《RSC Medicinal Chemistry》：Development landscape of ketohexokinase-C (KHK-C) inhibitors for fructose-driven metabolic disorders: from hit discovery to clinical trialsOpen Access
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酮己糖激酶（KHK），又称果糖激酶，通过催化ATP依赖性果糖磷酸化启动果糖代谢。与受多种激素和变构机制严格调控的葡萄糖代谢不同，果糖代谢在很大程度上绕过这些检查点。这主要是因为KHK不同于葡萄糖激酶，不受显著变构调节，导致果糖快速且不受控地代谢。经KHK介导的
酮己糖激酶（KHK），又称果糖激酶，通过催化ATP依赖性果糖磷酸化启动果糖代谢。与受多种激素和变构机制严格调控的葡萄糖代谢不同，果糖代谢在很大程度上绕过这些检查点。这主要是因为KHK不同于葡萄糖激酶，不受显著变构调节，导致果糖快速且不受控地代谢。经KHK介导的果糖分解通路产生的快速果糖通量驱动代谢功能障碍相关肝病（NAFLD和NASH）、肥胖和2型糖尿病（T2DM）的发病机制。此外，过去几十年全球富含果糖甜味剂和加工食品的消费量显著增加，加剧了果糖驱动代谢障碍（FDMDs）的负担。因此，KHK已成为治疗FDMDs的有前景治疗靶点。基因缺失和敲低研究表明，抑制KHK活性可预防FDMDs。此外，KHK的药理学抑制在临床前和临床研究中显示出良好疗效，多种候选物已证明可改善FDMDs患者的代谢谱。本综述概述KHK在果糖代谢中的生物学功能及其与代谢疾病的关系，并讨论KHK的结构和催化机制，详细综述KHK抑制剂的发现与开发，从初始苗头化合物识别和先导化合物优化到临床前开发和临床评价。
1. 引言
近二十年来，工业化和发展中国家的膳食模式发生显著变化。尽管安全每日果糖摄入量估计约25–40 g，但超加工食品和含糖饮料的广泛消费使平均果糖摄入增至85–100 g/日甚至更高，高果糖玉米糖浆（HFCS）的广泛使用是重要驱动因素。高果糖摄入与NAFLD、NASH、肥胖、T2DM和心血管疾病等代谢障碍相关。KHK是果糖代谢首要限速酶；肝内KHK将果糖磷酸化为果糖-1-磷酸（F1P），后者进入能量产生、脂肪生成和核苷酸合成等通路。与葡萄糖代谢不同，KHK不受显著变构调节，高果糖负荷快速增加下游糖酵解和脂肪生成通量，促进甘油三酯生成、肝脂蓄积及尿酸生成；尿酸升高与高血压、胰岛素抵抗、内脏脂肪和慢性肾病相关。遗传缺失和肝KHK-C选择性敲低均支持KHK-C为FDMDs关键靶点；已有四种抑制剂进入临床前或临床评价，包括PF-06835919、LY-3522348、BI-9787和GS-1291269。本综述聚焦KHK抑制剂发现，并总结转化差距、选择性和未来方向。
2. KHK在果糖驱动代谢障碍（FDMDs）中的作用
肝细胞KHK-C将果糖磷酸化为F1P，醛缩酶B将F1P裂解为二羟丙酮磷酸（DHAP）和甘油醛，二者转为甘油醛-3-磷酸进入糖酵解，生成丙酮酸并进一步形成乙酰辅酶A，为三羧酸（TCA）循环和脂肪酸从头合成提供底物；DHAP和甘油醛也提供甘油-3-磷酸骨架，促进甘油三酯组装。由于该过程基本不受细胞能量状态调控，果糖快速转化为甘油三酯，驱动肝脂蓄积、炎症和NAFLD，并为NASH奠定基础。KHK-C通量还引起浓度依赖性ATP和无机磷酸耗竭，解除无机磷酸对AMP脱氨酶（AMPD2）的抑制，加速嘌呤降解和尿酸形成，同时促进嘌呤从头合成。尿酸结晶可致痛风，系统性高尿酸血症与高血压、糖尿病、内脏肥胖及心血管代谢障碍相关。与葡萄糖不同，果糖代谢不引起胰岛素分泌，反而降低循环胰岛素和瘦素、升高胃饥饿素，削弱饱腹感、增加饥饿和热量摄入，长期促进肥胖和T2DM。
3. KHK亚型：结构相似性与差异
KHK属于磷酸果糖激酶B（PfkB）家族/碳水化合物激酶（核糖激酶）家族，为298个氨基酸单体，结构不同于经典己糖激酶。其两个剪接亚型KHK-A和KHK-C在第3外显子不同，导致残基72–115的44个氨基酸差异；序列相似性约90.60%，催化位点高度保守，但可变剪接区影响β-clasp与中央α/β结构域的相对取向。KHK-A广泛表达且对果糖亲和力较低（K
