Application and Recent Progress of Phosphoramidate Prodrugs Strategies and ProTide Technology in Drug Discovery

doi:10.6023/cjoc201705022

Abstract

This review provides the brief history for the development and advances of ProTide strategies in the field of antiviral and anticancer pharmaceutical development. A summary is provided for the synthesis of nucleoside phosphoramidates, recent breakthroughs in the stereoselective assembly of chiral prodrugs and its application. This technology is extremely useful and has simplified innovative drug design of phosphorous-containing prodrugs. Simplifying such structural modification may create a new avenue of competition in the invention of new medicines from the parent drug.

Key words: phosphoramidates:prodrugs, nucleoside and nucleotide, antiviral drug, phosphate and phosphonate, ProTide

Cite this article

Nie Biao, Jin Chuanfei, Zhong Wenhe, Ren Qingyun, Zhang Yingjun, Zhang Ji. Application and Recent Progress of Phosphoramidate Prodrugs Strategies and ProTide Technology in Drug Discovery[J]. Chin. J. Org. Chem., 2017, 37(11): 2818-2840.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] (a) Babusis, D.; Phan, T. K.; Lee, W. A.; Watkins, W. J.; Ray, A. S. Mol. Pharm. 2013, 10, 459.
(b) Lee, W. A.; He, G. X.; Eisenberg, E.; Cihlar, T.; Swaminathan, S.; Mulato, A.; Cundy, K. C. Antimicrob. Agents. Chemother. 2005, 49, 1898.
(c) Birkus, G.; Wang, R.; Liu, X. H.; Kutty, N.; MacArthur, H.; Cihlar, T.; Gibbs, C.; Swaminathan, S.; Lee, W.; McDermott, M. Antimicrob. Agents. Chemother. 2007, 51, 543.
[2] (a) Thornton, P. J.; Kadri, H.; Miccoli, A.; Mehellou, Y. J. Med. Chem. 2016, 59, 10400.
(b) Jordheim, L. P.; Durantel, D.; Zoulim, F.; Dumontet, C. Nat. Rev. Drug Discovery 2013, 12, 447.
[3] (a) Schinazi, R. F.; Shi, J.; Whitaker, T. In Innovative Drug Synthesis, Eds.:Li, J. J.; Johnson, D. S.; Wiley, Hoboken, 2016, p. 61.
(b) Rautio, J.; Kumpulainen, H.; Heimbach, T.; Oliyai, R.; Oh, D.; Jarvinen, T.; Savolainen, J. Nat. Rev. Drug Discovery 2008, 7, 255.
(c) Zhang, J.; Nie, B.; Zhang, Y. J. Chin. J. Org. Chem. 2015, 35, 337(in Chinese). (张霁, 聂飚, 张英俊, 有机化学, 2015, 35, 337.)
[4] (a) Hecker, S. J.; Erion, M. D. J. Med. Chem. 2008, 51, 2328.
(b) Ji, X.; Wang, J.; Zhang, L.; Zhao, L. X.; Jiang, H. L.; Liu, H. Acta Pharm. Sin. 2013, 48, 621(in Chinese). (姬勋, 王江, 张磊, 赵临襄, 蒋华良, 柳红, 药学学报, 2013, 48, 621.)
[5] (a) Hostetler, K. Y. Antiviral Res. 2009, 82, A84.
(b) Parang, K.; Wiebe, L. I.; Knaus, E. E. Curr. Med. Chem. 2000, 7, 995.
(c) Li, W. B.; Dong, F. H.; Sun, C. J. Prog. Pharm. Sci. 2012, 36, 300(in Chinese). (李文保, 董芳华, 孙昌俊, 药学进展, 2012, 36, 300.)
[6] Corson, T. W.; Crews, C. M. Cell 2007, 130, 769.
[7] Patil, S.; Lis, L. G.; Schumacher, R. J.; Norris, B. J.; Morgan, M. L.; Cuellar, R. A. D.; Blazar, B. R.; Suryanarayanan, R.; Gurvich, V. J.; Georg, G. I. J. Med. Chem. 2015, 58, 9334.
[8] Chassaing, C.; Berger, M.; Heckeroth, A.; Ilg, T.; Jaeger, M.; Kern, C.; Schmid, K.; Uphoff, M. J. Med. Chem. 2008, 51, 1111.
