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. Structure￾activity relationships and drug design of the pyridine￾carboxilic 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