喹諾酮衍生物及其抗大腸埃希菌活性(一)

賈雪冬，馮連順 編寫 劉明亮，郭慧元 審校

(1 鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院，鄭州 450052；2 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所，北京 100050)

1 前言

大腸埃希菌是典型的革蘭陰性菌，可分為A, B1,B2, D和E等5個群。通常情況下，健康人約攜帶10億大腸埃希菌，但絕大多數(shù)無害。盡管可致病的大腸埃希菌極少，但仍對人類生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大腸埃希菌每年可導(dǎo)致1.5億無并發(fā)癥的膀胱炎病例，而因大腸埃希菌引起的小兒腹瀉和腸外感染死亡患者每年高達(dá)200萬。大腸埃希菌的細(xì)胞壁由肽聚糖層和外部膜組成，而外部膜是細(xì)菌防御抗生素的天然屏障。不僅如此，大腸埃希菌對抗生素的耐藥性逐年增加，已成為臨床醫(yī)生所必需經(jīng)常面對的棘手問題。因此，研發(fā)對藥敏型和耐藥型大腸埃希菌具有優(yōu)秀活性的新型抗生素迫在眉睫。

萘啶酸是首個用于臨床的喹諾酮類抗菌藥，對包括大腸埃希菌在內(nèi)的若干革蘭陰性菌顯示出弱到中等強(qiáng)度的活性。盡管如此，本品的發(fā)現(xiàn)開啟了喹諾酮類抗菌藥的研發(fā)熱潮。而上世紀(jì)80年代所發(fā)現(xiàn)的首個氟喹諾酮-諾氟沙星，更是將這類藥物推向了新的高度。經(jīng)過近60年的發(fā)展，喹諾酮業(yè)已成為臨床上應(yīng)用最為廣泛的抗感染化療藥物之一。除經(jīng)典的抗菌活性外，喹諾酮還具有抗結(jié)核、抗人類免疫缺陷病毒(HIV)、抗瘧疾、抗炎和抗腫瘤等多種非經(jīng)典生物活性，在新藥研發(fā)領(lǐng)域舉足輕重。遺憾的是，大腸埃希菌以對喹諾酮產(chǎn)生了耐藥性，且形勢愈發(fā)嚴(yán)峻。為克服耐藥性，研發(fā)新型喹諾酮顯得尤為重要。

在最近30年中，科學(xué)家評價了數(shù)以十萬計(jì)的喹諾酮衍生物的抗菌活性，且大多數(shù)衍生物對大腸埃希菌具有潛在的活性。本文將著重介紹近年來喹諾酮衍生物在抗大腸埃希菌領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并歸納此類藥物的構(gòu)-效關(guān)系(SAR)，為進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 2-喹諾酮衍生物

2-喹諾酮是4-喹諾酮的位置異構(gòu)體，是香豆素的電子等排體。2-喹諾酮是潛在的藥效團(tuán)，其中某些2-喹諾酮衍生物如GSK945237和AZD9742目前正處于治療細(xì)菌(包括大腸埃希菌)感染的臨床評價階段，有望于不久的將來為人類健康服務(wù)。

2-喹諾酮-三嗪-噻唑啉酮雜合體1（見圖1）和2-喹諾酮-三嗪雜合體2對大腸埃希菌具有潛在的活性，最小抑制濃度(MIC)為6.25～100 μg/mL，但弱于對照藥環(huán)丙沙星(MIC: 1.0 μg/mL)。SAR顯示，雜合體1的抗大腸埃希菌活性優(yōu)于雜合體2，提示噻唑啉酮的引入對活性有利；對雜合體1而言，氟、甲基和羧基的引入可提高活性，而硝基、溴和羥基的引入則不利于活性；單取代雜合體的活性優(yōu)于相應(yīng)的雙取代衍生物。進(jìn)一步研究顯示，用1,3,4-噻二唑或1,3,4-噁二唑(3, MIC: 25～100 μg/mL)替代三嗪結(jié)構(gòu)片段時并不能提高活性。

圖1 2-喹諾酮衍生物1～10的化學(xué)結(jié)構(gòu)

吡唑[4,3-c]喹諾酮4和2-喹諾酮-查爾酮雜合體5對大腸埃希菌僅顯示出較弱的活性，在濃度為500～1,000 μg/disc時抑菌圈為7～12 mm，遠(yuǎn)遜于對照藥氧氟沙星(濃度為5 μg/disc時抑菌圈為22～24 mm)。SAR顯示，對吡唑[4,3-c]喹諾酮而言，向R位引入鹵素如氟和氯對活性有利。2-喹諾酮-吡唑啉酮雜合體6a～h (MIC: 62.5～500 μg/mL)也具有一定的抗大腸埃希菌活性，但弱于對照藥諾氟沙星和環(huán)丙沙星(MIC:10和25 μg/mL)。

