2018全球小分子销冠~阿哌沙班的诞生之路！
阿哌沙班是直接因子Xa（factor Xa, FXa）抑制剂，作为抗凝剂，用于降低非瓣膜性房颤患者中风和全身性栓塞的风险，也可用于预防深静脉血栓（deep venous thrombosis, DVT）的形成。阿哌沙班由辉瑞（Pfizer）与百时美施贵宝（Bristol-Myers Squibb，BMS）联合研发，于2011年5月18日获欧洲药物管理局（EMA）批准上市，之后于2012年12月28日获美国食品药品管理局（FDA）批准上市，于2012年12月25日获得日本医药品医疗器械综合机构（PMDA）批准上市，于2013年1月22日获得中国食品药品监督管理局（CFDA）批准上市。
在刚刚过去的2018，全球药品销冠军依然是大分子单抗药物修美乐（虽然离200亿美元只差了一点点），Top2品种为小分子药物，但已不再是来那度胺，而是抗凝药物FXa抑制剂阿哌沙班。阿哌沙班不但超越了同靶点首个药物利伐沙班，更是一举获得2018全球小分子药物销售NO.1，如此成绩让业界惊叹！而在其背后，这个分子是如何得到的，其过程更为精彩！
Xa因子是凝血级联反应中的一个蛋白水解酶，功能是将凝血酶原转变为凝血酶，它的重要性在于通过内在机制或外来刺激引发凝血过程的最后环节。FXa作为酶分子具有放大效应，一个FXa分子可以将上万个凝血酶原经水解而激活成凝血酶，因而， FXa抑制剂也被认为是更有效率的抗血栓药。FXa是胰蛋白酶样的蛋白酶，直接抑制FXa的活性，从而抑制凝血酶的生成，阻断血栓形成和凝血。FXa不影响血小板功能，可降低出血的风险，在作用机制上优于凝血酶抑制剂和抗血小板聚集药物。
图1. FXa与阿哌沙班相互作用的X-ray
此外，我们来看看同靶点首个上市药物-利伐沙班。
利伐沙班，拜耳公司研发的一种口服药物，2008年在加拿大和欧盟率先上市，2009 年在我国上市，商品名为拜瑞妥®，用于选择性髋部或膝全替换手术病人VTE的预防等。
结构上，1998年拜耳公司开始组建团队开发小分子FXa抑制剂（FXa抑制剂最初源于水蛭），通过高通量筛选（数十万级别），得到苗头化合物结构，再通过一系列的优化，最终得到利伐沙班。
而进一步对比看伐沙班和阿哌沙班的结构，会发现阿哌沙班在结构上绝对不是很多传统同类靶点药物的me-too、me-better，而是经历了多种结构改造、骨架跃迁等操作，最终得到了新型FXa抑制剂。
图2. 利伐沙斑&阿哌沙班的结构差异
从苗头到候选再到阿哌沙班，这个过程涉及多种原理和方法，如骨架跃迁、电子等排、分子拼合对接等，操作难度大、工作庞杂！前期工作与大部分药物发现的目的相同，即提高活性！
普筛→芳脒化合物
起初，多家公司报道了针对FXa的双芳香脒类抗血栓化合物，杜邦公司通过筛选IIb/IIIa受体拮抗剂（该公司曾深入研究）对FXa的活性，发现以下化合物对FXa的Ki值为38.5 μmol·L−1，但结构为单芳脒化合物。
图3. 普筛得到的单芳脒结构
单芳脒结构→双芳脒结构
在当时，双芳脒结构为主流结构，通过将右侧四氢异喹啉丁酮酸片段换成苯脒，同时进一步考察化合物对凝血酶(越强越好)和胰蛋白酶(越弱越好)的作用，探究选择性活性。
图4. 单芳脒到双芳脒结构的演变
双芳脒结构+异噁唑环取代
为降低分子柔性，将异噁唑环与酰胺之间的亚甲基除去，同时在异噁唑环上引入含羰基的侧链，但没有突破性进展。
图5. 引入含羰基侧链
双芳脒结构→联苯结构
逆“大流”，将双芳脒结构改为联苯，后发现，联苯基与FXa的结合腔S4是由Trp215、Tyr99和Phe174等氨基酸残基构成的疏水腔。分子模拟与FXa的结合特征表明，磺酰基的氧原子与Tyr99发生较强的氢键结合，且选择性很高。
图6. 引入联苯结构
联苯片段+近端苯环优化+侧链酯基变换
固定间位脒基、异噁唑环的乙酸甲酯基，考察中间的芳环对活性的影响；同时，由于结构中含有酯基，在体内会发生水解，在动物的血浆中有相当比例的游离酸存在，该游离酸对FXa的体内活性显著低于未水解的酯。
