四氮唑雜合體在抗瘧疾領(lǐng)域的研究進(jìn)展

劉曉峰，宋旭鋒

(1 浙江仙居君業(yè)藥業(yè)有限公司，仙居 317300;2 北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

1 前言

瘧疾是一種高傳染性和致死性疾病，與艾滋病、結(jié)核病一起被認(rèn)為是全球最重要的三大公共衛(wèi)生問題[1-2]。可感染人類的瘧原蟲主要有惡性瘧原蟲、間日瘧原蟲、三日瘧原蟲、卵形瘧原蟲和諾氏瘧原蟲等五種，其中惡性瘧原蟲最為常見也最為致命[3-4]。近年來，通過各國醫(yī)療機構(gòu)的不懈努力，在世界范圍內(nèi)瘧疾的防控方面成績斐然。然而，每年仍有超2億人罹患瘧疾，數(shù)十萬人因此喪命[5]。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2017年瘧疾新發(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(zhì)性進(jìn)展，瘧疾的防控形勢依然嚴(yán)峻[5]。

臨床上使用的抗瘧疾藥物如喹啉類和青蒿素類盡管對藥敏型瘧疾依然高度有效，但隨著耐藥瘧疾的不斷涌現(xiàn)和廣泛傳播，現(xiàn)有藥物的療效呈逐年下降之勢[6-7]。以青蒿素為主的聯(lián)合療法是目前治療瘧疾最有效的手段，也是抵抗瘧疾耐藥性效果最好的療法[8]。遺憾的是，在多個國家和地區(qū)已出現(xiàn)耐青蒿素瘧疾，而目前處于臨床評價階段的對耐藥瘧疾有效的藥物屈指可數(shù)[9-10]。因此，研發(fā)新的抗瘧藥物刻不容緩。

四氮唑作為羧基的生物電子等排體可用來取代藥物中的羧基提高藥物分子的脂溶性、增加藥物的生物利用度和降低毒副作用[11]，其衍生物具有抗菌[12-13]、抗病毒[14-15]、抗結(jié)核[16-17]、抗腫瘤[18-19]、抗真菌[20-21]和抗瘧疾[22]等多種藥理活性。值得一提的是，某些四氮唑類化合物如頭孢雷特和托魯司特等已被美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)用于臨床治療各種疾病[22]。顯然，四氮唑類化合物在藥物化學(xué)領(lǐng)域占據(jù)重要位置，被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的一類化合物。

雜合體具有克服耐藥性、增強生物活性和降低毒副作用的潛力，目前多個雜合體藥物正處于臨床評價階段，有望于不久的將來為人類健康服務(wù)[23-24]。顯然，將四氮唑與其它具有抗瘧疾活性藥效團(tuán)雜合是獲得新型抗瘧疾藥物的有效途徑之一。近年來，藥物化學(xué)家設(shè)計合成了一系列四氮唑雜合體，并評價了它們的體內(nèi)外抗瘧疾活性。本文將重點介紹四氮唑雜合體在抗瘧疾領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并探討構(gòu)-效關(guān)系(SAR)，以啟迪藥物化學(xué)家更合理的設(shè)計此類化合物。

2 四氮唑類化合物的抗瘧疾活性

2.1 四氮唑-喹啉雜合體

喹啉類抗瘧疾藥物如氯喹和甲氟喹等具有療效顯著和毒副作用小等優(yōu)點，是目前臨床上最為常用的抗瘧藥之一[25-26]。因此，將喹啉與四氮唑雜合可能會獲得活性更高的抗瘧疾候選物。

圖1 四氮唑-喹啉雜合體1～5的化學(xué)結(jié)構(gòu)

