组织蛋白酶S抑制剂的研究进展

1. 2 丁二酸酰胺类化合物 Chatterjee 等 在 ［17］ 研 究 芳 氨 乙 基 酰 胺 类 化 合
物时，发现化合物中的 NH 与 Cat S 的 Gly69 羰基形 成的氢键不是活性必需的，因此，用丁二酸酰胺作 为母核，得到了先导化合物 10（Cat S， Ki=55 nmol/L； Cat K， Ki>30 nmol/L；Cat L， Ki>30 nmol/L）， 该化合 物口服吸收降低，但是选择性大大提高。 为了减 少 此 类 化 合 物 因 P2 位 环 己 甲 基 引 起 的 代 谢 不 稳定性， 对丁 二酸酰 胺类 衍生物 中 P1 和 P2 之 间 的 相 互作用进行研究， 结果表明由异丙基取代 P1、 苯 基 取 代 P2 得 到 的 化 合 物 11（Cat S， Ki =43 nmol/L；Cat K， Ki>100 nmol/L；Cat L， Ki >100 nmol/L） 显示出很好的 Cat S 抑制活性， 口服生物利用度 为 34%。
1 肽类抑制剂 1. 1 芳氨乙基酰胺类化合物
芳氨乙基酰胺类化合物是目前构效关系研 究比较全面的肽类 Cat S 抑制剂。 化合物 1 是 Cat K 非选择性抑制剂，Novartis 研究人员以化合物 1 为 先导化合物，得到了一系列 Cat S 抑制剂。
Thomas 等 发 ［11］ 现，Cat S 结构中存在于 S2 疏 水口袋的 Phe211 残基能够进行构象转换， 呈现 两种 稳定的 构象来 适应 小的或 大的 P2 基 团；存 在于 S3 口袋的 Lys64 残 基能重 新定位 侧链来 适 应抑制剂结构中 P3 的延长部分，而与 Cat S 结构 相似的 Cat L 的 S3 区域却被 Glu63 残基闭合。 由 于 Cat S 具有这样的可塑性，Liu 等 对 ［12］ P2、P3 部 分进行结构改造， 结果表明当 P2 部分用较大的 环己甲基取代时， 抑制剂表现出了较好的 Cat K 选择性和 Cat S 抑制能力；当增加 P3 基团大小时， 可 以 对 Cat L 的 侧 链 Glu63 基 团 的 形 成 立 体 位 阻 ；当 P3 基 团 为 5-苯 基-呋 喃-2-基 时 ，得 到 化 合 物 2，其对 Cat S 抑制能力强 ，并且显 示出较 好的 选择性（Cat S， Ki=3.3 nmol/L；Cat K， Ki >65.0 nmol/ L；Cat L， Ki > 17.4 nmol/L）。
［中图分类号］ R9-13；R916
［文献标识码］ A
［文章编号］ 1674-0440（2011）03-0182-07
Cathepsin S inhibitors and the structure-activity relationship: research advances
JIANG Chen, SUN Wei, ZHOU Xiao-ping, YANG Xiao-hong
Cat S 与许多疾病的发生发展密切相关，尤其 与 肿瘤的 关系是 研究 的热点 。 Wang 等［7］研 究 发 现，Cat S 基因敲除后可减少血管生成和肿瘤细胞 增殖，从而抑制实体瘤的发展。 Ryschich 等［8］研究 表明 Cat S 可 能参 与 肝 癌 细 胞 新 生 血 管 的 生 成 。 Kos 等［9］观察发现，Cat S 在 肺癌 组织中 表达水 平 很高，Cat S 表达水平低的患者死亡风险较高 ，且 Cat S 在淋巴结的表达高于在肿瘤本身和肺实质 的表达。 Flannery 等 也 ［10］ 证实 Cat S 在星形细胞瘤 中高表达，尤其在Ⅳ期肿瘤中表达水平最高。虽 然现阶段对 Cat S 在肿瘤中作用的研究已经取得 了不少进展， 但 Cat S 与肿瘤关系的研究大多只 限于动物模型阶段，仍存在许多未知领域，因此
（Department of Medicinal Chemistry, School of Pharmacy, Jilin University, Changchun, 130021, China）
［Abstract］ Cathepsin S （Cat S） plays an important role in the pathogenesis of degenerative and autoimmune diseases. Cat S can participate in antigen presenting effect of major histocompatibility complex Ⅱ, and its over-expression is closely related to the pathological processes of tumor such as tumor growth, angiogenesis and metastasis. Many Cat S inhibitors have been found and can be categorized as peptides and non-peptides compounds according to their chemical structures. This review summarizes the recent research advances on the Cat S inhibitors and discusses their structure-activity relationship.
