含有喹啉結構片段的雜合體及其抗耐藥瘧疾活性(一)

文勝 編寫，徐志,2 審校

(1 武漢弗頓控股有限公司，武漢 430073；2 湖北德信辰科技有限公司，武漢 430080)

1 前言

瘧疾主要是由惡性瘧原蟲引起的一類高傳染性、致死性疾病。全球約一半人口生活在感染瘧疾的陰影之下，每年新增超2億感染病例，數(shù)十萬人因此喪命。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)估計，2017年全球瘧疾新發(fā)病例僅比2010年少2000萬，且2015—2017年間在瘧疾的防控方面并未取得實質性進展，瘧疾的防控形勢依然嚴峻。

圖1 四類喹啉雜合體

抗瘧疾藥物對瘧疾的防控至關重要，其中喹啉類藥物如奎寧(QN)、二茂鐵喹(FQ)、氯喹(CQ)、阿莫地喹(AQ)、甲氟喹(MQ)和伯氨喹(PQ)是治療瘧疾的基石藥物。這類藥物可通過抑制瘧色素形成或插到DNA雙螺旋之間形成穩(wěn)定的復合物阻止DNA的復制和RNA的轉錄，進而殺滅瘧原蟲。然而，隨著這類藥物的長期廣泛使用，瘧原蟲對其產生了嚴重的耐藥性。其中，耐氯喹(CQR)惡性瘧疾在院內最為常見。目前，WHO推薦基于青蒿素的聯(lián)合療法(ACTs)作為治療瘧疾包括耐喹啉瘧疾的標準療法，但該療法存在生物利用度低、復發(fā)率高、溶解性差、價格昂貴等缺點。不僅如此，耐青蒿素瘧疾已然出現(xiàn)。因此，亟需研發(fā)新型抗瘧疾藥物。

雜合體具有克服耐藥性、增強抗瘧疾活性和降低毒副作用的潛力，且目前多個雜合體藥物處于臨床研究階段，有望于不久的將來為人類健康服務。喹啉類化合物具有優(yōu)秀抗瘧疾活性，顯然，將喹啉母核與其它抗瘧疾活性藥效團雜合是獲得新型抗瘧疾藥物的有效途徑之一。

自2010年以來，科學家報道的喹啉類雜合體大體可分為以下四類：① I型雜合體，即喹啉-青蒿素(及其衍生物)雜合體；② II型雜合體，即喹啉-合成過氧化物雜合體；③ III型雜合體，即喹啉-耐藥逆轉劑雜合體和IV型雜合體，即喹啉-新型抗瘧疾藥效團雜合體(圖1)。本文將重點介紹I型～III型喹啉類雜合體的體內外抗耐藥瘧疾活性，并探討構-效關系(SAR)，以期為進一步研究提供理論支持。

2 喹啉-青蒿素(及其衍生物)雜合體(I型雜合體)

青蒿素(ART)及其半合成衍生物如雙氫青蒿素(DHA)、蒿甲醚、蒿乙醚和青蒿琥酯等不僅可作用于所有的可感染人類瘧原蟲，對紅內期和有性生殖期惡性瘧原蟲高度有效，而且還具有起效快和毒副作用低等諸多優(yōu)點。目前，ACTs是世界范圍內治療瘧疾最有效的手段，對藥敏型和耐藥型瘧疾均有效，極大地降低了瘧疾的發(fā)病率和死亡率。然而，ART及其半合成衍生物具有生物利用度低、藥代動力學性質差、復發(fā)率高和價格昂貴等缺點，且耐ACTs瘧原蟲依然出現(xiàn)。為克服上述缺陷，迫切需要對此類藥物進行修飾。喹啉(作用于肝期)和ART(作用于血期)的作用機制大相徑庭，故將喹啉和ART及其衍生物糅合到一個分子中可能會獲得新型抗瘧疾候選物。

