抗生素結(jié)構(gòu)修飾的進(jìn)展

抗生素結(jié)構(gòu)修飾的進(jìn)展

【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

Advancesinstructuralmodificationofantibiotics

ABSTRACTIngeniousmodificationofstructureofnaturalantibioticscouldimprovetheirproperties,whichisoneofwaystosearchfornewdrugs.Inthispapersomesuccessfulexamplesofstructuralmodificationsinexpansionofantibacterialspectrum,increaseofantibacterialactivities,reliefofresistance,improvementofpharmacokineticproperties,alleviationoftoxicityandrequirementforpreparationweresummarized.Althoughwishfulproductscouldnotbeobtainedfromanyantibiotic,whichhasbeenmodified.Inthesedaysofdifficultytosearchfornewantibiotics,themodificationofstructureofnaturalantibioticsisnecessary.

KEYWORDSAntibiotics;Structuralmodification

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

表22001年以來(lái)上市的新抗生素(6種)

表3各國(guó)正在開(kāi)發(fā)中的新抗生素(18種)［7］

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(cephalosporinC)、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?，而且擴(kuò)展了抗菌譜。臨床應(yīng)用的頭孢菌素類抗生素已由第一代發(fā)展到第四代(表4)，成為當(dāng)前最重要的一類抗感染藥物。

圖1

利用超敏感菌株篩選出的磺酰胺菌素(sulfazecin)、SQ26700與PB5266等單環(huán)β內(nèi)酰胺類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)。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)2～8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)8～12倍(圖3)。

表4各代頭孢菌素的抗菌活性

圖2

圖3

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：①產(chǎn)生分解或修飾酶，滅活抗菌藥；②作用靶位變異，不與藥物結(jié)合或降低親和性；③改變外膜通透性，阻斷藥物攝取；④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)β內(nèi)酰胺類抗生素耐藥菌是通過(guò)產(chǎn)生β內(nèi)酰胺酶，催化水解抗生素β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

設(shè)置障礙基團(tuán)①向青霉素分子中受β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β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。②向側(cè)鏈導(dǎo)入Z氧亞胺基(肟基)或O烷基取代的肟基可增強(qiáng)對(duì)廣譜β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β內(nèi)酰胺酶(氧亞胺β內(nèi)酰胺酶)分解。③向β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β內(nèi)酰胺酶穩(wěn)定。

圖4

圖5

消除鈍化酶作用基團(tuán)氨基糖苷類抗生素的耐藥機(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)等氨基糖苷類抗生素修飾酶，使特定的羥基或氨基發(fā)生磷酸化、乙酰化或腺苷化而失效。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退幮裕绲刎惪ㄐ?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，氨羥丁酰卡那霉素)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铮钚员劝⒚卓ㄐ菑?qiáng)，特別對(duì)MRSA有強(qiáng)大的抗菌力，MIC50與MIC90分別為039與156μg/ml，是一抗MRSA的氨基糖苷(圖8)。

圖6

圖7

圖8

圖9

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%，t1/210～14h，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(cethromycin，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，t1/236～67h，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)素類抗生素的9位引入甘氨酰氨基得到的甘

氨環(huán)素類(glycylcyclines)對(duì)起源于核糖體保護(hù)與外排機(jī)制的耐藥菌都有作用。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(≥012μg/ml)下，即可抑制四環(huán)素的高度耐藥菌(MIC≤128μg/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012μg/ml，優(yōu)于萬(wàn)古霉素、共殺菌素(synercid)與利奈唑酮(linezolid)，口服300mg，Cmax28μg/ml，AUC179μg?h/ml，t1/2長(zhǎng)達(dá)36h，已進(jìn)入III期臨床(圖10)。

圖10

4增強(qiáng)青霉素結(jié)合蛋白(PBPs)親和力的修飾向β內(nèi)酰胺類抗生素分子中導(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025～4、006～05與0008～1μg/ml。BMS247243對(duì)MRSA的MIC90為4μg/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088～472μg/ml(圖11)。

圖11

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、延緩消除半衰期和提高生物利用度等。

增強(qiáng)穩(wěn)定性的修飾

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)。

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，稱為第二代大環(huán)內(nèi)酯抗生素(圖14)。

圖12

圖13

圖14

消除頭孢菌素分子中不穩(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)。

硫霉素穩(wěn)定化修飾硫霉素(thienamycin)極不穩(wěn)定，甚至10μg/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)，是當(dāng)前臨床評(píng)價(jià)最高的抗生素之一(圖16)。

圖15

圖16

2改善吸收提高血藥濃度的修飾

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，tmax20h，Cmax僅為17μg/ml，制成前藥叔丁酰氧基甲酯(ampicillinpivoxil)，口服同樣劑量，tmax15h，Cmax為55μg/ml。頭孢泊肟口服吸收率為94%，Cmax為062μg/ml，其前藥頭孢泊肟乙酰氧基乙酯(cefpodoximeproxetil)口服吸收率提高到581%，Cmax可達(dá)84μg/ml(圖17)。