[9] Kleeb, S.; Jiang, X. H.; Frei, P.; Sigl, A.; Bezencon, J.; Bam-berger, K.; Schwardt, O.; Ernst, B. J. Med. Chem. 2016, 59, 3163.
[10] Chowdhury, U. R.; Viker, K. B.; Stolz, K. L.; Holman, B. H.; Fautsch, M. P.; Dosa, P. I. J. Med. Chem. 2016, 59, 6221
[11] Mehellou, Y. C. Chem. Med. Chem. 2016, 11, 1114.
[12] Pradere, U.; Garnier-Amblard, E. C.; Coats, S. J.; Amblard, F.; Schinazi, R. F. Chem. Rev. 2014, 114, 9154.
[13] (a) McGuigan, C.; Pathirana, R. N.; Mahmood, N.; Hay, A. J. Bioorg. Med. Chem. Lett. 1992, 2, 701.
(b) Mehellou, Y.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Chem. Med. Chem. 2009, 4, 1779.
[14] Cahard, D.; McGuigan, C.; Balzarini, J. Mini. Rev. Med. Chem. 2004, 4, 371.
[15] Maiti, M.; Persoons, L.; Andrei, G.; Snoeck, R.; Balzarini, J.; Herdewijn, P. Chem. Med. Chem. 2013, 8, 985
[16] Piplani, M.; Rana, A. C.; Sharma, P. C. J. Pharm. Pharm. Sci. 2016, 19, 82.
[17] McGuigan, C.; Serpi, M.; Bibbo, R.; Roberts, H.; Hughes, C.; Caterson, B.; Gibert, A. T.; Verson, C. R. A. J. Med. Chem. 2008, 51, 5807.
[18] Zhou, L. H.; Zhang, H. W.; Tao, S. J.; Ehteshami, M.; Cho, J. H.; McBrayer, T. R.; Tharnish, P.; Whitaker, T.; Amblard, F.; Coats, S. J.; Schinazi, R. F. ACS Med. Chem. Lett. 2016, 7, 17.
[19] Lioux, T.; Mauny, M. A.; Lamoureux, A.; Bascoul, N.; Hays, M.; Vernejoul, F.; Baudru, A. S.; Boularan, C.; Lopes-Vicente, J.; Qushair, G.; Tiraby, G. J. Med. Chem. 2016, 59, 10253.
[20] Dabkowski, W.; Skrzypczynski, Z.; Michalski, J.; Piel, N.; McLaughlin, L. W.; Cramer, F. Nucleic Acids Res. 1984, 12, 9123.
[21] (a) McGuigan, C.; Harris, S. A.; Daluge, S. M.; Gudmundsson, K. S.; McLean, E. W.; Burnette, T. C.; Marr, H.; Hazen, R.; Condreay, L. D.; Johnson, L.; De Clercq, E.; Balzarini, J. J. Med. Chem. 2005, 48, 3504.
(b) Sari, O.; Bassit, L.; Gavegnano, C.; McBrayer, T. R.; McCormick, L.; Cox, B.; Coats, S. J.; Amblard, F.; Schinazi, R. F. Tetrahedron Lett. 2017, 58, 642.
(c) Zhou, L. H.; Zhang, H. W.; Tao, S. J.; Ehteshami, M.; Cho, J. H.; McBrayer, T. R.; Tharnish, P.; Whitaker, T.; Amblard, F.; Coats, S. J.; Schinazi, R. F. ACS Med. Chem. Lett. 2016, 7, 17.
[22] Cho, A.; Zhang, L. J.; Xu, J.; Lee, R.; Butler, T.; Metobo, S.; Aktoudianakis, V.; Lew, W.; Ye, H.; Clarke, M.; Doerffler, E.; Byun, D.; Wang, T.; Babusis, D.; Carey, A. C.; German, P.; Sauer, D.; Zhong, W. D.; Rossi, S.; Fenaux, M.; McHutchison, J. G.; Perry, J.; Feng, J.; Ray, A. S.; Kim, C. U. J. Med. Chem. 2014, 57, 1812.
[23] (a) Kandil, S.; Balzarini, J.; Rat, S.; Brancale, A.; Westwell, A. D.; McGuigan, C. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2016, 26, 5618.
