黃 雨，張寅生

（正大天晴藥業(yè)集團股份有限公司，江蘇省抗病毒靶向藥物研究重點實驗室，南京 211100）

生物電子等排是指將化合物結構中的某些原子或基團，用其外層電子總數(shù)相等（同價）或在體積、形狀、構象、電子分布、脂水分配系數(shù)、pKa，化學反應性和氫鍵形成能力等重要參數(shù)上存在相似性的原子或基團進行替換，從而產(chǎn)生新化合物的一種方法［1］。它是藥物結構優(yōu)化中一種非常有效的策略。隨著藥物化學和有機化學的發(fā)展，越來越多經(jīng)典和非經(jīng)典生物電子等排體被運用到新藥的設計中，并取得了顯著的成果。然而，面對日益狹小的專利保護空間，藥物化學家們不得不尋求一些結構新穎的、具有潛在生物活性的生物電子等排體來改善化合物的性質［2］。正是在這樣的背景之下，具有三維立體結構的雙環(huán)［1. 1. 1］戊烷（BCP）因其弱親脂性、增強電負性等理化性質，備受藥物化學家的青睞。為此，本文綜述了BCP 在藥物設計中的應用，以便于給藥物研發(fā)人員提供參考。

1 雙環(huán)[1. 1. 1]戊烷（BCP）在藥物設計中的應用

近年來，BCP作為生物電子等排體在藥物設計中已經(jīng)得到了廣泛的應用。其應用主要分為3類［3］：（1）作為1，4-二取代苯環(huán)的生物電子等排體；（2）作為1，2-二取代炔基的生物電子等排體；（3）作為叔丁基等空間位阻較大的基團的生物電子等排體。其主要作用是改善化合物的溶解度、代謝穩(wěn)定性及生物活性，同時，可突破專利，當然也可作為新穎的結構片段運用到新藥設計中（圖1）。

Figure 1 Application and classification of bicyclo [1. 1. 1] pentane (BCP) as a bioisostere in drug design

1. 1 BCP 作為1,4-二取代苯環(huán)的生物電子等排體在藥物設計中的應用

苯環(huán)是有機化學中最基本的結構元素之一，并且廣泛的存在于各種生物活性分子及天然產(chǎn)物當中。然而，隨著分子結構中苯環(huán)數(shù)目的增加，其水溶性變差，毒性也隨之增加［4］。所以，近年來藥物化學家們傾向于以飽和的生物電子等排體來代替苯環(huán)，以期獲得生物活性更好或者理化性質更佳的藥物活性分子［5］。其中，BCP 因其與1，4-二取代的苯環(huán)具有很多相似的空間結構特征（圖2），在近年來備受關注。

1996 年，Pellicciari 等［6］首次用BCP 代替苯環(huán)應用于代謝型谷氨酸受體拮抗劑的結構改造當中（圖3）。化合物1 是已知的代謝型谷氨酸受體1選擇性拮抗劑，為了探究苯環(huán)在該分子中的構效關系，研究者以BCP 替代苯環(huán)成功合成了化合物2?；钚詳?shù)據(jù)表明BCP 結構的替換，增強了化合物的活性并且保持了其選擇性（mGluR1a，IC50= 25 μmol/L；mGluR2，IC50＞300 μmol/L；mGluR4a，IC50＞300 μmol/L）。

Figure 2 Comparison between BCP skeleton and 1, 4-disubstituted benzene ring

Figure 3 Comparison between compound 1 and 2

2006 年，Pellicciari 課題組又成功地將BCP 結構應用于選擇性代謝型谷氨酸受體激動劑的結構優(yōu)化中［7］（圖4）。從活性數(shù)據(jù)可以看出，苯環(huán)的替換提高了化合物對于mGluR4 受體的選擇性（mGluR4，EC50= 4. 2 μmol/L；mGluR6，EC50= 66 μmol/L；mGluR7，EC50＞1 000 μmol/L）。上述BCP代替苯環(huán)應用實例（1 & 2，3 & 4）說明苯環(huán)并不是活性必需基團，只是起到連接兩個藥效團的作用，而BCP 作為連接鏈，使得二側的取代基之間的距離縮短，可能使得兩邊的活性基團處于更佳的與受體mGluR1a 或者mGluR4 的結合位置，從而使化合物的活性和選擇性得到提高。

