杨玉社 上海药物所药物化学课件-杨玉社-抗菌药物

杨玉社 上海药物所药物化学课件-杨玉社-抗菌药物 1、了解各类药物的发展历史，从中领悟科学发展的规律和 机遇 2、研究构效关系，了解新药研究与开发的过程 3、了解各类药物的治疗范围、毒副作用 4、学习各类药物的合成及相关化学知识 5、发现现有药物的缺点，为研究工作准备课题 1 抗 菌 药 物 一、概述 1(定义 抗菌药物是一类抑制或杀灭病原微生物的药物。主要分为抗生素，合成抗菌药物，抗结核药物，抗麻疯药，抗真菌药。 2(抗菌药物分类 2.1抗生素的分类 作 用 机 理 分 类 化学分类 代表性药物 青霉素类 青霉素钾 杀菌性抗生素 破坏细菌细胞壁 头孢菌素类 头孢噻吩 磷霉素类 磷霉素 万古霉素类 万古霉素 影响细菌核酸合成 利福霉素类 利福霉素 损伤细菌细胞膜 多粘菌素 多粘菌素B 抑制细菌蛋白质合成 氨基糖苷类 庆大霉素 抑菌性抗生素 四环素类 四环素 大环内酯类 红霉素 氯胺苯醇类 氯霉素 林可霉素类 林可霉素 2.2合成抗菌药物分类 作用机理分类 化学分类 代表性药物 磺胺类 磺胺甲噁唑 抑制细菌叶酸合成 二氨基嘧啶类 甲氧苄啶 喹诺酮类 氟哌酸 抑制细菌核酸合成 硝基咪唑类 甲硝唑 硝基呋喃类 呋喃坦啶 抑制细菌蛋白质合成 噁唑烷酮类 利奈唑胺 氯胺苯醇类 氯霉素 大环内酯类 红霉素 2 2.3 抗生素和抗菌剂的发展历程 磺胺类1936 青霉素类1940 四环素类1949 氯霉素类1949 氨基糖苷类1950 大环内酯类1952 糖肽类1958 链阳性菌素类1962 喹诺酮类1962 半合成和全合成β-内酰胺抗生素1970-1999 噁唑烷酮类2000 3 第一章 磺 胺 类 抗 菌 药 物 磺胺类药物(Sulfonamides, Sulfa-drugs)的发现，开创了化学治疗的新纪元，使死亡率很高的细菌传染病得到控制。特别是该类药物作用机理的阐明，开辟了从代谢拮抗寻找新药的途径，对药物化学的发展起到了重要作用。 一、磺胺类药物的发现与发展 1(发现 1932年Domagk发现百浪多息2 可使鼠、兔不受链球菌和葡萄球菌感染。 NNSONHHN222HNSONH222 NH2 12 1908 年1932 年 1933年了 2 治疗由葡萄球菌引起败血症的第一个病例。 百浪多息的缺点:水溶性小，毒性较大。 结构改造-合成了水溶性百浪多息 3 。 OH CHCONH3NNSONH22 NaOS3NaSO3 3 4 2(药效基团磺酰氨基的确立 HNSONHAcHNSONH22222 2、3的基础上法国巴斯特研究所合成了一系列偶氮化合物，由于偶氮是生色基团，所以开始认为偶氮是药效基团。但研究发现只有含磺酰氨基的偶氮才有抗菌活性，无磺酰氨基的偶氮化合物无抗菌活性。2、3在体外均无抗均活性，只有在体内有抗均活性，在服药人体内分离出对乙酰氨基苯磺酰胺 OH CONHNHNSONCH322 HNSONH222 NAOSNASO33 3 NS HNSONHHNNHSO22HNSONHCOCH22223 NN 465 到1946年共合成了5500个磺胺类化合物，其中20余种用于临床。 长效磺胺的发现 1940年青霉素用于临床，对磺胺药造成影响。但青霉素耐药、过敏、不稳定。再次重视磺胺，特别是长效磺胺的发现，使磺胺药研究再度出现高潮。 5 NN HNSONHOCHHNSONH223CH223 NO87 NH2 OCHNCH325NHNSONH22NOHNNOCH23 10OCH39 1962年磺胺甲噁唑7问世，抗菌谱广、抗菌活性强，半衰期11小时，与增效剂甲氧苄啶9合用，这种复方称复方新诺明。目前复方新诺明依然是广泛应用的抗菌药物。 HOCONNSONH2 N HO11 11是柳氮磺胺吡啶可用于治疗慢性溃疡性结肠炎，疗效显著。近年发现可用于治疗类风湿性关节炎。磺胺结构的其他药物可作为利尿药和降血糖药。 二、磺胺增效剂 NH2OCHNHNH322OCHOCH33 NBrNCHOCHOCHNSCH2233 OCH3NHNOCHOCH233NHNNHN22 131214 6 抗菌增效剂是能够增强抗菌药物活性的化合物，它们本身可能有抗菌活性或无抗菌活性。磺胺类药物的增效剂是一类具有5-取代苄基-2，4-二氨基嘧啶结构的化合物，它们是细菌二氢叶酸还原酶的抑制剂。用于临床的有四氧普林12，美替普林13和溴莫普林14。 三、构效关系 1948年NORTHEY在5500种磺胺类化合物的基础上，总结如下: HNSONHR22 氨基与磺酰胺基在苯环上必须互成对位 苯环用其他芳香环代替，或在苯环上引入取代基，都使活性降低或消失 —SONH基团是必须的 22 —SONH不能双取代，而杂环取代明显增强抗菌活性 22 4N-氨基必须保持游离。RCONH-，R-N=N-，CHNH，ON-有效，而32RSONH-，OH，CH无效。 23 4两个氮原子同时取代，N-氨基的取代基必须在体内能慢慢游离。这类药物适合治疗肠道感染。 四、作用机理 Wood-Fieds学说，磺胺类药物能够与细菌生长所必须的对氨基苯 PABA)产生竞争性拮抗，干扰了细菌酶系统对对氨基苯甲酸甲酸( 的利用。PABA是细菌必须的叶酸的组成部分，也是构成体内叶酸辅 7 酶的基本原料。 蝶PABA + 啶焦磷酸酯+ 二氢谷氨 酸或对氨基苯甲酰谷氨酸 二蝶氢酸合成酶磺胺 药拮抗 氢二叶酸 抑制氢二叶酸酶磺胺 增效剂还原 四氢叶酸 F辅酶 辅酶F为DNA合成必须的碱基嘌呤、嘧啶合成提供一碳单位。 Wood-Fieds 学说从代谢拮抗寻找新药的途径。 磺胺药为什么能够拮抗PABA，是由于分子大小和电荷分布极为相似的原因。 HOHORNSN2.4ACN2.3AHOHO 6.9A6.7A 四、磺胺类药物的吸收、代谢及重点品种介绍 磺胺类药物口服吸收的主要部位在小肠，代谢主要发生在肝脏。 4.1 磺胺嘧啶 和磺胺嘧啶银 易于渗入脑脊液，是治疗和预防流脑的首选药物。 8 烧伤、烫伤创面的感染。 4.2 磺胺甲噁唑 和甲氧苄胺嘧啶复方成新诺明。本品能通过胎盘进入胎儿循环，并以低浓度分泌至乳汁。孕期及哺乳期妇女用药应注意。 4.2 甲氧苄啶 很好的增效剂。本品能通过胎盘进入胎儿循环，并以低浓度分泌至乳汁。孕期及哺乳期妇女用药应注意。 五、发展趋势 磺胺药近年来已没有新品种推出，大部分已作为兽药。但个别品种仍然有很大的销量。 Iclaprim，新一代二氢叶酸还原酶抑制剂，目前处于II期临床研究中，或许能给这一类最早的抗菌药物带来新生。 NH2 O N HNOCHN23 OCH3 Iclaprim, AR-100 BMCL 13(2003)4217 9 AR-100的体外抗菌活性(MICμg/Ml) 90 Species/antibotic AR-100 TMP VAN LIN ERY S.A(MSSA) 0.06 16 1 8 1 S.A(MRSA) 0.06 8 1 8 16 S pyogenes 0.03 64 1 2 32 Stre.AG. 0.5 128 0.5 2 8 PEN-R 4 128 1 2 32 Enterococcus sp. 0.12 8 2 4 32 H.influenzae 0.5 1 128 64 8 M.catarrhalis 4 128 64 8 025 第二章 喹诺酮类抗菌药物 喹诺酮类药物又称吡酮酸类抗菌药物，自1962年奈啶酸问世以来，经过40多年的发展，喹诺酮类药物已发展成为仅次于头孢菌素的抗菌药物，据统计大约有10万个喹诺酮化合物被合成和进行药理筛选，近20个品种广泛应用于临床。 10 一、喹诺酮类药物的发现与发展 OOOO HCOHCONCOHCOHO22222O OClNNNCHNN3 EtEtCHEt314321966年1962年1949年 OOO HCOCOH2HCO2F2NN NNNHNNNNN EtEt5671967年 OOOFHCO2FHCO2HFCO2 HN2HNNHNNNNNNNN9F8 1979年1978年 12FO FHCO2O COFH2CHNN3N HNNON1011 1981年1982年 1949年Price报道了第一个无活性的喹诺酮化合物1，Barton对1结构改造，合成了80个化合物，由于活性差、毒性大而放弃。一个偶然的机会发现了2，在证明其有抗菌活性后进行了广泛的结构改造，1962年报道了第一个真正意义上的喹诺酮抗菌剂萘啶酸3，由于萘啶酸不仅对革兰氏阴性菌有较强活性及良好的药代特性，更重要的是和磺胺药及当时的抗生素无交叉耐药性，所以很快于1963年用于临床，从此开创了喹诺酮药物的历史。 在喹诺酮药物大量的结构类似物中，7-位引入哌嗪基的吡哌酸6和6-位引入F的氟甲喹。吡哌酸虽然和OA一样有效，但对耐OA的 11 -菌株依然有效。氟甲喹由于F的引入，抗G的活性猛增10倍，将这两个有利因素结合到同一个分子中，就产生了氟喹诺酮诺氟沙星8，这一结合奇迹般地提高了抗菌活性，扩大了抗菌谱。诺氟沙星的发现在70年代引起了全世界的巨大激动，因为它是第一个真正意义上的口服、强效、广谱抗菌药物。诺氟沙星的发现开辟了喹诺酮药物发展的新篇章-氟喹诺酮。 12 二、喹诺酮药物的作用机理 喹诺酮类药物是原核生物DNA拓扑异构酶II(又称回旋酶)的 。大肠杆菌的回旋酶是四叠体结构的蛋白，由2个A选择性抑制剂 亚单位和2个B亚单位组成。细菌在合成DNA的过程中，回旋酶的A亚单位切开DNA一条单链，B亚单位将DNA的另一单链后移，A亚单位再将切口封闭，形成具有活性的负超螺旋。喹诺酮类药物并不和DNA回旋酶结合，而是与DNA双链中非非配对的碱基结合，抑制DNA回旋酶的A亚单位，使DNA超螺旋结构不能封口，这样DNA单链暴露，导致mRNA与蛋白质结合失控，细菌死亡。 13 每个DNA链与两个药物分之结合，而这两个药物分子母核以相反方向重叠，3，4-位羧基与羰基位于重叠块的两侧与DNA碱基形成氢键。与两条DNA链结合的药物分子则尾部相对，1-位N上的疏水基团相互靠拢，形成疏水键。喹诺酮7-位取代基是和旋转酶作用的部 14 位。 喹诺酮类药物对人体细胞拓扑异构酶II影响较小。 药物 选择指数 氧氟沙星 2461 环丙沙星 1192 依诺沙星 54 萘啶酸 7 三、喹诺酮类药物的结构改造与构效关系 40年来，药物化学家合成了大量喹诺酮化合物，至少有10万个化合物进行了药理筛选，开发出20多个品种应用于临床。所以全面论述该类药物的结构改造与构效关系是十分困难的。一下仅是我感兴趣的部分。 RO5 COH2R6 RRN72 RR81 喹诺酮从1-位到8-位都进行了广泛的结构改造及构效关系研究，分别 叙述如下: 3.1 1-位结构改造 1-位取代基的衍变对喹诺酮类化合物的发展有重要作用，新的有效的1-位取代基的发现就会伴随一大批优秀的新喹诺酮药物出现。早期1- 15 位构效关系研究以古贺等人的工作较为出色。他们研究了200多个1-位简单直链烷烃取代的喹诺酮，认为1-位取代基摩尔体积是影响活性的主要原因，最佳摩尔长度为0.42nm左右。这一结论为以后的诺氟沙星8、依诺沙星9、培氟沙星13、氨氟沙星15、氟罗沙星14和米洛沙星5所证实。 OOO FHCOFHCOFHCO222 NCHNNNCHNNNNCHN333 NHCHFCHCHF223151314 Bayer公司开发的1-位环丙基取代的环丙沙星10，不符合上述结论，被认为是喹诺酮类药物发展史上的突破，导致一系列优良品种问世。如斯帕沙星16，DU6859a 17，甲替沙星18，格帕沙星19，克林沙星20。