学术报告

这篇论文题为《Small molecule branched-chain ketoacid dehydrogenase kinase (BDK) inhibitors with opposing effects on BDK protein levels》，由Rachel J. Roth Flach、Eliza Bollinger、Allan R. Reyes等人共同完成，主要作者和共同作者均来自Pfizer Worldwide Research, Development & Medical研究机构，分别位于美国马萨诸塞州剑桥和康涅狄格州Groton。文章发表于2023年7月25日，被收录于《Nature Communications》，并在线提供DOI链接（https://doi.org/10.1038/s41467-023-40536-y）。

学术背景

本文属于代谢医学和药物开发领域，聚焦于支链氨基酸（Branched-Chain Amino Acids, BCAAs）代谢及其相关疾病。BCAAs包括亮氨酸（leucine, Leu）、异亮氨酸（isoleucine, Ile）和缬氨酸（valine, Val），是三种人体必需氨基酸。BCAAs代谢失调与多种代谢性疾病相关，包括心力衰竭（Heart Failure, HF）、2型糖尿病（Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM）、非酒精性脂肪性肝病（Non-Alcoholic Fatty Liver Disease, NAFLD）以及肥胖症等。

在BCAAs代谢中，支链α-酮酸脱氢酶复合物（Branched-Chain α-Ketoacid Dehydrogenase Complex, BCKDH）是一个关键酶复合体，而其活性受支链α-酮酸脱氢酶激酶（BDK）的磷酸化抑制调控。通过设计和开发可抑制BDK活性的化合物（BDK抑制剂），可能增强BCKDH的降解功能，最终促进BCAAs的代谢，解决上述疾病中的代谢失调问题。因此，研究人员的目标是筛选和优化新型的BDK抑制剂，并明确不同抑制剂之间的药理和机制差异。

研究流程

整体研究设计

该研究分为以下几个主要阶段： 1. 筛选和优化BDK抑制剂。 2. 利用小鼠动物模型评估候选药物的药物动力学（Pharmacokinetics, PK）和药效学（Pharmacodynamics, PD）。 3. 通过一系列分子生物学与生化实验研究不同化学系列抑制剂对BDK蛋白水平、功能及代谢影响的分子机制。 4. 验证细胞和小鼠实验结果的跨物种一致性，并确定抑制剂机制模型。

BDK抑制剂的筛选与优化

研究人员通过筛选Pfizer的化合物库（约12,000种化合物）寻找潜在的BDK抑制剂，筛选标准包括： - 低分子量酸化合物； - 与已知抑制剂结构相似性较高的化合物； - 通过虚拟筛选显示在BDK别构抑制位点具有高结合可能性的化合物。

通过基于荧光共振能量转移（FRET）的BDK抑制实验，寻找可抑制E2受体结合域磷酸化的候选化合物。初步筛选鉴定到两种关键化合物：S1和S2（具备较高抑制效能），具有共同的二噻吩羧酸结构。在结构-活性关系（Structure-Activity Relationship, SAR）研究中，对这些化合物进行优化，最终确定了候选化合物PF-07208254，其在体外测试中表现出优于现有候选化合物的抑制活性。

此外，研究还通过优化另一种较弱的抑制剂S3（含噻唑环）开发了PF-07238025和PF-07247685系列化合物。SAR研究显示，这些化合物在细胞中具有极高的抑制效率（低至纳摩尔水平的IC50值）。

动物实验与体内药理评估

研究在两种小鼠模型（高脂饮食诱导的代谢紊乱模型和心力衰竭模型）中评估了两种系列BDK抑制剂： - PF-07208254（噻吩类，降解剂）和BT2： 在心力衰竭模型中，表现出显著改善心脏功能和代谢功能的作用，其特点是BDK蛋白水平显著下降且BCKA水平持续降低。 - PF-07238025与PF-07247685（噻唑类，稳定剂）： 尽管短期内降低了BCKA水平，但长期服用后观察到BCKA水平反弹，且BDK蛋白积累。这种短期有效、长期失效的药理特性与PF-07208254形成鲜明对比。

研究还详细测定了候选物在动物体内的药代动力学参数，并通过多次血液采样和组织分析，评估了抑制剂对BCAAs及其代谢产物的影响。

细胞实验和分子机制探索

通过HEK293细胞实验，研究发现不同类型化合物对BDK蛋白的调控存在显著差异： - PF-07208254和BT2降低了BDK蛋白水平，并通过促进其降解发挥作用。 - 噻唑类化合物PF-07238025和PF-07247685则表现出增加和稳定BDK蛋白的作用。

蛋白质-蛋白质互作实验显示，噻吩类抑制剂减少了BDK与BCKDH-E2核心亚基之间的接触，而噻唑类则促进了这种相互作用。此外，分子动力学仿真（Molecular Dynamics Simulation）揭示了噻唑类化合物通过增强BDK关键区域的稳定性保护其免受降解，而噻吩类则增加其动态性并促使其从复合物中脱离，最终被细胞清除。

主要研究结果

1. PF-07208254和BT2作为BDK降解剂，不仅通过短期抑制BDK活性降低BCKDH磷酸化，还促使BDK蛋白降解，从而长期有效地降低BCAAs和BCKAs水平。
2. PF-07238025和PF-07247685作为BDK稳定剂，尽管展现出强大的短期BDK抑制能力，但其稳定BDK蛋白的机制导致长期服用后产生BCKAs水平反弹的现象。
3. 分子机制上，化合物对BDK与BCKDH-E2核心亚基的结合模式及位点动态稳定性的调控是造成两系列化合物不同药理特性的关键。

研究结论和意义

该研究首次详细表明：BDK降解是影响代谢性疾病疗效的重要因素。这项研究为抑制BDK以改善代谢功能提供了全新视角，即在药物开发中，潜在的化合物需要不仅能够在短期内抑制BDK活性，更需要能促使BDK蛋白降解，以确保其长期药效。PF-07208254被确立为目前首个BDK降解剂开发候选药物，将可能为治疗心力衰竭、糖尿病以及其他代谢相关疾病提供重要临床转化机会。

研究亮点

1. 机制揭示： 首次鉴定BDK降解机制对药理的重要性。
2. 创新药物： 提供了更高效的BDK降解剂PF-07208254。
3. 对照验证： 通过不同系列的化学结构抑制剂的对比，揭示了BDK稳定剂和降解剂的显著差别。
4. 跨平台验证： 通过小鼠模型和人类细胞实验，展示了研究结论的适用性和普遍性。

这项研究为未来开发针对BCAA代谢紊乱的BDK抑制剂提供了坚实的科学基础，有望带来代谢疾病领域的新突破。