陳忻 翟所迪

據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟（International Diabetes Federation，簡稱IDF）統(tǒng)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(fā)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(shù)量占據(jù)全球的1/3，2008年的調(diào)查結(jié)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(tǒng)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(guān)注的一類藥物。

DPP-4結(jié)構(gòu)功能

DPP-4由Hopsu-Havu和Glenner在鼠肝臟組織勻漿過程中發(fā)現(xiàn)，2003年首次確定了DPP-4蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，是體內(nèi)降解GLP-1，并使其失活的關(guān)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(jié)和結(jié)締組織等體內(nèi)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(jié)構(gòu)域，控制底物的出入口位于兩個結(jié)構(gòu)域之間的一個大小為30～45A的大型洞穴，其內(nèi)的袋狀結(jié)構(gòu)便是DPP-4的活性部位，凡是結(jié)構(gòu)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(fā)揮活性的主要底物[3]。

DPP-4抑制劑作用機理

由于體內(nèi)DPP-4的迅速降解作用，GLP-1在體內(nèi)半衰期很短（＜2min），研究發(fā)現(xiàn)當DPP-4活性被抑制后GLP-1的作用時間便有效延長，從而發(fā)揮降低血糖水平作用。DPP-4抑制劑作用機理便是基于其結(jié)構(gòu)與天然底物相似，含有Xaa-Pro類似結(jié)構(gòu)，能夠競爭性結(jié)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(gòu)象，降低催化活性。實驗證明DPP-4抑制劑可在24h內(nèi)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(nèi)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(xù)時間。因為GLP-1對胰島素分泌的調(diào)節(jié)作用呈現(xiàn)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(fā)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(lǐng)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(fā)過程中的化合物。

DPP-4抑制劑結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)的一批化合物對相關(guān)其他酶如DPP-7、DPP-8和DPP-9也有抑制作用。另外，還要求研發(fā)出對DPP-4選擇性高的化合物，即兼?zhèn)鋵PP-4的高抑制活性和高選擇性，并且作用時間持續(xù)，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(fā)現(xiàn)DPP-4酶分子的結(jié)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(shù)個芳環(huán)側(cè)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(shè)計小分子藥物，以實現(xiàn)對酶的緊密特異性結(jié)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(diào)解抑制劑的理化性質(zhì)，改善藥動學特性。正是這些結(jié)構(gòu)特征提供了DPP-4酶結(jié)合位點的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，使發(fā)現(xiàn)多種不同化學類型的DPP-4抑制劑成為可能。

現(xiàn)有的DPP-4抑制劑根據(jù)其化學結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)片段為化學模擬對象來進行藥物設(shè)計，得到一類具有類似于脯氨酸結(jié)構(gòu)的化合物，是目前研究最為廣泛的一類DPP-4抑制劑，其結(jié)構(gòu)主要由含有雜環(huán)的P1位和含有取代氨基側(cè)鏈的P2位組成。P1與DPP-4的S1疏水口袋結(jié)合；P2占據(jù)S2口袋。當P2的吡咯烷（或類似結(jié)構(gòu)）所連的羰基的α-位氨基取代，得到含有甘氨酸結(jié)構(gòu)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(yīng)得到含有β-丙氨酸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不存在明顯一致性，可分為黃嘌呤類、氨甲基嘧啶類、氨基環(huán)己烷、嘧啶酮和煙酰胺類等。

DPP-4抑制劑的構(gòu)效關(guān)系

近些年來，相繼有沙格列?。⊿axagliptin），維格列?。╒ildagliptin）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(gòu)效關(guān)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(jié)構(gòu)中都含有類似脯氨酸片段。與DPP-4相結(jié)合時，P1、P2區(qū)分別占據(jù)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(fā)現(xiàn)若在P1區(qū)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(huán)水解而失活，穩(wěn)定性差。通過研究得到兩種方法能夠提高穩(wěn)定性，降低其成環(huán)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(wěn)定性。維格列汀[5]是在P2區(qū)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(yīng)降低氮原子的反應(yīng)性，分子內(nèi)環(huán)合的概率降低至原先的1/30，顯著提高化學穩(wěn)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(fā)的沙格列汀在P1區(qū)氰基吡咯環(huán)的C4和C5上引入具有手性環(huán)丙基，同時引入3-羥基金剛烷基，阻礙環(huán)合反應(yīng)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(wěn)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(jié)合形成鹽橋。構(gòu)效關(guān)系表明：當β-氨基與其手性碳原子的構(gòu)象為R型時活性優(yōu)于S型；而R基必須是苯環(huán)，若用芳雜環(huán)或環(huán)烷基取代則活性會下降，苯環(huán)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(jié)構(gòu)中的雜環(huán)多為吡咯烷、噻唑烷、哌嗪或三唑并哌嗪環(huán)。在雜環(huán)或芳雜環(huán)上引入適當?shù)娜〈鶗鰪娝幮Щ钚浴?/p>

西格列汀的結(jié)構(gòu)中2,4,5-三氟苯基能夠較好地占據(jù)S1疏水口袋，產(chǎn)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(fā)生氫鍵相互作用；該保守性氫鍵與底物的N端和DPP-4結(jié)合作用類似；三唑哌嗪環(huán)與Phe357的側(cè)鏈還能產(chǎn)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(jié)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(jié)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(shù)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(xù)多項研究對西格列汀結(jié)構(gòu)進行了相應(yīng)改造，尋找新型藥物分子。Shan等改變?nèi)颦h(huán)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(zhì)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(huán)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(huán)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(nèi)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(guān)系研究并改造后得到的。BDPX分子的母環(huán)的結(jié)構(gòu)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(huán)替代，如尿嘧啶、咪唑和三唑環(huán)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(jié)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(jīng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)修飾，其與DPP-4的結(jié)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(jié)構(gòu)內(nèi)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(huán)上連接N取代氨基芐基，與Arg125產(chǎn)生氫鍵，苯環(huán)與Tyr622產(chǎn)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(jié) 語

隨著藥物研發(fā)和臨床研究的發(fā)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(yōu)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(fā)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(zhàn)，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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