氟喹諾酮類雜化物的抗菌應(yīng)用前景

趙 曼，李 治，王 瑾，熊 瑞，來小丹

（中國人民解放軍陸軍第九五八醫(yī)院，重慶 400020）

氟喹諾酮類抗菌藥物具有顯著的抗菌活性、優(yōu)良的藥代動(dòng)力學(xué)特性及較小的副作用［1］，但在人類、動(dòng)物中均表現(xiàn)出明顯的耐藥性，故迫切需要新的、更有效的藥物來對(duì)抗敏感和耐藥病原體。抗菌藥物雜化物為將多個(gè)分子或藥效團(tuán)進(jìn)行化學(xué)連接，形成全新的化合物，其抗菌效果可觀。目前，絕大多數(shù)具有應(yīng)用潛力的新化合物均依賴于對(duì)現(xiàn)有藥物的化學(xué)修飾。氟喹諾酮類雜化物具有良好的應(yīng)用前景，通過合成抗菌藥物分子類似物這一標(biāo)準(zhǔn)化途徑，可有效抑制或滅殺具有耐藥性的致病細(xì)菌［2］?？紤]到臨床用藥中聯(lián)合治療比單藥治療能更好地抑制抗菌藥物耐藥性的形成［3-4］，通過雜化往往可能獲得前體化合物所不具備的益處。基于此，采用計(jì)算機(jī)檢索PubMed（檢索時(shí)限為2010 年1 月至2023 年4 月）、中國知網(wǎng)及萬方數(shù)據(jù)庫（檢索時(shí)限為2019 年1 月至2023 年4 月）氟喹諾酮類化合物的關(guān)鍵成藥性信息，對(duì)氟喹諾酮類抗菌藥物與其他抗菌藥物或非抗菌藥物的雜化設(shè)計(jì)和抗菌性能進(jìn)行綜述，以期為其成藥性提供參考。現(xiàn)報(bào)道如下。

1 氟喹諾酮類藥物的研發(fā)歷程

1962 年，LESHER 在嘗試合成氯喹寧時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)副產(chǎn)物萘啶酸可用于治療尿路感染，由此衍生出了近千種喹諾酮類抗菌藥物［5-7］。喹諾酮類化合物通常指4-喹諾酮、1H-1，8-萘嘧啶-4-酮及8H-吡啶［2，3-d］嘧啶-5-酮的結(jié)構(gòu)衍生物［8］。自1980年以來，其6-氟類似物的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步催生氟喹諾酮類藥物［6］，結(jié)構(gòu)來源見圖1。

注：*為C - 1、C - 7、C - 8位點(diǎn)均可能有相應(yīng)取代基修飾。圖1 氟喹諾酮類化合物結(jié)構(gòu)來源Note：* indicates that there may be corresponding substituent modifications at position points C - 1，C - 7，and C - 8.Fig.1 Structural sources of fluoroquinolones

隨著母核碳6位上氟原子的引入，有效改變了小分子的酸度系數(shù)，抗菌效價(jià)、生物利用度均顯著提升，諾氟沙星、環(huán)丙沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星等經(jīng)典藥物迅速嶄露頭角，對(duì)DNA 促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅳ發(fā)揮有效抑制作用，延緩細(xì)菌耐藥性的發(fā)生、發(fā)展；另外，對(duì)革蘭陰性菌株、革蘭陽性菌株和厭氧菌均有效［8］。貝西沙星、非那沙星、德拉沙星、扎泊氧氟沙星等新興代表藥物先后被批準(zhǔn)用于臨床治療，但因抗菌藥物的濫用和細(xì)菌自身的適應(yīng)特性等，已對(duì)多數(shù)細(xì)菌產(chǎn)生耐藥，其耐藥機(jī)制包括細(xì)菌內(nèi)DNA促旋酶、拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅳ的特定基因突變，質(zhì)粒干擾，外排泵表達(dá)上調(diào)，攝取能力下降等［9］。

