来源：药渡Cyber
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Sigma-1受体（σ1R）广泛分布于中枢神经系统，它通过多种信号通路在保护神经元中发挥重要作用，是治疗神经退行性疾病的重要靶点之一。西班牙Welab Barcelona的研究团队通过高通量筛选技术发现了靶向σ1R的新骨架Hit并对其进行结构优化，设计并合成了一系列噻吩并[2,3-d]嘧啶-4(3H)-酮衍生物，获得了高效、高选择性的σ1R激动剂WLB-87848（14qR）。与传统σ1R配体化合物不同的是，WLB-87848含有一个可电离的游离NH，且仅在一侧存在疏水性基团。WLB-87848具有良好的物理化学性质和ADMET特性，在结合免疫球蛋白（BiP）/σ1R关联测定中显示出σ1R激动剂特征，在体外β-淀粉样肽中毒模型中表现出诱导神经元活力增强的作用，口服给予WLB-87848对海马内注射Aβ肽诱导的大鼠认知障碍具有改善效果。综合这些结果，WLB-87848是一个极具前景的神经保护候选药物，为神经退行性疾病的治疗提供了新的思路。
药渡CyberSAR系统提供了对σ1R激动剂分子的深入解析。系统通过聚类结构视图和原始结构视图，展示了与靶点相关的活性分子，并以研发阶段时光轴的形式呈现了潜力Hit。此外，CyberSAR还提供了适应症和试验设计的可视化分析，帮助研发人员快速获取靶向结构信息，开拓研究思路。尽管CyberSAR在本案例分子的初步开发中未被使用，但其在解析和优化药物分子方面显示出巨大的应用潜力。
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研究背景
Sigma受体（σR）最初被认为是一种阿片受体，但后续研究发现，Sigma受体与其他阿片受体有明显区别，是一个独立的受体家族。Sigma受体是具有伴侣蛋白活性的一类受体蛋白，包括Sigma-1（σ1R）和Sigma-2（σ2R）两种亚型。其中，σ1R广泛分布于中枢神经系统，参与多种神经和精神疾病的病理生理变化。多项研究表明，σ1R激活可通过调节钙信号、线粒体功能和减少内质网应激来提供神经保护作用，是治疗神经退行性疾病的重要靶点之一。
为获得可用于治疗不同神经退行性疾病的新型高效选择性σ1R激动剂，本研究采用高通量筛选技术（HTS）对内部化合物库的约8万个化合物进行了体外活性筛选，从中发现了具有良好σ1R亲和性的化合物5。与传统σ1R配体化合物cutamesine（1）、pridopidine（2）、haloperidol（3）、E-52862（4）等不同，化合物5的分子骨架包含一个作为正电离（PI）部分的游离NH基团，且仅在一侧存在疏水性基团。此外，化合物5对σ1R具有较高的选择性，对与心脏毒性相关的hERG钾通道的IC50值大于10μM，这将规避传统靶向σ1R药物所存在的脱靶问题。鉴于化合物5独特的分子结构和体外活性，本研究对其进行了系统的构效关系（SAR）研究，以开发新型高效选择性σ1R激动剂。
结果与讨论
构效关系分析
由于噻吩的新陈代谢会导致反应性代谢产物的形成，因此研究人员首先对该部分进行了结构改造。引入4-氟苄基得到了具有较优σ1R亲和力的化合物14a；α位甲基的引入（14b）进一步增强了化合物的σ1R亲和性和代谢稳定性，且化合物14b对hERG的IC50值低于10μM，表明α-甲基的存在对化合物更为有利；将4-氟苄基替换为异丁基（14c）、环丙基甲基（14d）、4-氟苯基（14e）或1-甲基-2-苯基乙基（14fR）均导致化合物的σ1R亲和力减弱。
接着，研究人员对化合物14b进行了进一步结构修饰，发现其R-异构体（14bR）比S-异构体（14bS）具有更高的亲和力和更好的代谢稳定性。这种空间偏好性在苄基衍生物14g和α-乙基衍生物14h中同样存在。而在α-三氟甲基衍生物中，14iS较14iR的亲和力更强（此情况下，R/S根据Cahn-Ingold-Prelog规则发生了变化）。α-异丙基衍生物14jR的σ1R亲和力则明显减弱。对于芳环的取代基部分，4-Cl（14kR）和2-F（14lR）衍生物的σ1R亲和性和代谢稳定性与4-F衍生物14bR相接近；将卤素替换为吸电子的氰基（14mR）或给电子的甲氧基（14nR）均导致化合物的亲和力明显减弱；双氟取代化合物（14oR、14pR、14qR）的σ1R亲和力明显增强并具有良好的代谢稳定性，其中以3,4-二氟衍生物14qR的活性最佳，其S对映体14qS的亲和力则略有下降。