烷基二胺基、對苯二胺基和哌嗪基連接的7-氯喹啉-四氮唑雜合體1(圖1，半數(shù)抑制濃度/IC50:10.66～853.40nmol/L)具有良好的抗氯喹敏感型(CQS) 3D7和耐氯喹型(CQR)K1惡性瘧原蟲活性，且大多數(shù)雜合體(IC50:73.70～233.70nmol/L)的抗CQR K1惡性瘧原蟲活性優(yōu)于氯喹(IC50:254nmol/L)[27]。近半數(shù)化合物的耐藥指數(shù)(RI：IC50(CQRK1)/IC50(CQS3D7))在1左右，提示這類雜合體可能具有全新的作用機制。SAR研究結(jié)果表明，喹啉與四氮唑之間連接子的類型及長度和苯環(huán)及四氮唑結(jié)構(gòu)片段上的取代基與活性息息相關(guān)：對連接子而言，對苯二胺基＞烷基二胺基＞哌嗪基，且短鏈烷基二胺基優(yōu)于長鏈烷基二胺基；對四氮唑而言，R1位為叔丁基優(yōu)于環(huán)己基；對苯環(huán)而言，R2位為鹵素可提高這類雜合體的體內(nèi)外抗瘧疾活性，而二茂鐵則會導(dǎo)致活性大幅降低。其中，雜合體1a～c(IC50:10.66～11.78nmol/L)的抗CQS 3D7惡性瘧原蟲活性與氯喹(IC50:5.4nmol/L)相當(dāng)，且選擇性指數(shù)(SI:4616.14,7076.29和2332.43)極高。在感染CQR N-67約氏瘧原蟲的小鼠模型中，雜合體1a,b (4×50mg/kg，腹腔注射給藥)可在給藥d4抑制99.99%的寄生蟲血癥，在給藥d28兩組小鼠的存活率分別為60%和80%。盡管1a組的小鼠存活率低于1b組，但1a組(60%)的治愈率高于1b組(40%)。進(jìn)一步研究顯示，當(dāng)采用口服給藥(100mg/kg)方式時，二者均可在給藥d4抑制99.99%的寄生蟲血癥，且小鼠的存活率均為60%。藥代動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，雜合體1a,b的分布容積(Vd:28.6和63.38L)遠(yuǎn)高于總血容量(13.5mL)，提示這類雜合體主要分布在血管外。總之，雜合體1a,b具有良好的體內(nèi)外抗瘧疾活性和藥代動力學(xué)性質(zhì)，值得進(jìn)一步研究。

絕大多數(shù)7-氯喹啉-四氮唑雜合體2(IC50:9.6～544nmol/L)具有優(yōu)秀的體外抗CQS 3D7和CQR K1,W2惡性瘧原蟲活性，且部分化合物的抗CQR K1和W2惡性瘧原蟲活性優(yōu)于氯喹(IC50:36和59nmol/L)和阿莫地喹(IC50:27和401nmol/L)[28]。SAR顯示，四氮唑藥效團(tuán)與喹啉藥效團(tuán)在苯環(huán)上的相對位置對活性影響顯著，且對位＞間位＞＞鄰位。與無取代雜合體相比，向R1位引入叔丁基對提高活性有利，但嗎啉乙基則對提高活性不利。喹啉C-7位的氯原子對活性至關(guān)重要，如將其替換為6-甲基或8-三氟甲基則會導(dǎo)致活性大幅下降，如雜合體3抗CQS 3D7和CQR K1,W2惡性瘧原蟲的IC50在微摩爾級[29]。雜合體2a(IC50:9.6～77nmol/L)和2b(IC50:12～40nmol/L)對所測3株惡性瘧原蟲的活性極高，與對照藥氯喹和阿莫地喹相當(dāng)或更優(yōu)。進(jìn)一步研究顯示，與喹啉類抗瘧疾藥物不同，雜合體2a并不會形成醌亞胺代謝產(chǎn)物。毒性和藥物相互作用試驗顯示，該雜合體對CHO細(xì)胞(IC50:＞100μmol/L)無毒，對細(xì)胞色素P450亞型代謝酶具有中等到強的抑制作用。然而，該雜合體的體內(nèi)藥代動力學(xué)性質(zhì)較差，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

