基于靶标结构的新型稠环嘧啶类HIV-1 NNRTIs抗艾滋病先导化合物及候选药物的发现

摘要

艾滋病(AIDS)主要是由人体免疫缺陷病毒1型(HIV-1)感染引起，属于严重危害人类健康的重大疾病之一。在HIV-1的生命周期中，逆转录酶(reverse transcriptase，RT)负责将携带病毒遗传信息的单链RNA逆转录成双链DNA，是抗艾滋病药物设计的关键靶标。针对该靶标的非核苷类逆转录酶抑制剂(Nonnucleoside RT inhibitors，NNRTIs)因具有高效、低毒等优点，是高效抗逆转录疗法（highly active antiretroviral therapy，HAART）重要组成部分。但由于HIV-1病毒的高变异性，临床上快速出现的耐药株显著降低了该类药物的疗效。耐药性问题成为抗艾滋病药物难以突破的壁垒。因此，新一代高效抗耐药性NNRTIs的研发是目前抗艾滋病药物研究的重大科研任务。
　　随着结构生物学新技术的发展，大量NNRTIs与HIV-1RT的复合晶体结构得到解析，这为新型抗耐药性NNRTIs的设计奠定了结构生物学基础。NNRTIs结合位点的高度柔性与“蛋白溶剂界面”的存在为新结构骨架的发现及结构修饰提供了广阔的化学空间。本论文根据HIV-1RT靶标的适配性要求（结构生物学信息），在其蛋白溶剂界面处进行了多样性的结构修饰（克服靶标的柔性），开展了以下四方面的研究工作，以期发现新型高效抗耐药性抗艾滋病候选药物。
　　基于靶标结构的新型抗艾滋病候选药物K-5a2和25a的发现。以最新一代抗艾滋病上市药物依曲韦林(ETV)为先导化合物，基于分子杂合和骨架跃迁的药物设计策略，发现了对HIV-1野生株及多数临床常见突变株活性均优于ETV的噻吩并嘧啶类NNRTIsK-5a2，但对于临床最常见的双突变株RES056，其活性(EC50=30.6nM)与依曲韦林(EC50=17nM)相比仍有一定差距。为进一步提高化合物的抗耐药性，本论文第二章以K-5a2为先导化合物，综合运用基于靶标结构的合理药物设计及抗耐药性药物设计策略（形成主链氢键、精准靶向保守型氨基酸等），依次对其右翼哌啶胺、中心稠合环和左翼芳环进行了结构多样性的修饰，以探讨未知的化学空间，克服柔性靶标与配体精准结合模式的不可预知性，并完善该类抑制剂的构效关系。经亲核取代、氧化、去保护、Wittig-Hornor等反应，本章共合成了三个子系列共计35个结构全新的噻吩并嘧啶类化合物。
　　采用MTT法对目标化合物进行细胞水平抗病毒活性实验。活性结果显示，在K-5a2右翼哌啶环引入取代基、更换哌啶环氮原子位置以及对其中心环进行等排替换时，化合物虽然对HIV-1野生株和多数突变株仍具有高效的抑制活性，但对双突变株RES056，活性仍低于ETV。在其左翼引入氰基乙烯基时，所得化合物ⅠA-19a-w抗耐药性显著提高，ⅠA-19a(25a)的活性尤为突出。对HIV-1ⅢB(EC50=1.22nM)和单突变株L100I(EC50=1.34nM)、K103N(EC50=0.958nM)、Y181C(EC50=5.00nM)、Y188L(EC50=5.45nM)、E138K(EC50=4.74nM)以及双突变株K103N+Y181C(EC50=5.50nM)，其活性约为ETV的3-4倍;抑制双突变株F227L+V106A的活性(EC50=2.70nM)较ETV提高了10倍。初步的成药性评价结果显示K-5a2和25a均具有良好的药代动力学性质和和较低的毒性，是具有重要开发前景的新一代非核苷类抗艾滋病候选药物。
　　为进一步明确K-5a2和25a的抗耐药机制，本章解析了K-5a2、25a与HIV-1野生株和多种突变株RT的复合晶体结构，详尽地阐释了二者与HIV-1RT之间的结合模式，并首次从结构生物学角度推断了ETV和RPV对p51亚基E138K突变敏感的机制，为新型高效抗耐药性NNRTIs的设计奠定了结构生物学基础。
　　靶向NNIBP“可容纳区域Ⅰ”的HIV-1NNRTIs的设计、合成和活性评价。本文第三章以K-5a2和DAPY类NNRTIs RDEA003为先导化合物，基于生物电子等排、分子杂合以及骨架跃迁等药物设计策略，对其伸向NNIBP“可容纳区域Ⅰ”的右翼进行了活性导向的结构修饰。经亲核取代、Buchwald-Hartwig父叉偶联等反应，本章共合成了4个系列共计101个结构全新的噻吩并嘧啶类化合物。
　　活性结果显示，ⅡA和ⅡB系列大多数化合物仅具有亚微摩尔到微摩尔水平抑制HIV-1ⅢB的活性，其中活性最好的化合物为ⅡA-5b(EC50=0.0092μM)。其对所测单突变株和双突变株F227L+V106A，ⅡA-5b也具有一定的抑制活性，但远低于先导化合物K-5a2。ⅡC系列中有7个化合物对HIV-1野生株表现出纳摩尔活性(EC50=2.20-9.98nM)，与K-5a2(EC50=1.16nM)接近。ⅡA、ⅡB和ⅡC三个系列的构效关系表明，先导化合物K-5a2右翼“哌啶胺-亚甲基-芳基”结构对化合物活性至关重要。