喹啉-雙ART雜合體1(圖2)具有良好的體外抗氯喹敏感型(CQS)D10和CQR Dd2惡性瘧原蟲活性，半數(shù)抑制濃度(IC50)為5.31～205.42nmol/L。細胞毒性研究結果表明，這類雜合體對CHO細胞系的毒性較低(IC50:0.68～74.82μmol/L)。耐藥性指數(shù)(RI:IC50(Dd2)/IC50(D10))和選擇性指數(shù)(SI:IC50(CHO)/IC50(D10))分別為2～6和61～3813。SAR顯示喹啉和ART之間的連接子與活性息息相關：對烷基連接子而言，丙基(n=2)＞乙基(n=1)＞＞丁基(n=3)，而用哌嗪基乙基取代烷基并不能改善活性。代表物1b(IC50:5.31和28.43nmol/L)對所測CQS D10和CQR Dd2惡性瘧原蟲的活性是CQ(IC50:21.54和157.90nmol/L)的4.0和5.5倍，抗CQS D10活性與DHA(IC50:5.11nmol/L)相當。在鼠瘧感染的小鼠模型中，給藥雜合體1a(靜脈注射給藥/ip 2.5mg/kg或口服給藥/po 50mg/kg)或1d(ip 7.5mg/kg或po 25mg/kg)在d5小鼠的瘧原蟲血癥＜1%，而青蒿琥酯(30mg/kg ip)對照組原蟲血癥為3%。雜合體1a和1d(1.4和2.1mg/kg)的ip平均半數(shù)有效劑量(ED50)與青蒿琥酯(＜1mg/kg)相當，但po ED50(20和13mg/kg)則顯著高于青蒿琥酯(1.8mg/kg)。快速藥代動力學分析結果表明，這類雜合體的抗惡性瘧原蟲活性可能歸因于其活性代謝產物，而非雜合體本身，這一點得到了分子對接實驗的進一步佐證。

7-氯喹林-ART雜合體2具有良好的抗CQS D10和CQR Dd2惡性瘧原蟲活性，IC50分別為12.18～201.38nmol/L和17.12～275.99nmol/L。盡管絕大多數(shù)雜合體的活性高于CQ(IC50:21.54和157.90nmol/L)，但均弱于DHA(IC50:5.11和2.09nmol/L)。這類雜合體的RI(1～2)在1左右，提示可能具有全新的作用機制。SAR顯示，連接子的長度與這類化合物的抗CQR Dd2活性相關，且兩個碳二胺對活性有利。與相應的游離堿相比，草酸鹽的活性更高。代表物2d(IC50:12.18和17.12nmol/L)的抗CQR Dd2惡性瘧原蟲活性是CQ的9.2倍，且該化合物(IC50:3.39μmol/L)對CHO的毒性較低，SI高達279。在鼠瘧感染的小鼠模型中，雜合體2a和2d在ip給藥劑量為15mg/kg和po給藥劑量為50mg/kg時可完全治愈感染小鼠，而青蒿琥酯僅可在ip給藥劑量為30mg/kg和po給藥劑量為80mg/kg時獲得類似的結果。雜合體2a(po給藥劑量為20mg/kg時的達峰時間為23min，最大濃度為141ng/mL)的某些藥代動力學性質與DHA(po給藥劑量為10mg/kg時的達峰時間為48min，最大濃度為142.2ng/mL)相當，且消除速率是DHA(6.1L/min/kg vs 1.19L/min/kg)的5倍，但DHA(ip)的半衰期(t1/2:25min vs 3.9min)、藥時曲線下面積(AUC, 8748 ng·min/mL vs 3463ng·min/mL)和分布容積(353.5L/kg vs 34L/kg)均優(yōu)于該雜合體。

7-氯喹啉-ART雜合體3(IC50:19～35nmol/L)的抗CQS D10和CQR K1惡性瘧原蟲活性與ART(IC50:23和14nmol/L)相當，抗CQR K1活性是CQ(IC50:219nmol/L)的≥9.5倍。雜合體3a～c的活性相當，提示連接子的長度和R位的取代基對活性影響不大。用酯基取代醚所得的雜合體4(IC50:18.7～55.6nmol/L)對CQS D10和CQR K1惡性瘧原蟲也具有良好的活性，且延長連接子的長度對抗CQR Dd2活性不利。雜合體3(0.88, 0.60和0.70)的RI＜1，提示這類雜合體與CQ無交叉耐藥性，具有治療耐藥瘧疾的潛力。進一步研究顯示，這類雜合體可能同時具有CQ和ART的作用機制，故發(fā)生耐藥性的幾率較低。

