環(huán)氧合酶-2抑制劑的研究進展

王慧哲，胡曉龍，汪 豪(中國藥科大學中藥學院，南京 210009)

炎癥通常是指由感染、身體傷害、心理壓力或組織對抗體攻擊的反應引起的細胞損傷的反映，與關節(jié)炎、癌癥、抑郁癥、阿爾茲海默癥(AD)、帕金森氏綜合征(PD)和糖尿病等疾病的發(fā)展密切相關[1-2]。環(huán)氧合酶(COX)是催化花生四烯酸代謝和前列腺素(PG)合成的初始步驟，是炎癥的主要介質(zhì)。

環(huán)氧合酶分為環(huán)氧合酶-1(COX-1)和環(huán)氧合酶-2(COX-2)2種同工型。COX-1在大多數(shù)組織中均能表達，被認為是體內(nèi)前列腺素合成的同工型，而COX-2的表達主要受炎癥誘導。COX-2的激活和隨后的前列腺素E2(PGE2)的產(chǎn)生引起促炎細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和干擾素-γ(IFN-γ)的釋放[3]，選擇性COX-2抑制劑能抑制促炎細胞因子的釋放，進而治療炎癥引起的相關疾病。其作用機制見圖1。本文介紹了COX-2抑制劑與一些炎癥相關疾病的作用機制，綜述了近年來具有不同化學結(jié)構(gòu)COX-2抑制劑的研究進展并探討其結(jié)構(gòu)活性關系，為藥物的設計提供理論依據(jù)。

圖1 COX-2抑制劑的作用機制Fig.1 Mechanism of COX-2 inhibitor

1 炎性疾病與COX-2抑制劑

1.1癲癇 癲癇是一種常見的多因素神經(jīng)疾病，越來越多的證據(jù)揭示了神經(jīng)炎癥在癲癇中的病理、生理作用[4]。大腦和血腦屏障中關鍵炎癥介質(zhì)的表達增加可能影響神經(jīng)元的功能和興奮性，進而增加癲癇發(fā)作的易感性。在癲癇發(fā)作期間,COX-2激活PG信號通路，從而引發(fā)大腦的繼發(fā)性損傷并加劇疾病的嚴重程度[5]。COX-2被認為是治療癲癇的潛在靶標。相關研究表明，COX-2抑制劑通過減少PGE2的產(chǎn)生而發(fā)揮抗驚厥活性，減少鈣離子的流入和釋放興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸，從而阻止癲癇發(fā)作[6]。同時，COX-2抑制劑可以抑制促炎細胞因子的產(chǎn)生，減輕炎癥反應。這種通過抑制COX-2表達的治療方法取決于治療劑量、給藥時間、治療持續(xù)時間和COX-2抑制劑的選擇性。

1.2癌癥 核因子-κB(NF-κB)與COX-2的表達存在正相關，有利于腫瘤發(fā)展的信號傳導[7]。一種新型的COX-2抑制劑JTE-522通過誘導活性氧的產(chǎn)生抑制NF-κB的活性，最終導致人胃癌AGS細胞凋亡。此外，COX-2抑制劑不僅可以通過干擾細胞周期蛋白依賴性激酶4/6(CDK 4/6)復合物的活性阻止G1期的進展，還能影響腫瘤壞死因子(TNF)相關的凋亡誘導配體(TRAIL)受體的活性誘導腫瘤細胞凋亡[8]。因此，選擇性COX-2抑制劑被認為是治療癌癥的方法之一。然而，最近研究發(fā)現(xiàn)，選擇性COX-2抑制劑作為抗癌和抗炎藥對不同組織(如肝、腎和心血管系統(tǒng))可能產(chǎn)生多種不良影響，其潛在機制是源自COX-1的血栓烷A2(TXA2)與源自COX-2的血管保護因子前列環(huán)素(PGI2)之間的失衡[9-10]。通過使用納米球、納米凝膠、微粒、微乳劑以及脂質(zhì)體等新型的藥物遞送系統(tǒng)可以減少這些不良反應。

