螺环化合物是指两个单环共用一个碳原子的多环化合物；共用的碳原子称为螺原子（如图1）。螺环布局与单环布局大概立体的芬芳布局相比，拥有更大的空间三维布局；杂环螺环布局也被看成某些基团的生物电子等排体，在肯定水平上改动药物分子的水溶性、亲脂性、上风构象和ADMET性子，使优化后的药物分子更容易成药。因而，螺环化合物在药物研发中占有十分紧张的位置。差别尺寸和环系的螺环具有丰厚的三维平面布局，从而提供了改进药效的大概性和药物专利的创新性；既可以打破现有药物的专利，又能设计全新布局大概骨架的小分子化合物。

图1. 复杂的螺环布局

实在，在天然界中螺环布局化合物普遍存在，无论是从动动物、微生物，照旧海绵中分散失掉的自然产品，都有林林总总[lín lín zǒng zǒng]的螺环布局。最早被分散的螺环自然产品之一的β-vetivone，是由Pfau和Plattner在1939年在香草油中分散失掉的具有芬芳气息的二萜类化合物，被普遍用于香水、香皂和化装品中。已上市药物中，也有许多含有螺环布局的药物小分子，好比利尿剂螺旋内酯固醇（Spironolactone）和抗真菌药物灰黄霉素（Griseofulvin）。（如图2）

   图2. 含有螺环结构的自然产品和已上市药物

螺环布局的发明与分解曾经凌驾50年，尤其是迩来，越来越多的布局庞大的螺环类自然产品被迷信家分散、判定与分解；同时，分解化学家也分解了多种多样的布局新鲜的螺环化合物用于药归天学研讨中。螺环化合物由于含有绝对拥堵的季碳中心，因而这类四代替的化合物的分解十分具有应战性。现在，分解化学家们开展了许多分解办法来构建螺环化合物，依据反响范例举行分类，螺环分解的办法大抵有烷基化反响、基于过渡金属催化反响、双代替化合物的关环反响、自在基环化反响、环加成反响、重排反响等（如图3）。

       图3. 双环[3.1.0]己烷布局不合错误称分解办法.

螺环化合物分解的另一浩劫点在于构建季碳中心的同时，还要思索官能团的兼容性，而且后续在螺环上进一步引入官能团也绝对难。除此之外，关于构成的季碳手性中心的不合错误称控制也非常具有应战性。受害于手性催化的飞速开展，无机化学家们报道了越来越多的经过不合错误称过渡金属催化和手性无机小分子催化来构建手性螺环化合物的例子，这一范畴获得了飞速开展。

▼螺环布局增长化合物活性、进步生物使用度

丙型肝炎病毒（Hepatitis C Virus, HCV）属于黄病毒科肝炎病毒，其基因组为单股正链RNA，编码的卵白质为布局卵白（包罗中心卵白Core和包膜卵白E1、E2）和非布局卵白（NS2、NS3、NS4A、NS4B、NB5A、NS5B）。HCV病毒可惹起肝炎、肝硬化和肝癌等一系列肝脏疾病；慢性化几率较高，约有20%的慢性丙肝患者会开展为肝纤维化和肝硬化，一局部患者终极将开展为肝癌。迷信家们研讨发明非布局卵白NS5A在HCV复制周期的多个关键发扬偏重要作用，到场HCV病毒的复制，组装和排泄，因而NS5A卵白作为HCV靶标惹起科研机谈判浩繁药企的存眷。遭到百时美施贵宝的对称布局的双咪唑联苯类克制剂达卡他韦（Daclatasvir）的启示，2014年，美国吉祥德公司迷信家们分解了一系列对称和非对称布局的苯并咪唑类克制剂，发明先导化合物1与达卡他韦活性相似，GT1a和GT1b的EC50值辨别为56 pM和4 pM（如图4）。进一步布局优化发明，假如将化合物1中的吡咯环改革成氮杂螺环[2.4]庚烷布局的雷迪帕韦（Ledipasvir），其活性又可以进步靠近一倍，GT1a和GT1b的EC50值辨别为30 pM和4 pM；卵白校正后GT1a和GT1b的EC50值辨别为210 pM和27 pM；卵白联合位移是6.7倍，克制活性比吡咯烷化合物1更优。同时，雷迪帕韦在人血清和复制子实验的细胞培育液中均具有较高的卵白联合。                                                                                                          

雷迪帕韦不但具有高的复制子克制活性，还展示了精良的生物使用度和较长的半衰期（鼠、狗、猴体内4.7-10.3小时），以及较低的展望人体扫除率（0.012 L/h/kg）（如图5）。在对大鼠和狗举行的14天毒理学研讨中，没有发明雷迪帕韦发生分明的不良后果。