(b) Mehellou, Y.; McGuigan, C.; Brancale, A.; Balzarini, J. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2007, 17, 3666.
[24] Mahmoud, S.; Li, H.; McBrayer, T. R.; Bassit, L.; Hammad, S. F.; Coats, S. J.; Amblard, F.; Schinazi, R. F. Nucleosides Nucleotides Nucleic Acids 2007, 36, 66.
[25] Gudmundsson, K. S.; Daluge, S. M.; Johnson, L. C.; Jansen, R.; Hazen, R.; Condreay, L. D.; McGuigan, C. Nucleosides Nu-cleotides Nucleic Acids 2003, 22, 1953.
[26] Serpi, M.; Madela, K.; Pertusati, F.; Slusarczyk, M. Current Protocols in Nucleic Acid Chemistry, Wiley, New York, 2013, Chapter 15.
[27] Vanheusden, V.; Herdewijn, P.; Van Calenbergh, S. J. Pharm. Belg. 2002, 41.
[28] Gao, L. J.; De Jonghe, S.; Herdewijn, P. Org. Lett. 2016, 18, 5816.
[29] Simmons, B.; Liu, Z. Q.; Klapars, A.; Bellomo, A.; Silverman, S. M. Org. Lett. 2017, 19, 2218.
[30] Liu, C.; Dumbre, S. G.; Pannecouque, C.; Huang, C. S.; Ptak, R. G.; Murray, M. G.; De Jonghe, S.; Herdewijn, P. J. Med. Chem. 2016, 59, 9513.
[31] Pertusati, F.; Hinsinger, K.; Flynn, A. S.; Powell, N.; Tristram, A.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Eur. J. Med. Chem. 2014, 78, 259.
[32] (a) Celewicz, L.; Jozwiak, A.; Ruszkowski, P.; Laskowska, H.; Olejnik, A.; Czarnecka, A.; Hoffmann, M.; Hladon, B. Bioorg. Med. Chem. 2011, 19, 6375.
(b) Aliouane, L.; Rigaud, B.; Pfund, E.; Jean, L.; Renard, P. Y.; Lequeux, T. Tetrahedron Lett. 2011, 52, 259.
[33] Pertusati, F.; McGuigan, C. Chem. Commun. 2015, 51, 8070.
[34] Ross, B. S.; Reddy, P. G.; Zhang, H. R.; Rachakonda, S.; Sofia, M. J. J. Org. Chem. 2011, 76, 8311.
[35] Ryan, M.; Liu, T.; Dahlquist, F. W.; Griffith, O. H. Biochemistry 2001, 40, 9743.
[36] (a) Eastgate, M. D.; Schmidt, M. A.; Fandrick, K. R. Nat. Rev. Chem. 2017, 1, 0016, DOI:10.1038/s41570-017-0016.
(b) Tran, K.; Beutner, G. L.; Schmidt, M.; Janey, J.; Chen, K.; Rosso, V.; Eastgate, M. D. J. Org. Chem. 2015, 80, 4994.
[37] (a) Liu, S.; Zhang, Z. F.; Xie, F.; Butt, N. A.; Sun, L.; Zhang, W. B. Tetrahedron:Asymmetry 2012, 23, 329.
(b) Zhang, Z. F.; Xie, F.; Jia, J.; Zhang, W. B. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 15939.
[38] DiRocco, D. A.; Ji, Y. N.; Sherer, E. C.; Klapars, A.; Reibarkh, M.; Dropinski, J.; Mathew, R.; Maligres, P.; Hyde, A. M.; Limanto, J.; Brunskill, A.; Ruck, R. T.; Campeau, L.-C.; Davies, I. W. Science 2017, 356, 426.
[39] McGuigan, C.; Murziani, P.; Slusarczyk, M.; Gonczy, B.; Vande Voorde, J.; Liekens, S.; Balzarini, J. J. Med. Chem. 2011, 54, 7247.
[40] McGuigan, C.; Madela, K.; Aljarah, M.; Gilles, A.; Brancale, A.; Zonta, N.; Chamberlain, S.; Vernachio, J.; Hutchins, J.; Hall, A.; Ames, B.; Gorovits, E.; Ganguly, B.; Kolykhalov, A.; Wang, J.; Muhammad, J.; Patti, J. M.; Henson, G. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2010, 20, 4850.