环丙基是目前1-位最佳取代基，环丙基引入取代基活性下降，但引入氟活性增强，如17 ONH2O HCO2COHFF2 NHNNNN ClFF 1716NH2OOCHO3HCO2COHFHCO22FF NHNNNNHNNN OCH3Cl191820NH2 1985年Chu等人在1-位引入苯基，意外发现和乙基类似物活性相似，而对氟苯基、2，4-二氟苯基、对羟基苯基活性优于乙基类似物，这一发现拓宽了人们对原有1-位构效关系的认识，并由此发现了许多性 16 能优良的化合物，如妥舒沙星21、超威沙星22、替马沙星23等。 OOO FHCOFH2COFHCO22H NNNHNNNNNNHN2 FFHF HN2 232122FFF 1988年Bouzard等发现1-位叔丁基是一个较好的取代基，这又一次丰富了人们对1-位构效关系的认识。另外1-位杂环取代活性很差(吡啶衍生物除外)。1-位氮原子不能被其它电子等排体取代，这可能母核共平面所不允许的。所以1-位取代基可能与空间效应、电子效应及通过空间的电子效应等多种因素有关。 3.2 2-位结构改造 2-位引入取代基一般引起活性下降或消失，据认为是由于2-位取代基干扰了3-位羧基和4-位羰基的共平面。定量计算表明3-位羧基和4- ο位羰基之间的二面角对生物活性有巨大影响。如氧氟沙星4.9活性优 οο异，2-甲基氧氟沙星24 43.5无活性，诺氟沙星6.5活性强，2-硫甲 ο基诺氟沙星 25 21.3无活性。根据上述理论1，2-位成环的化合物就被出来。如26、27、28、29等。 17 OOO FHFHFHCOCOCO222 CHNHNNHNNNNNCHNSCH333SOCHCH332526CH324 OOOO FHCOFFCOH22 NH SCHNNNNN3CHNNNS3O F 2928NH227 26、27活性优异，27的活性是环丙沙星的4-10倍。但28二面角23οο活性优异，29二面角0无活性，这表明电子效应也有重要作用。 3.3 3-位和4-位结构该造 3-位羧基和4-位羰基并存且几乎公平面被认为是喹诺酮类化合物具有优良生物活性的必要条件。机理研究认为3-位羧基和4-位羰基以氢键和DNA碱基结合。所以对它们进行改造得到的几乎是无活性的化合物。但在上述理论指导下模拟羧基的27取得了成功，它们比对应的羧基化合物活性更好而且增强了和DNA旋转酶的结合能力。 OOOOHFF NHNHN2HN2SSNNNN FF 2727 OOH F O HNNN 18 3.4 5-位结构改造 5-位结构改造相对进行地较少，由于5-位紧邻对活性必不可少的羰 OROROR555 FCOHFCOHFCOH222R1 NNRHNNNNR77 RFRR181R2302928 基，应该对活性有影响。化合物28当5-位引入F、Cl、Br、OH、SH、OMe、Sme活性下降，可是当引入NH2时活性增强，斯帕沙星就是这样发现的。化合物29当1-位是乙基时引入甲基活性降低;当1-位是二氟苯基时引入甲基活性和5-氢类似物相似;当1-位是环丙基时， +-引入甲基大幅度提高了对G的活性，对G不变。甲基和氨基都是5-位较好的基团。对萘啶酮系列，5-位引入甲基和1-位关系密切。当1-位是叔丁基、2，4-二氟苯基时，甲基损害活性，当1-位是环丙基时，引入甲基对活性有利。 3.4 6-位结构改造 6-位可能是喹诺酮结构改造变化最少的位置。一般认为F是6-位最佳取代基团，F的引入使喹诺酮与DNA旋转酶的亲和力提高2-17倍，细胞穿透能力提高1-70倍，亲脂性也大幅度提高，所以第三代喹诺酮称为氟喹诺酮。 19 OOO HNHNCHCOCOClCOH2222 R2 SNXNRNNHNNN7 RRCl11R1333132 多年来6-位一直被认为是结构改造的“禁区”，但近年来也有新的发展，31、32的抗菌活性都较好，32已作为兽药上市。特别值得提起的是我国学者周伟澄教授发现的6-氨基喹诺酮33具有良好的生物活性，可认为是6-位结构改造的重大进展。 3.5 7-位结构改造 7-位取代基对喹诺酮化合物生物活性影响最大，所以7-位改造最多，人们把各种性质不同的取代基引入7-位，希望发现新的更有效的药物或改善某些不足。7-位取代基的无穷变化，充分显示了药物化学家的聪明才智。由于7-位结构改造实在太多，不可能全部论述，下面仅叙述一些有代表性的工作。 3.5.1 7-位哌嗪取代 OR5OROR55HCOR62HCORHCOR2626R2R2nNNRSNHNNN2R3RRRR8181RRR813363534 OORO5 F2HCOF2HCOF2HCO H2N NHNNNCHNN3N OCH3OS393837 哌嗪及其衍生物是喹诺酮7-位最成功的取代基，它使喹诺酮具有强大 -+的抗G菌活性和中等强度抗G菌活性，优良的药代性质，使喹诺酮 20 具备了其它抗生素无法比拟的特点—口服、强效、广谱。 3.5.2 7-位吡咯取代 +-吡咯及其衍生物提高了G菌活性，而又不损害对G菌的活性，使喹诺酮成为真正的广谱抗菌药。但这种改善在体内不明显，主要是吡咯取代基喹诺酮具有相对较小的溶解度而引起口服吸收差所致。所以对吡咯环进行修饰以提高溶解度和药代性质进行了大量的工作，第四代喹诺酮莫喜沙星40和吉米沙星41就是成功的例子。 OO HCOFHCO2FHH2OCH3N NNNNNN 3OCHH2NH4041 3.5.3 7-非C-N连接衍生物 所有上市的喹诺酮及正在研究的绝大部分喹诺酮7-位取代基都是以氮原子和母核相连，这种结构总体上显示优异的口服药代动力学特征，同时也显示出固有的对中枢系统的毒性。据报道萘啶酸和新喹诺酮相比显示出很底的致惊厥作用且无GABA受体抑制活性。所以合成了一系列C-C连接的喹诺酮，最成功的例子是帕苏沙星37。另外一个例子是通过C-S 键连接的36，体外活性和斯帕沙星相同。 3.6 8-位结构改造 -以诺氟沙星为基本结构，8-位引入不同取代基，对于抗G菌活性F， +H，Cl=OCH，Br，CN，SCH，NH、OH、NO，对于抗G菌活性3322 OCH，F， Cl ，H ，Br，CN、 SCH、NH、OH、NO。8-位F3322原子在任何情况下都会提高抗菌活性，但引起严重的光毒性。为了克 21 服这一缺点，甲氧基和三氟甲基引入到8-位并取得成功。特别是1- +位环丙基，在8-位引入甲氧基，大幅度提高了喹诺酮对G的活性及整体性能，第四代的甲替沙星39、莫喜沙星40就是证明。 8-位结构改造另一个成功的设计是1-位、8-位成环，形成三环喹诺酮，氟甲喹第一个上市的三环喹诺酮，氧氟沙星42是1-位、8-位成环最成功的例子，氧氟沙星现已广泛应用于临床。芦氟沙星38也是一个成功的例子，它是第一个长效喹诺酮，半衰期30-70小时。左 43是最好的三环喹诺酮药物，也是该类药物最好的。 旋氧氟沙星 OO HFCOHFCO22 CHNNNCHNNN33 OOCHCH334342 后来也研究了其它衍生物，但活性均不太理想。 四( 喹诺酮类药物的合成 喹诺酮类药物的合成分为主环的合成和侧链的合成。 氟哌酸类简单烷基取代。 O FFFEtCO2HOCHC(COEt)C2522CHX25EtCO2 ClNHCHCXClNHXCl2XNHCOEt2 OO COFEtFHCO22 XNClCHNNXN3 22 环丙沙星类 FFCOHFCOClCOCl/AlCl2CHFCOCH(COCH)33Cl2252SO2CH(COCH)22252NaOClClClClClClClMg(OCH)ClCl252 NH2FCOCHCOCH2225FCOCCOCHH225CHFCOCCO225NaH/NaOHHC(OCH)252COCH25CHNH(CHCO)OClCl32ClClClCl OOHCO2FHCO2F ClNHNNN 氧氟沙星类 FFFFCOCHH/Pd/CClCHCHOCH=C(COCH)23225225KOH FNHFNO2FNOFNO22OOFOH OOFOFHCO2HFCO2CH=C(COCH)2252FNCHNNN3OFNOCH3O 下面用左旋氧氟沙星的合成说明更复杂的喹诺酮药物的合成。 OO COFH2COFH2 CHNNN3NF OOCH3CH3 23 拆分法 用(S)-(+)-扁桃酸拆分氧氟沙星 OOCOFH2COFH2拆分 NNCHN3CHNNN3OOCH3CH3 拆分关键中间体1 OOOFHCO2FCOH2FCOH2HPLC NO2FNFNFNOOOHOOCOOH NO2OOOFHCO2FHCO2FCOH2 CHNNN3FNFNOCH3OOICH3 拆分关键中间体2 TS NFFFABCOFNHFFNNHOOOCH3CHCH33 C A脯氨酸衍生物;B 碱水解;C (R)-(-)-10-樟脑磺酸 24 不对称催化法 FFF FNH2FNOFNO22OOO OO OO NaBHNCO2 COCHCHMe222FF3 FNFNH OO 以手性起始原料合成左旋氧氟沙星 OOOHEtFCO2FCOHH2FCOEtN22SOCl2 LiBn/CH(COEt)ACO/(EtO)CHFFOEt22223FFFFFFF OOOFCOH2FCOEt2EtFCO2HClCOK23 FNFNNHFFOOHOFCH3CH3H 另一路线 HOFFFHFH/Pd/C2HClE M M EOPHT FNHFNH2FNO22FNO2OOOFTHPOHOTHPO EtOCEtCO22OFOEtOCEtCO22FEtFCO2FCOHp2DAD/Ph3HClFNHFNHFNOFNOHOOOCH3CH3 25 我们小组的工作 FOHFCH2FHF OFNOOF2FNOHBr/ACOH2FNO2HClFNO2OOOOACOHFNOHBr2HOHOHFBrACOHOO OEtOCEtCO22FHFCOFF2/Pd/CH2KOH FNHFNFNH2FNO2OOOOCH3HOHOH O 五、喹诺酮类药物的毒副作用 控制光毒性与基因毒性 光毒性 CHH3NH2 基因毒性 CH3NHH2与金属离子产生螯合作用 RO和多数金属离子共用减少口服吸收5此位置与副作用无关 FHCO2 PipPyrrPyrrSubstpipSubpyrr控制与GABA的结合 PipPyrr与NSAAID相互作用SubstpipSubpyrr未见副作用报道R7XNPipPyrrPyrrSubstpip与茶碱相互作用Subpyrr RPip1PyrrPyrrSubstpip基因毒性Subpyrr 控制与茶碱相互作用和基因毒性 与茶碱相互作用 影响光毒性和基因毒性CHCHdiFPh32FCHCH22光毒性基因毒性CFCClNCHCHCOMe CCF3CMe3diFPhCHCH32基因毒性 CFCOMe CClNCH 心血管副作用:QT间期延长 肠胃道副作用 皮疹与瘙痒 关节副作用 结晶尿 26 六、发展趋势 DM公司抗生素市场将从2001年的270亿美元增加到320亿美元，但这一增长要求开发的产品性质和它们的应用方式要有显著变化。 到2010年氟喹诺酮类抗生素的增长将超过销路最好的头孢菌素，并将超过后者成为市场的主宰。 2002年首次上市的30个NCE，其中氟喹诺酮类抗生素占三个，它们是巴洛沙星Balofloxacin, 帕珠沙星Pazufloxacin, 普卢利沙星Prulifloxacin OO FHCO2COFH2 NNNH2NOCH3 O NHCH3 巴洛沙星Balofloxacin 帕珠沙星Pazufloxacin O FCH3COH2 0 NNN0SO CH3 Pazufloxacin 27 第三章 β-内酰胺类抗生素 概论 1.1 定义 抗生素是一类重要的抗菌药物。