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中國(guó)海洋大學(xué)秦沖JMC:靶向雄激素受體N末端結(jié)構(gòu)域的口服PROTAC降解劑BWA-522的發(fā)現(xiàn)及治療前列腺癌的研究

來(lái)源:化學(xué)加      2023-08-11
導(dǎo)讀:近日,國(guó)際藥物化學(xué)領(lǐng)域TOP期刊 Journal of Medicinal Chemistry (DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c00585)雜志報(bào)道中國(guó)海洋大學(xué)秦沖教授團(tuán)隊(duì)研究成果:提出靶向AT-NTD的PROTAC降解劑策略,設(shè)計(jì)并合成得到BWA-522可同時(shí)降解AR-FL(野生型)與AR-V7,并具有良好的口服效用,有望應(yīng)用于前列腺癌的治療。


導(dǎo)讀

前列腺癌(PC)是一種發(fā)生于前列腺上皮的惡性腫瘤,是老年男性發(fā)病率和死亡率最高的惡性腫瘤之一。雄激素受體(AR)作為前列腺癌治療的重要靶點(diǎn)之一,其持續(xù)的下游信號(hào)傳導(dǎo)對(duì)前列腺癌細(xì)胞的生長(zhǎng)、存活至關(guān)重要。AR結(jié)構(gòu)(圖1)主要由N末端轉(zhuǎn)錄結(jié)構(gòu)域(NTD)、C末端配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域(LBD)和中央DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域(DBD)組成。AR-V7是一種AR剪切突變體,缺少LBD結(jié)構(gòu)域,在缺乏雄激素的條件下,AR-V7依然能誘導(dǎo)產(chǎn)生非配體依賴的轉(zhuǎn)錄,具備調(diào)節(jié)基因表達(dá)的活性,因此被認(rèn)為是剪切突變體中與去勢(shì)抵抗性前列腺癌(CRPC)最相關(guān)的一種亞型。因此,開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)靶向AR及AR-V7的小分子藥物是治療常規(guī)與耐藥型前列腺癌的一種重要途徑。

近日,國(guó)際藥物化學(xué)領(lǐng)域TOP期刊 Journal of Medicinal Chemistry (DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c00585)雜志報(bào)道中國(guó)海洋大學(xué)秦沖教授團(tuán)隊(duì)研究成果:提出靶向AT-NTD的PROTAC降解劑策略,設(shè)計(jì)并合成得到BWA-522可同時(shí)降解AR-FL(野生型)與AR-V7,并具有良好的口服效用,有望應(yīng)用于前列腺癌的治療。

正文

目前靶向AR的藥物(圖1)主要結(jié)合于LBD,如氟他胺(1)、比卡魯胺(2)、恩雜魯胺(3)和阿帕魯胺(4)。此外,一些靶向其他AR結(jié)構(gòu)域的拮抗劑也被報(bào)道,化合物5可高效靶向AR-DBD,其IC50 ~ 0.1 μM。EPI-002(6)是從海綿中分離出來(lái)的雙酚A衍生物,被證明通過(guò)結(jié)合AR-NTD來(lái)阻止AR轉(zhuǎn)錄活性。其前藥EPI-506(7)于2015年進(jìn)入I期臨床試驗(yàn),但因藥效不足,代謝水平較差,限制了其進(jìn)一步的臨床試驗(yàn)。


圖1 AR及突變體蛋白結(jié)構(gòu)與AR拮抗劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

蛋白水解靶向嵌合體(PROTAC)是另一種有前景的雙功能分子,它通過(guò)劫持細(xì)胞中泛素-蛋白酶體系統(tǒng)(UPS)來(lái)誘導(dǎo)靶蛋白的泛素化,隨后通過(guò)蛋白酶體降解(圖2)。雖然許多AR-LBD PROTAC(圖2)已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了AR的降解,但這些PROTAC針對(duì)AR-V7的降解效力仍然較弱。秦沖教授團(tuán)隊(duì)最近報(bào)道的AR拮抗劑-Hsp90抑制劑偶聯(lián)物,能同時(shí)誘導(dǎo)AR和AR-V7降解,并能夠?qū)崿F(xiàn)腫瘤靶向性,具備進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為候選藥物的潛力(J. Med. Chem. 2023, 66, 7, 4784–4801. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c01970)。由于靶向AR-NTD的PROTACs能夠同時(shí)結(jié)合并降解AR-FL和AR-V7,消除其功能,在治療PC和CRPC中具備臨床價(jià)值。 綜上,研究人員開(kāi)展了首個(gè)靶向AR-NTD的PROTAC設(shè)計(jì)、合成和生物學(xué)評(píng)價(jià)的研究。下載化學(xué)加APP到你手機(jī),更加方便,更多收獲。

