基于糖類物質(zhì)的藥物研究

張勇民

(1.西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/陜西省生物醫(yī)藥重點實驗室, 陜西 西安　710069；2.法國巴黎第六大學(xué)分子化學(xué)研究所,巴黎　75005)

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·生命科學(xué)(特約稿件)·

基于糖類物質(zhì)的藥物研究

張勇民1,2

(1.西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院/陜西省生物醫(yī)藥重點實驗室, 陜西 西安710069；2.法國巴黎第六大學(xué)分子化學(xué)研究所,巴黎75005)

糖是一類重要的生物大分子。糖類在細胞膜表面往往和蛋白質(zhì)或脂類形成共價結(jié)合物 —— 糖蛋白和糖脂,統(tǒng)稱為糖綴合物。糖綴合物中的寡糖是體內(nèi)重要的信息分子,對人類疾病的發(fā)生、發(fā)展和預(yù)后起著重要的作用。對糖參與的生理或病理過程進行干預(yù)和調(diào)控具有重要的生物學(xué)意義,而與糖的生物合成或降解有關(guān)的酶抑制劑便是潛在的抗菌、抗病毒、抗腫瘤轉(zhuǎn)移、抗糖尿病、抗粘合和免疫刺激劑。

糖；藥物研究；糖化學(xué)；糖生物學(xué)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步,人類對自身的生命、健康和生活質(zhì)量的要求越來越高,健康長壽是人們追求的目標。疾病是嚴重威脅人類生命和健康的最主要因素,當(dāng)前,藥物仍然是預(yù)防和治療疾病的主要工具,因此藥物科學(xué)的發(fā)展是一個世界范圍內(nèi)的重要課題。從藥物發(fā)展的歷史看,20世紀初開始新藥的發(fā)展加快了步伐, 30～40年代,磺胺和青霉素的研究開發(fā)成功,標志著化學(xué)治療藥物發(fā)展的里程碑。據(jù)報道,僅1935～1946年間就合成了約5500種磺胺類化合物供臨床試驗。在20世紀后半葉,治療各種疾病的大批新藥上市,化學(xué)藥物治療成為醫(yī)療保健的重要手段。但隨著時間的推移,新藥研究開發(fā)速度放慢。醫(yī)藥界常以新化學(xué)實體(New Chemical Entity,NCE)的數(shù)目來表示新藥研究開發(fā)的進展。從新化學(xué)實體新藥研究開發(fā)上市的年平均數(shù)來看,20世紀60年代為83.2個,70年代為62.6個,80年代為48.5個,90年代為40個。因為,一方面隨著新藥被陸續(xù)發(fā)現(xiàn),發(fā)現(xiàn)新藥就變得越來越困難,另一方面新藥研究開發(fā)所需的投資也日益增加?，F(xiàn)在,一個藥物從概念產(chǎn)生到推向市場需要10-15年的時間,有數(shù)據(jù)表明,美國新藥研發(fā)平均費用從1975年的1.38億美元上升到2000年的8.02億美元,目前已升至10-15億美元。40年間增長了10倍!另外,研究新藥的風(fēng)險也日益增大,從合成化合物篩選出來可進入臨床試驗的淘汰率越來越大,成功率僅為百分之一到萬分之一,進入Ⅱ期臨床時還有4/5遭淘汰。

難道新藥研發(fā)之路真的越走越窄了嗎?我們知道,科學(xué)技術(shù)的進步往往能帶動新藥研發(fā)技術(shù)的發(fā)展?？茖W(xué)領(lǐng)域的每一次革命,都推動了制藥行業(yè)的又一次創(chuàng)新。新技術(shù)、新方法的利用,使發(fā)現(xiàn)新藥的方式、途徑和手段更加多樣化。所以,新藥的發(fā)現(xiàn)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷開辟新的途徑。現(xiàn)就近年來逐漸興起的基于糖類物質(zhì)的藥物研究做一簡單介紹。