2012 年，Stepan 等［8］創(chuàng)造性地以BCP 結構替換已知γ-分泌酶抑制劑5（BMS-708163）中的氟苯，從而得到化合物6（圖5）。實驗數(shù)據(jù)顯示，化合物6具有更強的生物活性、更低的親脂性以及更好的水溶性和代謝穩(wěn)定性。最為重要的一點是，該化合物具有一定的結構新穎性，并開創(chuàng)了突破制藥公司關于含苯生物活性分子專利的先例。此后，含有BCP 結構的衍生物越來越多地被包含在相關專利中。

Figure 4 Comparison between compound 3 and 4

Figure 5 Comparison between compound 5 and 6

伊馬替尼是治療白血病的一個“明星”藥物。2016 年，Nicolaou 等［9］試圖以BCP 結構替換伊馬替尼（7）結構中的對位雙取代苯環(huán)，以期獲得結構新穎的藥物實體分子（圖6）。與伊馬替尼相比，化合物8具有較低的親脂性、較高的水溶性和代謝穩(wěn)定性。然而，化合物8對于ABL1 酶的抑制活性卻顯著低于伊馬替尼（ABL1 激酶，IC50＞1 μmol/L）。推測其活性降低的原因可能是：（1）連接鏈的長度縮短，哌嗪環(huán)上的氮原子與受體結合位點的距離變長；（2）伊馬替尼中的對位雙取代苯環(huán)不僅起到一個連接鏈的作用，而且會與蛋白產(chǎn)生一定的π-π相互作用并對活性產(chǎn)生影響，而BCP 不具備π-π相互作用。

Figure 6 Comparison between compound 7 and 8

2016 年，研究人員應用BCP 結構對Wtn 抑制劑9進行結構改造［10］（圖7）。實驗結果顯示，化合物10 基本喪失了活性（IC50＞50 nmol/L）。這表明化合物9 中的苯環(huán)結構參與到了蛋白與受體的相互作用當中，可能是活性必須基團。

Darapladib（11）是一種有效的治療動脈粥樣硬化的脂蛋白相關磷脂酶A2（Lp-PLA2）抑制劑，目前正處于臨床試驗階段。2017 年，Measom 等［11］采用BCP 骨架替換苯環(huán)的策略，對Darapladib 進行結構優(yōu)化（圖8）。研究數(shù)據(jù)表明，化合物12 相比于Darapladib，仍舊保持了良好的生物活性，并且水溶性得到了顯著的提升，但是其親脂性卻出乎意外的增加了。生物活性保持說明BCP 可以代替苯環(huán)起到連接鏈的作用，而親脂性的增加說明整體化學環(huán)境決定了分子的理化性質。

Figure 7 Comparison between compound 9 and 10

Figure 8 Comparison between compound 11 and 12

白藜蘆醇（13）是一種具有抗氧化、抗糖尿病和抗腫瘤活性的天然產(chǎn)物。然而其生物利用度太差，特別是在口服吸收之后，血藥濃度很低。為了改善白藜蘆醇的藥代動力學特征，Goh等［12］嘗試以BCP 骨架替換白藜蘆醇中的苯環(huán)結構（圖9）。研究數(shù)據(jù)顯示，與白藜蘆醇相比，化合物14在保留了相當?shù)目鼓[瘤活性的同時，其水溶性增強了40倍，并且具有較低的親脂性和良好的代謝穩(wěn)定性。此外，在經(jīng)過口服吸收之后，化合物14所能夠達到的血藥濃度也顯著高于白藜蘆醇。對于一些相對分子質量較小的化合物，芳香環(huán)對化合物的理化性質影響較大，BCP替換白藜蘆醇中的苯環(huán)能夠達到增強分子水溶性的目的。

Figure 9 Comparison between compound 13 and 14

吲哚胺2，3-雙加氧酶1（IDO1）是色氨酸代謝的關鍵酶，其在多種腫瘤細胞中過度表達，是腫瘤免疫治療的一個重要靶點。近年來，IDO1 抑制劑的研究得到了廣泛關注。其中默克公司的科學家通過高通量篩選的方法得到了一個活性優(yōu)異的苗頭化合物15。然而由于苯甲酰胺易于水解，導致化合物15代謝穩(wěn)定性較差。為此，Pu 等［13］采用了多種改造策略進行結構優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)以BCP 骨架替換中心苯環(huán)可以有效地避免酰胺鍵的水解，從而提高其代謝穩(wěn)定性（圖10）。與此同時，化合物16也保留了良好的生物活性和選擇性。這項研究結果說明BCP 可以代替苯環(huán)起到連接鏈的作用，同時，BCP 代替可以獲得空間位阻較大的脂肪酰胺，使不易被水解代謝。

