吡啶-1,3,4-氧二唑衍生物对PI3K-β的选择性抑制：抗癌药理学评估及对PI3K-β靶向作用的分子机制研究

《Bioorganic Chemistry》：Selective PI3K-β inhibition by pyridine-1,3,4-oxadiazole derivatives: Anticancer pharmacological evaluation and molecular insights into PI3K-β targeting

　　

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  设计和合成新型2,5-二取代-1,3,4-噁唑类化合物。
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  化合物5m对PI3Kβ亚型的抑制作用非常强，IC₅₀值为0.066 μM。
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  领先化合物5m在抑制PI3Kβ亚型方面表现优于Pictilisib，并具有显著的选择性。
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  对PTEN缺陷的前列腺PC-3癌细胞显示出强烈的细胞毒性。
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  化合物5m能够显著诱导G1期细胞周期停滞并使细胞凋亡增加11倍。

引言

磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）家族是一类脂质激酶，根据其结构特征和底物特异性被系统地分为三个主要类别（I、II和III）。I类PI3K是最被广泛研究的亚群，它们催化磷脂酰肌醇-4,5-二磷酸（PIP2）在肌醇部分的3位进行磷酸化，从而产生磷脂酰肌醇-3,4,5-三磷酸（PIP3）。作为重要的脂质第二信使，PIP3激活了致癌的PI3K/AKT/mTOR信号通路。它为具有pleckstrin同源（pH）结构域的蛋白质（如磷脂酰肌醇依赖性激酶-1（PDK1）和蛋白激酶B（AKT））提供了定位支架，使这些蛋白质定位于细胞膜。这种共定位使得PDK1能够磷酸化AKT的Thr308位点，随后mTORC2进一步在Ser473位点进行磷酸化。这种双重磷酸化最终导致AKT的完全激活，促进癌细胞生长和存活（见图1）。该信号通路的稳态在质膜上受到PI3K（作为正调节因子）和磷酸酶ten?同源物（PTEN，作为负调节因子）的作用的严格控制。后者会去磷酸化PIP3，从而减少下游激酶的激活并抑制异常细胞增殖[1]、[2]。

I类PI3K进一步划分为IA类（PI3K-α、-β和-δ），通常由受体酪氨酸激酶（RTKs）、G蛋白偶联受体（GPCRs）或RAS激活；而IB类（PI3Kγ）则仅由GPCRs调节。在人类癌症中，IA类酶常常以p85调节亚单位和p110催化亚单位的异二聚体形式存在。基因PIK3CA、PIK3CB和PIK3CD分别编码p110α、β和δ催化亚单位[3]。

1,3,4-噁唑骨架在PI3K抑制剂开发中引起了广泛关注，已有几种衍生物显示出抑制活性和潜在的抗癌应用。例如阿斯利康开发的AZD8835是一种代表性的1,3,4-噁唑类PI3K抑制剂，它主要针对PI3K-α和PI3K-δ，在一项针对实体瘤患者的I期临床试验中进行了研究（ClinicalTrials.gov标识符：NCT02260661）[7]（见图2a）。其临床评估表明了含噁唑化合物的转化潜力，尽管其对亚型的选择性并未直接解决选择性抑制PI3K-β的需求。此外，葛兰素史克有限公司专利了一系列4-(1,3,4-噁唑-2-yl)-1H-吲唑衍生物作为PI3K抑制剂，包括代表性化合物I（见图2a）（WO2010102958A1）[8]。这些先例证实了含噁唑化学结构类型在PI3K抑制剂设计中的重要性。然而，吡啶-1,3,4-噁唑-2-胺骨架实现PI3K-β选择性的潜力还需要系统研究。开发选择性PI3K抑制剂需要了解调控配体识别的结构特征。I类PI3K包含一个催化p110亚单位，IA类酶还包括一个调节亚单位p85。催化亚单位p110α、p110β和p110δ属于IA类，而p110γ属于IB类。p110亚单位包含多个功能不同的结构域，包括适配器结合域（ABD）、Ras结合域（RBD）、C2域、螺旋域和催化激酶域。催化亚单位和调节亚单位之间的相互作用调节了PI3K的活性（见图2b）。尽管I类亚型在结构上有很大同源性，但它们结合位点的差异为设计具有不同亚型选择性的化合物提供了机会[9]。