2-喹諾酮-吡啶雜合體7和8對包括耐氟喹諾酮致病菌在內(nèi)的革蘭陽性菌和陰性菌具有良好的活性?？垢锾m陰性菌SAR研究結(jié)果表明，向哌啶環(huán)引入氟原子將導(dǎo)致活性大幅降低。此類雜合體抗大腸埃希菌的MIC為0.5～8 μg/mL，對大腸埃希菌拓?fù)洚悩?gòu)酶IV的半抑制濃度(IC50)更是低至納摩爾級。代表物R,S-7b (AZD9742) 具有潛在的抗大腸埃希菌活性，MIC為4 μg/mL。該雜合體不僅對革蘭陽性菌和陰性菌的活性較為平衡，而且在小鼠大腿模型中的活性(與氨基苯并三唑聯(lián)用, 在給藥劑量為60 mg/kg/day時,可降低1.5 LogCFU單位細(xì)菌負(fù)載量)也優(yōu)于對照藥左氧氟沙星(在給藥劑量為60 mg/（kg·d）時, 可降低1.4 LogCFU單位細(xì)菌負(fù)載量)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該雜合體也具有良好的藥代動力學(xué)性質(zhì)。目前，該雜合體已進(jìn)入I期臨床研究用于治療包括大腸埃希菌在內(nèi)的細(xì)菌感染，結(jié)果值得期待。

除化合物9b外的3-乙酰基-1-氨基-2-喹諾酮衍生物9對大腸埃希菌敏感，MIC為1.6～100 μg/mL。SAR顯示，2-喹諾酮母核不帶取代基的衍生物9a～f活性優(yōu)于6-硝基或6-氯取代的衍生物。其中，化合物9a,c(MIC: 1.6 μg/mL)的活性略優(yōu)于阿莫西林(MIC: 2.0 μg/mL)，值得進(jìn)一步研究。

7-氨基-4-甲基-2-喹諾酮10a及其芳胺衍生物10b～i具有潛在的抗大腸埃希菌活性，且芳胺衍生物10b～i的活性高于氨基衍生物10a，提示芳基的引入對活性有利?；衔?0c的抗大腸埃希菌活性最高，與環(huán)丙沙星相當(dāng)，二者在濃度為1,500 μmol/L/disc時抑菌圈分別為12.8和14.0 mm。

除上述2-喹諾酮衍生物外，2-喹諾酮-噻唑、-噻二唑、-螺吲哚、-苯并咪唑和-亞胺衍生物也用于篩選抗大腸埃希菌活性。遺憾的是，絕大多數(shù)衍生物無活性或活性較弱，無進(jìn)一步研究價值。

3 4-喹諾酮衍生物

以氟喹諾酮為代表的4-喹諾酮是臨床上廣泛使用的一大類抗感染化療藥物。4-喹諾酮主要作用于細(xì)菌賴以生存的DNA促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV，其中，DNA促旋酶是這類藥物對革蘭陰性菌的作用靶點(diǎn)，而拓?fù)洚悩?gòu)酶IV則為4-喹諾酮對革蘭陽性菌的作用靶點(diǎn)。目前，臨床上使用的絕大多數(shù)4-喹諾酮抗生素均具有優(yōu)秀的抗大腸埃希菌活性，但耐藥菌的不斷涌現(xiàn)和廣泛傳播使得此類藥物的療效逐年下降。因此，有必要開發(fā)新型4-喹諾酮抗菌藥。

4-喹諾酮母核可供修飾的位點(diǎn)較多，為提高療效、改善藥代動力學(xué)性質(zhì)和降低毒副作用，科學(xué)家對4-喹諾酮母核的N-1、C-2、C-5、C-6、C-7和C-8位進(jìn)行了系統(tǒng)而廣泛的修飾。

3.1 N-1位的修飾

研究表明，N-1位的取代基對總體抗菌活性、微生物學(xué)性質(zhì)和藥代動力學(xué)性質(zhì)有顯著影響，且對N-1位進(jìn)行合理的修飾可能會改善吸收，進(jìn)而降低神經(jīng)毒性與胚胎毒性。

氟甲喹含有一個連接N-1位和C-8位的六元環(huán)，是首個用于臨床的1,8-橋連三環(huán)喹諾酮抗生素。隨后，藥物化學(xué)家對1,8-橋環(huán)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，包括用雜原子代替碳原子，并由此發(fā)現(xiàn)了若干新喹諾酮如氧氟沙星、左氧氟沙星、那氟沙星、帕珠沙星、蘆氟沙星、馬波沙星和左那氟沙星等。顯然，1,8-橋連三環(huán)喹諾酮值得深入研究。