  图5. 雷迪帕韦植物模子研讨

2014年10月10日，FDA同意了名为哈维尼（Harvoni）的复方产品（雷迪帕韦/索非布韦牢固剂量组合片剂）用于1、4、6型丙肝的医治，治愈率高达99%，反作用[fǎn zuò yòng]也比其他丙肝医治药物小许多。组合中，雷迪帕韦的作用是克制紧张的HCV病毒NS5A卵白；而索非布韦被代谢成三磷酸尿苷模仿物，经过NS5B聚合酶掺入RNA，作为RNA链停止子。

▼螺环布局进步克制选择性和生物使用度

糖尿病（Diabetes）是一种因遗传要素、情况要素等多种缘故原由惹起的以高血糖为特性的满身性代谢性疾病。据国际糖尿病同盟（IDF）的最新统计，环球糖尿病在20-79岁成年人中的抱病率为8.3%，此中80%在中等和低支出国度。传统降糖药物的作用机制包罗增补胰岛素、促进胰岛素排泄、改进胰岛素抵挡、促进葡萄糖使用等；随着迷信家们对糖尿病心理病理学的深化研讨，发明肾脏近曲小管中的钠-葡萄糖转运卵白（Sodium-glucose linked transporters, SGLTs）对维持血糖波动起着要害作用。血糖次要是经过SGLT1和SGLT2重吸取，然后由SGLTs受体转运进入血液。SGLT1是一种高亲和力、低容量的钠-葡萄糖/半乳糖转运卵白，卖力约10%的葡萄糖重吸取，同时卖力对饮食葡萄糖的正常吸取。特异性克制SGLT1可以增加葡萄糖吸取，但会伴有胃肠道不良反响乃至是致命的腹泻。SGLT2是一种低亲和力、高容量的钠-葡萄糖转运卵白，卖力约90%的葡萄糖重吸取，特异性克制SGLT2可以无效阻断近端小管对葡萄糖的重吸取并经尿排挤多余的葡萄糖。正由于大局部从肾小球滤过的葡萄糖次要经过SGLT2重吸取，因而SGLT2选择性克制剂成为降糖药物研讨的抢手靶点。

根皮苷（Phlorizin）是1853年从苹果树根皮中提取的葡萄糖基二氢查尔酮类化合物，生物活性测试体现出进步胰岛素敏理性、低落血糖的作用，是第一种被发明SGLT竞争性克制剂。但是根皮苷在体内易被糖基水解酶水解，生物使用度低，以及同时克制SGLT1招致肠道葡萄糖和半乳糖吸取不良等缘故原由，没有被进一步开辟。日本中外制药公司将Phlorzin举行布局改革，制备失掉氧杂螺环[4. 5]癸烷化合物托格列净（Togoflozin），其SGLT2克制活性到达2.9 nM；SGLT2/SGLT1选择性高达近3000倍，较阿斯利康的达格列净（Dapagliflozin）高了5倍（如图6）。

图6. 托格列净、达格列净、根皮苷布局式和活性数据

接着，药归天学家观察了苯环上的代替基关于克制活性和选择性的影响，发明R1被烷基代替、R2未代替的几个候选化合物的选择性都高达3000，进一步观察其口服生物使用度，发明Tofogliflozin在正常ICR小鼠中抵达75%，猕猴模子中高达85%，较其他候选化合物都良好许多（如图7）。

  图7. 苯环代替基关于活性的影响    

因而，2015年日本厚生休息省同意了Topagliflozin上市，其在低落血糖的同时还能加重体重，亦不存在分明反作用[fǎn zuò yòng]；表现出的精良潜力大概能为糖尿病患者带来福音，但仍需更大范围样本的研讨来进一步明白其疗效与危害。与此同时，美国、欧盟等地也审批经过了达格列净、卡格列净、艾帕列净等SGLT2选择性克制剂上市，为宽大糖尿病患者带来了更多的选择。

▼螺环全新布局进步半衰期、打破原研专利

肿瘤患者化疗招致的恶心吐逆（CINV）是罕见的不良反响，乃至招致患者代谢混乱、养分不良，影响其生存质量和医治允从性。神经激肽家属包罗NK-A，NK-B和P物质，其受体分为三种亚型NK-1，NK-2和NK-3。进一步研讨发明NK-1受体在脑构造中高度表达，神经激肽-1受体拮抗剂可以经过与大脑中的NK-1受体高选择性的联合，拮抗P物质来发扬成效；对化疗惹起的恶心和吐逆，尤其是对急性、耽误性吐逆具有精良的控制结果，别的还具有很好的抗烦闷、抗发急作用。美国默克公司的阿瑞匹坦（Aprepitant）是第一个上市的NK-1受体拮抗剂（如图8）

