骨架跃迁策略在药物研发中的应用

1. 杂环替换（Heterocycle Replacement, 1°骨架跃迁）是最简单的骨架跃迁形式，它在所连接的官能团和药效团基本不变的情况下对环状母核进行替换（图1a）。这种策略可在保持关键的配体-靶点相互作用不变的同时，获得新的化学实体，并优化分子的理化性质和PK性质。

2. 开环闭环（Ring Opening and Closure, 2°骨架跃迁）通过环的开合变化来构建全新骨架（图1b）。闭环策略可以通过减少不必要的构象柔性来降低化合物的脱靶效应，而开环策略则通过增加构象柔性使化合物更好地与靶点结合。这种策略通过改变自由旋转键的数量，来影响结合熵、溶解性、透膜性、药物吸收等性质，可用于改善化合物的类药性。

3. 肽类模拟（Pseudopeptides and Peptidomimetics, 3°骨架跃迁）通过将肽类分子中的代谢软点（metabolic soft spots）替换为非肽结构，以及利用小分子来模拟活性肽中的结构特征（图1c），从而在保持关键药效团的情况下改善肽类药物的代谢稳定性和生物利用度，以提高肽类药物的临床研究成功率。

4. 拓扑跃迁（Topology or Shape-Based Scaffold Hopping, 4°骨架跃迁）在保持与原始分子相似的结合特征、3D形状和静电性质的同时，对原始分子的部分或整体结构进行大幅改变，产生全新的分子骨架（图1d）。这些新的分子骨架主要通过计算机辅助设计生成，因此该策略有时被称为基于结构的虚拟筛选（structure-based virtual screening）。由于化学结构发生大幅改变，生成分子的目标性质往往无法满足预期，基于拓扑跃迁发现的药物相对有限。

通过对10,000种化合物进行抗沃尔巴克氏体（Wolbachia）活性筛选，研究人员发现了一系列噻吩并嘧啶母核的活性化合物（图2）。其中，AWB124 (Vd) 表现出较好的抗沃尔巴克氏体活性，并被选为先导化合物进行进一步优化。通过用喹唑啉环替换AWB124中的噻吩并嘧啶母核，得到了AWB158 (Ve)。尽管AWB158的水溶性和人微粒体清除率有所改善，但其抗沃尔巴克氏体活性显著降低。在后续优化中，将AWB158的喹唑啉母核替换为8-氮杂喹唑啉，并在4位取代基的苯环上引入一个N原子，同时将2位的取代基替换为(S)-2-甲基吗啉，最终获得了化合物AWZ1066S (Vf)。与AWB158相比，AWZ1066S在体外对沃尔巴克氏体的活性和水溶性都显著增强，且人微粒体清除率得以保持。

在针对不同丝虫感染的临床研究中，通过口服给药，AWZ1066S能够清除超过90%的沃尔巴克氏体，并持续抑制微丝蚴（丝虫的幼虫）的产生。因此，AWZ1066S被认定为first-in-class抗沃尔巴克氏体药物，能够高效且特异性地清除沃尔巴克氏体。目前，AWZ1066S作为抗沃尔巴克氏体/大丝虫的候选药物已开展一期临床研究（NCT05084560）。

Ipatasertib （IVf，GDC-0068）是一种可口服的选择性、ATP竞争性AKT抑制剂，用于治疗转移性去势抵抗性晚期前列腺癌。为了改善GDC-0068的PK性质并进一步提高活性，研究人员参考了GDC-0068与AKT蛋白的晶体复合物结构（PDB ID: 4EKL），采取了多种开环闭环的骨架跃迁策略对GDC-0068进行改造（图3）。通过“剪裁缝合”的开环闭环策略，将GDC-0068的五元环中的R-CH(OH)-R替换为RCONH-R，从而扩环并占据了M227附近的空腔，环酰胺中的NH与E228主链上的C=O形成氢键相互作用，所得化合物IVg在AKT抑制活性上略有提升，但体内活性和PK性质较差。随后，通过闭环策略在IVg的哌嗪环上引入环丙基得到NTQ1062（IVh），NTQ1062对AKT的抑制活性进一步提升（这可能是由于环丙基与M281侧链的S原子形成了S-π相互作用），同时其PK性质显著改善。目前NTQ1062正在进行一期临床研究（CTR20211999），用于治疗晚期恶性实体瘤。

