药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica2016,51(10):1651-1654 1651 新药发现与研究实例简析 新药创制是复杂的智力活动,涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效罘等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹,而构建化学结构是最重要的环节,因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角,对有代表性的药物的成功构建,加以剖析和解读 作用于细菌拓扑异构酶的沙星类抗菌药物如今广泛地在临床应用,首创药物诺氟沙星的研发路径却与一般 的药物研发不同,它可认为是计算机辅助设计出的一个药物。20世纪80年代,以线性自由能相关分析为依据的 Hansch-藤田分析,研究与应用达到高潮,物理化学原理作为药物-受体和药物转运的理论依据,辅以统计学 法处理,形成新药研究中的一个崭新途径。在尚未解析细菌拓扑异构酶三维结枸时代,不同层次的QSAR方程, 映射了活性化合物与“未知靶标”的结合特征,并在不断地精修方程过程中,深化了人们的认识,揭示出高活性 抑制剂,催生了诺氟沙星的成功。令人深思的是,用20世纪80年代得出的QSAR模型,分析直到本世纪上市的 代代的沙星药物结构,发现仍然被包罗在该模型的框架之下。 (编者按) 基于QSAR研发的诺氟沙星和沙星类药物 郭宗儒 (中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所,北京100050) 1前期的研究发现 6、7和8位进行不同的取代,以提高和扩大抗菌谱。 最早发现喹诺酮酸结构及其抗菌作用的是 Lesher遂以二氢喹啉酮为母核,以通式5的多个位置进行系 等在合成氯喹的过程中,分离出一个副产物,具有微统的取代基变换,定量地研究结构与活性的关系。 弱的抗菌活性,遂合成了萘啶酮酸为母核的系列化 彼时正是 Hansch-藤田以线性自由能相关(LFER) 合物,对N和C7作不同的烷基置换,对C3上的羧为基础的定量构效关系分析法(QSAR)研究热火的 基进行不同的酯基取代,经体外和体内的抗菌实验,年代,Koga等用化合物对大肠杆菌的最低抑菌浓度 发现萘啶酸(1, nalixilic acid)具有显著杀伤革兰氏 阴性菌的作用,1963年成为第一个试用喹诺酮类抗菌 oo 4j(Lesher GY, Froelich EJ, Gruett MD, et al.1,8- Naphthyridine derivatives. A new class of chemothera H3C 7N peutic agents. J Med Pharm Chem, 1962, 5: 1063 2 m订间 1065) 由于发现了抗菌药新的结构类型,引起了世界 范围的研究,进而发现了奥索利酸(2, oxolinic acid) H CH3 后期的研究提供了较多的结构选择性 2多位点的取代基变换一定量构效关系研究 日本杳林公司Koa等基于已有的结构-抗菌活性 的关系,推测抗菌母核具有可变性,而且可在环的1
药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1651 −1654 · 1651 · ·新药发现与研究实例简析· 新药创制是复杂的智力活动, 涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效果等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹, 而构建化学结构是最重要的环节, 因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角, 对有代表性的药物的成功构建, 加以剖析和解读。 作用于细菌拓扑异构酶的沙星类抗菌药物如今广泛地在临床应用, 首创药物诺氟沙星的研发路径却与一般 的药物研发不同, 它可认为是计算机辅助设计出的一个药物。20 世纪 80 年代, 以线性自由能相关分析为依据的 Hansch-藤田分析, 研究与应用达到高潮, 物理化学原理作为药物−受体和药物转运的理论依据, 辅以统计学方 法处理, 形成新药研究中的一个崭新途径。