四氮唑杂合体在抗疟疾领域的研究进展

2020-06-15刘晓峰宋旭锋

国外医药（抗生素分册） 2020年1期

刘晓峰，宋旭锋

(1 浙江仙居君业药业有限公司，仙居 317300;2 北京工业大学，北京 100124)

1 前言

疟疾是一种高传染性和致死性疾病，与艾滋病、结核病一起被认为是全球最重要的三大公共卫生问题[1-2]。可感染人类的疟原虫主要有恶性疟原虫、间日疟原虫、三日疟原虫、卵形疟原虫和诺氏疟原虫等五种，其中恶性疟原虫最为常见也最为致命[3-4]。近年来，通过各国医疗机构的不懈努力，在世界范围内疟疾的防控方面成绩斐然。然而，每年仍有超2亿人罹患疟疾，数十万人因此丧命[5]。据世界卫生组织(WHO)统计，2017年疟疾新发病例仅比2010年少2000万，且2015—2017年间在疟疾的防控方面并未取得实质性进展，疟疾的防控形势依然严峻[5]。

临床上使用的抗疟疾药物如喹啉类和青蒿素类尽管对药敏型疟疾依然高度有效，但随着耐药疟疾的不断涌现和广泛传播，现有药物的疗效呈逐年下降之势[6-7]。以青蒿素为主的联合疗法是目前治疗疟疾最有效的手段，也是抵抗疟疾耐药性效果最好的疗法[8]。遗憾的是，在多个国家和地区已出现耐青蒿素疟疾，而目前处于临床评价阶段的对耐药疟疾有效的药物屈指可数[9-10]。因此，研发新的抗疟药物刻不容缓。

四氮唑作为羧基的生物电子等排体可用来取代药物中的羧基提高药物分子的脂溶性、增加药物的生物利用度和降低毒副作用[11]，其衍生物具有抗菌[12-13]、抗病毒[14-15]、抗结核[16-17]、抗肿瘤[18-19]、抗真菌[20-21]和抗疟疾[22]等多种药理活性。值得一提的是，某些四氮唑类化合物如头孢雷特和托鲁司特等已被美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床治疗各种疾病[22]。显然，四氮唑类化合物在药物化学领域占据重要位置，被认为是最具发展前景的一类化合物。

杂合体具有克服耐药性、增强生物活性和降低毒副作用的潜力，目前多个杂合体药物正处于临床评价阶段，有望于不久的将来为人类健康服务[23-24]。显然，将四氮唑与其它具有抗疟疾活性药效团杂合是获得新型抗疟疾药物的有效途径之一。近年来，药物化学家设计合成了一系列四氮唑杂合体，并评价了它们的体内外抗疟疾活性。本文将重点介绍四氮唑杂合体在抗疟疾领域的最新研究进展，并探讨构-效关系(SAR)，以启迪药物化学家更合理的设计此类化合物。

2 四氮唑类化合物的抗疟疾活性

2.1 四氮唑-喹啉杂合体

喹啉类抗疟疾药物如氯喹和甲氟喹等具有疗效显著和毒副作用小等优点，是目前临床上最为常用的抗疟药之一[25-26]。因此，将喹啉与四氮唑杂合可能会获得活性更高的抗疟疾候选物。

图1 四氮唑-喹啉杂合体1～5的化学结构

烷基二胺基、对苯二胺基和哌嗪基连接的7-氯喹啉-四氮唑杂合体1(图1，半数抑制浓度/IC50:10.66～853.40nmol/L)具有良好的抗氯喹敏感型(CQS) 3D7和耐氯喹型(CQR)K1恶性疟原虫活性，且大多数杂合体(IC50:73.70～233.70nmol/L)的抗CQR K1恶性疟原虫活性优于氯喹(IC50:254nmol/L)[27]。近半数化合物的耐药指数(RI：IC50(CQRK1)/IC50(CQS3D7))在1左右，提示这类杂合体可能具有全新的作用机制。SAR研究结果表明，喹啉与四氮唑之间连接子的类型及长度和苯环及四氮唑结构片段上的取代基与活性息息相关：对连接子而言，对苯二胺基＞烷基二胺基＞哌嗪基，且短链烷基二胺基优于长链烷基二胺基；对四氮唑而言，R1位为叔丁基优于环己基；对苯环而言，R2位为卤素可提高这类杂合体的体内外抗疟疾活性，而二茂铁则会导致活性大幅降低。其中，杂合体1a～c(IC50:10.66～11.78nmol/L)的抗CQS 3D7恶性疟原虫活性与氯喹(IC50:5.4nmol/L)相当，且选择性指数(SI:4616.14,7076.29和2332.43)极高。在感染CQR N-67约氏疟原虫的小鼠模型中，杂合体1a,b (4×50mg/kg，腹腔注射给药)可在给药d4抑制99.99%的寄生虫血症，在给药d28两组小鼠的存活率分别为60%和80%。尽管1a组的小鼠存活率低于1b组，但1a组(60%)的治愈率高于1b组(40%)。进一步研究显示，当采用口服给药(100mg/kg)方式时，二者均可在给药d4抑制99.99%的寄生虫血症，且小鼠的存活率均为60%。药代动力学研究发现，杂合体1a,b的分布容积(Vd:28.6和63.38L)远高于总血容量(13.5mL)，提示这类杂合体主要分布在血管外。总之，杂合体1a,b具有良好的体内外抗疟疾活性和药代动力学性质，值得进一步研究。

