诺华SHP2变构抑制剂TNO155(Phase Ib)的发现

背景

SHP2磷酸酶由PTPN11基因编码，参与多种致癌细胞信号级联反应，是第一个报道的致癌磷酸酶，在努南综合征（50％）、青少年骨髓单核细胞白血病（JMML，35％）、骨髓增生异常综合征（10％）、B细胞急性淋巴细胞白血病（7%）及固体瘤（肺癌、结肠癌、神经母细胞瘤、黑色素瘤、肝癌）中PTPN11的种系或体细胞突变将导致SHP2过度活化。

SHP2直接使RAS脱磷酸化，从而增强其与效应蛋白RAF的结合，从而激活下游MEK/ERK信号通路。

研究显示KRAS突变癌特别是KRAS^G12C对SHP2和RTK具有依赖性，特别的，KRAS突变型非小细胞肺癌在体内依赖于SHP2活性。

同时靶向SHP2和KRAS^G12C可以减弱药物诱导的免疫逃逸，增强抗增殖和抗肿瘤作用。此外，PTPN11的基因缺失在突变KRAS驱动的癌症模型中显着抑制了肿瘤的发展。这些发现为单独研究SHP2抑制作用或与其他靶向疗法（例如KRAS抑制剂）联合使用提供了理论基础。

除上述细胞自主机制外，SHP2还参与程序性细胞死亡（PD-1/PD-L1），抑制PD-1或SHP2可能恢复Th1免疫和T细胞活化，从而逆转肿瘤微环境中的免疫抑制作用。鉴于PD-1和PD-L1抗体的治疗方法在临床上取得了巨大成功，因此研究以小分子方式抑制SHP2对癌症免疫治疗也引起了业界的广泛兴趣。

在结构上，SHP2磷酸酶包含两SH2域，一个PTP域和一个C末端。晶体结构显示，SHP2在其基础状态下具有自动抑制的构象，其中N端SH2域与PTP域相互作用并阻止其进入催化位点。双磷酸酪氨酰肽（例如IRS-1）或蛋白与SHP2的SH2域结合并激活磷酸酶，从而赋予癌症依赖性。

SHP2中的激活突变是致癌的，主要发生在N-SH2：PTP界面。X-射线晶体学、X射线小角度衍射及生化实验阐明了与癌症相关的SHP2变体（例如E76Q、F285S、S502P、D61V、E76K等）的结构和机制特征，而这些变体在N-SH2：PTP界面内均有突变。

像许多磷酸酶一样，早期的药物发现工作集中在正构位点。然而，许多报道的磷酸酶活性位点抑制剂通常具有低效价，低选择性和较差的药物特性。这主要是由于磷酸酶活性位点的高度保守、极性和带电环境。因此SHP2变构抑制剂的研究逐渐引起了众多研究者的兴趣。

优化

基于高通量筛选，诺华的研究人员在1.5M化合物中得到SHP836（2）作为苗头化合物。

固定化合物2哌嗪部分，替换左侧芳香环，发现二氯取代活性最佳，因为氯有效填充了由残基R111，T253，L254，Q257和Q495形成的疏水口袋。

接下来，研究者固定二氯苯环部分，替换右侧的哌嗪部分（哌嗪部分占据了变构结合口袋的极性区域：F113，H114，E249，E250，T218等），且暴露在溶剂（水）区域。因此，将胺向这些极性残基延伸产生了新的相互作用，抑制活性得到显著提高。

基于优选的二氯苯环和胺取代部分，研究者进一步替换中间的嘧啶环。其中吡嗪环活性最佳，而氨基的移除导致活性的显著降低。

在食道癌模型KYSE-520（p-ERK IC₅₀ = 0.250μM;抗增殖活性IC₅₀ = 2.5μM）中，SHP099（10）显示适中的SHP2抑制作用。10具有优良的水溶性、选择性和口服生物利用度，在鼠癌异种移植模型中证明有效。此外，10也增加了肿瘤中CD8⁺IFN-γ⁺ T细胞的数量，减轻了CT-26荷瘤小鼠的肿瘤负荷，并与PD-1阻滞起协同作用。

然而，在体外3T3 NRU光毒性测试中，10被证明是具有光毒性的，并呈现剂量依赖性。光毒性可能与发色团的扩增有关（强烈的UV/vis吸光度，E_max352 nm = 14300 M^-1 cm^-1）。