1.3神經(jīng)精神疾病 越來越多的證據(jù)支持神經(jīng)精神疾病(如抑郁癥、雙相情感障礙、精神分裂癥和強迫癥)與炎癥之間的關系，炎癥通過對神經(jīng)元的增殖、存活和分化產(chǎn)生負面影響，從而成為神經(jīng)精神癥狀的驅(qū)動者[11]。促炎性標志物已被證明與神經(jīng)精神疾病的發(fā)展相關，白細胞介素-6(IL-6)激活了肝臟中C反應蛋白(CRP)的釋放，而CRP被認為是與多種神經(jīng)精神疾病密切關聯(lián)的蛋白之一[12]。神經(jīng)遞質(zhì)的失調(diào)一直是神經(jīng)精神疾病的焦點，促炎性細胞因子白細胞介素-2(IL-2)和干擾素-α(IFN-α)已顯示出可直接增加犬尿氨酸途徑的吲哚胺-吡咯-2,3-二加氧酶的活性，從而促進色氨酸向犬尿氨酸轉(zhuǎn)化，該代謝物已被證明是抑郁和焦慮癥狀的誘因[13]。抑制COX-2的表達可減輕這種炎癥負荷，從而減少這些途徑對大腦的影響。因此，COX-2抑制劑成為預防和治療神經(jīng)精神疾病的新方法。

1.4關節(jié)炎和神經(jīng)退行性疾病 非甾體類抗炎藥(NSAIDs)抑制COX的表達，COX-2主要在炎癥細胞中表達，并在慢性和急性炎癥中明顯上調(diào)，成為炎性疾病的關鍵靶標。COX-2抑制劑可在骨關節(jié)炎、類風濕性關節(jié)炎和急性疼痛等疾病中發(fā)揮抗炎、解熱和鎮(zhèn)痛作用[14]。長期以來，神經(jīng)炎癥與神經(jīng)退行性疾病如AD和PD的發(fā)病機制有關[15]，神經(jīng)元和小膠質(zhì)細胞在炎癥期間明顯上調(diào)了COX-2的表達。此外，PGE2介導的神經(jīng)炎性介質(zhì)TNF-α、IL-1β和活性氧(ROS)以及亞硝酸鹽的釋放可能導致神經(jīng)元死亡[16]。

2 COX-2抑制劑的研究現(xiàn)狀

經(jīng)典的NSAIDs具有作為常規(guī)結(jié)構(gòu)特征的羧酸基團，羧酸部分與精氨酸和酪氨酸發(fā)生氫鍵和/或離子相互作用。COX-1和COX-2抑制劑作為典型的NSAIDs，常常導致胃腸道疾病和出血等不良反應。目前，針對新型NSAIDs的研究集中在選擇性COX-2抑制劑上，該抑制劑可顯示出更高的耐受性。廣泛的結(jié)構(gòu)活性研究(SAR)確定了選擇性COX-2抑制劑的主要特征：中心環(huán)必須被2個苯基圍繞，并且其中1個苯環(huán)具有4-磺酰胺基或4-甲基磺?；鶊F。在這些結(jié)合方式中，磺酰胺或甲基磺?；Y(jié)合在COX-2特定的側(cè)袋中，并通過氫鍵穩(wěn)定，研究最多的是被五元環(huán)、六元環(huán)取代的二芳基化合物以及一些天然來源的選擇性COX-2抑制劑[17]。其中化學合成的COX-2抑制劑主要包括吡唑類、噁唑類、吡咯類、吲哚類、噻唑類、吡啶類和咪唑類，而天然來源的COX-2抑制劑主要為生物堿類、香豆素類和黃酮類化合物。

