经典药物设计之靶向MNK的临床II期小分子eFT508的设计思路
药物化学前沿2020-06-01 12:30
背景
mRNA的翻译失调在肿瘤发生中起主要作用。对于一组特定的mRNA，翻译是严格控制的过程，该过程的失调会导致异常增殖，血管生成，免疫功能改变等癌症发生发展的相关特征（图1）。帽依赖性翻译起始的关键步骤依赖于真核起始因子eIF4E的可用性和活性，而真核起始因子eIF4E则由MNK1/2调控。MNKs被上游Ras / Raf / Erk和MyD88 / p38信号通路激活，从而通过eIF4E和其他关键效应蛋白（如异源核糖核蛋白A1（hnRNPA1）和蛋白相关剪接因子（PSF））调节RNA翻译。这些mRNA结合蛋白的磷酸化选择性调节肿瘤和基质细胞信号传导的细胞mRNA子集的翻译和稳定性。
图1
丝裂原激活的蛋白激酶相互作用激酶（MNK）1/2是mRNA翻译的关键调节剂，其通过eIF4E和其他mRNA结合蛋白的磷酸化整合了来自致癌和免疫信号通路的信号。这些关键效应蛋白的调节可调节mRNA，从而控制肿瘤/基质细胞的信号传导。
MNK是一种Ser / Thr激酶，是唯一已知的在209位丝氨酸上磷酸化eIF4E的激酶。该磷酸化已被证明对于eIF4E在肿瘤发生中的作用至关重要，但对于正常发育和细胞稳态而言并非必需。小鼠MNK1/ 2双敲除研究进一步表明，正常生长发育不需要该激酶。因此，MNK的潜在遗传学导致人们期望选择性的MNK抑制剂不一定具有很强的抗增殖活性，但会限制癌基因驱动的信号传导所必需的细胞过程，从而保护正常组织并提供良好的治疗窗口。
Kevin R. Webster等试图设计具有优异的激酶选择性和细胞效力的MNK1 / 2抑制剂，以便充分探索MNK1 / 2抑制剂的药理作用机制。基于迭代结构的方法利用该激酶的独特活性位点，研究者发现了一种高度选择性和有效的MNK1 / 2抑制剂化合物23（eFT508）。
值得注意的是, 晶体结构指导的设计利用了MNK特有的立体电子相互作用，最终得到了激酶相关文献中首次报道的新型吡啶酮-氨醛结构——这是迄今为止，第一次在激酶抑制剂中报道吡啶酮-氨基的化学骨架。eFT508在弥漫性大细胞B细胞淋巴瘤和实体瘤模型中具有有效的体内抗肿瘤活性，这表明了控制翻译失调的治疗潜力。该小分子目前正处于第2期临床试验中，用于治疗实体癌和血液癌，并且已被FDA授予“孤儿药”资格以治疗弥漫大B细胞淋巴瘤（DLBCL）。
设计
MNK抑制剂设计方法主要在于，利用并聚合不同于其他激酶的与MNK活性位点残基结合有利的立体电子相互作用。这类立体电子相互作用对距离和方向高度敏感，可以借此提高抑制剂选择性。且，这些相互作用通常受溶剂化的影响较小，而溶剂化可以增强效力和渗透性。
MNK1 / 2的ATP结合位点有几个非典型残基，其中两个为立体电子相互作用提供了最大的机会——即Phe159和Cys225，这两个残基是设计的重点参考。其他激酶，只有Flt3和Flt4，细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKL），丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶4（PRP4），双特异性酪氨酸磷酸化调节激酶，促丝裂原活化蛋白激酶7和MNK具有这种残基组合，表明设计配体与这些残基相互作用可以促成MNK选择性抑制剂的设计。此外， MNK1和MNK2的活性位点几乎相同（相似度90％），因此同时对两种同工型实现相似的亲和力是可行的。并且，双重抑制具有一定的必要性，因为同工型可以在eIF4E的磷酸化中相互补偿。
研究者早期的策略是确定具有高配体效率的化学片段。并且在设计之初就将配体效率和理化特性放在首位。他们确定了六个初始片段或片段状支架（15-20个重原子，图2A-F）。通过测量它们的MNK1 IC50值和配体效率，它们都对MNK具有良好的亲和力。
图2