青霉素是第一类用于临床的抗生素，随着抗生素的发展，抗生素已从初期的抗菌发展到抗肿瘤、抗病毒、抗免疫排斥等。从1949年首次完成对氯霉素的全合成开始，半合成、全合成抗生素已成为主流。20世纪50年代半合成抗生素只占上市抗生素的10%，80年代增加到90%，而90年代新上市的抗生素100%是半合成或全合成产品。 半合成抗生素是今后发展方向，通过结构修饰进一步扩展抗菌谱，提高抗绿脓杆菌、厌氧菌及其它临床难控制的细菌的活性;克服耐药性，发展长效、高效、低毒衍生物;改善药物动力学性质，开发新的口服抗生素。 1.2 抗生素的微生物合成 A、发酵 B、提取纯化 C、结构改造 1.3 分类 β-内酰胺、大环内酯、四环素类、氨基糖苷类、多肽多烯类、其它类。 28 二、β-内酰胺类抗生素 2.1 基本结构及结构特点 1929年英国医生Fleming发现青霉素。 1940年青霉素G广泛应用于临床。 1945年Brotzu发现头孢菌素。 β-内酰胺类抗生素按化学结构的基本母核如下: 4S65SS 3 NNNNN71OOO2OO 单环青霉烷青霉烯头孢烯碳青霉烯 MonobactamPenamCefemPenemCarbapenem 临床上常用的β-内酰胺类抗生素药物的基本结构如下: 5HHHH4S6S74RCONHCHRCONH65333872NANCH2CH1132OO COH2COH2青霉素类头孢菌素类 CH3OHHHHOSR2RCONH1RCONHCH3SRNCHAH2NNOOR3OHCOHCO22 单环类头霉素类碳青霉烯类 结构特点: 1)都有一个四元的β-内酰胺环，除单环β-内酰胺外，四元环通过邻近的第三个碳原子与第二个五元环或六元环相稠合。 2)除单环β-内酰胺外，2-位都有一个羧基。β-内酰胺环N原子的 29 3-位都有一个酰胺基侧链。 3)β-内酰胺环不是正方形，是平面结构，但两个稠环不共平面。 4)β-内酰胺环上取代基不同构型用α、β表示，环平面之下称α键，用虚线表示，环平面之上称β键，用实线表示。 5)青霉素类8个旋光异构体只有绝对构型为2S、5R、6R具有活性，头孢菌素有四个旋光异构体只有绝对构型为6R、7R具有活性。 2.2 β-内酰胺类抗生素作用机理 β-内酰胺类抗生素通过抑制粘肽转肽酶活性而破坏细菌细胞壁 。由于人类细胞无细胞壁，所以该类药物毒性很小。 的合成 三、青霉素类 3.1青霉素 青霉素是从青霉菌培养液中提炼得到，共7种，其中以青霉素G活性最强，产量最高，其制备仍以发酵为主。结构如下: HH SCHCONHCH23 NCH3O COH2 Na k 青霉素G 在临床上应用已半个世纪， 其特点是抗菌作用强，用于各种球菌及革兰氏阳性菌。 缺点: 化学性质不稳定 30 酸性条件下分解 CH3SCHRCONH3CH3+HNHRCONHCHCHO2HS+NCH3COHO2COH2COH2 酸性条件下重排COH2SNHCHS3SRRCHNHCH3N3CH3?ºONNRNCHCHO33OCOHO2COHCOH22 所以青霉素G不能口服，需肌肉注射。 不耐酶及碱性条件不稳定 SCHCONHCH-23HO??OHS2CHCONHCH23NCH3或青霉素酶 NHOOCH3COHOH2COH2 青霉酸 抗菌谱窄 青霉素G只对革兰氏阳性菌及少数阴性菌有活性，对大多数阴性菌无活性，主要因为革兰氏阳性菌细胞壁粘肽含量比阴性菌高。 耐药性及耐药机制 青霉素G使用一段时间后，抗菌活性下降，主要原因是细菌产生耐药性。主要机制是某些耐药菌能产生β-内酰胺酶，使β-内酰胺开环降解，失去抗菌活性。另外还可能有其它机制如1)细菌细胞壁通透性改变，2)细菌主动将药物泵出细菌体外，3)药物结合靶蛋白改变，使药物亲和力下降。 过敏反应 大约0.7%-10%的患者对青霉素过敏。过敏是青霉素所含的杂质 31 引起的，引起过敏反应的基本物质有两种，一种是外源性的青霉素裂解产物，一种是内源性高聚物等。 3.2 半合成青霉素 科学家们为克服青霉素不耐酸、不能口服、易产生耐药性和抗菌谱窄这三大问题，利用6-APA(6,氨基青霉烷酸)为原料，合成了大量青霉素类似物，青霉素类抗生素就是在解决这三大问题中发展起来的。目前各国使用的青霉素类产品有40多种，按性能分为如下几种: 1(耐酸青霉素 HHSCH3RCOHN NCH3 H2O COCHOCHV562耐酸青霉素 CHOCHCH563耐酸非奈西林 HOCHCH6525 C耐酸丙匹西林CHCHN653 耐酶(CH)耐酸653阿度西林 OCH3 三苯基青霉素 OCH3 耐酶甲氧西林OCH25 青霉素V抗菌活性较低，但耐酸，可口服，它与青霉素G的差别只 奈夫西林耐酶在酰胺侧链，这就启发人们在酰胺侧链寻找耐酸结构。其差别，青霉素V的侧链是吸电子基团，减低了羰基氧上的电子云密度，阻 32 碍了青霉素的电子转移，所以对酸稳定。 2(耐酶青霉素 在改造青霉素的过程中，发现三苯甲基青霉素对β-内酰胺酶非常稳定，但抗菌作用低，这可能是侧链的位阻影响了酶和底物的结合，保护了β-内酰胺免遭水解。 耐酶耐酸异噁唑类青霉素。 R1HH SCH3COHN NNCHR32CH3OO COH2 RR21 HH苯唑西林 H氯唑西林Cl 双氯西林ClCl 氟氯西林ClF 后来发现异噁唑类青霉素不仅耐酶而且耐酸，这是半合成青霉素的一大进展。苯唑西林口服、注射均可。 3(广谱青霉素 青霉素G 只对革兰氏阳性菌活性强所以抗菌谱窄。后来从头孢菌素发酵液中分离出青霉素N，它虽然对阳性菌活性较弱，但对阴性菌活性较强。 33 HH CCH(CH)CONHHO223SCH3 NH2NCH3 OCOH2 HHRCONHS1CH3 NCH3OCOR22 RR12 CHH氨苄西林NH2 HOCH阿莫西林HNH2 CHH替卡西林SH2CO CHNNCONHCH25哌拉西林HH65COO CH 羧苄西林HHCO2 CH H3SOH磺苄西林O HNN海他西林H3CHCH3OH NCONHCH HC65H阿帕西林N CHCHOCOCMe23 NH2O匹氨西林 OCH NH2CH3酞氨西林OCHONH22CHO 仑氨西林它的特点是侧链含有一个极性大的氨基，这启发人们合成了大量侧链 带有氨基或其它极性基团如羧基、磺酸基等的衍生物。α-氨基改变 34 了分子极性，使药物容易透过细胞膜，扩大了抗菌谱。氨苄西林口服效果差，但它的衍生物阿莫西林口服吸收好。而磺苄西林和羧苄西林抗菌谱进一步扩大到对氯脓杆菌有效。 杂环的引入，使其对氯脓杆菌的活性更强，如美洛西林能迅速穿透多种阳性菌的细胞膜，作用强而迅速。 利用前药设计原理，将2-位羧基酯化，可改善口服吸收，提高生物利用度。如酞氨西林、仑氨西林是氨苄西林的前药，在体内的抗菌作用比氨苄西林强2-4倍，而且血液浓度高，半衰期长。 对6-α位的修饰。在6-α位引入甲氧基或甲酰胺基，由于空间位阻增加，使β-内酰胺酶不易降解β-内酰胺环而提高药物对酶的稳定性，成为对酶高度有效的青霉素类药物。 OCHNHCHO3CHCONHCHCONHHOSSCHSCH33COHNH2NNCHCH33NCOOOHCOHCO22NHC25O O替莫西林福米西林 广谱青霉素的构效关系 提高酰基α侧链极性，药物易于透过细胞膜可以扩大抗菌谱。基团的亲水性越强，对革兰氏阴性菌作用越强，有利于口服吸收，并能增强青霉素结合蛋白的亲和力。 酰基α侧链引入位阻基团，可增加药物对酶的稳定性，引入杂环，可得到耐酶耐酸抗生素。 2-位羧基不能被取代，酯化后可改善吸收及药代动力学性质 6α-位引入甲氧基或甲酰基，可提高对酶的稳定性。 35 3.3半合成青霉素的合成方法 半合成青霉素基本上是6-APA母核接上各种酰胺侧链。连接方法有四种: 酰氯法、酸酐法、DCC法、固相酶法。 3.4 发展趋势 青霉素类药物目前仍然是临床应用的主要抗生素之一，但随着头孢菌素的崛起，青霉素类抗生素新产品的开发明显放慢。由于其本身的固有缺点，近年来几乎没有新产品上市。 四(头孢菌素类 4.1 概述 头孢菌素有C、N、P三种，但只有头孢菌素C由于抗菌谱广，毒性小而发展起来了。 NH2S CHCHCONHCHCH222 HOC2NCHOCOCH23 O COH2 头孢菌素的特点: 1)头孢菌素环母核稳定 与青霉素相似，7-氨基头孢烷酸是抗菌活性的基本母核，与青霉素不稳定相反，由于氢化噻嗪环中的双键与β-内酰胺环中氮原子孤对电子形成共轭，使β-内酰胺环趋于稳定，另外头孢菌素的四元-六元系统比青霉素的四元-五元系统更稳定。 2)头孢菌素过敏反应低 36 青霉素极易发生过敏反应，而且会发生交叉过敏，而头孢菌素过敏反应低而且极少发生交叉过敏，原因在于二者的抗原决定簇不同。 SSRCONH1RCONHCH NCHR2COHN抗原决定簇HCO2O HCO2 抗原决定簇 4.2 四代头孢菌素的特征 头孢菌素是发展最快的一类抗菌素，从20世纪60年代初首次应用于临床以来已经发展到第四代，是国内外抗生素研究中最重要，也是品种最多的一类抗菌素。在临床应用的抗感染药物中，头孢菌素几乎占了一半。 第一代头孢菌素抗菌活性、副作用和临床适应症十分相似，与广谱青霉素一样，只能抑制革兰氏阳性菌和葡萄球菌，口服吸收差，对头孢菌素酶降解不稳定。后来发展的头孢来星(俗称先锋III)及头孢氨苄(俗称先锋IV)改善了口服吸收。 37 HHSRCONH1 NCHR2 O HCO2 CHOCOCH23头孢噻吩S +NCH2头孢噻啶S NNNNNCH2头孢唑林SCH3SN OCOCH3NSCH头孢匹林2 CH2OCOCH3头孢来星NH2 CH2H头孢氨苄NH2 第二代主要是扩大了抗菌谱，对头孢菌素酶的稳定性有所增强。主要品种如下。每一种都具有比早期头孢菌素更强的抗阴性菌活性，但抗阳性菌活性不如第一代，副作用和第一代相似。 HHSRCONH1 RN2 O COH2RR21NNCH2CHNS2头孢孟多NOHCH3 CCHOCONH22头孢呋辛 ONOCH3 头孢西丁CHOCONH22CH2SNN NCCHSCHCHSN222头孢美唑N CH3 第三代抗菌谱更广，对酶高度稳定，但对阳性菌活性不如第一代。代表药物是头孢曲松，被称为超广谱抗生素，是第一个每天给药一次的抗生素。 38 第四代特点是3-位有四价氮，可增加药物对细菌细胞膜的穿透能力，从而极大提高抗菌活性，扩大抗菌谱。对酶稳定，对青霉素结合蛋白亲和力强。代表药物如头孢吡肟，头孢吡罗等。 HHSRCONH1 RN2 O COH2RR21 CH3 NNCCHSOH头孢曲松2NOCH3HNS2NO C +NOCH3头孢匹罗 NHSN2 C+N头孢匹肟 NOCH3CHHNS32 4.3半合成头孢菌素的发展概况和构效关系 H S7654RCONH1 8RN2312O COH2 R是抗菌谱的决定基团，可扩大抗菌谱并提高活性。 1 7-位氢原子以甲氧基取代可增加β-内酰胺环的稳定性。 5-位硫原子影响抗菌效力，可提高活性。 3-位取代基，既能提高活性，又能影响药物代谢动力学性质。 2-位羧基前药化，可改善药代动力学性质，提高口服吸收。 39 头孢菌素类抗菌药物的发展就是对上述几个部位不断改进的结果。 构效关系总结如下: 1)7-位侧链 7-位改造借助青霉素的经验。头孢菌素C由于7-位侧链亲水性太强而活性较弱，引入亲酯性基团，如苯环、噻吩、含氮杂环并在3-位引入杂环，可扩大抗菌谱，增强抗菌活性。这就得到第一代头孢菌素。 依据青霉素的经验7-位侧链引入亲水性基团，扩大了抗菌谱，得到了广谱头孢菌素如头孢来星。