DPP-4抑制劑的構效關系

陳忻 翟所迪

據國際糖尿病聯盟（International Diabetes Federation，簡稱IDF）統計，在2000年全球有糖尿病患者1.51億，到2010年11月全球糖尿病患者已超過3億，還有3億人屬于糖尿病的高危人群，而且正以每年新發700萬患者的速度迅速蔓延[1]。我國屬于糖尿病易感人群國家，目前我國糖尿病患者數量占據全球的1/3，2008年的調查結果顯示，在20歲以上的成人中，年齡標化的糖尿病的患病率為9.7％[2]，隨著糖尿病治療藥物的研究進展，目前臨床使用的糖尿病治療藥物不僅有胰島素、二甲雙胍等傳統藥物，還有作用于胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）或二肽基肽酶-4（DPP-4）的兩類新型藥物，其中二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制劑由于其作用靶點獨特、有效性及安全性俱佳，成為糖尿病藥物市場最受關注的一類藥物。

DPP-4結構功能

DPP-4由Hopsu-Havu和Glenner在鼠肝臟組織勻漿過程中發現，2003年首次確定了DPP-4蛋白質的三維結構，是體內降解GLP-1，并使其失活的關鍵酶之一。

DPP-4是一種位于細胞表面的絲氨酸肽酶，廣泛存在于血漿、胃腸道、腎臟、淋巴結和結締組織等體內組織中，其中腎臟最多。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（FAP）。DPP-4的分子量為220ku，活性體為二聚體形式，每個亞單位包含兩個結構域，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的大型洞穴，其內的袋狀結構便是DPP-4的活性部位，凡是結構的N端第二位上是脯氨酸（Pro）或丙氨酸（Ala）的多肽都是DPP-4發揮活性的主要底物[3]。

DPP-4抑制劑作用機理

由于體內DPP-4的迅速降解作用，GLP-1在體內半衰期很短（＜2min），研究發現當DPP-4活性被抑制后GLP-1的作用時間便有效延長，從而發揮降低血糖水平作用。DPP-4抑制劑作用機理便是基于其結構與天然底物相似，含有Xaa-Pro類似結構，能夠競爭性結合DPP-4活性部位，而且親和力遠大于天然底物，因而改變了DPP-4的構象，降低催化活性。實驗證明DPP-4抑制劑可在24h內可逆性地抑制大約90％的DPP-4酶活性。因而DPP-4抑制劑能夠通過提高體內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。因為GLP-1對胰島素分泌的調節作用呈現嚴格的血糖濃度依賴性，只有在血糖升高時，GLP-1才會增加胰島素分泌，所以DPP-4抑制劑不會引起低血糖發生風險。DPP-4抑制劑獨特作用機理和良好的安全性特點，成為了糖尿病新藥研究的熱點領域，目前，已有4個DPP-4抑制劑獲得上市批準，并且仍有許多正在開發過程中的化合物。

DPP-4抑制劑結構分類

DPP-4抑制劑首先要求對DPP-4具有較強抑制作用，但是最早發現的一批化合物對相關其他酶如DPP-7、DPP-8和DPP-9也有抑制作用。另外，還要求研發出對DPP-4選擇性高的化合物，即兼備對DPP-4的高抑制活性和高選擇性，并且作用時間持續，如能保持24h作用，以方便每日1次給藥。

通過X線衍射研究發現DPP-4酶分子的結合位點具有高度類藥性[4]：催化位點位于較大的空間中，存在由數個芳環側鏈形成的親脂性口袋，從而具有有效的分子錨定位點，有利于設計小分子藥物，以實現對酶的緊密特異性結合；另一方面，DPP-4酶的催化位點有兩個開口，能夠使溶劑進入，調解抑制劑的理化性質，改善藥動學特性。正是這些結構特征提供了DPP-4酶結合位點的結構優勢，使發現多種不同化學類型的DPP-4抑制劑成為可能。