1　糖科學(xué)與人類疾病

從分子水平看,生命科學(xué)主要研究3類生物大分子:核酸、蛋白質(zhì)(多肽)、(多)糖。20世紀里,人類對核酸、蛋白質(zhì)的研究取得了豐碩的成果,從而極大地促進了生命科學(xué)的發(fā)展。近年來,糖的化學(xué)及生物學(xué)研究加速發(fā)展,漸漸形成一門新的學(xué)科—— 糖科學(xué)。迄今,糖科學(xué)已經(jīng)滲透到許多生命科學(xué)的領(lǐng)域,有關(guān)糖的研究成果廣泛地發(fā)表在生命科學(xué)的學(xué)術(shù)期刊上,并且出現(xiàn)了一批糖科學(xué)的?？７▏績赡暾匍_一次糖的專題研討會,歐洲每兩年也舉行一次糖的專題大會,而糖的國際大會自1960年首次在法國舉行以來,陸續(xù)在美國、加拿大、澳大利亞、日本、印度及歐洲的一些國家成功地召開了27次(法國3次),已成為當(dāng)代重要的國際學(xué)術(shù)會議,其規(guī)模超過千人。糖科學(xué)正在成為熱點和前沿研究領(lǐng)域。

相對于其他生物大分子,糖類的化學(xué)與生物學(xué)發(fā)展較遲緩,主要原因是糖類結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。舉例來說,由4個核苷酸組成的寡核苷酸,可能的序列僅有24種,而由4個己糖組成的寡糖鏈,可能的序列則多達3萬多種。就蛋白質(zhì)與多肽而言,因為肽的連接都是氨基酸的α-氨基和α-羧基連接的肽鍵,一個氨基酸殘基只能在氨基側(cè)鏈各形成一個肽鏈,一般不會形成分支肽鏈,核苷酸也都是3′,5′-磷酸二酯鍵連接,也不可能存在分支的核酸。但是，寡糖中兩個糖基的互相連接可以有1→2，1→3， 1→4，1→6等不同方式，一個糖殘基和相鄰殘基有時可形成4個糖苷鍵,從而使糖鏈產(chǎn)生分支,而且糖環(huán)還存在端基異頭碳上的α和β構(gòu)型,更造成了糖連接鍵的復(fù)雜性。

在相當(dāng)長的時間里,糖類被認為在生物體中僅作為能源(如淀粉和糖原)或結(jié)構(gòu)組分(如蛋白聚糖或纖維素),細胞生物學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展逐漸揭示了糖類物質(zhì)在生物體內(nèi)所發(fā)揮的重要生物功能。細胞表面密布著糖,糖是細胞與細胞間進行通訊的信息分子。況且,糖結(jié)構(gòu)的多樣性使得它可能攜帶的信息量遠遠超過了蛋白質(zhì)和核酸。糖類在細胞膜表面往往和蛋白質(zhì)或脂類形成共價結(jié)合物 —— 糖蛋白和糖脂,統(tǒng)稱為糖綴合物 (glycoconjugate)。越來越多的事實證明,糖綴合物中的寡糖是體內(nèi)重要的信息分子,對人類疾病的發(fā)生、 發(fā)展和預(yù)后起著重要的作用。由基因直接調(diào)控的蛋白往往要經(jīng)過加工修飾才能表現(xiàn)出各種各樣的功能,而蛋白的糖基化修飾是最重要的修飾作用之一。正常的蛋白由于糖基化修飾而改變構(gòu)象從而導(dǎo)致疾病的產(chǎn)生。細胞和細胞間的通訊以及病毒或細菌對宿主細胞的入侵等過程都與糖分子之間或糖與蛋白質(zhì)之間的相互作用有關(guān)。細胞表面的寡聚糖控制著細胞粘合、炎癥反應(yīng)、細胞免疫識別和癌細胞的擴散及轉(zhuǎn)移等過程。 對糖參與的生理或病理過程進行干預(yù)和調(diào)控具有重要的生物學(xué)意義,而與糖的生物合成或降解有關(guān)的酶抑制劑便是潛在的抗菌、抗病毒、抗腫瘤轉(zhuǎn)移、抗糖尿病、抗低血糖、抗粘合和免疫刺激劑。

2　糖類藥物的研究

在關(guān)系到人類健康的醫(yī)藥領(lǐng)域,傳統(tǒng)上人們并不看好糖類藥物。隨著糖化學(xué)與糖生物學(xué)的快速發(fā)展,這一觀念正在接受前所未有的挑戰(zhàn)。

2.1寡糖抗凝藥磺達肝癸鈉(ARIXTRA)