如3-位上的取代基用CH、Cl或含3氮杂环置换，除改变口服吸收外扩大了抗菌谱，对革兰氏阴性菌和氯脓杆菌均有效。如第二代头孢菌素。 7-位引入肟后，甲氧基可占据β-内酰胺羰基的位置，阻止酶分之对β-内酰胺环的接近，从而使药物耐酶广谱。第一个投入市场的具有氨噻唑侧链第三代药物是头孢噻肟。 40 5HS764RRCONH1R12 8CN头孢噻肟RNCHOCOCH22331NOCH2CH33ONHS2NNCOH2CN头孢曲松SOHCH2NOCH3NNHS2OCNNN 头孢甲肟NOCHCHSN32NHSN2 CH3CNCHCH2头孢克肟NOCHCOH22NHS2 NC+CHN2NOCMe头孢他啶2HSN2COH2CNHC头孢噻腾NCHCOHHS222H CNCH3NNOCH3CH头孢地嗪S2NS2CHCOHHS22 将7-位侧链肟型的甲氧基改变成羧基，可避免交差过敏。头孢噻腾口服后血液浓度高，持续时间长，具有良好的生物利用度，在所有头孢菌素中，它对革兰氏阴性菌的活性最高。用带有酸性功能基的杂环替代乙酰基，使蛋白结合力增强，在血浆中半衰期长，成为长效抗生素。如头孢曲松是第三代长效、广谱头孢菌素，在所有头孢菌素中显示最好的药代动力学性质，半衰期长8.8小时，而其它只有1~2小时。 2)2-位羧基是抗菌活性基团，不能改变，但可利用前药原理酯化而改善药代动力学性质。 41 HHRCONHS1 NR2O COR23 CCHOCONHCHCHOCOCH2233头孢呋辛酯NOCH3OCCHCHOCOCMe3头孢他美酯22NOCH3HNS2 CNNOCOCMeCH头孢特仑酯22NOCH3CHSN2HNS2N CH3 3)第四代头孢菌素品种逐渐增多，3-位有带正点荷的季铵盐，正点荷增加了药物对细胞膜的穿透能力。头孢匹罗在3-位导入双环季铵盐，因结构中有正负两种离子，亲水性高，透过革兰氏阴性菌细胞膜迅速，因此抗菌活性很强。 HHCCONHS NOCH3HNS2NCHR2O CO-2 +NNCONH2++CHR3N 头孢克定头孢匹罗头孢匹肟 头霉素类 7-位引入甲氧基的衍生物是头霉素类，由于甲氧基的位阻，它对酶稳定性增大，但如引入体积太大的基团，活性下降。 6)5-位S用电子等排体O或CH取代，分别称为氧头孢菌素和碳头2 。他们活性不降低，而且广谱耐酶长效。用CH2取代S原子后，孢烯 还增加了药物在体内的稳定性。氯碳头孢是用碳取代头孢克罗主环中 42 硫原子，是第一个用于临床的碳头孢烯类 R1RCH23XHORCONHX1CHClCH2氯碳头孢NH2NRNN2OOCHSNCHHSCF2COH22氟氧头孢 2N OH 4.4 头孢菌素类的合成 头孢菌素的合成方法与青霉素相似，以7-ACA(7,氨基头孢霉烷酸)为母核，在7-位或3-位接上不同的取代基，因此合成7-ACA是半合成的基础。主要合成方法如下: 1(亚硝酰氯法 以头孢菌素C为原料，经亚硝酰氯处理，分子内环合形成亚氨醚，水解得产物。 +NH3+SNH--NOClNN22CO2SONHNCHO2OCHOCOCH23ONCHOCOCH23COHO2COH2 SNOCHNS22H2OHO2NCHOCOCHN23CHOCOCHO23OCOH2COH2 7-ACA 2(硅酯法 先用三甲基氯硅烷保护羧基，然后用五氯化磷氯化得到偕氯亚胺，经正丁醇反应生成偕亚胺醚，水解同时去保护基得产物7,ACA 43 + NH3NH2PClSiCl5SNHMe3-SNHCO2OSiOCMe32ONNOCOCHCH23OCOCHCH23OO COH2COSiMe23 NH2SS--NNHn CHOH2NH492--CHOHHOSiOC32MeS32NClSiOCMeNN32CHOCHCH49OCOCHOCOCH2323OONCHOCOCH23OCOSiMeCOH232 COSiMe237-ACA 3(青霉素扩环合成7-ADCA O ClCOCHCCl223SCONHCHS2HO22SCHCONH2CONHCH2NNNOCOOKOOCOCHCCl223COCHCCl223 OH HPO34SSCHCONHCH扩环22CHOHSPCl35NHHO22CONHCH2NCHN3NCH3OCH3OCOCHClO223COCHCCl223COCHCCl223 氧头孢菌素的合成——略 44 4.5 非经典的β-内酰胺抗生素 60年代到70年代是青霉素衍生物发展的高潮，70年代中期到90年代是头孢烯类抗生素占绝对优势的时期，产生了第一次飞跃，近20年来发展了许多新品种。进入90年代，青霉素类基本处于停止状态，头孢菌素仍在发展，而非典型β-内酰胺抗生素发展很快，这是β-内酰胺抗生素的有一次新进展。最引人注目的是碳青霉烯类和青霉烯类，特别是碳青霉烯类进展最大，已由注射给药、对肾脱氢肽酶DHP-1不稳定的第一代发展成为口服给药、对DHP-1稳定的第二代。青酶烯类虽然进行了大量的研究工作，但进展不快，上市品种不多。 1(碳青霉烯类和青霉烯类 RR12R3 NH2SHOH硫霉素 NHCOCH23HSH乙基硫霉素 NHNHSH亚胺培南ROH3HHR1OCCH3R2NNMe2 OHO美洛培南CH3SNHHCO2NH N帕尼培南HOHCH3S 45 HHHHSSCH3NHNH22 NNCH3ROO HOC2COH2 HH SHN2R3NO HOC2 HOHH CH3SCHCHNH222NO HOC2硫霉素 HOHH XCH3SR NO HOC2 X = S , CH2, CHMe 1976年从链霉菌发酵液中分离得到硫霉素，它不仅是β-内酰胺酶的抑制剂，而且还具有广谱抗菌活性，缺点是化学性质不稳定，在体内易受肾脱氢肽酶(DHP-1)的降解。为了克服这些缺点，对硫霉素进行结构改造，如果4-位引入取代基，空间位阻增加，对DHP-1酶稳定性增加，但抗菌活性明显下降。而在3-位引入亚氨基，不仅提高稳定性，而且对DHP-1酶稳定性增加，很快就发展成临床上作用较好的一类药物，如亚胺培南。亚胺培南与硫霉素一样，对DHP-1 46 酶不稳定，需要合该酶的抑制剂西司他丁合用。后来发展的美洛培南有很强的杀菌作用，对DHP-1酶稳定，可单独使用。日本开发的帕尼培南比美洛培南更好。 碳青霉烯类的优点: 碳青霉烯类抗生素超广谱，对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、需氧菌和厌氧菌都有很强的抗菌活性。 通过孔道进入革兰氏阴性菌外层胞质的速率比传统的β-内酰胺抗生素快10-20倍，能结合所有种类的青霉素结合蛋白。 具有持续的抗生素后效应。 临床主要致病菌对碳青霉烯类的耐药性明显低于β-内酰胺抗生素、青霉素类和单环β-内酰胺类。 基于上述优点，碳青霉烯类已成为医院内严重感染，特别是重症监护病房感染的一类甚为有效的抗菌药物。 47 OHOHHHOHHSSCH3CH3 NHN2NOOOO NaCO2CONa2 法洛培南Ritipenem acoxil 已注册 1997年上市，我国正仿制 OHOCH3HHOHOCH3HNaNMeCOHCH223NHSCH3NHNSNHNOOCOH2COH2美洛培南Ertapenem, 2002年上市 1994年上市，我国已上市 OHNHHHNCH3SCH3CONHCHCHCOH222NO COH2Betamipron 帕尼培南 1994年上市，我国已进口 青霉烯和碳青霉烯类化合物结构特性与构效关系: 1、C-6位α-羟乙基侧链的反式构象使青霉烯和碳青霉烯对β-内酰胺酶很稳定，若构象转变成顺式，则几乎不具有耐β-内酰胺酶的活性。青霉素和头胞菌素是典型的顺式构象，所以易于被β-内酰胺酶水解。2、1β甲基对β-内酰胺酶的稳定性无影响，但使碳青霉烯对DHP-I具有很好的稳定性。 +-3、1β甲基使碳青霉烯对G、G均有很好活性，但对MRSA无活性， 48 抗MRSA活性由2-位取代基决定。 青霉烯类化合物的合成 4-AA在合成碳青霉烯类和青霉烯类的作用，就象7-ACA在合成头孢菌素的作用一样。下面是4-AA的一种合成方法和一个碳青霉烯的合成路线。 49 4-AA的合成 50 R= O NMe2 N NNHN BiapenemMeropenem 51 2(单环β-内酰胺抗生素 单环β-内酰胺抗生素由于结构简单，易于合成，并与青霉素和头孢菌素类都不发生交叉过敏反应，而且对β-内酰胺酶稳定，所以目前发展较迅速。1976年报道了第一单环β-内酰胺抗生素诺卡霉素，虽然抗菌活性很弱但说明β-内酰胺抗生素中双环结构并不是抗菌活性所必须的。1987年Squibb公司上市的氨曲南是第一个全合成单环β-内酰胺抗生素，被认为是抗生素发展的里程碑。 NCH3RCCONHCCONHNHSOHNOHNCH2NNSOH3OHCOOCMeCOH2O222 氨曲南诺卡霉素 4.6 β-内酰胺酶抑制剂 OOOOHHHOCHOH2SCHNS3NNCHNH2CHN3NOHCOO2OHCO2HCO2 Tazobactam舒巴坦克拉维酸 HOHOCHOH2CHOH2ONHHNCO2HNOHOCO2H2EnzOCOEnzOOEnzO 细菌对青霉素和头孢菌素产生耐药性的主要原因是β-内酰胺酶的生成，开发耐酶的药物及β-内酰胺酶抑制剂是一个重要的方向。 1(氧青霉素类 1976年发现克拉维酸，大大促进了β-内酰胺酶抑制剂的发展。克拉维酸又称棒酸，它本身抗菌活性弱，但有独特的β-内酰胺酶抑 52 制作用，是第一个报道的β-内酰胺酶抑制剂。它与β-内酰胺抗生素联合使用，可起协同作用，克拉维酸可使羟氨苄青霉素增效130倍，使头孢菌素类增效2~8倍。 2(青酶烷砜类 舒巴坦是一种广谱的酶抑制剂，但口服吸收差。它的抑酶活性比克拉维酸稍差，化学结构却稳定得多。另一个新的衍生物Tazobactam是新的不可逆的竟争性β-内酰胺酶抑制剂，抑酶谱的广度和活性都远远超过克拉维酸和舒巴坦。 五、发展趋势 β-内酰胺抗生素是抗菌药物的主流，大约占抗菌药物市场的一半。目前非典型β-内酰胺抗生素发展迅速，另外研究β-内酰胺抗生素除抗菌活性之外其它生物活性也是发展的重要方向之一。β-内酰胺抗生素依然是开发新型抗菌药物的主要领域。 53 第四章 新型噁唑烷酮类抗药菌药物 多年来随着抗生素在全球的普及和不断被人滥用，无论革兰氏阳性菌或阴性细菌均已出现耐药趋向，革兰氏阳性细菌的耐药问题更为严重。据世界卫生组织估计，每天大约有5万人死于感染性疾病，感染性疾病从新成为威胁人类健康和社会发展的主要问题。世界范围内出现的耐甲氧西林的金黄色葡萄球菌(MRSA)和表皮葡萄球菌MRSE)，耐药性肺炎链球菌，多药耐药的结核分支杆菌及耐万古( 霉素肠球菌(VRE)是当前临床中存在的主要问题。尤其是耐万古霉素肠球菌(VRE)的出现，突破了严重感染患者治疗的“最后手段”。面对这种困境 ，专家们提出“更新战略”，就是用“新一代”的抗生素替代“老”的品种。世界许多制药公司都在积极寻找能对付耐多种抗生素的耐药细菌的新型药物。噁唑烷酮就是一类极有发展前景的新型全合成抗菌剂。 54 Drug Resistance in Hospital-Acquired Infections Drug/Pathogen Resistance(%) Vancomycin/enterococci 24.7 Methicillin/S.aureus 53.6 Methicillin/Coag.