪帕韦(Ledipasvir)是一种有效的HCV NS5A抑制剂，用于治疗丙型肝炎，最初科学家发现先导化合物1具有HCV NS5A抑制活性，HCV基因型1a(GT1a)和1b(GT1b)复制子的EC50分别为56 pM和4 pM，蛋白校正GT1a复制子的EC50为784 nM。基于结构的优化中，将化合物1中的吡咯环4位亚甲基替换为螺环丙基得到螺环丙基吡咯烷类化合物雷迪帕韦，GT1a和GT1b的EC50值分别为30 pM和4 pM，蛋白校正GT1a复制子的EC50为210 nM，GT1b复制子活性提高近一倍，同时，在健康志愿者和猴子体内的PK性质更优。

羟甲基戊二酰辅酶A(HMG-CoA)还原酶是体内胆固醇生物合成过程的限速酶，能催化底物HMG-CoA生成甲羟戊酸，是体内合成胆固醇的限速步骤，HMG-CoA还原酶是调节血脂药物的重要靶点。匹伐他汀(Pitavastatin)是一种HMG-CoA还原酶抑制剂，2009年获得FDA批准用于治疗高胆固醇血症，Suzuki等最初为了获得相比于当时的普伐他汀，西伐他汀，阿托伐他汀等药物更高活性的他汀类药物，在构效关系研究过程中发现化合物2具有一定的HMG-Co A还原酶抑制活性，IC50为19 nM，为了提高活性，用代谢稳定性更高的环丙基取代异丙基获得了匹伐他汀，IC50为4.1 nM，活性提高了大约5倍，同时减少CYP3A4介导的代谢，相比于其他他汀类药物，匹伐他汀具有更高的生物利用度和更长的作用持续时间。

（3）引入环丙基提高化合物水溶性

Polo样蛋白激酶(Polo-like kinase, PLK)是一类进化上高度保守的的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，人体内的PLK家族成员有PLK1、PLK2、PLK3和PLK4四种亚型, 参与细胞周期的调控，PLK4高度表达于分裂活跃的组织和细胞中，与肿瘤的发生和发展具有密切关系。化合物3具有明显的PLK4抑制活性及抗肿瘤活性，但PK性质较差，研究发现，由于在体内分子中乙烯片段的高活性的E-构象可能异构化为低活性的Z-构象，因此分子构象不稳定。于是研究人员引入乙烯基电子等排体环丙基获得具有手性环丙基的化合物4，稳定了高活性构象，活性得到提高，同时由于分子sp3性质的增加进而提高了分子水溶性，PK性质也得到极大改善。

Ghrelin是一种由28个氨基酸组成的多肽，是生长激素促分泌素受体的内源性配体，具有促进生长激素分泌、增进食欲、维持能量代谢正平衡, 调节心血管和免疫系统功能等广泛的生物学效应，Ghrelin及其受体相互作用参与多种肿瘤的发生发展过程。Ulimorelin是一种人Ghrelin(GRLN)受体激动剂，目前处于术后肠梗阻治疗的III期临床试验。最初通过高通量筛选获得大环类先导化合物5，在构效关系研究过程中，研究人员引入环丙基替换仲丁基获得了Ulimorelin，由于环丙基的给电子效应增加了邻位二级胺的碱性，以至于苯氧基的O和二级胺的NH产生了强烈的分子内氢键，增加了分子的刚性，降低了脂溶性，提高了分子水溶性。

（4）引入环丙基提高化学稳定性

P-糖蛋白(P-glycoprotein, P-gp)是一种位于细胞膜上保护细胞免受外来有害分子入侵的分子泵，广泛分布于肠、肝、肾、脑、睾丸、胎盘和眼睛等有分泌功能和排泄功能的上皮细胞膜上，可保护正常细胞及组织免受毒性物质的损害。多药耐药是肿瘤细胞免受药物攻击最重要的防御机制，P-gp在具有耐药表型的肿瘤细胞中过度表达，是某些表达P-gp的肿瘤细胞耐药治疗的靶点。化合物MS-073是开发用于治疗多药耐药癌症的化合物，由于分子中N-二苯并芴基部分在酸性条件下不稳定(t1/2∼15 min , pH 2, 37°C)，口服生物利用度差，因此，科学家在结构优化的过程中引入偕二氟取代的环丙基取代亚甲基，得到了酸性稳定的Zosuquidar(t1/2> 72 h, pH 2, 37°C)，是一种P-gp抑制剂，目前处于III期临床，用于治疗耐药肿瘤。