Asahina等研究了一系列氧雜1,8-橋連三環(huán)喹諾酮11的體內(nèi)外抗藥敏型和耐喹諾酮致病菌活性、靜脈單次給藥毒性、誘發(fā)驚厥能力和光毒性等。結(jié)果表明，這類化合物對大腸埃希菌具有優(yōu)秀的活性，MIC為0.004～0.031 μg/mL，但弱于對照藥環(huán)丙沙星、左氧氟沙星和克林沙星(MIC: ≤0.001～0.002 μg/mL)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，向吡咯烷基的C-4位引入氟原子可降低靜脈單次給藥毒性和誘發(fā)驚厥能力，而向氧雜1,8-橋環(huán)的C-3位甲基上引入一個氟原子可完全消除光毒性?；衔?1（見圖2）的肟基衍生物12對所測的5株大腸埃希菌僅顯示出弱到中等強(qiáng)度的抗菌活性，MIC為0.02～＞128 μg/mL。

氟代喹諾吩嗯嗪13對大腸埃希菌拓?fù)洚悩?gòu)酶I具有良好的抑制活性，IC50為0.24～3.9 μmol/L。其中，化合物13a不僅對大腸埃希菌拓?fù)洚悩?gòu)酶I的抑制活性強(qiáng)(IC50: 0.48 μmol/L)，而且對包括大腸埃希菌Imp4213 (BAS3023)和(MG1655) WT (MIC: 0.78和6.25 μmol/L)在內(nèi)的所測所有菌株具有廣譜抗菌活性(MIC: 0.78～7.6 μmol/L)。

硫雜1,8-橋連三環(huán)喹諾酮14 (MIC: 0.12～16 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性較強(qiáng)，絕大多數(shù)與蘆氟沙星(MIC: 0.25 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)。SAR研究發(fā)現(xiàn)，向哌嗪的N-4位引入比甲基大的取代基將會導(dǎo)致活性降低；硫醚衍生物(n=0)的活性優(yōu)于相應(yīng)的亞砜(n=1)。藥代動力學(xué)研究結(jié)果表明，化合物14a (口服給藥50 mg/kg)可被快速吸收，且與蘆氟沙星相比，該化合物在尿液中的含量較低?；衔?4a的代謝產(chǎn)物為哌嗪去甲基的化合物14b，且該代謝產(chǎn)物(MIC: 0.25 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與母體14a和蘆氟沙星相當(dāng)。

1,2,4-噁二嗪(15)和1,3,4-噁(噻)二嗪(16)作為1,8-橋環(huán)總體上講對抗大腸埃希菌活性不利，如絕大多數(shù)15和16并未顯示出任何抗大腸埃希菌活性。

四環(huán)吡酮酸類17和18對大腸埃希菌的MIC低至亞微摩爾級，與氧氟沙星相當(dāng)。SAR顯示，C-10位(X位)的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且N-甲基亞胺基和氧最優(yōu)，而硫和酮對活性不利；C-10位氮上的取代基也影響抗大腸埃希菌活性，且體積越大對活性越不利。研究發(fā)現(xiàn)，這類化合物的抑DNA促旋酶(分離自大腸埃希菌KL-16)超螺旋活性與抗大腸埃希菌活性正相關(guān)，提示這類化合物與其它喹諾酮有相似的作用機(jī)制。其中，化合物17a～c不僅對所測的大腸埃希菌NIHJ JC-2和KC-14菌株具有良好的活性，而且口服生物利用度良好。尤其是化合物17c對所測7株耐萘啶酸大腸埃希菌的MIC為0.20～3.13 μg/mL，與環(huán)丙沙星相當(dāng)。在感染大腸埃希菌KC-14的小鼠模型中，化合物17c顯示出良好的體內(nèi)活性，口服半數(shù)有效量(ED50)為1.01 mg/kg，與氧氟沙星相當(dāng)(ED50: 1.10 mg/kg)。該化合物在小鼠模型中的急性毒性較低，口服和靜脈注射半數(shù)致死量(LD50)分別為1,231 mg/kg和237 mg/kg。此外，化合物17c與芬布芬聯(lián)用時并不會導(dǎo)致小鼠驚厥。綜上所述，該化合極具進(jìn)一步研究潛質(zhì)。

圖2 1,8-橋連三環(huán)喹諾酮11～18的化學(xué)結(jié)構(gòu)