化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾是提高活性、改良抗菌譜和抑制耐藥的有效手段。構(gòu)效關(guān)系研究表明，氟喹諾酮類衍生物屬于兩性化合物，其3-氧-4-羧酸核心是DNA 促旋酶的活性結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)N-1 和C-8 位點(diǎn)的取代基，以及C - 7 位點(diǎn)可能存在的雜環(huán)均與作用機(jī)制密切相關(guān)［10］，而母核的其余位點(diǎn)均可進(jìn)行化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾。將氟喹諾酮類化合物與其他分子進(jìn)行雜化，可產(chǎn)生具有協(xié)同抗菌作用、對(duì)耐藥細(xì)菌起效、毒性降低或其他生物效應(yīng)的潛在藥物［6，11］。已有雜化物主要分為兩類，一類為氟喹諾酮類與其他抗菌藥物（喹諾酮類［12］、噁唑烷酮類［13］、四環(huán)素類［14］、氨基苷類［15-18］、阿奇霉素［19］、磺胺類［20］、噁二唑［21］、甲氧芐啶［22］、利福霉素［23］和異煙肼）雜化；另一類為氟喹諾酮類與非抗菌藥物［腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）競爭性抑制劑［24］、苯并咪唑［25］、黃酮類［26］、1，2，4-苯三唑［27］、糖和靛紅］雜化。各位點(diǎn)涉及的構(gòu)效關(guān)系變化見表1。

表1 氟喹諾酮類化合物母核各位點(diǎn)的構(gòu)效關(guān)系分析［28-33］Tab.1 Structure - activity relationship analysis of the parent nuclei of fluoroquinolones［28-33］

2 氟喹諾酮類雜化物

2.1 抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物

2.1.1 喹諾酮-氟喹諾酮雜化物

研究表明，2 個(gè)母分子間的雜化普遍需要連接子，因具體環(huán)境而異［34］。抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物最有利的結(jié)合方式是在C-7 位點(diǎn)的基團(tuán)上進(jìn)行結(jié)合，既可顯著提升抗菌潛力和藥代動(dòng)力學(xué)特性，也不會(huì)影響其他主要負(fù)責(zé)與細(xì)菌靶酶結(jié)合的基團(tuán)。另外，抗菌藥物雜化物如含有可裂解的連接子，相關(guān)不良反應(yīng)可能由氟喹諾酮類等母核引發(fā)［35］。當(dāng)連接子不可裂解時(shí)，可能有助于降低給藥后的副作用。

與單體相比，喹諾酮- 氟喹諾酮等二聚化合物往往展現(xiàn)出全新的生物活性，如改變抗菌譜、增強(qiáng)抗耐藥性等［18，36］。據(jù)報(bào)道，已篩選具有相同氟喹諾酮核心的氟喹諾酮二聚體或通過C - 7 位點(diǎn)的不同連接子連接的2 種不同氟喹諾酮類抗菌藥物，并確定對(duì)系列臨床相關(guān)病原體（包括耐藥菌株）的體外抗菌活性［37-38］。所有二聚體均顯示對(duì)相應(yīng)細(xì)菌的活性，且大分子量的C-7 位點(diǎn)側(cè)鏈?zhǔn)够衔飳?duì)外排突變體均具有活性。據(jù)報(bào)道，較小分子量的二聚體及其類似物對(duì)DNA 促旋酶產(chǎn)生更強(qiáng)的生化抑制作用［39］，這可能和配體-靶點(diǎn)相互作用的空間因素有關(guān)。

2.1.2 噁唑烷酮-氟喹諾酮雜化物

噁唑烷酮類化合物通過抑制蛋白質(zhì)合成而發(fā)揮抗菌活性，其作用機(jī)制與氟喹諾酮類不同，兩者的雜化可通過相關(guān)藥效團(tuán)的橋接來實(shí)現(xiàn)［13］?，F(xiàn)正處于Ⅲ期臨床試驗(yàn)階段的雜化品種Cadazolid 屬此類，其氟喹諾酮母核部分對(duì)厭氧菌艱難梭菌具有顯著活性［40-42］。近年來，LIU等［43］合成一系列包含兩類化合物藥效團(tuán)結(jié)構(gòu)的雜化物，其中大部分均表現(xiàn)出較陽性藥更強(qiáng)的抗革蘭陽性菌和抗耐藥菌活性，編號(hào)為OBP-4 的雜化物對(duì)肺炎鏈球菌（S.pneumoniae）、耐左氧氟沙星肺炎鏈球菌（S.agalactiaeR）、糞腸球菌（E.faecalis）、抗萬古霉素腸球菌（VRE）、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）、流感嗜血桿菌（H.influenzae）、銅綠假單胞菌（P.Aeruginosa）、大腸桿菌（E.coli）的抑制作用分別為利奈唑胺的32，32，16，8，8，250，32，2，32倍。此外，編號(hào)為OBP-4 的雜化物對(duì)艱難梭菌也具有優(yōu)良的抑制活性，最低抑菌濃度（MIC）為0.25～1 μg/mL，且藥代動(dòng)力學(xué)特性較好［44］，其相關(guān)作用機(jī)制更偏向于蛋白質(zhì)合成抑制，而非DNA合成抑制，且安全性良好。

