非擬肽類DPP-4抑制劑的獨特結構與療效

衛生部北京醫院藥劑科 紀立偉

紀立偉 主任藥師，就職于衛生部北京醫院藥劑科。2002年獲得醫學碩士學位及執業藥師資格。作為主要研究者承擔和參與了北京市衛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年獲得衛生部臨床藥師培訓基地內分泌專業帶教教師資格，與帶教的臨床藥師學員完成了2500余人的內分泌科患者用藥教育。2011年獲中國藥學會醫院藥學專業委員會頒發的“青年藥師優秀獎”。已在國家核心期刊上發表相關論文20余篇，主編學術專著2部。參編學術專著6部。中國科技核心期刊《中國臨床醫生》及《中國藥物應用與監測》編委。

糖尿病是一種困擾全球的慢性病，近年來發病率逐年攀升，成為21世紀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)。基于T 2 D M 的致病原因，許多新的藥物靶點已被開發，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、阿格列汀在內的藥物已在我國批準上市，進入了臨床使用。該類藥物在有效降糖的同時，不增加體重、低血糖和心血管風險，同時具有保護β細胞功能的作用，為T2DM的治療提供了新的選擇。

DPP-4的結構與功能

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構，通過氨基端的一個由高度糖基化區和半胱氨酸富集區形成的疏水性螺旋與膜結合，分子大小為125x80x60A，分子量為210kDa。每個亞單位包括兩個結構域：①C末端催化區域(Gln508-Pr0766)，有α/β水解酶折疊，Ser630，Asp708，His740為其催化三聯序列，位于螺旋中央孔狀結構的底面中心部位。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螺旋漿片層區域(Lys56-Asn497)，有多β片層8葉螺旋槳狀結構，每個螺旋槳狀結構由4個帶狀的β片層組成[1,2]。控制底物的出入口位于兩個結構域之間的一個大小為30～45A的袋狀結構，底物與DPP-4的結合位點就在其中[3]。DPP-4的晶體結構(見圖1)2003年第一次報道。

圖1 DPP-4晶體結構

DPP-4廣泛存在于各種組織中，其中以腎皮質含量最多，其次為肺、肝臟、空腸等[4]。它能對體內多種激素進行滅活，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和成纖維細胞活化蛋白-α(fibroblast activation protein α，FAP-α)等。

DPP-4抑制劑的作用機制

在體內GLP-1的活性結構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構與天然底物相似，能夠競爭性結合DPP-4活性部位、改變DPP-4的構象，降低其活性，從而延長GLP-1在體內的半衰期，提高體內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時間，發揮降糖作用[5]。

非擬肽類DPP-4抑制劑的構效關系

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。大多數以黃嘌呤為母核的DPP-4抑制劑均具有氨基和咪唑環相連的芐基、烯基或炔基。然而進一步研究顯示可將咪唑環改變為稠雜環，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構的具有DPP-4抑制活性的先導化合物，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-甲基能進一步提高其活性[7]。從利格列汀與DPP-4蛋白的共結晶結構可以發現，它與Ser630活性位點以非共價方式結合，嘌呤部分與Tyr547疊加形成復合物基本骨架，C-8位哌嗪與Glu205，Glu206和Tyr662殘基形成緊密的網狀氫鍵，N-7位炔基占據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被抑制后會出現一些毒性反應，如脫發、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>10000，且很少經過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 利格列汀結構式

通過對黃嘌呤類結構的化合物進行結構改造，得到了一系列3,5-二氫-咪唑并[4,5-d]噠嗪-4-酮結構的化合物[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CYP 450酶系代謝。

圖3 化合物1結構式

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。這些吡啶類化合物帶有位于取代苯環鄰位的氨甲基。在許多吡啶類化合物中出現了6-異丁基取代，而吡啶2-位及3-位似乎允許進行更多的變化。

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

圖4 化合物2結構式

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)。阿格列汀結構內的嘧啶酮部分與Tyr547形成π-π相互作用，嘧啶酮的羰基與Tyr631形成氫鍵，并在雜環上連接N取代氨基芐基，與Arg125產生氫鍵，苯環與Tyr622產生疏水作用，還有氨基哌啶與Glu205形成氫鍵。阿格列汀的發現可以說是將X線衍射結構得到的經驗應用到基于結構設計新化學類型藥物的成功案例[13]。利用分子建模和高通量結構生物學，進一步提供有利藥效基團接近S1口袋和Glu205/206二聯體，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抑制劑的結構特點。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 阿格列汀結構式

通過高通量篩選的方式，再經過結構修飾得到了一類環己烯基胺類的結構，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。體內實驗[14]表明它能明顯降低小鼠體內的血糖濃度并提高GLP-1的活性。更重要的是，它與hERG沒有明顯的結合作用，對CYP3A4，CYP2D6和CYP2C9都沒有明顯的抑制作用，表現出良好的安全性。

圖6 化合物3結構式

有研究者[15]發現在pH=7.6的緩沖溶液中，氟烯衍生物類DPP-4抑制劑能夠相對穩定的存在，因此對這類化合物進行了一定的結構改造。化合物4(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并不穩定，這可能是由于環戊烷氟烯的結構易被肝微粒體代謝所致[16]。

圖7 化合物4結構式

結 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抑制劑的構效關系研究和晶體結構分析等相關信息分析基礎上，可進行新的DPP-4抑制劑的設計和優化。相信通過對DPP-4和相關的活性化合物構效關系的深入研究后，將會推出更加安全有效的DPP-4抑制劑。

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