卡博替尼(Cabozantinib)是一种多靶点的小分子酪氨酸激酶抑制剂，能够靶向MET、VEGFR1、VEGFR 2、VEGFR 3、ROS1、RET、AXL、NTRK、KIT等9个靶点，主要用于甲状腺髓样癌、肾癌、肝癌等多种实体瘤治疗。最初获得的先导化合物6，由于酰基硫脲化学的不稳定，于是研究人员利用全新的1,1-二酰胺环丙基替换酰基硫脲得到了卡博替尼，稳定性大大提高，基于该新型结构片段还发现许多其他多激酶抑制剂。

（4）引入环丙基提高代谢稳定性

在HIV-1(human immunodeficiency virus type 1) 的复制周期中，逆转录酶 (Reversetranscriptase, RT) 和整合酶 (Integrase, IN) 均发挥着非常重要的作用, 两者一直是抗HIV药物研究的热门靶点。奈韦拉平(Nevirapine)是第一代HIV1逆转录酶抑制剂，用于HIV感染治疗。最初发现化合物7具有一定的抑制活性，但是其N11位的乙基容易发生氧化脱乙基化代谢，代谢不稳定，于是研究人员引入环丙基替换乙基得到代谢更稳定的奈韦拉平。

P2Y12受体是一种七跨膜G蛋白偶联受体，与ADP结合后，与Gi蛋白偶联，抑制腺苷酸环化酶活化和血管扩张剂刺激磷蛋白的磷酸化，从而促进血小板聚集。普拉格雷(Prasugrel)是2009年上市的P2Y12受体竞争性拮抗剂，能有效的控制体内的炎症，减轻动脉血栓形成的危险，显著减少缺血事件的发生率。氯吡格雷(Clopidogrel)在体内主要通过CYP450酶系将分子内的甲酯水解为无活性的羧酸代谢物，同时通过CYP450酶系代谢为活性产物不可逆地抑制血小板上的P2Y12受体。为了减少无活性代谢物的产生，利用环丙基取代甲氧基，并进一步优化得到普拉格雷，代谢稳定性更好，在体内只有唯一的生成活性代谢物途径，因此疗效更好。

（5）引入环丙基降低分子亲脂性

淋巴细胞特异性蛋白酪氨酸激酶(Lymphocyte-specific protein tyrosine kinase, Lck)是一种在T细胞和自然杀伤细胞中表达的Src家族细胞质酪氨酸激酶，在T细胞活化中, Lck的激活是一个必需步骤, 故选择性抑制Lck可以产生免疫抑制作用。化合物8是研究人员发现的Lck抑制剂，其IC50为0.89 μM，构效关系研究表明，当苯环替换为环丙基时，活性增加，亲脂性降低。

Aurora激酶是一类进化高度保守的丝/苏氨酸激酶，包括Aurora-A、Aurora-B、Aurora-C三种亚型，参与细胞周期的调控。在多种实体瘤中发现Aurora激酶过表达，高表达的Aurora激酶导致异常的有丝分裂，引起基因的不稳定性，与肿瘤的发生发展密切相关，是抗肿瘤靶点之一。化合物10是Aurora-A和Aurora-B激酶抑制剂，但分子亲脂性较高，为了降低亲脂性，研究人员利用环丙基替换环己基得到化合物AT9283，基于酶和细胞的活性均有提高，亲脂性降低，水溶性增加，该化合物目前处于2期临床试验。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)属于一类丝氨酸/苏氨酸激酶，在MAPK家族中，细胞外信号调节激酶(RAF/MEK/ERK)信号通路是最重要的信号通路，该信号通路在所有真核细胞中高度保守，参与肿瘤细胞的增殖、凋亡、侵袭、转移和血管生成。丝裂原/细胞外信号调节激酶(Mitogen/extracellularsignal-regulated kinases,MEK)是一类参与MAPK信号传导的激酶，目前有7种MEK酶，其中MEK1和2密切相关，参与RAS/RAF/MEK/ERK的信号传导反应，激活ERK1/2，催化其下游转录因子和调控蛋白磷酸化，MEK抑制剂通过抑制MEK磷酸化，抑制MAPK通路的过渡激活，产生抗肿瘤活性。曲美替尼(Trametinib)是一种MEK 1/2可逆抑制剂，最初通过高通量筛选发现化合物11具有中等的MEK抑制活性，但是化合物11的亲酯性极高，不利于进一步的开发，为了降低亲酯性和提高活性，将N3位苯基替换为环丙基，并将对氯苯胺替换为MEK抑制剂的常用药效团2-氟-4-碘苯胺，并在N1苯环上引入极性的乙酰胺基，最终获得了曲美替尼，分子亲酯性大大降低，且在肾腺癌ACHN细胞和大肠腺癌HT-29细胞的活性大大提高。