Bekkali 等 以 ［18］ 二肽腈类化合物 12 为先导化 合物，得到丁二酸酰胺腈类衍生物。 构效关系研 究表明，用苯基甲氧基取代 P1 位置时，化合物对 Cat S 的亲和力和抑制活性均提高；而用哌啶基团 取代 P1 时，由于碱性 N 原子的引入，化合物的亲 和力下降，但仍具有较好的抑制活性；用 N 取代 的 吡 咯 烷 类 取 代 P1 位 得 到 的 化 合 物 对 Cat S 具 有更好的亲和力和抑制活性，如化合物 13（Cat S, IC50=23~49 nmol/L，Kd=17.8 nmol/L）。 为了使 P2 基 团能更好地进入亲脂性的 S2 口袋， 对 P2 基团进 行优化，得到化合物 14（ Cat S, IC50=1.9 nmol/L，Kd= 5.4 nmol/L），显示出极好的 Cat S 亲和力和抑制活性。
药品名
适应证
临床试验阶段 研发公司
RWJ-445380 风湿性关节炎
Ⅱ期
ALZA/J&J
CRA-028129
银Leabharlann Baidu病
Ⅰ期 Schering AG
合物在保持对 Cat S 的抑制能力的同时代谢物毒 性减小； 在 P1 部位引入羧基可以使化合物的抑 制能力 和选择 性得到 提高， 由 此得 到化合 物 3a （Cat S， Ki =6 nmol/L；Cat K， Ki =460 nmol/L；Cat L， Ki >15 nmol/L）， 其活性和选择性均得到提高，但 是由于其含有羧基，会对胃肠道有刺激作用，影响 其口服生物利用度。 化合物 3b 是 3a 的乙酯，为 一前药，其口服生物利用度是 3a 的 4 倍。
Cat S 的三级结构含有两个结构域［6］：（1）L 结 构域， 由 3 个 α 螺旋和一个疏水口袋组成；（2）R 结构域，由含有一个疏水核嵌入的反平行 β 折叠 和位于侧面的两个 α 螺旋组成。 结构中的 Cys25、
作者简介：姜 琛，女，硕士研究生；孙 薇（共同第一作者），女，博士， 讲师，研究方向：小分子化合物的设计与合成。 E-mail: wsun@jlu.edu.cn 作者单位：130021 长春，吉林大学药学院药物化学教研室（姜 琛，孙 薇，周小平，杨晓虹） 通 讯 作 者 ：杨 晓 虹 ，女 ，博 士 ，教 授 ，研 究 方 向 ：心 血 管 药 物 研 究 ，Tel： 0431-85619660，E-mail：xiaohongyang88@126.com
国际药学研究杂志 2011 年 6 月 第 38 卷 第 3 期 J Int Pharm Res， Vol.38， No.3， June， 2011
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发现新的 Cat S 抑制 剂并研 究其与 Cat S 的相 互 结合作用关系， 对于探索 Cat S 在肿瘤中的作用 有着重要的意义。
［Key words］ cathepsin S; cathepsin S inhibitors; structure-activity relationship
组织蛋白酶 S（cathepsin S，Cat S）是半胱氨酸 蛋白酶中木瓜蛋白酶超家族成员，为溶酶体半胱 氨酸蛋白酶，属于内肽酶，最早由哈佛大学的研 究组发现［1］，并于 1975 年由 Kirschke 等［2］从牛淋 巴结中提取出来。 Cat S 主要表达于淋巴细胞、脾 脏 、抗 原 提 呈 细 胞 （如 树 突 状 细 胞 ）和 巨 噬 细 胞 ［3］。 Cat S 与 Cat L、Cat K、Cat H、Cat B 的 同 源 性 分 别 为 57%、57%、41%和 31%［4］。 由于 Cat S 可以长时 间在中性 pH 条件下保持蛋白水解活性， 并参与 各种生理病理过程，因此具有在细胞内外发挥更 大 生 理 功 能 的 潜 力 ［5］。