Figure 10 Comparison between compound 15 and 16

當用飽和的烷基作為生物電子等排體取代生物活性化合物中的苯環(huán)時，需要考慮下列幾個因素。首先，這種替代物有可能增加化合物的代謝穩(wěn)定性和水溶性。例如，含有苯酚和苯胺的衍生物在體內(nèi)因易被細胞色素P450快速氧化成1，4-苯醌，因而被認為代謝穩(wěn)定性差［14］。而用脂肪族連接體則可以避免這種方式降解，因此更穩(wěn)定。另一方面，由于苯衍生物在晶格中的π堆積，其水溶性較差［15］。用BCP 或立方烷取代苯環(huán)，通過破壞π堆積可增加化合物的溶解度，而雙環(huán)［2. 2. 2］辛烷骨架取代苯環(huán)對化合物水溶性的影響并不明顯。

2017年，Auberson等［16］報道了3種可替代苯環(huán)的生物電子等排體：BCP、立方烷（cubane）和雙環(huán)［2. 2. 2］辛烷（BCO），并對它們的理化性質進行了綜合比較，重點分析了化合物中的C-C 距離、基于人工膜上色譜疏水指數(shù)所反映的非特異性結合力以及它們在水中的溶解度（圖11）。從幾何角度看，立方烷和雙環(huán)［2. 2. 2］辛烷中的連接原子之間的距離與對位取代苯中的連接原子之間的距離非常相似，而BCP 中的連接原子之間的距離比對位取代苯中的連接原子小約35%，并顯著降低非特異性結合，不過BCP 取代芳香環(huán)可使溶解度提高至少約50 倍。雙環(huán)［2. 2. 2］辛烷的結構替換導致分子更加親脂，并且在非特異性結合或溶解度方面沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢，而立方烷的替換即顯示了這兩個參數(shù)上的改進。研究者認為，BCP 和立方烷是兩種較好的對位取代苯環(huán)的生物電子等排體。

Figure 11 Comparison between benzene ring, BCP, cubane and BCO

雖然用飽和的烷基取代生物活性分子中的苯環(huán)對活性和選擇性的影響很難預測（圖12），但有兩種簡化的情形是可能預測的：（1）被取代的苯環(huán)純粹作為構象剛性連接片段，將兩個取代基保持在彼此很好的確定距離上（圖12-A，12-C），使兩個取代基與受體結合。在這種情況下，起作用的關鍵因素是連接片斷的長度。例如，用立方烷或雙環(huán)［2. 2. 2］辛烷取代苯環(huán)，有可能保持類似的活性水平。因為相比之下這3 個連接物中的C-C 距離與苯環(huán)最相似（2. 82 ?vs2. 60 ?vs2. 72 ?）。另一方面，如果生物活性化合物中取代基之間的較短距離更適合于受體結合囊，則可以觀察到甚至增加的活性。（2）在第二種情況下，苯環(huán)起到兩種作用：作為剛性間隔基來保持取代基間的距離和特定的芳基-蛋白質相互作用（圖12-B）。后者可包括：（i）苯環(huán)與精氨酸和賴氨酸殘基質子化氨基的陽離子-π相互作用；（ii）苯環(huán)與蛋白質中苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸和組氨酸殘基的π-π相互作用；（iii）其他弱偶極-π相互作用［17］。在這種情況下，事實上，用任何飽和連接物替換生物活性化合物中的苯環(huán)將大大降低其活性，如在化合物8和10的飽和類似物中觀察到的那樣。

Figure 12 Effect of substituting benzene with saturated alkyl on activity and selectivity in bioactive molecule

