天然产物有一些大环分子，这里不做讨论；人工设计的大环分子也有上市，并似乎有些popular的趋势。
合理大环化，是提高活性的一种方式；而且可能做到分子量相对小(而活性好)，加之比较刚性，透膜及入脑可能有改善。当然，IP通常也有新颖性。
图1摘自Schrodinger，右上角示意未环化的线型分子的活性构象，下面是三种环化效果：左边那种使得活性构象不可及，分子活性降低甚至可能丧失；中间那种未起到环化固定构象的目的，比如linker过长过柔，分子活性也难有提高；右侧是合理环化的，稳固了分子的活性构象，活性可能有明显提升。分子要大环化，最好线型分子活性构象本身呈U字形，就是环化的两个位点之间距离较近。另外，要蛋白结合口袋容得下，容得下关环所添加的基团。至于所添加的基团会不会与蛋白有额外作用(或者不好的作用)，那得具体看。图1 示意大环化的合理(及不合理)方式，摘自Schrodinger
下面是具体例子。辉瑞的劳拉替尼(Lorlatinib)，ALK抑制剂，对c-Met、ROS1也有活性，2018年获批。
Lorlatinib前身是Crizotinib，主要发明人都是崔景荣，崔景荣后来离开辉瑞，创办了Turning Point，专注于克服靶向药的耐药突变，主要技术手段还是大环化(macrocyclization)。
Crizotinib的发现(设计)也是一段故事(图2, [1])，这里主要说Lorlatinib(图3, [2])。二者主要靶点及适应症是类似的，有了Crizo为什么还要Lorlatinib？主要因为耐药突变。图2 Crizotinib及其起点分子 (改编自[1])
Crizotinib起初是作为c-Met抑制剂开发，但同时对ALK活性也不错，后来生物学证明ALK靶点的潜力，转而作为ALK抑制剂开发，并成功上市。c-Met近年也有高选择性的抑制剂开发并上市(Capmatinib, 2020)。Crizo早期由Sugen开发后来被辉瑞收购。
Crizo的耐药突变有多种，这里主要看G1202R突变。可以看到，无论对野生型还是突变体，Lorla都有比Crizo更好的活性，而其分子量没有增加反而减小，logD变化不大，分子效率LE、LipE都有提升。另外，Lorla的分子外排也改善，并最终证明对脑转移有效。图3 Lorlatinib及起点分子Crizotinib (改编自[2])
Lorlatinib比Crizo活性提高，并且对突变体仍有效果。分子效率提升。此外，外排也改善。这里是细胞活性，其提高可能不仅与binding而且与透膜改善也有关系。
下面看3D截图，图4左是晶体结构2XP2，Crizotinib结合ALK，右是简单模拟G1202R突变。ALK-WT中，1202残基为G，无侧链(高亮H原子)；耐药突变G1202R中，R有一个较大的侧链，虽然有一定柔性，但与Crizotinib哌啶环的clash还是难以避免(蓝圈内)。这应该是G1202R突变对Crizo耐药的主要原因。
图4 Crizo-ALK晶体结构(左)及G1202R突变体示意(右)
左上角两道黑色虚线是hinge-HB。左下标粗残基是突变位点，左为WT，G1202没有侧链。右为简单模拟的G1202R突变体，R较大的侧链会与Crizo伸向溶剂区的哌啶环有冲突，从而影响活性，产生耐药。
Crizotinib到Lorlatinib，尽管有较明确的设计思路，有SBDD，也还是尝试了不少分子。图5左右两端是Crizo & Lorlatinib，之间是设计过程中做的其它两个分子，这几个分子都解了晶体结构，图中小分子3D截图就是其晶体结构中的binding构象。可以看到，其在环化之前，先做了一些延长侧链的尝试，这些分子相比Crizotinib更接近U型，其中6b活性比Crizo差些，6h活性比Crizo略好，算是为之后环化做铺垫。
图5 Crizo, 6b, 6h & Lorla，及结合构象
图6左是Lorlatinib-ALK共晶结构(4CLI)，右是简单模拟G1202R突变。可以看出，Lorlatinib保持了Crizo的活性构象，但更刚性，减小了熵损失，提高活性；成环linker羰基O有水介导的HB，对活性大概也有帮助。另外减小了分子量，主要是移除了Crizo的哌啶环，与突变体R1202再无明显的clash。图6 Lorlatinib-ALK晶体结构(左)及G1202R突变体示意(右)
Lorlatinib保持了Crizotinib的结合构象，并固定了下来，而且图示这种结合构象应该是低能的。又由于去掉了哌啶环，与G1202R突变无明显的冲突，因此对突变体也有较好的活性。
对其它多种耐药突变，Lorlatinib也有较好的活性(图7, [2])。另外其虽然是一个较小的compact的分子，但选择性还较好。而且其改善了分子外排，能透过BBB，可用于脑转移患者。可以说，相比Crizotinib，Lorlatinib在多方面都有超越。
图7 Crizotinib(1) & Lorlatinib(8k)对ALK野生型及突变体的细胞活性
Lorla的选择性主要是吡唑环上的CN取代带来的。其之所以能带来选择性，是因为ALK的1198位残基是L(图8左)，侧链相对较小，而较多kinase这里是F、Y(参考图8右)，侧链更大。Lorla结合ALK时，与相对较小的L没有冲突，而结合其它某些kinase时，CN会与更大的F、Y侧链有冲突，从而降低活性(提高选择性)。
但应该也是由于这个CN的存在，也出现了一种对Lorlatinib的耐药突变C1156Y+L1198F。C1156Y单突变对Crizotinib耐药，对Lorlatinib敏感(这个突变远离结合口袋，具体机制可能不那么清楚)。而C1156Y+L1198F双突变对Lorlatinib耐药，但对Crizotinib又重新敏感，这也是很奇妙的事。双突变对Lorla耐药可以理解，因为F更大的侧链跟CN有些clash(图8右)；而Crizo没有那个CN，L1198F估计不导致耐药，但能使原本耐药的C1156Y重新敏感，这也很难想到。图8 Lorlatinib-ALK晶体结构(左)及L1198F突变体示意(右)
ALK野生型1198为L，侧链相对较小，发生L1198F突变后，Lorla的CN容易跟F更大的侧链有冲突，可能导致活性下降。事实上，在其它一些激酶，类似的位置就是F、Y这种大侧链残基，这也是Lorlatinib选择性还较好的原因之一。
也许把Lorla的CN去掉就能恢复对C1156Y+L1198F的活性，但选择性可能需要另想办法。好在Crizotinib对这种双突变有效，这种开发可能也就不是很迫切。不过Turing Point仍在开发下一代ALK抑制剂，也是大环，但结构好像还未公布。
主要参考
[1] Cui, J Jean et al. “Structure based drug design of crizotinib (PF-02341066), a potent and selective dual inhibitor of mesenchymal-epithelial transition factor (c-MET) kinase and anaplastic lymphoma kinase (ALK).” Journal of medicinal chemistry vol. 54,18 (2011): 6342-63.
[2] Johnson, Ted W et al. “Discovery of (10R)-7-amino-12-fluoro-2,10,16-trimethyl-15-oxo-10,15,16,17-tetrahydro-2H-8,4-(metheno)pyrazolo[4,3-h][2,5,11]-benzoxadiazacyclotetradecine-3-carbonitrile (PF-06463922), a macrocyclic inhibitor of anaplastic lymphoma kinase (ALK) and c-ros oncogene 1 (ROS1) with preclinical brain exposure and broad-spectrum potency against ALK-resistant mutations.” Journal of medicinal chemistry vol. 57,11 (2014): 4720-44.