在尚未解析细菌拓扑异构酶三维结构时代, 不同层次的 QSAR 方程, 映射了活性化合物与“未知靶标”的结合特征, 并在不断地精修方程过程中, 深化了人们的认识, 揭示出高活性 抑制剂, 催生了诺氟沙星的成功。令人深思的是, 用 20 世纪 80 年代得出的 QSAR 模型, 分析直到本世纪上市的 一代代的沙星药物结构, 发现仍然被包罗在该模型的框架之下。 (编者按) DOI: 10.16438/j.0513-4870.2015-0037 基于 QSAR 研发的诺氟沙星和沙星类药物 郭宗儒 (中国医学科学院、北京协和医学院药物研究所, 北京 100050) 1 前期的研究发现 最早发现喹诺酮酸结构及其抗菌作用的是 Lesher 等在合成氯喹的过程中, 分离出一个副产物, 具有微 弱的抗菌活性, 遂合成了萘啶酮酸为母核的系列化 合物, 对 N1 和 C7 作不同的烷基置换, 对 C3 上的羧 基进行不同的酯基取代, 经体外和体内的抗菌实验, 发现萘啶酸 (1, nalixilic acid) 具有显著杀伤革兰氏 阴性菌的作用, 1963 年成为第一个试用喹诺酮类抗菌 药 (Lesher GY, Froelich EJ, Gruett MD, et al. 1,8- Naphthyridine derivatives. A new class of chemotherapeutic agents. J Med Pharm Chem, 1962, 5: 1063 − 1065)。 由于发现了抗菌药新的结构类型, 引起了世界 范围的研究, 进而发现了奥索利酸 (2, oxolinic acid)、 吡哌酸 (3, pipemidic acid) 和氟甲喹 (4, flumequine) 等具有更强和更广抗菌谱的活性物质。在药物化学上, 重要的是萘啶环可变换成喹啉或嘧啶并吡啶环, 为 后期的研究提供了较多的结构选择性。 2 多位点的取代基变换—定量构效关系研究 日本杏林公司 Koga 等基于已有的结构−抗菌活性 的关系, 推测抗菌母核具有可变性, 而且可在环的 1、 6、7 和 8 位进行不同的取代, 以提高和扩大抗菌谱。 遂以二氢喹啉酮为母核, 以通式 5 的多个位置进行系 统的取代基变换, 定量地研究结构与活性的关系。 彼时正是Hansch-藤田以线性自由能相关 (LFER) 为基础的定量构效关系分析法 (QSAR) 研究热火的 年代, Koga 等用化合物对大肠杆菌的最低抑菌浓度
1652 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica2016,51(10):1651-1654 (MC)定量地评价受试化合物的活性作为因变量,表2变换8位基团的化合物结构和活性.按式2计算的结果 用分子结构中变换的原子或基团的电性、立体性、疏 水性等参数作为自变量,通过回归和显著性分析,揭 示QSAR方程。 21考察化合物通式5中6位取代基对活性的影响 化合物 第一批合成的化合物为R1固定为C2H、R和R8均 为H,只变换R6为H、F、Cl、NO2、Br、CH3、OCH3 和I。表1列出了合成的化合物和测定抗菌活性,活 性的计算值是根据式1计算所得。表1的数据经回归 B456m CHE 分析得到式1 叫 3.088 3.032 OCH; 2.87 3.694 gMC=-3318(±0.59)[E62-4371(±0.85) 2.514 [Es6l+3.924 n=8,r=0.989,s=0.108,F2s=112.29 式2中B48是另一种立体参数,系指与C8相连的 表!变换6位基团的化合物结构和活性“按式1计算的结果原子或基团在某个方向上的体积因素,该参数在式 2中也含有2次项,提示存在一个最佳值,可使活性 达到最大值,经计算B4(8的最佳值1.83,与甲基值 (B4CH3=204)相近 23第三轮考察7位取代基对活性的影响研究7 化合物 位取代基的变换对活性的影响,固定R1为乙基,R6和 mol L) H R8为氢,合成了7个化合物,结构和活性列于表3。 5.233 虽然在7位引入基团使活性提高了10~30倍(相对 于R7=H),但回归分析未能看出对活性的影响因素 1.16 4.529 (7个样本的回归方程不具备显著性)。电性效应表明 3.540 1.01 由拉电子的硝基到推电子的二甲胺基,1g1/MC的变 II CHE 124 化范围为1~1.5。