小小“氧杂环丁烷”让药物设计更加简单

1、介绍

随着药物化学的发展，药物开发更关注具有挑战性的生物靶点，在过去50年中，候选药物的分子复杂性大幅增加。通常更复杂的分子结构显示出更好的三维性(非平面性)，并且包含更高程度的sp³-杂化碳原子。“非平面”临床候选药物往往具有更高的靶标选择性，更优越的药代动力学(PK)特性和更低的毒性。因此，药物化学家也在不断寻找新的三维分子基序，期望这些基序可以有效地调节化合物的结合特性和理化性质，并在知识产权(IP)上获得突破。

四元杂环因其低分子量、高极性和三维性而成为优势基序，可以改善靶标亲和力和水溶性(1-3，图1a)，在过去30年中越来越受关注。

图1：(a)具有生物活性的四元杂环的例子;(b)文献中四元杂环的报道。

氧杂环丁烷骨架在合成化学和药物化学中吸引了不少研究者的兴趣。相比于其他的四元杂环，氧杂环丁烷在天然产物中也有相对较高的出现率。最为人熟知的含有氧杂环丁烷的天然产物是紫杉醇，是FDA批准的唯一一个生物活性的氧杂环丁烷化合物。紫杉醇曾是最畅销的抗肿瘤药物，现在仍用于乳腺癌的一线治疗，被列入世界卫生组织基本药物清单。尽管氧杂环丁烷环对紫杉醇的生物活性不是绝对必需的，但不含氧杂环丁烷的紫杉醇类似物显示出比母体紫杉醇更低的结合亲和力和细胞毒性。具有3,3-二取代的氧杂环丁烷已被证明可作为偕二甲基和羰基的替代物或等排体(图2b)。据报道，氧杂环丁烷可以代替偕二甲基，阻断候选药物中的C-H代谢位点，而不会增加不利的亲脂性。酮的氧杂环丁烷类似物也显示出改善的代谢稳定性(底物依赖性的)和增加的三维性，同时保持了H键能力，偶极矩和孤对电子方向。氨基氧杂环丁烷在拟肽剂的开发中得到了显著的应用，氧杂环丁烷结构在保持生物活性的同时显示出对酶降解的稳定性。其他氧杂环丁烷衍生物，如氧杂环丁醇，氧杂环丁烷硫化物，氧杂环丁烷醚，和氧杂环丁烷磺胺类也被提出可以作为某些基团的等排体，如羧酸、硫酯、酯和N-酰基磺酰胺。

图2：(a)紫杉醇的结构;(b)氧杂环丁烷作为偕二甲基和羰基的潜在生物等排体。

除了所有四元杂环都具有的特性(低分子量、极性、增加的三维性)以外，电负性的氧原子还赋予氧杂环丁烷强大的诱导吸电子效应，该效应通过两个短σ键结构传递到3号位。氧杂环丁烷在α位取代时，可通过负诱导效应，降低2.7个单位的pK_aH(从9.9降低到7.2，即碱性减少约9倍)。此外，最近的研究表明，特定的氧杂环丁烷化合物可以被人微粒体环氧化物水解酶(mEH)降解。这是首个非环氧化物底物被mEH代谢的例子，可能具有潜在的应用。在联合给药中，由于难以预测的药物-药物相互作用可能导致肝毒性，通过mEH代谢以避免细胞色素P450酶(CYPs)清除可能为这一难题带来新的思路。

环张力以及电负性氧原子使得氧杂环丁烷对开环降解过程可能具有一定的敏感性，特别是在酸性条件下。然而，氧杂环丁烷在酸性条件并不是绝对不稳定的。氧杂环丁烷的稳定性通常由其取代模式决定，其中3,3-二取代最稳定，因为外部亲核试剂到C-O σ*反键轨道的路径在空间上被取代基所阻断(图2b)。而在C2处被供电基团取代的氧杂环丁烷可能是不稳定的。

然而，尽管在药物设计中使用氧杂环丁烷环有利于改善分子特性，但合成方法的缺乏限制了其在类药分子中的应用。近年来，氧杂环丁烷的合成和功能化取得了显著进展，为药物发现中氧杂环丁烷的引入提供了合成上的基础。