研究者获得了四个小分子与突变的MNK2的复合物的晶体结构。图2A显示了MNK2活性位点中化合物1的共晶体结构，Phe159的负电势表明具有正电势的配体部分（即芳环的边缘，甲基，可极化原子等）将是互补的。此外，化合物1的进一步优化，将可能与两个关键残基Phe159和Cys225发生潜在的相互作用。而咪唑环的N-9氮与Met162羰基氧形成氢键（3.5），但这种相互作用很弱。化合物2的结合模式（图2B）也显示出与Phe159和Cys225相互作用的潜力。但化合物3与Cys225结合的适用性较低。化合物4与3相似，与Cys225相互作用的能力微不足道。
研究者使用所有六个片段作为起点设计了一小批化合物，并评估了每个支架的效能轨迹（图3）。羧酰胺支架1成为优选的结构，具有最高的配体效率，可通过少于20种化合物快速优化至低纳摩尔摩尔浓度与MNK的结合。
图3
在药物化学中，为了改善物理化学性质而减弱效力的方法是一种经常被忽视但功能强大的优化策略。内酰胺化合物8是通过分析化合物1的共晶体结构而设计的，并且活性高2.5倍。并且由于失去一个氢键供体，预期该内酰胺具有改善的渗透性。此外，内酰胺sp3碳的引入提供了芳基平面之外的“平面载体”。这种埋入式亚甲基的取代可能会迫使双环系统翻转180°进入更深的口袋，以适应该取代增加的体积，而这正是增强激酶结合亲和力主要来源。化合物9的效力是7的25倍，并且共晶体结构表明，与其未取代的对应化合物8相比，确实发生了环翻转（图4）。
图4
如前所述，Cys225的可以进行有利的立体电子相互作用，从而增强结合力与选择性（图2A）。在PDB和CSD数据库中，经常可以在晶体结构中观察到具有自由孤对电子的原子与羰基的立体电子相互作用，因此，设计11的吡啶酮环结构以提供与Cys225的立体电子相互作用（图5A）。（化合物12的共晶结构证实了硫原子和羰基之间的立体电子相互作用，图5A）。
图5
虽然11的结合亲和力活性降低了四倍，但重要的是，它的clogP比7低了近两个数量级，这反映了亲脂性配体效率提高了16倍（LLE）（表1）。这种适度的结合亲和力降低与亲脂性降低72倍是整个优化过程的关键结果。
表1
被取代的内酰胺和缩醛胺的环翻转在与Phe159相邻的位置形成了一个未填充的口袋。因此假设该空间可能容纳一个位于吡啶酮环5位的单个重原子。5-氯及5-甲基取代，观察到效价提高了50倍以上，而使用5-氟的效果却要差得多。氯和甲基的亲和力增强与它们与Phe159芳基面的负电势相互作用的能力相符，正如静电电势分析所揭示（图2A）。甲基取代基总体上提供了激酶组选择性和活性之间的最佳平衡。
化合物23的最终优化和鉴定
未取代的4-氨基嘧啶能够维持与Met162主链羰基的氢键，并且，重要的是，具有螺环的分子可消除氨基的代谢。因此，尽管环丙基酰胺提高了效能，但考虑到其降低的选择性及增加了另外五个重原子，并未将其作为优选，而主要专注于带有裸露氨基的4-氨基嘧啶。
根据药物代谢动力学（小鼠，大鼠，狗和猴子；表2）进一步缩小了选择范围。化合物23具有最佳的总体特征，并且始终是肿瘤生长抑制（TGI）和药代动力学/药效学（PK / PD）研究中的佼佼者，因此被选为临床候选物（图6）。
表2
图6
总结
汤森路透查询到eFT508这个小分子记录创建日期为2016年1月20号，目前正处于第2期临床试验中，用于治疗实体癌和血液癌，并且已被FDA授予“孤儿药”资格以治疗弥漫大B细胞淋巴瘤（DLBCL）。在短短几年时间内发展如此迅速，在小分子药物领域属于少见，这可能得益于其早期筛选就把分子的理化性质及成药性摆在首位，而非简单的抑制活性。
参考文献
Siegfried H. Reich et al. Structure-based Design of Pyridone-Aminal eFT508 Targeting Dysregulated Translation by Selective Mitogen-activated Protein Kinase Interacting Kinases 1 and 2 (MNK1/2) Inhibition. J, Med, Chem. 2018, 61, 8, 3516–3540
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