基于结构的药物设计——BACE1抑制剂GRL-8234

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD，俗称“老年痴呆症”），是一种以进行性记忆减退、认识障碍、人格改变为特征的中枢神经系统退行性疾病。世界卫生组织（WHO）2017年12月12日报道，全世界大约有5000万痴呆症患者，其中近60%生活在低收入和中等收入国家。每年新增病例为1000万。据预测，痴呆症患者总数到2030年将达8200万，到2050年将达1.52亿。

在病理上，AD被定义为大脑中纤维状类淀粉蛋白质Aβ（一种有40-42个氨基酸组成的蛋白）斑块沉积。Aβ属于淀粉样蛋白前体（amyloid precursor protein，APP）水解产物。生物体对APP有两种处理方式：一是经α-分泌酶水解Lys16得到可溶性产物；二是经β-分泌酶（也叫BACE1）或γ-分泌酶水解得到不溶性产物Aβ。可见β-分泌酶和γ-分泌酶是Aβ形成的决速步，抑制它们的功能将有助于改善Aβ的沉积。其中BACE1抑制剂备受青睐，原因有两点：一是基因敲除小鼠BACE1没有产生明显不正常的表型，因此抑制可能不会产生明显副作用；二是BACE1属于天冬氨酸酶，这类酶抑制剂有多个成功的开发案例（例如抗HIV药物和肾素抑制剂）。

年轻人正常情况下，BACE1比较难水解APP P5-P5'十肽（SEVKM/DAEFR）之间甲硫氨酸（M）和天冬氨酸（D）之间的肽键，所以AD在年轻人中极少。但家族性AD患者会在此位点出现Swedish型突变（SEVNL/DAEFR）的APP，亮氨酸（L）和天冬氨酸（D）之间肽键容易被BACE1水解产生不溶性Aβ，导致在早年出现AD的征兆。

基于这个机制，俄克拉荷马大学Jordan Tang和普渡大学Arun Ghosh想到利用这个突变的十肽作为模板开发BACE1抑制剂。整个开发过程极像HIV天冬氨酸酶抑制剂，即模拟水解肽键产生的四面体过渡态设计三级醇化合物占据BACE1催化中心，阻止其水解APP，达到减少Aβ的产生。第一个开发的BACE1抑制剂是化合物1（OM99-2），将Swedish型突变P3位置亲水的丝氨酸（S）换成疏水的缬氨酸（A），以便于结构活性关系研究和突破血脑屏障。2000年研究人员拿到共晶，正如预料的一样，三级醇羟基与BACE1催化位点的Asp32和Asp228形成氢键。还有几个关键的氢键作用，比如P2的天冬酰胺和Arg235，P2'的丙氨酸羰基和Tyr198。而P3'和P4'并无关键作用。因此，综合这些因素考虑可将1进行缩短，保留P1、P2、P1'、P2'、P3以提供关键的氢键和疏水作用，除去P3'、P4'亲水结构，得到先导化合物2，IC₅₀ = 61 nM。由于BACE1的S3'存在较大的疏水空隙，在化合物2的基础上引入缬氨酸（化合物3）使亲和力提升十倍。

为了提高透膜性，在保留与Arg235氢键的基础上，将P2的天冬酰胺进行改造，用电子等排体砜基替换后活性保持，而用甲硫基替换活性提高2倍，但对BACE2（BACE1的同系物，但功能相反，属于ɵ-分泌酶，增加其表达可抑制Aβ的产生）的选择性丢失。

在化合物4的基础上进一步优化以提升透膜性，从杂环（吡唑和噁唑）到苯环，发现(R)-α-methylben-取代后CHO细胞BACE1 IC₅₀从微摩尔提高到30 nM（化合物14）。对P1和P2'优化，发现引入苯环后可进一步提高透膜性，最终得到化合物18（GRL-8234），细胞IC₅₀达到1 nM，对BACE2和cathepsin D分别有75和45倍选择性。

就像杨志卖刀，“吹毛得过”、“削铁如泥”都是表象，只有“杀人不见血”才是真功夫。一个化合物酶学和细胞活性再好，药效不得劲也是白扯。Jordan Tang等人等用Tg2576转基因小鼠AD模型发现，给药组相比对照组Aβ₄₀和Aβ₄₂降低65%。Morris水迷宫认知实验发现，6.7个月后认知改善明显高于对照组。

基于这一系列研究成果，Arun Ghosh和Jordan Tang成立了CoMentis制药公司，在此化合物的基础上进行优化得到CTS-21166，于2008年以7.6亿美元转让给安斯泰来（Astellas），并推进到临床试验中。但2014年10月Astellas宣布，终止与CoMentis长达6年的阿尔茨海默氏症（AD）研发合作协议。目前临床终止。

结语：2018年2月14日情人节，曾经呼声很高的BACE1抑制剂MK-8931（Verubecestat）也被默克宣布停止代号为APECS的临床研究。研究的决定是遵循外部数据监测委员会（eDMC）的建议，认为如果试验继续进行，确定正面的获益/风险的可能性不大。消息一出，无疑给Aβ假说蒙上一层阴影。尽管还有其他的AD发病假说，但现在还是没有一种能被市场验证，据统计2000年后有400种药物进入临床，但只有5种被FDA批准（其中4个胆碱酯酶抑制剂和1个NMDA受体激动剂，竟没有一个当下流行的靶点），且只能轻微缓解，由此导致99.6%的超高临床失败率。即使如此，各大制药企业仍然报之以热情，原因在于据估计仅美国一个市场到2050年就可达5000-10000亿美元。这里不得不表扬中国的绿谷药业的GV-971（甘露寡糖二酸），这个神奇的多靶点药物（Aβ聚集、改善肠道菌群失衡、降低神经炎症等）已经进入临床三期，希望成功吧。

参考文献：

1. Ghosh, A.K., Brindisi, M., and Tang, J.(2012) Developing b-secretase inhibitors for treatment of Alzheimer’s disease. J. Neurochem., 120, 71–83.

2. Hong, L., Koelsch, G., Lin, X., Wu, S.,Terzyan, S., Ghosh, A.K., Zhang, X.C., and Tang, J. (2000) Structure of the protease domain of memapsin 2 (beta-secretase) complexed with inhibitor. Science, 290, 150–153.

3. Arun K. Ghosh and Sandra Gemma, Structure-based Design of Drugs and Other Bioactive Molecules, Chapter 20, p421.

（本文由西北望供稿）