普盧利沙星含有一個N-1和C-2位相連的硫雜四元環(huán)，故1,2-并連三環(huán)喹諾酮可能是潛在的新母核。對1,2-并連三環(huán)喹諾酮19（見圖3）和20的體內(nèi)外抗菌活性測試結(jié)果表明，某些化合物具有優(yōu)秀的抗大腸埃希菌活性。SAR研究結(jié)果表明，對衍生物19而言，1,2-并環(huán)R1位的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且小取代基對活性有利；C-6位的氯和氟對活性貢獻(xiàn)相同；對于C-7位含有哌嗪的衍生物而言，哌嗪N-4位取代基的體積大小與活性直接相關(guān)，且體積越大活性越低；C-3位為羧酸乙酯時也具有潛在的活性。在感染大腸埃希菌KC-14的小鼠模型中，化合物19a,b (ED50: 0.78和0.89 mg/kg,口服)的體內(nèi)活性與氧氟沙星和環(huán)丙沙星相當(dāng) (ED50:0.55和0.45 mg/kg)。氟甲基羧酸19c,d (MIC: 0.05和0.025 μg/mL, ED50: 0.85和0.76 mg/kg)的體內(nèi)外抗菌活性不亞于甲基衍生物19e,f (MIC: 0.025和0.1 μg/mL, ED50: 0.97和1.28 mg/kg)，且二者的體內(nèi)活性優(yōu)于氧氟沙星(ED50: 1.20 mg/kg)。不僅如此，氟甲基羧酸19c,d(最大血藥濃度/Cmax: 4.4和3.2 μg/mL,半衰期/t1/2: 1.5和1.2 h, 藥時曲線下面積/AUC0-inf: 6.9和3.5 μg/mL·h)的藥代動力學(xué)性質(zhì)也優(yōu)于19e,f (Cmax: 0.94和0.84 μg/mL, t1/2: 2.8和4.9 h, AUC0-inf: 2.6和2.7 μg/mL·h)。顯然，氟原子的引入極大的改善了藥代動力學(xué)性質(zhì)和口服功效。對衍生物20而言，烷基如甲基或?；缫阴；捅；囊雽钚圆焕?，且硫雜五元環(huán)衍生物的活性高于相應(yīng)的氧雜或氮雜衍生物。代表物20a對所測大腸埃希菌K-12 C600和KC-14的MIC為0.20 μg/mL，與氧氟沙星(MIC: 0.20和0.10 μg/mL)相當(dāng)。

N-1位連有芳基的喹諾酮也具有良好的體內(nèi)外抗菌活性，其中沙氟沙星、二氟沙星、妥蘇沙星、阿拉曲沙星和德拉沙星已被批準(zhǔn)用于各種細(xì)菌感染。與N-1位含有2-氟或3-氟苯基或甲氧基苯基、甲基苯基、氯苯基、溴苯基和硝基苯基的4-喹諾酮衍生物相比，含有4-氟苯基或2,4-二氟苯基的4-喹諾酮活性更高。PA2789（見圖4）及其前藥PA2808和衍生物21具有潛在的抗大腸埃希菌活性，MIC為＜0.05～6.25μg/mL。在小鼠系統(tǒng)感染模型中，PA2808和PA2789的ED50分別為0.74 mg/kg和0.75 mg/kg。在小鼠肺部感染模型中，靜脈注射5 mg/kg的PA2808可降低＞2 Log單位大腸埃希菌負(fù)載量，而給藥量增加到10 mg/kg時可完全清除。向N-1位引入吡咯、咪唑、三氮唑、1,3,4-噁二唑、噻唑和嘧啶等芳基時并不能提高活性，提示N-1位可引入的芳基種類有限。

烷基尤其是乙基、環(huán)丙基和氟代環(huán)丙基是N-1位最為常見的取代基，目前臨床上應(yīng)用的絕大多數(shù)喹諾酮抗生素屬于此類。對喹諾酮衍生物22(MIC:≤0.0063～0.05 μg/mL，見圖5)的抗大腸埃希菌活性研究結(jié)果表明，N-1位的取代基對活性影響顯著，且取代基的貢獻(xiàn)順序?yàn)榄h(huán)丙基＞乙基＞叔丁基=二氟乙基＞甲基=三氟甲基。

臨床研究表明，N-1位的環(huán)丙基可能會引起嚴(yán)重的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)毒性，而2-氟環(huán)丙基可調(diào)劑脂溶性降低CNS毒性。某些已上市的氟喹諾酮如西他沙星和氟羅沙星N-1位均有一個含氟取代基，故向N-1位引入氟原子可能會獲得毒副作用更低的新喹諾酮抗生素。對喹諾酮23的體外抗菌SAR研究結(jié)果顯示，與無氟衍生物相比，單氟衍生物的抗大腸埃希菌活性明顯增強(qiáng)，但二氟衍生物的活性有所下降。而對萘啶酮衍生物而言，氟原子的引入對活性不利。其中，代表物23a抗菌活性與環(huán)丙沙星相當(dāng)，但抗大腸埃希菌活性(MIC: 0.002 μg/mL)是環(huán)丙沙星(MIC: 0.008 μg/mL)的4倍，且毒性低于無氟衍生物。遺憾的是，化合物23a的體內(nèi)活性和藥代動力學(xué)性質(zhì)弱于環(huán)丙沙星，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖3 1,2-并連三環(huán)喹諾酮19和20的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖4 PA2789, PA2808和21的化學(xué)結(jié)構(gòu)