但当7位取代基用指示变量表征对 OCH; 3.956 活性的影响时,综合6、7、8位基团的变换与活性的 关系,得到了式3 式1中MC为最低抑菌浓度,单位是molL lgl/MC=-3.236(±0.89)[E6-4.210(±1.26) Ig 1/MIC表示化合物的活性值,数值越大,活性越高 [Ea6l-1.024(±0.32)[B4s]2-3770 (因是MC的倒数);E6为6位取代基R6的立体参 (±143)[B4(8]+1.358(±0.40)l(7)+ 数,n是参与回归的样本数(即化合物数),r为相关系 1.251 数(越接近于1相关性越强);s为标准偏差(越小越 n=21,r=0.978,s=0.205,F515=67.50 好,F是方程的显著性检验值。方程中影响活性的只表3变换7位基团的化合物结构和活性按式3计算的结果 有E56,而且含有二次项,表明在最适E6值下活性 可达到最高值,经求解最适E6为-0.66,大约相当 于氟原子(EB)=-0.55,提示6位的取代基以氟原子 取代最佳 化合物 22考察化合物通式5中8位取代基对活性的影响 为了优化8位取代基,固定了R1为C2H53、R6和R 4.449 为H,变换R8合成了7个化合物,结构和活性列于表 2。得到构效方程式2: 23CH3 g/MC=-1.016(±046)[B482-3.726(±2.04) N(CH;h 5.222 n=7,r=0.978,s=0.221,F2.4=44.05
· 1652 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1651 −1654 (MIC) 定量地评价受试化合物的活性作为因变量, 用分子结构中变换的原子或基团的电性、立体性、疏 水性等参数作为自变量, 通过回归和显著性分析, 揭 示 QSAR 方程。 2.1 考察化合物通式 5 中 6 位取代基对活性的影响 第一批合成的化合物为 R1 固定为 C2H5、R7 和 R8 均 为 H, 只变换 R6 为 H、F、Cl、NO2、Br、CH3、OCH3 和 I。表 1 列出了合成的化合物和测定抗菌活性, 活 性的计算值是根据式 1 计算所得。表 1 的数据经回归 分析得到式 1: lg 1/MIC=−3.318 (±0.59) [Es(6)] 2 −4.371 (±0.85) [Es(6)] + 3.924 (1) n=8, r=0.989, s=0.108, F2,5=112.29 表 1 变换 6位基团的化合物结构和活性. *按式 1 计算的结果 N O C O OH C2H5 R6 化合物 R6 Es(6) 实测值 lg 1/MIC (mol·L −1 ) 计算值* lg 1/MIC (mol·L −1 ) 5 H 0 3.939 3.924 6 F −0.46 5.178 5.233 7 Cl −0.97 5.208 5.042 8 Br −1.16 4.374 4.529 9 I −1.40 3.535 3.540 10 NO2 −1.01 4.923 4.910 11 CH3 −1.24 4.267 4.242 12 OCH3 −1.31 3.995 3.956 式 1 中 MIC 为最低抑菌浓度, 单位是 mol·L −1 , lg 1/MIC 表示化合物的活性值, 数值越大, 活性越高 (因是 MIC 的倒数) ; Es(6)为 6 位取代基 R6 的立体参 数; n 是参与回归的样本数 (即化合物数); r 为相关系 数 (越接近于 1 相关性越强); s 为标准偏差 (越小越 好); F 是方程的显著性检验值。方程中影响活性的只 有 Es(6), 而且含有二次项, 表明在最适 Es(6)值下活性 可达到最高值, 经求解最适 Es(6)为 −0.66, 大约相当 于氟原子 (Es(F)=−0.55), 提示 6 位的取代基以氟原子 取代最佳。 2.2 考察化合物通式 5 中 8 位取代基对活性的影响 为了优化 8 位取代基, 固定了 R1 为 C2H5、R6 和 R7 为 H, 变换 R8 合成了 7 个化合物, 结构和活性列于表 2。