現有的DPP-4抑制劑根據其化學結構特點，分為兩大類別：擬肽類DPP-4抑制劑（α-氨基酸類和β-氨基酸類）和非擬肽類DPP-4抑制劑（嘧啶類、黃嘌呤類等）。

擬肽類抑制劑基于DPP-4的天然底物GLP-1的N端結構片段為化學模擬對象來進行藥物設計，得到一類具有類似于脯氨酸結構的化合物，是目前研究最為廣泛的一類DPP-4抑制劑，其結構主要由含有雜環的P1位和含有取代氨基側鏈的P2位組成。P1與DPP-4的S1疏水口袋結合；P2占據S2口袋。當P2的吡咯烷（或類似結構）所連的羰基的α-位氨基取代，得到含有甘氨酸結構片段的化合物為α-氨基酸類擬肽類DPP-4抑制劑；如果為β-位氨基取代，對應得到含有β-丙氨酸結構片段的化合物則為β-氨基酸類擬肽類DPP-4抑制劑。

與擬肽類DPP-4抑制劑不同，非擬肽類抑制劑結構不存在明顯一致性，可分為黃嘌呤類、氨甲基嘧啶類、氨基環己烷、嘧啶酮和煙酰胺類等。

DPP-4抑制劑的構效關系

近些年來，相繼有沙格列汀（Saxagliptin），維格列汀（Vildagliptin）和Linagliptin獲得上市批準。另外，還有多種處于臨床研究階段的抑制劑分子。下面將對其構效關系進行綜述。

1.擬肽類DPP-4抑制劑

1.1 α-氨基酸類DPP-4抑制劑 早期的擬肽類抑制劑模擬DPP-4的天然底物，結構中都含有類似脯氨酸片段。與DPP-4相結合時，P1、P2區分別占據S1和S2口袋，同時氨基與DPP-4中的205位（或206位）谷氨酸形成鹽橋，羰基上的氧原子與125位精氨酸形成氫鍵。由于發現若在P1區吡咯烷C2位引入親電子基團，如CN，則可與DPP-4的活性部位的630位絲氨酸進一步形成鍵合，能夠增加對DPP-4的抑制活性，但是這樣的2-氰基吡咯烷類衍生物在中性和堿性條件下易成環水解而失活，穩定性差。通過研究得到兩種方法能夠提高穩定性，降低其成環速率，從而得到了今天的上市藥物維格列汀和沙格列汀。

一方面，可以通過N端修飾提高穩定性。維格列汀[5]是在P2區的α-氨基氮原子上引入大體積基團，即3-羥基金剛烷基，通過空間位阻效應降低氮原子的反應性，分子內環合的概率降低至原先的1/30，顯著提高化學穩定性，對DPP-4的IC50為3.5nmol/L。維格列汀的血漿半衰期為3h，口服生物利用度達到85％。

另一方面，可以在C端進行修飾。百時美施貴寶研發的沙格列汀在P1區氰基吡咯環的C4和C5上引入具有手性環丙基，同時引入3-羥基金剛烷基，阻礙環合反應進行[6]。體外活性研究顯示沙格列汀對DPP-4的IC50為3.37nmol/L，穩定性高于維格列汀。沙格列汀的半衰期為2.1h，生物利用度為75％。

1.2 β-氨基酸類DPP-4抑制劑 β-氨基酸類擬肽類DPP-4抑制劑的代表西格列汀是首個獲得美國FDA批準上市的DPP-4抑制劑。該類化合物的氨基能與DPP-4分子的第205位谷氨酸（或206位谷氨酸）結合形成鹽橋。構效關系表明：當β-氨基與其手性碳原子的構象為R型時活性優于S型；而R基必須是苯環，若用芳雜環或環烷基取代則活性會下降，苯環上引入較小的取代基團（如氟）活性增強，而且多氟取代物的活性高于單氟取代物；分子結構中的雜環多為吡咯烷、噻唑烷、哌嗪或三唑并哌嗪環。在雜環或芳雜環上引入適當的取代基會增強藥效活性。

