摘要：大环正在成为一种重要的药物形态，甚至对于一些高度可配体的常规药物靶标，比如激酶类，尽管无环配体的发现可能更简单、更容易容易，近些年来“大环化”配体的研究也正在成为一种潮流。

DOI: 10.26434/chemrxiv-2025-s26cq

大环正在成为一种重要的药物形态，甚至对于一些高度可配体的常规药物靶标，比如激酶类，尽管无环配体的发现可能更简单、更容易容易，近些年来“大环化”配体的研究也正在成为一种潮流。

然而，考虑到“大环化”化学型需要面对更多的合成挑战，那么，不禁要问：

1、“大环化”配体对于高度可药物化的靶标究竟有什么优势呢？

2、在什么样情况下选择“大环化”策略更加明智？

3、“大环化”自身对于哪些配体属性有影响？

近日（Jan. 16)，波士顿大学于预刊ChemRxiv上刊载了一篇报道，通过对比无环/大环化激酶抑制剂的精确“同源对”，总结并回答了以上问题。排除干扰因素后，作者精确地确定了大环化对配体的靶标结合亲和力、选择性、ADME性质的影响。

总之，“大环化”对于配体的效力影响是可变的，但对选择性的深刻影响是普遍的；“大环化”还能提高膜通透性、外排比率、血脑屏障穿透率、和代谢稳定性。并且，作者还提出了针对激酶或其它常规可药物靶标的药物发现，应该考虑“大环化”策略的具体情况。

01

大环激酶抑制剂

大环化合物（MCs）一般是指包含12个及以上原子的环状小分子。很大一部分口服大环药物具有很高的分子量，或违反了Lipinski“5规则”或Veber规则所体现的传统的类药性规律。

例如，在1970年~2006年的35年间，从天然产物中发掘的9种分子量在500Da以上的候选药物中，7种为大环化合物，并最终获批。至今，至少有102种大环化合物获得批准或进入临床的候选试验阶段；其中，有42种在口服给药后表现出明显的全身分布。

那么是否有这样一种规律？即与类似大小和组成的非环化化合物相比，大环结构可以赋予配体有利的药物特性，包括口服生物利用度。

也因此，大环化合物备受关注，特别是在解决一些具有挑战性的靶标，如蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）靶标，高分子量能够促使与靶蛋白大面积的接触以实现强结合。除了增强结合亲和力之外，与大环结构相关的其它优势还包括：增加选择性、和ADME属性，例如增强代谢和血清稳定性、以及最终的口服生物利用度。

此外，大环化合物也被用作常规药物靶标，如激酶，这些靶标并不一定需要特殊的“超越5规则”的化学型。那么，考虑到大环化的复杂性和挑战性，针对这些可药物常规靶标，为什么还要采用大环化策略呢？

某些情况下，选择“大环化”可能仅仅是为了突破专利。

但是，以激酶为例，大环化是否也赋予了配体显著的药理学和药效优势呢？

激酶是催化磷酸基团从ATP转移到底物的酶，在新陈代谢，特别是细胞信号转导和细胞周期调节中起着关键作用。因此，激酶也被广泛地用作药物靶标。截止2023年低，FDA已批准了87种激酶抑制剂，还有更多的候选药物处于临床开发阶段。

根据小分子激酶抑制剂与靶标的复合物结构类型，小分子激酶抑制剂大概可以分为以下几种类型：

Type I：结合蛋白激酶活性构象的ATP结合口袋，可逆性抑制剂；

Type I1/2：结合蛋白激酶DFG-Asp圈内非活性构象的ATP结合口袋，可逆性抑制剂；

Type II：结合蛋白激酶DFG-Asp圈外非活性构象的ATP结合口袋，可逆性抑制剂；

Type III：结合邻近ATP结合位点的变构抑制剂，可逆性抑制剂；

Type IV：结合非邻近ATP结合位点的变构抑制剂，可逆性抑制剂；

Type V：结合横跨两个区域的双价抑制剂，可逆性抑制剂；

Type VI：共价抑制剂。

可以看出，大多数激酶抑制剂在核苷酸结合位点结合，对ATP起竞争性抑制的作用。因此，激酶通常是被认为高度可药物化的，至少就其ATP结合位点而言。而且，多数大环候选化合物最终进入到了临床。