-neg.S.aureus 88.2 Imipenem/P.aeruginosa 16.4 Quinolone/P.aeruginosa 23.0 rd3-gen.ceph. /P.aeruginosa 20.6 rdgen.ceph. /Enterobacter 33.1 3- SCIENCE 2004,303,1798 噁唑烷酮类抗菌药物的发展 OOOOSXSHONCHOCHO323 NONONO OHNHACCl12Dup105 X=S Dup721 X=COOO HOONOCHO3 NONONO NHACNHACNHAC3H45OHO OFNF NNOO NONO NHACNHAC吗啉噁酮羟哌噁酮 55 1978年，美国杜邦公司科学家报道噁唑烷酮衍生物1在控制细菌引 起的植物疾病方面的应用。随后他们对1进行结构改造得到2即S-6123，S-6123在体内外外对阳性菌和阴性菌表现出中等强度活性。通过进一步结构优化，1987年，他们发现两个侯选化合物DuP 721和DuP 105。DuP 721和DuP 105比S-6123抗菌活性有很大提高。杜邦公司的噁唑烷酮研究工作引起了科学家们极大的兴趣，这是因为: 噁唑烷酮的抗菌谱包括了所有重要的革兰氏阳性菌致病菌且和现有抗菌药物没有交叉耐药性，而且在实验室很难诱导产生耐药菌株。 噁唑烷酮是全合成的、具有独特作用机制。 全新结构和独特的作用机制吸引了众多制药公司的关注。普强，拜尔，和阿特拉斯等公司都参与噁唑烷酮衍生物的研究开发。普强公司合成了许多并环的化合物，但都没有突破性进展。1989年杜邦公司因毒性问题停止了他们的噁唑烷酮研究计划。普强公司则继续深入研究，他们借助喹诺酮类药物结构改造的经验，将哌嗪环，吗啉环和氟原子引入到噁唑烷酮的改造中来，筛选得到了两个高活性噁唑烷酮衍生物:吗啉噁酮(linezolid )和羟哌噁酮(eperezolid) .其中，吗啉噁酮经FDA批准，2000年首先在美国上市，商品名:Zyvox，成为第一个获准进入临床应用的噁唑烷酮药物。 56 OHOOFNFNNOO NONO NHACNHAC 吗啉噁酮羟哌噁酮 二 作用机制 噁唑烷酮的作用机制目前还不是十分清楚。一般认为，噁唑烷酮 50S亚基是其作用靶位。抑制细菌蛋白质合成的最早期阶段，核糖体 通过与靠近30S界面的50S亚基结合，以阻止70S起始复合物的形成。最近，Patricia Kloss等人运用耐药变异特性技术，揭示核糖体50S亚 20基23S rRNA 的第五中心区是药物作用的基本靶点。噁唑烷酮作用机制不同于目前已知的所有抗生素。 57 三 构效关系 噁唑烷酮的基本骨架如下: O3′2′ 21′4′13?ANO?　456′B5′ 目前合成的噁唑烷酮衍生物大部分都是苯环与3位N相连。对于这类衍生物，主要是由环?和环?两部分构成。 1(环?部分 噁唑环的O以S或NR(R=H，Me，Bu)代替，或2位的羰基以砜基，亚砜基或磷酸甲酯基代替，以及1，2位的开环衍生物，其抗菌活性丧失。若在环?和环?之间插入-CO-或-SO- ，则活性消失。32 位N以 -CH-或=CH代替，得到2-四氢呋喃酮及2-二氢呋喃酮化合物2 23 ，个别化合物在体外表现出抗菌活性。 5位的立体构型为S型， R异构体无效。 2(对于B基团 早期研究表明，乙酰胺基的活性最强。近年来，B基团采用五员或六员杂环羟基，或甲氧硫代酰胺基，或硫代乙酰胺基，或二硫代氨基甲酸酯等，也都表现出较好的抗菌活性。 58 OO RROFNFNF OOO OSNNNNOFNONON 11OOO67 XFSF NNOOO NONONOX=S, ONHNHNHSNHS291012SSS 3( 环?部分 环?为苯环时，4,位取代活性最强， 2,位取代活性很弱甚至消失。当取代基位阻小于乙基时，,,位单取代和,,位单取代活性相当。3，4-二取代衍生物，当3位为小的取代基(小于Br)，活性与4位单取代相当，3位F取代有助于增强活性。2 ，4 ，6 -三取代的衍生物没有活性，这可能与所要求的苯环和噁唑烷酮共平面。 环?除苯环外噻吩、吡啶以及苯并呋喃、苯并噻吩、苯并噻唑、苯并吲哚、苯并噻唑酮、苯并二氢喹啉，某些三环稠环均有较好活性。 Br OOO NNONNNOOSSCOCHCFOH23NHAC141315O SNONCH3OOO SSNNOONOO NHACOHNHCOCH18231716 NNNONOO OOXNONONONHACNHCONH21219NH20 X 59 ,(,基团 ,基团变化很大，也是噁唑烷酮衍生物多样性的基础。,基团可通过 ,,,键或,,,键和环?相连。都有活性很好的代表化合物。另外 还有以羰基和环?相连的，如,,,,,。 OO_O+ONSSO HOOO NNNOOO NHCOCHClNHCOCHClNHCOCH222232324 NNFFNFNCNNNOOO NNONOO NHCOCHNHCOCH27NHCOCH3326325 NOFONCNNSSOOOHN NNNNOOO 302829NHCOCHNHCOCHNHCOCH333 60 5、噁唑烷酮和喹诺酮的拼接化合物 O CFHO2FO NONNNONHAcNH O HOCF2FO N连接基团ONNHAc OOFOCFHO2OHOCF2 NNNONONNHAcNNHAc F2 13 O FHOC2O NNNONNHAc FHC3 5, 6 2、5、6对耐环丙沙星和耐LZ的阳性菌表现出很好的抗菌活性，但对阴性菌无活性，更多表现为象LZ类化合物。 61 FFO O ONSPARCERHCCONH3NCOH2 N SPARCER ON3K 3LNO 3M NO COMPD DNA gyrase Topo IV Protein synthesis IC(μM) IC(μM) IC(μM) 505050 3K 2 2 1.5 LZD 4.1 CIP 0.5 2.5 20 四、噁唑烷酮类药物的合成 噁唑烷酮类药物的5-位必须是S构型，所以合成的关键是如何建立5-位的手性碳，目前报道的方法都是手性原料开始合成的。 62 1(5-羟甲基噁唑烷酮的合成 ROO0n-BuLi,THF, -78 CHPhNHCORPh2OOONOHOHLi O OO O OORPhNOOOHPhNOPhNOLi HOOR_RO 2(吗啉噁酮的合成 HOHOOONHCl1.1.FN1.NCBzClOHO 2. Pd/C, 2.HCOK2232.KOtBuFNOFHNOBn2FNH23.LDA OOO NNNOOOEtN, MSClNHOH34 FNOFNOFNO OMsNHOH2 O ACON2O FNO NHAC 吗啉噁酮 TL 37(44) 7937-7940 63 OACClO NHAcNHAc OFOFCOCNOCHPhPhHNN22HCOCNOPhHNNNHAc2 H NN p-TsOH/MeOH(EtO)CO2OO NHNHOH OHNO NO OH TL 40(1999),4855-4856 India OOHOHOHOOOO1.ArNH2N N(Im)CO/CHClO2.222OHOHOHOOOOOOOOHdil. HClONaION4NOHNNaBH4OHO OO O NNHAC 64 Ar = O HONNNHNONNHCBZNNH222 FFF 钯催化偶合合成噁唑烷酮类化合物 TL 42(2001) 3681-3684 O HCO3HNAcO OCHN3o Br Pd2dba3, BINAP,72%Cs2CO3, toluene, 100oC OO TFA/CH2Cl2OHCOO3NAcONAcOOCHN365%NH OOOO HNHNHNOOONOHOPBDPS O OFONOONN2OOHCNOOPBDPSN 69%O77% OClONHCO3HCOBrNAc3ONCNAcOOCHN3OCHN3 69%69% 65 Tetrahedron:Asymmetry 11(2000) 4429-4432 OO .HONHOOH32--TrCl / PyOCl / OHNHO2TrOHONH2HOOH O OHNOOOHTrOCONHTrON OTr US6288238 NH2NH2-OClRB(OH)2HOO HOOBOO R +HO H2OONONHNO OBOC-OBOCOHROHR 一步法合成噁唑烷酮类化合物 WO 02/085849 FOAcXOFONHAc ONNOONNOBnHNHAct-BuOLi X = Cl, Br, RSO2O WO 9924393 66 OO OHOAcXOClNH2NHAc 用组合化学的方法合成噁唑烷酮类化合物 R1 HOR2NCO/Et3N/rt/3hOHR1 socl2OOHSEt3N/CH2Cl2/rtO2 O OR1 RNOR2O2OSNHODBN/CH2CCl2/rt/2h2 R1 R1=CH2N3 67 五、吗啉噁酮(linezolid )和羟哌噁酮(eperezolid) 这两个新药候选化合物，它们在完成临床前研究后，结果极其相似，无法判定那一个更好，但在，期临床研究后发现吗啉噁酮人体代谢特性优于羟哌噁酮，吗啉噁酮只需每天服药两次，而羟哌噁酮需要三次。羟哌噁酮在，期临床研究中被放弃。 吗啉噁酮给药后能够快速和完全的吸收，生物利用度接近,,,,，既可口服也可注射。临床上用于皮肤,软组织感染、获得性肺炎及其它革兰氏阳性菌感染。 副作用: 吗啉噁酮具有较好的耐受性。其主要不良反应是肠胃道反应，如恶心和腹泻及舌头变色和口腔念株菌感染。严重的与药物密切相关的副反应如肝酶升高、房颤或胰腺炎。最严重的副反应为血小板减少。 68 六、我们小组的工作 我们小组从5年前就开始研究噁唑烷酮类抗菌药物并取得了很好的进展，我们发现的YC-12等化合物体外抗菌活性远远超过2000年上市的吗啉噁酮(linezolid )。 FOFOHO HONNOONNO ONHACNHACF Linezolid/上市AZD2563/III期临床 AstraZenecaPharmacia & Upjon 合成80多个新化合物 YC-12, YC-20 活性比对照药LZ强很多 69 表2 YC、YC、YC、和对照药物 122044 对592株临床分离致病菌体外抗菌活性比较 MIC(mg/L) 细菌(株数) 抗生素 Range 50% 90% 金黄色葡萄球菌 YC <0.008-0.015 0.0125 0.0125 12 YC 0.25-0.5 0.5 0.5 (MRSA)100 20 YC <0.008-0.125 0.0125 0.03 44 LZ 0.25-2 0.5 1 万古霉素 0.06-2 0.25 0.5 0.25-64 16 64 氨苄西林 头孢唑啉 0.125->128 8 >128 克拉霉素 0.25->128 >128 16 左氧氟沙星 0.06-16 8 16 金黄色葡萄球菌 YC <0.008-0.015 0.015 0.015 12 (MSSA)80 YC 0.06-0.5 0.25 0.5 20 YC <0.008-0.125 0.06 0.125 44 LZ 0.25-1 0.25 1 万古霉素 0.25-1 0.5 1 氨苄西林 0.25-4 1 2 头孢唑啉 0.125-4 0.5 4 0.25-4 0.25 4 克拉霉素 左氧氟沙星 0.06-2 0.125 1 金黄色葡萄球菌(20) YC 0.06-0.5 0.25 0.5 12 克拉耐药株 YC 0.125-2 0.5 1 20 YC 0.06-1 1 1 44 LZ 0.25-2 2 2 万古霉素 0.25-1 0.25 0.5 氨苄西林 0.03-8 1 8 头孢唑啉 0.06->128 0.125 16 克拉霉素 16->128 