小分子GLP-1R激动剂最新研发进展
导语
本文对临床及文献报道的小分子杂环GLP-1RA、GLP-1R通路信号特点、已公开临床数据、激动剂的结构特点、热门结构优化过程及SAR、现有研发及未来发展进行了总结。全文6000字。
该文系专栏作家胖桔子原创，欢迎大家踊跃投稿，稿费丰厚，具体请点击AIDD Pro向您约稿啦，稿费500-2000元/篇
近日，诺和诺德的GLP-1R激动剂多肽司美格鲁肽注射液（索马鲁肽，0.5mg、1mg预充注射笔，诺和泰）上市，辅助饮食和运动以改善2型糖尿病（T2DM）患者的血糖控制，每周只须皮下注射1次。至此国内上市的胰高血糖素样肽-1受体（GLP-1R)激动剂达到8款（短效/速效——贝那鲁肽、艾塞那肽、利司那肽，长效——利拉鲁肽、艾塞那肽微球、度拉糖肽、聚乙二醇洛塞那肽、司美格鲁肽），市场竞争愈发激烈。
多肽类GLP-1R激动剂通过模拟天然GLP-1来激活GLP-1受体，以葡萄糖浓度依赖的方式增强胰岛素分泌、抑制胰高糖素分泌，并能够延缓胃排空，通过中枢性的食欲抑制来减少进食量，从而达到降低血糖的作用。鉴于GLP‐1RA不仅降糖效果显著，单独使用发生低血糖的风险小，同时兼具减重、降压、改善血脂谱等作用，近年来其市场规模不断增长，2020年全球市场已超100亿美元。
但目前除2019年9月美国上市的口服索马鲁肽为一天一次片剂，其他均为注射给药。为了角逐庞大GLP-1RA市场的口服地位，已有策略除了诺和诺德的多肽制剂改造，还有辉瑞、中外制药/礼来、VtvTherapeutics等口服小分子杂环GLP-1RA药物研发。至此已有3款小分子杂环GLP-1RA进入临床，具体情况如下所示。
临床及文献报道的小分子杂环GLP-1RA
药物 | 公司 | 阶段 | 结构 | 结构特点及部分药效 |
TTP-273 | 杭州中美华东制药，Vtv Therapeutics | II期（T2DM）美国已完成II期，未见III期开展，国内计划II期 | 结构未知：TTP-054类似结构，与TT-OAD2也类似 | 组合化学发现 EC50 5nM Stand-alone allosteric |
Danuglipron（PF-06882961） | 辉瑞 | II期（肥胖、T2DM） | WO2018109607，申请日20171201，化合物6A-1 | PF 06882961, but not CHU-128, closely mimics the GLP-1 signaling profile，HTS发现，SBDD，专利中EC50为0.76nM |
LY-3502970 (OWL833，与CHU-128可能是一个) | 中外制药/礼来 | I期 | 专利中EC50 0.81nM（与后面SAR分析中有所不同），LY3502970 is a partial agonist, biased toward G protein activation over β-arrestin recruitment at the GLP-1R. | |
TTP-054 | Vtv Therapeutics | 曾经进入临床II期 | 组合化学发现，EC50 40nM Stand-alone allosteric | |
TT-OAD2 | Monash等 | 临床前报道 | EC50 5 nM，部分激动作用，与GLP-1R作用于多肽类不同，TT-OAD2突出到受体核心之外，与脂质相互作用。 | |
BOC5 | 上海药物所王明伟等 | 临床前报道 | 王明伟等通过分子和细胞水平高通量药物筛选模型筛选得到，成药性质差，经口服给药（小鼠: 250 mg/Kg;大鼠: 20 mg/Kg）后，血药浓度很低, EC50 value 16.0 μmol/L | |
RGT-1383 | 上海齐鲁锐格医药和上海药物所徐华强等 | 临床前报道 | WO2020207474A1 申请日20200410 化合物289，结构与PF-06882961仅哌嗪位置有不同 | RGT1383 is a full agonist in G protein-mediated cAMP signaling with an EC50 value of 0.2 ± 0.04 nM and a partial agonist inβ-arrestin-mediated signaling with maximal arrestin recruitment at~30% (cf. 100% for GLP-1 &7–37). |
WO2021081207A1 | 吉利德 | 近期专利公开 | 申请日20201022 | EC50 2.73nM，专利中个别化合物低于0.1nM，结构与辉瑞的非常相似，将哌啶改成了苯环 |