2.1吡唑類 吡唑是制備新型COX-2抑制劑的重要骨架。Gedawy E M等[18]合成的吡唑磺酰胺衍生物具有COX-2 和5-脂氧合酶(5-LOX)抑制作用，其中苯并噻吩-2-基吡唑羧酸類化合物 (化合物1，見圖2)的鎮(zhèn)痛和抗炎活性高于塞來昔布，其半數(shù)抑制濃度(IC50)為0.01 μmol·L-1，而且與COX-1相比具有更高的選擇性(SI=44.56)。體內(nèi)抗炎實驗發(fā)現(xiàn)，給藥1 h后，大鼠足腫脹得到了有效緩解，并在第2小時達到最大腫脹抑制率。Murahari M等[19]合成1,4-二氫吡喃并吡唑類化合物(化合物2,見圖2)，COX-1、COX-2體外抗炎試驗和角叉菜膠誘導的大鼠足水腫模型實驗均表明該化合物具有顯著抗炎活性。當苯環(huán)上C-4位的供電子基團(-OCH3)換成吸電子基團(-F)時，化合物3(見圖2)的抗炎活性有所減弱，提示苯環(huán)C-4位的供電子基團對此類化合物的活性有重要作用。Abdellatif K R A等[20]報告了二芳基吡唑衍生物(化合物4，見圖2)，該化合物在中心五元雜環(huán)上連接鄰位二芳基環(huán)，其中一個芳基環(huán)上的甲磺?；?-SO2CH3)具有COX-2選擇性，另一個芳基環(huán)對位連接不同取代基得到的化合物活性由高到低依次為4-SO2NH2>4-COOH>4-H>4-SO2CH3。大鼠體內(nèi)抗炎實驗表明，化合物4能夠有效抑制角叉菜膠誘導的大鼠足水腫。該課題組設計的1,3,4-三取代-吡唑衍生物(化合物5，見圖2)與塞來昔布相比，具有顯著COX-2抑制作用和選擇性，體內(nèi)抗炎實驗表明，該化合物具有較優(yōu)的抗炎活性，給藥1 h即能有效抑制大鼠足腫脹，且在給藥的第5小時依然保持較高的足腫脹抑制作用。此外，化合物5與布洛芬相比具有更低的致潰瘍性。分子對接表明，該化合物與塞來昔布具有相似的結(jié)合模式和相互作用，而且具備形成更多氫鍵的特征[21]。

圖2 化合物1～5的結(jié)構(gòu)式Fig.2 Structures of compounds 1-5

2.2噁唑類 Rakesh K S等[22]合成了異噁唑衍生物。體外抗炎試驗顯示，化合物6(見圖3)表現(xiàn)出與吲哚美辛相當?shù)腃OX-2抑制作用。在計算機模擬研究中，該化合物與吲哚美辛相比，具有更高的原子接觸能，能更牢固地與COX-2的催化域結(jié)合。此外，其COX-2抑制作用可能是由具有強供電子取代基的芳基和中等電子富集的雜芳基取代基(如吲哚)引起的。Kaur A等[23]合成了N-(3,4-二甲氧基苯基)-苯并噁唑類化合物 (化合物7～9，見圖3)，體外抗炎試驗表明，化合物7比塞來昔布和布洛芬具有更好的COX-2抑制作用和選擇性，化合物8和9顯示出較好的COX-2抑制活性。角叉菜膠誘導的大鼠足水腫實驗發(fā)現(xiàn)，化合物7～9顯示出比布洛芬更明顯抑制大鼠足腫脹的作用，并且該化合物在胃黏膜上顯示出良好的安全閾度。對接分數(shù)表明，苯環(huán)鄰位上不同吸電子基團取代化合物的抗炎活性由高至低依次為：2-Cl>4-NO2>2-Cl，4-NO2。