本世紀初,法國的SANOFI-SYNTHELABO (現(xiàn)更名為SANOFI) 醫(yī)藥集團和荷蘭的ORGANON制藥公司聯(lián)合研制成功了一種預(yù)防靜脈血栓的藥物。這兩家公司以天然肝素為模型,化學(xué)合成了硫酸化的五糖FONDAPARINUX SODIUM (磺達肝癸鈉,商品名為ARIXTRA),2001年同時在歐盟和美國申請新藥批號,2001年12月經(jīng)美國FDA批準,于2002年初在美國上市,2002年春、夏在歐盟各國也陸續(xù)上市。

肝素是一種由D-葡萄糖胺,D-葡萄糖醛酸和L-艾杜糖醛酸組成的粘多糖,含多種硫酸根,其中的陰離子與抗凝有關(guān)。肝素的陰離子活性基團與抗凝血酶III(AT-III)的陽離子基團結(jié)合,加速抗凝血酶-凝血酶復(fù)合體形成,抑制凝血酶、凝血因子等的活性, 因此產(chǎn)生抗凝效應(yīng)。臨床用于預(yù)防及治療血栓栓塞性疾病。醫(yī)用肝素屬生物制品,主要從牛肺或豬腸粘膜提取。

肝素的分子量較大,平均為5000-15000,屬于一種高度硫酸酯化的右旋多糖。20世紀80年代初,法國藥物化學(xué)工作者開始研究肝素藥用的有效部位,經(jīng)過探索,發(fā)現(xiàn)肝素分子中與抗凝血酶III(AT-III)結(jié)合產(chǎn)生抗凝作用的最小序列 (藥效基團) 可能是一個五糖單元,組成為:D-葡萄糖胺-D-葡萄糖醛酸-D-葡萄糖胺-L-艾杜糖醛酸-D-葡萄糖胺,分子中羥基、氨基、羧基多被硫酸化,這一假設(shè)通過該五糖的化學(xué)全合成及其生物實驗得到了證實[1]。

當(dāng)時法國的SANOFI-SYNTHELABO醫(yī)藥集團和荷蘭的ORGANON制藥公司隨即投資開發(fā)此藥,最終導(dǎo)致了磺達肝癸鈉的上市。商品化的藥品分子與肝素的五糖片段完全一樣,只是在其還原端基異頭碳的羥基上接了甲基,形成糖苷。與肝素不同，ARIXTRA并不直接抑制凝血酶，而是選擇性地抑制凝血因子Xa，產(chǎn)生抗凝血作用。臨床用于防止深層靜脈血栓。肝素在臨床使用時常伴有一些副作用，比如誘發(fā)血小板減少。據(jù)報道，肝素誘發(fā)的血小板減少與肝素的分子量有關(guān)，分子量低的肝素影響較輕。ARIXTRA結(jié)構(gòu)中只含有5個糖分子，因此，誘發(fā)血小板減少現(xiàn)象很輕。臨床上，ARIXTRA常用于外科整形手術(shù)時預(yù)防靜脈血栓，比如，膝蓋或腰部手術(shù)、換假肢。ARIXTRA為針劑，0.5 mL, 含2.5 mg，皮下注射。

圖1　ARIXTRA的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of ARIXTRA

作為第一個化學(xué)全合成的寡糖藥物,ARIXTRA的發(fā)現(xiàn)給以糖為基礎(chǔ)的藥物,特別是寡糖藥物的研究增加了活力。

2.2作為細胞粘附抑制劑的糖脂類抗腫瘤藥物的研究

近年來,糖的化學(xué)及生物學(xué)研究發(fā)展很快,逐漸揭示了糖類在生命過程中的重要作用。其實,生物體內(nèi)的很多生理和病理過程都離不開糖類,例如微生物感染的第一步幾乎都是微生物和宿主細胞的粘附,這中間糖鏈和凝集素的相互作用起了重要的作用,若能設(shè)法阻斷這一過程,就可以防止微生物的感染;癌細胞的擴散也是同樣的道理。例如,小鼠B16黑色素瘤細胞表面含有高濃度的神經(jīng)節(jié)苷脂GM3,這是一種與黑色素瘤有關(guān)的抗原[2],當(dāng)它的濃度達到一定閾值時,即在細胞表面聚集,形成一種鞘糖脂信號領(lǐng)域,或糖信號領(lǐng)域(Glycosphingolipid Signaling Domain, or GlycoSignaling Domain, GSD)。

