喹諾酮雜合體的抗大腸埃希菌活性(二)

張婷婷，馮連順 編寫 劉明亮，郭慧元 審校

（1 上海司太立制藥有限公司，上海 201506；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

迄今為止，全球使用過喹諾酮類抗生素的患者已超過10億人次。目前，喹諾酮類抗生素已成為繼頭孢菌素類之后臨床上使用最為廣泛的一類廣譜、高效、低毒性的一線抗感染化療藥物。然而，經(jīng)過近60年的廣泛使用，細(xì)菌對這類藥物的耐藥性日益增強(qiáng)。因此，有必要研發(fā)新型喹諾酮類抗菌藥。

將兩個(gè)或多個(gè)活性分子或藥效團(tuán)揉合到一個(gè)分子中的雜合體策略無疑是克服耐藥性的有效手段之一，引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。與母藥相比，雜合體不僅可能具有雙重或多重作用機(jī)制，而且具有拓展抗菌譜、改善藥代動力學(xué)和減少毒副作用的潛力。盡管雜合體策略起步較晚，但該領(lǐng)域成績斐然如某些喹諾酮雜合體對藥敏型和耐藥型包括耐氟喹諾酮、耐多藥甚至泛耐藥以及難治性致病菌均具有良好的體內(nèi)外活性。其中，喹諾酮雜合體Ro-23-9424、CBR-2092、MCB3837及其活性體MCB368目前正處于臨床評價(jià)階段，結(jié)果值得期待。顯然，將喹諾酮與其它藥效團(tuán)雜合無疑是發(fā)展新型抗大腸埃希菌藥物的有效手段。

喹諾酮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)。值得注意的是，增大C-7位取代基的分子量或體積并不會影響這類藥物的滲透性，故可向此位點(diǎn)引入其它藥效團(tuán)。事實(shí)上，向喹諾酮C-7位引入其它藥效團(tuán)的策略是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并取得了一些成果。

本文將重點(diǎn)介紹近年來將其它藥效團(tuán)引入至喹諾酮C-7位所形成的雜合體在抗大腸埃希菌領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并歸納此類化合物的構(gòu)-效關(guān)系(SAR)，以啟迪藥物化學(xué)家設(shè)計(jì)活性更高的候選物。

2 喹諾酮雜合體

2.1 喹諾酮-6-氨基尿嘧啶雜合體

6-氨基尿嘧啶可特異性地作用于聚合酶IIIC，故這類化合物是潛在的抗菌藥。喹諾酮-6-氨基尿嘧啶雜合體可能能同時(shí)作用于喹諾酮和6-氨基尿嘧啶的作用靶點(diǎn)，故具有克服耐藥性的潛力。對喹諾酮-6-氨基尿嘧啶雜合體1的抑聚合酶IIIC和抗藥敏型及耐藥型致病菌活性研究結(jié)果顯示，除雜合體1e (MIC:20 μg/mL)外，其它環(huán)丙沙星和諾氟沙星雜合體1a～c和1e～i(MIC: ＞40 μg/mL，見圖1)均對大腸埃希菌J53無活性。向哌嗪環(huán)引入甲基可提高抗大腸埃希菌活性，如雜合體1j～m (MIC: 5～40 μg/mL)顯示出一定的活性，但將甲基替換為羥甲基 (1n, MIC: ＞40 μg/mL)時(shí)活性大幅下降。其中，雜合體1l (251D)抗大腸埃希菌J53的MIC為5 μg/mL，活性是利奈唑胺(MIC:＞80 μg/mL)的＞16倍，但弱于諾氟沙星、環(huán)丙沙星和司帕沙星(MIC: 1.25, 0.313和＜0.078 μg/mL)。

所有雜合體對聚合酶IIIC均具有良好的活性，其中的251D(IC50: 28.9和21.7 μg/mL)對拓?fù)洚悩?gòu)酶IV和促旋酶的活性與萘啶酸(IC50: 34.6和276 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)，但弱于環(huán)丙沙星和司帕沙星(IC50: 0.4～1.9 μg/mL)。體內(nèi)活性測試結(jié)果表明，251D的體內(nèi)療效良好，但該雜合體的水溶性較差，仍需進(jìn)一步改造。

