抗生素結(jié)構(gòu)修飾的進(jìn)展(1)

1、抗生素結(jié)構(gòu)修飾的進(jìn)展(1)    【關(guān)鍵詞】 ,抗生素；,結(jié)構(gòu)修飾摘要： 天然抗生素結(jié)構(gòu)的適當(dāng)修飾可改善其性能，是探索開(kāi)發(fā)新藥的有效途徑之一。本文綜述抗生素結(jié)構(gòu)修飾研究的現(xiàn)狀與進(jìn)展，列舉了在擴(kuò)展抗菌譜、增強(qiáng)抗菌活性、克服耐藥性、改善藥物動(dòng)力學(xué)性能、降低毒副反應(yīng)以及適應(yīng)制劑需要等方面的成功修飾實(shí)例。不是所有抗生素經(jīng)過(guò)修飾都能如愿地得到良好的修飾物，但在新抗生素篩選困難重重的今天，對(duì)獲得的天然物進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)修飾是十分必要的。關(guān)鍵詞： 抗生素； 結(jié)構(gòu)修飾Advances in structural modification of antibioticsABS

2、TRACT Ingenious modification of structure of natural antibiotics could improve their properties, which is one of ways to search for new drugs. In this paper some successful examples of structural modifications in expansion of antibacterial spectrum, increase of antibacterial activities, relief of re

3、sistance, improvement of pharmacokinetic properties, alleviation of toxicity and requirement for preparation were summarized. Although wishful products could not be obtained from any antibiotic, which has been modified. In these days of difficulty to search for new antibiotics, the modification of s

4、tructure of natural antibiotics is necessary.KEY WORDS Antibiotics; Structural modification天然抗生素結(jié)構(gòu)的適當(dāng)修飾可改善其性能，是探索開(kāi)發(fā)新藥的有效途徑之一。在歷年上市的新抗生素中，結(jié)構(gòu)修飾物所占的比率逐年上升(表1)，2001年以后上市的6種新抗生素都是結(jié)構(gòu)修飾物(表2)，各國(guó)正在開(kāi)發(fā)中的18種抗生素除雷莫拉寧(ramoplanin)之外也都是結(jié)構(gòu)修飾物(表3)。表1    歷年上市的新抗生素?cái)?shù)量（略）表2    2001

5、年以來(lái)上市的新抗生素(6種) （略）表3    各國(guó)正在開(kāi)發(fā)中的新抗生素 (18種)7（略）結(jié)構(gòu)修飾常采用化學(xué)方法：半合成法簡(jiǎn)捷易行，但結(jié)構(gòu)變幅受限；全合成法路線較長(zhǎng)，但可大幅度改變結(jié)構(gòu)，組合化學(xué)法便于高通量篩選。結(jié)構(gòu)修飾亦采用添加前體的生物合成與生物轉(zhuǎn)化等方法，近年還采用基因工程、細(xì)胞工程以及組合生物合成等生物學(xué)方法。根據(jù)需要與可能，對(duì)不同的抗生素進(jìn)行多種多樣的結(jié)構(gòu)修飾，在擴(kuò)展抗菌譜、增強(qiáng)抗菌活性、克服耐藥性、改善藥物動(dòng)力學(xué)性能(如增強(qiáng)穩(wěn)定性、提高血藥濃度、延長(zhǎng)消除半衰期)、降低毒副反應(yīng)、以及適應(yīng)制劑需要等方面都獲得不小成績(jī)。1 擴(kuò)展抗菌譜的修飾眾所周

6、知，青霉素G臨床應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了抗生素治療新紀(jì)元，但其抗菌譜偏窄，僅抗革蘭陽(yáng)性細(xì)菌與個(gè)別的革蘭陰性細(xì)菌，對(duì)大部分常見(jiàn)的革蘭陰性致病菌無(wú)作用。通過(guò)向青霉素G側(cè)鏈導(dǎo)入氨基等的修飾，開(kāi)發(fā)出氨芐西林(ampicillin)與阿莫西林(amoxicillin)等廣譜青霉素；向側(cè)鏈導(dǎo)入羧基等的修飾，研制出對(duì)銅綠假單胞菌等難控制的革蘭陰性菌也有良好作用的抗菌譜更廣的羧芐西林(carbenicillin)與磺芐西林(sulbenicillin)，繼而開(kāi)發(fā)出哌拉西林(piperacillin)與美洛西林(mezlocillin)等活性更強(qiáng)的廣譜青霉素(圖1)。2 增強(qiáng)抗菌活性的修飾天然頭孢菌素C(cephalospo