图7. 近端苯环优化+侧链酯基变换
异恶唑环→吡唑环
异噁唑啉不是芳香环，含有手性碳原子，同时证明5-位的碳链对活性影响不大，进而用吡唑替换异噁唑，活性未变，同时方便合成。后以吡唑结构为优化新起点（IC50已经达到0.13 nM）。
图8. 吡唑环的引入
吡唑-CH3 & -CF3化→活性&选择性
3-甲基取代的吡唑化合物，对FXa的抑制活性提高了1个数量级，3-三氟甲基取代的吡唑化合物，活性更强。多数化合物有较低的清除率分布容积和较长的半衰期，但口服生物利用度低于5%，未能达到口服给药的要求。分子结构中含有碱性较强的脒基(pKa为10.7)，在体内分子带有正电荷，不易过膜吸收，因而口服吸收差。部分化合物PK/PD数据如下。
图9. 从活性扩展到更多药学性质
DPC-423
苄胺代替苯脒结构，活性略弱于脒基化合物1-2个数量级，但因脒基具有pM水平的高活性，经得起活性的消减，以弥补过膜吸收性，优化药代+药效的总效果。
由于降低了分子的碱性，增加了过膜吸收性。在苄胺化合物中，吡唑环上有三氟甲基取代、联苯的近端苯环2位被氟取代、远端苯环4-甲磺酰基取代的化合物的口服生物利用度最佳、半衰期长达7.5 h，用家兔动静脉分流血栓形成模型测定的ID50 = 1.1 μmol·kg−1·h−1，IC50 = 0.15 μmol·L−1。给予这些活性数据和药代动力学性质，杜邦公司确定了候选化合物，编号为DPC-423，进入开发。
图10. DPC-423化学结构
雷扎沙班
构效关系研究表明：DPC-423的甲磺酰基变换成氨磺酰基后，其活性未变，选择性提高了，但过膜性显著降低，系因增加了分子极性的缘故；远端苯环换成吡啶环，活性未变，过膜性仍较低；用咪唑、四氢吡咯或吗啉置换远端苯环，增加了助溶基团，提高了过膜性，但也因此与血浆蛋白的结合率>97%，也是活性降低的原因；为调整药代、维持活性强度和选择性，宜用1-(2-甲基咪唑)基取代；变换咪唑环上的取代基，羟甲基和氨甲基可能因极性强而降低活性；最终发现雷扎沙班（razaxaban），以盐酸盐形式进行临床研究，口服预防和治疗深度静脉栓塞疾病。
图11. 雷扎沙班化学结构
BMS740808
考虑到酰胺键可能在体内被水解成吡唑甲酸和联芳胺，后者具有潜在的致突变作用的风险，因而需要避免产生毒性的警戒结构，基于结构变换最小原则，将酰胺环合到吡唑环上，形成并合的杂环结构，以提高代谢稳定性。
将雷扎沙班的氨基苯并异噁唑与杂环并合吡唑连接，合成了一类新的化合物，构效关系总结如下：（1）变换远端苯环上的叔胺基，二甲胺甲基和3-R-羟基四氢吡咯活性最强，体内抗凝作用也最强。（2）在近端苯环的邻位引入氟原子，比相应的化合物活性弱。（3）3-羟基四氢吡咯R构型活性比其S构型强3倍，体内抗凝活性也强于S构型。（4）吡唑环上的三氟甲基用甲基代替，活性降低。比格犬的药代动力学研究表明，以下化合物具有最好的性质，即BMS740808。
图12. BMS740808化学结构
候选物为化合物DPC423、雷扎沙班、BMS740808，下一步是将这些片段作进一步的优化组合，从体外 FXa 活性、选择性、体内抗凝作用和药代性质等多维度进行优化，以确定更优结构。
将苯甲醚、吡唑并二氢吡啶酮、联苯叔胺等优势片段拼接起来，变换吡唑环上的取代基，合成系列化合物。其中化合物如甲磺酰基、氨甲酰基、氰基和四唑基等与三氟甲基化合物相比，都有较高的活性和选择性，体内抗凝作用显著强于BMS740808，提示这些基团可以移植在不同的母核上。相对比较，下图化合物具有良好的药代动力学性质、较低的清除率(CL = 0.32L·kg−1·h−1)、半衰期t1/2为5.6 h，口服生物利用度F=100%，因而将氨甲酰基固定，进一步优化。
图13. 氨甲酰结构的固定