得到构效方程式 2: lg 1/MIC=−1.016 (±0.46) [B4(8)] 2 −3.726 (±2.04) [B4(8)] + 1.301 (2) n=7, r=0.978, s=0.221, F2,4=44.05 表 2 变换 8位基团的化合物结构和活性. *按式 2 计算的结果 N O C O OH R8 C2H5 化合物 R8 B4(8) 实测值 lg 1/MIC (mol·L −1 ) 计算值* lg 1/MIC (mol·L −1 ) 13 H 1.0 3.939 4.011 14 Cl 1.80 4.606 4.716 15 F 1.35 4.575 4.479 16 CH3 2.04 4.868 4.634 17 C2H5 2.97 3.088 3.032 18 OCH3 2.87 3.694 3.626 19 OC2H5 3.36 2.514 2.350 式 2 中 B4(8)是另一种立体参数, 系指与 C8相连的 原子或基团在某个方向上的体积因素, 该参数在式 2 中也含有 2 次项, 提示存在一个最佳值, 可使活性 达到最大值, 经计算 B4(8)的最佳值 1.83, 与甲基值 (B4(CH3 )=2.04) 相近。 2.3 第三轮考察 7 位取代基对活性的影响 研究 7 位取代基的变换对活性的影响, 固定 R1为乙基, R6和 R8 为氢, 合成了 7 个化合物, 结构和活性列于表 3。 虽然在 7 位引入基团使活性提高了 10～30 倍 (相对 于 R7 = H), 但回归分析未能看出对活性的影响因素 (7 个样本的回归方程不具备显著性)。电性效应表明, 由拉电子的硝基到推电子的二甲胺基, lg 1/MIC 的变 化范围为 1～1.5。但当 7 位取代基用指示变量表征对 活性的影响时, 综合 6、7、8 位基团的变换与活性的 关系, 得到了式 3: lg 1/MIC=−3.236 (±0.89) [Es(6)] 2 −4.210 (±1.26) [Es(6)]−1.024 (±0.32) [B4(8)] 2 −3.770 (±1.43) [B4(8)]+1.358 (±0.40) I(7)+ 1.251 (3) n=21, r=0.978, s=0.205, F5,15=67.50 表 3 变换 7位基团的化合物结构和活性. *按式 3 计算的结果 N O C O OH C2H5 R7 化合物 R7 I(7) 实测值 lg 1/MIC (mol·L −1 ) 计算值* lg 1/MIC (mol·L −1 ) 20 NO2 0 4.923 4.449 21 COCH3 0 5.521 4.586 22 Cl 0 5.509 4.818 23 CH3 1 5.471 3.149 24 OCH3 1 5.199 3.881 25 N(CH3)2 1 5.222 2.386 26 N NH 1 5.636 5.924
郭宗儒:基于QSAR研发的诺氟沙星和沙星类药物 1653 式3中I为7位取代基的指示变量,推电子基团诺酮共71个化合物,作综合性回归处理,得到式6 为1,拉电子基团为0,该项的回归系数为+1.358,提 g1MC=-0.362(±0.25)L12+3036(221 7位的推电子取代基比拉电子基团的活性提高1个 [Lul-2.499(±0.55)[Es6-3.345 数量级。为了进一步探索7位取代基的影响,只变换 (±0.73)[Es6l+0.986(±0.24)l7-0.734 7位基团成四氢吡咯、哌嗪、N-取代的哌嗪,测定抗 (±027)l(Nco-1.023(±0.23)|B4s2 菌活性。由于哌嗪的N4呈碱性,可被质子化,也可 3.724(0.92)[B48-0205(±0.05) [Ex(6781-0.485(±0.10)∑x67.)-0.681 被酰化,所以电性的变化可以很大。为进行QSAR研 (±0.39)F(678)-5.571 究,用指示变量lNco表征哌嗪的N4的状态,若哌 n=71,r=0.964,s=0.274,F159=70.22 嗪的N4被酰化赋值为1,未酰化(可呈正电荷)的为 式6比前几个复杂得多,因为取代基位置的变化 0,得到式4: 和化合物样本数多的缘故(参与回归分析的样本数 g1MC=-024405)[xn2-0675(±0.15)xn越多,可允许有较多的参数描述)式中除含有前述的 0.705(±027)Nco+5.987(4)Lu、En6)、1n、 lIN-CO、B182外,新参数x678表示6、 n=22,r=0.943,s=0.242,F3.8=47.97 7和8位取代基疏水常数之和,由于其他位置基本是 式4中xn表示7位基团的疏水性常数,xn含有固定不变的,因而Ex678与化合物的分配系数gP呈 二次项,提示7位具有最适疏水性的取代基可致抗菌线性相关。式中Ex67含有二次项,表明这3个位置 活性最强。指示变量项lNco的系数为负值,表明哌的疏水性之和有1个最适值,能够达到最高抑菌作用 嗪环未被酰化有利于提高活性。