7、rin C)、頭霉素(cephamycins)與頭菌素(cephabacins)抗菌譜廣，但抗菌活性極低，都不能應(yīng)用。經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男揎椃堑岣吡丝咕钚裕覕U(kuò)展了抗菌譜。臨床應(yīng)用的頭孢菌素類(lèi)抗生素已由第一代發(fā)展到第四代(表4)，成為當(dāng)前最重要的一類(lèi)抗感染藥物。圖1 （略）    利用超敏感菌株篩選出的磺酰胺菌素(sulfazecin)、SQ26700與PB5266等單環(huán)內(nèi)酰胺類(lèi)化合物抗菌活性低微，不能應(yīng)用。經(jīng)過(guò)大量結(jié)構(gòu)修飾，篩選出的氨曲南(azteronam)與卡蘆莫南(carumonam)具有很強(qiáng)抗革蘭陰性細(xì)菌，包括銅綠假單胞菌活性，已臨床應(yīng)用(圖2)

8、。去掉土霉素的6位氧，制得多西環(huán)素(doxycycline)，抗菌譜同四環(huán)素，但抗菌活性比四環(huán)素強(qiáng)28倍。將四環(huán)素4位的二甲氨基再導(dǎo)入7位，合成出米諾環(huán)素(minocycline)，抗菌活性比四環(huán)素強(qiáng)812倍(圖3)。表4    各代頭孢菌素的抗菌活性（略）圖2 （略）    圖3 （略） 3 克服耐藥性的修飾微生物接觸抗菌藥物， 獲得耐藥性的機(jī)制主要有四種：產(chǎn)生分解或修飾酶，滅活抗菌藥；作用靶位變異，不與藥物結(jié)合或降低親和性；改變外膜通透性，阻斷藥物攝??；激活外排體系，泵出進(jìn)入菌體內(nèi)的藥物。據(jù)此，采取降低底物對(duì)抗

9、生素分解或修飾酶的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、增辟新作用靶點(diǎn)、提高膜通透性、并用抗生素分解或修飾酶抑制劑與微生物外排泵抑制劑等措施，當(dāng)可克服此等耐藥性。臨床分離的大多數(shù)內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素耐藥菌是通過(guò)產(chǎn)生內(nèi)酰胺酶，催化水解抗生素內(nèi)酰胺鍵，形成無(wú)活性產(chǎn)物所致。降低底物對(duì)酶的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性可行的主要措施有：3.1 設(shè)置障礙基團(tuán)向青霉素分子中受內(nèi)酰胺酶攻擊部位附近導(dǎo)入障礙性基團(tuán)，使酶難與之結(jié)合，從而保護(hù)青霉素免遭分解。如甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、氯唑西林、二氯西林、氟氯西林等都在內(nèi)酰胺基附近有甲氧基、乙氧基、苯基等空間位阻較大的基團(tuán)，對(duì)青霉素酶穩(wěn)定，用于治療產(chǎn)青霉素酶的金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染。向側(cè)鏈導(dǎo)入Z氧亞胺

10、基(肟基)或O烷基取代的肟基可增強(qiáng)對(duì)廣譜內(nèi)酰胺酶的穩(wěn)定性，如頭孢呋辛(cefuroxime)、頭孢噻肟(cefotaxime)與頭孢地尼(cefdinir)等氨噻肟型第三代以及第四代頭孢菌素等，但可被超廣譜內(nèi)酰胺酶(氧亞胺內(nèi)酰胺酶)分解。 向內(nèi)酰胺環(huán)上引入甲氧基或甲酰氨基，增強(qiáng)酶穩(wěn)定性。如頭孢西丁(cefoxitin)、頭孢美唑(cefmetazole)、頭孢替坦(cefotetan)、頭孢拉腙(cefbuperazone)與頭孢米諾(cefminox)等頭霉素對(duì)超廣譜內(nèi)酰胺酶穩(wěn)定。圖4 （略）    圖5 （略）   &#