2.1.3 四環(huán)素-氟喹諾酮雜化物

SRIRAM 等［14］將四環(huán)素類代表性藥物（包括四環(huán)素、土霉素和米諾環(huán)素）與諾氟沙星、洛美沙星、環(huán)丙沙星及加替沙星的二級(jí)氨基（哌嗪）進(jìn)行結(jié)合，結(jié)果具有抗結(jié)核活性和抗人類免疫缺陷病毒（HIV）活性，其中米諾環(huán)素- 洛美沙星衍生物效價(jià)最高，抑制結(jié)核分枝桿菌的MIC為0.2 μg/ mL，或可用于治療人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）合并結(jié)核分枝桿菌感染。

2.1.4 氨基苷類-氟喹諾酮雜化物

POKROVSKAYA 等［17］合成了系列環(huán)丙沙星- 新霉素（氨基苷類）雜化物，大部分化合物的抗菌活性明顯高于新霉素，其中在抗革蘭陰性菌和MRSA活性方面尤為突出。此外，上述雜化物克服了氨基苷類藥物的常見耐藥類型，且可顯著延緩對(duì)革蘭陰性菌（大腸桿菌）和革蘭陽性菌（枯草芽孢桿菌）的耐藥性形成。上述雜化物抑制蛋白質(zhì)翻譯的作用機(jī)制往往同新霉素類似或更優(yōu)，同時(shí)對(duì)DNA 促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅳ的抑制作用比環(huán)丙沙星高出32 倍。GORITYALA 等［16］通過長碳鏈作為連接子，合成了環(huán)丙沙星、莫西沙星等與妥布霉素（氨基苷類）的偶聯(lián)物發(fā)現(xiàn)，部分雜化物對(duì)多重耐藥的銅綠假單胞菌表現(xiàn)出較好的抗菌作用，較單體更能破壞膜的穩(wěn)定性，抑制DNA 促旋酶A 和拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅳ，并抑制外排表達(dá)。

2.1.5 噁二唑-氟喹諾酮雜化物

噁二唑母環(huán)中的—N=C—O—基團(tuán)可與氟喹諾酮的相應(yīng)靶點(diǎn)形成氫鍵相互作用。MERMER 等［45］和GUO 等［46］的研究均表明，兩類藥物的雜合對(duì)革蘭陰性菌和MRSA 的抑制效果顯著增強(qiáng)。羅家寶［21］基于藥效團(tuán)雜化理念，設(shè)計(jì)了新型的1，3，4-噁二唑-2（3H）-諾氟沙星雜合體，抗菌試驗(yàn)證實(shí)大部分化合物可對(duì)革蘭陰性菌、革蘭陽性菌產(chǎn)生活性，且明顯優(yōu)于母核結(jié)構(gòu)（MIC為0.125～1 μg/mL）。其中，個(gè)別小分子甚至能在2 h內(nèi)有效殺傷金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，應(yīng)用前景較好。