这就是为什么所有的这可能也同时反映了化合物穿越细胞膜的转运过程 沙星药物都在6位保持有碱性氮原子 ΣF678是6、7和8位基团的场效应之和,是电性诱导 24探索Nl取代基对活性影响进一步考察N1位效应的一种量度,∑F6738项为负系数,表明6、7、8位 取代基对活性的影响。固定C6和C位为H,7位为哌基团的推电子的诱导效应有利于提高活性。推测这些 嗪基,变换1位合成的化合物及活性列于表4 位置共同输送电子,丰富了4位酮基的电荷,有利于同 1g/MC=-0492(±0.18)[al+4.102(±1.59)酶的作用位点结合。这在后述的作用机制中得到回 [L(u-1.999 式6中含有二次项的参数都有最适值,分别是 n=8,r=0.955,s=0.126,F2s=2578 L(u)=4.19、E56=0.66、B4 x678)=-1.18,与 表4变换1位基团的化合物结构和活性“按式5计算的结果前述方程得出的最适值相近,说明各个位置的取代 基变化对抑菌活性的影响是稳定的。具体地说,R1为 乙基、R6为氟原子、R8为甲基或 除去 和πc田,π7应为-1.88,这与哌嗪的π值-1.74相近,所 以7位的取代基以哌嗪为宜。[ Koga h. Structure 化合物 Li lg 1/MI (mol-L- activity relationships and drug design of the pyridine 3.00 5.879 carboxilic acid typ3(nalidixic acid type)synthetic 28C2H5 antibacterial agents.In“药物O构造活性相关[], 6.501 6.542 化学⑦领域,增刊136号南江堂”,1982:177-202 30 CH-CH CH; 31 CHCH=CH; 6.264 Koga H, Itoh A, Murayama S, et al. Structure-activity 32 CH CH2OH 6.269 6.360 relationships of antibacterial 6, 6-disubstituted and 7, 8- 33 CH2 ChS 6.280 disubstituted 1-alkyl 1, 4-dihydro-4-oxiquinoline-3 34CH2CH2N(CH5.475470 5.717 carboxylic acids. J Med Chem, 1980, 23: 1358-1363] 3诺氟沙星的诞生 式5中L1)是取代基R1的 STERIMOL长度参数 基于上述QSAR分析的结论,似乎应当合成2-乙 是表征立体效应的另一种参数,其最适值大约为42,基、6F、7-N甲基哌嗪、8-甲基喹诺酮酸。然而考虑 接近于乙基的长度(L乙基=4.11)。 到8-甲基化合物的合成难度,杏林公司最终选择化 25多位点的同时优化至此,各个位置的最佳取合物35为候选药物,命名为诺氟沙星( norfloxacin) 代基已经确定,即R1=C2H3,R6=F,R=甲基哌嗪基,生物利用度F=30%~40%,血浆蛋白结合率15%,血 Cl或CH3。将上述合成的化合物以及其他一些喹浆半衰期th=3~4h。经临床研究后,最初在意大利
郭宗儒: 基于 QSAR 研发的诺氟沙星和沙星类药物 · 1653 · 式 3 中 I(7)为 7 位取代基的指示变量, 推电子基团 为 1, 拉电子基团为 0, 该项的回归系数为+1.358, 提 示 7 位的推电子取代基比拉电子基团的活性提高 1 个 数量级。为了进一步探索 7 位取代基的影响, 只变换 7 位基团成四氢吡咯、哌嗪、N-取代的哌嗪, 测定抗 菌活性。由于哌嗪的 N4 呈碱性, 可被质子化, 也可 被酰化, 所以电性的变化可以很大。为进行 QSAR 研 究, 用指示变量 I(7N-CO)表征哌嗪的 N4 的状态, 若哌 嗪的 N4 被酰化赋值为 1, 未酰化 (可呈正电荷) 的为 0, 得到式 4: lg 1/MIC=−0.244 (±0.05) [π(7)] 2 −0.675 (±0.15) π(7)− 0.705 (± 0.27) I(7N-CO)+5.987 (4) n=22, r=0.943, s=0.242, F3,18=47.97 式 4 中 π(7)表示 7 位基团的疏水性常数, π(7)含有 二次项, 提示 7 位具有最适疏水性的取代基可致抗菌 活性最强。指示变量项 I(7N-CO)的系数为负值, 表明哌 嗪环未被酰化有利于提高活性。