圖3 化合物6～9的結(jié)構(gòu)式Fig.3 Structures of compounds 6-9

2.3吡咯類 Kim K J等[24]合成的化合物10～12(見圖4)被認為是比塞來昔布更有效和更具選擇性的COX-2抑制劑。對接結(jié)果顯示，化合物10在COX-2結(jié)合位點內(nèi)呈現(xiàn)有利的取向，并且以與塞來昔布幾乎相同的方式結(jié)合到COX-2的活性位點，化合物10的-SO2NH2部分的2個氧原子與精氨酸和苯丙氨酸表現(xiàn)出2個氫鍵結(jié)合，-NH2上的2個氫原子分別與異亮氨酸和谷氨酰胺形成2個氫鍵。見圖5。此外，苯環(huán)對位取代基的不同導致化合物活性有較大差異，其活性順序由高到低依次為：-Cl>-H>-OCH3，吸電子基團取代比供電子基團取代的化合物具有更強的COX-2抑制活性。Reale A等[25]合成了一系列新的1,5-二芳基吡咯-3-硫衍生物(化合物13～14，見圖4)，化合物13和14在體外抗炎試驗中均表現(xiàn)出明顯的COX-2抑制活性。角叉菜膠誘導的大鼠足腫脹實驗表明，化合物13～14給藥30 min后的腫脹抑制率分別為95.39%、94.97%。在大鼠腹部收縮實驗中，以20 mg·kg-1的劑量進行灌胃，2種化合物均能顯著減少大鼠的扭體次數(shù)。

圖4 化合物10～14的結(jié)構(gòu)式Fig.4 Structures of compounds 10-14

圖5 化合物10與COX-2的結(jié)合圖注：橙色：化合物10；綠色：塞來昔布；蛋白庫編號(PDB ID):3LN1。Fig.5 Binding of compound 10 with COX-2Notes:orange:compound 10；green:celecoxib；protein library number (PDB ID):3LN1.

2.4吲哚類 Singh P等[26]合成了N-1位具有甲苯-4-磺酰基、C-3位具有二肽基團的吲哚類化合物15(見圖6)。該化合物不僅具有比雙氯芬酸鈉更明顯的COX-2抑制作用，還在體內(nèi)抗炎實驗中表現(xiàn)出良好的抗炎活性。二肽基團的存在、C-3取代基上氨基酸的組合以及N原子上的甲苯磺?；窃黾覥OX-2抑制作用和抗炎活性的原因。此外，分子對接結(jié)果表明，氨基酸C-α位的S構(gòu)型增加了與COX-2活性位點的相互作用。Laube M等[27]設計了吡咯并[3,2,1-hi]吲哚類化合物(化合物16～18，見圖6)，化合物16～18是具有與塞來昔布相似或更高親和力的COX-2抑制劑。其取代基的大小直接影響COX-2抑制作用的強弱，氯原子取代氟原子使化合物17的COX-2抑制作用提高了10倍，此外，將甲基磺?；〈鶑?-苯基環(huán)轉(zhuǎn)移到5-苯基環(huán)也可以提高化合物的體外抗炎活性。Lamie P F等[28]合成了N-取代的吲哚衍生物(化合物19～21，見圖6)，體外COX-2抑制研究發(fā)現(xiàn)，化合物19～21與塞來昔布相比具有顯著抗炎活性和合理的選擇性指數(shù)，其結(jié)構(gòu)的共同特點是苯甲?；糠秩〈诉胚岬?NH基團。在預處理的人臍靜脈內(nèi)皮細胞中使用酶聯(lián)免疫吸附試驗(ELISA)測試化合物19～21的體外抗炎特性，給藥濃度為50 μmol·L-1時能夠有效抑制NF-κB的表達。

圖6 化合物15～21的結(jié)構(gòu)式Fig.6 Structures of compounds 15-21

2.5噻唑類 噻唑和噻唑烷酮結(jié)構(gòu)不僅存在于多種天然來源的化合物中，還被廣泛應用于化學合成的藥物中[29]。El-Achkar G A等[30]設計并合成了2種新型的噻唑衍生物(化合物22和23，見圖7)，二者對COX-2依賴性PGE2的產(chǎn)生均具有顯著抑制作用?；衔?2是一種非選擇性COX-1/COX-2抑制劑，而化合物23具有選擇性COX-2抑制作用。此外，在大鼠氣囊炎癥模型中，化合物22和23均顯示出良好的抗炎活性。Abdellatif K R等[31]設計的噻唑烷-4-酮衍生物(化合物24和25，見圖7)表現(xiàn)出非常接近塞來昔布的COX-2抑制能力和選擇性指數(shù)。體內(nèi)抗炎實驗表明，化合物24和25給藥3 h后，比參比藥物塞來昔布具有更高的抗炎活性。進一步實驗研究發(fā)現(xiàn)，化合物24的半數(shù)有效量(ED)50=27.7 μmol·kg-1，與塞來昔布(ED50=28.2 μmol·kg-1)的口服抗炎活性幾乎相當，而化合物25(ED50=18.1 μmol·kg-1)比塞來昔布更有效。致潰瘍實驗進一步證實了化合物24和25具有較高的安全性。Ali Y等[32]合成了2-亞氨基-4-噻唑烷酮衍生物(化合物26，見圖7)，并評估了其體內(nèi)外抗炎活性。結(jié)果表明，化合物26具有顯著的COX-2抗炎活性和良好的選擇性。乙酸誘導的痛覺實驗表明，化合物26表現(xiàn)出與吲哚美辛相當?shù)耐从X抑制作用，且不會引起胃潰瘍和上皮組織損傷。

