基于嘧啶[4,5-b]吡啶的衍生物的设计、合成及其作为SOS1抑制剂生物活性的评价

《Bioorganic & Medicinal Chemistry》：Design, synthesis, and biological activity evaluation of Pyrimido[4,5-b]pyridine-based derivatives as SOS1 inhibitors

　　

陈刚生|班钦|王正阳|苏一东|方雷|苟少华

中国江苏省生物医学研究高技术重点实验室，东南大学化学与化工学院，南京211189

摘要

SOS1是一个有前景的泛RAS抑制治疗靶点。在本研究中，我们使用市售的(R)-1-苯基乙胺和吡啶[2,3-d]碱作为起始原料，设计并合成了一系列嘧啶[4,5-b]吡啶衍生化合物。经过氯化、后续氯取代以及钯催化的交叉偶联反应后，获得了总共21种目标化合物，并通过HR-MS、1H NMR和13C NMR对其结构进行了表征。然后系统地在体外和体内评估了这些化合物对SOS1的抑制作用和抗肿瘤活性。在候选化合物中，有7种化合物在酶学和细胞实验中表现出强烈的抑制效果，其IC50值范围为56至207 nM。特别是，在药代动力学研究中，化合物6f在小鼠和大鼠体内的系统暴露量更为显著。在NCI-H358（NSCLC，KRAS G12C）皮下异种移植模型中，化合物6f表现出显著的抗肿瘤效果，肿瘤生长抑制率（TGI）达到了118.95%。此外，6f还具有良好的安全性特征，凸显了其作为药物候选物的潜力。这些发现支持继续开发6f作为新型SOS1抑制剂用于抗癌治疗的潜力。

引言

大约七分之一的人类癌症存在Kirsten大鼠肉瘤病毒（KRAS）的基因变异，这使得KRAS成为人类癌症的主要致癌驱动因素之一。大多数KRAS变异发生在密码子12位置（80%），主要为甘氨酸被半胱氨酸（G12C）取代（39–40%），其次是缬氨酸（G12V，17–21%）、天冬氨酸（G12D，14–17%）或丙氨酸（G12A，9–10%）。KRAS蛋白是一种小的膜结合GTP酶（GTP水解酶），在GDP结合时处于“关闭”状态。当GDP被GTP替代时（通常是在生长因子的作用下，并由鸟苷核苷酸交换因子（GEFs）如SOS1/SOS2促进），KRAS会激活到“开启”状态。在这种状态下，KRAS激活包括MAPK和PI3K在内的效应通路，从而促进细胞增殖和存活。

尽管KRAS的功能已经得到充分证明，但由于两个主要因素，这一循环长期以来被认为“难以成药”：KRAS对GTP的高亲和力以及缺乏适合开发小分子抑制剂的适当结合位点。到目前为止，该领域的主要进展集中在KRASG12C抑制剂上。直接的G12C抑制剂能够共价结合到突变的半胱氨酸上，占据开关II位点，使KRASG12C保持在非活性状态（即与GDP结合的“关闭”状态）。Sotorasib（AMG-510）是首个获得FDA批准用于治疗晚期NSCLC的直接KRASG12C抑制剂，它是一种口服小分子抑制剂，能够选择性且不可逆地靶向KRASG12C。Adagrasib（MRTX849）是另一种直接KRASG12C抑制剂，其半衰期（23小时）比sotorasib更长。这两种药物都能有效结合到别构开关II位点（P环附近），将KRAS锁定在其非活性的GDP结合构象中。

由于直接针对KRAS的药物开发面临挑战，研究重心转向了针对KRAS调控因子。KRAS的关键调控因子是鸟苷核苷酸交换因子（GEFs），包括son of sevenless homolog 1和son of sevenless homolog 2（SOS1和SOS2）。SOS1和SOS2都参与与RAS的相互作用。两者的催化位点都与GDP结合的KRAS结合，促进GDP向GTP的转换。因此，抑制SOS1/2可能产生广谱的KRAS调控效果。然而，大量研究表明只有SOS1似乎可以发生别构激活，而SOS2的别构激活证据尚不存在。

为了寻找SOS1抑制剂，过去十年间进行了大量研究。根据Cortellis Drug Discovery Intelligence数据库的信息，目前有12种候选药物正在这一领域进行研究，其中只有MRTX-0902和BI-3406公开了其化学结构。此外，专利中还报道了更多SOS1抑制剂（见表S1-2）。遗憾的是，目前还没有SOS1抑制剂获得临床应用批准。据报道，BI-3406对SOS1具有高度选择性，并能有效降低KRAS-GTP的生成。其衍生物BI-1701963（结构未公开）已进入I期临床试验。Juergen Ramharter等人研究了BI-3406的结构-活性关系（SAR），发现R基团对活性有显著影响，甚至能够将该化合物从SOS1激活剂转化为抑制剂（详见表S1-3）。

基于前期研究，我们发现BI-3406中的喹唑啉核可与SOS1的HIS905发生π-π堆积相互作用。最近的研究还表明，嘧啶[4,5-b]吡啶衍生物具有抑制SOS1的潜力。此外，四氢呋喃取代基不仅平衡了化合物的溶解性和代谢稳定性，还增强了与TYR884的相互作用。引入脂肪链还可以通过与LEU 872的异丁基侧链形成疏水环境，进一步促进抑制作用。因此，为了丰富SOS1抑制剂的结构多样性，我们设计了一种新的嘧啶[4,5-b]吡啶骨架来替代BI-3406中的喹唑啉核，并系统研究了不同R基团取代对活性、药代性质和毒性的影响。这些研究可能为结构-活性关系提供见解，并最终产生有前景的临床候选药物。

部分摘要

化学

目标化合物的合成从市售的(R)-1-苯基乙胺1和吡啶[2,3-d]碱骨架2开始。经过氯化及后续氯取代后获得了目标化合物3。钯催化的交叉偶联反应在C6位置生成了羟基（4）或氨基（5）结构。为了研究SOS1的作用，通过使用SnCl2作为还原剂，将相应的硝基苯中间体还原得到目标化合物（6a-6k）。

结论

为了寻找有前景的SOS1抑制剂用于治疗，我们设计并合成了一系列嘧啶[4,5-b]吡啶化合物。基于酶活性和细胞毒性的初步筛选，确定了7种活性化合物（6k、6f、6i、5b、5c、6a和6c），其IC50值范围为56至207 nM。在小鼠和大鼠中的药代动力学（PK）研究表明，化合物6f的暴露量是参考化合物BI-3406的大约两倍。

实验部分

化学所有化学品均从商业渠道购买，溶剂通过标准程序纯化并干燥。使用快速色谱（FC）：硅胶（SiO2；40毫米，200–300目）。1H NMR和13C NMR光谱仪：Bruker 400 MHz和600 MHz数字NMR光谱仪；ESI-MS：Thermo Finnigan LCQ advantage MAX。元素分析在Vario EL III仪器上进行。

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CRediT作者贡献声明

陈刚生：撰写——初始草稿，项目管理，形式分析，数据整理。班钦：软件支持，数据整理。王正阳：数据整理。苏一东：数据整理。方雷：撰写——审稿与编辑，撰写——初始草稿，监督，实验研究。苟少华：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了教育部江南大学碳水化合物化学与生物技术重点实验室（KLCCB-KF202502）的支持。作者感谢中国药科大学提供的软件支持。