这就是为什么所有的 沙星药物都在 6 位保持有碱性氮原子。 2.4 探索 N1 取代基对活性影响 进一步考察 N1 位 取代基对活性的影响。固定 C6 和 C8 位为 H, 7 位为哌 嗪基, 变换 1 位合成的化合物及活性列于表 4。 lg 1/MIC=−0.492 (±0.18) [L(1)] 2 +4.102 (±1.59) [L(1)] − 1.999 (5) n=8, r=0.955, s=0.126, F2,5=25.78 表 4 变换 1位基团的化合物结构和活性. *按式 5 计算的结果 N O C O OH R1 N HN F 化合物 R1 L(1) 实测值 lg 1/MIC (mol·L −1 ) 计算值* lg 1/MIC (mol·L −1 ) 27 CH3 3.00 5.942 5.879 28 C2H5 4.11 6.629 6.548 29 CH=CH2 4.29 6.501 6.542 30 CH2CH2CH3 5.05 6.267 6.168 31 CH2CH=CH3 5.11 6.264 6.114 32 CH2CH2OH 4.79 6.269 6.360 33 CH2C6H5 3.63 6.280 6.406 34 CH2CH2N(CH3)2 5.47 5.470 5.717 式 5 中 L(1)是取代基 R1 的 STERIMOL 长度参数, 是表征立体效应的另一种参数, 其最适值大约为 4.2, 接近于乙基的长度 (L乙基 =4.11)。 2.5 多位点的同时优化 至此, 各个位置的最佳取 代基已经确定, 即 R1 =C2H5, R6 = F, R7 = 甲基哌嗪基, R8=Cl 或 CH3。将上述合成的化合物以及其他一些喹 诺酮共 71 个化合物, 作综合性回归处理, 得到式 6: lg 1/MIC=−0.362 (±0.25)[L(1)] 2 +3.036 (±2.21) [L(1)]−2.499 (±0.55)[Es(6)] 2 −3.345 (±0.73)[Es(6)]+0.986 (±0.24)I(7)−0.734 (±0.27)I(7N-CO)−1.023 (±0.23)[B4(8)] 2 − 3.724 (±0.92)[B4(8)]−0.205 (±0.05) [Σπ(6,7,8)] 2 −0.485 (±0.10)Σπ(6,7,8)−0.681 (± 0.39) ΣF(6,7,8) − 5.571 (6) n = 71, r = 0.964, s = 0.274, F11,59= 70.22 式 6 比前几个复杂得多, 因为取代基位置的变化 和化合物样本数多的缘故 (参与回归分析的样本数 越多, 可允许有较多的参数描述)。式中除含有前述的 L(1)、Es(6)、I(7)、I(7N-CO)、B4(8)外, 新参数 Σπ(6,7,8)表示 6、 7 和 8 位取代基疏水常数之和, 由于其他位置基本是 固定不变的, 因而 Σπ(6,7,8)与化合物的分配系数 logP 呈 线性相关。式中 Σπ(6,7,8)含有二次项, 表明这 3 个位置 的疏水性之和有 1 个最适值, 能够达到最高抑菌作用, 这可能也同时反映了化合物穿越细胞膜的转运过程。 ΣF(6,7,8)是 6、7 和 8 位基团的场效应之和, 是电性诱导 效应的一种量度, ΣF(6,7,8)项为负系数, 表明 6、7、8 位 基团的推电子的诱导效应有利于提高活性。推测这些 位置共同输送电子, 丰富了 4位酮基的电荷, 有利于同 酶的作用位点结合。这在后述的作用机制中得到回应。 式 6 中含有二次项的参数都有最适值, 分别是 L(1) = 4.19、Es(6) = 0.66、B4(8) = 1.83、Σπ(6,7,8) = −1.18, 与 前述方程得出的最适值相近, 说明各个位置的取代 基变化对抑菌活性的影响是稳定的。具体地说, R1 为 乙基、R6 为氟原子、R8 为甲基或氯、Σπ(6,7,8)中除去 πF 和 πCH3, π7 应为−1.88, 这与哌嗪的 π 值−1.74 相近, 所 以 7 位的取代基以哌嗪为宜。