引入適當(dāng)基團(tuán)提高血藥濃度向苯唑西林的苯環(huán)上導(dǎo)入氯或氟，可提高血藥濃度，此等異口惡唑類青霉素對(duì)青霉素酶穩(wěn)定，用于治療產(chǎn)生青霉素酶的金黃色葡萄球菌感染(圖18)。林可霉素口服吸收差，且易受進(jìn)食影響。將其7(R)羥基轉(zhuǎn)變成7(S)氯的克林霉素，口服與肌肉注射后形成的血藥濃度都有明顯提高(圖19)。

圖17

修飾側(cè)鏈提高生物利用度脂肽類抗生素A21978不吸收，經(jīng)Actinoplanesutahensis脫去N末端的脂肪酸，再重新葵?；_(kāi)發(fā)出新抗生素達(dá)托霉素(daptomycin)。該抗生素能改變細(xì)菌細(xì)胞膜電位，阻斷細(xì)胞膜輸送氨基酸。主要抗革蘭陽(yáng)性細(xì)菌，包括耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、耐萬(wàn)古霉素的腸球菌(VRE)等革蘭陽(yáng)性耐藥菌，t1/285～9h，24h尿中排泄出60%，蛋白結(jié)合率92%。2003年美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于革蘭陽(yáng)性菌，MRSA與VRE等所致皮膚感染，尚未批準(zhǔn)系統(tǒng)用藥。

延緩消除半衰期的修飾利福霉素中的利福平的消除半衰期(t1/2)為2～3h，進(jìn)一步修飾得到的利福定t1/2為4～5h，利福噴丁為18～30h，利福布丁為36～45h，而利福拉吉?jiǎng)t長(zhǎng)達(dá)55～60h(圖20)。亞胺培南等碳青霉烯類抗生素消除半衰期較短，亞胺培南、帕尼培南與美洛培南分別為54、60與70min，經(jīng)修飾篩選出的厄他培南(ertapenam)消除半衰期延至33～4h，1日靜注1次治療嚴(yán)重感染獲得良好療效(圖21)。

圖20

圖21

5降低毒副反應(yīng)的修飾

早期的碳青霉烯有一定中樞神經(jīng)毒性，可引起痙攣。構(gòu)效關(guān)系研究表明：中樞神經(jīng)毒性與2位含氮取代基有關(guān)。直接向鼠腦中注入亞胺培南(imipenem)引起間歇性與強(qiáng)直性痙攣的ED50分別為11與17μg/小鼠，注入培尼培南(penipenem)引起間歇性與強(qiáng)直性痙攣的ED50分別為29與41μg/小鼠，經(jīng)過(guò)修飾獲得的比阿培南(biapenem，圖22)直接注入鼠腦300μg/小鼠亦不引起間歇性與強(qiáng)直性痙攣，臨床應(yīng)用中從未出現(xiàn)中樞神經(jīng)毒性反應(yīng)。脂肽類抗生素毒性大，且有溶血作用，不能臨床應(yīng)用。修飾脂肽肺囊康定(pneumocandin)B0與A0分別開(kāi)發(fā)出卡泊芬凈(caspofungin)與米卡芬凈(micafungin)。兩者均為1，3葡聚糖合成酶抑制劑，作用于真菌細(xì)胞壁，具有良好抗真菌活性，不與現(xiàn)有的抗真菌藥物交叉耐藥，毒副反應(yīng)遠(yuǎn)低于作用于真菌細(xì)胞膜的兩性霉素B等多烯類抗生素，已分別于2001年與2002年上市，用于治療侵襲性曲霉菌病與念珠菌病(圖23)。為改善氨芐西林口服吸收，曾將其羧基酯化制成前藥，有些已臨床應(yīng)用。但有的品種在消化道內(nèi)水解可產(chǎn)生醛(甲醛或其他醛)而引起消化系統(tǒng)癥狀。臨床評(píng)價(jià)指出：水解不產(chǎn)生醛的前藥如棱氨西林(lenampicillin)等消化系統(tǒng)副作用輕微(圖24)。

圖22

圖23

6適應(yīng)制劑需要的修飾

有些抗生素為了適應(yīng)制劑要求，需進(jìn)行必要的修飾。如紅霉素、氯霉素味苦，經(jīng)修飾制成無(wú)味紅霉素(2′O丙酰紅霉素十二烷基硫酸鹽)與無(wú)味氯霉素(氯霉素棕櫚酸酯)便于服用。四環(huán)素經(jīng)Mannich反應(yīng)制得的吡咯烷甲基四環(huán)素(rolitetracycline)水溶性大，便于注射應(yīng)用(圖25)。

圖24

圖25

7小結(jié)

抗生素結(jié)構(gòu)的適當(dāng)修飾，可擴(kuò)展天然抗生素的抗菌譜、增強(qiáng)抗菌活性、克服耐藥性、改善藥物動(dòng)力學(xué)性能與降低毒副反應(yīng)，但不是所有抗生素經(jīng)過(guò)修飾都能如愿地得到良好的修飾物。有些天然抗生素僅經(jīng)過(guò)微小的修飾，即全然喪失抗菌活性，而在眾多的修飾物中性能