圖7 化合物22～26的結(jié)構(gòu)式Fig.7 Structures of compounds 22-26

2.6吡啶類 Renard J F等[33]用吡啶取代尼美舒利的硝基苯環(huán)合成了一種新型的化合物27(見圖8)，使用人全血模型在體外評估了該化合物對COX 2種同工型的抑制活性。結(jié)果顯示，化合物27具有比尼美舒利和塞來昔布更有效的COX-2抑制作用和更高的選擇性。Abdelgawad M A等[34]制備的嘧啶-吡啶雜化合物28(見圖8)顯示出較好的COX-2抑制作用。角叉菜膠誘導的大鼠足水腫實驗顯示，化合物28在給藥2 h后顯示出高于塞來昔布抑制水腫的作用。構(gòu)效關系表明，苯環(huán)上供電子基團比吸電子基團取代的化合物顯示出更好的水腫抑制作用。

圖8 化合物27～28的結(jié)構(gòu)式Fig.8 Structures of compounds 27-28

2.7咪唑類 Almansa C等[35]合成了1,5-二芳基咪唑類化合物29(見圖9)，體外抗炎實驗表明，該化合物具有良好的COX-2抑制作用和選擇性。通過大鼠氣囊炎癥模型實驗評估該化合物的體內(nèi)抗炎活性，結(jié)果表明，化合物29的炎癥抑制率達到了98.2%。此外，該化合物在痛覺測試中表現(xiàn)出顯著鎮(zhèn)痛作用。Kiani A等[36]合成了5-取代的1-芐基-2-(甲基磺?；?-1-H-咪唑(化合物30，見圖9)，并進行COX-2抑制作用評估。構(gòu)效關系研究表明，取代基對化合物COX-2抑制作用的貢獻排序為：-OCH3>-Br>-NO2>-H>-Cl。

圖9 化合物29～30的結(jié)構(gòu)式Fig.9 Structures of compounds 29-30

2.8生物堿類 Graziano A C E等[37]從紅海藻中分離得到新型的偶氮?；鶈徇飰A，與抗氧化劑丁基化羥基茴香醚、丁基化羥基甲苯和α-生育酚相比，化合物31(見圖10)具有顯著的1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)清除活性。體外抗炎實驗表明，化合物31與NSAIDs相比顯示出強效的COX-2和5-COX抑制作用以及與阿司匹林相當?shù)倪x擇性。角叉菜膠引起的大鼠足水腫實驗表明，化合物31在給藥6 h內(nèi)能夠保持明顯的抑制水腫作用。白屈菜紅堿(化合物32，見圖10)是一種來源于白屈菜植物和其他罌粟科白屈菜屬的季銨苯并[c]菲啶生物堿，具有廣泛的藥理作用。體外抗炎實驗表明，化合物32具有較強的COX-2抑制作用。甲醛引起的大鼠足水腫實驗表明，該化合物與對照組相比能夠顯著且劑量依賴性地抑制水腫，并且在給藥3 h后達到最大抑制率。此外，在鎮(zhèn)痛實驗中，化合物32明顯抑制乙酸誘導的大鼠扭體反應并減少其扭體次數(shù)[38]。Yang M H等[39]報道了從薯蕷(Dioscoreaopposita)根狀莖的氯仿層分離的2個化合物，并評價了它們清除DPPH自由基、抗氧化的能力和體外COX-2抑制活性。結(jié)果表明，化合物33(見圖10)能有效清除DPPH自由基，化合物34(見圖10)顯示了對超氧自由基的抗氧化活性，此外，化合物33和34均表現(xiàn)出顯著的COX-2抑制作用。