128 >128 左氧氟沙星 0.03-8 0.06 4 表皮葡萄球菌(20) YC <0.008-0.06 0.015 0.06 12 YC 0.03-0.5 0.06 0.5 克拉耐药株 20 YC <0.008-0.06 0.015 0.06 44 LZ 0.125-0.5 0.25 0.5 万古霉素 0.125-0.5 0.125 0.25 0.25-32 1 32 氨苄西林 头孢唑啉 0.25->128 2 >128 克拉霉素 32->128 >128 >128 左氧氟沙星 0.125-16 1 8 腐生葡萄球菌(20) YC 0.25-16 2 4 12 YC 0.5-64 4 16 20 YC 0.5-64 4 16 44 LZ 0.25-8 1 8 万古霉素 0.125-32 2 8 氨苄西林 0.125-4 0.25 2 头孢唑啉 0.06-32 0.125 8 克拉霉素 0.03-16 0.06 2 0.03-8 0.5 4 左氧氟沙星 溶血性葡萄球菌(20) YC 0.03-2 0.5 1 12 YC 0.06-2 0.5 2 20 YC 0.06-4 1 2 44 LZ 0.06-2 0.5 1 万古霉素 0.03-1 0.5 1 70 氨苄西林 0.06-8 0.5 8 头孢唑啉 0.25-16 4 8 克拉霉素 0.015-64 0.25 16 0.008-16 0.25 8 左氧氟沙星 表皮葡萄球菌(MRSE)120 YC <0.008-8 0.03 1 12 YC 0.03-8 0.5 1 20 YC <0.008-4 0.125 4 44 LZ 0.25-8 0.25 2 万古霉素 0.25-8 2 8 0.125->128 1 >128 氨苄西林 头孢唑啉 1-8 2 8 克拉霉素 0.25->128 >128 >128 左氧氟沙星 0.125-2 0.25 2 表皮葡萄球菌(MSSE)70 YC 0.03-0.5 0.125 0.5 12 YC 0.03-0.5 0.25 0.5 20 YC 0.03-0.5 0.06 0.25 44 LZ 0.005-0.25 0.015 0.25 万古霉素 0.03-2 0.5 1 氨苄西林 0.015-0.25 0.125 0.25 头孢唑啉 0.03-0.25 0.06 0.25 克拉霉素 <0.015-16 4 16 0.03-0.25 0.03 0.06 左氧氟沙星 链球菌属(30) YC 0.03-2 0.25 1 12 YC 0.06-1 0.25 0.5 20 YC 0.03-2 0.5 2 44 LZ 0.125-2 1 2 万古霉素 0.06-1 0.25 0.5 0.06-2 0.25 0.5 氨苄西林 头孢唑啉 0.06-4 2 4 克拉霉素 <0.008-64 0.125 8 左氧氟沙星 0.03-16 1 4 肺炎链球菌 YC 0.06-0.5 0.125 0.5 12 (Penicillin susceptible)(12) YC 0.125-0.5 0.5 0.5 20 YC 0.25-1 0.5 1 44 LZ 0.25-2 0.5 2 万古霉素 0.03-0.5 0.125 0.5 氨苄西林 0.06-4 2 4 头孢唑啉 0.06-16 1 16 0.03-16 4 16 克拉霉素 左氧氟沙星 0.03-16 0.125 16 肺炎链球菌 YC 0.5-8 2 4 12 (Peuicilin-resistant)10 YC 0.25-4 1 2 20 YC 0.5-4 1 4 44 LZ 0.25-4 1 4 万古霉素 0.125-2 0.25 0.5 氨苄西林 0.5-8 2 8 头孢唑啉 0.25-16 2 16 克拉霉素 0.06-128 4 128 0.125-128 2 8 左氧氟沙星 肠球菌40 YC 0.03-0.125 0.125 0.125 12 (Vancomycin susceptible) YC 0.25-0.5 0.25 0.5 20 YC 0.125-0.5 0.25 0.25 44 LZ 0.25-0.5 0.5 0.5 万古霉素 0.125-2 0.125 2 氨苄西林 0.06-0.5 0.125 0.5 头孢唑啉 1-8 2 8 克拉霉素 0.5-16 16 16 71 左氧氟沙星 0.03-2 0.125 2 2-16 4 16 YC12 李斯特单核细胞增多菌 YC 2-16 8 16 20 Listeria monocytogenes(10) YC 4-64 16 64 44 LZ 2-8 4 4 万古霉素 0.5-4 2 4 氨苄西林 0.25-4 1 2 0.5-8 2 8 头孢唑啉 克拉霉素 0.06-16 0.5 16 左氧氟沙星 0.015-4 0.25 4 Bacteroides frugills(10) YC 4->128 128 >128 12 脆弱拟杆菌 YC 8->128 >128 >128 20 YC 16->128 >128 >128 44 LZ 2-16 4 8 万古霉素 >128 >128 >128 氨苄西林 4->128 64 >128 头孢唑啉 0.5-64 4 64 2->128 4 >128 克拉霉素 左氧氟沙星 0.03-8 0.125 4 嗜血流感杆菌20 YC 2-16 4 16 12 YC 4-16 8 16 20 YC 2-16 4 16 44 LZ 2-16 4 8 4->128 128 >128 万古霉素 氨苄西林 0.25-128 1 16 头孢唑啉 0.06-16 0.5 4 克拉霉素 0.125-4 1 2 左氧氟沙星 0.03-8 0.5 1 Moraxellu catarrhalls(10) YC 2-16 8 16 12 YC 4-16 4 8 卡他莫拉氏菌 20 YC 4-32 8 32 44 LZ 2-4 4 4 万古霉素 >128 >128 >128 8->128 >128 >128 氨苄西林 头孢唑啉 2-128 16 128 克拉霉素 1-64 4 32 左氧氟沙星 0.5-16 2 8 72 表3 YC12、YC20、YC44的MIC、MBC比较 细菌 MIC/MBC 受试药物 MIC(μg/mll) MBC(μg/mll) 比较 (菌号) YC12 0.06 0.06 1 金葡菌ATCC25923 YC20 0.125 0.125 1 YC44 0.25 0.5 2 YC12 0.06 0.125 2 金葡菌02-19-16 YC20 0.125 0.125 1 YC44 0.5 0.5 1 YC12 0.06 0.125 2 金葡菌MSSA02-5 YC20 0.25 0.25 1 YC44 0.5 0.5 1 YC12 0.008 0.015 2 金葡菌MSSA02-1 YC20 0.25 0.25 1 YC44 0.03 0.06 2 YC12 0.008 0.015 2 金葡菌ATCC25923 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.06 0.125 2 YC12 0.015 0.03 2 金葡菌MRSA02-25 YC20 0.5 0.5 1 YC44 0.06 0.125 2 YC12 0.008 0.008 1 表葡球菌02-20-21 YC20 0.03 0.06 2 YC44 0.008 0.015 2 YC12 0.03 0.03 1 表葡球菌MRSE02-13 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.06 0.125 2 YC12 0.06 0.06 1 表葡球菌MSSE02-12 YC20 0.06 0.06 1 YC44 0.03 0.06 1 接上表: 细菌 MIC/MBC 受试药物 MIC(μg/mll) MBC(μg/mll) 比较 (菌号) YC12 0.06 0.125 2 肠球菌700802 YC20 0.125 0.25 2 YC44 0.25 0.25 1 YC12 0.125 0.25 2 肠球菌01-17-1 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.25 0.5 2 YC12 0.06 0.25 4 肺炎链球菌02-18-14 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.25 0.5 2 YC12 0.125 0.25 2 肺炎链球菌02-18-3 YC20 0.25 0.5 2 73 YC44 0.5 1 2 YC12 0.125 0.25 2 肠球菌ATCC700802 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.25 0.5 2 YC12 0.125 0.25 2 肠球菌01-17-10 YC20 0.25 0.5 2 YC44 0.25 0.5 2 七、发展趋势 Linezolid是近30年来出现的第一个全新类型的全合成抗菌剂，作用机制独特。它既可静脉给药，也可口服给药，口服给药的生物利用度高达100%，万古霉素一般均需静脉给药。Linezolid 在治疗多药耐药的革兰氏阳性菌和肠球菌引起的严重感染方面将会起重要作用。目前第二代噁唑烷酮药物的研究集中在提高抗菌活性，扩展抗菌谱，包括针对革兰氏阴性菌的活性。噁唑烷酮药物有可能成为继磺胺、喹诺酮之后第三大类全合成抗菌药物。 74 第五章 COX-2 酶抑制剂 一、阿司匹林与非甾体抗炎药 COH2 3OCOCH 阿司匹林的化学名为乙酰水杨酸，是德国拜耳公司1898年合成的。因其疗效明显、廉价至今仍在临床上广泛用于消炎镇痛。阿司匹林低剂量可预防心脏病或脑血栓，日服2-6片可缓解头痛并使发烧患者体温降低，因此用于治疗感冒的头痛与发烧。阿司匹林更高剂量可使风湿热、风湿性关节炎和类风湿性关节炎、慢性痛风等患者关节发红肿胀的症状缓解。 但高剂量可引起出血，故胃及十二指肠溃疡病人禁用。 阿司匹林虽然经大量病人服用可治疗许多疾病，但其作用机理长期以来未被了解。前列腺素研究兴起后，才于70年代初阐明其作用机制是抑制前列腺素的合成。 75 COH2 花生四烯酸 5-氧脂酶环氧化酶 O COH2OOHCO2HOOHCOH2H前列腺素2HO COH2OOROH1COH2 D前列腺素2 HOHOOHCOH2COH2OHR2E前列腺素2HO HOOH COH2RF炎症前列腺素32α 花生四烯酸经环氧化酶氧化成前列腺素H，前列腺素H可进一22步转化为前列腺素E、前列腺素D、前列腺素F。前列腺素类化α222 合物调节多种机体生理作用，对维持人体正常运转十分重要。然而前列腺素是强致热原，过量表达是引起炎症、疼痛的原因。阿司匹林是环氧化酶的抑制剂，它阻止花生四烯酸转变为前列腺素H，于是产2生解热、消炎、镇痛效果。 阿司匹林作用机理阐明后，药学家便以环氧化酶作为筛药工具，开发了许多新的抗炎药物，用于治疗风湿性关节炎或骨关节炎，不但有效地减轻了患者的疼痛，副作用也比以前的甾体药物地塞米松轻，这类环氧化酶抑制剂统称为非甾体抗炎药。如布洛分、奈普生、吡罗昔康、酮洛酸等。 76 COH2 CH3CH3 CHCHCOHCH22 CHO3 布洛分奈普生 OH O CONHCNNNCHCOH32S OO 酮洛酸吡罗昔康 这些药物比阿司匹林作用更强，但也出现典型的不良反应如胃、肠粘膜损伤、胃十二指肠溃疡、出血或穿孔。 