                     图8. 阿瑞匹坦和Rolapitant的布局式和活性数据       

另一家美国公司先灵葆雅发明了氮杂螺环[4. 5]癸烷化合物Rolapitant展示了高效的NK-1选择性，其与NK-2和NK-3受体选择性大于1000倍；其NK-1克制Ki值为0.66 nM（如图8和9）。[7]与其他具有CINV医治作用的NK-1克制剂相比，Rolapitant对CYP3A4无克制作用，消弭了与CYP3A4底物协同利用时的挂念。别的，Rolapitant是一种半衰期绝对较长（7.5天）口服活性药物，为基于单一和化疗前的医治提供了潜伏的时机。

         图9. Rolapitant的NK受体克制活性

在三个触及承受中度致吐化疗（MEC）和高度致吐化疗（HEC）的大型临床实验中，受试者利用Rolapitant与格拉司琼（Granisetron）和地塞米松（Dexamethasone）团结医治，与仅承受格拉司琼和地塞米松医治的受试者相比，受试者的完全缓解有明显改进。2015年9月，美国FDA同意了Rolapitant的上市请求，团结利用其他止吐剂用于防备与致吐性肿瘤化疗首次或屡次医治相干的迟发性恶心及吐逆。

▼螺环布局改进药代动力学性子，进步成药性

随着社会经济的开展和生存程度的进步，瘦削正在全天下范畴内敏捷盛行，成为令人担心的环球性安康题目。发生瘦削的心理病理机制次要是能量代谢不屈衡，摄入热量大于人体斲丧热量；脂肪分解增长是瘦削症（Obesity）的物质底子。近些年来，迷信家们反抗瘦削症的生物靶点举行了体系性研讨，包罗中枢体系调控的饱腹和饥饿调治体系等等；此中，玄色素收集激素（Melanin concentrating hormone, MCH）及其受体惹起了研讨者的普遍兴味。在哺乳植物中，MCH次要在下丘脑的侧部和未定带的神经细胞中表达天生，其生物活性是经过位于中枢神经体系的G卵白偶联受体来调治。迷信家已发明两个MCH受体亚型，辨别是玄色素收集激素受体1（MCHr1）和玄色素收集激素受体2（MCHr2）。此中，MCHR1到场到对食品摄入的神经元调治之中，并对饮食和能量均衡具有调控作用；而MCH次要是经过与受体MCHr1的联合而发扬作用。因而，MCHr1拮抗剂在医治瘦削疾病方面具有正作用和优美的远景；同时具有肯定的抗发急和抗烦闷的作用。

美国百时美施贵宝的药归天学家经过高通量挑选的办法发明了苗头化合物2。[8]深化研讨发明，化合物2含有两个苯环和一个碱性的氨原子，一共三个hERG药效基团，hERG通道的IC50值到达5.5 μM。固然在麻醉的豚鼠体内没有发明急性心血管病症，但增加hERG通道作用被以为是该苗头化合物必要改进一个参数。之后颠末构效研讨发明，将吡咯环片断改革成螺环[3.3]庚烷的化合物AZD1979，其克制活性到达纳摩尔级别（Ki MCHr1 (GTRgS)= 5.2 nM; Ki MCHr1 (Bonding)= 12.2 nM）；hERG通道的IC50值增加到22 μM（如图10）。

    图10. 苗头化合物2和AZD1979的布局式和活性数据

进一步研讨发明AZD1979具有精良的药物代谢和药代动力学特征，在DIO小鼠模子（Diet-induced obese mice）中口服给药后，对体重加重有明显结果（如图11）。2014年，这一MCHr1拮抗剂AZD1979展开了临床I期的宁静性研讨，将来有大概作为医治瘦削、烦闷和发急症的一款医治药物。

      图11. AZD1979的药代动力学数据

▼螺环布局进步hERG通道选择性，增长成药性

卵白质中酪氨酸残基的磷酸化与去磷酸化是调控细胞信号转导通路的要害。酪氨酸磷酸化是由卵白酪氨酸激酶（PTKs）和卵白酪氨酸磷酸酶（PTPs）协同作用，关于大局部细胞历程的信号调控至关紧张。PTKs和PTPs均衡的混乱会招致酪氨酸磷酸化作用产生非常，从而会惹起包罗肿瘤在内的多种人类疾病。SHP2属于卵白酪氨酸磷酸酶（PTPase）家属成员之一，具有很多紧张的生物学功效，到场多种致癌细胞信号级联；SHP2在步伐性细胞殒命通路（PD-1/PD-L1）中发扬紧张作用，到场免疫反省点通路调治，有助于免疫逃逸。SHP2的紧张性在一个大型的基因敲除实行中被发明。诺华的研讨职员以390团体类癌症细胞系为工具，逐一敲除了7500个基因（简直是三分之一的人类基因组），来察看细胞呈现的题目。该研讨小组发明了一个惊人的形式：在一个或多个酪氨酸激酶受体有改动的细胞中，SHP2的低落让癌细胞简直“残废”，也便是说癌细胞的生活依赖于SHP2。