图3：用于文献检索的子结构

目前有七种含氧杂环丁烷的候选药物正在进行临床试验。进入III期的有Crenolanib，由AROG Pharmaceuticals/辉瑞公司开发，用于治疗各种类型的癌症(急性髓性白血病(AML)，胃肠道间质瘤(GIST)，神经胶质瘤)；由基因泰克公司开发的fenebrutinib，用于治疗多发性硬化症(MS)；由罗氏/Ark Biosciences开发的ziresovir，用于治疗呼吸道合胞病毒(RSV)。Lanraplenib(吉利德科学公司开发，治疗狼疮膜性肾病(LMN))和danuglipron(辉瑞公司开发，治疗糖尿病)处于临床II期，GDC-0349(基因泰克公司，治疗非霍奇金淋巴瘤和实体瘤)和PF-06821497(辉瑞开发，治疗复发/难治性小细胞肺癌(SCLC)，前列腺癌和滤泡性淋巴瘤)正处于临床I期研究。值得注意的是，七个化合物中，有超过50%的结构是氨基氧杂环丁烷。此外，在六个化合物中，氧杂环丁烷被取代在3位，这可能是由于3位取代具有更好的稳定性和/或更高的合成可处理性。通常，氧杂环丁烷结构是在药物开发的后期引入的，以改善先导化合物的PK特性(最常见的是LogD，溶解度，清除率或碱度)。

图4：含有氧杂环丁烷的候选药物

在fenebrutinib(图4b)中，氧杂环丁烷是药物的重要组成部分，在药物发现的中期引入，以降低哌嗪环的pK_aH(从7.8到6.3)。化合物4及其类似物在大鼠和狗的体内研究中具有高肝毒性。用吡啶环替换化合物4中的核心苯环克服了这一毒性问题，使LogD降低了>1单位。杂环从噻吩变化到吡咯使化合物更好地嵌入Btk的H3选择性口袋，并增加了效力。在开发的中后期阶段，花费了大量精力来更换氧杂环丁烷，但所有非氧杂环丁烷类似物的溶解度和药代动力学性质都较差，因此选择保留。进一步地，研究人员在哌嗪环中引入甲基，增加了与蛋白质的范德华力，并使哌嗪偏出相邻芳烃的平面，从而使效力提高约2倍。

Ziresovir(图4c)中的氧杂环丁烷部分被认为是“发现过程中的亮点”，在后期引入，以降低氨基醇类化合物5中末端胺的碱度，这对于降低分布体积(Vss)，以避免其在组织中的意外积累并最大程度地降低毒性风险十分重要。据推测，碱性官能团与肺组织中的酸性磷脂酰丝氨酸发生强烈相互作用。对接模型表明氧杂环丁烷不参与与蛋白质残基的任何相互作用，而是对化合物的构象和碱性方面产生一定的影响。替换氧杂环丁烷使得化合物的效力和治疗指数(TI=CC₅₀/EC₅₀)较低，例如偕二甲基(EC₅₀=16nM；TI=1250)，环丙基(EC₅₀=4nM；TI=3250)和环丁基(EC₅₀=100nM；TI=210)。将醇5中的六元四氢异喹啉环扩展到七元环，使得两个芳香体系之间的二面角从约40°增加到90°，提高了整体三维性和效力。进一步地引入砜基阻断了一个重要的代谢软点并降低了清除率。

Entospletinib(图4d)是一种有效的SYK(脾酪氨酸激酶)抑制剂，由于溶解度不佳，与质子泵抑制剂的不良药物相互作用以及吗啉环氧化的高代谢清除率，终止了临床开发。研究人员进行药物优化，以改善entospletinib的ADME特性。将吗啉换成4-乙基哌嗪改善了代谢稳定性，但碱度增加(calcd pK_aH=8.0)导致T细胞与B细胞的选择性差(T/B比值=5)。在4位引入氧杂环丁烷，通过降低碱度(calcd pK_aH=6.4)使选择性(T/B比值=10)翻倍，同时提高了代谢稳定性，并且在pH 2和Caco-2渗透下也显示出高溶解度。Lanraplenib和SYK激酶结构域(PDB ID:6VOV)的共晶体结构显示N-氧杂环丁烷-哌嗪部分占据蛋白质口袋外的溶剂可及区。在最终优化中，将entospletinib中的吲唑环换成氨基吡嗪，以减少芳族数量并增加三维性。这一变化将LogD从2.0降低到最佳值1.3(较低的值不利于渗透)。Lanraplenib是使用哌嗪-氧杂环丁烷作为吗啉的代谢更稳定的等排体和降低平面度以改善类药性的一个主要例子。