[Koga H. Structureactivity relationships and drug design of the pyridinecarboxilic acid typ3 (nalidixic acid type) synthetic antibacterial agents. In“药物の构造活性相关 [II], 化学の领域, 增刊 136 号 南江堂”, 1982: 177−202; Koga H, Itoh A, Murayama S, et al. Structure-activity relationships of antibacterial 6,6-disubstituted and 7,8- disubstituted 1-alkyl 1,4-dihydro-4-oxiquinoline-3- carboxylic acids. J Med Chem, 1980, 23: 1358 −1363]。 3 诺氟沙星的诞生 基于上述 QSAR 分析的结论, 似乎应当合成 2-乙 基、6-F、7-N-甲基哌嗪、8-甲基-喹诺酮酸。然而考虑 到 8-甲基化合物的合成难度, 杏林公司最终选择化 合物 35 为候选药物, 命名为诺氟沙星 (norfloxacin), 生物利用度 F=30%～40%, 血浆蛋白结合率 15%, 血 浆半衰期 t1/2=3～4 h。经临床研究后, 最初在意大利
1654 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica2016,51(10):1651-1654 NH2 40 NH, o 人 4 上市,1986年经FDA批准在美国上市 个含氟的上市药物,只因7位没有含氮杂环,吸收 4诺氟沙星的作用机制 性较差。氧氟沙星含有一个手性碳,拆分为光学异构 诺氟沙星是杀菌剂,通过抑制细菌的DNA回旋体,证明S-(-)构型为优映体,其抗菌活性为消旋体的 酶( gyrase)和拓扑异构酶Iv( ( topoisomerase IV)抑2倍,强于R-(+}劣映体1~2个数量级,对于革兰氏 制DNA的复制而起到抗菌作用。这两个酶负责调控阴性和阳性菌有强效广谱抗菌活性。左氧氟沙星的结 细菌DNA分子的解旋、松弛、断裂和闭合。在这个构特征是用含氧烷链连接了N1和C8形成六元杂环, 过程中,诺氟沙星通过3位羧基和4位羰基,以及 这个结构因素其实在Koga的QSAR模型中已经预示 7和8位的基团,形成沙星一拓扑异构酶DNA三元复了N1和C8结构可变性。左氧氟沙星口服后可完全吸 合物,导致DNA末端的重链被抑制,使细菌DNA发收到血液中,血浆半衰期为6~8h,主要以原形药从 生断裂[ Hawkey PM. Mechanisms of quinolone action尿中排出( Hayakawa I, Atarashi S, Yokohama s,etal and microbial response. J Antimicrob Chemoter, 2003, Synthesis and antimicrobial activities of optically active 51(S1):29-35] ofloxacin. J Antimicrob Chemother, 1986, 29: 163-164). 5后续的沙星 53本世纪上市的沙星细菌耐药性的出现不断 51环丙沙星由德国 Bayer公司研发的环丙沙星催生了新一代的沙星的研发,在本世纪已有多个新 (36, ciprofloxacin)是继诺氟沙星上市一年后的另 的沙星药物上市,2002年诺华上市的巴洛沙星(38 沙星,借助了Koga等的研发经验,只在NI的乙基增 balofloxacin)和三菱制药研发的帕珠沙星(39,pazu- 加一个碳原子成环丙基,化合物对革兰氏阴性菌的活 loxacin),2003年 Oscient研发的吉米沙星(40, 性提高了2~10倍,尤其对绿脓杆菌的抗菌作用强于 gemifloxacin),2008年第一制药三共株式会社上市的 诺氟沙星4倍。环丙沙星的口服生物药代F=70%,与西他沙星(41, sitafloxacin)以及2009年辉瑞(原研 血浆蛋白结合率为20%40%,血浆半衰期n=4~ Bausch&Lomb)上市的贝西沙星(42, besifloxacin) 6h。作为跟随性的模拟创新药物,环丙沙星的药效学这些沙星的化学结构基本保持了首创药物诺氟沙星 和药代动力学性质显著超越首创药物,这种后来者的原型,只是在C7、C8和(或)N1作些改动罢了。有 居上,在20世纪80年代是常见的现象,反映出首创药趣的是,改动的幅度仍然在Koga推导的QSAR的 物在优化活性或成药性方面的不足。 框架之内。上海药物所杨玉社等研制的安妥沙星(43 52左氧氟沙星日本第一制药的 Hayakawa等在 antofloxacin)为(S)-5-氨基氧氟沙星,是具有抗耐药 1980年合成了消旋的氧氟沙星。氧氟沙星的骨架可视菌谱广和安全性高的跟随性创新药物,也是当初 作氟甲喹(4)的电子等排体,即与8位连接的次亚甲Koga等未曾考察的结构位置。安妥沙星于2009年经 基被氧原子替换。虽然氟甲喹是合成的喹诺酮类第CFDA批准在我国上市