Asahina等發(fā)現(xiàn)用2-氟乙烯基代替氟羅沙星的2-氟乙基時將導(dǎo)致活性的大幅降低，而喹諾酮24和喹諾酮二聚體25對所測大腸埃希菌無活性，無進(jìn)一步研究價值。

3.2 C-2位修飾

總體而言，科學(xué)家對C-2位研究的較少。目前，成功的例子是將C-2位與N-1位或C-3位環(huán)化。其中，1,2-位環(huán)化的例子前文已有介紹，本部分不再贅述。

異噻唑喹諾酮的作用靶點(diǎn)與氟喹諾酮相似，是潛在的抗菌藥物。Wiles等評價了多個C-7位含有芳基的異噻唑喹諾酮26（見圖6）和27的體外抗大腸埃希菌活性，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)衍生物具有良好的活性，MIC在微摩爾水平。對衍生物26而言，SAR顯示C-7位苯環(huán)上的取代基會影響活性，且氨基和羥基對活性有利；取代基的位置也對活性有影響，且間位＞對位＞鄰位。其中，化合物26a～c (MIC: 0.004～0.015 μg/mL)的活性與環(huán)丙沙星、加替沙星、吉米沙星和莫西沙星(MIC: 0.015～0.02 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)。值得一提的是，化合物26a對人喉癌細(xì)胞Hep2株無毒(半數(shù)細(xì)胞毒性濃度/CC50＞100 μmol/L)，值得進(jìn)一步研究。向C-7位引入嘧啶、吡嗪、吡咯、吲哚、喹啉和異喹啉所得的衍生物活性均弱于相應(yīng)的苯基衍生物，而引入吡啶則可提高活性。SAR顯示，3-吡啶基最優(yōu)，向3-吡啶基的任何位置引入吸電子基和供電子基均會導(dǎo)致活性的降低。代表物27a(MIC: 0.0035 μg/mL)的活性是環(huán)丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.015 μg/mL)的4.28和4.75倍，且無毒(CC50＞100 μmol/L)，值得深入研究。

異噻唑喹諾酮A-62824是環(huán)丙沙星的衍生物，具有良好的抗菌活性，但由于選擇性和毒性等原因?qū)е缕湮催M(jìn)入臨床研究。為降低A-62824毒性和提高抗菌活性，Bradbury等研究了異噻唑喹諾酮28的抗菌活性，發(fā)現(xiàn)所有化合物對大腸埃希菌均顯示出良好的活性，MIC為0.004 ～0.5 μg/mL。構(gòu)-毒關(guān)系表明，向C-8位引入甲氧基可降低此類化合物對人喉癌細(xì)胞Hep2株的毒性，但引入芳基將會導(dǎo)致毒性上升。代表物28a (MIC: 0.004 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與A-62824(MIC: 0.004 μg/mL)相當(dāng)，而是環(huán)丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.03 μg/mL)的5和7.7倍，可作為先導(dǎo)物進(jìn)一步優(yōu)化。

C-2位連有乙硫基(29，見圖7)、烯基(30)、二胺(31)、苯基(32)、甲基(33)和硼酸(34)將導(dǎo)致抗大腸埃希菌活性的大幅下降，甚至活性消失。

3.3 C-3和C-4位修飾

4-氧代-3-羧酸結(jié)構(gòu)單元是喹諾酮具有高活性所必需的基團(tuán)，故通常情況下對該片段進(jìn)行修飾對活性不利。迄今為止，尚未發(fā)現(xiàn)C-4位羰基的成功代替品，而C-3位的羧基可用羧基的前體即可在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為羧基的官能團(tuán)代替。

圖5 4-喹諾酮衍生物22～25的化學(xué)結(jié)構(gòu)

研究表明，氨基硫脲和噁二唑萘啶酮35（見圖8）和36(MIC: 5.4～6.5 mmol/L)的抗大腸埃希菌活性與母藥萘啶酸(MIC: 4.3 mmol/L)相當(dāng)。SAR顯示，噁二唑萘啶酮36的活性與其前體氨基硫脲35相當(dāng)，且嵌入取代苯基并不能顯著提高活性。向C-3位引入甲酰腙(37和38)、羥肟酸(39)和氮雜環(huán)丁酮(40)將會導(dǎo)致喹諾酮抗大腸埃希菌活性消失(MIC: ＞64 μg/mL)，但引入肼41(MIC: 0.0625～0.25 μg/mL)和磺酰胺42(MIC: 0.0625～0.125 μg/mL)對活性影響不大。有趣的是，N-1位無取代的甲酰腙43具有良好的抗大腸埃希菌活性，其中43a (MIC: 0.49 μg/mL)的活性甚至優(yōu)于環(huán)丙沙星(MIC: 0.98 μg/mL)。Aurachin D 及其衍生物44不僅具有優(yōu)秀的抗瘧原蟲活性，而且對大腸埃希菌TolC也顯示出一定的活性(MIC50: 1.41～＞64 μg/mL)，但對DH5α菌株無活性(MIC50: ＞64 μg/mL)。4-喹諾酮-3-乙酸45(MIC: 8.97～12.92 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與環(huán)丙沙星和莫西沙星(MIC: 8.21和11.54 μg/mL)相當(dāng)，但去羧基的環(huán)丙沙星、諾氟沙星或恩諾沙星并未顯示出任何活性。

