▲图1RAAS调节血压

靶向肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS）治疗高血压，其中有三个可以成药的靶点:肾素（renin）、血管紧张素转换酶（angiotensinconversionenzyme，ACE）和血管紧张素II受体（angiotensinIIreceptor，AT）（图1，背景知识请见氯沙坦：第一个ARB抗高血压药物）。血管紧张素转换酶抑制剂最先被研发成功，BMS的卡普托利（captopril）于年上市。默克的氯沙坦是第一个血管紧张素II受体拮抗剂（AngiotensinIIreceptorblocker,ARB）抗高血压药物，于年上市；之后各大制药公司陆续推出了各自的沙坦类ARB药物，如诺华的缬沙坦（valsartan）、Sanofi的irbesartan和Takeda的Azilsartan等。肾素处于RAAS系统最上游，却最晚成药，第一个靶向肾素的口服小分子药物（renininhibitor）-阿利克仑（aliskiren）-年3月才由Speedel和诺华最终推送上市（图2）。

▲图2阿利克仑分子式（左）；药品包装（右）

说到这里，还有一个小八卦。Ciba-Geigy当年既有ARB项目，也有肾素抑制剂项目。年Ciba-Geigy与Sandoz合并形成诺华，公司选择了保留ARB项目，而打算弃置肾素抑制剂项目。ARB项目后来果然成功研发出了缬沙坦，上市后成为重磅炸弹。当时肾素抑制剂项目的负责人看好肾素抑制剂这个项目，从诺华辞职成立了Speedel，从诺华买出了这个项目。年当阿利克仑进入临床II期后，诺华又将其买回来继续开发，最终两家联合推送阿利克仑上市。

▲图3三代肾素抑制剂的化学结构及酶活

通过小分子抑制肾素，在第一环节阻断RAAS系统，减少下游血管紧张素II（AngiotensinII，AngII）和醛固酮的生成，从而起到降血压和治疗心血管疾病的药效，这个成药机制曾被认为是三个靶点中最富逻辑的，然而从理论到最终成药的历程充满了挑战，前后历时近30年。代表性的肾素抑制剂大致可以分为三代化合物。第一代比如多肽类似物H-，其结构模拟了肾素的天然底物-血管紧张素原，分子量大，活性不够高，代谢不稳定，口服生物利用度低。第二代的代表范例有Ciba-Geigy的拟二肽化合物CGP，体外酶活达到了0.7nM；通过静脉注射，在动物和人体上都验证了它可以降低血压。然而其口服生物利用度仍然很低，它在体内很快通过胆道被清除，所以在临床上药效持续时间有限。阿利克仑属于第三代肾素抑制剂，非肽类结构，体外酶活高，选择性好，具有可接受的口服生物利用度，且终于达到了足够的临床药效（图3）。

▲图4肾素剪切血管紧张素原形成十肽血管紧张素I

阿利克仑的出现得益于晶体学的进展以及分子模型在新药研发中的运用。肾素的第一个X-射线三维晶体结构出现于年，年重组人源肾素的X-射线晶体结构揭示了其活性位置。肾素的活性位点是一个长而深的裂缝口，能容纳其底物血管紧张素原中的七个氨基酸残基。肾素是一个天冬氨酸蛋白酶，催化剪切血管紧张素原N端的Leu10-Val11酰胺键，形成含十个氨基酸残基的血管紧张素I（AngI）。这是RAAS系统的第一步，也是其限速步骤，肾素对这一个底物有着高度的专一性。其催化活性来自活性位点处的两个天冬氨酸残基Asp32和Asp。

▲图5蛋白酶水解肽键过程中形成四面体中间体（左）；天冬氨酸蛋白酶的酸碱催化水解过程（右）

蛋白酶剪切水解肽键的过程中与底物的肽键形成四面体过渡态。凝血因子FXa以及FIIa这样的丝氨酸蛋白酶通过共价催化水解肽键。天冬氨酸蛋白酶的天冬氨酸残基与底物的肽键形成四面体过渡态，则是通过非共价酸碱机制催化水解肽键（图5）。CGP中的羟乙基能模拟活性位点的过渡态，与活性位点的两个天冬氨酸残基形成氢键。Ciba的科学家建构了肾素的三维同源模型，分析了CGP与之对接的各种构象，预测其生物活性构象如图6（上右）：其复合物包含六个分子内氢键以及与P1、P2、P3和P4的相互作用。分子中的羟基与活性位点天冬氨酸残基中的氧原子形成氢键。分析表明P1和P3比P2和P4对结合更重要。在此活性构象基础上，Ciba的科学家们制定了药物设计策略：抹去不那么重要的侧链P2和P4基团，维持与Ser-76的氢键；P1和P3相隔较近，直接用化学键连起来以减少分子中的肽键；原来的六个氢键里有五个确定能保留，与丝氨酸残基的那个氢键需要通过构建新化学骨架链接这些片段后实现。策略明确之后，药化学家们与分子建模师们交流沟通确定了四条设计新型非肽类肾素抑制分子的准则：1.能与CGP的预测生物活性构象很好叠合；2.构象能不能太高；3.对接时，有适宜的相互作用比如包括六个分子间氢键；4.化学可行性。

▲图6预测的CGP的生物活性构象（上）；Aliskiren的设计思路（下）

药化学家们与分子建模师们设计合成了多个系列的分子，如图7所示，其中四组分子母核各异，活性都达到了纳摩尔级别。其中的苯氧基系列进一步优化后得到了阿利克仑。

▲图7四组母核各异的非肽类肾素抑制剂，其中之一进一步优化后得到了阿利克仑

这四组化合物与CGP都能很好地叠加（图8左），即使没有P2和P4，活性也都达到了纳摩尔级别。四个系列中的SAR也可互相转换适用。因为S1与S3口袋相隔较近，S2口袋更接近于S4与S1’口袋，而且S1和S3合并形成了一个较大的超级口袋，配体中的P1与P3占据这个口袋，显著提高活性。从S3伸展出去形成了一个结合位点S3sp子口袋，既能疏水基团又能容纳极性残基。这是一个新的非底物结合口袋。在THQ系列和苯氧基系列中分别引入适宜的侧链占据这个口袋，侧链末端又可引入O与Tyr14形成氢键，如是能提高活性数十倍（图8右与图9）；而且大大提高了对天冬氨酸蛋白酶家族中相关酶的选择性。

▲图8CGP与THQ化合物的叠加（左）；从uM活性优化到nM活性（右）

后来的阿利克仑与肾素活性位点的共晶结构显示其分子中的OH位置略有偏移，只与Asp32形成氢键。

▲图9阿利克仑与S3sp小口袋结合