为了探究这些机会，我们使用X射线晶体学方法比较了PI3K-α和PI3K-β分别与alpelisib和SAR260301形成的复合物的激酶结构（见图2c和d）[2]、[7]、[10]。Alpelisib是一种基于5-(吡啶-4-yl)-噻唑的FDA批准药物，有助于理解PI3K-α结合口袋中的配体识别机制，而SAR260301则作为PI3K-β抑制剂结合的结构参考。现有结构显示了两个结合位点在化学环境和相互作用模式上的差异。研究发现，在PI3K-α的情况下，选择性主要归因于谷氨酸残基与末端富电子基团形成的强氢键，这是Alpelisib等α选择性抑制剂的一个共同特征（见图2c）。这种双齿相互作用提供了其他亚型所缺乏的显著电子互补性，从而对PI3K-β、δ和γ具有高度选择性。相反，PI3K-β的选择性受到结合口袋中色氨酸、赖氨酸和甲硫氨酸残基形成的疏水环境的影响，这种环境适合疏水取代基（见图2d）。像SAR260301这样的抑制剂利用了这种疏水特性，通过面对面芳香相互作用和疏水接触增强了对β亚型的选择性。

基于这些结构和含噁唑PI3K抑制剂的先例，我们设计了一系列基于吡啶-噁唑化学结构的新衍生物，以生物等效方式模拟已知抑制剂。此外，我们还在骨架的两端引入了末端（未）取代的苯基团，以利用PI3K-β活性位点中的疏水腔，目的是实现选择性抑制。核心研究问题是这种化学结构是否能在相关癌细胞模型中提供优先抑制PI3K-β的效果并保持生物活性。因此，本研究探讨了这些衍生化合物的合成和生化评估，表征了它们的细胞抗癌活性，并通过计算分析探索了可能的结合相互作用，从而阐明了观察到的活性特征。通过整合分子设计、实验评估和结构分析，本研究评估了吡啶-1,3,4-噁唑-2-胺骨架作为开发优先抑制PI3K-β抑制剂的候选框架的潜力。

章节片段

合成路线

图1展示了用于获得目标化合物N-苯基-5-(6-苯基吡啶-3-yl)-1,3,4-噁唑-2-胺类似物(5a-m)的合成途径。首先，将市售的甲基6-溴代烟酸(1)在碱性条件下与各种苯硼酸衍生物偶联，生成甲基6-(取代)苯基烟酸衍生物(2a-c)。随后，2a-c经过肼解反应生成6-(取代)苯基烟酰胺肼衍生物(3a-c)。

结论

总之，我们成功开发了一系列作为强效且选择性PI3K-β抑制剂的1,3,4-噁唑衍生物。候选化合物5m对β亚型表现出强烈的选择性，在体外实验中对PTEN缺陷的癌细胞系显示出显著的抗增殖活性。细胞研究进一步表明5m能够抑制PC-3细胞的增殖，同时伴随着G1期的细胞积累和Annexin的增加

化学

所报告的熔点未经校正，是用DMP100熔点仪测定的。¹H和¹³C核磁共振（NMR）谱是使用Bruker Avance III 400 MHz光谱仪记录的。高分辨质谱（HRMS）数据是用Advion compact质谱仪获得的。质子 nucleus carbon（CN）分析是在开罗大学的Microanalytical Center使用PerkinElmer 2400 CHN元素分析仪进行的。化学品和溶剂来自Sigma Aldrich、Acros或Fisher公司

CRediT作者贡献声明

Ragaa Y. El-Mahdy：撰写——初稿、可视化、验证、研究、形式分析。Sylvain Henrion：撰写——审阅与编辑、验证、研究、概念化。Anne Boussonnière：撰写——审阅与编辑、概念化。Anne-Sophie Castanet：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、资金获取、概念化。Reem K. Arafa：撰写——审阅与编辑、项目管理。

未引用参考文献

[12], [13], [15], [16]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

RKA感谢ASRT通过IMHOTEP 2023资助计划对该项目的支持。ASC感谢法国外交与欧洲事务部以及法国高等教育和研究部的财政支持，后者通过Hubert Curien计划（PHC IMHOTEP，资助编号：

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