　　ⅡD系列多数化合物对HIV-1ⅢB和RES056具有高效的抑制活性。其中，ⅡD-3e是抗突变株活性最好的化合物，对所测单突变株和双突变株F227L+V106A的EC50值均小于10nM，对RES056的EC50值为21.5nM，均优于ETV。此外，ⅡD-3e在人肝微粒体中也表现出良好的体外代谢稳定性(T1/2=80.1min)，目前正在对其进行初步成药性评价。
　　靶向NNIBP“可容纳区域Ⅱ”的HIV-1NNRTIs的设计、合成和活性评价。DAPY类NNRTIs结构中含有多个亲脂性芳环，虽然能适应NNIBP的疏水性环境，但由于分子间紧密堆积所形成的π-π作用使该类化合物溶解度变得极差。为进一步提高化合物的抗耐药性并兼顾改善其溶解度，本论文第四章基于生物电子等排、骨架跃迁的药物设计策略以及引入极性基团、构象优化（晶体堆积分析）等改善溶解度方法，对K-5a2朝向NNIBP“可容纳区域Ⅱ”的中心噻吩并嘧啶环进行了结构多样性芳（杂）环替换，设计合成了11个子系列、共计72个化合物，以期得到具有更高抗耐药性和更佳成药性质的抗艾滋病候选药物。
　　活性测试结果显示，34个化合物对HIV-1野生株的活性超过ETV。其中，Ar为对位含亲水性氢键供受体基团、中心环为噻唑并[4，5-d]嘧啶(ⅢA)、噻唑并[5,4-d]嘧啶(ⅢB)、5，7-二氢呋喃并[3，4-d]嘧啶(ⅢG)的化合物对RES056均具有优于ETV的活性。ⅢA和ⅢB系列的活性尤其突出，EC50值在18.1-28.1nM之间，是ETV(EC50=45.4nM)的2倍左右。除此之外，ⅢF-5a(EC50=28.8nM)和]ⅢH-5a(EC50=25.8nM)抑制RES056的活性也优于ETV。对单突变株L100I、Y181C、Y188L、E138K和双突变株F227L+V106A，ⅢA、ⅢB、ⅢG系列化合物与ⅢF-5a均表现出优于或相当于ETV的活性。
　　通过化合物配体效率对抗耐药性突出的化合物进行了进一步的筛选，得到具有良好理化性质的化合物ⅢA-5a、ⅢA-5g、ⅢB-5a、ⅢB-5c和ⅢG-5a-d。溶解度测定结果显示，ⅢA-5a、ⅢA-5g、ⅢB-5a和ⅢB-5c的溶解度较K-5a2均大幅提高，在提高化合物抗耐药性的同时改善了溶解性。
　　基于点击化学和原位筛选技术的NNRTIs的设计、合成和活性评价。基于CuAAC点击化学构建优势片段组合库并进行原位筛选是快速发现药物先导物的高效途径。本论文第五章首次将该方法运用于HIV-1RT靶标。综合运用基于靶标结构的合理药物设计策略设计了5种含有炔基片段的DAPY类化合物骨架，并进而根据HIV-1RT蛋白-溶剂界面柔性区域的结构特征，引入了电性和分子骨架多样性的叠氮取代基（39种），经CuAAC点击化学构建了含有116个化合物的组合库。
　　对组合库进行原位筛选得到得到10个酶活抑制率超过ETV和K-5a2的活性分子。进而对其进行扩大量制备并进行体外活性筛选。活性结果表明，化合物细胞活性与酶活抑制率具有较高的一致性。其中，C3A19(EC50=3.28nM，SI＞64103)和C3A34(EC50=4.38nM，SI＞48544)对HIV-1ⅢB表现出了优于ETV(EC50=5.1nM，SI＞889)的活性，且二者均具有极高选择指数。此外，C3A19对NNRTIs产生严重耐药性的双突变株RES056也表现出了良好的活性。
　　总之，本论文针对HIV-1NNRTIs耐药性以及溶解度差的科学问题，综合运用基于靶标结构的合理药物设计、抗耐药性药物设计和提高溶解度（首次将晶格能和水合能概念用于DAPY类NNRTIs的设计）的药物设计策略、计算机辅助药物设计手段以及基于点击化学和原位筛选技术（首次用于HIV-1RT靶标）对前期发现的先导化合物K-5a2进行了系统的结构优化，共设计合成208个结构全新的稠环类化合物以及116个含有三氮唑基团的组合库。经细胞及靶点水平的生物活性测试、化合物配体效率计算、溶解度测定、人肝微粒体稳定性分析等发现多个具有高效抗耐药和良好理化性质的先导化合物。经初步成药性评价，得到2个具有重要开发前景的候选药物K-5a2和25a。本文还成功解析了K-5a2和25a与多个突变株的复合晶体结构（首次解析得到DAPY类化合物与E138K的复合晶体结构），阐明了该类化合物具有高效抗耐药性的结构基础，为进一步基于结构合理设计高效抗耐药性NNRTIs奠定了结构生物学基础。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

