用于治疗心力衰竭的SERCA2a激活剂的研发

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Development of activators for SERCA2a for heart failure treatments

分子式Ca2?-ATP酶激活剂的结构优化与活性研究揭示芳环取代基、疏脂性及酰胺链构象对SERCA2a功能激活的关键影响，化合物25在微摩尔级 potency下实现ATP酶与Ca2?摄取的双重激活，为心脏衰竭治疗提供新候选药物。

　　
该研究系统探讨了小分子激活剂对心脏 sarcoplasmic/endoplasmic reticulum calcium ATPase 2a（SERCA2a）的活性机制及结构优化策略，揭示了多区域协同作用对酶激活效能的关键影响。研究团队以化合物1（N-芳基-N-烷基-2-甲酰胺基噻吩）为原型，通过超过50种衍生物的合成与功能测试，构建了完整的结构-活性关系（SAR）模型，并成功开发出具有临床转化潜力的候选化合物25。

研究背景方面，SERCA2a作为维持心肌细胞钙离子稳态的核心酶，其活性下降与心力衰竭（HF）的发生发展密切相关。当前临床在用的SERCA激活剂存在代谢不稳定、选择性不足等问题，如CP-154526和Ro 41-0960虽能激活ATP酶但存在钙摄取抑制副作用，而istaroxime等候选药物因毒性或代谢问题尚未进入临床应用。这种技术瓶颈促使研究团队开展系统性SAR研究，旨在开发新型高选择性、低毒性的SERCA激活剂。

在化学合成策略上，团队采用分步构建法：首先通过苯甲醛与胺类底物缩合形成中间体III，再经硼氢化钠还原得到目标化合物。特别注重对芳基取代基的多样性筛选，引入三氟甲基（CF3）和溴原子等强吸电子基团，有效增强疏水相互作用能力。中间酰胺连接子的优化则聚焦于N-烷基链长度的调控，发现丙基（C3）链长最适，既保证氢键供体能力又维持空间构象的刚性。

活性评价体系包含双重功能测试：在钙离子浓度15 μM时检测ATP酶活性，通过比色法量化磷酸化产物生成量；在50 μM高钙浓度下测定钙离子主动摄取效率，采用荧光钙指示剂结合质子转移检测技术。这种双通路验证机制成功排除化合物2中发现的ATPase激活伴随钙摄取抑制的异常现象，确保活性结果的真实性。

SAR分析揭示三个核心作用区域：左端芳基环系统通过π-π堆积与酶活性位点的疏水口袋（ residues 145-152）结合，其中对位取代基（如CF3、Br）的引入使结合亲和力提升3-5倍；中间酰胺链的N-丙基取代既增强与磷酸化位点的氢键相互作用（N-OH与残基159形成二齿氢键），又通过链长控制维持必要的空间弯曲角度（约120°）；右端苯甲基的电子效应调节通过取代基的供电子能力（如甲氧基、异丙基）平衡酶活性位点的电子云密度，确保配体-受体电荷匹配度达最佳水平。

药理性质优化方面，团队创新性地引入亲水-疏水平衡设计：化合物25在保留原有芳基结构的同时，将右端苯环替换为氯代苯基，既维持对位供体基团（Cl取代对位）的电子效应，又通过氯原子的极性增强水溶性（logP值从1.2降至0.8）。这种结构改造使化合物25的细胞活性达到微摩尔级别（EC50=2.8 μM），较原型化合物1提升18倍，同时细胞毒性（IC50=15 μM）降低40%，符合临床候选药物的标准。

药代动力学评估显示，优化后的化合物25在S9代谢稳定性测试中表现出优于前代产品的半衰期（t1/2=4.2 h vs 2.1 h），且经肝酶代谢后仍保持活性构象。体外ADMET分析发现其口服生物利用度（FOD）达38%，显著高于传统药物（通常<10%）。特别值得注意的是，化合物25对SERCA1a的抑制活性（IC50=8.9 mM）较原型提升3个数量级，这得益于N-丙基链的引入产生的空间位阻效应，有效阻断了骨骼肌SERCA的活性位点。

研究还建立了独特的构效关系模型：通过计算流体力学模拟发现，当芳基环的取代基体积（如CF3>Br>Cl）与酶活性位点的疏水腔体匹配度超过75%时，活性提升显著。中间链的键角（X射线结构解析显示113±2°）与酶活性位点的空间曲率完美契合，而N-烷基链的疏水-亲水平衡（疏水度值0.32）恰好匹配跨膜区的极性分布。这种多维度结构优化策略为后续药物开发提供了理论指导。

临床转化潜力方面，团队通过类器官模型和离体心脏灌流实验验证了化合物25的心肌保护作用：在H9c2细胞中诱导的钙超载模型（Ca2+浓度升高至正常值的2.3倍）经处理24小时后，细胞存活率从47%提升至89%，而对照组仅为68%。动物实验数据显示，连续给药14天后， hearts模型中心肌细胞SERCA2a蛋白表达量增加1.8倍，收缩峰值压力从基础值的62%恢复至89%，显示出显著的代偿效应。

研究同时指出现有激活剂面临的共同挑战：多数化合物在低钙浓度（5 μM）下激活效率不足，这可能与酶活性位点的构象变化有关。作者提出通过调节芳基环的共轭程度（如引入硝基取代）增强低浓度下的构象稳定性，这一假设在后续的化合物26（硝基苯基取代）中得到部分验证，其低钙激活活性提升至基线水平的85%。

在机制研究层面，结合表面等离子体共振（SPR）和冷冻电镜技术，首次解析了小分子激活剂与SERCA2a的复合物结构。结构显示激活剂通过三个作用界面参与调控：疏水界面（芳基环与口袋残基的接触面积达420 ?2）、氢键网络（形成4-6个稳定氢键）和离子偶极相互作用（带正电的N-烷基链与带负电的酶活性位点形成偶极吸引）。这种多模态作用机制解释了为何某些化合物在单一结构参数优化后仍能保持高效活性。

最后，研究团队构建了包含18个关键参数的SAR预测模型，涵盖疏水性（logP）、极性（logS）、氢键供体数目、立体匹配度等指标。通过机器学习算法（随机森林模型，AUC=0.92）筛选出具有最佳预测评分（>0.85）的化合物作为候选，其中25号化合物同时满足活性、毒性和药代动力学要求，成为首推的临床候选物。该模型已开源至GitHub（项目编号：SERCA-ML），供学界共享验证。

这项研究不仅完善了SERCA2a激活剂的构效关系理论，更在药物开发流程中建立了创新范式：通过"结构域定向优化-双功能验证-跨模型预测"的三阶段策略，成功将原型化合物1迭代至临床候选25，开发周期缩短60%，同时将代谢稳定性提升至可接受水平。其开发的SAR预测工具已在Nature Biotechnology发表的方法学论文中被引用，为后续靶向酶蛋白的药物设计提供了通用框架。