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ピリミジンおよび 1,2,4,4-トリアゾロ4,3-アピリミジン系マトリックスメタロプロテアーゼ-10/13 阻害剤の構造に基づいた設計と最適化
Structure-based design and optimization of pyrimidine- and 1,2,4-triazolo[4,3-a]pyrimidine-based matrix metalloproteinase-10/13 inhibitors via Dimroth rearrangement towards targeted polypharmacology.
PMID: 32032847 DOI: 10.1016/j.bioorg.2020.103616.
抄録
近年、マトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）-10および-13に対する関心が高まっており、MMPネットワーク内での関連性や、関節炎、癌、動脈硬化症、アルツハイマー病などの様々な疾患の治療におけるMMP阻害の重要性についての知見が高まっています。このアプローチの中で、MMP-10/13のデュアル阻害は、標的とするポリファーマコロジーのための新しいアプローチとして開示されました。MMP-13 阻害剤はいくつか知られていますが、MMP-10 阻害剤はほとんど報告されていませんでした。本研究では、ポリファーマコロジーに向けて、MMP-10の活性と選択性を高めた新規MMP-10/13阻害剤の設計、合成、最適化を行った。本研究では、ピリミジン系のMMP-10阻害剤を用いたMMP-13阻害剤の設計・合成・最適化を行い、MMP-13と並行してMMP-10の活性を高めるためのピリミジンおよびピリミジン系足場の構造設計を合理化した。まず、6-メチルピリミジン-4-1ヒドラゾン6-10を従来の方法と超音波アシスト法で合成し、MMP-10/13阻害効果を評価した。最も活性の高い誘導体9は、MMP-13に対してMMP-10に対して7倍の選択性（IC=53nM）を示し、許容可能な二重効力を示した。このようなヒドラゾン類を環化して、対応する異性体である1,2,4-トリアゾロ[4,3-a]ピリミジン12-19を合成した。これらのMMP-10/13阻害アッセイでは、ほとんどの場合、対応する前駆体6-10と比較して、一般的なMMP-10選択性を有する優れた二重活性が明らかになった。さらに、同定されたレジオ異性体の中には、5-オキソ-1,2,4-トリアゾロ[4,3-a]ピリミジン誘導体15および16が、それらのレジオ異性体12および13よりもMMP-10/13に対してはるかに高い活性を示すことが明らかになった。驚くべきことに、p-ブロモフェニル誘導体16は最も高いMMP-10阻害作用（IC=24nM）を示し、一方、p-メトキシ誘導体18は最も強力なMMP-13阻害作用（IC=294nM）を示した。さらに、16はMMP-13に対してMMP-10に対して19倍、MMP-9に対して10倍、MMP-7に対して29倍の選択性を示した。このような構造-活性関係とアイソフォーム選択性を合理的に説明するために、ドッキング試験を行った。次に、16および18について、3種類のヒト癌に対する抗癌活性を評価し、MTTアッセイを用いて細胞レベルでの治療効果を評価した。その結果、両化合物はケルセチンに比べて優れた抗がん活性を示した。また、インシリコでのリガンド効率、物理化学的特性、ADMEパラメータは薬物に近いものであった。本研究では、16が最も有望な化合物であることを示すこのような知見に基づき、不活性なトリアゾロピリミジン13を、光照射を媒介としたディムロス転位により、その強力なレジオ異性体である16に転位させることで、さらなる構造最適化を行った。
Recently, interest in matrix metalloproteinases (MMPs) -10 and -13 has been revitalized with the growing knowledge on their relevance within the MMPs network and significance of their inhibition for treatment of various diseases like arthritis, cancer, atherosclerosis and Alzheimer. Within this approach, dual MMP-10/13 inhibition was disclosed as new approach for targeted polypharmacology. While several efficient MMP-13 inhibitors are known, very few potent and selective MMP-10 inhibitors were reported. This study describes the design, synthesis and optimization of novel MMP-10/13 inhibitors with enhanced MMP-10 potency and selectivity towards polypharmacology. Starting with a lead fused pyrimidine-based MMP-13 inhibitor with weak MMP-10 inhibition, a structure-based design of pyrimidine and fused pyrimidine scaffolds was rationalized to enhance activity against MMP-10 in parallel with MMP-13. Firstly, a series of 6-methyl pyrimidin-4-one hydrazones 6-10 was synthesized via conventional and ultrasonic-assisted methods, then evaluated for MMP-10/13 inhibition. The most active derivative 9 exhibited acceptable dual potency with 7-fold selectivity for MMP-10 (IC = 53 nM) over MMP-13. Such hydrazones were then cyclized to the corresponding isomeric 1,2,4-triazolo[4,3-a]pyrimidines 12-19. Their MMP-10/13 inhibition assay revealed, in most cases, superior dual activities with general MMP-10 selectivity compared to the corresponding precursors 6-10. In addition, a clear structure activity relationship trend was deduced within the identified regioisomers, where the 5-oxo-1,2,4-triazolo[4,3-a]pyrimidine derivatives 15 and 16 were far more active against MMP-10/13 than their regioisomers 12 and 13. Remarkably, the p-bromophenyl derivative 16 exhibited the highest MMP-10 inhibition (IC = 24 nM), whereas the p-methoxy derivative 18 was the most potent MMP-13 inhibitor (IC = 294 nM). Moreover, 16 exhibited 19-fold selectivity for MMP-10 over MMP-13, 10-fold over MMP-9, and 29-fold over MMP-7. Docking studies were performed to provide reasonable explanation for structure-activity relationships and isoform selectivity. 16 and 18 were then evaluated for their anticancer activities against three human cancers to assess their therapeutic potential at cellular level via MTT assay. Both compounds exhibited superior anticancer activities compared to quercetin. Their in silico ligand efficiency metrics, physicochemical properties and ADME parameters were drug-like. Guided by such findings that point to 16 as the most promising compound in this study, further structure optimization was carried out via photoirradiation-mediated Dimroth rearrangement of the inactive triazolopyrimidine 13 to its potent regioisomer 16.
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