此外，大鼠使用10治疗2周后，肝和库普弗细胞发生了空泡化（磷脂沉积）。10也显示了较高的hERG抑制，可能具有心脏毒性。

研究者分析这些安全性风险可能归因于较高的Vdss（大鼠，7 L / kg）及pKa（9.5）。

除了安全隐患外，10与其他临床使用的RTK和MAPK抑制剂相比抑制作用也较差。因此，有必要对其进行进一步优化，改善其抑制作用及安全性，同时保持其理想的理化性质和选择性。

氮杂苯并咪唑18来源于其他的高通量筛选过程，其微弱抑制SHP2（47μM）。

18与SHP2的结合模式与10类似，其氮杂苯并咪唑环系统与10的哌嗪基序占据了相似的空腔位置。18的吡啶环通过H-键相互作用致使R111与二氯苯基形成π阳离子堆叠相互作用。

明显不同于10的是18的硫醚。与10相比，芳基-S-芳基桥的中心环平面偏差约为65°。此外，18中的S原子使二氯苯环移位了约1.6Å。基于此，研究者将硫醚结构转移至吡嗪系列，并探索该变化对抑制活性的影响。

其中活性最佳的二氯硫醚类似物24活性略高于10（可能由于S与R111，T153，L254，Q255，P491形成的口袋发生了疏水相互作用）。然而，S接头的疏水性对理化性质（例如，溶解度= 0.007 mM；log P = 3.6，log D（7.4）= 1.1）和选择性（hERG IC50 = 2.8μM）具有不利影响。

24和SHP2的共晶结构显示出与以前在10和18中观察到的相似的结合模式。二氯苯环与R111发生阳离子-π堆积相互作用，吡嗪苯胺与E250形成氢键，4-甲基哌啶-4-胺部分朝向口袋末端的极性残基，与E249、F113和结构水形成氢键。值得注意的是，结构水与T108、E110和T253进一步形成相互作用。

这些远端相互作用增加了延伸胺片段以置换结构水并与蛋白质形成直接相互作用的可能性（T108、E110或T253）。

因此，研究者在末端胺引入一个亚甲基，活性相比24提高约2倍，然而亲脂性较高，hERG抑制较大。替换间位和邻位取代基（相对于S）不会影响效价，引入其他杂原子可控制亲脂性。

由于胺在硫醚存在下的延伸可以适度增加活性（2-3倍），因此研究者接下来通过环化探索了延伸胺的构象稳定性。

SAR显示环化修饰并未显著提高激酶抑制活性，然而，细胞效力显着提高，并且在杂环化系统中引入杂原子可改善化合物理化性质。

综合评估抑制活性及理化特性（hERG抑制、亲脂性、细胞渗透性等），研究者优选出化合物1（TNO155）。

化合物1（TNO155）高度可溶（0.736 mM），具有中等亲脂性（log D（7.4）= 0.6）、高亲脂性效率（>6），低hERG活性（IC50> 30μM）和高选择性。

TNO155在受试物种中均观察到：中度至低清除率、较快的T_max（0.8-2.0 h）、中度血浆蛋白结合（61-81％）、高口服生物利用度（F= 60-100％）。这些观察结果与微粒体和肝细胞中良好的理化性质（高溶解度，渗透性）和较低的体外CL值一致。此外，化合物1未对CYP3A4、2D6或2C9产生明显抑制作用。

在EGFR驱动的食管癌异种移植模型KYSE-520中。TNO155表现出明显的剂量依赖性抗肿瘤活性，10-20 mg /kg一天两次给药，体重未见减轻。最为重要的是，TNO155在体外3T3 NRU光毒性测试中显示阴性（PIF = 1.5；辐射下IC50为666μM），改善了化合物10的光毒性。

总结

SHP2是由PTPN11基因编码的非受体蛋白酪氨酸磷酸酶，通过MAPK信号通路参与细胞生长和分化。SHP2在程序性细胞死亡通路（PD-1 / PDL1）中也起着重要作用。作为癌蛋白及潜在的免疫调节剂，调控SHP2活性具有极高的临床治疗意义。

参考文献

Matthew J. LaMarche, et al. Identificationof TNO155, an Allosteric SHP2 Inhibitor for the Treatment of Cancer. J. Med.Chem. 2020. DOI: 10.1021/acs.jmedchem.0c01170