基于PROTAC分子結(jié)構(gòu)(圖3),研究人員選擇EPI-002作為靶蛋白配體,E3連接酶VHL與CRBN的配體作為招募E3配體,通過(guò)不同Linker將兩部分連接。為了在連接結(jié)構(gòu)時(shí)不影響配體結(jié)合效率,研究人員分析了NTD抑制劑EPI-002的結(jié)合方式(圖3),選擇處在溶劑暴露區(qū)的丙二醇片段作為接出位點(diǎn),連接Linker與E3連接酶配體。


圖2 代表性AR PROTAC的化學(xué)結(jié)構(gòu)(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


圖3 AR-NTD PROTACs的設(shè)計(jì)(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

在活性初篩階段,研究人員首先利用Click反應(yīng),合成了三個(gè)具有不同長(zhǎng)度Linker的AR-NTD PROTACs(13-15)。通過(guò)Western blotting分析LNCaP和VCaP中AR-FL和AR-V7蛋白水平。結(jié)果顯示(表1),化合物13-15在兩種前列腺癌細(xì)胞株中,僅能降低17.6-53.5%的AR-FL。

接下來(lái),研究人員將E3連接酶配體換為沙利度胺,設(shè)計(jì)合成了具有柔性和半剛性Linker的PROTACs(16-24)。降解數(shù)據(jù)顯示(表2),基于CRBN配體的PROTACs相比于VHL配體對(duì)AR-FL與AR-V7的降解活性更高,其中含有半剛性Linker的化合物 24的降解活性最強(qiáng),1 μM和5 μM化合物在VCaP細(xì)胞中可誘導(dǎo)AR-FL分別降低22.6%和49.3%,AR-V7分別降低54.4%和75.7%。

表1. 柔性Linker的VHL配體的降解活性研究(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


表2. 柔性與半剛性Linker的CRBN配體的降解活性研究(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


剛性Linker的構(gòu)象限制有助于PROTACs形成穩(wěn)定的三元復(fù)合物,從而顯著提高降解活性。因此,研究人員利用四元或六元雜環(huán)片段設(shè)計(jì)了具有剛性Linker的化合物25-34(表3)。在LNCaP細(xì)胞中,化合物28(BWA-522)在1 μM和5 μM下分別降低了48.7%和72.0%的AR-FL。而在VCaP細(xì)胞中,BWA-522對(duì)AR-FL和AR-V7的顯示出較強(qiáng)降解活性,在1 μM和5 μM下誘導(dǎo)AR-FL和AR-V7分別降低了52.4、73.1%和77.3、84.6%。

最后,研究人員將化合物25-34中沙利度胺的苯環(huán)的連接位置從間位改為鄰位,合成了化合物35-44(表4)。Western blotting結(jié)果顯示, LNCaP細(xì)胞中,這些化合物誘導(dǎo)AR-FL蛋白水降解效果大多優(yōu)于相應(yīng)的間位取代化合物。活性最高化合物39在LNCaP細(xì)胞中分別誘導(dǎo)降低了13.9%(1 μM)和62.4%(5 μM)的AR-FL。在VCaP細(xì)胞中,給藥濃度1 μM和5 μM時(shí),39誘導(dǎo)AR-FL分別降低44.3%和57.2%,誘導(dǎo)AR-V7分別降低37.1和72.7%。

表3. 剛性Linker的CRBN配體的降解活性研究(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


表4. 不同取代位置剛性Linker的CRBN配體的降解活性研究(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


研究人員選擇初篩活性較好的的化合物24、BWA-522與39在小鼠中進(jìn)行PK測(cè)試(表5)。經(jīng)2 mg/kg靜脈給藥后,化合物BWA-522的AUC最高為3018 h·ng/mL,且血漿清除率較低為594 mL/h/kg。同時(shí),研究人員還比較了三個(gè)化合物口服效率,發(fā)現(xiàn)化合物BWA-522具有極好的口服血漿暴露,AUC值為5947 h·ng/ml,優(yōu)于化合物24與39。化合物BWA-522的口服生物利用度為40.5%,而化合物24和39的口服生物利用度分別僅為7.8%和12.3%。

表5. 化合物24、BWA-522和39在小鼠體內(nèi)的PK數(shù)據(jù)(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


鑒于BWA-522在小鼠中的良好口服利用度,我們進(jìn)一步評(píng)估了其在比格犬中的PK(表6)。當(dāng)口服劑量為5 mg/kg時(shí),BWA-522的t1/2為31.2 h,口服生物利用度為69.3%。這些結(jié)果共同表明BWA-522是一種具備口服活性PROTAC分子。

表6. 化合物BWA-522在比格犬體內(nèi)的PK數(shù)據(jù)(來(lái)源:J. Med. Chem.)


