基于糖类物质的药物研究

张勇民

(1.西北大学 生命科学学院/陕西省生物医药重点实验室, 陕西 西安　710069；2.法国巴黎第六大学分子化学研究所,巴黎　75005)



·生命科学(特约稿件)·

基于糖类物质的药物研究

张勇民1,2

(1.西北大学 生命科学学院/陕西省生物医药重点实验室, 陕西 西安710069；2.法国巴黎第六大学分子化学研究所,巴黎75005)

糖是一类重要的生物大分子。糖类在细胞膜表面往往和蛋白质或脂类形成共价结合物 —— 糖蛋白和糖脂,统称为糖缀合物。糖缀合物中的寡糖是体内重要的信息分子,对人类疾病的发生、发展和预后起着重要的作用。对糖参与的生理或病理过程进行干预和调控具有重要的生物学意义,而与糖的生物合成或降解有关的酶抑制剂便是潜在的抗菌、抗病毒、抗肿瘤转移、抗糖尿病、抗粘合和免疫刺激剂。

糖；药物研究；糖化学；糖生物学

随着经济的发展和社会的进步,人类对自身的生命、健康和生活质量的要求越来越高,健康长寿是人们追求的目标。疾病是严重威胁人类生命和健康的最主要因素,当前,药物仍然是预防和治疗疾病的主要工具,因此药物科学的发展是一个世界范围内的重要课题。从药物发展的历史看,20世纪初开始新药的发展加快了步伐, 30～40年代,磺胺和青霉素的研究开发成功,标志着化学治疗药物发展的里程碑。据报道,仅1935～1946年间就合成了约5500种磺胺类化合物供临床试验。在20世纪后半叶,治疗各种疾病的大批新药上市,化学药物治疗成为医疗保健的重要手段。但随着时间的推移,新药研究开发速度放慢。医药界常以新化学实体(New Chemical Entity,NCE)的数目来表示新药研究开发的进展。从新化学实体新药研究开发上市的年平均数来看,20世纪60年代为83.2个,70年代为62.6个,80年代为48.5个,90年代为40个。因为,一方面随着新药被陆续发现,发现新药就变得越来越困难,另一方面新药研究开发所需的投资也日益增加。现在,一个药物从概念产生到推向市场需要10-15年的时间,有数据表明,美国新药研发平均费用从1975年的1.38亿美元上升到2000年的8.02亿美元,目前已升至10-15亿美元。40年间增长了10倍!另外,研究新药的风险也日益增大,从合成化合物筛选出来可进入临床试验的淘汰率越来越大,成功率仅为百分之一到万分之一,进入Ⅱ期临床时还有4/5遭淘汰。

难道新药研发之路真的越走越窄了吗?我们知道,科学技术的进步往往能带动新药研发技术的发展。科学领域的每一次革命,都推动了制药行业的又一次创新。新技术、新方法的利用,使发现新药的方式、途径和手段更加多样化。所以,新药的发现将随着科学技术的发展不断开辟新的途径。现就近年来逐渐兴起的基于糖类物质的药物研究做一简单介绍。

1　糖科学与人类疾病

从分子水平看,生命科学主要研究3类生物大分子:核酸、蛋白质(多肽)、(多)糖。20世纪里,人类对核酸、蛋白质的研究取得了丰硕的成果,从而极大地促进了生命科学的发展。近年来,糖的化学及生物学研究加速发展,渐渐形成一门新的学科—— 糖科学。迄今,糖科学已经渗透到许多生命科学的领域,有关糖的研究成果广泛地发表在生命科学的学术期刊上,并且出现了一批糖科学的专刊。法国每两年召开一次糖的专题研讨会,欧洲每两年也举行一次糖的专题大会,而糖的国际大会自1960年首次在法国举行以来,陆续在美国、加拿大、澳大利亚、日本、印度及欧洲的一些国家成功地召开了27次(法国3次),已成为当代重要的国际学术会议,其规模超过千人。糖科学正在成为热点和前沿研究领域。