（6）引入环丙基降低毒性

白三烯D4(LTD4）是参与哮喘气道炎症的最重要介质之一，能引起气道平滑肌的收缩，可作为一种高效、敏感的激发剂，通过LTD4受体发挥作用。化合物MEK-679是有效的LTD4受体拮抗剂，但是能够明显诱导过氧化物酶体活性(Peroxisomal enzyme induction, PEI)，400mg/kg剂量能够诱导小鼠65%的PEI，导致严重的肝功能异常，因此退出市场。为了解决这一问题，研究人员首先以芳烷基取代硫缩醛，并在在羧酸β-C上引入环丙基得到孟鲁司特(Montelukast)，发现没有明显诱导过氧化物酶体活性，且活性提高了。因为过氧化物酶体能够识别不饱和脂肪酸并发生β氧化，同样MEK-679能够被识别并发生β氧化，进而诱导过氧化物酶体活性，因此在羧酸β-C上引入环丙基阻断了氧化过程，PEI仅为16%，降低了毒性。

NS5B是丙型肝炎病毒(HCV)NS5B基因编码的RNA依赖性RNA聚合酶(RdRp), 对HCV的复制发挥关键性作用, 哺乳动物没有类似蛋白，未被HCV感染的细胞不会表达NS5B, 因此NS5B抑制剂在阻断HCV复制的同时不会引起其他毒副作用, 是抗HCV药物研究的重要靶点。Beclabuvir是一种非核苷类NS5B抑制剂，基于对先导化合物12的结构优化而得，研究人员引入环丙基替换化合物12的双键获得了Beclabuvir，环丙基的引入保持了分子四环系统的刚性、环丙烷与NS5B关键氨基酸发生相互作用、消除了潜在的Michael受体反应活性，降低了其他副作用。目前Beclabuvir的III期临床试验已经完成。

（7）引入环丙基提高口服生物利用度

乳腺癌易感基因(Breastcancer susceptibility gene, BRCA)是人体内重要的抑癌基因，BRCA1和BRCA2基因是抑制恶性肿瘤发生的关键基因，在DNA双链损伤修复过程发挥重要作用。如果BRCA1和BRCA2发生基因突变，将导致基因组不稳定，所有类型的同源重组修复将受损，恶性肿瘤发生概率增加。多聚腺苷二磷酸核糖聚合酶(Poly ADP-ribose polymerase, PARP)是单链DNA损伤修复的关键分子，在DNA损伤修复中发挥重要作用，PARP抑制剂通过同时阻断PARP和BRCA1/2的功能，引起合成致死，导致癌细胞死亡。PARP是一类多功能蛋白，PARP-1是其最重要的成员。奥拉帕尼(Olaparib)是FDA批准的第一个用于BRCA突变的HER2阴性转移性乳腺癌患者治疗的PARP抑制剂。化合物13为先导化合物，PARP1抑制IC50为5 nM，将分子中乙基替换为环丙基得到奥拉帕尼，活性保持，口服吸收更好(老鼠口服1h后血药浓度为0.59 vs0.3 μg/mL)，血浆暴露量更高。

缓激肽(bradykinin,BK)是一种具有心脏保护作用的九肽分子，通过作用于缓激肽B1受体(Bradykinin 1 receptor, B1R)和缓激肽B2受体(Bradykinin 2 receptor, B2R)激活细胞内复杂的信号通路，参与多种生理过程。缓激肽受体属于G蛋白偶联受体超家族, B1R与Gαq/11和Gαi蛋白相偶联，参与炎性疼痛和神经病理性疼痛的产生和维持。化合物14是报道的B1R拮抗剂，然而进一步研究发现二氨基嘧啶骨架容易发生代谢，理化性质和PK性质较差，为了克服这个问题，研究人员发现环丙氨基酸片段能够替换容易代谢的二氨基嘧啶片段，于是得到了化合物15，虽然活性有下降，但PK性质明显改善，口服生物利用度明显提高。研究发现，其CNS受体结合率中等，是P-gp蛋白的底物，影响了CNS渗透性，于是进一步优化得到化合物16，其PK性质更好，CNS受体结合率中等，B1R亲和力明显提高，口服生物利用度明显提高，其中环丙氨基酸替换二氨基嘧啶具有重要的分子设计参考意义。