研究人員選擇BWA-522在LNCaP、VCaP和22Rv1三種前列腺癌細(xì)胞系進(jìn)行詳細(xì)的Western blotting檢測(cè)。其中22Rv1是一種CRPC細(xì)胞系,并對(duì)恩雜魯胺耐藥。結(jié)果顯示(圖4),BWA-522顯著降低了3種細(xì)胞系中AR-FL和AR-V7的水平,并呈現(xiàn)出良好的時(shí)間與劑量依賴性。BWA-522誘導(dǎo)LNCaP、VCaP和22Rv1細(xì)胞中AR-FL蛋白降解,其DC50分別為3.45、0.73和2.41 μM(圖4D)。它在VCaP和22Rv1細(xì)胞中也實(shí)現(xiàn)了AR-V7蛋白的高效降解,其DC50分別為0.67和0.76 μM(圖4E)。


圖4 前列腺癌細(xì)胞系A(chǔ)R-FL或AR-V7蛋白的Western blotting分析(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

接下來(lái),研究人員研究BWA-522在前列腺癌細(xì)胞系中的降解機(jī)制。在BWA-522處理前,分別用蛋白酶體抑制劑MG132(3 μM)、活化E1酶抑制劑MLN4924 (1 μM)和CRBN配體沙利度胺(100 μM)預(yù)處理細(xì)胞。結(jié)果顯示BWA-522降解效果明顯減弱(圖5),證明BWA-522對(duì)AR-FL和AR-V7的降解依賴細(xì)胞中的泛素-蛋白酶體系統(tǒng)。


圖5 BWA-522降解AR-FL及AR-V7的作用機(jī)理(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

AR及其變體在調(diào)節(jié)AR依賴性前列腺癌細(xì)胞的增殖中起著至關(guān)重要的作用,因此研究人員測(cè)試了BWA-522在LNCaP、VCaP和22Rv1細(xì)胞中的抗增殖能力。如圖6所示,BWA-522在LNCaP和VCaP細(xì)胞中的IC50值分別為1.07和5.59 μM。同時(shí),BWA-522能有效抑制恩雜魯胺耐藥細(xì)胞22Rv1的生長(zhǎng),IC50值為4.08 μM。研究人員還在LNCaP和22Rv1細(xì)胞系中進(jìn)行了克隆形成實(shí)驗(yàn),以評(píng)估藥物對(duì)細(xì)胞增殖的長(zhǎng)期抑制作用。與細(xì)胞增殖抑制測(cè)定結(jié)果一致,BWA-522以劑量依賴的方式減少了這兩種細(xì)胞系的集落形成(圖7)。


圖6 BWA-522對(duì)前列腺癌細(xì)胞的抗增殖活性(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)


圖7 BWA-522抑制前列腺癌細(xì)胞的克隆形成(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

為了研究對(duì)AR信號(hào)通路的影響,研究人員測(cè)試了BWA-522在LNCaP(圖8A)和VCaP(圖8B)細(xì)胞中能否抑制AR下游蛋白表達(dá)。結(jié)果顯示BWA-522能劑量依賴性地抑制兩種細(xì)胞系TMPRSS2、FKBP51和PSA蛋白水平。


圖8 BWA-522對(duì)AR信號(hào)通路的影響(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

研究人員評(píng)估了口服BWA-522對(duì)LNCaP異種移植腫瘤模型小鼠的抗腫瘤呢能力。結(jié)果顯示(圖9),兩種給藥劑量的BWA-522均能有效抑制腫瘤的生長(zhǎng)。治療結(jié)束時(shí),與對(duì)照組相比,口服20和60 mg/kg BWA-522對(duì)腫瘤生長(zhǎng)的抑制作用分別為26%和76%,表現(xiàn)出優(yōu)于AR拮抗劑EPI-002(180 mg/kg,PO)的腫瘤抑制活性。此外,研究人員還進(jìn)行了BWA-522毒理研究,以評(píng)估其在ICR小鼠中的潛在副作用。BWA-522以20和60 mg/kg的劑量每日口服給藥,連續(xù)14天。在治療結(jié)束時(shí),兩劑量組均未觀察到明顯的動(dòng)物體重減輕或器官損傷,表明BWA-522在體內(nèi)具有良好的體內(nèi)耐受性。

最后,研究人員評(píng)估了BWA-522體外一些成藥特性。結(jié)果顯示,該化合物在人或鼠的肝微粒體與血漿中都保持了較好的穩(wěn)定性,并無(wú)明顯hERG毒性。


圖9 BWA-522對(duì)LNCaP異種移植瘤模型小鼠的抗腫瘤活性研究(圖片來(lái)源:J. Med. Chem.)