m≈8 mM）；KHK-C主要表达于肝、肾和肠等代谢组织，对果糖亲和力显著更高（K
m≈0.8 mM），故治疗相关性更强。两个亚型催化结构高度保守，使亚型选择性药物设计具有挑战。
4. KHK-C的结构与催化机制
生物相关KHK为同源二聚体，每个单体含中央α/β结构域和β-clasp结构域；中央结构域为Rossmann样折叠，β-clasp作为邻近单体活性位点的“盖”，二聚体界面通过β-片层氢键形成β-clasp并稳定组装。N端富含甘氨酸铰链含两个连续甘氨酸，允许盖结构相对中央结构域移动；ATP结合位点和催化位点位于α/β核心与盖结构域间裂隙，底物结合后盖闭合稳定催化构象。在ATP和镁存在下，KHK将磷酸基加至d-果糖C1位生成F1P；单体A为催化活性单元，Asp258和β-clasp残基Arg108为关键残基，Asp258作为共轭碱夺取果糖1-OH质子形成亲核烷氧负离子，后者攻击由Arg108定位的ATP γ-磷酸；单体B富含甘氨酸环的Asp27B伸入单体A活性位点，距催化中心约6 ?，可能稳定活性位点。
5. KHK-C的治疗意义
KHK在果糖代谢中的中心作用及其对代谢障碍的贡献使其成为有吸引力的靶点；果糖喂养小鼠和肥胖伴脂肪性肝炎患者中KHK表达增加。肝KHK-C选择性敲低可防止果糖诱导的脂肪变性；KHK-A/C双基因缺失完全防止FDMDs，包括肥胖和胰岛素抵抗；但单独删除KHK-A可加重果糖诱导的代谢异常，提示KHK-A可能促进过量果糖清除并限制其经KHK-C代谢。另有研究显示选择性抑制KHK-C而非KHK-A可保护动物。尽管KHK-C是主要治疗靶点，KHK-A和KHK-C缺失的相反效应提示亚型选择性的治疗意义仍需明确；这些发现总体确立KHK-C为药物发现靶点，并推动小分子KHK抑制剂进入临床。
6. KHK抑制剂的发现
6.1 早期先导识别
Johnson & Johnson采用电子密度图引导的片段药物设计（FBDD），在KHK ATP结合位点进行X射线衍射（XRD）引导的片段电子密度分析，发现吡唑-4-羧酰胺片段；片段优化显示S-甲基和N-苯基取代不耐受，XRD提示Asp27B为果糖结合位点关键残基，向该区域扩展吡唑核心获得吲唑骨架（IC
50<5 μM）。随后约800 000个结构多样化合物的高通量筛选（HTS）发现嘧啶并[5,4-d]嘧啶化学型，经基于结构的药物设计（SBDD）获得亚微摩尔化合物，并优化得到对核糖激酶、腺苷激酶和己糖激酶有>50倍选择性的先导物。Pfizer采用核磁共振-饱和转移差谱（NMR-STD）引导FBDD筛选专有片段库，经表面等离子共振（SPR）和XRD优先获得与Gly229、保守水和疏水区相互作用的片段，合并药效团并优化获得具KHK-C选择性、无显著hERG、CYP450和转运体活性的先导物。
6.2 先导优化与临床前开发
Pfizer继续优化并最终获得首个同类（first-in-class）KHK抑制剂PF-06835919，在大鼠和犬中清除率低、口服暴露高（t
1/2=7.71 h，C
max=24 100 ng mL
?1，F=95%），已完成NAFLD/NASH的1期临床。TuoJie Biotech通过修饰极性基团增强与Arg108离子相互作用，获得临床前PK较优的化合物。Eli Lilly从2-(氮杂环丁烷基)-吡啶骨架出发，经吡唑侧链和核心优化获得LY-3522348，具较好总体谱和PK。Boehringer Ingelheim通过BICLAIM库虚拟筛选和3D形状相似性获得氰基吡啶hit，经杂合和延长碱性部分提高效力，但先导物脱靶选择性差；引入酸性功能获得两性离子类似物改善选择性但损害溶解度和渗透性，进一步优化获得BI-9787，hKHK-C IC
50=12.8 nM、HepG2细胞F1P抑制IC
50=123 nM，并对44个无关靶标中除PDE4D2外均>100倍选择性。Gilead Sciences针对PF-06835919药物相互作用（DDI）风险，以截短类似物为起点，利用苯甲酰胺与Asp27B静电作用、氟化环戊基嘧啶和羟基化氮杂环丁烷等优化，发现氮杂环丁烷醇是外排主要因素，改用氟化基团获得GS-1291269，保持效力并改善PK、降低外排比，多物种生物利用度好且无明显脱靶、转运体抑制或DDI。总体而言，先导优化需多参数优化（MPO），在效力、理化性质、选择性、渗透性、代谢稳定性、PK/PD和安全性间平衡。
