1、专家论坛基金项目:国家自然科学基金项目(.、.、.)四环素类抗生素的研究进展孙广龙胡立宏(中国科学院大学上海药物研究所新药研究国家重点实验室上海)摘要:四环素类抗生素是抑制细菌蛋白合成的一类广谱抗生素可用于治疗多种细菌感染四环素类抗生素的广泛使用导致其耐药菌产生因此迫切需要研发新型的四环素类抗生素本文综述了四环素类抗生素抗菌及其耐药的作用机制四环素类的构效关系和结构改造以及抗耐药四环素类药物的最新研究进展关键词:四环素类耐药全合成 中图分类号:. 文献标识码:文章编号:() 专家简介胡立宏男中国科学院上海药物研究所研究员、研究组长、博士生导师研究工作主要涉及“基于中草药资源的药物发现”研究领域
2、现任世界中医药学会联合会中药分析专业委员会理事、中国植物学会民族植物学分会理事、上海市药学会天然药化专业委员会委员、上海市口腔医学重点实验室学术委员会委员以通信作者身份在 、 、 、 等国际主流刊物上发表研究论文余篇获得发明专利授权余项 年以“天然药物化学”研究方向获得“国家杰出青年基金”资助并入选“中国科学院百人计划” 年获得了“上海市优秀学科带头人”称号 :./ . ( ): . . . . : 简介四环素类抗生素是世纪年代发现的一类具有菲烷母核的广谱抗生素该类抗生素广泛应用于革兰阳性和阴性细菌、细胞内支原体、衣原体和立克次氏体引起的感染此外包括美国在内的一些国家四环素还被大量用作生长促进
3、剂投喂给动物随着临床上四环素类抗生素耐药菌的大量产生及对其不良反应的深入了解部分四环素类抗生素逐渐从临床应用退出因此临床上急需抗菌谱更广、抗菌活性更强以及能克服耐药菌的新型四环素类抗生素本文综述了四环素类抗生素的抗菌机制、耐药机制、四环素类药物的发展历程、构效关系和结构改造以及抗耐药四环素类药物的最新研究进展 四环素类抗生素的抗菌机制和耐药机制许多抗生素的抗菌作用机制是在细菌胞内或胞外干扰细胞分裂进程四环素类抗生素通过与细菌药学研究 .胞内核糖体亚基形成可逆结合体抑制蛋白质合成起到抗菌效果当抗生素浓度较低时这种可逆的竞争性结合也将失去作用细菌的蛋白质合成将继续进行四环素还可通过结合线粒体亚基抑
4、制线粒体蛋白质的合成四环素与真核细胞核糖体亚基的结合能力相对较弱因此抑制真核细胞蛋白质合成的能力也较弱这可能是四环素抗菌作用能力强而对人类副作用小的原因由于四环素类抗生素被长期广泛用于治疗人及动物的细菌感染导致近年来不断出现耐药菌株其耐药机制主要有种:通过外排泵的主动外排四环素(如蛋白质)通过细菌核糖体保护作用(如蛋白质)将四环素从亚基上解离对四环素的酶解作用 四环素类抗生素的发展历程四环素类抗生素发展到现在已经有三代产品第一代产品金霉素、四环素和土霉素为天然抗生素因其广谱、使用方便、经济等特点被广泛使用后来发现这类抗生素的化学结构不够稳定且易产生耐药现象严重的细菌耐药性导致迫切需要研发新型四
5、环素类抗生素通过对其进行广泛结构修饰发现了以多西环素及米诺环素为代表的第二代半合成四环素类抗生素这类抗生素亲脂性更强有利于细胞吸收但近年来也不断出现其耐药菌株而限制了它的临床应用 年美国食品药品监督管理局()批准了对广泛耐药的金黄色葡萄球菌和万古霉素耐药菌具有明显抑制作用的替加环素上市(结构式见图)以它为代表的甘氨酰环素类抗生素的出现标志着第三代四环素的诞生由于第三代四环素抗耐药菌活性的必需药效团是在环上要有多种取代基如甘氨酰基、二甲氨基、氟代等该类结构用以往的半合成方法构建非常困难需要开发新型、高效的全合成方法构建环多取代的四环素骨架这也标志着对四环素的研究从半合成迈入了全合成新时代图 替加
6、环素的结构式 四环素类抗生素的构效关系总结通过对已有四环素类抗生素的抗菌活性总结它们的构效关系(见图)为:个线性排列环的完整性是抗菌活性的先决条件环中位的取代基是抗菌活性的必要药效基团(位酰胺可成前药)二甲氨基导致的两性离子和非电离状态的平衡是抗菌活性的关键位的双酮系统结构及位的羟基对抗菌活性至关重要位的取代基为非活性必需基团对其改造可改变其抗菌活性、化学稳定性和药代动力学性质通过射线晶体衍射法进一步证实了环是最有前景的改造部位例如位引入二甲氨基后可增加活性缓解耐药性位引入甘氨酰胺基团或氨甲基后可有效抑制细菌的耐药基因这为四环素的结构改造提供了可行性思路为制备高活性、低不良反应及克服耐药性的抗
7、生素指引了方向图 四环素的结构式 四环素类抗生素的改造方法四环素类抗生素通常由生物合成和半合成方法制备生物合成法是在酶的催化下经过发酵、提炼工艺制成对简单四环素类药物的大规模发酵生产仍然具有成本优势但对复杂四环素类衍生物进行结构修饰难度很大半合成法是以生物合成抗生素为原料进行化学反应对菲烷结构上的官能团进行改造从而得到新的四环素类衍生物虽简单易行过去五十多年对四环素的改造多用此法由于结构变化受限极大地限制了对四环素类改造的发展空间在用传统方法对四环素进行改造的同时有一些化学家致力并最终完成了四环素类抗生素的全合成、和等都在这方面做出了突出贡献然而冗长的全合成路线、繁复的化学反应和艰难的色谱纯化