2.1.6 甲氧芐啶-氟喹諾酮雜化物

甲氧芐啶不單獨(dú)用于臨床抗菌，但其可采用與氟喹諾酮類化合物雜交策略實(shí)現(xiàn)抗菌靶向。甲氧芐啶通過哌嗪環(huán)與環(huán)丙沙星連接，可對(duì)金黃色葡萄球菌（MIC為0.5 μg/mL）和大腸埃希菌（MIC為1 μg/mL）產(chǎn)生良好的抗菌活性，其對(duì)環(huán)丙沙星耐藥的金黃色葡萄球菌NRS19 的MIC為1 μg/mL［22］。研究證實(shí)，雜化物或能徹底逆轉(zhuǎn)母本化合物對(duì)某一菌株的耐藥。同時(shí)，與環(huán)丙沙星、甲氧芐啶或兩者等摩爾混合物的MIC相比，該化合物對(duì)金黃色葡萄球菌NRS19 的MIC顯著降低，表明雜化策略的自身優(yōu)越性。

2.1.7 其他

利福平和異煙肼殺菌性強(qiáng)、副作用小，是抗結(jié)核病的一線用藥。通過連接劑將前者和喹諾酮類分別結(jié)合后，形成的化合物CBR - 2092 可增加對(duì)金黃色葡萄球菌的抗菌活性，且優(yōu)于利福平、莫西沙星或利福平與莫西沙星的聯(lián)用效果［23］。研究表明，CBR-2092作為RNA聚合酶抑制劑，表現(xiàn)出與利福平相似的效力，可抑制DNA 促旋酶和DNA 拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅳ，并可對(duì)已形成喹諾酮類耐藥的變異體保持抑制活性。何晶晶等［47］以異煙肼、靛紅、諾氟沙星為原料，合成的雜化物也表現(xiàn)出較好的抗菌活性（MIC為1.0 μg/ mL，優(yōu)于諾氟沙星的3.9 μg/mL）。靛紅等吲哚衍生物可抑制假單胞菌的膜囊泡生成［48］，在一定程度上增強(qiáng)諾氟沙星對(duì)相關(guān)酶的結(jié)合活性。

2.2 非抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物

2.2.1 ATP 競爭性抑制劑-氟喹諾酮雜化物

DURCIK 等［24］設(shè)計(jì)并合成了環(huán)丙沙星與ATP 競爭性抑制劑連接的新型雜化物，可與DNA旋轉(zhuǎn)酶的GyrA-和GyrB - 結(jié)合位點(diǎn)相互作用，且對(duì)大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌的抗菌活性良好。在無大量外排的情況下，部分雜化物甚至可延遲或阻止細(xì)菌耐藥性形成。

2.2.2 黃酮-氟喹諾酮雜化物

黃酮類化合物柚皮素可與氟喹諾酮類形成雜化。研究表明，環(huán)丙沙星和柚皮素的雜合對(duì)MRSA（MIC為- 0.29 μg/ mL）、大腸埃希菌（MIC為- 0.71 μg/ mL）和兩性霉素B耐藥的白色念珠菌（MIC為-0.14 μg/mL）的抗菌活性最強(qiáng)［26］，表明抑制DNA 促旋酶（環(huán)丙沙星特有機(jī)制）和外排泵（柚皮素特有機(jī)制）的雙向作用可通過雜化來實(shí)現(xiàn)［24］。

2.2.3 1，2，4-苯三唑-氟喹諾酮雜化物

1，2，4- 苯三唑是許多小分子藥物中常見的藥效基團(tuán)，其衍生物抗菌活性顯著。近年來，研究人員通過將兩類化合物結(jié)合，獲得比母體化合物更好的抑菌/殺菌活性［21］。系列新型克林沙星-1，2，4-苯三唑雜化物顯示出抗菌活性，與氯霉素、克林沙星和氟康唑相比，大多數(shù)化合物對(duì)試驗(yàn)菌株（革蘭陽性菌、革蘭陰性菌和真菌）顯示出相似或更好的活性［49］。此外，克林沙星-1，2，4-苯三唑類藥物對(duì)MRSA 的療效優(yōu)于克林沙星。ABURAHAMA 等［27］報(bào)道，環(huán)丙沙星- 1，2，4 - 苯三唑雜化物的抗真菌活性顯著，MIC為10.23 μg/mL，與伊曲康唑（MIC為11.22 μg/mL）相當(dāng)。