诺华制药公司的迷信家发明了两个新的具有SHP2克制活性的变构联合位点，同时经过高通量挑选的办法取得了3个具有潜力，选择性的口服克制剂。经过这3个克制剂与SHP2变构口袋的共晶布局剖析（如图12），药归天学家设计分解了吡唑并嘧啶酮类化合物3，其SHP2生归天学克制活性到达0.067 μM；SHP2调治的ERK激酶磷酸化克制活性到达0.746 μM。[9]化合物3与SPH2变构联合口袋的共晶布局剖析，证明布局中触及的药效团模子到场一切的卵白与配体的互相作用。进一步药代动力学实验表现，化合物3具有可承受的PK性子，其老鼠的口服使用度到达25%，扫除率为34 mL/min/kg；hERG通道克制活性IC50值是0.200 μM。

          图12. 苗头化合物3和SPH2的共晶布局

由于吡唑并嘧啶酮类化合物3具有肯定的成药性，在此布局底子上，药归天学家关于4-氨基哌啶环举行布局改革，设计分解了一系列螺环[4.5]癸烷，发明了先导化合物SHP389，其SHP2生归天学克制活性到达0.036 μM；SHP2调治的ERK激酶磷酸化克制活性进步到0.036 μM；抗增殖活性从4.76 μM进步到0.36 μM，hERG通道克制活性IC50值是17.0 μM（如图13）。

  图13苗头化合物3和先导化合物SHP389的布局式和活性数据      

在细胞程度上，螺环布局SHP389乐成地均衡了生归天学克制活性和hERG选择性。但是SHP389终极未能证明其具有充足良好的口服生物使用度，来支持药代动力学和药效动力学实行以及肿瘤疗效研讨。综上所述，药归天学家发明5,6-稠环和螺环[4.5]癸烷的布局是无效进步hERG通道选择性的布局挑选战略，可以作为进一步布局优化的底子。

与此同时，诺华公司另一个团队联合两个苗头的化合物药效基团，设计了氨基嘧啶酮类化合物4，其具有与苗头化合物类似的克制活性（IC50 = 0.105 μM）；低落的亲脂性（clog P= 1.9）和进步的亲脂性服从（LipE= 5.1），使其体内的药物性子改进许多。[10]接着，他们在布局中两个芳环布局两头引入硫原子，构成硫醚化合物5，在生化和细胞剖析中发明，其克制活性更高（IC50 = 0.012 μM）；细胞才能进步许多，SHP2调治的ERK激酶磷酸化克制活性到达0.049 μM；抗增殖活性到达0.273 μM，hERG通道克制活性IC50值是6 μM（如图14）。这些优秀的后果提醒药归天学家们，嘧啶酮中心骨架=可以作为将来布局优化的根本骨架。

图14. 苗头化合物4, 5和先导化合物SHP394的布局式和活性数据

接着，诺华的药归天学家们以氨基嘧啶酮作为中心骨架，关于芳基片断和氨基片断举行挑选，发明芳基片断为2-三氟甲基吡啶，氨基片断为氮杂螺环[4.5]癸烷布局化合物SHP394，其SHP2生归天学克制活性到达0.023 μM；SHP2调治的ERK激酶磷酸化克制活性进步到0.018 μM；抗增殖活性到达0.297 μM，hERG通道克制活性IC50值凌驾30 μM（如图15）。其在小鼠和老鼠的肝微粒体中，表现了低的扫除率（Clint = 7.9−11.1 μL/min/mg; T1/2 > 2 h）；在鼠的药代动力学研讨展示了低的扫除率（Clint = 21 μL/min/mg; T1/2 > 10.9 h）和中等的口服表露与口服使用度。因而，氨基嘧啶酮类化合物SHP394及其相似物作为可选的先导化合物，是一类潜伏的、选择性的、口服克制剂，为以后研讨SHP2在信号转导和人类疾病中的多方面作用提供了无效信息。

 图15. 氨基嘧啶酮骨架布局的构效干系研讨

固然到现在为止开辟最普遍的螺环支架多数触及的是5元环和6元环，但药归天学家以为在将来将看到更多的螺环系列被开辟，包罗更多的4元环和7元环。即便在spiro[3.3]环系中，其多样性也比通常以为的要大得多。要充实发扬螺旋环的潜力，还必需有才能控制螺旋环上的多个平面中心。由于在一个贸易药物发明的情况中，触及多个平面中心的化学研讨大概黑白常有应战的。种种妥当的分解办法在学术界的开展，以及分解砌块的贸易可用性，将减速平面化学庞大螺环在药物发明中的使用。