C-3位含有2-氨基噻唑的6,7-二氟喹諾酮46 (MIC:≥32 μg/mL,見圖9)僅顯示出極弱的抗大腸埃希菌活性，但6-環(huán)胺衍生物47則擁有良好的活性。SAR顯示，2-氨基噻唑可替代羧基，且C-6位為吡咯烷基對活性有利，而哌啶和嗎啉對活性不利。其中，代表物47b對肝細(xì)胞無毒(CC50: ＞512 μg/mL)，且對DNA促旋酶抑制活性高(IC50: 11.5 μg/mL)。不僅如此，該化合物對包括耐多藥致病菌在內(nèi)的多種革蘭陽性和陰性菌具有廣譜抗菌活性，而且其(MIC: 0.8 μg/mL)抗大腸埃希菌活性優(yōu)于諾氟沙星(MIC: 4.3 μg/mL)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌對該化合物產(chǎn)生耐藥性的速度低于諾氟沙星，可作為先導(dǎo)物進(jìn)一步優(yōu)化。

圖6 異噻唑喹諾酮衍生物26～28的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖8 C-3位修飾的喹諾酮衍生物35～45的化學(xué)結(jié)構(gòu)

大多數(shù)喹諾酮-3-甲酰胺僅具有弱到中等強(qiáng)度的抗大腸埃希菌活性，但頭孢菌素-喹諾酮酰胺48a,b(MIC: 0.008 μg/mL，見圖10)對所測2株臨床分離大腸埃希菌的活性極高，是對照藥頭孢他啶(MIC:0.06～0.125 μg/mL)的8～16倍。不僅如此，化合物48a(t1/2: 3.47 h, AUC: 238.5 mg/h/L)的藥代動力學(xué)性質(zhì)也優(yōu)于頭孢他啶(t1/2: 0.7 h, AUC: 14 mg/h/L)，且其血清蛋白結(jié)合率高達(dá)99.2%。顯然，化合物48a值得深入研究。

喹諾酮酯具有潛在的抗大腸埃希菌活性，Ro-23-9424無疑是其中的杰出代表。Ro-23-9424對包括藥敏型和耐藥型如耐頭孢菌素和耐氟喹諾酮在內(nèi)的致病菌具有良好的體內(nèi)外活性，提示本品的作用機(jī)制可能全新。Ro-23-9424可通過抑制大腸埃希菌生長，進(jìn)而達(dá)到抑菌目的。目前，Ro-23-9424正處于II期臨床研究階段。

3.4 C-5和C-6位的修飾

4-喹諾酮C-5位的取代基對抗菌尤其是抗革蘭陽性菌活性有中等程度的影響，氫(絕大多數(shù)現(xiàn)有喹諾酮)、氨基(司帕沙星和PD 124816，見圖11)、氟(奧比沙星)和甲基(格雷沙星)是該位點(diǎn)常見基團(tuán)，而硝基、羥基和烷基則對活性不利。有趣的是，C-8位的氟原子對C-5位含有氨基或氟原子的4-喹諾酮抗菌活性至關(guān)重要。

圖9 2-氨基噻唑喹諾酮衍生物46和47的化學(xué)結(jié)構(gòu)

咪唑和三氮唑并三環(huán)喹諾酮49（見圖12）對大腸埃希菌NIHJ JC-2具有良好的活性，MIC為0.025～6.25 μg/mL，但弱于環(huán)丙沙星和司帕沙星(MIC: 0.0063和0.0125 μg/mL)。SAR顯示，咪唑喹諾酮的抗大腸埃希菌活性優(yōu)于三氮唑喹諾酮；C-8位鹵素如氯和氟的引入對活性有利，C-7位為3-氨基吡咯烷最優(yōu)。

4-喹諾酮50對藥敏型大腸埃希菌 NIHJ JC-2和NIHJ株具有優(yōu)秀的活性， MIC為0.008～0.25 μg/mL，對所測2株耐藥株具有中等的活性，MIC為1～16 μg/mL。SAR顯示，C-5位為氫或甲基對活性有利，氨基則對活性不利；C-7位氮雜環(huán)丁酮為單取代時活性優(yōu)于雙取代衍生物；氮雜環(huán)丁酮C-3位為胺基時優(yōu)于羥基。其中，代表物WFQ-228 (50a, MIC: 2 μg/mL)對臨床分離大腸埃希菌的活性遠(yuǎn)優(yōu)于左氧氟沙星和環(huán)丙沙星(MIC: 32和64 μg/mL)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，WFQ-228受喹諾酮耐藥決定域(QRDRs)突變和泵介導(dǎo)外排影響較小，提示該化合物的作用機(jī)制可能異于傳統(tǒng)的喹諾酮。

