抗COPD高选择性PDE4天然抑制剂的发现：Selaginpulvilin K的结构优化和生物活性研究

Phosphodiesterase-4 (PDE4) has been paid much attention as a novel target for anti-COPD (Chronic obstructive pulmonary diseases) drugs, but the defects of low selectivity for its inhibitors severely limits the application in clinical research. Therefore, the discovery of highly selective inhibitors has become the key problems which need to be solved urgently in PDE4 drug research. We have first reported that the novel natural product Selaginpulvilin K first isolated from Selaginella pulvinata has good PDE4 inhibitory activity and PDE subtypes selectivity. Meanwhile, we have obtained the crystal structures of PDE4 in complexes with Selaginpulvilin K to identify important residues which affect the selectivity of inhibitors. In the present project, targeting the important residues in the active pocket, we will design and synthesize new series of Selaginpulvilin derivatives. In view of their inhibition on PDE4 inhibitory activity, PDE subtypes selectivity and bioavailability, we will select 1-3 leads with nM level. This project will elucidate the molecular recognition mechanism of selective inhibitors of PDE4, and provide more scientific basis for the design of highly selective PDE4 inhibitors.

PDE4是当前备受关注的抗COPD药物新靶标，但其抑制剂因选择性低导致诸多副作用，发现高选择性抑制剂已成为PDE4药物研究亟需解决的关键科学问题。我们发现具有全新骨架结构的天然产物Selaginpulvilin K对PDE4有较高的抑制活性和选择性，是目前文献报道活性最强的天然PDE4抑制剂；还获得其与PDE4的共晶结构，揭示其全新的作用机制及影响活性的关键结构要素。我们还对该类骨架进行了初步全合成并获得少量化合物，发现其存在溶解性差等问题。本项目在已有工作基础上，拟：1）采用多种药物设计方法，针对Selaginpulvilin K多个可修饰区域，设计合成系列衍生物；2）测试其对PDE4的抑制活性、选择性，优选出具有较高生物利用度的nM级先导化合物；3）开展先导化合物与PDEs的相互作用研究，阐明PDE4识别选择性抑制剂的分子机制，为设计高选择性PDE4抑制剂提供更为充分的科学依据。

磷酸二酯酶4型(PDE4)是当前备受关注的抗哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)药物新靶点，但其抑制剂因选择性低而导致诸多副作用，严重限制了药物的临床应用，因此，发现高选择性抑制剂已成为PDE4药物研究亟需解决的关键科学问题。Selaginpulvilin K是项目组从民族药垫状卷柏中分离出来且具有新颖骨架结构的芴类化合物，其具有显著的磷酸二酯酶4（PDE4）抑制活性和选择性，有望成为哮喘和慢性阻塞性肺疾病的治疗药物。然而其在植物中含量极低，难以通过分离提取手段获得足够数量进行结构优化，无法开展系统的药理学评价和构效关系研究。本项研究设计开发了一条高效实用的合成路线来完成类天然产物化合物库的构建，设计完成了Selaginpulvilin K的结构优化共获得30个衍生物，其中15个衍生物的PDE4抑制活性<1.0 μM，5个衍生物的PDE4抑制活性<500nM，目前正进行第二轮的结构优化。. 在完成本项研究工作的同时，以本项目的研究方法为指导还进行了三个方面的研究工作：（1）针对项目组前期发现的高活性天然PDE5抑制剂吴茱萸碱类似物，进行了成药性优化研究，最终获得高活性高选择性PDE5抑制剂，并获得了优选化合物与蛋白的共晶结构，揭示了其全新的作用机制。抗肺动脉高压（PAH）动物实验研究显示，该化合物具有比阳性药物西地那非更好的体内药效，有望解决该类药物由于选择性差导致副作用的问题，具有开发成抗PAH药物的良好前景。（2）完成一项磷酸二酯酶十型（PDE10）抑制剂的代谢稳定性优化工作，针对前期发现的PDE10抑制剂代谢稳定性差的问题，项目组对化合物进行了进一步的结构优化工作，最终合成了三个系列共计20个化合物。优化后，化合物稳定性显著提升，其中优选化合物的大鼠肝微粒体稳定性为105分钟。（3）为丰富药用优势骨架的合成方法，发展了一类含氮杂环的合成方法。. 在本项目资助下，申报人发表SCI论文三篇，其中，中科院化学一区论文1篇（Chem. Sci., 影响因子： 9.346），中科院药物化学一区论文1篇（J. Med. Chem., 影响因子：6.205），中科院药物化学二区论文1篇 (ACS Chem. Neurosci. 影响因子：4.486)，较好的完成了该项目。.