与N-烷基衍生物14fR相比，O-烷基衍生物15fR的σ1R亲和力明显减弱；哌啶N-乙基化（17gR、17gS）在一定程度上提高了化合物的亲和力，但降低了代谢稳定性，这是由于N-烷基化提高了化合物的cLogP而导致ADME性质受损。
分子对接模拟
化合物14q的两个对映体（14qR和14qS）与σ1R的相互作用模式极为相似，哌啶氨基除了与Glu172形成特征性的电荷-电荷相互作用外，其氮正离子还与Asp126形成了氢键；噻吩环和嘧啶环与Glu172形成了π-阴离子相互作用；二氟苯基与Tyr103形成了π-π堆积作用。14qR和14qS之间的区别在于α-甲基的方位不同使其与不同的氨基酸残基形成疏水相互作用，从而导致二者在结合能上呈现出微小差异。分子动力学模拟结果显示，化合物14qR的初始姿态相对稳定，仅在平行于脂质双分子层的两个α-螺旋方向显示出微小位移。在1%到7%模拟时间内，哌啶氨基与His154形成了π-阳离子堆积作用，与Tyr120和Ser117形成了氢键相互作用；羰基与Thr181形成了氢键相互作用。此外，化合物14qR与Phe107、Ala185、Leu182、Leu105、Tyr103、Tyr120、Trp89和Leu95还形成了疏水相互作用。
化合物14qR的理化性质、药代动力学性质及药效学性质
除了具有良好的代谢稳定性外，化合物14qR（WLB-87848）对重组人细胞色素P450（rhCYP）1A2、2C9、2C19、2D6和3A4亚型表现出低水平抑制（1μM下< 50%）；在caco2细胞中具有高渗透性（243nm/s）和低外排比（0.7），符合Lipinski's 5规则；具有较弱的碱性（pKa 7.7）和亲脂性（log P 2.4，log D7.4 1.75），表现出良好的配体-亲脂性效率（>5）和优异的CNS MPO评分（5.6），推测其可能具有良好的ADME性质和安全性；对疼痛相关靶点（5-HT1A受体、5-HT2B受体、α1A和α2A肾上腺素受体、多巴胺转运体、阿片受体、组胺H1受体、去甲肾上腺素转运体和血清素转运体）的IC50值大于1μm，表现出高度选择性。
化合物14qR以单剂量10mg/kg对大鼠进行口服给药后，tmax约为1小时，Cmax约为250ng/mL，Vss为0.7L/kg，分布广泛，半衰期较短，清除速率较高。此外，化合物14qR的脑和血浆水平呈平行分布，脑浓度高于相应的血浆浓度（脑-血浆AUC比为3.0）。对血浆和脑中的未结合部分进行校正后，脑-血浆AUC比为0.95，表明可与靶标相互作用的未结合化合物具有良好的血脑屏障穿透性。
在BiP/σ1R关联测定结果显示，化合物14qR在三种测试浓度下均能解离BiP/σ1R复合物，其程度与σ1R激动剂PRE-084相似，以0.1μM浓度时效果最佳。与PRE-084、(+)-pentazocine、cutamesine等σ1R激动剂类似，化合物14qR表现出钟形浓度效应，呈双相剂量-反应曲线。在化合物14qR的最大作用浓度下使用σ1R拮抗剂NE100能够逆转其作用，表明化合物14qR具有与PRE-084相似的σ1R激动剂特征。
在体外β-淀粉样肽中毒模型中，化合物14qR在0.3μM浓度下表现出与10ng/mL阳性对照碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）相类似的海马神经元活力增强作用。
在海马内注射Aβ肽诱导的认知障碍大鼠模型中，化合物14qR以30mg/kg剂量口服14天后，对大鼠的识别记忆障碍起到了改善作用。
总结
本研究通过对高通量筛选得到的噻吩并[2,3-d]嘧啶-4(3H)-酮类化合物5进行结构优化，获得了新型高效选择性的σ1R激动剂14qR（WLB-87848）。研究表明，WLB-87848在体外和体内均表现出良好的ADME性质和优秀的神经保护作用，在大鼠体内表现出良好的药代动力学性质，且具有良好的血脑屏障穿透性，有望作为神经保护药物的候选化合物进行进一步的研究。
文献来源
https://doi.org/10.1021/acs.jmedchem.4c00288