一、HIV-1病毒结构

二、HIV-1复制周期

三、抗艾滋病药物

第二节 HIV-1逆转录酶和非核苷类逆转录酶抑制剂

一、逆转录酶的结构和功能

二、逆转录酶抑制剂及其作用机制

三、非核苷类逆转录酶抑制剂研究进展

四、非核苷类逆转录酶抑制剂存在的问题

第三节 抗耐药性NNRTIs设计策略

一、增加分子的柔性和体积

二、增强与氨基酸主链的氢键作用

三、特异性靶向保守氨基酸残基

第四节 本章小节

第二章 基于靶标结构的新型抗艾滋病候选药物K-5a2和25a的发现

一、二芳基嘧啶类非核苷类逆转录酶抑制剂的结合模式

二、本课题组关于DAPY类NNRTIs的研究进展

三、噻吩并嘧啶类NNRTIs的设计和抗HIV-1活性评价

第二节 新型噻吩并嘧啶类NNRTIs的设计、合成和活性评价

一、目标化合物的设计

二、目标化合物的合成

三、目标化合物的抗HIV-1活性评价结果与讨论

四、分子对接研究

第三节 K-5a2和25a与HIV-1逆转录酶的结构生物学研究

一、蛋白制备与结晶

二、数据收集和结构确定

三、复合晶体结构的解析

四、抗耐药性分析

五、K-5a2、25a与ETV、RPV的结合模式比较

六、小节

第四节 K-5a2和25a的初步成药性评价

一、K-5a2和25a的临床前药代动力学研究

二、K-5a2和25a的毒性评价

第五节 本章小节

第三章 靶向NNIBP“可容纳区域Ⅰ”的HIV-1 NNRTIs的设计、合成和活性评价

第一节 目标化合物的设计

三、右翼哌啶多样性导向的噻吩并嘧啶类DAPYs设计—Series ⅡC

四、基于生物电子等排策略的噻吩并嘧啶类DAPYs的设计—Series ⅡD

一、仪器与试剂

二、目标化合物的合成路线与步骤

三、合成实验讨论

二、活性测试结果与讨论

第四节 目标化合物的分子对接研究

二、Series ⅡC的分子模拟分析

三、Series ⅡD的分子模拟分析

第五节 人肝微粒体稳定性研究

一、实验方法

二、实验结果

第六节 本章小节

第四章 靶向NNIBP“可容纳区域Ⅱ”的HIV-1 NNRTIs的设计、合成和活性评价

第一节 目标化合物的设计

一、仪器与试剂

二、目标化合物合成路线

三、目标化合物合成步骤

四、合成实验讨论

第三节 目标化合物的抗HIV-1活性评价

一、目标化合物抗HIV的活性筛选实验(细胞水平)

二、目标化合物HIV-1逆转录酶抑制实验(酶水平)

第四节 活性化合物配体效率和溶解度研究

一、化合物配体效率研究

二、化合物溶解度的测定

第五节 本章小节

第五章 基于CuAAC点击化学和原位筛选技术的抗HIV-1活性先导化合物的发现

第一节 点击化学和原位筛选技术概述

一、点击化学概述

二、CuAAC组合库的构建及原位筛选技术在药物先导物发现中的应用

第二节 化合物设计与化合物库的构建

一、化合物的设计

二、末端炔及叠氮修饰的优势结构片段的化学合成

三、CuAAC点击化学的最佳反应条件的探索

四、基于CuAAC点击化学的多样性化合物库的构建

第三节 化合物库的原位筛选(抑酶活性评价)

一、酶活测试原理和方法

二、酶活结果与分析

第四节 活性分子C3AX的合成

二、C3AX的合成步骤

第五节 抗HIV-1细胞活性评价

一、活性测试方法

二、活性测试结果与讨论

第六节 本章小节

第六章 总结与展望

第一节 总结

一、基于靶标结构的新型稠环嘧啶类抗艾滋病候选药物的发现

二、基于点击化学和原位筛选技术的NNRTIs的设计、合成和活性评价

三、本论文创新点

四、本论文取得的标志性成果

五、本论文不足之处

第二节 展望

一、对本课题进一步的改造思路

二、抗艾滋病药物研究方向和发展趋势

参考文献

致谢

攻读博士学位期间科研及奖励情况

部分代表性化合物谱图