喹啉-四氮唑雜合體4和5抗CQR K1惡性瘧原蟲SAR顯示，喹啉核對活性至關(guān)重要，且含有氯喹結(jié)構(gòu)單元的雜合體4(IC50:100,485和164nmol/L)活性高于相應(yīng)的首喹雜合體5(IC50:985和2042nmol/L)，且均高于無喹啉核雜合體(IC50:7950～15790nmol/L)[30]。代表物4a(IC50:100nmol/L)的抗CQR K1惡性瘧原蟲活性是氯喹和首喹(IC50:213和643nmol/L)的2.1和6.4倍，且對L6大鼠成肌細(xì)胞的毒性(IC50:24.6μmol/L)較低，選擇性指數(shù)(SI)高達(dá)246。

2.2 四氮唑-過氧化物雜合體

含有過氧結(jié)構(gòu)單元包括三氧雜環(huán)戊烷和四氧雜環(huán)己烷的化合物如青蒿素及其半合成衍生物等，結(jié)構(gòu)單元中的過氧基團(tuán)可在瘧原蟲體內(nèi)二價鐵離子(Fe2+)的作用下裂解產(chǎn)生各種自由基，所產(chǎn)生的自由基再與瘧原蟲蛋白發(fā)生絡(luò)合形成共價鍵，最終導(dǎo)致瘧原蟲因瘧原蟲蛋白失去功能而死亡[31-32]。以青蒿素為例，可能的作用機理如圖2所示[33-34]。顯然，將四氮唑與過氧化物雜合是獲得具有雙重甚至多重作用機制抗瘧疾新藥的有效策略。

圖2 青蒿素可能的作用機理

四氮唑-四氧雜環(huán)己烷雜合體6(圖3，I C50:18.6～71.1nmol/L)和四氮唑-三氧雜環(huán)戊烷雜合體7(IC50:2.1～26.6nmol/L)具有極為優(yōu)秀的體外抗CQS 3D7，CQR Dd2和耐青蒿素IPC5202及IPC4912惡性瘧原蟲活性，且RI為0.30～2.43[35]。SAR顯示，四氧雜環(huán)己烷雜合體的活性弱于三氧雜環(huán)戊烷雜合體，且胺基連接的雜合體活性優(yōu)于醚鍵連接的雜合體。進(jìn)一步研究顯示，去除氮或氧原子會大幅降低活性，如雜合體7d(IC50:138nmol/L)對所測惡性瘧原蟲的活性遠(yuǎn)低于其類似物[36]。其中，雜合體7a,b (IC50:2.1～6.8nmol/L)對所測的4株惡性瘧原蟲的活性與青蒿素(IC50:2.5～33.3nmol/L)、青蒿琥酯(IC50:3.4～5.1nmol/L)和二氫青蒿素(IC50:3.7～6.2nmol/L)相當(dāng)或更優(yōu)，而抗CQS 3D7和CQR Dd2惡性瘧原蟲活性則是氯喹(IC50:15.8和340.1nmol/L)的5.4～161.9倍。在感染NK65伯氏鼠瘧原蟲的小鼠模型中，所有雜合體(每日50mg/kg)均可在給藥d5完全抑制寄生蟲血癥，但雜合體6和7c治療組瘧疾會在給藥d10復(fù)發(fā)。雜合體7a,b在給藥d5～10可完全抑制寄生蟲血癥，顯示出治愈活性。此外，雜合體7a,b對哺乳動物細(xì)胞HepG2和V79毒性可忽略不計，CC50＞1000μmol/L?？傊s合體7a,b具有優(yōu)秀的體內(nèi)外抗瘧疾活性和極低的毒性，可作為先導(dǎo)物進(jìn)一步優(yōu)化。

四氮唑-三氧雜環(huán)戊烷雜合體8(IC50:3.5和5.5nmol/L)也具有極高的抗CQS NF54和CQR K1惡性瘧原蟲活性，活性與青蒿琥酯(IC50:4.1和3.3nmol/L)相當(dāng)[37]。SAR顯示，不含四氮唑結(jié)構(gòu)片段的衍生物具有類似或更高的抗CQS NF54和CQR K1惡性瘧原蟲活性，提示四氮唑結(jié)構(gòu)單元并非這類化合物具有高活性所必需基團(tuán)。

