转自：药渡
在北欧流传着一个传说，如果亲吻刚出生婴儿的额头感觉很咸，这个婴儿很可能会受到诅咒并夭折。如今，科学家已经知道这种“咸吻”事实上是一种基因遗传病----囊性纤维化（cystic fibrosis，CF）的症状，CF在北欧的患病率全球最高，每3000名新生儿中就有1人患有囊性纤维化。
CF是一种致命的遗传性疾病，影响全球约70,000患者，是由CFTR基因的两个等位基因突变导致的囊性纤维化跨膜传导调节蛋白 (CFTR) 缺陷引起的。CFTR蛋白是一种PKA调节的阴离子通道，对于肺、胰腺、肠、生殖道和汗管等多个器官的上皮细胞中氯离子和碳酸氢根离子的转运至关重要。CFTR基因中已发现超过1900种不同的突变。
CFTR基因的突变可导致细胞表面CFTR数量减少、CFTR转运离子能力下降。最常见的突变是F508del，即508位苯丙氨酸的缺失，在约90%的CF患者的至少一个等位基因中发现了该突变，并干扰CFTR折叠、运输、膜稳定性和通道门控。其次是G551D突变（4-5%）。由此产生的CFTR依赖性氯化物分泌到气道的减少导致表面上皮细胞的液体吸收增加、粘液成分异常和粘度增加。这会导致气道阻塞并阻止有害细菌的清除。
Vertex公司致力于发现恢复突变型CFTR通道功能的小分子药物。通过两种互补机制（CFTR增强和CFTR校正）来监测影响CFTR功能的分子活性。校正剂（Corrector）通过改善cellular processing和将F508del-CFTR递送至细胞表面以增加CFTR介导的氯离子分泌。CFTR增效剂（Potentiator）作用于CFTR，通过提高细胞表面存在的CFTR通道的离子流量，增加其开放概率。本文介绍Vertex发现的first-in-class的CFTR增效剂Ivacaftor的药物设计。
图1. CFTR增强剂和CFTR校正剂的机制。图片来源：https://www.trikafta.com/how-trikafta-works
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高通量表型筛选
使用基于荧光的测定法开发了表达F508del-CFTR突变的NIH-3T3细胞的高通量筛选，该测定法测量由于CFTR介导的氯离子流出响应毛喉素（一种腺苷酸环化酶激活剂）刺激而引起的膜电位变化。通过对228,000个分子进行高通量筛选，得到了hit分子1。 仅在添加毛喉素后才观察到对分子1的响应，表明1是CFTR功能的增强剂而不是激活剂。为了证实1的活性，使用从携带两个等位基因上的F508del突变的CF受试者的支气管分离的人支气管上皮细胞(HBE)。CFTR增强被测量为在毛喉素存在下跨上皮电流的增加，并且F508del/F508del-HBE中分子1的EC 50为1.5μM。
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分子优化
A）对分子1的氨取代基部分进行SAR，得到吲哚衍生物2。化合物2对超过60个不同靶标具有良好的选择性，仅作用于GABA-A苯二氮卓受体，IC50为∼0.1 μM。由于平面性和氢键作用，2形成了紧密堆积的晶格，水溶性较差，cLog P为1.6。此外，吲哚2在大鼠中表现出较低的口服生物利用度（11%），在狗中表现出较短的静脉内半衰期（0.9 小时），这主要是由于中高等的清除率。
B）有两种策略提高2的溶解度：1）对酰胺linker进行SAR，限制分子内氢键的形成，破坏平面结构提高溶解度。2）对吲哚部分开环进行SAR。研究人员发现第二种策略效果更好。首先将吲哚开环得到苯胺，但活性降低了15倍。在苯胺的4位引入不同大小和体积的烷基，随着分子量和支化的增加而提高了效力，最终得到了与2有相近potency的分子3 。
C）对苯环的取代基进一步SAR，当用酚基取代氨基时，分子活性提高了40倍，推测是由于分子内氢键诱导的扁平构象、4-叔丁基产生的疏水相互作用以及作为氢键供体的3-苯酚部分的组合。尽管活性很好，但该分子的PK很差，清除率高且半衰期（rat）只有0.7 h。
最后，在苯酚环上再引入叔丁基，显著改善了PK，最终得到分子4（VX-770，即上市药物Ivacaftor）。4没有主要的CYP450活性（1A2、2C9、2C19、2E1、3A4 和 2D6 IC 50 > 20 μM），且不抑制心脏钾通道 hERG（IC 50 >10 μM），对包括 GABA A苯二氮卓受体在内的160个测试靶标没有显著活性。化合物4增加了分泌，EC 50为 0.236 ± 0.200 μM，与F508del HBE相比，效力变化了10倍。此外，最大F508del/G551D HBE 中的氯离子分泌水平接近正常个体的50%。
— 小结—
通过高通量筛选，发现了hit分子1。该分子的胺取代基部分用6-吲哚基衍生物替换后，活性提高了5-20倍。吲哚开环得到3-苯胺基-4-烷基衍生物，然后用苯酚取代苯胺，活性再提高40倍。在苯胺的4位引入烷基使溶解度得到显著的改善（但水溶性较差）。在2位上引入取代基改变分子体积和亲脂性，最终得到Ivacaftor。Ivacaftor的效力比金雀异黄素更强（G551D/F508del中为70倍，F508del/F508del中为200倍），在啮齿动物和非啮齿动物中具有良好的PK特性。Ivacaftor于2012年获FDA批准上市，成为第一款有效治疗CF的小分子药物。
可惜Ivacaftor在临床上只对G551D CFTR（占4-5%）有效，活性能达到正常的50%；而对F508del突变（占90%）效果一般。但很快Vertex就有了新突破，发现了机制不同的CFTR校正剂。
参考文献：
[1] PNAS 2009,106 (44) 18825-18830.
[2] J. Med. Chem. 2014, 57, 23, 9776–9795.
