杰克说药 | 如何克服hERG，一种常见的药物脱靶效应？

作者：李杰教授

翻译：同写意团队

杰克说药是著名药史专家Jie Jack Li（李杰）教授专为同写意打造的药林外史精品专栏，将讲述一个个药物发现背后的故事。李杰教授现为上海睿智的副总裁，先后出版了30本有机和药物化学方面的书籍以及药物发现史，其中10本与诺奖得主E. J. Corey合作完成。其《Blockbuster Drugs》一书获 2015 Alpha Sigma Nu Science Book 奖，并被翻译成中文出版，深受欢迎。

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QT间期是心室去极化和复极化之间的时间。QT延长的药物是因为它阻断了human ether-a-go-go基因(hERG)编码的钾离子通道。hERG钾离子通道(IKr)是由4个相同亚单位构成的四聚体，它在心脏复极中起核心作用。与hERG有结合的药物往往会导致QT延长，继而产生药物心脏毒性。近年来，一些药物由于有对hERG通道的抑制作用而被撤市。

hERG问题的典型例子是辉瑞的多非利特(1)，一个III类抗心律失常的药。它被撤市的原因是它对hERG通道有抑制作用，可能引发尖端扭转型室速。这是一种罕见但严重的情况，具体表现为心电图上QT间期延长。另外两种著名的hERG抑制药物分别是杨森的抗精神病药氟哌啶醇(2)和辉瑞已被撤回的抗生素托伐沙星(3)¹。

药物亲脂性越强，出现hERG问题的可能性越大²。因此，cLogP值越大的分子越倾向于与hERG紧密结合，从而增加心血管毒性风险。事实上，药物的亲脂性对hERG的结合影响极大，有时仅仅把化合物中的乙基转变为甲基就足以缓解hERG问题。

有几种策略可以缓解hERG问题，包括：降低亲脂性，降低碱性，增加负电荷，等等。

01

干扰与hERG蛋白上Tyr652和Phe656的相互作用

hERG蛋白上的两个芳香族氨基酸残基（第652位的络氨酸、第656位的苯丙氨酸）在药物和hERG的结合发挥重要作用。在药物分子外围添加芳基环、引入构象约束、固定构象、和选择不同的立体化学构象已经成功降低了药物的hERG结合。  

黑色素浓集素受体1(MCHr1)拮抗剂被探索用于体重控制。这是一个特别具有挑战性的靶点，因为它与hERG药效团非常相似。阿斯利康发现了一系列以吗啉（化合物4）为代表的含恶二唑化合物，这些化合物在经过优化后仍存在hERG问题。他们继续努力，最终获得了临床候选化合物5，它具有一种新颖的外周螺氮杂环丁烷结构。

化合物5对中枢神经系统表现出适当的亲脂性，还具有良好选择性，hERG抑制等脱靶作用较少。可能是螺氮杂环丁烷的三维立体化学构象削弱了化合物5与hERG蛋白的结合亲和力。临床前毒理学和安全药理学研究(GLP)未发现心脏毒性结果，化合物5已进入治疗糖尿病的临床试验³。

西格列汀是默克公司于2006年最早成功获批的二肽基肽酶4(DPP4)抑制剂，奥格列汀(7)是西格列汀固定构象化的替代药物。西格列汀的环己基类似物6缺乏足够的选择性，IKr (IC₅₀ = 4.8 mM)，低于IC₅₀ > 30 mM的标准。

此外，在心血管狗模型中，环己基类似物6可延长QT间期。用四氢吡喃取代环己基，得到奥格列汀（化合物7），使伯胺的pK_a从8.6降低到7.3，同时hERG钾离子通道选择性相应提高(IC₅₀ = 23 mM)。在心血管狗模型中，四氢吡喃类似物（化合物7）在高剂量时也完全没有QT间期延长⁴。

02

降低亲脂性

hERG同源模型和突变数据表明配体结合位点位于一个由芳香残基排列组成的大疏水腔内。因此，降低药物的亲脂性，例如用杂芳基环取代苯环，可以破坏通道疏水腔内配体相互作用，从而减少hERG的抑制作用。

 

默克公司的先导化合物8是腺苷受体2A亚型(A_2A)的强效拮抗剂，在对人类A_2A受体的竞争结合试验中，其K_i值为5.5 nM。不幸的是，其cLogP相对较高(4.0)，其远端氟苯基环在四聚体hERG离子通道中与4个第656位的苯丙氨酸形成良好的相互作用，导致hERG抑制活性较高。

默克的化学家用五元杂环取代氟苯基，产生的所有衍生物的hERG抑制活性都得到了缓解。最令人印象深刻的是，二甲基噻唑类似物9降低了hERG的抑制活性的同时, 还提高了对A_2A的拮抗作用⁵。

 

通常，阻断hERG和亲脂性的高低有关系。有一个亲脂结合位点可以使化合物进入细胞内区域。因此，增加极性会干扰亲脂相互作用。根据经验，cLogP值小于3.0的分子倾向于减弱与hERG离子通道的结合。