[41] Bourdin, C.; McGuigan, C.; Brancale, A.; Chamberlain, S.; Vernachio, J.; Hutchins, J.; Gorovits, E.; Kolykhalov, A.; Muhammad, J.; Patti, J.; Henson, G.; Bleiman, B.; Bryant, K. D.; Ganguly, B.; Hunley, D.; Obikhod, A.; Walters, C. R.; Wang, J.; Ramamurty, C. V. S.; Battina, S. K.; Rao, C. S. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2013, 23, 2260.
[42] Gardelli, C.; Attenni, B.; Donghi, M.; Meppen, M.; Pacini, B.; Harper, S.; Di Marco, A.; Fiore, F.; Giuliano, C.; Pucci, V.; Laufer, R.; Gennari, N.; Marcucci, I.; Leone, J. F.; Olsen, D. B.; MacCoss, M.; Rowley, M.; Narjes, F. J. Med. Chem. 2009, 52, 5394.
[43] Derudas, M.; Carta, D.; Brancale, A.; Vanpouille, C.; Lisco, A.; Margolis, L.; Balzarini, J.; McGuigan, C. J. Med. Chem. 2009, 52, 5520.
[44] Slusarczyk, M.; Lopez, M. H.; Balzarini, J.; Mason, M.; Jiang, W. G.; Blagden, S.; Thompson, E.; Ghazaly, E.; McGuigan, C. J. Med. Chem. 2014, 57, 1531.
[45] Pertusati, F.; Hinsinger, K.; Flynn, A. S.; Powell, N.; Tristram, A.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Eur. J. Med. Chem. 2014, 78, 259.
[46] Velanguparackel, W.; Hamon, N.; Balzarini, J.; McGuigan, C.; Westwell, A. D. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2014, 24, 2240.
[47] Toti, K. S.; Derudas, M.; Pertusati, F.; Sinnaeve, D.; Van den Broeck, F.; Margamuljana, L.; Martins, J. C.; Herdewijn, P.; Balzarini, J.; McGuigan, C.; Van Calenbergh, S. J. Org. Chem. 2014, 79, 5097.
[48] McGuigan, C.; Derudas, M.; Gonczy, B.; Hinsinger, K.; Kandil, S.; Pertusati, F.; Serpi, M.; Snoeck, R.; Andrei, G.; Balzarini, J.; McHugh, T. D.; Maitra, A.; Akorli, E.; Evangelopoulos, D.; Bhakta, S. Bioorg. Med. Chem. 2014, 22, 2816.
[49] Jonckers, T. H. M.; Tahri, A.; Vijgen, L.; Berke, J. M.; Lachau-Durand, S.; Stoops, B.; Snoeys, J.; Leclercq, L.; Tambuyzer, L.; Lin, T. I.; Simmen, K.; Raboisson, P. J. Med. Chem. 2016, 59, 5790.
[50] McGuigan, C.; Kelleher, M. R.; Perrone, P.; Mulready, S.; Luoni, G.; Daverio, F.; Rajyaguru, S.; Le Pogam, S.; Najera, I.; Martin, J. A.; Klumpp, K.; Smith, D. B. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2009, 19, 4250.
[51] Derudas, M.; Brancale, A.; Naesens, L.; Neyts, J.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Bioorg. Med. Chem. 2010, 18, 2748.
[52] Derudas, M.; Quintiliani, M.; Brancale, A.; Andrei, G.; Snoeck, R.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Antivir. Chem. Chemother. 2010, 21, 15.
[53] McGuigan, C.; Thiery, J. C.; Daverioa, F.; Jiang, W. G.; Davies, G.; Mason, M. Bioorg. Med. Chem. 2005, 13, 3219.
[54] Siegel, D.; Hui, H. C.; Doerffler, E.; Clarke, M. O.; Chun, K.; Zhang, L. J.; Neville, S.; Carra, E.; Lew, W.; Ross, B.; Wang, Q.; Wolfe, L.; Jordan, R.; Soloveva, V.; Knox, J.; Perry, J.; Perron, M.; Stray, K. M.; Barauskas, O.; Feng, J. Y.; Xu, Y. L.; Lee, G.; Rheingold, A. L.; Ray, A. S.; Bannister, R.; Strickley, R.; Swa-minathan, S.; Lee, W. A.; Bavari, S.; Cihlar, T.; Lo, M. K.; Warren, T. K.; Mackman, R. L. J. Med. Chem. 2017, 60, 1648.
