含有方酸结构的PSMA抑制剂的设计、合成与研究

前列腺特异性膜抗原(PSMA)是前列腺癌的重要生物靶标。目前，临床应用最多的PSMA靶向药物是基于谷氨酸-脲基结构的放射性核素标记的小分子类抑制剂，如[⁶⁸Ga]PSMA-11、[¹⁸F]DCFPyL、[¹⁸F]PSMA-1007和[¹⁷⁷Lu]Lu-PSMA-617等。为了满足临床上对前列腺癌核医学诊断和治疗上的更高需求(例如降低非靶组织放射性浓聚、提高微小体积癌灶检测的灵敏度等)，新的PSMA小分子抑制剂不断被开发。从已报道的结果来看，人们对PSMA小分子抑制剂的结构修饰工作，更多是P1区域的修饰。相反地，针对靶向基序(P1’区域和锌结合基团ZBG)，也就是谷氨酸-脲基的结构改造很少。在PSMA识别底物的过程中，药效团口袋(S1’口袋以及锌活性位点)与P1’基序和ZBG产生有效相互作用，是保证底物分子具有抑制活性的首要条件，因此设计有效的PSMA靶向基团有利于构建新型的多功能PSMA抑制剂。

近日，北京师范大学崔孟超（点击查看介绍）课题组采取生物电子等排体替换策略，以方酸骨架为核心，对谷氨酸-脲基结构进行修饰，得到谷氨酸- γ -羧基替换为方酸、脲基替换为方酰胺的靶向基序。同时，又将谷氨酸- γ -羧基替换为丙二酸以进一步探索S1’口袋的耐受性。以DCIBzL为原型化合物，具体修饰策略如图1所示。

图1. (a) 经典的基于谷氨酸-脲基的DCIBzL结构；(b) P1’区域和ZBG的修饰策略。

利用这三种靶向基团，作者合成了三类PSMA配体：方酰胺类(15 ~ 16)，方酸类(17、18、21 ~ 24)，以及丙二酸类(19 ~ 20)化合物。然后，通过体外酶活竞争抑制实验，得到所有化合物的K_i值(表1)。其中，方酸类抑制剂17、18、21 ~ 24含有相同的靶向基团，即含方酸结构的人造氨基酸-脲基(SQ-urea)结构，它们对PSMA重组蛋白具有高度亲和性，K_i值范围为0.40至2.49 nM，其抑制效力同谷氨酸-脲基类抑制剂相当甚至更高。

表1. 化合物与PSMA蛋白的竞争抑制常数。

进一步地，针对含有不同靶向基团的化合物15、17、19，作者通过分子对接模拟它们与PSMA活性位点的结合模式，结果如图2所示。将脲基替换为方酰胺后，得到的化合物15不能与PSMA活性位点有效结合，可能的原因是方酰胺的刚性结构限制了整个分子构象的灵活性，这说明方酰胺在替代脲基的应用上有局限性；其次，丙二酸作为草酸衍生物，增加的亚甲基结构使P1’部分不能与S1’口袋重要氨基酸产生相互作用，使得分子的PSMA亲和力大幅度降低；有趣的是，将谷氨酸- γ -羧基替换为方酸后，化合物17与PSMA活性位点的结合位置与DCIBzL相似，其P1’区域N-H和末端羧基分别与Gly518和Arg210形成氢键相互作用，同时，方酸的两个羰基氧和P1’区域的α-羧基与PSMA残基Gly427、Gly518、Lys699和Tyr700存在有效相互作用。这些氨基酸是S1’口袋的重要成员，尤其是Lys699和Tyr700被认为是PSMA抑制剂的谷氨酸传感器，它们可能通过一种诱导匹配机制来检测P1’部分与S1’口袋的适应度。综上，新的靶向基团SQ-urea能够与PSMA药效团口袋产生的有效相互作用，因此以SQ-urea为药效团更有可能设计合成出具有高亲和力的PSMA抑制剂。

图2. 分子对接实验中各化合物与PSMA蛋白的空间位置关系：(a) DCIBzL (PDB：3D7H)；(b) 化合物15；(c) 化合物17；(d) 化合物19。PSMA蛋白残基与各化合物之间的关键相互作用：(e) DCIBzL；(f) 化合物15；(g) 化合物17；(h) 化合物19。PSMA活性位点的S1'口袋(黄色)，锌结合位点(绿色)和S1口袋的“精氨酸补丁”(紫色)用不同颜色表示，而所有化合物和关键PSMA残基用球棍表示。i) 化合物15、17、19的分子结构。j) PSMA残基与化合物17之间的相互作用。

随后，作者利用NIR-I和NIR-II荧光团对方酸类抑制剂进行标记，得到两个具有优良光学性质的探针23和24，并探索了它们在活体内与PSMA的结合效力。如图3和图4所示，探针23、24均能在22Rv1荷瘤鼠中特异性结合PSMA阳性肿瘤，抑制实验、离体实验、半定量分析等结果均验证了SQ-urea新药效团在活体内的PSMA靶向特性，尤其在探针24 NIR-II荧光引导下成功完成了活体肿瘤切除手术，进一步证实SQ-urea在PSMA探针设计上具有广泛适用性。作者正在使用放射性核素(¹⁸F、⁶⁸Ga、¹⁷⁷Lu等)对SQ-urea新药效团进行标记，将其转化成PSMA诊疗放射性药物。

图3. 化合物23的NIR-I荧光成像实验。a) 对照组；b) 抑制组；c) 不同时间，对照组和抑制组中肿瘤和肌肉的荧光强度；d) 不同时间，肿瘤和肌肉荧光强度比值；e) 55 h，各组织器官离体成像。

图4. 化合物24的NIR-II荧光成像实验。a) 对照组；b) 抑制组；c) NIR-II荧光成像引导下的荷瘤鼠右前肢肿瘤切除手术。

相关研究发表在Journal of Medicinal Chemistry 上，已申请国内发明专利（一种靶向于PSMA的方酸类化合物、衍生物及其应用，2022110980049）。文章第一作者是硕士生王新琳，崔孟超教授、王贝贝副教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(22022601, U1967221和31971176)的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Design and Characterization of Squaramic Acid-Based Prostate-Specific Membrane Antigen Inhibitors for Prostate Cancer

Xinlin Wang, Yimin Chen, Yuqing Xiong, Longfei Zhang, Beibei Wang*, Yajun Liu, and Mengchao Cui*

J. Med. Chem., 2023, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.3c00309

导师介绍

崔孟超

https://www.x-mol.com/groups/Cui_Mengchao