参考：Treatingobesity: is it all in the gut? Drug Discovery Today Volume 00, Number00 December 2013。Structuralinsights into the activation of GLP-1R by a small moleculeagonist，CellResearch (2020) 0:1–3。DifferentialGLP-1R Binding and Activation by Peptide and Non-peptide Agonists,2020, Molecular Cell 80, 1–16. Oral Small Molecule GLP-1 Receptor(GLP-1R) Agonists for Type 2 Diabetes (T2DM) with Negligible Nauseaand Vomiting, Vtv Therapeutics, April 2016；Acontinued saga of Boc5, the first non-peptidic glucagon-likepeptide-1 receptor agonist with in vivo activities，ActaPharmacol Sin. 2012 Feb;33(2):148-54.；Structuralbasis for GLP-1 receptor activation by LY3502970, an orally activenonpeptide agonist，ProcNatl Acad Sci U S A. 2020 Nov 24; 117(47): 29959–29967.
GLP-1R通路信号特点
GLP-1R与配体结合后，可通过多种G蛋白偶联来介导下游信号，这样激动剂结合方式不同下游通路影响不同。
GLP-1R是B型G蛋白偶联受体(Gprotein-coupled receptor，GPCR)家族成B簇亚类。这类受体有3 个显著的特征：一个相对较长的大约100-150 个氨基酸的胞外N 端域（ECD），与之相连的7 次跨膜结构域（7TMD）以及连接跨膜段的相对较短的胞内域C 端域（ICD）。
GPCR B 簇受体与配体作用机制主要是被大家公认的“twodomain model”。配体的C端螺旋首先同GLP-1R胞外域（ECD）结合，从而确保配体的N 端同 GLP-1受体的核心区域（TMD）进行二次交合，后者相互作用对于激动剂激活受体至关重要。也就是说，首先GLP-1的C末端与受体ECD之间的相互作用，然后这样的相互作用促进肽N末端深入结合到受体跨膜结构域（TMD）中。
根据G蛋白的功能分类，GLP-1R属于G蛋白偶联受体中Gs亚类，是一种多效性偶联受体，主要通过与多种G蛋白（Gαs、Gαi、Gαo和Gαq/11）偶联来调控细胞通路。当GLP-1R与GLP-1结合后，G蛋白α亚基与β、γ亚基解离并对不同信号通路进行介导。如在β细胞中（GLP-1R可在胰腺、心血管、肠、脑表达），GLP-1可以通过cAMP/PKA 途径提高葡萄糖感受性，刺激血糖依赖性胰岛素的分泌，从而控制血糖。
胰岛B细胞中GLP-1R调控的信号通路
参考：Gprotein-coupled receptors: structure- and function-based drugdiscovery, Signal Transduct Target Ther. 2021 Jan 8;6(1):7;GLP-1R结构和功能及小分子药物筛选研究进展，生物技术通报（2017）;Structuralinsights into the activation of GLP-1R by a smallmoleculeagonist,CellResearch (2020)0:1–3.
已公开临床数据：
目前GLP-1R小分子激动剂仅PF-06882961和TTP273、TTP-054有早中期临床数据公布。而PF-06882961在临床I期中安全性良好，已见到降低血糖降低体重的初步疗效（50mgbid HbA1c降低1.2%），安全耐受性良好。而TTP054因为不如TTP273已经停了，但TTP273在2017年完成的II期研究显示安全性良好，但降低糖化血红蛋白HbA1c虽然达到统计学差异（150mgbid 降低0.6%，p＜0.001），但不如公司预期（HbA1c与基线相比降低7.5~10%）。
单从数据比较，TTP-273150mg bid不如PF-0688296150mg bid的减重控糖效果，不过没有明显的恶心呕吐不良反应，而PF-06882961降低HbA1c与口服索马鲁肽14mgQD类似。
附：口服和注射索马鲁肽的临床研究显示：在剂量发现临床II期试验中，口服不同剂量索马鲁肽（每天2.5-40mg，QD），从基线到26wHbA1c -0.7％~-1.9％，安慰剂为-0.3％。每周一次皮下注射索马鲁肽1 mg时，HbA1c-1.9％。比较口服索马鲁肽与安慰剂或恩格列净的疗效和安全性的系列III期研究10PIONEER结果显示，每日一次口服索马鲁肽逐渐增加剂量至14mg（gradualdosage increment to 14-mg once-daily），与25mg恩格列净相比，降低HbA1c的效果更好（PIONEER2: baseline HbA1c 8.1%, −1.3% vs. −0.9% ）。EndocrinolMetab (Seoul). 2021 Feb; 36(1): 22–29.