相对于其他生物大分子,糖类的化学与生物学发展较迟缓,主要原因是糖类结构的复杂性。举例来说,由4个核苷酸组成的寡核苷酸,可能的序列仅有24种,而由4个己糖组成的寡糖链,可能的序列则多达3万多种。就蛋白质与多肽而言,因为肽的连接都是氨基酸的α-氨基和α-羧基连接的肽键,一个氨基酸残基只能在氨基侧链各形成一个肽链,一般不会形成分支肽链,核苷酸也都是3′,5′-磷酸二酯键连接,也不可能存在分支的核酸。但是，寡糖中两个糖基的互相连接可以有1→2，1→3， 1→4，1→6等不同方式，一个糖残基和相邻残基有时可形成4个糖苷键,从而使糖链产生分支,而且糖环还存在端基异头碳上的α和β构型,更造成了糖连接键的复杂性。

在相当长的时间里,糖类被认为在生物体中仅作为能源(如淀粉和糖原)或结构组分(如蛋白聚糖或纤维素),细胞生物学和分子生物学的发展逐渐揭示了糖类物质在生物体内所发挥的重要生物功能。细胞表面密布着糖,糖是细胞与细胞间进行通讯的信息分子。况且,糖结构的多样性使得它可能携带的信息量远远超过了蛋白质和核酸。糖类在细胞膜表面往往和蛋白质或脂类形成共价结合物 —— 糖蛋白和糖脂,统称为糖缀合物 (glycoconjugate)。越来越多的事实证明,糖缀合物中的寡糖是体内重要的信息分子,对人类疾病的发生、 发展和预后起着重要的作用。由基因直接调控的蛋白往往要经过加工修饰才能表现出各种各样的功能,而蛋白的糖基化修饰是最重要的修饰作用之一。正常的蛋白由于糖基化修饰而改变构象从而导致疾病的产生。细胞和细胞间的通讯以及病毒或细菌对宿主细胞的入侵等过程都与糖分子之间或糖与蛋白质之间的相互作用有关。细胞表面的寡聚糖控制着细胞粘合、炎症反应、细胞免疫识别和癌细胞的扩散及转移等过程。 对糖参与的生理或病理过程进行干预和调控具有重要的生物学意义,而与糖的生物合成或降解有关的酶抑制剂便是潜在的抗菌、抗病毒、抗肿瘤转移、抗糖尿病、抗低血糖、抗粘合和免疫刺激剂。

2　糖类药物的研究

在关系到人类健康的医药领域,传统上人们并不看好糖类药物。随着糖化学与糖生物学的快速发展,这一观念正在接受前所未有的挑战。

2.1寡糖抗凝药磺达肝癸钠(ARIXTRA)

本世纪初,法国的SANOFI-SYNTHELABO (现更名为SANOFI) 医药集团和荷兰的ORGANON制药公司联合研制成功了一种预防静脉血栓的药物。这两家公司以天然肝素为模型,化学合成了硫酸化的五糖FONDAPARINUX SODIUM (磺达肝癸钠,商品名为ARIXTRA),2001年同时在欧盟和美国申请新药批号,2001年12月经美国FDA批准,于2002年初在美国上市,2002年春、夏在欧盟各国也陆续上市。

肝素是一种由D-葡萄糖胺,D-葡萄糖醛酸和L-艾杜糖醛酸组成的粘多糖,含多种硫酸根,其中的阴离子与抗凝有关。肝素的阴离子活性基团与抗凝血酶III(AT-III)的阳离子基团结合,加速抗凝血酶-凝血酶复合体形成,抑制凝血酶、凝血因子等的活性, 因此产生抗凝效应。临床用于预防及治疗血栓栓塞性疾病。医用肝素属生物制品,主要从牛肺或猪肠粘膜提取。

肝素的分子量较大,平均为5000-15000,属于一种高度硫酸酯化的右旋多糖。20世纪80年代初,法国药物化学工作者开始研究肝素药用的有效部位,经过探索,发现肝素分子中与抗凝血酶III(AT-III)结合产生抗凝作用的最小序列 (药效基团) 可能是一个五糖单元,组成为:D-葡萄糖胺-D-葡萄糖醛酸-D-葡萄糖胺-L-艾杜糖醛酸-D-葡萄糖胺,分子中羟基、氨基、羧基多被硫酸化,这一假设通过该五糖的化学全合成及其生物实验得到了证实[1]。