2.2 喹諾酮-唑雜合體

喹諾酮-唑雜合體具有多種生物活性，其中的某些還具有優(yōu)秀的抗大腸埃希菌活性。某些甲硝唑-喹諾酮雜合體2（見圖2）顯示出潛在的抗大腸埃希菌活性，SAR研究結(jié)果表明，對N-1位而言，環(huán)丙基優(yōu)于乙基；向C-8位引入氯可提高活性；對R3位而言，取代基的引入對活性不利，且活性順序?yàn)闊o取代≥嗎啉＞吡咯烷＞哌啶；將甲硝唑的硝基由C-5位移至C-4位或用氯取代甲基(3)將導(dǎo)致活性降低；對連接子而言，吡咯烷基優(yōu)于哌嗪基。活性最高的雜合體2a(MIC: 0.5 μg/mL)抗大腸埃希菌活性是諾氟沙星、環(huán)丙沙星、克林沙星和氯霉素(MIC: 4, 1, 1和16 μg/mL)的2～32倍。對苯并咪唑-諾氟沙星/環(huán)丙沙星雜合體4 而言，連接子和R2位的取代基對活性至關(guān)重要，且連接子的貢獻(xiàn)順序?yàn)椋簾o連接子≈次甲基≈甲胺基＞次乙基＞亞甲胺基；在R2位引入取代芐基和烷基對活性不利。其中，代表物4a,b (MIC: 0.125～1 μg/mL)對所測大腸埃希菌DH52和JM109的活性是諾氟沙星和環(huán)丙沙星(MIC: 1～2 μg/mL)的 2～16倍。雜合體4b不僅對哺乳動物細(xì)胞極低，而且對膜有活性，且未激發(fā)細(xì)菌的耐藥性。值得關(guān)注的是，雜合體4b可抑制大腸埃希菌生物膜的形成。喹諾酮-咪唑雜合體5(MIC:3～＞100 μg/mL)對大腸埃希菌的活性遠(yuǎn)遜于環(huán)丙沙星(MIC: 0.015 μg/mL)，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖1 喹諾酮-6-氨基尿嘧啶雜合體1的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖2 4-喹諾酮-唑雜合體2～13的化學(xué)結(jié)構(gòu)

將3-氨基吡咯并[3,4-c]吡唑引入至各種喹諾酮母核，將導(dǎo)致活性急劇降低，如幾乎所有的雜合體6和7對所測所有5株大腸埃希菌均未顯示出任何活性。盡管部分環(huán)丙沙星-/諾氟沙星-苯并噻唑-4-噻唑啉二酮雜合體8和9 (MIC: 2～16 μg/mL)顯示出潛在的抗大腸埃希菌活性，但弱于母藥環(huán)丙沙星和諾氟沙星(MIC: 0.78和6.25 μg/mL)。將噻唑(10)或噁唑(11)直接嵌入到喹諾酮的C-7位將大幅降低抗大腸埃希菌活性，但若連接子合適，某些喹諾酮-苯并噻唑雜合體的活性相對于母藥則有所增強(qiáng)。諾氟沙星/環(huán)丙沙星/加替沙星-苯并噻唑雜合體12抗大腸埃希菌的MIC為6～140 μg/mL，與母藥諾氟沙星、環(huán)丙沙星和加替沙星(MIC: 25, 40和100 μg/mL)相當(dāng)或更優(yōu)。SAR顯示，氟喹諾酮的種類對活性有顯著影響，且諾氟沙星＞環(huán)丙沙星＞加替沙星。代表物12b(MIC: 6 μg/mL)的活性是諾氟沙星、環(huán)丙沙星和加替沙星的4.16～16.66倍，具有進(jìn)一步研究的潛力。進(jìn)一步研究顯示，將噻二唑和噁二唑引入喹諾酮的C-7位如13對活性不利。

克林沙星-1,2,4-三氮唑雜合體14 (MIC: 1～32 μg/mL，見圖3)具有中等強(qiáng)的抗大腸埃希菌活性，但均弱于母藥克林沙星(MIC: 0.5 μg/mL)。環(huán)丙沙星-1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮15 (MIC: 0.006～0.71 μmol/L)的抗大腸埃希菌活性在亞微摩爾級，且絕大多數(shù)優(yōu)于母藥環(huán)丙沙星(MIC: 0.045 μmol/L)。SAR表明，硫酮對高活性至關(guān)重要；1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮片段C-3位的取代苯基為高活性所必需，且含有供電子基時(shí)對活性有利；羥基在苯環(huán)的鄰位和間位優(yōu)于對位；1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮片段的N-4位為苯基或芐基時(shí)活性優(yōu)于烷基；將N-R2部分替換為氧不會降低活性。雜合體15a～d對大腸埃希菌的MIC低至0.006 μmol/L，是母藥環(huán)丙沙星的7.5倍。

