Discovery of an Intestine-specific FXR Partial Agonist for the Treatment of Nonalcoholic Steatohepatitis

Abstract

본 연구에서는 다양한 대사성 질환으로 인하여 간세포에 지방이 축적되고 축적된 지방의 lipotoxicity에 의하여 간에 염증과 섬유화가 발생하는 비알코올성지방간염의 치료제 개발을 목적으로, 장내 선택적 및 특이적인 farnesoid X receptor (FXR) partial agonist 개발을 위해 일련의 fexaramine 유도체들을 디자인하고 합성하여 생물학적 유효성을 확인하였다. 담즙산의 주 수용체로 작용하는 FXR은 nuclear receptor의 한 종류로, 간과 장내에 주로 분포하고 있으며 그 이외에도 다양한 조직에 광범위하게 존재하여 체내 당, 지방, 콜레스테롤, 담즙산 등등 다양한 물질의 대사에 관여한다. 비알코올성지방간염 치료제로 개발된 다양한 systemic FXR full agonist들의 최근 임상시험에서 공통적으로 나타난 문제점인 pruritus, LDL-콜레스테롤 수치 상승 및 HDL-콜레스테롤 수치 감소등을 토대로 많은 제약사들이 장내 선택적 및 특이적인 작용 기전을 지닌 약물의 개발 필요성에 대해 언급하고 있다. 이에 장내 특이적으로 작용하는 FXR agonist인 fexaramine을 선도물질로 선택하여 구조의 최적화를 이루고자 본 연구를 진행하였다. Fexaramine의 biphenyl ring C-2위치에 CN 치환기를 도입하고 aniline ring의 C-5위치에 fluorine을 도입하여 얻은 29c는 FXR agonist assay에서 systemic FXR full agonist인 GW4064와 비교하여 53 ± 3% maximum efficacy를 나타내었으며, fexaramine에 비해 현저히 증가된 FXR agonistic activity를 보여주었다. Sprague–Dawley rat을 이용한 약물동태학 연구에서 상당한 양의 29c는 경구 투여된 후 장내에서 흡수되어 혈중 esterase에 의하여 빠르게 효과가 없는 carboxylic acid 대사체인 42로 대사된다는 점을 확인하였다. CDAHFD (choline-deficient, L-amino acid-defined, high-fat diet)로 유도된 비알코올성지방간염 mouse model에서 29c의 경구투여는 fibroblast growth factor 15 (FGF15), small heterodimer partner (SHP), ileal bile acid binding protein (IBABP), organic solute transporterα(OST-α) 등 다수의 장내 FXR 타겟 유전자들의 발현을 강하게 유도하였지만, 간의 SHP는 활성화시키지 않았다. 29c는 glucose tolerance를 개선시키고, 간 섬유화 부위, collagen type I alpha 1 (COL1A1) 및 tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP-1) 등의 섬유화 관련 바이오 마커의 발현, aspartate aminotransferase (AST) 수치, interleukin 1 beta (IL-1β)의 발현 등은 모두 감소시켰지만, systemic FXR full agonist들의 최근 임상시험에서 나타난 문제점인 LDL-콜레스테롤 수치 및 HDL-콜레스테롤 수치 변화는 일으키지 않았다. 본 연구에서는 fexaramine의 구조 최적화를 통하여 장내 특이적인 FXR partial agonist 29c를 발견하였으며, 비알코올성지방간염 모델에서 여러 대사와 관련된 각종 지표의 개선을 확인하여 29c의 효능을 검증하였다.;A series of fexaramine analogs was synthesized and evaluated to develop an intestine-selective/specific farnesoid X receptor (FXR) partial agonist. Introduction of both a CN substituent at the C-2 in the biphenyl ring and a fluorine at the C-5 in the aniline ring in fexaramine markedly increased FXR agonistic activity. 29c showed 53 ± 3% maximum efficacy relative to GW4064, a systemic full agonist, in an FXR agonist assay. Pharmacokinetic studies with 29c in Sprague–Dawley rats show that a substantial amount of 29c is absorbed in the intestine after oral administration, and then rapidly metabolized to inactive carboxylic acid 42 by serum esterases. In mice fed on choline-deficient, L-amino acid-defined, high-fat diet (CDAHFD), oral administration of 29c strongly induced multiple intestinal FXR target genes, fibroblast growth factor 15 (FGF15), small heterodimer partner (SHP), ileal bile acid binding protein (IBABP), and organic solute transporter α (OST-α), but failed to activate SHP in the liver. 29c significantly reduced the liver fibrogenesis area, hepatic fibrosis markers such as collagen type I alpha 1 (COL1A1) and tissue inhibitor of metalloproteinase-1 (TIMP-1), serum level of aspartate aminotransferase (AST), and interleukin 1 beta (IL-1β), but did not change serum cholesterol profiles of low-density lipoprotein (LDL) and high-density lipoprotein (HDL) in CDAHFD-fed mice. Rational optimization of fexaramine has led to the identification of an intestine-specific FXR partial agonist 29c.