当时法国的SANOFI-SYNTHELABO医药集团和荷兰的ORGANON制药公司随即投资开发此药,最终导致了磺达肝癸钠的上市。商品化的药品分子与肝素的五糖片段完全一样,只是在其还原端基异头碳的羟基上接了甲基,形成糖苷。与肝素不同，ARIXTRA并不直接抑制凝血酶，而是选择性地抑制凝血因子Xa，产生抗凝血作用。临床用于防止深层静脉血栓。肝素在临床使用时常伴有一些副作用，比如诱发血小板减少。据报道，肝素诱发的血小板减少与肝素的分子量有关，分子量低的肝素影响较轻。ARIXTRA结构中只含有5个糖分子，因此，诱发血小板减少现象很轻。临床上，ARIXTRA常用于外科整形手术时预防静脉血栓，比如，膝盖或腰部手术、换假肢。ARIXTRA为针剂，0.5 mL, 含2.5 mg，皮下注射。

图1　ARIXTRA的化学结构Fig.1　Structure of ARIXTRA

作为第一个化学全合成的寡糖药物,ARIXTRA的发现给以糖为基础的药物,特别是寡糖药物的研究增加了活力。

2.2作为细胞粘附抑制剂的糖脂类抗肿瘤药物的研究

近年来,糖的化学及生物学研究发展很快,逐渐揭示了糖类在生命过程中的重要作用。其实,生物体内的很多生理和病理过程都离不开糖类,例如微生物感染的第一步几乎都是微生物和宿主细胞的粘附,这中间糖链和凝集素的相互作用起了重要的作用,若能设法阻断这一过程,就可以防止微生物的感染;癌细胞的扩散也是同样的道理。例如,小鼠B16黑色素瘤细胞表面含有高浓度的神经节苷脂GM3,这是一种与黑色素瘤有关的抗原[2],当它的浓度达到一定阈值时,即在细胞表面聚集,形成一种鞘糖脂信号领域,或糖信号领域(Glycosphingolipid Signaling Domain, or GlycoSignaling Domain, GSD)。

图2　神经节苷脂GM3Fig.2　Structures of ganglioside GM3

这一微型领域在神经节苷脂GM3作为抗原、黏附分子和膜信号程序引发剂产生作用时发挥着重要的功能。在小鼠B16黑色素肿瘤细胞的转移、扩散过程中,GM3抗原很可能是介导肿瘤细胞与内皮细胞黏附的因子。我们曾设想,如能找到一种物质干扰GM3信号领域,抑制GM3在糖信号领域的功能,则有可能抑制与GM3有关的细胞粘附及信号传导,从而抑制肿瘤细胞的扩散,达到治疗癌症的目的,并假设这种物质应该是GM3的类似物。为此,我们设计并通过化学方法合成了一些GM3的类似物[3-4]。

图3　GM3的类似物Fig.3　Analogues of GM3

该研究方案实施后,由生物实验证实是行之有效的。其中,Lyso-GM3 和 Sialyl Sphingosine 对于由GM3诱导的B16细胞粘附有显著的抑制作用,抑制浓度在0.5-1.0μmol,而在5-10μmol浓度时达到完全抑制[5]。我们的研究成果无疑为黑色素瘤的防治研究开辟了一条新的途径。其实,许多与肿瘤相关的神经鞘糖脂抗原均是细胞粘附分子,促进着肿瘤细胞的转移过程[6],从理论上讲,阻断这些神经节苷脂的合成途径,即可阻止肿瘤细胞的转移和扩散。

2.3寡糖脂类作为靶向抗肿瘤药物的研究

核苷类似物在抗病毒、抗肿瘤的化疗药物中占有重要的地位。它们作用于病毒或肿瘤细胞的酶系统而抑制相应酶的活性,或掺入到DNA，RNA中去,使其失去原有的生物功能而发挥作用。然而这类药物常引起不同程度的副作用,即药物在杀伤病毒或癌细胞的同时,对某些正常组织也有一定损害。如服用AZT的病人出现骨髓毒性,原因是AZT抑制了胸苷酸激酶;服用ddC和ddI的病人中观察到外周神经病变,这起因于线粒体DNA聚合酶的活性被抑制。由于这类药物的选择性差,由此造成了对机体的毒性,从而限制了它们在临床的广泛应用。因此,发展选择性抑制肿瘤细胞生长的先导化合物是抗肿瘤药物研究的重要内容。我们最近合成了4个神经节苷脂GM3的类似物, 化合物1和2分别是GM3分子中消除葡萄糖的结构, 而化合物3和4则是GM3分子中消除半乳糖的结构。