PQ-ART雜合體5(IC50:5.1-523nmol/L)對紅內期CQR W2惡性瘧原蟲和紅外期伯氏瘧原蟲均顯示出良好的活性，是PQ(IC50:3300和7500nmol/L)的14～647倍，而抗紅內期CQR W2惡性瘧原蟲活性與ART (IC50:8.2nmol/L)相當。含有苯基的雜合體5a,b(IC50:9.1和5.1nmol/L)的抗紅內期CQR W2惡性瘧原蟲活性高于化合物5c(IC50:12.5nmol/L)，提示苯基的引入對活性有利；苯酰胺雜合體5b(IC50:5.1和67nmol/L)的活性優(yōu)于相應的胺基衍生物5a(IC50:12.5和155nmol/L)，提示酰胺比胺基對活性有利。在感染鼠瘧的小鼠模型中，雜合體5a的體內活性如治愈率和存活率優(yōu)于單獨給藥ART或PQ與ART復方制劑。顯然，這類可同時作用于紅內期和紅外期雜合體在治療瘧疾尤其是耐藥瘧疾領域有著廣泛的應用前景。

含有ART、CQ和PQ結構片段的ART-吖啶雜合體6對CQS NF54和CQR Dd2惡性瘧原蟲的IC50為2.6～429.9nmol/L，且除化合物6c之外的所有雜合體活性均優(yōu)于CQ(IC50:18.5和271.7nmol/L)，但弱于DHA(IC50:＜7和7nmol/L)。SAR顯示，連接子與活性息息相關，且烷基二胺優(yōu)于哌嗪基。雜合體6a(IC50:2.6和35.3nmol/L)對所測CQS NF54和CQR Dd2惡性瘧原蟲的活性最高，是CQ的7.1和12.1倍。然而，該雜合體的RI(13.6)與CQ(14.7)相當，提示該雜合體可能與CQ具有相似的作用機制。

青蒿琥酯-吲哚并喹啉雜合體7～9抗CQS NF54和CQR K1惡性瘧原蟲的IC50為0.41～3.21nmol/L，高于對照藥CQ(IC50:9.4和209.5nmol/L)和ART(IC50:4.3和2.8nmol/L)。細胞毒性實驗結果表明，這類雜合體(IC50:695.0～3,7183nmol/L)對L6細胞的毒性較低，選擇性良好。值得一提的是，此類雜合體的RI低至0.27～0.93，提示這類化合物與CQ無交叉耐藥性。與雜合體7相比，其無取代衍生物8和異構體9顯示出相似的活性。對雜合體7而言，向R1、R2和R3位引入供電子基或吸電子基均活性不利。代表物7a(IC50:0.45和0.42nmol/L)對所測CQS NF54和CQR K1惡性瘧原蟲的活性是CQ和ART的9.5～498.8倍，SI＞3641，優(yōu)秀的體外活性和良好的安全性使得該雜合體極具進一步開發(fā)前景。

3 喹啉-合成過氧化物雜合體(II型雜合體)

ART類化合物抗瘧疾作用主要是通過二價鐵裂解青蒿素的過氧橋結構產生大量的自由基，而自由基與瘧原蛋白結合，作用于瘧原蟲的膜系結構，進而誘導瘧原蟲死亡。1,2,4-三氧環(huán)己烷和1,2,4,5-四氧環(huán)己烷均含有過氧結構片段，是ART結構骨架的有效替代結構單元。某些含有1,2,4-三氧環(huán)己烷或1,2,4,5-四氧環(huán)己烷藥效團的化合物如OZ227、OZ439和CDRI-97/78等對耐藥瘧疾具有潛在的療效，目前已用于臨床或處于臨床評價階段。顯然，將喹啉與過氧化物藥效團雜合是獲得對耐藥瘧疾具有優(yōu)秀活性的有效途徑。

