引言
肿瘤发生与免疫逃逸密切相关，免疫治疗已成为重要的肿瘤治疗方法之一。吲哚胺2,3-双加氧酶1 (indoleamine 2,3-dioxygenase 1，IDO1）是介导肿瘤免疫逃逸的代谢酶。阻断IDO1通路有望改善传统疗法的抗肿瘤效果，目前已有许多IDO1小分子抑制剂的报道，尤其是Incyte公司和New Link公司的药物研发团队研发出的IDO1抑制剂在Ⅰ期、Ⅱ期临床试验中取得了一定的疗效，但尚未有FDA批准的IDO1小分子抑制剂。
先睹为快
靶点
IDO1：吲哚胺2,3-双加氧酶1（PDB ID：2D0T）
数据库
ZINC15数据库（820万个小分子）
计算方法
分子对接
SAR
分子动力学模拟
计算软件
QUACPAC、OMEGA2、Chemgauss4、Schrödinger LLC、PyMOL
计算流程
作者基于分子对接的方法对ZINC15数据库中820万个小分子进行了筛选，从eMolecules购买其中打分较高，结合模式合理的50个分子，实验测试发现7个活性分子，其中化合物10具有最好的IDO3抑制活性，其IC50值为16 nM。作者以化合物10的结构出发，在SAR研究结果的指导下发现了一类新的有效的苯并咪唑衍生物类IDO1抑制剂，与已知的IDO1抑制剂相比，它在化学结构、活性部位的位置、合成的可行性和特异性等方面都表现出了独特的特征。
基于结构的虚拟筛选
作者通过分子对接方法对ZINC15数据库中820万个小分子进行了虚拟筛选，使用预测的结合能对结果进行排序，并去除重复项。排名最靠前的500个分子通过肉眼观察和评估它们在IDO1活性位点的结合模式。选择了50个化合物进行了生物活性测试，其中7个活性最好的化合物的IC50值在4.4 µM 到0.0016 µM之间，这7个化合物具有不同的结构类型，最有效的化合物为苯并咪唑衍生物-化合物10。
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在该研究团队之前的研究中发现大多数IDO1抑制剂的特征是利用与血红素铁的配位以及与口袋A和口袋B的结合模式，口袋A是位于铁-血红素的第六配位位点上方的一个大的亲脂性口袋，口袋B是位于结合位点入口的亲脂区，而苯并咪唑衍生物类小分子与IDO1具有特殊的结合模式。分子对接揭示了化合物10与IDO1的可能结合模式：苯并咪唑基团容纳在口袋A(Tyr126，Cys129，Val130，Phe163和Phe164)中，其氮与血红素基团的铁配位。与其他报道的抑制剂相比，由于苯环位于口袋B的附近，口袋B(Phe226、Arg231和Ser235)没有被充分利用。羰基与Ser235建立氢键。血红素基团的羧基、酰胺和吡咯NH部分之间形成两个额外的氢键。长的侧链从活性中心区域暴露向口袋C突出，溴可能与Lys238的羰基形成卤素键。
图1.化合物10的结构和对接姿势
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SAR研究
作者从化合物10的骨架及其可能的结合模式出发，进行了SAR研究，目的是通过对化合物10进行化学修饰和对所获得的类似物进行生物学评价来验证预测的相互作用。合成的一系列类似物作为IDO1抑制剂在基于细胞的实验中被测试，结果证实苯并咪唑环的存在对于与活性位点上的血红素基团的配位至关重要，仲酰胺的-NH-参与了IDO1活性中心内关键氢键的形成，溴的存在有助于结合。作者基于各化合物与蛋白质的结合能、对接分数排序，并结合药物ADME等药理性质，最终选择化合物10、23和35做进一步研究。
图2.化合物10的SAR研究
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分子动力学模拟
作者对化合物10、23和35的对接结果在300K下运行了100ns的分子动力学模拟。在MD模拟中，化合物10的苯并咪唑部分稳定在口袋A中，其能够在大部分时间内与Phe163和Tyr126的氨基酸残基以及与血红素基团相互作用，此行为与对接结果一致。另一方面，与Ser235只在模拟时间的50%发生氢键相互作用。化合物10的吡咯基团与口袋C中的氨基酸发生的相互作用在模拟时间中最多存在10%。在分子动力学过程中，hIDO1的构象发生了变化，在这种松弛/动态的情况下，吡咯基团可以与Arg231发生阳离子-π相互作用。化合物23在MD过程中采取两种不同的结合模式，一种在口袋C内，另一种在口袋B附近。类似地，化合物35存在两种不同的结合模式：一半的时间中保持与口袋C的相互作用，而在另一半时间中，含腈基团的芳香环位于Phe227附近。
图3.化合物10的分子动力学模拟分析
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参考文献
Serafini Marta., Torre Enza., et.al (2020). in Vivo Discovery of Highly Potent Benzimidazole Derivatives as Indoleamine 2,3-Dioxygenase-1 (IDO1) Inhibitors: From Structure-Based Virtual Screening to Pharmacodynamic Activity. J. Med. Chem., DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b01809