绝大多数7-氯喹啉-四氮唑杂合体2(IC50:9.6～544nmol/L)具有优秀的体外抗CQS 3D7和CQR K1,W2恶性疟原虫活性，且部分化合物的抗CQR K1和W2恶性疟原虫活性优于氯喹(IC50:36和59nmol/L)和阿莫地喹(IC50:27和401nmol/L)[28]。SAR显示，四氮唑药效团与喹啉药效团在苯环上的相对位置对活性影响显著，且对位＞间位＞＞邻位。与无取代杂合体相比，向R1位引入叔丁基对提高活性有利，但吗啉乙基则对提高活性不利。喹啉C-7位的氯原子对活性至关重要，如将其替换为6-甲基或8-三氟甲基则会导致活性大幅下降，如杂合体3抗CQS 3D7和CQR K1,W2恶性疟原虫的IC50在微摩尔级[29]。杂合体2a(IC50:9.6～77nmol/L)和2b(IC50:12～40nmol/L)对所测3株恶性疟原虫的活性极高，与对照药氯喹和阿莫地喹相当或更优。进一步研究显示，与喹啉类抗疟疾药物不同，杂合体2a并不会形成醌亚胺代谢产物。毒性和药物相互作用试验显示，该杂合体对CHO细胞(IC50:＞100μmol/L)无毒，对细胞色素P450亚型代谢酶具有中等到强的抑制作用。然而，该杂合体的体内药代动力学性质较差，仍需进一步优化。

喹啉-四氮唑杂合体4和5抗CQR K1恶性疟原虫SAR显示，喹啉核对活性至关重要，且含有氯喹结构单元的杂合体4(IC50:100,485和164nmol/L)活性高于相应的首喹杂合体5(IC50:985和2042nmol/L)，且均高于无喹啉核杂合体(IC50:7950～15790nmol/L)[30]。代表物4a(IC50:100nmol/L)的抗CQR K1恶性疟原虫活性是氯喹和首喹(IC50:213和643nmol/L)的2.1和6.4倍，且对L6大鼠成肌细胞的毒性(IC50:24.6μmol/L)较低，选择性指数(SI)高达246。

2.2 四氮唑-过氧化物杂合体

含有过氧结构单元包括三氧杂环戊烷和四氧杂环己烷的化合物如青蒿素及其半合成衍生物等，结构单元中的过氧基团可在疟原虫体内二价铁离子(Fe2+)的作用下裂解产生各种自由基，所产生的自由基再与疟原虫蛋白发生络合形成共价键，最终导致疟原虫因疟原虫蛋白失去功能而死亡[31-32]。以青蒿素为例，可能的作用机理如图2所示[33-34]。显然，将四氮唑与过氧化物杂合是获得具有双重甚至多重作用机制抗疟疾新药的有效策略。