四氧環(huán)己烷-PQ雜合體10(圖3)對血期CQR W2惡性瘧原蟲具有良好的活性，IC50為21.1～45.2nmol/L，活性是PQ(IC50:3300nmol/L)的73～156倍。其中，化合物10a(IC50:538nmol/L)、10c(IC50:604nmol/L)和10d(IC50:330nmol/L)對伯氏瘧原蟲也顯示出優(yōu)秀活性，是PQ(IC50:3300nmol/L)的12.4～22.7倍。連接子與活性息息相關，且貢獻順序為-NH- ＞ -CONH- ＞ -CH2CONH- ＞ -CH2NH-，提示短鏈連接子對活性有利。在綠色熒光蛋白(GFP)表達的伯氏瘧原蟲ANKA感染的C57Bl/6J雄性小鼠模型中，所有雜合體在濃度為25μmol/(L·kg)均可顯著地降低受感染蚊子(86.7%～100%)和卵囊(98.2%～100%)數(shù)量，提示這類雜合體可有效地阻斷瘧原蟲向蚊子的傳播。代表物10a可完全抑制幼蚊卵囊內瘧原蟲，活性優(yōu)于PQ (99%)。顯然，這類雜合體在瘧疾的防治領域可能大有作為。

圖2 雜合體喹啉-ART(及其衍生物)雜合體1～9的化學結構

為進一步研究連接子對活性的影響，藥物化學家進一步評價了不同連接子連接的四氧環(huán)己烷-PQ雜合體11～13的抗紅內期CQR W2惡性瘧原蟲和肝期伯氏瘧原蟲的體外活性。初步研究結果表明，除化合物13c,d外的所有雜合體對紅內期CQR W2惡性瘧原蟲均顯示出極高的活性，EC50在納摩爾水平。SAR研究結果表明，四氧環(huán)己烷與PQ之間的連接子和喹啉C-5位取代基對殺血期瘧原蟲裂殖體活性至關重要。雜合體11(EC50:15～204nmol/L)和12(EC50:19～176nmol/L)的活性高于13(EC50:287～5670nmol/L)，提示四氧環(huán)己烷與PQ之間的烷基連接子對高活性至關重要。對雜合體11而言，含有直鏈烷烴連接子的化合物11j～l(EC50:15～17nmol/L)活性優(yōu)于相應的支鏈雜合體(如11c, EC50:47nmol/L)。雜合體12的抗惡性瘧原蟲活性與化合物11處于同一水平，提示胺基與酰胺對活性的貢獻相當。此外，向喹啉苯環(huán)的C-5位引入吸電子基比引入供電子基對活性更有利。雜合體11(EC50:1.11～4.44μmol/L)的抗肝期伯氏瘧原蟲活性高于雜合體12(對宿主有毒性)，且前者對哺乳動物CaCo-2細胞系未顯示出任何毒性，CC50＞50μmol/L。代表物11k(EC50:15nmol/L和1.11μmol/L)抗CQR W2惡性瘧原蟲活性與ART(EC50:10nmol/L)相當，而抗伯氏瘧原蟲活性則是CQ(EC50:7.5μmol/L)的6.7倍。由此可見，將喹啉與過氧化物藥效團雜合的策略可獲得具有多重作用機制的抗瘧疾候選物。

7-氯喹林-四氧環(huán)己烷雜合體14(IC50:3.906～4.814μmol/L)的抗CQR RKL-9惡性瘧原蟲活性與雜合體15(IC50:3.906～5.629μmol/L)相當，但均弱于對照藥CQ(IC50:0.393μmol/L)。SAR研究結果顯示，7-氯喹啉與四氧環(huán)己烷之間的連接子及四氧環(huán)己烷上的取代基如二甲基或環(huán)烷基對抗CQR RKL-9惡性瘧原蟲活性影響較小，故二者非今后優(yōu)化的重點。

7-氯喹啉-二茂釕-三氧環(huán)己烷雜合體16(圖4, IC50:65.33和62.00nmol/L)對CQR K1和Dd2惡性瘧原蟲具有良好的活性，與ART(IC50:17.43和18.67nmol/L)相當，而是CQ(IC50:1,086和521.67nmol/L)的16.6和8.4倍。此外，雜合體16(IC50:1.48和1.55μmol/L)對L6和MRC5哺乳細胞系的毒性較低，值得進一步研究。