（8）引入环丙基降低血浆清除率

组织蛋白酶K（Cathepsin K）是主要存在于溶酶体中的半胱氨酸蛋白酶，在破骨细胞中高表达，参与破骨细胞有机质降解、骨吸收及骨陷窝形成过程，组织蛋白酶K成为骨质疏松治疗的新靶点。研究人员最初发现先导化合物L-873724是有效的、选择性的CathepsinK抑制剂，选择性超过其他亚型的800倍以上，但是代谢不稳定，不利于进一步开发。主要的代谢物之一是酰胺键的水解产物，为了解决这个问题，在氰基胺的αC上引入环丙基，并进一步在异丙基上取代F原子，得到Odanacatib，稳定性更高，选择性和活性保持，目前处于治疗骨质疏松的III期临床。

（9）引入环丙基增加CNS暴露量

阿卡巴韦(Abacavir)是1998年FDA批准上市的HIV1逆转录酶抑制剂，口服后能够转化为卡巴韦三磷酸发挥作用，是卡巴韦(Carbovir)的前药。卡巴韦的体外活性很好，但在小鼠及猴子中的口服生物利用度很低，且CNS暴露量低，为了解决这一问题，研究人员在C6氨基上取代各种基团，最后发现引入环丙基时能够明显增加口服生物利用度及CNS渗透性，得到了阿卡巴韦。

纳洛酮(Naloxone)是一种阿片类受体拮抗剂，主要用于阿片类药物过量中毒或用于阿片药成瘾的诊断。分子中N17位的烯烃双键被环丙基替换得到纳曲酮(Naltrexone)，与阿片μ受体的Ki为 0.11 nM，阿片κ受体的Ki为0.19 nM，阿片δ阿片受体的Ki 为60 nM。将纳曲酮的羰基替换为乙烯基获得纳美芬(Nalmefene)，阿片受体抑制活性与纳曲酮相当,阿片μ受体Ki为0.11 nM、阿片κ受体Ki为0.19 nM、阿片δ受体Ki为60 nM。相比于纳洛酮，纳曲酮和纳洛芬的亲脂性提高，CNS分布更广泛，成药性更好。

（10）引入环丙基降低药物外排

β-淀粉样蛋白(amyloid-βpeptide, Aβ)是含有39~43个氨基酸的多肽，其前体蛋白通过β分泌酶和γ分泌酶的连续切割而形成，β淀粉样前体蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein cleaving enzyme1, BACE1)是一种β-分泌酶，是Aβ产生过程中的限速酶，主要表达于大脑皮层和海马区神经元，研究表明，BACE1水平下调参与调控中枢和外周神经的损伤或受损神经的再生。阿尔兹海默症(AD)的主要特征为Aβ在细胞外的沉淀、聚积和过度磷酸化的tau蛋白在细胞内积聚, 以及整个大脑皮层中淀粉样斑块和神经原纤维缠结的累积，抑制BACE1活性可减少Aβ的产生, 是防治AD的靶点。

为了发现低亲脂性、高脑渗透性的BACE1抑制剂，研究人员发现了大环乙醇胺类先导化合物17，是有效的选择性BACE1抑制剂，但研究发现，在MDR1-MDCK细胞系中，其细胞渗透性很差而且外排率很高。进一步研究发现乙醇胺片段的碱性增加与高P-gp外排率和低渗透性有关，为了解决这一问题，研究人员利用降低乙醇胺pKa策略进行优化，在乙醇胺区域的苄基位引入环丙基得到化合物18，pKa为7.3，被动渗透性得到很大提高，外排率大大降低，活性也得到提高。

（11）引入环丙基调控分子手性

褪黑素(Melatonin, MT)是由脑松果体分泌的激素之一，其功能主要是改善睡眠，缩短睡前觉醒时间和入睡时间，改善睡眠质量，有较强的调整时差功能，同时褪黑素也是迄今发现的最强内源性自由基清除剂，因此参与抗氧化系统，防止细胞产生氧化损伤。通过激活褪黑激素1和2受体(MT1和MT2)发挥作用，MT受体是开发治疗失眠药物的重要靶点。他司美琼(Tasimelteon)是有效的MT1/2激动剂，用于非24小时睡眠-觉醒障碍的治疗。他司美琼和褪黑素在结构上具有两点不同，他司美琼的苯并二氢呋喃结构为吲哚的生物电子等排体，位于芳香环和侧链羧酰胺官能团之间的构象受限的手性环丙基对于结合MT受体具有重要作用。两个分子中O-N距离6个原子使得化合物能够有效结合在MT受体上(结构中红色键)。

四、总结

由于具有独特的结构特点，环丙基在药物设计中的应用非常广泛，但是引入环丙基并不一定能够明确改善某一分子性质，需要进一步的实验验证。因此在药物分子设计中可以尝试引入环丙基，可能获得意想不到的效果。