· 1654 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (10): 1651 −1654 上市, 1986 年经 FDA 批准在美国上市。 4 诺氟沙星的作用机制 诺氟沙星是杀菌剂, 通过抑制细菌的 DNA 回旋 酶 (gyrase) 和拓扑异构酶 IV (topoisomerase IV) 抑 制 DNA 的复制而起到抗菌作用。这两个酶负责调控 细菌 DNA 分子的解旋、松弛、断裂和闭合。在这个 过程中, 诺氟沙星通过 3 位羧基和 4 位羰基, 以及 1、 7 和 8 位的基团, 形成沙星−拓扑异构酶-DNA 三元复 合物, 导致 DNA 末端的重链被抑制, 使细菌 DNA 发 生断裂 [Hawkey PM. Mechanisms of quinolone action and microbial response. J Antimicrob Chemoter, 2003, 51(S1): 29−35]。 5 后续的沙星 5.1 环丙沙星 由德国 Bayer 公司研发的环丙沙星 (36, ciprofloxacin) 是继诺氟沙星上市一年后的另一 沙星, 借助了 Koga 等的研发经验, 只在 N1 的乙基增 加一个碳原子成环丙基, 化合物对革兰氏阴性菌的活 性提高了 2～10 倍, 尤其对绿脓杆菌的抗菌作用强于 诺氟沙星 4 倍。环丙沙星的口服生物药代 F=70%, 与 血浆蛋白结合率为 20%～40%, 血浆半衰期 t1/2 = 4～ 6 h。作为跟随性的模拟创新药物, 环丙沙星的药效学 和药代动力学性质显著超越首创药物, 这种后来者 居上, 在20 世纪80 年代是常见的现象, 反映出首创药 物在优化活性或成药性方面的不足。 5.2 左氧氟沙星 日本第一制药的 Hayakawa 等在 1980 年合成了消旋的氧氟沙星。氧氟沙星的骨架可视 作氟甲喹 (4) 的电子等排体, 即与 8 位连接的次亚甲 基被氧原子替换。虽然氟甲喹是合成的喹诺酮类第 一个含氟的上市药物, 只因 7 位没有含氮杂环, 吸收 性较差。氧氟沙星含有一个手性碳, 拆分为光学异构 体, 证明 S-(−)-构型为优映体, 其抗菌活性为消旋体的 2 倍, 强于 R-(+)-劣映体 1～2 个数量级, 对于革兰氏 阴性和阳性菌有强效广谱抗菌活性。左氧氟沙星的结 构特征是用含氧烷链连接了 N1 和 C8 形成六元杂环, 这个结构因素其实在 Koga 的 QSAR 模型中已经预示 了 N1 和 C8 结构可变性。左氧氟沙星口服后可完全吸 收到血液中, 血浆半衰期为 6～8 h, 主要以原形药从 尿中排出 (Hayakawa I, Atarashi S, Yokohama S, et al. Synthesis and antimicrobial activities of optically active ofloxacun. J Antimicrob Chemother, 1986, 29: 163 −164)。 5.3 本世纪上市的沙星 细菌耐药性的出现不断 催生了新一代的沙星的研发, 在本世纪已有多个新 的沙星药物上市, 2002 年诺华上市的巴洛沙星 (38, balofloxacin) 和三菱制药研发的帕珠沙星 (39, pazufloxacin), 2003 年 Oscient 研发的 吉米 沙星 (40, gemofloxacin), 2008 年第一制药三共株式会社上市的 西他沙星 (41, sitafloxacin) 以及 2009 年辉瑞 (原研 Baunsch & Lomb) 上市的贝西沙星 (42, besifloxacin)。 这些沙星的化学结构基本保持了首创药物诺氟沙星 的原型, 只是在 C7、C8 和 (或) N1 作些改动罢了。有 趣的是, 改动的幅度仍然在 Koga 推导的 QSAR 的 框架之内。上海药物所杨玉社等研制的安妥沙星 (43, antofloxacin) 为 (S)-5-氨基氧氟沙星, 是具有抗耐药 菌谱广和安全性高的跟随性创新药物, 也是当初 Koga 等未曾考察的结构位置。安妥沙星于 2009 年经 CFDA 批准在我国上市