西格列汀的結構中2,4,5-三氟苯基能夠較好地占據S1疏水口袋，產生疏水作用，4位的氟原子與Asn710和Arg125相互作用形成氫鍵；羰基的氧原子與Tyr547通過水分子形成橋連；（R）-氨基與2個谷氨酸殘基Glu205、Glu206發生氫鍵相互作用；該保守性氫鍵與底物的N端和DPP-4結合作用類似；三唑哌嗪環與Phe357的側鏈還能產生π-π相互作用；三氟甲基與Arg358和Ser209分別形成氫鍵，與所處的口袋結合十分緊密，當除去該基團或被更大的取代基取代時，活性都有所下降，故表明此位點的最佳大小基團便是三氟甲基[7]。對西格列汀的體外抑酶活性試驗研究結果為西格列汀對DPP-4的IC50為18nmol/L。藥動學研究顯示，口服100mg劑量后迅速吸收，1～4h后血漿藥物濃度達峰值，血藥AUC與劑量成比例，半衰期為12.4h，有16％被代謝。一項為期18周的研究表明，西格列汀單藥治療能夠改善HOMA-β指數和胰島素原/胰島素比值（與安慰劑相比12.1％ vs 1％；-0.05 vs 0.07）。

還有后續多項研究對西格列汀結構進行了相應改造，尋找新型藥物分子。Shan等改變三唑環中氮原子的位置[8]，得到1,2,3-三唑并哌嗪化合物，對DPP-4的IC50為50nmol/L。大鼠實驗藥動學性質良好，半衰期為2.53h，Cmax965μg/L。在ICR小鼠OGTT試驗中，該化合物能降低最高血糖水平約31％。若將三唑并哌嗪環替換為吡咯烷，并在吡咯烷的C2位引入大基團，那么得到的化合物體外抑酶活性為IC506.3nmol/L[9]。ob/ob小鼠的OGTT試驗中血糖峰值降低15％。Kim對三唑并哌嗪環進行替代，以哌嗪-2-酮替代后得到DA-1229[10]，IC50為0.9nmol/L，大鼠體內半衰期6.1h，生物利用度為74.8％，并且已進入Ⅱ期臨床試驗階段。

2.非擬肽類DPP-4抑制劑

2.1 黃嘌呤類 黃嘌呤衍生物DPP-4抑制劑活性較強，該類化合物中已有Linagliptin獲批上市。該藥物是首先在高通量篩選得到的先導化合物BDPX后進行有效關系研究并改造后得到的。BDPX分子的母環的結構不固定，與Tyr547形成疏水作用，是非活性必須的，可用其他稠雜環替代，如尿嘧啶、咪唑和三唑環等；7位N上的取代基是活性必須的，多為芐基、2-丁烯基或2-丁炔基，而且在芐基2位引入氰基使活性提高；另外，還需要8位哌嗪或3-氨基哌啶取代基與S2口袋的Glu205形成保守性氫鍵。在黃嘌呤的N-1位引入疏水性基團后還可與Trp629作用，提高與DPP-4的結合力[11]。實驗證明Linagliptin對DPP-4的IC50為1nmol/L，而且屬于長效DPP-4抑制劑，作用長達24h。

2.2嘧啶類 嘧啶類抑制劑是由黃嘌呤類衍生物經結構改造而得到的非擬肽類抑制劑，將黃嘌呤骨架躍遷為嘧啶后再進行結構修飾，其與DPP-4的結合模式與黃嘌呤類相似。由日本武田制藥研制的阿格列汀[12]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。阿格列汀的體外活性研究顯示，其對DPP-4的IC50為7nmol/L，口服半衰期為12.3～21h。

結 語

隨著藥物研發和臨床研究的發展，越來越多的DPP-4抑制劑進入臨床使用或臨床研究階段，為2型糖尿病患者的治療提供了一個較已有治療藥物具有特定方面優勢的選擇，如在降低血糖的同時保護B細胞功能，低血糖風險低而且不會引起體重增加。但是，在研發中仍存在維持化合物活性和提高選擇性的矛盾，在臨床用藥中仍面臨著有效性與長期安全性評估的重大挑戰，需要進行更深入的研究，來為2型糖尿病患者提供更有效安全的DPP-4抑制劑藥物治療。

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