PF-00835231对Mpro表现出良好的抑制活性（Ki = 0.271 nM），但由于分子具有许多氢键供受体和较大的极性表面积（PSA），导致PF-00835231的成药性较差。为了克服这些问题，研究人员采用肽类模拟策略，在亮氨酸部分引入了偕二甲基双环结构，以模拟亮氨酸侧链与S2口袋的疏水相互作用，引入了三氟乙酰胺基以保持分子与蛋白间的关键氢键相互作用，并用氰基替换α-羟甲基酮结构来与C145形成共价相互作用，最终得到Nirmatrelvir。Nirmatrelvir的被动吸收渗透性和口服生物利用度显著改善，同时保持了对Mpro的抑制活性。由于Nirmatrelvir易受到CYP酶的代谢，辉瑞公司开发了其与CYP3A4酶抑制剂利托那韦的联合用药方案，用于治疗SARS-CoV-2感染。

在分析了ABT-737与BCL-xl的晶体复合物结构之后，罗氏公司的研究团队认为，分子与蛋白质之间形成的π-π相互作用网络是保持结合活性的关键因素（图5）。

图5. 基于拓扑跃迁策略发现新型BCL-xl抑制剂。ABT-737与BCL-xl的晶体复合物结构（PDB：2YXJ）（a）；ABT-737（b）和IXc（c）的结构式以及分子中关键拓扑结构的三维模型

他们利用剑桥晶体结构数据库（CSD）检索了具有与IXb相似拓扑结构的化合物，这些化合物具有类似的苯环平面间夹角和苯环中心间距。在这一过程中，他们发现了化合物IXd。通过将ABT-737的部分取代基团安装到IXd上，并进行了一系列的构效关系研究，研究人员最终发现了新型BCL-xl抑制剂IXc。

用于骨架跃迁策略的算法

Cresset SparkTM通过多种力场寻找具有与阳性化合物类似力场特征的全新化合物；WHALES用于在合成化合物库中寻找与天然产物在原子分布、几何结构和电荷分布上相似，但在化学结构上更为简单的天然产物类似物；CATS可用于预测骨架跃迁产物的潜在作用靶点；SHOP能够在保持关键药效团的同时，对分子中指定的骨架进行替换，以生成潜在的活性分子；Recore通过其独特的“切断”策略构建分子片段库用于母核替换，并在分子生成时保持母核处于低能构象。

有机合成方法学赋能骨架跃迁

有机合成化学领域的突破极大地便利了骨架跃迁产物的合成。例如，分子编辑技术可以直接对母核进行修饰，实现原子的插入、删除、交换等操作。Levin课题组通过光化学的手段实现了基于碳原子删除的杂环替换骨架跃迁策略，该方法适用于多种氮杂芳环骨架（图5a）。在这种方法中，喹啉N-氧化物在紫外光的照射下生成3,1-苯并氧氮杂䓬中间体，进而在酸性条件下重排，生成吲哚类化合物。该方法已成功应用于抗哮喘药Montelukast衍生物和HMG-CoA还原酶抑制剂Pitavastatin衍生物的合成。Levin课题组还开发了基于碳原子插入的杂环替换骨架跃迁策略，用于从吡唑和吲唑基化合物合成嘧啶和喹唑啉类似物（图5b）。通过使用氯二氮丙啶类化合物作为碳原子来源，实现了杂环的扩张，并利用该方法合成了非甾体抗炎药物Tepoxalin的生物活性类似物。