图4　神经节苷脂GM3的类似物Fig.4　Analogues of ganglioside GM3

体外细胞毒性实验显示,所有化合物对正常的人角化细胞HaCaT的生长基本没有影响, 而化合物3和4对两种肿瘤细胞 (人结肠直肠癌细胞HCT116, 人白血病细胞K562) 的生长有明显的抑制作用, 细胞形态学研究表明, 用化合物3和4处理后3d, 相比于正常的人角化细胞, 两种肿瘤细胞的形态有较大变化。这些化合物的细胞毒性是因为抑制了不同的生长因子受体(GFR)相关的酪氨酸激酶的活性[7]。由于具有选择性抑制肿瘤细胞生长的作用, 这类寡糖脂化合物是发展靶向性抗肿瘤药物的优秀先导化合物。

2.4天然产物与糖类药物

随着生活水平的提高, 人们对药物的要求也从以前的有效性、安全性,向高效、专一、低毒性发展,因此天然药物倍受青睐。中草药含有大量的水溶性物质,许多就是糖类物质。传统的中药服药途径是水煎,水煎过程即是提取糖的过程,进入到病人体内的中草药组分有些就是糖类物质,起的作用也与寡糖或多糖相似,其作用多方面、持久温和。许多天然药物的有效成分均以糖甙的形式存在,如蒺藜草中的甾体皂甙,其糖部分即由木糖、葡萄糖、鼠李糖和半乳糖组成[8],盾叶薯芋中皂甙的糖部分则由葡萄糖和鼠李糖组成[9], 陕西省地道药材秦艽的有效成分龙胆苦苷的糖部分是葡萄糖[10]。深入研究糖甙的化学成分,搞清糖部分的结构,从而获得单体物质,进而对产物进行有效的糖化学修饰,也是发展以糖为基础药物的途径之一,同时也是中药现代化的重要内容。

4　展　望

随着人类基因组测序工作的完成和蛋白质组学研究取得的重大进展,人类已经进入后基因组时代。而在后基因组时代, 对糖类物质进行深入研究无疑是生命科学面临的重大研究课题之一。随着糖化学和糖生物学的不断发展,以糖为基础的药物研究将在未来的新药发现中占据重要的地位,糖类药物会更好地造福于人类。

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(编辑徐象平)

作者简介：张勇民，男，陕西省百人计划特聘专家，西北大学生命科学学院客座教授，博士生导师，陕西省生物医药重点实验室学术委员会主任。现任法国国家药学科学院院士,法国国家科学研究中心一级主任研究员，法国巴黎第6大学博士生导师。兼任北京大学药学院客座教授，国务院侨办海外专家咨询委员会委员。研究领域为药物化学，主要从事生物活性的糖类物质研究，包括选择性糖基化反应、复杂糖类的化学合成、以糖为基础的新药研究、糖与糖之间的相互作用、碳糖与氮杂糖的化学合成与生物活性评价、环糊精的化学结构修饰、水溶性富勒烯的合成与生物学研究等。在学术期刊上发表论文206篇(其中SCI论文180篇)，单篇最高引用次数210。获发明专利4项。

Carbohydrate-Based Drug Research

ZHANG Yong-min1,2

(1.Biomedicine Key Laboratory of Shaanxi Province, School of Life Sciences, Northwest University, Xi′an 710069, China; 2.Université Pierre et Marie Curie-Paris 6, Institut Parisien de Chimie Moléculaire, CNRS UMR 8232, 4 place Jussieu, 75005 Paris, France

Carbohydrate is an important class of biological macromolecules. Carbohydrates and cell surface proteins or lipids tend to form covalent conjugates-glycoproteins and glycolipids, collectively known as glycoconjugates. The oligosaccharides of glycoconjugates are important information molecules, they play an important role on the occurrence, development and prognosis of human diseases. It is of important biological significance to intervene and regulate the physiological or pathological processes involved in carbohydrates. The inhibitors of enzymes involved in biosynthesis or degradation of carbohydrates are potentially anti-bacterial, anti-viral, anti-metastatic, anti-diabetic, anti-adhesion and immune stimulant.

Carbohydrate; Drug research; Glycochemistry; Glycobiology

2016-04-09

陕西省“百人计划”专家项目；陕西省自然科学基金资助项目(2014JM4125)

张勇民，男，内蒙古呼和浩特人，巴黎第六大学教授，博士生导师，法国国家药学科学院院士，从事生物活性糖类物质研究。

TQ460.72

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-03-015