图2 青蒿素可能的作用机理

四氮唑-四氧杂环己烷杂合体6(图3，I C50:18.6～71.1nmol/L)和四氮唑-三氧杂环戊烷杂合体7(IC50:2.1～26.6nmol/L)具有极为优秀的体外抗CQS 3D7，CQR Dd2和耐青蒿素IPC5202及IPC4912恶性疟原虫活性，且RI为0.30～2.43[35]。SAR显示，四氧杂环己烷杂合体的活性弱于三氧杂环戊烷杂合体，且胺基连接的杂合体活性优于醚键连接的杂合体。进一步研究显示，去除氮或氧原子会大幅降低活性，如杂合体7d(IC50:138nmol/L)对所测恶性疟原虫的活性远低于其类似物[36]。其中，杂合体7a,b (IC50:2.1～6.8nmol/L)对所测的4株恶性疟原虫的活性与青蒿素(IC50:2.5～33.3nmol/L)、青蒿琥酯(IC50:3.4～5.1nmol/L)和二氢青蒿素(IC50:3.7～6.2nmol/L)相当或更优，而抗CQS 3D7和CQR Dd2恶性疟原虫活性则是氯喹(IC50:15.8和340.1nmol/L)的5.4～161.9倍。在感染NK65伯氏鼠疟原虫的小鼠模型中，所有杂合体(每日50mg/kg)均可在给药d5完全抑制寄生虫血症，但杂合体6和7c治疗组疟疾会在给药d10复发。杂合体7a,b在给药d5～10可完全抑制寄生虫血症，显示出治愈活性。此外，杂合体7a,b对哺乳动物细胞HepG2和V79毒性可忽略不计，CC50＞1000μmol/L。总之，杂合体7a,b具有优秀的体内外抗疟疾活性和极低的毒性，可作为先导物进一步优化。

四氮唑-三氧杂环戊烷杂合体8(IC50:3.5和5.5nmol/L)也具有极高的抗CQS NF54和CQR K1恶性疟原虫活性，活性与青蒿琥酯(IC50:4.1和3.3nmol/L)相当[37]。SAR显示，不含四氮唑结构片段的衍生物具有类似或更高的抗CQS NF54和CQR K1恶性疟原虫活性，提示四氮唑结构单元并非这类化合物具有高活性所必需基团。

2.3 其它四氮唑衍生物

四氮唑-噁唑/吡啶/呋喃杂合体9(图4)对恶性疟原虫半胱氨酸蛋白酶falcipain-2和falcipain-3具有一定的抑制作用，IC50为6.67～43.89μmol/L，但此类杂合体(IC50:＞10μmol/L)对CQS K2恶性疟原虫未显示出任何活性[38]。四氮唑-甲萘醌杂合体10(IC50:0.9～1.4μmol/L)对CQR FcB1R恶性疟原虫有一定的活性，且在浓度高达32μmol/L时对hMRC-5细胞未显示出明显毒性[39]。

四氮唑-苯并氧杂戊硼烷杂合体11a(IC50:0.16μmol/L)也具有良好的抗CQR W2恶性疟原虫活性，且活性高于绝大多数无四氮唑衍生物，提示四氮唑可提高此类化合物的活性[40]。然而，向四氮唑和苯并氧杂戊硼烷之间引入吡嗪基将导致活性消失，如杂合体11b(IC50:＞5μmol/L)对CQS 3D7和CQR W2恶性疟原虫未显示出任何活性[41]。四氮唑-核苷杂合体抗恶性疟原虫活性一般较弱，如化合物12(IC50:108μmol/L)的抗CQR K1恶性疟原虫活性远逊于氯喹(IC50:0.071μmol/L)，仍需进一步优化[42-43]。四氮唑-咪唑并吡啶杂合体13a,b(IC50:2080和2360nmol/L)具有潜在的抗CQS NF54恶性疟原虫活性，且二者活性相当，提示四氮唑在吡啶环上的相对位置对活性影响不大[44]。四氮唑-咪唑并哒嗪杂合体14(IC50:43和25nmol/L)具有良好的抗CQS NF54和CQR K1恶性疟原虫活性，但在感染伯氏鼠疟原虫的小鼠模型中，该化合物(每日4·50mg/kg，口服给药)仅可抑制＜40%的寄生虫血症[45]。四氮唑二聚体15(IC50:8.31μmol/L)的抗CQR K1恶性疟原虫活性较弱，远逊于对照药喷他脒(IC50:0.014μmol/L)，仍需进一步结构修饰[46]。

3 结束语

疟疾是一种由寄生虫引起的威胁人类生命健康的强传染性疾病，通常在受到感染的蚊虫叮咬后d10～15出现症状。疟疾可防可治，但耐药疟疾的不断涌现和广泛传播使得抗疟疾药物的疗效逐年下降。因此，研发新型抗疟疾药物刻不容缓。

四氮唑类化合物具有潜在的体内外抗疟疾甚至耐药疟疾活性，引起了药物化学家的不断关注。通过药物化学家的不懈努力，目前已发现多个苗头化合物，如四氮唑-喹啉杂合体1a,b和7a,b不仅对药敏型和耐药型恶性疟原虫具有优秀的体外活性，而且具有良好体内活性和药代动力学性质。显然，四氮唑类化合物可作为今后研发新型抗疟疾药物的重点领域之一。本文重点综述了四氮唑杂合体在抗疟疾领域的最新研究进展，并探讨构-效关系，以启迪药物化学家更合理的设计此类化合物。