在danuglipron的开发中(图4e)，高通量筛选将含嘧啶的化合物6鉴定为弱GLP-1R(胰高血糖素样肽受体1)激动剂。在构效关系(SAR)研究的最后阶段，氧杂环丁烷作为一个小的极性头部被引入，它增加了效力，而不会对LogD和其他物理化学性质(如清除率和毒性)产生负面影响。此外，引入羧酸，降低了LogD并增加了效力；氟嘧啶环取代吡啶，影响哌啶与芳烃之间的二面角；氯原子替换氰基取代基，提高了代谢稳定性。Danuglipron很好的模拟了肽激动剂与GLP-1R的结合模式，改善了代谢不稳定性。另一种含氧杂环丁烷的GLP-1R激动剂lotiglipron由于不良的药物相互作用而在I期临床试验中被停用，而danuglipron没有表现出这方面的问题，并被推进到II期试验。

GDC-0349是通过优化先导化合物7得到的(图4f)，以改善其较差的游离血浆清除率差和不利的CYP酶的时间依赖性抑制(TDI)，这可能导致共同给药和潜在毒性方面的问题。据推测，化合物7中的氨基嘧啶官能团被氧化代谢为亚胺醌。将嘧啶环换成烷基取代的胺确实使CYP抑制降低了10倍以上，但心脏毒性较高(hERG IC₅₀=8.5μM)，与叔烷基胺的碱度增加有关(pK_aH=7.6)。在氮上引入氧杂环丁烷取代基降低了pK_aH(5.0)和hERG抑制(IC₅₀>100μM)，同时保持较低的TDI。GDC-0349对mTOR(哺乳动物雷帕霉素靶标)的选择性也显著高于其他266种激酶，与嘧啶化合物7相比，游离血浆清除率降低了10倍。

先导化合物8(图4g)是一种有效的EZH2(zeste同源物增强子2)抑制剂，但代谢稳定性差且溶解度不佳。据推测，用二甲基异恶唑基序代替sp³类似物将通过降低LogD和增加三维性来改善稳定性和溶解性。在最后的SAR研究中，引入了甲氧基甲基氧杂环丁烷取代基(化合物9)作为四氢呋喃环的亲脂性较低的替代物，具有合适的LogD(1.9)，显著改善的代谢和溶解特性，并且更贴合蛋白质口袋。新引入的氧杂环丁烷的立体中心α的立体化学对于结合很重要，(+)-(R)构象的化合物9的效力比其对映异构体增加了16倍。化合物9与EZH2复合物的共晶体结构显示，氧杂环丁烷取代基在蛋白质腔中占据特定空间，极化氧杂环丁烷CH基团和两个酪氨酸侧链之间有两个潜在的CH−π相互作用(图5)。

图5：化合物9与EZH2的共晶结构

图6总结了部分专利中含有氮杂环丁烷结构的化合物，具有不同取代模式和结构多样性。

图6：专利中含有氧杂环丁烷的分子

除专利外，氧杂环丁烷还出现在100篇2017-2022年间药物化学相关的同行评议出版物中。其中38项研究认为氧杂环丁烷化合物是有应用前景的结构，增加了分子的溶解度，代谢稳定性，渗透性，降低了pK_aH或LogD，或提供更好的空间构象，能够更好地嵌合到所需的目标口袋中(图7a)。通常，氧杂环丁烷取代同时对几个参数有益，因为它们存在一定的联系(例如，LogD和代谢稳定性或溶解度)。一种常用的方法是引入氧杂环丁烷，从而在特定方向上增加空间位阻体积，以提高亲和力，而不会将LogD值提高到不可接受的水平。

值得注意的是，大多数研究都没有选择氧杂环丁烷类化合物作为先导结构。在大多数情况下，这可能是由于其他支架的活性更高，而不是因为氧杂环丁烷取代基的理化性质不佳。氧杂环丁烷的引入通常能达到所需的理化性质(例如，较低的pK_aH或LogD，较好的稳定性和溶解度)，但没有提供足够的生物活性。仅在少数几个例子中，氧杂环丁烷类似物是由于化学稳定性差而被排除，尽管效力高，PK特性良好。理论上来说，氧杂环丁烷具有模拟羰基特性的潜力，但由于在氧杂环丁烷环上进行3,3-二取代存在一定的挑战，因此没有作为羰基等排体的实际应用。