对于高度可药物化的激酶类靶标，尽管类药性抑制剂是可以实现的，更具合成挑战的“大环化”抑制剂也表现出了其优势。

截至2023年底，有102种已获批或处于临床阶段的大环药物，其中有10种是激酶调节剂，如下表。其中8种是可口服生物利用的，2种是肠外给药的。

如下表，2种是肠外给药的，其属性超越了Lipinsiki“5规则”，而8种可口服的抑制剂中，也有3种是超越“5规则的”剩余5种是“5规则”依从性的。

而这些符合“5规则”的口服抑制剂是核苷酸位点结合物，似乎也都是从非大环类前体中发展而来的。

3种不符合“5规则”的口服抑制剂均是Type III类变构抑制剂，结合在邻近ATP结合口袋附近的变构位点。它们多是天然产物或其衍生物发展而来的。

因此，本文着重分析核苷酸位点结合物，从中提出去关于大环化设计的经验教训。

可口服的大环激酶抑制，其结构-性质空间占据一个独特的区域，如下图。作者考察了一系列大环药物和临床候选药物，以及几个可合成的大环化合物库，根据一组包含90个物化和结构可描述的分子特征评估显示，大多数口服药物和临床候选药物存在于一个明确的属性空间，Zoom 1。

比较神奇的是，5种口服ATP竞争激酶抑制剂存在于一个独立的属性空间区域，Zoom 2，与其它大环药物相比，它们具有不同的结构和物化性质。分析表明，相对于大多数其它口服大环药物，处于Zoom 2区域的化合物具有更简单、更稀疏的大环，sp3杂化碳比例更低，富氧取代基更少。

02

大环化对抑制剂属性的影响

大环化降低配体的构象自由度，也降低了其采用与蛋白质受体结合所需的构象的能量成本，进而增加了结合亲和力。

然而，并非大环化，配体的结合亲和力一定会增加。

只有当产生的未结合状态的大环，被约束在正确的构象中，以互补蛋白质上的结合位点，从而使化合物可以在没有张力的情况下结合时，这种亲和力的增加才会实现。

若是大环化反而将配体锁定在与最佳结合构象明显不同的构象，则与蛋白质靶标的结合将需要配体承担更多的熵损失，这也将会成比例地降低结合亲和力。由于这种预组织构象和张力之间的相互作用，很难鉴别两个因素对亲和力的影响程度。

如下图A，可以用势能阱来表示分子构象，其中能量最低的构象对应于势能阱底部的一组最小值，而分隔这些最小值的势垒对应于低能构象态之间相互转化的动力学势垒。如下图B，具有多个可旋转键的非大环分子通常具有许多能量可达的构象。

当这种非环配体与蛋白质靶标结合时，只要结合的构象是化合物可获得众多低能态之一，就可以忽略张力。如果配体是环化的，从而限制了围绕特定键的旋转，化合物可用的低能态构象数量将大大减少。

若最佳构象是环化化合物可用构象之一，则熵成本已经降低，那么环化预期会增加结合亲和力。另一方面，如果结合构象不在环化化合物可用的低能态中，则化合物必须采用张力的高能构象才能与靶标结合。

初步估计，当化合物被严格地锁定在结合构象中时，达到了强结合构象预组织的最佳程度，此时构象结合没有熵成本损失，化合物也没有张力，因为配体的所有原子都预先定位到蛋白质上最佳的结合位点。

值得注意的是，完全刚性的配体在实际的应用中也并不是完全理想的，有时需要柔性元素来实现良好的结合动力学。

在一个文献报道给定的实验实例中，如果大环化有的话，确定其对亲和力增益有多少是非常复杂的。在抑制剂发现的过程中，一旦发现了具有潜力的初始大环化合物，通常需要进一步的结构改造来达到最佳程度的预组织构象，以及优化许多其它重要的性质，如选择性、溶解性、细胞渗透性、代谢稳定性等。

在这个优化的过程中，对比大环化前体与环化后的化合物属性数据，利用这类同源对，将更有利于提供大环化对属性增益与否、增益多少等问题更直观的对比。如下图，是Amgen开发的Pim1/2抑制剂，有效抑制靶标在B细胞恶性肿瘤如淋巴瘤、白血病、多发性骨髓瘤等过度表达。