氟環(huán)丙沙星-1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮雜合體16顯示出優(yōu)秀的抗菌活性，這類雜合體(MIC: ≤0.04～0.10 μg/mL)對所測2株大腸埃希菌的活性與環(huán)丙沙星和左氧氟沙星相當(dāng)。環(huán)丙沙星-/諾氟沙星-1,2,3-三氮唑雜合體17對所測大腸埃希菌也具有潛在的活性，MIC為0.12 μg/mL，而喹諾酮-四氮唑雜合體18和19的活性弱于相應(yīng)的母藥。

噁唑烷酮-喹諾酮雜合體20 (MIC: 0.5～＞32 μg/mL，見圖4)的抗大腸埃希菌活性弱于環(huán)丙沙星(MIC:≤0.03 μg/mL)。噁唑烷酮-喹諾酮雜合體MCB3837是一種新型水溶性可注射前藥，可在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為活性物質(zhì)MCB3681。臨床試驗(yàn)結(jié)果顯示，MCB3837和MCB3681對包括大腸埃希菌在內(nèi)的多種致病菌具有極為優(yōu)秀的活性，且二者與現(xiàn)有的所有抗生素?zé)o交叉耐藥性，提示這類雜合體作用機(jī)制全新。目前，MCB3681正處于III期臨床評價(jià)階段，結(jié)果值得期待。

2.3 喹諾酮-呋喃/噻吩/吲哚雜合體

呋喃、噻吩和吲哚(包括靛紅)是常見的藥效團(tuán)，其衍生物具有包括抗菌在內(nèi)的多種生物活性。因此，有必要將呋喃、噻吩和吲哚與喹諾酮雜合以獲得活性更高的候選物。

總體而言，氟喹諾酮-呋喃雜合體21 (MIC:0.049～8 μg/mL，見圖5)的抗大腸埃希菌活性弱于相應(yīng)的氟喹諾酮-噻吩雜合體22 (MIC: 0.0075～64 μg/mL)。向噻吩的C-4位引入硫甲基或溴或?qū)⑧绶?2-基轉(zhuǎn)變?yōu)猷绶?3-基(23)均會導(dǎo)致活性下降。對噻吩雜合體22而言，氟喹諾酮母核對活性至關(guān)重要，且貢獻(xiàn)順序?yàn)榄h(huán)丙沙星＞依諾沙星＞諾氟沙星。與羰基雜合體相比，肟基衍生物的活性有所降低。其中，代表物22a,b的MIC為0.0075 μg/mL，活性是環(huán)丙沙星、依諾沙星和諾氟沙星(MIC: 0.06, 0.13和0.25 μg/mL)的8～32倍。

3-芳基呋喃-2(5H)-酮可作用于酪氨酰-轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tyrosyl-tRNA)合成酶，將其與氟喹諾酮雜合可能會獲得多作用靶點(diǎn)抗菌藥。諾氟沙星-、依諾沙星-、沙氟沙星-和環(huán)丙沙星-3-芳基呋喃-2(5H)-酮雜合體24對包括耐多藥大腸埃希菌在內(nèi)的多種耐藥菌具有廣譜抗菌活性。SAR顯示，氟喹諾酮母核影響抗大腸埃希菌活性，且順序?yàn)榄h(huán)丙沙星＞沙氟沙星＞依諾沙星＞諾氟沙星；苯環(huán)上取代基的位置對活性的貢獻(xiàn)順序是鄰位＞間位＞對位；用大體積的氯、溴、甲基和甲氧基代替苯環(huán)上的氟將導(dǎo)致活性降低，這可能由于大基團(tuán)阻止了雜合體與蛋白質(zhì)結(jié)合所致。雜合體24a,b對耐多藥大腸埃希菌的MIC分別為0.11和0.37 μg/mL，是環(huán)丙沙星(MIC: 5.65 μg/mL)的51和15倍。酶測試結(jié)果表明，雜合體24a是潛在的多靶點(diǎn)抑制劑，其對DNA促旋酶和tyrosyl-tRNA合成酶的IC50分別為1.15 μM和0.12 μmol/L。