图7：药物发现中的氧杂环丁烷

药物化学研究中氧杂环丁烷的来源分析(图7b)显示，到目前为止，使用最广泛的氧杂环丁烷砌块是3-氨基氧杂环丁烷，它用作胺偶联，还原胺化和S_NAR等反应中的底物。其次是氧杂环丁烷-3-酮，它同样参与还原胺化反应以及有机金属羰基加成以产生取代的氧杂环丁烷醇。在3位上有离去基团的氧杂环丁烷可参与亲核取代反应，氧杂环丁烷-3-醇通常用作亲核试剂。

获得3,3-二取代的氧杂环丁烷有两种主要合成策略：通过分子内醚化形成氧杂环丁烷环；亲核加成形成氧杂环丁烷卡宾/亚胺，再经过官能团转化。这些策略的两个主要缺点是使用如TsCl和强碱基(通常是NaH)试剂和合成的线性性质(难以平行合成，每个类似物都需要一个不同的合成路径)。近年来出现了几种有前景的新方法，例如氧杂环丁烷磺酰氟与亲核试剂的脱磺酰氟偶联或金属光氧化还原催化氧杂环丁烷氨基酸的脱羧芳基化(图7c)。

■ 氧杂环丁烷的潜在优势

（1）氧杂环丁烷的诱导吸电子效应降低了相邻官能团的pK_aH，α位可降低约2.7个单位，β约1.9个单位，γ约0.7个单位，δ约0.3个单位。氧杂环丁烷的引入可用于解决药物分子碱度相关的问题。（2）三维四面体，sp3-杂化的碳原子赋予氧杂环丁烷环增加的三维性。这种构象效应可以导致目标化合物的水溶性增加，扩展化学空间。（3）氧杂环丁烷较小的尺寸和明显的极性可用于阻断代谢不稳定的位点和/或引入空间位阻，而不会显著增加分子量或亲脂性。（4）氧杂环丁烷与羰基的结构和H键受体相似性使氧杂环丁烷成为后者的潜在生物等排体，可用于避免羰基特异性酶降解，提高水溶性或扩展专利空间。（5）可以利用与氧杂环丁烷环相关的代谢来引导化合物通过mEH而不是CYP酶清除，这可能有助于防止可能引起联合药物肝毒性的不良药物-药物相互作用。

■ 困境，挑战和未来方向

（1）获得所需的氧杂环丁烷结构仍然是一个相当大的合成挑战。在合成后期再构建氧杂环丁烷可能是一种有效的解决方案，但这种方法是线性的，几乎无法实现快速合成。（2）与第1点有关，氧杂环丁烷砌块的选择是有限的。这种约束影响了化合物中氧杂环丁烷结构的取代模式(图7b)。新的氧杂环丁烷砌块将增加在研化合物中氧杂环丁烷取代的多样性。（3）氧杂环丁烷在开环时可能不稳定，特别是在酸性条件或高温下，并且预测给定氧杂环丁烷取代模式的稳定性具有挑战性。一般来说，3,3-二取代的例子比其他取代模式更稳定，但稳定性仍不能保证。例如，具有内部亲核试剂(醇或胺等)的3,3-二取代氧杂环丁烷在酸性条件下更容易开环。（4）与第3点相关，氧杂环丁烷在剧烈反应条件下的潜在不稳定性可能成为多步大规模合成的问题。一般来说，氧杂环丁烷仅在药物开发的最后阶段引入，以改善不良的物理化学性质，例如溶解度或代谢稳定性不足。关于工艺规模上氧杂环丁烷合成的数据也很少，目前尚不清楚氧杂环丁烷对反应器中特定反应条件的稳定性如何。（5）如第3点和第4点所述，报告氧杂环丁烷化合物相关性质的现有数据有限，这使得基于数据的预测十分困难，并可能导致临床开发过程中的损耗。

虽然市场上还未出现完全合成的含氧杂环丁烷的药物(非紫杉烷家族)，但氧杂环丁烷结构在临床候选药物、专利研究化合物和文献中的数量日益增加，期望在未来能为药物开发注入新的活力。

参考文献

J. Med. Chem. 2023, 66, 12697–12709