C-6位的氟原子有利于喹諾酮滲入細(xì)菌和與作用靶點(diǎn)結(jié)合，是目前喹諾酮最常見的結(jié)構(gòu)單元。隨著加雷沙星（見圖13）和奈諾沙星等6-去氟喹諾酮的相繼問世，6-去氟喹諾酮再次引起了科學(xué)家的極大關(guān)注。對6-去氟-8-甲基喹諾酮51的抗大腸埃希菌活性研究結(jié)果表明，C-7位取代基對活性影響顯著，且順序?yàn)檫量┩椋具哙海具哙ぃ玖虼鷨徇締徇?-去氟喹諾酮52a,b對所測的3株大腸埃希菌具有良好的活性， MIC為0.063～4 μg/mL，對DC2菌株的活性分別是左氧氟沙星的2和4倍。二者(IC50: 6.4和3.2 μg/mL)對野生型DNA促旋酶的抑制活性與左氧氟沙星(IC50:3.2 μg/mL)相當(dāng)，但對哺乳動物拓?fù)洚悩?gòu)酶II的活性優(yōu)于左氧氟沙星。

對6-氨基喹諾酮53而言，C-8位的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且甲基衍生物的活性優(yōu)于甲氧基衍生物，而乙基衍生物無活性；用甲胺基、二甲胺基代替氨基時活性將大幅下降。其中，代表物53a,b (MIC: 0.008 μg/mL)抗大腸埃希菌ATCC 8739和ISF 432菌株活性優(yōu)于環(huán)丙沙星。

3.5 C-7位修飾

C-7位取代基與抗菌譜、抗菌活性、生物利用度和安全性息息相關(guān)，且C-7位被認(rèn)為是最適合修飾的位點(diǎn)。事實(shí)上，近年來上市的喹諾酮均是對C-7位成功修飾的結(jié)果。堿性環(huán)胺如吡咯烷(吉米沙星和西他沙星)或六元環(huán)胺如哌嗪(環(huán)丙沙星和吉米沙星)和哌啶(那氟沙星和巴洛沙星)是該位點(diǎn)最常見的基團(tuán)。

圖10 喹諾酮衍生物48和 Ro-23-9424的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖11 司帕沙星、PD 124816、奧比沙星和格雷沙星的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖12 化合物49和50的化學(xué)結(jié)構(gòu)

向喹諾酮的C-7位引入七元環(huán)胺得到了貝西沙星（見圖14），故七元環(huán)胺也值得研究。七元環(huán)胺喹諾酮54a～c(MIC: 0.03, 0.25和0.03 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性較高，但弱于環(huán)丙沙星(MIC: ≤0.015 μg/mL)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，引入橋環(huán)胺也不能提高抗大腸埃希菌活性。

SAR顯示，向氟喹諾酮55 C-7位吡咯烷的R1至R5位引入烷基或芳基將會導(dǎo)致活性的降低，且氨基(n=0)衍生物的活性優(yōu)于氨甲基(n=1)。喹諾酮衍生物56 (MIC: ≤0.003 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與加替沙星、莫西沙星、妥蘇沙星和環(huán)丙沙星(MIC: 0.006,0.006, ≤0.003和≤0.003 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)。其中，化合物56a(DQ-113, D61-1113)不僅對臨床分離耐氟喹諾酮和耐多藥致病菌活性極高，而且具有良好的體內(nèi)活性。此外，DQ-113的毒理學(xué)和藥代動力學(xué)性質(zhì)良好，值得進(jìn)一步開發(fā)。DX-619 (57)對包括大腸埃希菌在內(nèi)的多種藥敏型和耐藥型致病菌具有良好的活性，該化合物對大腸埃希菌的MIC90為1 μg/mL，優(yōu)于左氧氟沙星、環(huán)丙沙星、莫西沙星、加替沙星和加雷沙星(MIC90: 4～8 μg/mL)。

西他沙星(58a)及其衍生為58(MIC: ≤0.006～0.39 μg/mL)具有極為優(yōu)秀的抗大腸埃希菌活性，提示C-7位對螺環(huán)胺容忍。DK-507k (58b)和DC-159a(58c)不僅毒性極低、藥代動力學(xué)性質(zhì)良好，而且體內(nèi)活性高，值得深入研究。螺環(huán)胺喹諾酮59對大腸埃希菌的MIC ＜ 1 μg/mL，且在大腸埃希菌感染的模型中顯示出良好的體內(nèi)活性。其中，化合物59a,b(MIC: 0.006和0.025 μg/mL)的體外抗大腸埃希菌Vogel的活性極高，相當(dāng)于或優(yōu)于諾氟沙星和環(huán)丙沙星(MIC: 0.10和0.025 μg/mL)。化合物59a(口服和皮下注射的PD50分別為3.4和8.4 mg/kg)在大腸埃希菌Vogel感染模型中也顯示出極高的活性，極具進(jìn)一步研究價值。