11、160;3.2 消除鈍化酶作用基團(tuán)氨基糖苷類(lèi)抗生素的耐藥機(jī)制是細(xì)菌產(chǎn)生磷酸轉(zhuǎn)移酶(APH)、乙酰轉(zhuǎn)移酶(AAC)、核苷轉(zhuǎn)移酶(AAD)等氨基糖苷類(lèi)抗生素修飾酶，使特定的羥基或氨基發(fā)生磷酸化、乙?；蛳佘栈?。選擇地消去氨基糖苷分子中的某些羥基、烷化氨基或以羥基氨基酸?；囟ǖ陌被捎行У乜朔退幮?，如地貝卡星(dibekacin，雙去氧卡那霉素B)、奈替米星(netimicin，N乙基西索米星)、阿米卡星(amikacin，氨羥丁?？敲顾?等。阿貝卡星(arbekacin)是地貝卡星的1位氨基被(S)4氨基2羥基丁?；男卵苌?，活性比阿米卡星強(qiáng)，特別對(duì)MRSA有強(qiáng)大的抗菌力，MIC50

12、與MIC90分別為039與156g/ml，是一抗MRSA的氨基糖苷(圖8)。 圖6 （略）    圖7 （略）    圖8 （略）    圖9 （略）3.3 增辟新作用點(diǎn)3位為酮基的十四元大環(huán)內(nèi)酯酮內(nèi)酯(ketolides)有兩個(gè)以上的作用點(diǎn)，如泰利霉素(telithromycin,HMR3647)對(duì)大環(huán)內(nèi)酯耐藥菌尤其對(duì)肺炎鏈球菌有很強(qiáng)作用，口服生物利用度57%，t1/2 1014h，血清蛋白結(jié)合率70%，用于呼吸系感染(800mg/d)，于2001年上市。賽霉素(cethr

13、omycin，ABT773)是進(jìn)入臨床試驗(yàn)的第二個(gè)酮內(nèi)酯，性能與泰利霉素相似，對(duì)大環(huán)內(nèi)酯敏感與耐藥的肺炎鏈球菌、化膿性鏈球菌有良好作用，對(duì)流感嗜血桿菌、黏膜炎莫拉菌、奈瑟菌屬、李斯特菌、葡萄球菌(MSSA)、肺炎支原體、衣原體、軍團(tuán)菌、幽門(mén)螺桿菌、棒狀桿菌與革蘭陽(yáng)性厭氧菌亦有較好作用，對(duì)鳥(niǎo)分枝桿菌有中度作用，t1/2 3667h，血清蛋白結(jié)合率90%，預(yù)期療效與泰利霉素相似。A217213抗肺炎鏈球菌包括耐大環(huán)內(nèi)酯的菌株活性比泰利霉素強(qiáng)，對(duì)金黃色葡萄球菌亦有較強(qiáng)活性(圖9)。向四環(huán)素類(lèi)抗生素的9位引入甘氨酰氨基得到的甘氨環(huán)素類(lèi)(glycylcyclines)對(duì)起源于核糖體保護(hù)與外排機(jī)制的耐藥菌

14、都有作用。其中替吉環(huán)素(tigecycline，叔丁基甘氨酰氨基米諾環(huán)素，GRA936)在低濃度(012g/ml)下，即可抑制四環(huán)素的高度耐藥菌(MIC128g/ml)，對(duì)臨床分離的重要致病菌(包括耐四環(huán)素、糖肽與氟喹諾酮類(lèi)的革蘭陽(yáng)性菌)有廣泛活性，對(duì)MRSA、耐青霉素肺炎鏈球菌(PRSP)與耐萬(wàn)古霉素腸球菌(VRE)的MIC90分別為05、003與012g/ml，優(yōu)于萬(wàn)古霉素、共殺菌素(synercid)與利奈唑酮(linezolid)，口服300mg，Cmax 28g/ml，AUC 179gh/ml，t1/2長(zhǎng)達(dá)36h，已進(jìn)入III期臨床(圖10)。圖10 （略）3.4 增強(qiáng)青霉素結(jié)合蛋白

15、(PBPs)親和力的修飾向內(nèi)酰胺類(lèi)抗生素分子中導(dǎo)入適當(dāng)?shù)挠H脂性取代基，探索既增強(qiáng)PBP2a親和力，又不過(guò)分增大血清蛋白結(jié)合率的物質(zhì)。新頭孢菌素MC02479對(duì)革蘭陽(yáng)性菌有很強(qiáng)抗菌活性，抗MRSA、糞腸球菌與肺炎鏈球菌的MIC分別為0254、00605與00081g/ml。BMS247243對(duì)MRSA的MIC90為4g/ml。NB2001抗MRSA活性比萬(wàn)古霉素強(qiáng)，S3578對(duì)MRSA療效與萬(wàn)古霉素相似，TAK599對(duì)MRSA的MIC為088472g/ml(圖11)。圖11 （略）4 改善藥物動(dòng)力學(xué)性能的修飾適當(dāng)?shù)亟Y(jié)構(gòu)修飾可改善抗生素的藥物動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，如增強(qiáng)穩(wěn)定性、改善吸收、提高血藥濃度、延緩消