默克化学家用嘧啶基取代化合物8的氟苯基，获得化合物10，也是一种A_2A受体拮抗剂。可能由于化合物10的分子极性较高，cLogP计算值低至2.0⁵。

肾外髓质钾离子通道(ROMK)抑制剂是潜在的利尿剂。默克公司的ROMK抑制剂11具有非常高的hERG抑制活性。多次反复优化结构-活性关系，最终得到MK-7145（12)。其hERG抑制活性显著降低，其亲脂性呈指数级下降，cLogP值为–0.51。MK-7145（12）是第一个进入临床试验的小分子ROMK抑制剂⁶。

PNU-282,987(13)是一种有效的、选择性的a7神经元烟碱乙酰胆碱受体(a7 nAChR)激动剂，有治疗精神分裂症的认知缺陷的潜力。遗憾的是，它具有显著的hERG钾离子通道抑制活性。为了提高其安全性，人们用6,5-熔合类似物取代其对氯苯基团，从而得到系列衍生物，其中包括苯并呋喃衍生物（化合物14）。

虽然化合物14在大鼠肝微粒体模型中的效应和稳定性都很突出，但众所周知，呋喃由于其富含电子而具有代谢激活的倾向。因此，又制备了四种呋喃吡啶衍生物均来减轻代谢激活作用，其中包括呋喃[2,3-c]吡啶衍生物15。在这四种呋喃吡啶衍生物中，只有呋喃[2,3-c]吡啶15足够有效，能作为a7 nAChR激动剂。化合物14和15均降低了hERG抑制活性。

03

控制pKa以降低分子碱性

对hERG的阻断并不必一定需要碱性胺，芳香族或亲脂性基团可能具有类似的功能。因此，降低碱性氮的pKa往往通过干扰阳离子-p相互作用而降低hERG抑制活性。此外，通过大基团来屏蔽碱性中心也会阻碍与hERG离子通道的结合。

 

新的拓扑异构酶抑制剂的发现取得了很大进展，继而发现了4-氨基哌啶衍生物16。这个化合物的连接子特点是在7号位置战略性地引入一个碱性氮原子，X-射线晶体结构显示出该分子与第83位的天冬氨酸的盐桥相互作用。但是，由于化合物16与hERG结合，导致TC延长，其临床开发中止了。

而在其分子结构中引入2-氧杂双环[2.1.1]己烷连接获得了AM8085(17)。该分子具有较低的碱性和减弱的hERG钾通道抑制活性。在化合物17的C-2处进一步添加羟基生成AM8191(18)，其hERG抑制活性降低30倍，溶解性提高100倍以上，同时抗菌效能和抗菌谱的损失最小⁸。

默克公司成功研发了选择性非肽神经激肽(NK₁)拮抗剂阿瑞吡坦来治疗化疗引起的恶心和呕吐。在此基础上还研究了一系列的1-苯基-8-氮杂环[3.2.2]辛烷醚。

化合物19在动物模型中具有较好的药效，但其与hERG通道的相互作用不太有利，K_i值为100 nM。在四唑的a位置安装一个氟原子，这一看似微小的变化使其pKa值从化合物19的7.3变为氟类似物20的5.0，降低了碱性。因此，hERG钾离子通道的选择性得到了很好的改善⁹。

三氟甲基吡啶部分有助于提高一系列抗疟疾药物的总体状况。用相应的三氟甲基吡啶基取代化合物21上的三氟甲基苯基，得到了类似物22，其hERG钾通道的结合从3 mM提高到20.2 mM。此外，22在单次口服30 mg/kg剂量后，比化合物21的血药浓度提高了17倍¹⁰。

04

引入负电荷

两性离子的形成限制了化合物的膜渗透性。因此，药物两性离子的形成可以阻止其进入跨膜结合位点，并最大限度地减少与hERG的潜在相互作用。 

特非那定(22)是亲脂性二代组胺H₁受体拮抗剂(抗组胺药)，但不是很好的药物。像许多亲脂性碱性药物一样，它与hERG钾离子通道结合，导致QT延长，从而产生心脏毒性。女性似乎比男性更容易受到药物不良反应的影响。在1997年停用特非那定之前，死于特非那定诱导的尖部扭转的女性比男性多。

相反，其主要代谢物非索非那定(23)对hERG(和许多其他生物靶点)具有选择性，且无心脏毒性。引入诸如羧基等的极性基团显著降低了分子的亲脂性，导致分子极大地被还原。从化合物22到23的转变为如何克服hERG问题提供了宝贵的经验，因为这一问题困扰了许多亲脂性和碱性化合物¹¹。

药物化学的实践中可以单独使用一种策略或使用几种策略一起来减轻或消除与化合物与hERG的相互作用¹²。

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参考文献（向下滑动查看更多）

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