PF-06882961的临床研究情况：
一项随机、双盲、安慰剂对照的多剂量递增临床I期研究（NCT03538743），评估T2DM患者28天服用PF-06882961的安全性、耐受性、药代动力学和药效学（PD）。研究总共有98例服用二甲双胍的T2DM患者随机分为8组（计划5组，可选3组），以3：1的比例随机分配至PF–06882961（每日两次，最高剂量120mg）或安慰剂，治疗周期为28天。研究主要终点为安全性和耐受性。其中有92名患者完成了住院研究，获得基线和28天的研究数据。
有效性：研究显示多次口服PF-06882961安全且耐受性良好，试验组患者第28天的FPG，MDG和体重显著降低。此外，与安慰剂相比，HbA1c明显降低。
PKPD：空腹呈剂量依赖性降低，未见空腹低血糖。与安慰剂相比，平均每日血糖显著降低；AUC24和Cmax与剂量成比例增加，Tmax为3-14h，t1/2为4.7-6.7h。
安全性：AEs大部分为轻度的，最常见的全因不良事件是恶心（49.0％），消化不良（32.7％），呕吐（26.5％），腹泻（24.5％），头痛（23.5％）和便秘（20.4％），无死亡事件，也无与PF-06882961剂量相关的严重不良事件。在实验室、心电图或生命体征异常方面，研究中未见明显临床不良趋势。
参考：353-OR:Oral Small Molecule GLP-1R Agonist PF-06882961 Robustly ReducesPlasma Glucose and Body Weight after 28 Days in Adults withT2DM，Diabetes2020 Jun; 69(Supplement1)；https://s21.q4cdn.com/317678438/files/doc_presentations/2020/06/Full-Slide-Deck_InvestorCall_FINAL_06172020.pd
TTP273和TTP054的临床研究情况：
公司2016年公开资料显示两者临床中无恶心和呕吐的不良反应，TTP054在临床I期中与安慰剂相比未降低体重，而TTP273与TTP054相比可能更有潜力控制血糖和降低体重。后续公开的结果显示，TTP273控制血糖和降低血糖与安慰剂相比12wHbA1c降低达到统计学显著差异（p＜0.001），在亚组（体重大于100kg及以上）患者中可显示更好的控制血糖效果。事后分析显示，对II期高血压患者，TTP-273可以降低收缩压和舒张压，并且qd方案比bid方案降低效果更明显。
有效性安全性：2015年12月，对T2DM患者的临床IIb期试验LOGRA（NCT02653599）启动，治疗周期为12周，主要终点为HbA1c的变化，试验结果如下图所示。
PKPD：TTP-273体内暴露量呈线性，Tmax大约为2h，T1/2大约为6h。
参考：OralSmall Molecule GLP-1 Receptor (GLP-1R) Agonists for Type 2 Diabetes(T2DM) with Negligible Nausea and Vomiting, Vtv Therapeutics, April2016；https://vtvtherapeutics.com/wp-content/uploads/pdf/ADA_Logra_study_results_poster_1220-P%20Final.pdf
激动剂的结构特点：
LY3502790和PF-06882961均通过GLP-1R的Trp33ECD活化经典的G蛋白信号，而Trp33ECD并不是天然GLP-1激活GLP-1受体的关键位点。两者均通过范德华相互作用和氢键将Trp33ECD与细胞外环（ECL）1和ECL2的结合来诱导GLP-1受体构象转变，而肽类是通过与ECL2来与靶点直接相互作用。