在进行上述结构优化中，另一个同时研究的是探索远端苯环取代基的变换对活性影响，发现单苯环的对位N-甲基乙酰氨基取代是独特的，因为游离氨基或其他相关的基团活性都很差，提示，酰化的仲胺应是参与结合的重要基团。
氨甲酰基取代和候选物的确定纠正了三氟甲基过强的脂溶性，结合远端苯环对位N-甲基乙酰氨基取代，得到下述化合物，体外抑制FXa和体内抗凝血作用以及选择性都很强。对人体的蛋白酶和肝脏CYP的活性很弱，如远端苯环含内酰胺结构化合物与肝微粒体温孵的半衰期>100 min，Caco-2细胞的过膜性也非常高，血浆蛋白结合率为87%，家兔抗血栓的IC50=329 nmol·L−1，口服半衰期为5.8 h，口服生物利用度F=58%。终于，我们的小分子药王阿哌沙班，诞生了！
图14. 阿哌沙班终诞生
阿哌沙班的分子结构设计过程，可谓精益求精！在早期获得多个活性非常非常好的化合物时，并未冒进，急于开发，而是继续对活性进行研究，以期为后续的成药性结构改造打下足够牺牲活性的“量”！
其结构改造的原理和方法看似广谱，实则表现出很赞的有机结合程度，尤其是跨越了利伐沙班的骨架结构以及早期苗头化合物的双脒结构，这种大胆放弃“经典结构”的举动对于国内药物分子的开发来说很具有指导意义。
参考：
1. Design and synthesis of isoxazolinederivatives as factor Xa inhibitors. J Med Chem.1999. DOI: 10.1021/jm980406a.
2. Discovery of 1-[3-(aminomethyl)phenyl]-N-[3-fluoro-2'-(methylsulfonyl)-[1,1'-biphenyl]-4-yl]-
3-(trifluoromethyl)-1H-pyrazole-5-carboxamide(DPC423), a highly potent, selective, and orally bioavailable inhibitor of blood coagulationfactor Xa. 2001. DOI: 10.1016/S0030-
4018(98)00117-5.
3. Structure-based design of novel guanidine/benzamidinemimics:potent and orally bioavailable factor Xa inhibitors as novel anticoagulants. 2003. DOI: 10.1021/jm020578e.
4. Discovery of 1-(4-methoxyphenyl)-7-oxo-6-(4-(2-oxopiperidin-1-yl)phenyl)-4,5,6,7-tetrahydro-1H-pyrazolo[3,4-c]pyridine-3-carboxamide(Apixaban，BMS-562247)，a highly potent，selective，efficacious，and orally bioavailable inhibitor of blood coagulation factor Xa. 2007. DOI: org/10.1021/jm070245n.
5. Discovery of potent, efficacious, and orallybioavailable inhibitors of blood coagulation factor Xa with neutral P1 moieties. DOI: 10.1016/j.bmcl.2006.08.027.
6. 阿哌沙班创制的多维优化. 郭宗儒
7. 凝血因子Xa直接抑制剂的研究现状及应用. 2018.
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