1. 2 BCP 作為1,2-二取代炔基的生物電子等排體在藥物設計中的應用

BCP作為炔基的生物電子等排體也有應用，因為炔基比苯環(huán)的長度更接近BCP。 2017 年，Makarov 等［18］首次嘗試用BCP 結構替換炔基的策略，對已上市藥物Tazarotene（17）進行結構改造（圖13）。藥代動力學研究及理化性質檢測發(fā)現(xiàn)，化合物18 在pKa 和非特異性吸附等性質上與Tazarotene非常接近。

Figure 13 Comparison between compound 17 and 18

1. 3 BCP作為叔丁基的生物電子等排體在藥物設計中的應用

叔丁基是藥物分子中一種常見的空間位阻較大的取代基，然而當向感興趣的分子骨架中引入叔丁基時卻往往會使化合物的脂溶性提高以及代謝穩(wěn)定性降低［19］。為了解決這一問題，科學家們發(fā)現(xiàn)了多種叔丁基的生物電子等排體，其中由于BCP的結構新穎性和親脂性降低而備受關注。

1993 年，Barbachyn 等［20］首次應用BCP 骨架來替換叔丁基（圖14）。BMY-40062（20）是已上市藥物環(huán)丙沙星（19）的結構類似物，其殺菌活性得到了較大提升，但是沒有能夠克服環(huán)丙沙星所帶來的耐藥性。所以研究者在BMY-40062 的結構基礎上對其進行結構優(yōu)化，并創(chuàng)造性地以BCP 結構來替換叔丁基得到了U-87947E（21）。實驗數(shù)據(jù)顯示，U-87947E的抗菌活性要優(yōu)于環(huán)丙沙星，并且對于耐環(huán)丙沙星的金黃色葡萄球菌有很強的抑制作用。

Figure 14 Design of compound 21

2015 年，Westphal 等［19］分別用BCP 骨架替換已上市藥物Bosentan（22）和Vercirnon（24）結構中的叔丁基，并系統(tǒng)性的研究了化合物改造前后在物理化學性質、藥代動力學性質和生物活性上產(chǎn)生的變化（圖15）。研究數(shù)據(jù)表明，在結構上，BCP骨架的體積要小于叔丁基。當以BCP 替換叔丁基之后，化合物親脂性降低，其他理化性質也會得到一定的改善。

Figure 15 Comparison between compound 22 & 23, 24 & 25

1. 4 BCP 作為新穎的結構片段在藥物設計中的應用

輝瑞公司通過高通量篩選發(fā)現(xiàn)了一類新的熱休克蛋白90（Hsp90）拮抗劑，并對其進行了構效研究［21］。值得引起注意的是結構中含有BCP 大體積酰胺取代基。含有BCP胺基片段的化合物26顯示出對細胞色素P450 的抑制作用，但也觀察到不必要的脫靶效應，對動物腫瘤模型試驗表明該化合物具有顯著的抗腫瘤療效以及其他令人滿意的成藥特性。應用相同的設計理念，BCP 片段已經(jīng)被引入到JAK 抑制劑27［22］、RIPK1 抑制劑28［23］、RET抑制劑29［24］、DLK 抑制劑30［25］、Ikaros 和Aiolos 的降解劑31［26］等創(chuàng)新藥物分子中（圖16）。上述活性分子已作為瑟法?。–ephalon）、輝瑞、百時美施貴寶、藥明康德等國內(nèi)外制藥公司在研的先導化合物。

Figure 16 Examples of novel bioactive compounds with a BCP moiety

2 結語與討論

到目前為止，BCP骨架作為1，4-二取代苯環(huán)的生物電子等排體的應用最為廣泛。而其作為炔基和叔丁基的生物電子等排體的應用卻屈指可數(shù)，所以在未來還有很多研究的空間?？傮w而言，將BCP 引入藥物分子當中可以極大地提高化合物的被動滲透性、水溶性和代謝穩(wěn)定性等。但是對于生物活性而言，還需要綜合考慮替換基團的具體作用。

近年來，BCP 作為1，4-二取代苯環(huán)、1，2-二取代炔基和叔丁基的生物電子等排體在藥物設計中已經(jīng)得到了廣泛的應用。越來越多的化合物專利中，已經(jīng)將該結構納入了保護的范圍。與此同時，BCP衍生物合成方法的開發(fā)也如火如荼地進行著，并已經(jīng)取得了非常顯著的進展。可以預見，隨著時間的沉淀，會有含BCP 結構的藥物成功上市并造福人類。