圖3 喹啉-四氧環(huán)己烷雜合體10～15的化學結構

含有二茂鐵結構片段的7-氯喹啉-三氧環(huán)己烷雜合體17(IC50:16～71nmol/L)對CQR FcB1和FcM29惡性瘧原蟲的活性與ART(IC50:10和18nmol/L)處于同一水平，而是CQ(IC50:145和735nmol/L)的3.3～45.9倍。其中，抗CQR FcB1和FcM29惡性瘧原蟲活性最高的雜合體17a(IC50:20和17nmol/L)在文氏瘧原蟲感染小鼠模型中也顯示出良好的活性，即使給藥劑量低至每日10mg/kg，連續(xù)給藥4d時，小鼠的瘧原蟲血癥降至檢測線以下。當給藥劑量為每天25mg/kg時，小鼠的平均存活時間為18d，這可能是由于在給藥17～21d之間瘧疾復發(fā)所致。

喹啉-過氧化物雜合體1 8(抗CQSD10和CQR W2惡性瘧原蟲的IC50分別為48～90nmol/L和110～340nmol/L)和19(IC50:210～940nmol/L)具有良好的抗惡性瘧原蟲活性，但活性弱于DHA(IC50:5和2.4nmol/L)。此類雜合體(IC50:110～500nmol/L)的抗CQR W2惡性瘧原蟲活性優(yōu)于CQ(IC50:700nmol/L)，且雜合體18的抗CQS D10惡性瘧原蟲活性與CQ(IC50:50nmol/L)相當。SAR研究結果表明，雜合體18的抗CQS D10和CQR W2惡性瘧原蟲均優(yōu)于化合物19，提示喹啉環(huán)對活性至關重要。對雜合體18而言，連接子的長度對活性影響不大。除化合物18g外的所有雜合體的RI為0.5～2.6，遠低于CQ(14)，提示這類雜合體具有治療耐藥瘧疾的潛力。不僅如此，所有雜合體(IC50:2.24～＞38μmol/L)對HMEC-1細胞的毒性較低，SI為19～＞760，說明這類雜合體的安全性良好。

7 - 氯喹啉- 過氧化物雜合體20(IC50:0.185～6.75μmol/L)具有中等強度的體外抗CQS 3D7和CQR W2惡性瘧原蟲活性，且活性遠弱于對照藥ART (IC50:19和19nmol/L)。雜合體20b(IC50:2.45和1.40μmol/L)的活性優(yōu)于相應的雙鍵衍生物20a(IC50:6.75和6.05μmol/L)，提示將雙鍵還原可在一定程度上提高活性。用甲氧基代替羥基可提高活性，如雜合體20c(IC50:240和185nmol/L)的抗惡性瘧原蟲活性優(yōu)于20a,b。值得一提的是，所有雜合體的RI均＜1，提示這類雜合體具有全新的作用機制。其中，代表物20c的抗CQR W2惡性瘧原蟲活性是CQ(IC50:420nmol/L)的2.2倍，值得進一步研究。

圖4 喹啉-三氧環(huán)己烷/過氧化物雜合體16～20的化學結構

4 喹啉-耐藥逆轉劑雜合體(III型雜合體)

惡性瘧原蟲對CQ敏感度降低主要是由于惡性瘧原蟲氯喹抗性轉運蛋白編碼基因(PfCQRT)突變導致CQ被排出消化液泡，進而導致作用位點CQ濃度不足所致。通過將耐藥逆轉劑(如丙咪嗪、維拉帕米和地昔帕明等)與CQ雜合的策略可有效地干擾PfCQRT，近年來引起了藥物化學家的廣泛關注。

Burgess等評價了7-氯喹啉-丙咪嗪雜合體21a,b、7-氯喹啉-吡啶雜合體21c,d和7-氯喹啉-金剛烷雜合體21e(圖5)的體內外抗CQS和CQR瘧疾活性及細胞毒性。結果表明，所有雜合體不僅對小鼠脾淋巴細胞(IC50:0.7～130μmol/L)的毒性較低，而且對CQS D6、CQR Dd2和7G8惡性瘧原蟲(IC50:0.8～21nmol/L)的活性極高，SI高達132～69400。總體而言，耐藥逆轉劑的類型直接影響抗惡性瘧原蟲活性，且吡啶≥丙咪嗪＞金剛烷。7-氯喹啉與耐藥逆轉劑之間的連接子長度也與活性相關，且長鏈連接子優(yōu)于短鏈連接子。作用機制研究結果表明，這類雜合體與CQ類似可抑制瘧原蟲消化液泡內血紅素的形成。在鼠瘧感染的小鼠模型中，口服給藥(4×30mg/kg)和皮下注射給藥(1×30mg/kg)雜合體21d小鼠的瘧原蟲血癥分別為＜1%和0.7%，體內活性可與CQ(0.1%和0.5%)相媲美。