圖13 加雷沙星、奈諾沙星和化合物51～53的化學(xué)結(jié)構(gòu)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前約一半正在使用的氟喹諾酮如依諾沙星、諾氟沙星、洛美沙星、那氟沙星、蘆氟沙星、氧氟沙星、環(huán)丙沙星、左氧氟沙星和格雷沙星在C-7位含有一個(取代)哌嗪基，故(取代)哌嗪基對于發(fā)展新型氟喹諾酮至關(guān)重要。向哌嗪的N-4位引入乙酰基(60和61，見圖15)、烷基/烯基/炔基(62)、羥基或巰基(63)并不能改善抗大腸埃希菌活性。

C-7位為4-羥基哌啶的那氟沙星是治療尋常性痤瘡和細(xì)菌性皮膚感染的剛用藥物，S-(-)-那氟沙星精氨酸鹽WCK 771 (64, MIC: 0.12 μg/mL)具有良好的抗大腸埃希菌活性，故向C-7位的環(huán)胺引入羥基也值得深入研究。含有4-羥基哌啶或3-羥基哌啶的左氧氟沙星衍生物65對多種藥敏型和耐藥型包括耐氟喹諾酮致病菌具有良好的活性，對所測2株大腸埃希菌的MIC為≤0.016～0.5 μg/mL，與環(huán)丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC: ≤0.016～8 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)?；衔?5a,b不僅對藥敏型大腸埃希菌ATCC25922(MIC: ≤0.016和0.031 μg/mL)的活性極高，而且對耐環(huán)丙沙星臨床分離大腸埃希菌的活性也極高(MIC:0.0625 μg/mL)，活性是環(huán)丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星的16～128倍。值得注意的是，JNJ-Q2 (66)不僅對包括大腸埃希菌在內(nèi)的多種致病菌具有廣譜抗菌活性活性，而且在II期臨床評價中安全性高、療效確切。化合物67a～c(MIC: 0.25～0.5 μg/mL)是JNJ-Q2的衍生物，也具有良好的體外抗大腸埃希菌活性和體內(nèi)抗菌活性，值得深入開發(fā)。

WQ-3810 (68a)對包括耐氟喹諾酮和耐多藥致病菌在內(nèi)的多種臨床分離株具有優(yōu)秀的活性，對所測98株臨床分離大腸埃希菌的活性(MIC90: 4 μg/mL)是環(huán)丙沙星、吉米沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC90: 32～64 μg/mL)的8～16倍。顯然，WQ-3810具有治療耐多藥大腸埃希菌感染的潛力。

3.6 C-8位修飾

C-8位的取代基與口服藥代動力學(xué)、抗菌譜和突變息息相關(guān)，多種取代基如氫(環(huán)丙沙星)、氟(司帕沙星)、氯(克林沙星和西他沙星)、甲氧基(加替沙星和莫西沙星)、二氟甲氧基(加雷沙星)、氰基(非那沙星/finafloxacin，見圖16)、氮(吉米沙星)和1,8-橋雜環(huán)(左那氟沙星)可引入到此位點(diǎn)。

圖15 氟喹諾酮衍生物60～68的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖16 非那沙星和左那氟沙星的化學(xué)結(jié)構(gòu)

向C-8位引入甲氧基可降低毒性、減少高水平耐藥性發(fā)生的幾率，這可能是由于甲氧基可介導(dǎo)DNADNA促旋酶絡(luò)合物與DNA-拓?fù)洚悩?gòu)酶絡(luò)合物結(jié)合。C-8位的甲基或氯可能會導(dǎo)致基因毒性，而第二個氟或硝基的引入對氟喹諾酮抗菌活性不利。

4 結(jié)束語

大腸埃希菌可導(dǎo)致嚴(yán)重的感染甚至死亡，給醫(yī)療系統(tǒng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。喹諾酮廣泛用于治療各種院內(nèi)和社區(qū)細(xì)菌感染，對大腸埃希菌引起的感染也有良好的療效。遺憾的是，大腸埃希菌對這類藥物的耐藥性逐年增加。為克服日益嚴(yán)峻的耐藥性問題，有必要研發(fā)新型喹諾酮抗菌藥。

最近30年，科學(xué)家設(shè)計(jì)合成并評價了數(shù)以十萬計(jì)的喹諾酮衍生物的體內(nèi)外抗大腸埃希菌活性。本文綜述了近年來該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并總結(jié)了SAR (見圖17)，豐富的SAR為進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)了提供理論依據(jù)。

圖17 4-喹諾酮的SAR