總結(jié)

綜上,秦沖教授課題組發(fā)現(xiàn)的化合物BWA-522,是一種有效的口服生物可利用的AR-NTD PROTAC降解劑,有望成為治療AR-FL和AR-V7依賴性腫瘤的候選藥物。

該工作特別致謝中國(guó)海洋大學(xué)和青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的支持。中國(guó)海洋大學(xué)博士研究生張博聞,碩士研究生劉暢、楊振乾和工程師張賽為該論文共同第一作者,秦沖教授為通訊作者。該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金及山東省自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金等項(xiàng)目的資助。

課題組簡(jiǎn)介


課題組研究方向?yàn)椋?/strong>

(1)基于靶向蛋白降解(PR OTACs)策略的小分子先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)和新藥發(fā)現(xiàn);

(2)去勢(shì)抵抗性前列腺癌治療藥物研究;

(3)海洋天然活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)多樣性修飾及成藥性優(yōu)化。

課題組近期成果介紹:

(1)秦沖教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)藥學(xué)院高建青教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了一種載有雄激素受體PROTAC化學(xué)藥物的微針貼片,通過(guò)降解毛囊內(nèi)的雄激素受體來(lái)實(shí)現(xiàn)毛發(fā)再生。

在AGA治療實(shí)驗(yàn)中,與每日使用的陽(yáng)性對(duì)照米諾地爾相比,該微針貼片只需一次給藥即可達(dá)到質(zhì)量相當(dāng)?shù)拿l(fā)再生,且再生速度更快。同時(shí)該微針在停藥后仍能維持藥效,在再?gòu)?fù)發(fā)模型上仍能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的毛發(fā)再生,有望克服臨床治療手段停藥后易復(fù)發(fā)的缺陷。 (Small Methods, 2023, 7(1):e2201293. doi: 10.1002/smtd.202201293. IF=14.188)

(2)秦沖教授團(tuán)隊(duì)評(píng)估了新型BET降解劑QCA570在多種膀胱癌細(xì)胞中的生物學(xué)功能,并探討其潛在機(jī)制。

QCA570在納摩爾濃度下可誘導(dǎo)BRD4蛋白降解,其DC50約為1 nM。QCA570可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄抑制和誘導(dǎo)靶蛋白降解進(jìn)而降低EZH2和c-MYC表達(dá)水平。此外,QCA570顯著誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡和周期阻滯,對(duì)膀胱癌細(xì)胞具有潛在療效。 (Front Chem, 2023, 11:1 121724. doi: 10.3389/fchem.2023.1121724. IF=5.545)

(3)秦沖教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一類(lèi)新型AR拮抗劑-Hsp90抑制劑偶聯(lián)分子的最新研究進(jìn)展,該分子不僅可以提升藥物的腫瘤靶向,減少不必要的毒副作用,還可以通過(guò)AR和Hsp90的雙靶點(diǎn)協(xié)同抑制,達(dá)到提升藥效和克服CRPC耐藥的目的。(J. Med. Chem. 2023, 66, 7, 4784–4801. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.2c01970. IF=7.3)

導(dǎo)師介紹


秦沖博士 ,中國(guó)海洋大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師,青島海洋生物醫(yī)藥研究院副院長(zhǎng)。2010年畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè),獲學(xué)士學(xué)位;2015年畢業(yè)于北京大學(xué)藥物化學(xué)專業(yè),獲博士學(xué)位(導(dǎo)師:焦寧教授);2016-2019年在美國(guó)密歇根大學(xué)從事博士后研究(導(dǎo)師:王少萌教授);2019年回國(guó)后在中國(guó)海洋大學(xué)獨(dú)立開(kāi)展研究工作,主持國(guó)家高層次青年人才項(xiàng)目(2021)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目(2022)、國(guó)家自然基金青年基金(2021)、山東省“泰山學(xué)者”青年專家(2020)、山東省自然基金優(yōu)秀青年基金(2021)等研究項(xiàng)目,獲北京市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)(2019)。

近年來(lái)在 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Small. Methods.、 J. Med. Chem. 等雜志發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇,申請(qǐng)國(guó)際發(fā)明專利十余項(xiàng)。

聯(lián)系方式:qc@ouc.edu.cn。

文獻(xiàn)詳情:

Bowen Zhang, Chang Liu, Zhenqian Yang, Sai Zhang, Xiaolin Hu, Baohu Li, Mei Mao, Xiao Wang, Zhuoyue Li, Shumin Ma, Siqi Zhang, and Chong Qin*. Discovery of BWA-522, a First-in-Class and Orally Bioavailable PROTAC Degrader of the Androgen Receptor Targeting N-Terminal Domain for the Treatment of Prostate Cancer. J. Med. Chem.2023,https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.3c00585


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