在初始非环抑制剂与靶标的晶体结构研究中发现，可以通过N-烷基链稳定吡咯并二氢哌啶酮的结构构象；通过分子模拟确定了一个四个原子的连接体。其中，采用一个S构型的简单烷基链，得到的大环化合物2，其体外效力提高了40倍，细胞效力也提高了近10倍。

晶体结构研究表明，环化并没有获得额外的配体-靶标相互作用，化合物效力的增加可能更多的是由于环化的熵效应。同时，其它环化的增益效果并没有那么明显，也说明环化稳定结合构象对配体效力增加的重要性。

尽管化合物2的体外效力增益更显著，但是由于选择性和药代动力学的考虑，最终还是选择了变体环化化合物4用于临床开发。

更多环化对效力增益的实例如下图b、c、d。

与上述实例相比，也有很多报道，大环化并没有导致亲和力的提高，如下图a-d。在这些实例中，环化反而使效力下降了或增益不显著。

这些实例表明，优化连接体的长度可以对大环激酶抑制剂的结合亲和力产生重大影响，如下图a。

因此，在很多实例中，直接通过优化连接体的长度，来优化激酶靶标的体外配体效力，如下图a-d中的一系列实例。

以上实例说明了大环化增益结合亲和力的几个要点：通过大环化可以获得实质性的结合亲和力增加，但更高的亲和力是不能保证的，即使是非环前体配体似乎结合在一个很容易闭合环化的几何形状；在具体的实践中，需要大量低工作来改变连接环的长度、几何形状、和刚性，以最大限度地提高构象预组织，同时最小的张力。

虽然从少数的实例中得到一般的结论有些不太明智，但作者还表示，通过以上配体-靶标组合，即使对环的几何形状进行广泛的优化，大环化本身也不能显示超过500倍的亲和性增益（结合自由能增加3.7千卡/摩尔），而增加10-50倍是更更普遍的情况。

这一观察结果也说明：寄望于单纯靠大环化来改善，如使微摩尔级结合物提高到低纳摩尔级亲和力水平还是太乐观了。很大可能，上述化合物都没有反映出完美程度的构象预组织，因为在限制了有机化合物可用的键长和角度的情况下，很难做到这一点。

目前，还没有严谨且经过验证的理论值，指导仅通过构象预组织就能实现最大亲和增加。

尽管在文献中已经提出了估计：在37℃下，冻结的键每旋转约0.4千卡/摩尔的值，对应于每个在大环化后完全冻结的可旋转键的结合亲和增加大约2倍。然而，这个估计的前体是假设结合的配体中，对于给定的键，只能容纳一个单一的或非常窄的二面角范围，并且在大环中，每个键都精确地限制在这个优选的二面角上。

在实际操作中，观察到的熵增益将会因在结合配体中可能发生的关于首选二面角的任何震动而减少。

以上案例中，通过试验观察到的亲和力在环化后的增加情况与理论预期比较，结果表明，由于大环化的约束每个可旋转键可使亲和力增加达3倍，而这种增强可以传播到多达5或6个键。

大环化对c-Met抑制剂的影响提供了大环环大小对细胞活性的显著影响，如下图。体外活性和细胞活性的显著差异，主要归因于膜通透性的差异。缩短一个柔性聚乙烯连接体，使环大小减小一个原子，细胞抗增殖试验中，效力增加了230倍，而体外试验中，对c-Met的抑制效力的差异微乎其微。

然而，在Caco-2测定中，两个化合物之间的渗透性差异仅有2倍，这让人不得不怀疑不同膜渗透性是否可以解释环大小对细胞效力的巨大影响。一种解释是，两种环化化合物在体外确实有显著的结合亲和力差异，但这种差异并没有反映为效力的差异，因为这两种化合物效力都足以达到了试验检测的底线。

对于在体外和细胞中观察到的SAR之间的差异，也有其它的可能解释，如化合物43的抗增殖活性可能不是由于抑制c-Met，而是与一些脱靶相互作用，其中43比42更有效。不过这些可能的猜测都没有获得作者的肯定。

