SAR（结构-活性关系）研究以及对setmelanotide的协同优化，产生了一种效力强、选择性高且可溶性的MC4R激动剂

《Biomedicine & Pharmacotherapy》：SAR investigation and synergistic optimization of setmelanotide yields a potent, selective, and soluble MC4R agonist

本研究针对生物活性肽setmelanotide的溶解性差和选择性问题，通过协同优化策略，结合详细构效关系研究，开发出高溶解性、高选择性和纳米摩尔级potency的新型激动剂SC19。该化合物在饮食诱导肥胖模型中显示与setmelanotide相当的疗效，验证了多参数协同优化策略的有效性。

　　

陈国|罗涛|董远臻|卢建国|徐志茹|边静|冯雪|陈傲洲|陈代杰|冯军

上海交通大学药学院，200240上海，中国

摘要

生物活性肽setmelanotide是一种经过验证的MC4R激动剂，但其临床应用受到较差的水溶性和剂量限制性的脱靶色素沉着问题的限制。为了克服这些双重问题，我们基于详细的SAR（结构-活性关系）研究，实施了一种协同优化策略。该策略揭示了两个关键的设计原则：一是C端的“阳离子必要性”，其中赖氨酸的引入使溶解度提高了20倍以上，同时保持了药效；二是合理调整核心药效团，使其对MC1R和MC3R的选择性提高了100倍以上。这种协同作用产生了候选化合物SC19，它将这两种特性结合在一个平衡的分子结构中，表现出亚纳摩尔级的药效（EC?? = 0.12 nM；pEC?? = 9.93）、卓越的选择性和高水溶性。在饮食诱导的肥胖模型中，SC19在减少体重增加和改善脂质谱方面表现出与setmelanotide相当的效果，证实了其治疗潜力。这项工作不仅提出了一种有前景的候选化合物，还为同时增强治疗性肽的药理和药物样特性提供了一个协同优化的方法。

引言

肥胖是一个重大的全球公共卫生挑战[1]。尽管GLP-1激动剂为多基因肥胖提供了更多治疗选择[[2], [3], [4]]，但单基因肥胖的治疗方案仍然是一个亟待满足的需求[5]。这些遗传性疾病通常与黑皮质素-4受体（MC4R）信号通路的功能障碍有关[6]，而MC4R是能量稳态的关键调节因子[7]，因此成为科学和临床研究的重点。

黑皮质素-4受体（MC4R）属于A类G蛋白偶联受体（GPCR），在该通路中起核心作用[8,9]。它在下丘脑中高度表达，调节能量平衡和食欲[7]。MC4R属于高度同源的MCR家族（MC1R-MC5R），通常通过Gαs介导的cAMP通路发挥作用[10,11]，并具有不同的生理功能，如色素沉着（MC1R）和能量稳态（MC3R）[8,9]。该受体的活性受到内源性激动肽（例如，来自POMC的α-MSH[[12], [13], [14]]）和拮抗剂AGRP的调节。这些配体都识别一个保守的“HFRW”核心药效团[15]，该药效团通过β-转角构象激活受体[[16], [17], [18], [19], [20], [21]]。

针对MC4R的一个主要挑战是MCR家族之间的高序列同源性（40–60%），这导致配体识别存在显著重叠和选择性有限[22,23]。虽然通过广泛的理性设计（例如，非天然替代和环化）已经产生了其他临床激动剂，但实现高选择性仍然是一个关键且常常无法克服的难题[16,[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]]。Rhythm Pharmaceuticals开发的setmelanotide（Imcivree?）是一种首创的MC4R激动剂，被批准用于特定的罕见遗传性肥胖[32,33]。它旨在恢复受损的MC4R通路的功能，帮助减少饥饿感和体重[33]。最近，美国FDA接受了setmelanotide用于下丘脑肥胖的补充新药申请（sNDA）并给予了优先审查[34]。

尽管setmelanotide具有显著的临床效果，但其治疗应用受到两个关键缺陷的限制：较差的水溶性，这需要使用刺激性PEG辅料并引发安全问题[35]；以及不足的MC1R选择性，导致剂量限制性的皮肤色素沉着，从而影响患者的依从性[36]。目前的改进策略主要集中在缓释技术上[37]。Rhythm Therapeutics的下一代候选化合物（例如RM-718 [38]）和C. Martin等人的重要结构基础设计[40]为提高对MC1R和MC3R的选择性提供了重要见解。然而，这些专注于选择性的研究并未同时解决水溶性差的根本问题。

这种同时具备高选择性和优异溶解性的激动剂的需求促使我们采用了一种新的溶解度增强策略与经过验证的选择性驱动核心设计相结合的方法。在这里，我们基于setmelanotide骨架报告了一项多参数SAR研究。我们采取了一种合理的逐步策略：首先通过极性替代改善溶剂暴露部位的溶解性，发现了对药效至关重要的SAR；随后通过对该优化骨架进行核心药效团的精细调整，实现了出色的MC1R选择性。最终得到的候选化合物兼具高药效、卓越的选择性和高溶解性。

结果与讨论

我们的理性设计遵循了图1所示的逐步多轮优化过程。我们依次解决了已识别的临床问题。在第二轮中，我们设计了一系列类似物来探索C端电荷和长度对水溶性的影响。随后，在第三轮中，通过特定的残基替代和环结构限制来优化核心药效团，以提高受体选择性。

设计过程包括三个阶段：第一轮...

结论

总之，本研究验证了一种强大的多参数优化策略，用于克服setmelanotide的主要临床缺陷。通过一个合理的逐步过程，我们首先在C端建立了一个新的“阳离子必要性”，其中赖氨酸修饰被证明能够显著提高水溶性（超过20倍），同时保持纳摩尔级的药效。然后，我们将这种高溶解度的骨架与一个增强选择性的核心结构协同结合...

肽的合成与纯化

肽是通过固相肽合成（SPPS）方法合成的，该方法采用混合固/液相程序和Fmoc策略。Rink Amide-MBHA树脂（0.35克，取代度（SD）= 0.70 mmol/g）在10毫升DCM中膨胀1小时后再倾倒。然后加入10毫升25%的PIP/DMF溶液混合25分钟以去除氨基保护基团（Fmoc）。溶液倾倒后，用10毫升DMF清洗树脂五次。使用 ninhydrin 检测，观察到紫色-黑色...

CRediT作者贡献声明

陈国：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，实验研究。罗涛：实验研究。董远臻：实验研究。卢建国：指导。徐志茹：指导。边静：实验研究。冯雪：实验研究。陈傲洲：撰写 – 审稿与编辑，指导。冯军：指导，概念构思。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：卢建国持有上海Duomirui生物科技有限公司的股份。

致谢

本研究得到了中国国家药物可开发性研究重点实验室和上海Duomirui生物科技有限公司的资助。