圖10 化合物31～34的結(jié)構(gòu)式Fig.10 Structures of compounds 31-34

2.9香豆素類 Z Ju等[40]研究了3S-5,8-二羥基3-羥基甲基二氫異香豆素的體外抗炎活性，表明化合物35(見圖11)具有顯著COX-2抑制活性。Revankar H M等[41]報道了2個分別結(jié)合噻唑啉和噻唑烷酮部分的香豆素衍生物，化合物36和37(見圖11)與參比藥物塞來昔布相比，對COX-2表現(xiàn)出更高的親和力和選擇性。體內(nèi)抗炎實驗表明，在角叉菜膠誘導的大鼠足水腫測定中，化合物36和37的腫脹抑制率分別為96.73%、90.00%，并顯示出較好的胃腸道安全性。

圖11 化合物35～37的結(jié)構(gòu)式Fig.11 Structures of compounds 35-37

2.10黃酮類 Bashir R等[42]報道的6-氯-7-甲基-3′，4′-二甲氧基黃酮(化合物38，見圖12)與參比藥物塞來昔布相比，具有更高的抗炎活性和優(yōu)良的胃腸道安全性，此外，化合物38對COX-2的選擇性幾乎是塞來昔布的2倍。角叉菜膠誘導的大鼠足水腫實驗評估了該化合物的體外抗炎活性，結(jié)果表明，以0.05 mmol·kg-1的劑量給藥3 h后，水腫抑制率達到了100.00%，并且在給藥的第5小時仍然保持較高的抗炎活性。Maicheen C等[43]評估了一系列作為潛在COX-2抑制劑的色酮衍生物，化合物39和40(見圖12)與塞來昔布相比具有更高的體外抗炎活性。化合物39具有顯著的COX-2選擇性，其選擇性與塞來昔布相似。分子對接研究表明，化合物40色酮部分的C-3位取代基位于疏水口袋中，相當于塞來昔布的對甲基苯基基團。而色酮母核位于側(cè)面精氨酸的側(cè)口袋中，與苯磺酰胺基團相似。說明色酮母核C-3上具有芳香取代基可能表現(xiàn)出與塞來昔布同等優(yōu)秀的COX-2抑制作用。見圖13。

圖12 化合物38～40的結(jié)構(gòu)式Fig.12 Structures of compounds 38-40

圖13 化合物40與COX-2的結(jié)合圖注：橙色：化合物40;綠色：塞來昔布;蛋白庫編碼(PDB ID):3LN1。Fig.13 Binding of compound 40 with COX-2Notes:Orange:compound 40;Green:celecoxib；protein library number (PDB ID):3LN1.

綜上所述，炎癥是人類防御機制中必不可少的部分，許多疾病的發(fā)展都與炎癥相關。在過去的幾十年中，NSAIDs被廣泛用于治療炎癥相關疾病，但嚴重的胃腸道不良反應極大地限制了其臨床應用。選擇性COX-2抑制劑的發(fā)現(xiàn)為炎癥相關疾病的治療提供了新的選擇。目前，COX-2已成為癌癥、神經(jīng)退行性疾病以及神經(jīng)精神疾病的關鍵靶標。已有證據(jù)表明，選擇性COX-2抑制劑塞來昔布在重度抑郁癥和癌癥的臨床治療中得到了有效應用，并且顯示出良好的治療效果。然而，目前只有幾種選擇性COX-2抑制劑應用于臨床，大量具有COX-2抑制作用的化合物還處于動物實驗研究中，尋找具有臨床應用價值的潛在抗炎藥依然是當今的研究熱點。本文綜述了幾類化學合成及天然來源的COX-2抑制劑，將其運用到新藥的設計中具有重要意義。