圖5 喹啉-耐藥逆轉劑雜合體21～24的化學結構

對喹啉-耐藥逆轉劑雜合體22(IC50:2～34nmol/L)的體外抗CQS D6和CQR Dd2惡性瘧原蟲活性評價結果表明，氮原子上的取代基(R1和R2位)及連接子的長度對活性有顯著影響。對R1位而言，芐基優(yōu)于苯基，且取代胺基可由酰胺替換。與無取代的衍生物相比，向R2位引入-CH2CH2NBn2可提高活性。延長喹啉與耐藥逆轉劑之間連接子的碳鏈長度對活性不利，且烷基二胺連接子遠優(yōu)于哌嗪。代表物22e (IC50:2和5nmol/L)的抗CQS D6和CQR Dd2惡性瘧原蟲活性優(yōu)于CQ(IC50:7和102nmol/L)，且對小鼠脾淋巴細胞的毒性較低，IC50為6.2μmol/L。因此，該雜合體可作為先導物進一步優(yōu)化。

鄰位、間位和對位連接的7-氯喹啉-雙芐甲胺雜合體23(IC50:22～1128nmol/L)的抗CQS D10和CQR K1惡性瘧原蟲活性與CQ相當或更優(yōu)，且RI為0.6～1.3，提示這類雜合體幾乎與CQ無交叉耐藥性。連接方式和抗惡性瘧原蟲活性息息相關，且對位＞間位＞鄰位。與無取代衍生物相比，向R位無論引入吸電子基如氯還是供電子基如甲氧基或二甲胺基均會導致活性大幅降低。進一步研究結果表明，喹啉C-7位的氯原子可被氰基取代，且雙芐甲胺末端的苯基可被吡啶-2-基取代。代表物23i(IC50:22～38nmol/L)顯示出優(yōu)異的抗CQS D10和CQR K1、Dd2、W2和RSA11惡性瘧原蟲活性，抗CQS D10活性與CQ(IC50:23nmol/L)相當，而抗CQR惡性瘧原蟲活性則是CQ(IC50:125～170nmol/L)的＞4.4倍。作用機制研究結果表明，雜合體23a、23e和23i(IC50:36～58μmol/L)具有同時抑制血紅素形成和PfCQRT活性。在感染鼠瘧的小鼠模型中，雜合體23a和23e(4×100mg/kg，口服給藥)可在給藥期內降低＞99%的瘧原蟲血癥，且未見小鼠死亡。顯然，二者極具進一步研發(fā)前景。

除此之外，其它一些喹啉-耐藥逆轉劑雜合體如喹啉-二氧代異吲哚啉雜合體24也具有潛在的抗CQR惡性瘧原蟲活性，但絕大多數(shù)雜合體活性弱于相應的對照藥。盡管如此，此類研究豐富了SAR，為進一步研究指明了方向。

5 結束語

瘧疾是危害最嚴重的傳染性疾病之一，與艾滋病、結核病被認為是全球最重要的三大公共衛(wèi)生問題?？汞懠菜幬飳Ο懠驳姆揽刂陵P重要，但隨著抗瘧疾藥物的長期、廣泛使用，瘧原蟲對幾乎所有現(xiàn)有藥物產生了不同程度的耐藥性。因此，亟需研發(fā)新型尤其是對耐藥瘧疾有良好療效的抗瘧疾藥物。

雜合體具有克服耐藥性、增強抗瘧疾活性和降低毒副作用的潛力，故將具有優(yōu)秀抗瘧疾活性的喹啉母核與其它抗瘧疾活性藥效團雜合是獲得新型抗瘧疾藥物的有效途徑之一。近年來，科學家設計合成并評價了多個喹啉雜合體的體內外抗瘧疾尤其是耐藥瘧疾活性，并發(fā)現(xiàn)了若干苗頭化合物。本文將著重介紹自2010年以來，喹啉-青蒿素(及其衍生物)雜合體、喹啉-合成過氧化物雜合體及喹啉-耐藥逆轉劑雜合體在抗耐藥瘧疾領域的最新研究進展，為進一步研究提供理論支持。