整体来看，所有GLP-1RA，无论肽类，还是小分子，均以相同方式稳定GLP-1R结合口袋，从而诱发TMhelices 6 kink，这也是GPCRB1簇活化的显著特征。而在与ECL相互作用方面，他们存在细微的差异。TM6-ECL3-TM7 /TM1-导致了有的口服小分子有偏激动作用（即cAMP信号通路的选择性激动作用，不影响β-arrestin募集通路）。但天然的GLP-1与此相反，可完全激活β-arrestin募集，因此PF-06882961通过影响募集β-arrestin从而与靶点的作用更接近天然GLP-1。不过，现有研究显示，通过经典途径增加cAMP已足以刺激胰岛素分泌。
参考：Peptidyland Non-Peptidyl Oral Glucagon-Like Peptide-1 Receptor Agonists,Endocrinol Metab (Seoul). 2021 Feb; 36(1): 22–29；DifferentialGLP-1R Binding and Activation by Peptide and Non-peptide Agonists,Molecular Cell, 2020, 80, 1–16。
热门结构优化过程及SAR：
从近期公开临床前小分子解耦股来看，PF-06882961类结构因为与天然GLP-1更为类似，且在早期研究中显示控制血糖降低体重的作用，因此是当下研究的热点，在2021年4月吉利德也公开了与其类似结构的专利。
这类化合物优化过程的目标是加强小分子激动剂与GLP-1R相互作用。这是通过降低达到受体-键激动构象能量壁垒和调节剂型取代基且尽可能小的增加分子量来实现的。最初，他们通过HTS得到化合物2，初步研究发现化合物2中有4个结构域被认为可以改善激动活性：哌啶环、苄基醚、5-氟嘧啶、苯并咪唑。
哌啶环的确定：尽管其他6元环（例如，哌嗪和环己烷）也表现出GLP-1R激动作用，但哌啶环在SAR研究中被证明是最佳的。
苄基醚的确定：4-氯-2-氟-苄基醚取代基对激活受体是有效的，其4位的小取代基（如氯、氟、氰基）可提供最大的有效性；
5-氟嘧啶部分优化为吡啶：用吡啶基取代5-氟-嘧啶（蓝色）药效得到显著改善，吡啶似乎可通过其N上孤对电子和醚键O之间的排斥作用，可让侧链苄基醚侧链处于优势构象，而将氟去掉可能有利于芳香环和哌啶之间处于优势扭转角。
苯并咪唑的优化：在上述构效关系研究之后，他们引入了极性更强的6-氮杂-苯并咪唑。这样得到的化合物的激动活性是原来化合物2的100倍以上（EC5077nM，SA+BETP），在cAMP的分析中（没有BETP）也显示一定有效性（EC502600nM）。同时，非常令人鼓舞的发现是该化合物在BETP存在下可招募βArr（EC509600nM）。但是该化合物脂溶性高（logD7.4=5.7）导致人肝微粒体（HLM）的高代谢，固有清除率（CLint= 130 mL / min /kg）高，从而缩短了药代动力学半衰期，患者可能需要接受不可接受的高剂量。此外，高亲脂性还与药理学脱靶有关，如对hERGIC50为5.6μM，这意味着潜在的心率不齐风险。
苯并咪唑6位羧酸的引入：在他们早期鉴定口服用肽类的工作中发现，羧酸取代基在激活GLP-1R中发挥重要作用。因此，后续他们尝试引入酸取代基以求能同时提高活性及改善理化性质。当时这类结构优化设计的时候缺少GLP-1R的晶体结构，含酸结构的设计主要由SAR驱动，后续观察到引入酸性基团后苯并咪唑（红色）区域的在优化性极性变动更为耐受。如在苯并咪唑（红色）的7位引入含羧酸的取代基得到的化合物激动活性与之前化合物相当（EC50= 4.6 µM），但亲脂性显著降低（logD7.4=2.3）。这表明羧酸结构很有可能提供了与靶点有效的相互作用。后续研究证明直接连接到苯并咪唑6位的羧酸是提高活性的最佳选择，从而得到化合物5（SAEC50 = 95 nM）。化合物5在HLM和人类肝细胞稳定性研究中显示中等清除率，并且对hERG抑制选择性高（>100 µM）。备注：2020年3月上科大RaymondC. Stevens课题组和华东师范大学宋高洁等共同揭示GLP-1R的配体结合前全长构象的文章发表，NatureCommunications volume 11, Article number: 1272 (2020)。