16、除半衰期和提高生物利用度等。4.1 增強(qiáng)穩(wěn)定性的修飾4.1.1 消除四環(huán)素分子中不穩(wěn)定部分 四環(huán)素遇酸，6位羥基與5a位氫脫水形成去水四環(huán)素(anhydrotetracycline)失去抗菌活性。經(jīng)修飾除去6位羥基的6甲烯基土霉素(美他環(huán)素，methacycline)，6去氧土霉素(多西環(huán)素，doxycycline)，米諾環(huán)素(minocycline)以及全合成的6去甲基6去氧6硫雜四環(huán)素(硫四環(huán)素，thiatetracycline)等對(duì)酸穩(wěn)定并兼具優(yōu)異的藥物動(dòng)力學(xué)性能(圖12)。4.1.2 消除紅霉素分子中不穩(wěn)定部分 紅霉素的6羥基與9羰基在酸性下易縮合形成6，9半縮酮，進(jìn)而失水轉(zhuǎn)化成脫水紅

17、霉素與6，9；9，12螺縮酮而失去抗菌活性(圖13)。適當(dāng)?shù)匦揎梾⑴c上列反應(yīng)的有關(guān)基團(tuán)，如6羥基，9羰基，12羥基乃至8位質(zhì)子，均可阻斷此降解反應(yīng)，提高對(duì)酸的穩(wěn)定性。將紅霉素的6羥基轉(zhuǎn)變?yōu)?甲氧基的克拉霉素(clarithromycin)，紅霉素9羰基肟醚化的羅紅霉素(roxithromycin)，紅霉素肟經(jīng)Beckmann重排、N甲基化制得的阿奇霉素(azithromycin)以及9紅霉胺經(jīng)進(jìn)一步修飾篩選出的地紅霉素(dirithromycin)等對(duì)酸穩(wěn)定，藥物動(dòng)力學(xué)性能都有明顯改善，稱(chēng)為第二代大環(huán)內(nèi)酯抗生素(圖14)。圖12 （略） 圖13 （略） 圖14 （略）4.1.3 消除頭孢菌素分

18、子中不穩(wěn)定部分 頭孢菌素3位乙酰氧基在體內(nèi)被酯酶或非酶水解， 降解成羥基化合物，使抗菌活性大幅度降低。將R改變成H、烷基、烯基、烷氧基、鹵素等可阻斷此種降解，而保持抗菌活性。以適當(dāng)?shù)暮s環(huán)基團(tuán)取代，非但可阻斷水解，而且可增強(qiáng)抗菌活性。以適當(dāng)?shù)膸в屑镜碾s環(huán)取代，與4位羧基形成內(nèi)鹽，除阻斷代謝降解，增強(qiáng)抗菌活性之外，還可以增大水溶性，提高胞膜穿透力，第四代頭孢菌素都是這樣的化合物(圖15)。4.1.4 硫霉素穩(wěn)定化修飾 硫霉素(thienamycin)極不穩(wěn)定，甚至10g/ml以上濃度自身即加速分解。經(jīng)化學(xué)修飾獲得的亞胺培南(imipenem)增強(qiáng)了穩(wěn)定性，可注射給藥?？咕V廣，抗菌活性強(qiáng)，是

19、當(dāng)前臨床評(píng)價(jià)最高的抗生素之一(圖16)。圖15 （略）    圖16 （略） 4.2 改善吸收提高血藥濃度的修飾4.2.1 制備前藥改善口服吸收 有些抗生素口服吸收差，制成適當(dāng)?shù)那八?，可增加口服吸收率，提高血藥濃度?？诜逼S西林250mg，tmax 20h，Cmax僅為17g/ml，制成前藥叔丁酰氧基甲酯(ampicillin pivoxil)，口服同樣劑量， tmax 15h， Cmax為55g/ml。頭孢泊肟口服吸收率為94%，Cmax為062g/ml，其前藥頭孢泊肟乙酰氧基乙酯(cefpodoxime proxetil)口服吸收率提高到581%，Cmax可達(dá)8