圖2　神經(jīng)節(jié)苷脂GM3Fig.2　Structures of ganglioside GM3

這一微型領(lǐng)域在神經(jīng)節(jié)苷脂GM3作為抗原、黏附分子和膜信號程序引發(fā)劑產(chǎn)生作用時發(fā)揮著重要的功能。在小鼠B16黑色素腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移、擴散過程中,GM3抗原很可能是介導(dǎo)腫瘤細胞與內(nèi)皮細胞黏附的因子。我們曾設(shè)想,如能找到一種物質(zhì)干擾GM3信號領(lǐng)域,抑制GM3在糖信號領(lǐng)域的功能,則有可能抑制與GM3有關(guān)的細胞粘附及信號傳導(dǎo),從而抑制腫瘤細胞的擴散,達到治療癌癥的目的,并假設(shè)這種物質(zhì)應(yīng)該是GM3的類似物。為此,我們設(shè)計并通過化學(xué)方法合成了一些GM3的類似物[3-4]。

圖3　GM3的類似物Fig.3　Analogues of GM3

該研究方案實施后,由生物實驗證實是行之有效的。其中,Lyso-GM3 和 Sialyl Sphingosine 對于由GM3誘導(dǎo)的B16細胞粘附有顯著的抑制作用,抑制濃度在0.5-1.0μmol,而在5-10μmol濃度時達到完全抑制[5]。我們的研究成果無疑為黑色素瘤的防治研究開辟了一條新的途徑。其實,許多與腫瘤相關(guān)的神經(jīng)鞘糖脂抗原均是細胞粘附分子,促進著腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移過程[6],從理論上講,阻斷這些神經(jīng)節(jié)苷脂的合成途徑,即可阻止腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移和擴散。

2.3寡糖脂類作為靶向抗腫瘤藥物的研究

核苷類似物在抗病毒、抗腫瘤的化療藥物中占有重要的地位。它們作用于病毒或腫瘤細胞的酶系統(tǒng)而抑制相應(yīng)酶的活性,或摻入到DNA，RNA中去,使其失去原有的生物功能而發(fā)揮作用。然而這類藥物常引起不同程度的副作用,即藥物在殺傷病毒或癌細胞的同時,對某些正常組織也有一定損害。如服用AZT的病人出現(xiàn)骨髓毒性,原因是AZT抑制了胸苷酸激酶;服用ddC和ddI的病人中觀察到外周神經(jīng)病變,這起因于線粒體DNA聚合酶的活性被抑制。由于這類藥物的選擇性差,由此造成了對機體的毒性,從而限制了它們在臨床的廣泛應(yīng)用。因此,發(fā)展選擇性抑制腫瘤細胞生長的先導(dǎo)化合物是抗腫瘤藥物研究的重要內(nèi)容。我們最近合成了4個神經(jīng)節(jié)苷脂GM3的類似物, 化合物1和2分別是GM3分子中消除葡萄糖的結(jié)構(gòu), 而化合物3和4則是GM3分子中消除半乳糖的結(jié)構(gòu)。

圖4　神經(jīng)節(jié)苷脂GM3的類似物Fig.4　Analogues of ganglioside GM3

體外細胞毒性實驗顯示,所有化合物對正常的人角化細胞HaCaT的生長基本沒有影響, 而化合物3和4對兩種腫瘤細胞 (人結(jié)腸直腸癌細胞HCT116, 人白血病細胞K562) 的生長有明顯的抑制作用, 細胞形態(tài)學(xué)研究表明, 用化合物3和4處理后3d, 相比于正常的人角化細胞, 兩種腫瘤細胞的形態(tài)有較大變化。這些化合物的細胞毒性是因為抑制了不同的生長因子受體(GFR)相關(guān)的酪氨酸激酶的活性[7]。由于具有選擇性抑制腫瘤細胞生長的作用, 這類寡糖脂化合物是發(fā)展靶向性抗腫瘤藥物的優(yōu)秀先導(dǎo)化合物。