2.2.4 糖-氟喹諾酮雜化物

糖與環(huán)丙沙星的雜交可能提供更有效的候選物質(zhì)［50］。JUNG 等［51］合成了8 種新型糖- 氟喹諾酮雜化物，其中6 種為環(huán)丙沙星雜化物，對(duì)所有雜化物進(jìn)行抗菌藥物敏感性評(píng)估發(fā)現(xiàn)，在糖和氟喹諾酮間無連接子的雜化物比有連接子的相應(yīng)雜化物活性更高；葡萄糖和半乳糖的環(huán)丙沙星綴合物表現(xiàn)出與母體環(huán)丙沙星相當(dāng)?shù)幕钚?，且葡萄糖雜化物的活性略高于相應(yīng)的半乳糖類似物，與丙基連接的綴合物一致［51-52］。

2.2.5 靛紅-氟喹諾酮雜化物

靛紅（1H-吲哚-2，3-二酮）是重要的染料和眾多醫(yī)藥中間體，其衍生物也具有多種藥理學(xué)性質(zhì)［53-54］。臨床治療中，靛紅- 氟喹諾酮雜化物抑制或根除多種細(xì)菌感染疾病的潛力突出，成藥性可能較大。PANDEYA 等［55］評(píng)估了4 個(gè)靛紅- 環(huán)丙沙星/ 洛美沙星雜化物對(duì)9種常見菌的影響，發(fā)現(xiàn)均表現(xiàn)出良好的抗菌活性（MIC為0.10～2.50 μg/mL），與環(huán)丙沙星、洛美沙星的抗菌效價(jià)相當(dāng)。此外，連接劑對(duì)活性的影響同樣顯著，對(duì)抗菌活性的貢獻(xiàn)順序?yàn)?，2，3-三唑基>亞甲基>乙烯基>二甘醇基>乙?；?6］。

3 結(jié)語

氟喹諾酮類雜化物具有高效價(jià)及延緩抗菌藥物耐藥性發(fā)展速度的抗菌活性。且其雜化物合成相對(duì)容易，大量的潛在衍生物具有開發(fā)可能。

以氟喹諾酮類化合物為母核設(shè)計(jì)雜化小分子時(shí)，必須充分考慮潛在副作用或不良反應(yīng)。氟喹諾酮類最常見的副作用與肌肉骨骼和周圍神經(jīng)系統(tǒng)（如肌腱炎、肌腱斷裂、肌無力、肌肉疼痛、關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)腫脹）、中樞神經(jīng)系統(tǒng)（如焦慮、抑郁、幻覺、意識(shí)錯(cuò)亂），以及其他身體系統(tǒng)（如重癥肌無力惡化、皮疹、曬傷、心跳異常、腹瀉）相關(guān)［57-59］。此外，上述雜化策略延緩了耐藥性的形成，臨床應(yīng)用中可能遭遇耐藥瓶頸。

多年來，因缺乏有效對(duì)抗抗菌藥物耐藥細(xì)菌的藥物，導(dǎo)致全球公共衛(wèi)生問題持續(xù)惡化［60-61］。2019 年，通過對(duì)全球204 個(gè)國家和地區(qū)的抗菌藥物耐藥相關(guān)病例分析發(fā)現(xiàn)，約有127 萬人直接死于抗菌藥物耐藥，另有495萬人死因與抗菌藥物耐藥相關(guān)［62-63］。

臨床常用喹諾酮類化合物治療各種細(xì)菌感染，包括上、下呼吸道感染，部分皮膚、骨骼、軟組織感染，社區(qū)獲得性肺炎等，與其他抗菌藥物或活性化合物雜化時(shí)，可能展現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌效果，特別是對(duì)多重耐藥細(xì)菌菌株的作用。大量試驗(yàn)證實(shí)，雜化策略可通過增加膜的通透性、減少細(xì)菌細(xì)胞外排、抑制蛋白合成來擴(kuò)大抗菌活性，并延緩耐藥性形成。目前，多數(shù)氟喹諾酮類雜化物正處于臨床試驗(yàn)階段，少數(shù)進(jìn)入Ⅲ期臨床試驗(yàn)階段。標(biāo)準(zhǔn)化合成新型抗菌藥的策略可為對(duì)抗細(xì)菌耐藥性帶來巨大的潛在價(jià)值，但以氟喹諾酮類化合物為核心的雜化研究仍未充分開展，仍有待后續(xù)深入研究。