8、过程使得这些全合成方法难以得到工业应用直到年课题组发现了一条全新高效的全合成路线(见图)即首先分别合成环烯酮和有负离子的环然后通过特定的缩合反应合成了含环的四环素类衍生物这条全合成路线比以往的更简单实用反应过程大大缩短通过此路线现已合成了 多个四环素衍生物其中多数衍生物用以往的改造方法是不可能实现的 四环素类抗生素的最新研究成果研究发现在这些衍生物中有一类全新的四环素衍生物:氟代四环素类(见图)表现出很强的抗药学研究 .图 四环素类的全合成方法菌活性和良好的药代动力学性质值得进一步研究图 氟代四环素类抗生素通过先前总结的构效关系可知引入合适的取代基可有效抑制耐药菌于是对氟代四环素的位做了一系列
9、氨基取代(见表)主体结构见图结果表明芳香胺取代时对大部分菌株的活性都较弱二级脂肪胺取代时随着取代基体积增大抗四环素耐药菌()和()的活性增强(化合物、)三级胺取代时抗()菌的活性普遍较好抗()的活性只有化合物明显改善环状脂肪胺取代时抗菌活性的强弱取决于环的大小其中化合物(吡咯烷类)也被称为 (见图)被认为是氟代四环素系列中活性最强的衍生物表 氟代四环素类衍生物的抗菌活性编号/ () () () () () () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10、. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 四环素. . 替加环素. . . . . . . . . . . 注:前个是革兰阳性菌后个是革兰阴性菌标有()、()、()的菌株是四环素耐药菌 :金黄色酿脓葡萄球菌:粪肠球菌:肺炎双球菌:大肠杆菌:鲍氏不动杆菌:绿脓杆菌:阴沟肠杆菌:克雷伯氏肺炎菌药学研究 .表 衍生物的抗菌活性编号/ () () () () () () . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11、. . 图 主体结构式图 的结构式随后又探索了一系列含取代基的吡咯烷类衍生物期望能得到活性优于的衍生物结果表明吡咯烷上氟取代的两个异构体活性类似只对革兰阳性菌保持活性(化合物、)吡咯烷上有极性基团取代时对多数菌株的活性显著降低尤其是革兰阴性菌(化合物)而双环的吡咯烷类似物只对多数革兰阳性菌保持活性(化合物、)但是在这些取代的吡咯烷类衍生物中尚未发现活性优于的衍生物(见表)几乎对所有的菌株展现出了广谱活性其中包括多种耐药菌如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌等它的抗菌活性几乎不受菌株耐药基因的影响化合物的抗菌活性远远优于四环素甚至超过了替加环素的抗菌活性鉴于良好的体外抗菌活性对其在多种感染动物模型上进行了
12、体内实验(见表)结果表明与替加环素相比有着更低的半数保护剂量()值用更少的量就能达到相同的抑菌效果之后对分别进行了大鼠药代动力学和毒理学研究均得到了令人满意的结果现在针对正在进行多项临床研究:期临床用于治疗口腔疾病期临床用于治疗复杂性尿路感染和复杂性腹内感染表 的体内活性模型菌株替加环素万古霉素鼠败血症模型 () / . . / . . 粒细胞减少小鼠 () / . . 大腿感染模型()减少个对数的剂量/ . .减少个对数的剂量/ . 注:最低抑菌活性 总结经典四环素类抗生素发展至今由于耐药性影响了其临床应用急需新型的抗耐药菌的四环素类抗生素经过多年的发展传统的生物合成及半合药学研究 .成结构
13、优化已无法提供新型的四环素类抗生素新颖、高效的四环素骨架全合成构建方法极大地丰富了四环素类衍生物库通过构效关系研究已获得了具有成药前景的药物候选物它不仅抗菌活性强而且能克服多种耐药机制是第一个进入期临床的全合成四环素类抗生素这是由有机合成技术作为新药研发限速步骤的极少数成功案例表明有机合成在药物发现阶段仍然起到关键的作用参考文献: . . ():. . : . ():. . () . ():. . . ():. . . ():. . . ():. . () . ():. .: . ():. . . ():. . .():. . . ():. . .():. . . ():.郑林冲谢丽萍胡又佳.四环素类药物生物合成研究进展.中国医药工业杂志():. . . ():. .: . ():. . . ():.药学研究 .