2.4天然產(chǎn)物與糖類藥物

隨著生活水平的提高, 人們對藥物的要求也從以前的有效性、安全性,向高效、專一、低毒性發(fā)展,因此天然藥物倍受青睞。中草藥含有大量的水溶性物質(zhì),許多就是糖類物質(zhì)。傳統(tǒng)的中藥服藥途徑是水煎,水煎過程即是提取糖的過程,進入到病人體內(nèi)的中草藥組分有些就是糖類物質(zhì),起的作用也與寡糖或多糖相似,其作用多方面、持久溫和。許多天然藥物的有效成分均以糖甙的形式存在,如蒺藜草中的甾體皂甙,其糖部分即由木糖、葡萄糖、鼠李糖和半乳糖組成[8],盾葉薯芋中皂甙的糖部分則由葡萄糖和鼠李糖組成[9], 陜西省地道藥材秦艽的有效成分龍膽苦苷的糖部分是葡萄糖[10]。深入研究糖甙的化學(xué)成分,搞清糖部分的結(jié)構(gòu),從而獲得單體物質(zhì),進而對產(chǎn)物進行有效的糖化學(xué)修飾,也是發(fā)展以糖為基礎(chǔ)藥物的途徑之一,同時也是中藥現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。

4　展　望

隨著人類基因組測序工作的完成和蛋白質(zhì)組學(xué)研究取得的重大進展,人類已經(jīng)進入后基因組時代。而在后基因組時代, 對糖類物質(zhì)進行深入研究無疑是生命科學(xué)面臨的重大研究課題之一。隨著糖化學(xué)和糖生物學(xué)的不斷發(fā)展,以糖為基礎(chǔ)的藥物研究將在未來的新藥發(fā)現(xiàn)中占據(jù)重要的地位,糖類藥物會更好地造福于人類。

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[10] WU S, ZHANG Y, AGARWAL J, et al. Studies towards the synthesis of secoiridoids[J].Tetrahedron,2015, 71: 7663-7669.

(編輯徐象平)

作者簡介：張勇民，男，陜西省百人計劃特聘專家，西北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院客座教授，博士生導(dǎo)師，陜西省生物醫(yī)藥重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任。現(xiàn)任法國國家藥學(xué)科學(xué)院院士,法國國家科學(xué)研究中心一級主任研究員，法國巴黎第6大學(xué)博士生導(dǎo)師。兼任北京大學(xué)藥學(xué)院客座教授，國務(wù)院僑辦海外專家咨詢委員會委員。研究領(lǐng)域為藥物化學(xué)，主要從事生物活性的糖類物質(zhì)研究，包括選擇性糖基化反應(yīng)、復(fù)雜糖類的化學(xué)合成、以糖為基礎(chǔ)的新藥研究、糖與糖之間的相互作用、碳糖與氮雜糖的化學(xué)合成與生物活性評價、環(huán)糊精的化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾、水溶性富勒烯的合成與生物學(xué)研究等。在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表論文206篇(其中SCI論文180篇)，單篇最高引用次數(shù)210。獲發(fā)明專利4項。

Carbohydrate-Based Drug Research

ZHANG Yong-min1,2

(1.Biomedicine Key Laboratory of Shaanxi Province, School of Life Sciences, Northwest University, Xi′an 710069, China; 2.Université Pierre et Marie Curie-Paris 6, Institut Parisien de Chimie Moléculaire, CNRS UMR 8232, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France

Carbohydrate is an important class of biological macromolecules. Carbohydrates and cell surface proteins or lipids tend to form covalent conjugates-glycoproteins and glycolipids, collectively known as glycoconjugates. The oligosaccharides of glycoconjugates are important information molecules, they play an important role on the occurrence, development and prognosis of human diseases. It is of important biological significance to intervene and regulate the physiological or pathological processes involved in carbohydrates. The inhibitors of enzymes involved in biosynthesis or degradation of carbohydrates are potentially anti-bacterial, anti-viral, anti-metastatic, anti-diabetic, anti-adhesion and immune stimulant.

Carbohydrate; Drug research; Glycochemistry; Glycobiology

2016-04-09

陜西省“百人計劃”專家項目；陜西省自然科學(xué)基金資助項目(2014JM4125)

張勇民，男，內(nèi)蒙古呼和浩特人，巴黎第六大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，法國國家藥學(xué)科學(xué)院院士，從事生物活性糖類物質(zhì)研究。

TQ460.72

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-015