His164 和 Asn184 构成催化三联体。 Cys25 中硫阴 离子作为亲核物质是催化反应的关键部位，能够 进攻底物肽，在细胞内外发挥蛋白水解作用。 Cat S 的 N 端具 有 3 个 凹 槽 ，即 S1、S2 和 S3，它 们 与 底物的特异性结合相关。 C 端存在一个与底物结 合的位点，即 S1′，在酶与主要组织相容性复合体 （MHC）Ⅱ类 分 子 保 守 区 的 特 异 性 结 合 中 起 重 要 作用。
Cat S 参与主要组织相容性复合体Ⅱ类分子调节的抗原提呈作用，其过表达与肿瘤的生长、血管的生成和转移密切相关。
目前，许多 Cat S 抑制剂被合成出来，从结构上可以分成肽类和非肽类化合物。 本文对近几年来发现的 Cat S 抑制剂进行
综述，并对其构效关系进行了归纳。
［关键词］ 组织蛋白酶 S；组织蛋白酶 S 抑制剂；构效关系
目前， 大部分 Cat S 抑制剂均处于临床前研 究阶段，RWJ-445380 和 CRA-028129 是为数不多 被报道的处于临床试验阶段的 Cat S 抑制剂（表 1）， 但尚未见化合物结构式的公开。 本文对近几年来 发现的 Cat S 抑制剂进行综述。
表 1 处于临床试验阶段的组织蛋白酶 S 抑制剂
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国际药学研究杂志 2011 年 6 月 第 38 卷 第 3 期 J Int Pharm Res， Vol.38， No.3， June， 2011
组织蛋白酶 S 抑制剂的研究进展
姜 琛，孙 薇，周小平，杨晓虹
［摘要］ 组织蛋白酶 S （cathepsin S, Cat S）在退行性疾病和自身免疫性疾病的发病过程中具有重要的作用 。 同时，
化合物 1 和 2 结构中 P1′位的甲氧苯胺是一 个毒性基团，Alper 等 对 ［13］ P1′部位进行结构改造， 研究发现当 P1′为 5-氟代二氢吲哚时， 得到的化
Tully 等 ［14］研 究 表 明 ，P3 位 的 苯 甲 酰 胺 基 团 被 NH 芳杂环替代，可以减少化合物肽类性质，如 P3 被 脂 肪 族 环 醚 取 代 ，得 到 化 合 物 4~6，体 内 动 力学参数得以改善，其中化合物 5 大鼠口服生物 利用度可达 36%。 另外，对 P1 基团进行优化，得 到化合物 6 和 7， 这 两个化 合物 抑制 Cat S 活 性 强，口服吸收较好，这可能是由于引入的二甲基 阻碍了吲哚基团在体内羟基化和脱水作用等代 谢途径 。 ［15］
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国际药学研究杂志 2011 年 6 月 第 38 卷 第 3 期 J Int Pharm Res， Vol.38， No.3， June， 2011
用氨基甲酸酯取代原来的肽链结构，得到化 合物 8（Cat S， Ki=8 nmol/L；Cat K， Ki=8710 nmol/L； Cat L， Ki =17 700 nmol/L）和 9 （Cat S， Ki =19 nmol/ L；Cat K， Ki >100 nmol/L；Cat L， Ki >100 nmol/L）［16］， 这两个化合物不仅对 Cat S 具有较强的抑制活性 和选择性，而且基本克服了肽类化合物口服吸收 差、 药代动力学性质不佳等缺点。 其中化合物 9 的口服生物利用度可达 42%。