二、COX-1和COX-2 目前开发的NSAIDS中，研究开发最多的仍然是环氧合酶抑制剂，其中开发到注册和注册前的有12个，在临床试验的有16个。该类药物的作用机制是抑制COX活性，阻断花生四烯酸形成前列腺素的过程。但这类药物存在较为严重的肾毒性及肠胃道副反应，据报道NSAIDS使用者中约有25%并发溃疡，因此必须开发疗效好、副作用小的COX抑制剂。 过去以为环氧化酶是单一的酶，其后观察到不同抗炎药的解热、消炎、镇痛作用与副作用互有差异，因而设想COX会有不同亚型。经过多年研究，发现COX有两种亚型即COX-1和COX-2。COX-1是机体固有的酶，在正常情况下就存在于胃肠道、肾脏和血小板等组织细胞，不能被诱导增加，通过对前列腺素及血栓烷A合成的促进，2有保护胃粘膜、维持肾血流量、调节血小板聚集、调节外周血管张力 77 等内环境稳定作用。抑制COX-1可引起胃刺激、胃出血和肾功能损伤等副作用。而在正常情况下，大多数细胞中不出现COX-2，其基因在生长因子、细胞因子、细胞毒素、致炎物质等刺激而突然表达，为诱导性酶，其底物前列腺素可引起炎症、疼痛、发热反应。现在使用的COX抑制剂大多没有选择性，对COX-1的抑制引起各种毒副反应。 三、COX-2特异性抑制剂的作用机制 COX-1和COX-2都有一个发夹状的结构，弯曲的顶端将两股连在一起，中间是一条狭长的憎水性通道。它们在通道一侧120位有一个极性较大，可与药物分子建立氢键的精氨酸残基，另一侧的523位COX-1为异亮氨酸残基，COX-2为缬氨酸残基。由于缬氨酸分子小于异亮氨酸分子，因而在其旁边形成了一个侧袋。COX-2通道口要比COX-1宽，通道末段比COX-1更具柔性。 78 非特异性COX抑制剂一般分子较小，易于通过COX-1和COX-2通道，与120位精氨酸建立氢键，竞争性地阻碍正常底物花生四烯酸的进入，使酶失去作用。特异性的抑制剂由于分子含有苯环等刚性结构，且整个分子体积较大，不易进入开口较小的COX-1通道，故不能对COX-1 产生抑制作用。COX-2抑制剂在进入通道后其侧链的特殊基团还可进入缬氨酸残基旁边的侧袋。COX-2抑制剂对酶的抑制作用是不可逆的。 1型和2型环氧化酶在体内分布不同，所组成的氨基酸顺序不同，特别是酶的活性部位结构不同，所以一定能够找到一些药物选择性的作用于COX-2，这样既能消炎镇痛，有能减少对其他组织的毒副作用。正是在这种思想指导下，科学家们开发COX-2抑制剂并取得了很大的成功。目前以上市和正在开发的药物按化学结构可分为磺酰胺类、砜类及阿斯匹林类等。 79 四、磺酰胺类药物 HOSMeO2ONCH3SON NHSCH3 OHNONO2洛美昔康尼美舒利 HHSMeOF2SMeOFN2NSO FF OOL-745337氟舒胺 美洛昔康是1996年批准的消炎镇痛药物，对骨关节炎有明显疗效，在其环状结构中带有磺酰胺的基团。早年开发的非甾体抗炎药物大多带有羧基，而磺酰胺也是酸性基团，因而设计用磺酰胺取代羧基，尼美舒利就是这样合成的。尼美舒利是COX-2特异性抑制剂，能抑制炎性组织内前列腺素的合成，而不抑制胃粘膜内前列腺素的合成。所以其抗炎、解热、镇痛作用不逊于以前的非甾体抗炎药物，而对胃及十二指肠等副作用较小。尼美舒利虽然有良好的镇痛作用，但在人体内生物利用度低，分子内带有硝基，代谢转化可能产生毒性，引起医药界顾虑。于是进行结构改造，目的是增高亲酯性，后来开发了氟舒利生物利用度提高，对COX-2的活性比COX-1强千倍以上，抗炎作用不低于尼美舒利，对胃肠道的损害远比吲哚美辛等低。将两环间O原子换成S原子，得到L-745337，其药代动力学性质更优，是口服有效的抗炎药物，抗炎镇痛活性和吲哚美辛相近，而不产生胃、肠溃疡。 80 五、砜类化合物 SOCHSO32CH32SOCH32 SS NNSBrClClCHOF3FSC-8092DUP647SC-078 SOCHSOHNSOCH323222 NNNNCFOCF33 OFCH3SC-58125RofecoxibCelecoxibHNSO22 OCH3F N JTE522 甲砜化合物Dup647是较早发现的选择性COX-2抑制剂，对它进行结构改造，将噻吩环换成其他杂环，SC-078、SC8092都是特异性环氧化酶2抑制剂。如果将SC-8092的甲砜基换成甲巯基，则转换为COX-1抑制剂。吡唑环的SC-58125同样是COX-2抑制剂。Rofecoxib分子中，杂环是五元内酯环，它的活性与布洛分相当，但对胃及十二指肠粘膜的损伤远小于布洛分和阿司匹林，是目前上市的代表性COX-2抑制剂之一。Celecoxib是第一个上市的COX-2抑制剂，它有强大的抗炎活性而不产生胃及肠溃疡。JTE-522 COX-2/COX-1是1176，是迄今发现的选择性最高的环氧化酶抑制剂。 81 六、乙酰水杨酸结构改造 COH2 OHRR=COH2OCOCH3R=SOCH23 R=SCH3FFR=S CH6(CH)23二氟尼柳R= CH=CHCH()2233OCOCH3 COCHNO222 NCX4016 阿司匹林是制药史上的奇迹，所以科学家们企图对它进行结构改造，提高其选择性，减低其毒副作用。在阿司匹林羟基对位引入二氟苯基，活性比阿司匹林增强4倍，对胃肠道刺激比阿司匹林低。 许多甲砜基化合物是特异性的COX-2抑制剂，所以有人将阿司匹林羧基改成甲砜基，但该化合物没有活性，将砜基还原成硫醚，出现较弱的活性，延长烷基，活性增强。 82 七、最新进展 塞来克西和罗非克西等COX-2抑制剂的出现已对传统NSAID的造成巨大冲击，这类药物目前发展迅速，有可能成为NSAID的主流。 COX-3抑制剂 1971年以前，科学家不知道阿司匹林是通过抑制COX酶起作用的，1991年西孟斯教授发现COX存在两种酶，COX-1和COX-2。2002年西孟斯教授发现COX-3，它也是一种在疼痛和发热中可能起重要作用的酶。对乙酰胺基酚能减轻疼痛和发热，但无抗炎作用，对COX-1和COX-2只有极微弱的抑制作用，COX-3的发现可能阐明对乙酰胺基酚及其相关药物是如何工作的，为现有药物的改进开辟了新的通道。 2002年首次上市的30个NCE，其中选择性COX-2抑制剂有两个，Etoricoxib 和Valdecoxib OO S CH3 Cl N HC3 Etoricoxib 83 OO S HN2 CH3 O N Valdecoxib 84 第六章 抗糖尿病药物前言 一、前言 1(糖尿病:糖尿病是一种由于胰岛素分泌不足或胰岛素抵抗而导致碳水化合物、脂肪及蛋白质异常，而以慢性高血糖为主要特征的一组临床综合症。 糖尿病主要分为两类即1型和2型糖尿病。1型糖尿病约占病人5-10%，其胰岛素β细胞完全不能分泌胰岛素，其治疗只能依赖外源性给予胰岛素。2型糖尿病约占病人90-95%，发病的主要原因是病人机体对胰岛素作用产生拮抗性或抵抗。 发病率:欧美平均为8%，我国3.2%。全球大约有1.3亿，据估计到2025年，这一数字将增加到3亿。我国现有糖尿病人3000万人，随着人民生活水平的提高及欧美生活方式的流行，我国的发病人数还会呈现快速增长的趋势。 危害性:长期的高血糖将引起并发的高血压、脑血管并发症、神经病变、肢端坏疽及肾脏病变等，所以控制病人的血糖水平对于延缓或阻断并发症的产生极为重要。糖尿病并发症是造成其终生生活能力和死亡的主要原因。糖尿病已成为仅次于心血管、癌症的第三位致死性疾病，是严重危害人类健康和生命的重大疾病。 治疗:饮食调节和体育锻炼 药物治疗 胰腺移植 85 胰岛素 胰岛素是胰脏β-细胞分泌的一种蛋白激素，对机体代谢过程有广泛影响，调节人体糖、脂肪、蛋白质代谢作用，是治疗糖尿病的有效药物。它含有16种51个氨基酸，由21个氨基酸的A肽链与30个氨基酸的B 肽链以两个二硫键连接而成。 胰岛素的理化性质及制剂 86 二、促进胰岛素分泌的药物 1( 磺酰脲类(sulphonylureas) 刺激胰岛β-细胞分泌胰岛素。磺酰脲类药物具有苯磺酰脲的一个共同结构。20世纪40年代用用磺胺异丙基噻二唑治疗伤寒，许多人死于不明的原因。后来发现氨磺丁脲具有更强的降糖作用，是第一个临床用于降糖的磺酰脲类药物，但对肝脏毒性较大。氨磺丁脲的发现促进了磺酰脲类药物的发展，至少12000个化合物被研究过。发现了许多很好的降糖药物。 NNO CHMe2SONH2HNSONHCNHHN222S 磺胺异丙基噻二唑 氨磺丁脲 第一代:甲磺丁脲;氯磺丙脲。第二代:格列本脲(优降糖，);格列齐特(达美康);格列奎酮(糖适平);格列波脲(克糖利);格列吡嗪(美吡达) OOOS(CH)CH 233OONNOOHHClS(CH)CH233NNNHH HOCH3CH3 2Glibenclamide 1Tolbutamide OOOOOO SSONNONNHHHHOCH3NNN HCHN3 35Glipizide Gliquidone 87 O OOSCH3ONN HH NN H O 4Glimepiride 第二代克服了第一代的缺点，吸收迅速，与血浆蛋白结合率高，其作用强，起效快，毒性小，作用维持时间短(8-10小时)，导致低血糖的可能性减小。格列美脲Glimepiride的最大特点在于其特异性地作用于胰岛细胞K-ATP通道而几乎不与心血管系统的K-ATP 通道作用，所以副反应少。 但约有20,30,的NIDDM患者对磺酰脲类药物治疗的原发效应较差，在有效的患者中每年约有5,10,变成继发性失效。由于以上原因该类药物的研究已很少有后续的新品种。 88 2. 非磺酰脲类胰岛素分泌促进剂 O2.1苯甲酸衍生物 OOH ClO NOOS(CH)CH233HONNHHOCHCl3 NHOCH310Miglitinide 2Glibenclamide O OOH OOH ON NNHNOC25 H N14 11RepaglinideO OOHO NOCH3HOOHNN NNHHF 307512SFF Geisen等将格列本脲的磺酰脲基团换成羧基，得到了一个苯甲酸类 13 的胰岛素分泌促进剂meglitinide(10)。它也以类似于磺酰脲类的作用机制促进胰岛素的分泌。但其在体内活性较小。在进一步的研究中发现了另一个化合物repaglinide(11)。与磺酰脲类不同的是它结合于胰岛b-细胞膜上的不同位点而阻滞K-ATP 通道最终促进胰岛素分泌。在体内吸收快，消除快，因此作用起效快，维持时间短，发生低血糖的风险极小。repaglinide(11)已经上市。 89 2.2苯基丙酸类衍生物 Shinkai等发现N-苯甲酰基苯丙胺酸有降血糖作用，并进一步验证了D 型异构体的活性立体专一性。后来他们又在此基础上寻找到了另一个类似物N- [trans-异丙基环己基甲酰]-D-苯丙氨酸(6)，即nateglinide(A4166)。Nateglinide在体内与磺酰脲受体结合，通过类似于磺酰脲的作用机制促进胰岛素分泌。其起效快，维持时间短，不会导致低血糖。 O O OHN OHHONH O6 Nateglinide OO OHHOHN OO F H 97 缺点: 胰岛素分泌促进剂通过刺激β细胞产生更多的胰岛素而降血糖，势必会使β细胞衰竭。所以这类药物从理论讲不是理想药物。 90 三、小肠α,糖苷酶抑制剂 食物中的多糖进入小肠后经淀粉酶降解为一些低聚糖及二糖，再由小肠刷状缘的α,葡糖苷酶将其分解为单糖以吸收入血。阿卡波糖(acarbose)通过降低单糖的吸收速率可显著降低餐后的血糖水平以及血浆高胰岛素水平，减少甘油三酯的生成及肝糖原的生成。