[55] Warren, T. K.; Jordan, R.; Lo, M. K.; Ray, A. S.; Mackman, R. L.; Soloveva, V.; Siegel, D.; Perron, M.; Bannister, R.; Hui, H. C.; Larson, N.; Strickley, R.; Wells, J.; Stuthman, K. S.; Van Tongeren, S. A.; Garza, N. L.; Donnelly, G.; Shurtleff, A. C.; Retterer, C. J.; Gharaibeh, D.; Zamani, R.; Kenny, T.; Eaton, B. P.; Grimes, E.; Welch, L. S.; Gomba, L.; Wilhelmsen, C. L.; Nichols, D. K.; Nuss, J. E.; Nagle, E. R.; Kugelman, J. R.; Palacios, G.; Doerffler, E.; Neville, S.; Carra, E.; Clarke, M. O.; Zhang, L. J.; Lew, W.; Ross, B.; Wang, Q.; Chun, K.; Wolfe, L.; Babusis, D.; Park, Y.; Stray, K. M.; Trancheva, I.; Feng, J. Y.; Barauskas, O.; Xu, Y. L; Wong, P.; Braun, M. R.; Flint, M.; McMullan, L. K.; Chen, S. S.; Fearns, R.; Swaminathan, S.; Mayers, D. L.; Spiropoulou, C. F.; Lee, W. A.; Nichol, S. T.; Cihlar, T.; Bavari, S. Nature 2016, 531, 381.
[56] Meneghesso, S.; Vanderlinden, E.; Brancale, A.; Balzarini, J.; Naesens, L.; McGuigan, C. Chem. Med. Chem. 2013, 8, 415.
[57] Kandil, S.; Balzarini, J.; Rat, S.; Brancale, A.; Westwell, A. D.; McGuigan, C. Bioorg. Med. Chem. Lett. 2016, 26, 5618.
[58] Mehellou, Y.; Valente, R.; Mottram, H.; Walsby, E.; Mills, K. I.; Balzarini, J.; McGuigan, C. Bioorg. Med. Chem. 2010, 18, 2439.
[59] Meneghesso, S.; Vanderlinden, E.; Stevaert, A.; McGuigan, C.; Balzarini, J.; Naesens, L. Antivir. Res. 2012, 94, 35.
[60] McGuigan, C.; Bourdin, C.; Derudas, M.; Hamon, N.; Hinsinger, K.; Kandil, S.; Madela, K.; Meneghesso, S.; Pertusati, F.; Serpi, M.; Slusarczyk, M.; Chamberlain, S.; Kolykhalov, A.; Vernachio, J.; Vanpouille, C.; Introini, A.; Margolis, L.; Balzarini, J. Eur. J. Med. Chem. 2013, 70, 326.
[61] McGuigan, C.; Madela, K.; Aljarah, M.; Bourdin, C.; Arrica, M.; Barrett, E.; Jones, S.; Kolykhalov, A.; Bleiman, B.; Bryant, K. D.; Ganguly, B.; Gorovits, E.; Henson, G.; Hunley, D.; Hutchins, J.; Muhammad, J.; Obikhod, A.; Patti, J.; Walters, C. R.; Wang, J.; Vernachio, J.; Ramamurty, C. V. S.; Battina, S. K.; Chamberlain, S. J. Med. Chem. 2011, 54, 8632.
[62] Perrone, P.; Luoni, G. M.; Kelleher, M. R.; Daverio, F.; Angell, A.; Mulready, S.; Congiatu, C.; Rajyaguru, S.; Martin, J. A.; Leveque, V.; Pogam, S. L.; Najera, I.; Klumpp, K.; Smith, D. B.; McGuigan, C. J. Med. Chem. 2007, 50, 1840.
[63] Osgerby, L.; Lai, Y. C.; Thornton, P. J.; Amalfitano, J.; Le Duff, C. S.; Jabeen, I.; Kadri, H.; Miccoli, A.; Tucker, J. H. R.; Muqit, M. M. K.; Mehellou, Y. J. Med. Chem. 2017, 60, 3518.

磷酰胺酯前药策略及ProTide技术在药物研发中的应用与进展