6.3 临床试验结果
仅PF-06835919和LY-3522348进入临床。LY-3522348的1期单次递增（5–380 mg）和多次递增（50–290 mg）研究纳入65名健康人，t
1/2约24–34 h，呈剂量依赖性果糖代谢抑制，安全耐受，无严重不良事件（AE）。PF-06835919完成广泛1/2期研究：首次人体1期（10–600 mg）显示暴露随剂量增加，t
1/2约11–15 h，果糖挑战后血浆果糖暴露剂量依赖性增加，≥200 mg预测约90% KHK抑制；DDI研究显示对咪达唑仑暴露影响很小、无临床显著CYP3A4诱导；肝损伤研究显示中重度肝损伤暴露增加；日本健康受试者300 mg每日一次第7天AUC
last由169.3升至230.9 μg h mL
?1，t
1/2=14.62 h。NAFLD患者6周2a期研究中300 mg使全肝脂肪相对安慰剂降低18.73%（p=0.04），75 mg不显著，无严重AE。NAFLD合并T2DM患者16周2a期研究中全肝脂肪变化为安慰剂?5.26%、150 mg ?17.05%、300 mg ?19.13%，但HbA
1c改善无统计学意义，提示KHK抑制主要影响肝脂而非血糖控制。部分研究结果未公开。
7. KHK抑制剂开发中的挑战
7.1 临床前到临床的转化差距
KHK抑制在临床前模型强效，但临床效应较弱，可能原因包括种属差异：果糖分解通路保守，但肠道和肝脏果糖处理、果糖转运体组织分布和尿酸代谢不同；小鼠首过肠道果糖代谢能力强，而人类首过肠道和肝代谢不同。果糖暴露差异也重要：临床前模型常接受受控且高剂量果糖，而人类膳食果糖暴露变异大，且果糖可由葡萄糖经多元醇通路内源合成，膳食与内源果糖贡献因患者而异。FDMDs异质性和多因素性亦影响临床反应：患者肥胖、胰岛素抵抗、T2DM、遗传背景、饮食习惯、疾病严重程度和分期不同；除果糖代谢外，胰岛素抵抗、脂代谢改变、线粒体功能障碍、氧化应激、从头脂肪生成和炎症等机制共同参与，故果糖代谢对疾病病理的贡献及KHK抑制反应可能因人而异。
7.2 亚型和组织特异性选择性
KHK-C主要负责快速果糖代谢及相关代谢异常；双KHK-A/KHK-C抑制剂LY-3522348显示药效学靶点结合和可接受耐受性，但KHK-A与KHK-C催化位点高度保守，亚型选择性困难；可变剪接区改变β-clasp/结构域组织，为结构实现选择性提供基础。PF-06835919对KHK-C约6倍选择性，而Ebenhoch等报道的结构不同抑制剂对KHK-A约50倍选择性；遗传研究提示选择性KHK-C抑制可能有益，因KHK-A可能促进果糖清除，但KHK-A还有非经典功能，如促进核苷酸合成、肿瘤生长和心脏重塑，需在亚型选择性抑制剂开发中考虑。目前无强临床证据确立亚型选择性的治疗优势。组织特异性方面，肝KHK驱动果糖诱导脂肪变和代谢功能障碍，肠KHK参与首过果糖清除，肾KHK参与器官间果糖代谢，提示组织特异性靶向联合亚型选择性可能有益。
8. 总结与未来方向
西方化生活方式和高度加工食品消费增加果糖摄入；过量且不受控的果糖代谢促进NAFLD/NASH、T2DM、慢性肾病和其他FDMDs。KHK是果糖代谢关键酶并已验证为有前景靶点；结构不同的KHK抑制剂已从hit推进至临床前/临床阶段。尽管化学型结构复杂度不同且相互作用谱相似，先导优化项目揭示共同挑战：许多体外强效化合物PK不佳，说明仅生化效力不足。未来药物化学应优先多参数优化，平衡效力与理化及ADMET性质、渗透性、转运体外排、靶组织暴露和PK/PD。鉴于亚型和组织选择性挑战，需进一步明确选择性KHK-C抑制是否优于双KHK-A/KHK-C抑制，以及组织特异性靶向能否改善疗效。临床前-临床转化差距要求改进转化模型、合适药效学生物标志物和识别更依赖果糖代谢的患者人群。FDMDs多因素性提示KHK抑制与靶向互补代谢通路的联合治疗可能获益；AI/ML辅助药物化学和设计可扩展化学多样性，加速下一代KHK抑制剂开发。