大环化对不同激酶的亲和力产生不同的影响，从而影响化合物的靶点选择性。而激酶抑制选择性尤为重要。

对于Type I型激酶抑制剂，由于配体靶向的ATP结合位点是相当高度保守的，因此，实现选择性尤其具有挑战性。原则上，大环化可能在几个方面影响配体的选择性：

1、大环环本身可能被约束为一种可以以最小张力结合到一个激酶靶标的构象，但是，由于键长和角度的微小扰动可以引起相当程度的张力，可能与同源激酶的结合强度大大降低，即使结合位点拓扑结构只有细微的不同。

2、大环化影响选择性的另一种方式是，环化是否预先组织配体原子以进行能量有利的相互作用，从而更好地利用一种激酶与另一种激酶活性位点之间残基的差异，或限制取代基，从而与仅存在于脱靶中的特征产生空间冲突。

如下图，ALK抑制剂的报道，提供了一个实例，其中大环化赋予了选择性，而没有引入任何明显的相互作用或明显的空间冲突，表明结合的大环中的张力差异来自大环本身。

下图中，提供了一个实例表明大环化通过利用激酶活性位点之间的序列差异赋予选择性。这些差异稳定了与某些激酶靶点活性位点残基的相互作用，而这些残基在其它家族成员中不存在。

大环化本身并总是通往更好的激酶选择性的途径。激酶抑制剂的选择性通常取决于活性位点几何形状的细微差异，以及特定配体化学型如何与结合位点结合，以及与蛋白质结合是否在结合配体中诱导差异张力。

因此，存在环化激酶配体对选择性没有很大影响的例子也就不足为奇。

为了获得大环激酶抑制剂所需的选择性，需要对大环的几何形状和灵活性进行仔细地优化。可以预期，当取代基被附加到大环上时，其有限的构象灵活性将增加其调节选择性的能力。然而，对于大环激酶抑制剂，很少有报道大环和相应非环前体广泛的平行SAR数据，因此很难找到更多的数据，来探讨以上概念。

总之，有限的报道数据表明，大环化本身有时会显著影响激酶的选择性，但目前还无法预测这种影响，因此必须通过经验来确定。

对于一个给定的大环化学型，优化环的大小、连接体的结合形状、连接体的灵活性等有时可以调整选择性，但在其它情况下不会显著影响这一特性。

因此，连接体SAR形势，就选择性而言，可以是崎岖或光滑的；然而，选择性有时对连接体结构相对并不敏感，通过利用取代基在三维空间中如何定位的约束所产生的锐化取代基SAR，仍然可以通过大环化来实现所需的选择性。

除了对效力和选择性的影响外，大环化也可以影响与体内给药时化合物的吸收、分布、代谢和排泄（ADME）相关的重要药物特性。

环化限制了化合物的可用构象，可能使化合物更难以适应代谢酶的活性位点，从而降低其降解的易感性。这种作用可以降低化合物的代谢清除率，从而增加其药代动力学半衰期。

如下图，辉瑞公司开发的Lorlatinib（51）代表了通过大环化改善ADME的一个精致例子。首先批准的非环口服药物Crizotinib（52）抑制ALK和肝细胞生长因子受体c-Met和原致癌受体酪氨酸激酶ROS1。

然而，由于ALK中L1196M突变的发展，一些患者对Crizotinib产生了耐药性，导致脑转移，不能用其再进行治疗。因此，需要发展一种既能够抑制ALK L1196M突变，又能够穿过血脑屏障（BBB）的泛ALK抑制剂。

在晶体结构研究中发现，Crizotinib的"U"型结合构象，这表明，可能衍生出一种大环化学型，探索不同的化学空间，潜在地实现选择性和ADME特性，特别是BBB渗透性。

如上图，通过对其大环化，使得目标结合亲和力大幅增加、选择性提高、细胞活性提高。进一步的结构优化，主要集中在限制化合物的总体大小和亲脂性。

有研究表明，一些大环化合物比同等大小和组成的非环化合物具有更高的膜透性和口服吸收，这种作用最经典的例子如环孢素A。这种优势某种程度上归因于所谓的“变色龙”构象变化。这是一种化合物通过构象灵活性来调节其极性的能力，如在水溶液中，其极性基团暴露于溶剂中，但在非极性环境中，极性基团被附近的大集团或通过参与分子内氢键来屏蔽溶剂，从而有利于替代构象。

来源：营养和医学