用低敏感细胞系再次筛选：辉瑞的研究者在优化过程中为了区分激动剂亲和力和功效在激动剂细胞反应中的贡献，研发了一种对受体表达水平降低不太敏感的细胞活性测定方法，即GLP-1R密度与内源性组织水平可比的细胞系（CS）。这种细胞系的密度比之前筛选化合细胞活性细胞系低约4.3倍。遗憾的是，在原来细胞系中活性很好的化合物5，虽然在CS细胞系中仍然是完全激动剂，但是效力降低了169~20倍（CSEC50 = 2.1 µM）。这表明接下来还需要更进一步的优化以增强化合物5的效能。
苯并咪唑-1位N取代基优化：苯并咪唑氮上取代基的优化已被证明是一种有效的方法，这样的优化可在不影响理化性质的前体下提高效能，可优选体积小、极性更大的基团。如相对于化合物5咪唑N上的甲基，亚甲基连接的氧杂环丁烷可将化合物活性提高约100倍，而又用氰基替换苄基醚上的氯，降低HLM和人肝细胞的清除率，得到化合物PF-06882961，后将其作为临床候选化合物推入临床。PF-06882961CS cAMP分析显示为完全激动剂（EC50= 13 nM）。
PF-06882961与GLP-1R结合的冷冻电镜结构：化合物与TYP33（W33）的作用对激动活性非常重要，W33可关闭小分子结合口袋顶部，Arg380（R380）与小分子激动剂的羧基相互作用。
PF-06882961与人GLP-1R结合的冷冻电镜Cryo-EM结构。
A small-molecule oral agonist of the human glucagon-like peptide-1 2receptor，doi:https://doi.org/10.1101/2020.09.29.319483（尚未正式发表的文献，2020年9月公开）
现有研发及未来发展总结
全球2030年将有5.78亿糖尿病患者，11.2亿肥胖人群，糖尿病肥胖市场未满足需求巨大。近年来随着DPP4、SGLT2口服靶点小分子及三代胰岛素专利到期，超450亿美元的糖尿病市场，GLP-1R激动剂（多肽类）成为了主要推动力。口服GLP-1R小分子以其给药优势，未来将占据整体GLP-1RA市场可观的份额。随着GLP-1R多肽类激动剂降血糖、减重、改善心血管与AD等方面均显示获益，那么未来口服小分子的应用也有可能不局限于T2DM，或许将拓展到其他如心脑血管领域。
目前小分子GLP-1R激动剂仅3款处于临床，最高临床II期，竞争尚不激烈。从结构类型看，共有三种结构类型，但仅辉瑞的为全激动剂。未来随着GLP-1R与配体结合前全长结构的揭示，小分子GLP-1R激动剂的结构类型将会更加多样化。不过当下，在PF-06882961积极临床结果的推动下，这类长线型结构在短时间内仍将是大家follow的主要类型。而且这类结构优化文献的发表，也为大家进入GLP-1R小分子赛道提供了非常重要的参考。
从已有两个类似临床前化合物来看，修饰部位主要是四个结构域中的哌啶部分，改为不饱和的氮杂环/芳香环。既然其他如苯并咪唑取代基因基团小，可修饰性高，但避开专利的可能性较低，而哌啶部位已有案例的修饰情况显示这样的优化最容易有新的线型骨架。现在因公开数据有限还不能判断这样的优化在成药性上有何改善，可预见未来这类结构的研发还会在哌啶域部位进行各种骨架变动，以求避开专利。国内新药研发大环境及未来发展趋势显示，国内新药研发已经从仿制药迈步到创新，而创新又面临全球新面向真正未满足需求的挑战，因此希望大家能够基于临床需求深入探索药效及PK等的优化，而不是简单粗暴避开专利找me-too。
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