2.3 其它四氮唑衍生物

四氮唑-噁唑/吡啶/呋喃雜合體9(圖4)對惡性瘧原蟲半胱氨酸蛋白酶falcipain-2和falcipain-3具有一定的抑制作用，IC50為6.67～43.89μmol/L，但此類雜合體(IC50:＞10μmol/L)對CQS K2惡性瘧原蟲未顯示出任何活性[38]。四氮唑-甲萘醌雜合體10(IC50:0.9～1.4μmol/L)對CQR FcB1R惡性瘧原蟲有一定的活性，且在濃度高達(dá)32μmol/L時對hMRC-5細(xì)胞未顯示出明顯毒性[39]。

四氮唑-苯并氧雜戊硼烷雜合體11a(IC50:0.16μmol/L)也具有良好的抗CQR W2惡性瘧原蟲活性，且活性高于絕大多數(shù)無四氮唑衍生物，提示四氮唑可提高此類化合物的活性[40]。然而，向四氮唑和苯并氧雜戊硼烷之間引入吡嗪基將導(dǎo)致活性消失，如雜合體11b(IC50:＞5μmol/L)對CQS 3D7和CQR W2惡性瘧原蟲未顯示出任何活性[41]。四氮唑-核苷雜合體抗惡性瘧原蟲活性一般較弱，如化合物12(IC50:108μmol/L)的抗CQR K1惡性瘧原蟲活性遠(yuǎn)遜于氯喹(IC50:0.071μmol/L)，仍需進(jìn)一步優(yōu)化[42-43]。四氮唑-咪唑并吡啶雜合體13a,b(IC50:2080和2360nmol/L)具有潛在的抗CQS NF54惡性瘧原蟲活性，且二者活性相當(dāng)，提示四氮唑在吡啶環(huán)上的相對位置對活性影響不大[44]。四氮唑-咪唑并噠嗪雜合體14(IC50:43和25nmol/L)具有良好的抗CQS NF54和CQR K1惡性瘧原蟲活性，但在感染伯氏鼠瘧原蟲的小鼠模型中，該化合物(每日4·50mg/kg，口服給藥)僅可抑制＜40%的寄生蟲血癥[45]。四氮唑二聚體15(IC50:8.31μmol/L)的抗CQR K1惡性瘧原蟲活性較弱，遠(yuǎn)遜于對照藥噴他脒(IC50:0.014μmol/L)，仍需進(jìn)一步結(jié)構(gòu)修飾[46]。

3 結(jié)束語

瘧疾是一種由寄生蟲引起的威脅人類生命健康的強傳染性疾病，通常在受到感染的蚊蟲叮咬后d10～15出現(xiàn)癥狀。瘧疾可防可治，但耐藥瘧疾的不斷涌現(xiàn)和廣泛傳播使得抗瘧疾藥物的療效逐年下降。因此，研發(fā)新型抗瘧疾藥物刻不容緩。

四氮唑類化合物具有潛在的體內(nèi)外抗瘧疾甚至耐藥瘧疾活性，引起了藥物化學(xué)家的不斷關(guān)注。通過藥物化學(xué)家的不懈努力，目前已發(fā)現(xiàn)多個苗頭化合物，如四氮唑-喹啉雜合體1a,b和7a,b不僅對藥敏型和耐藥型惡性瘧原蟲具有優(yōu)秀的體外活性，而且具有良好體內(nèi)活性和藥代動力學(xué)性質(zhì)。顯然，四氮唑類化合物可作為今后研發(fā)新型抗瘧疾藥物的重點領(lǐng)域之一。本文重點綜述了四氮唑雜合體在抗瘧疾領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并探討構(gòu)-效關(guān)系，以啟迪藥物化學(xué)家更合理的設(shè)計此類化合物。

圖3 四氮唑-三氧雜環(huán)戊烷/四氧雜環(huán)己烷雜合體6～8的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖4 四氮唑雜合體8～15的化學(xué)結(jié)構(gòu)