Bayer公司的另一个α,葡糖苷酶抑制剂miglitol(46)目前正处于临床研究之中。 胃肠疼痛，气胀和腹泻。难有大的作为 阿卡波糖(acarbose) HOOHOH NOHHOCHOH2OH OHOHHONH CHOH2 OH Voglibose46Miglitol 91 四、胰岛素增敏剂 现有药物如双胍类、磺酰脲类、α-糖苷酶抑制剂等，除疗效有限外均有明显的毒副作用，临床上迫切需要新一代更有效、更安全的药物。由于胰岛素抵抗是2型糖尿病发病的主要原因，所以90年代以来噻唑烷二酮类胰岛素增敏剂(PPARγ配体)成为抗2型糖尿病药物研究的重点。胰岛素增敏剂就是可以降低机体胰岛素拮抗性而使胰岛素能发挥正常作用的化学物质。 92 1(PPAR-γ激动剂PPAR(peroxisome proliferator-activated receptor)受体包括PPARα,PPARβ，PPARγ三种亚型。其中PPARα在棕色脂肪、肝、肾、心、肌肉等组织中表达最为丰富，PPARγ在脂肪组织、肝细胞、结肠等中表达最高。PPARγ配体通过激活PPARγ可有效降低血糖及胰岛素抵抗。一般认为这主要是通过PPARγ对TNF-α(肿瘤坏死因子-α)的信号转导的抑制作用来实现，因为TNF-α能通过拮抗胰岛素信号转导和显著提高血浆中自由脂肪酸两种机制引起靶细胞对胰岛素产生抵抗。 (1)噻唑烷二酮类PPAR-γ激动剂 OONHOCOCH225NHSSOOOONCl CiglitazonePiglitazoneClofibrate OONHNHOSOOSNNOOHOTroglitazoneRosiglitazone O NH SOO Englitazone 噻唑烷二酮类(thiazolidinediones,TZDs)是第一类PPAR-γ激动剂。这类化合物中最早的一个是ciglitazone,1982年由日本Tekeda公司 [6]从降脂药氯贝丁酯(clofibrate)衍生而来。但ciglitazone在动物实验中因严重的副作用而停止开发。后来在此基础上合成出了许多降 [7][8]血糖化合物，其代表物有troglitazone, pioglitazone, [9][10] [11]englitazone, rosiglitazone, BRL-48482。其中troglitazone 93 于1997被美国FDA批准上市，成为第一个用于治疗NIDDM的噻唑烷二酮类药物。1999年7月美国FDA批准rosiglitazone和pioglitazone用于NIDDM的治疗。 Troglitazone主要是增加骨骼肌对葡萄糖的利用。有2/3的NIDDM病人在服用后血糖及血胰岛素水平均降低。它最主要的副作用是严重的肝损伤。但长期运用后有报道会使受试动物及人的体重轻微增加。Troglitazone后来因严重的肝损伤而撤出市场。 Pioglitazone能降低NIDDM病人的高血糖、高血胰岛素及血浆高甘油三酯。临床研究表明其可改善病人的胰岛素敏感性。 Rosiglitazone能改善胰岛素抗性，降低血中葡萄糖、胰岛素和甘油三酯水平，并可预防NIDDM患者肾脏病变和胰岛细胞降解。与磺酰脲类、二甲双胍或胰岛素合用可改善胰岛素的敏感性及b-细胞的功能。缺点:肝脏毒性;体重增加 (2)非噻唑烷二酮类PPAR-γ激动剂 所有的噻唑烷二酮类化合物都有一个噻唑烷二酮环，研究人员怀疑肝毒性可能与噻唑烷二酮环有关，所以非噻唑烷二酮类化合物成为研究PPAR-γ激动剂的主流。Glaxo Wellcom的Henke等人发现N-(2-苯甲酰苯基)-L-苯丙氨酸衍生物为选择性PPAR-γ激动剂。并以此为先导化合物将结构中苯丙氨酸的苯环部分换为噻唑烷二酮类化合物的非噻唑烷二酮部分，得到了两个在动物体内抗高血糖及抗高血脂活性均强于相应的噻唑烷二酮类的化合物24、25。它们都是较强 94 的PPAR-γ的选择性激动剂。非环的1，3,二羰基化合物JTT,20993(26)，这是迄今为止发现的降糖活性最强的化合物。将噻唑烷二酮类化合物中的噻唑烷二酮环以α,烷氧羧酸、α,烷基、α,酰基和α,芳烷基羧酸置换，均可得到活性很好的化合物。 可惜，25即Farglitazar在进行到三期临床时因病人出现水肿而停止开发。 OCH3OOHO NONHOH ONOHNN OCH325 24O CH3OOCHO 3 CH3OHONOOOCH3ON ON 27213068SB 2620993JTP 95 (3)我们小组的工作 我们小组主要进行非噻唑烷二酮类PPAR-γ激动剂研究工作，并初步 取得了很好的结果。 OO NN CH3NHS A O B 受体和3T3-L1细胞结构改造 80-100 T32、T33 体外活性强于罗格列酮 96 表3、化合物对3T3,L1细胞分化的促进作用 ED (mol/l) ED(mol/l) ED (mol/l) ED (mol/l) 化合物 25304050 -9-8/ / 罗格列酮 7.80，10 2.03，10 -8-7-7T1 / 8.82，10 1.83，10 6.57，10 -7-7-7-7T3 1.44，10 2.08，10 3.99，10 7.26，10 -8-6T29 / / 5.4，10 2.67，10 -9-8-8T32 / 7.37，10 1.56，10 5.88，10 -9-9-8-8T33 4.04，10 8.00，10 2.66，10 8.02，10 -7-6-6-5T35 5.80，10 1.11，10 3.5，10 1.00，10 -7-6T49 / / 8.88，10 5.08，10 -7-6-6T55 / 6.29，10 1.04，10 2.48，10 -7-7T59 / / 1.46，10 3.00，10 -8-7-7T60 / 7.28，10 1.10，10 2.29，10 -7-6T62 / / 7.5，10 2.12，10 -7-7-6T63 / 1.88，10 3.55，10 1.09，10 -7-7-7T81 / 2.89，10 3.44，10 4.68，10 -7-7T85 / / 2.71，10 3.82，10 -7-7-7T86 / 1.10，10 2.19，10 7.37，10 97 2( PPARα及PPARγ的共同激动剂 PPARα是血浆脂蛋白代谢酶的基因表达调控器，在体内可被许多 [16]结构不同的化合物如降脂药苯氧丁酸酯类激活。激活PPARα可降 [17]低血中的甘油三酯水平及改善肝脏中的不正常脂类代谢。 PPARγ激动剂通过作用于脂肪组织的PPARγ而促进脂肪细胞分化，增强胰岛素敏感性而促进葡萄糖向脂肪组织的转运，这样可能会 [18]增加病人的体重。另有报道TZD类PPARγ激动剂在动物实验中还可能增加骨髓中脂肪组织的生成。这些都说明了在应用PPARγ激动剂的同时增强脂类代谢的必要性。而PPARα激动剂可以在肝脏中促进 [19]脂类的氧化代谢，与PPARγ激动剂起到协同作用。曾有报道苯氧丁酸酯类降脂药与TZD类化合物rosiglitazone合用在正常大鼠体内起到了加和的降脂作用。所以研究PPARα和PPARγ的双重激动剂已成为抗糖尿病药物发展的一个方向。 [15]JTT,501是第一个开始临床实验的PPARα及PPARγ双重激动 [16]剂。化合物KRP,297也具有较强的PPARα及PPARγ共同激动作用。 O OOFOOHCH3OHO NNONOHNF FF F29282331GW OOOCH3ONNHNHHOSNCFOO3OOJTT-501KRP-297 98 3( 其它胰岛素敏化剂 (1)维甲酸受体激动剂 PPAR-γ在脂肪组织中与维甲酸受体 (retinoid X receptor,RXR) 形成杂二聚体存在，所以RXR激动剂也可激动PPAR-γ而发挥胰岛素敏化剂的作用。化合物32,35即可通过激动RXR而发挥降血糖和 O降血脂的作用。 OHCH2 O OH33 O OR32 N N OHOHO O35 34 (2)β,肾上腺素能受体激动剂 3 β,肾上腺素能受体激动剂的抗肥胖和抗糖尿病活性在鼠，原3 发性肥胖(ob/ob)鼠及Zuker(Fa/Fa)鼠得到证实。其中trecadrine可显著降低高胆固醇血症大鼠的血浆甘油三酯，增加脂肪组织氧消耗量。但β,肾上腺素能受体激动剂在人体的作用还不明显。目前这3 类物质正处于研究之中。 OH N3CHCH3 38Trecadrine 99 (3)双胍类化合物 该类化合物也有降低胰岛素抗性的作用。同时还能抑制肝糖原异生及肠壁对葡萄糖的吸收，增强外周组织对葡萄糖的利用。双胍类化合物如盐酸二甲双胍(metformin)等也是目前糖尿病病人用得较多的一类药物。但双胍类化合物特别是苯乙双胍能增强葡萄糖的无氧酵解而促进乳酸生成，严重时导致乳酸血症，其病死率可达50,。另双胍类化合物也可导致低血糖的产生。Pharmacia公司最近合成了一 [39]些具胰岛素增敏活性的胍类化合物如1A，1B。 NHNH2 NHNH2CH.HCl3HNNN2CHHNNH(CHN)32 22 39MetforminPhenoformin40 NHNHO NHOH2 NNNHNOH2 NHHO2H 1B1A 100 (4) 蛋白质酪氨酸磷酸酶1B(PTP,1B)抑制剂 蛋白质酪氨酸磷酸酶(PTPases)使胰岛素受体及胰岛素反应底物-1(IRS-1)脱磷酸化而阻碍胰岛素的作用。2型糖尿病病人肌肉 [5]组织中的PTPases水平明显增高，且主要是1B亚型。Elchebly 等[24]人发现小鼠在敲除(knock- out)PTP,1B的编码基因后体内胰岛素作用的敏感性增强，且在给予高脂肪食物时表现出对肥胖的拮抗性。 COOH N SNH COOHO PTP-1B inhibitor 五、肝糖生成抑制剂 肝糖原(glycogen)是病人禁食后血浆葡萄糖的主要来源。肝糖原经糖原磷酸化酶作用生成葡萄糖,1,磷酸，再经葡萄糖变位酶生成葡萄糖,6,磷酸，最后在葡萄糖,6,磷酸酶的作用下生成葡萄糖。在体内凡能抑制这些酶活性的物质均能阻止糖原向葡萄糖的转化从而起到抑制血糖升高的作用 OOH HON O OHNNCl HNHClOOH 4441 Pfizer糖原磷酸化酶抑制剂 Hoechst葡萄糖,6,磷酸酶抑制剂 101 六(醛糖还原酶抑制剂(ARI) 糖尿病患者高血糖激活了葡萄糖多元醇代谢旁路限速酶,醛糖还原酶的活性，使细胞内产生了大量的山梨醇，研究证明糖尿病的几种并发症与细胞内山梨醇的浓度增加有关。因此抑制醛糖还原酶可预防糖尿病并发的神经病变、视网膜病变、肾脏或心血管病变等。目前已上市或正在研究的ARI有Epalrestat(47), zenarestat(48), zopolrestat (49)等。 OF OHCON2N OClNBr SS COH2 Zenarestat 48Epalrestat47 O NN FNSF F COH2 Zopolrestat49 102 七(抗糖尿病药物的发展方向 1(PPARγ激动剂: 2(PPARα和PPARγ双重激动剂: 3(β-肾上腺素能受体激动剂: 3 103 考试 1、复方新诺明的组成是什么,什么病人禁用，为什么, 2、碳青酶烯类抗生素和传统β-内酰胺抗生素相比有什么优点, 3(罗格列酮类胰岛素增敏剂如何降低病人的血糖, 4、举例说明碳青酶烯类抗生素的合成方法。 5( 给出LZ的合成路线。 6(给出一种以手性起始原料合成左旋氧氟沙星的方法。 104