與母藥諾氟沙星、環(huán)丙沙星和洛美沙星(MIC:0.31, 0.02和0.61 μg/mL)相比，其相應(yīng)的氨基嘧啶亞胺-靛紅雜合體25a～c(MIC: 0.0763, 0.0095和0.3051 μg/mL，見圖6)的抗大腸埃希菌活性有所增強(qiáng)，但加替沙星雜合體25d (MIC: 0.02 μg/mL) 的活性略弱于加替沙星(MIC: 0.015 μg/mL)。SAR顯示，向靛紅的C-5位引入甲基可提高抗大腸埃希菌活性，但引入鹵素氯和氟并不能提高活性。在大腸埃希菌NCTC 10419感染小鼠模型中，8個(gè)所選雜合體25a～c,f,g,i～k的體內(nèi)活性優(yōu)于母藥。其中，環(huán)丙沙星-靛紅雜合體25j (MIC: 0.0002 μg/mL，EC50: 0.62 mg/kg)的體內(nèi)外抗大腸埃希菌NCTC 10419菌活性分別是環(huán)丙沙星(MIC: 0.0011 μg/mL, EC50: 1.25 mg/kg)的2和5.5倍。不僅如此，該雜合體的體外抗HIV和MTB H37Rv活性也最高，故該化合物具有治療HIV患者機(jī)會感染的潛力。諾氟沙星-靛紅雜合體26，尤其是26a～f(MIC:≤0.018～0.15 μg/mL)對大腸埃希菌也具有良好的活性。SAR顯示，靛紅C-3和C-5位取代基對活性影響顯著，且C-3位取代基的貢獻(xiàn)順序?yàn)榘被螂澹爵驶荆景被澹珻-3位取代基的貢獻(xiàn)順序?yàn)槁龋練洌句濉?/p>

圖4 噁唑烷酮-喹諾酮雜合體20、MCB3837和MCB3681的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖5 呋喃-、噻吩-和吲哚-喹諾酮雜合體21～24的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖6 喹諾酮-靛紅雜合體25～27的化學(xué)結(jié)構(gòu)

次丙基連接的環(huán)丙沙星-靛紅雜合體27對所測的2株大腸埃希菌具有極為優(yōu)秀的活性，MIC≤0.03 μg/mL，與環(huán)丙沙星和左氧氟沙星(MIC ≤ 0.03 μg/mL)相當(dāng)。其中，雜合體27b和27d不僅對VERO細(xì)胞的毒性較低(CC50: 64和256 μg/mL)，而且代謝穩(wěn)定性和體內(nèi)藥代動力學(xué)性質(zhì)在可接受范圍之內(nèi)。二者可在1.5 h內(nèi)達(dá)到最大血藥濃度，且半衰期分別為4.1和3.3 h，AUC分別為4,988 和2,865μg/（mL·h），但均不如母藥環(huán)丙沙星。

2.4 喹諾酮-肟雜合體

肟是第三代和第四代頭孢菌素C-7位的常見取代基，將肟基引入到喹諾酮可改善物理和藥代動力學(xué)性質(zhì)。其中，最具代表性的無疑是吉米沙星、扎博沙星(DW224a)和DW286。

近年來，本課題組設(shè)計(jì)合成和評價(jià)了若干系列扎博沙星衍生物28（見圖7）、吉米沙星衍生物29和DW286衍生物30的抗菌活性。初步研究結(jié)果表明，所合成的衍生物具有良好的抗大腸埃希菌活性，某些化合物的MIC在ng/mL水平。SAR顯示，對哌啶而言，芳基肟優(yōu)于烷基肟，且芳基上含有供電子基如甲氧基對活性有利；對吡咯烷和氮雜環(huán)丁烷而言，烷基肟優(yōu)于芳基肟，且甲肟最優(yōu)；N-1位取代基對活性的貢獻(xiàn)順序位環(huán)丙基≥(1R, 2S)-2-氟代環(huán)丙基＞乙基≈2-氟乙基≥2,4-二氟苯基＞6-氨基-3,5-二氟吡啶-2-基；C-7位環(huán)胺的體積對活性有影響，且小體積的吡咯烷和氮雜環(huán)丁烷總體而言優(yōu)于哌啶；螺環(huán)(28)對活性不利；向游離氨基引入甲基不利于活性；第二個(gè)肟基的引入(31)導(dǎo)致活性急劇下降；肟基和氨基互換位置對活性不利。代表物29a～d和30a～d對所測大腸埃希菌的MIC＜8 ng/mL，活性不亞于環(huán)丙沙星、左氧氟沙星、吉米沙星和莫西沙星。特別值得一提的是，IMB-070593 (30e, MIC: 0.06～64 μg/mL)對所測的9株大腸埃希菌(包括4株產(chǎn)超廣譜β-內(nèi)酰胺酶)具有良好的活性，與巴洛沙星、左氧氟沙星、環(huán)丙沙星和吉米沙星相當(dāng)。此外，IMB-070593對難治性致病菌和耐多藥致病菌也具有優(yōu)秀的活性，且毒性(包括光毒性、肝毒性和心臟毒性)極低。目前，IMB-070593正處于臨床前研究階段。

其它喹諾酮-肟衍生物如33和34也具有一定的抗大腸埃希菌活性，但絕大多數(shù)衍生物活性弱于母藥。對化合物33（見圖8）和34而言，與相應(yīng)的酮相比，肟基的引入對活性不利；肟基對活性的貢獻(xiàn)順序?yàn)榧纂浚玖u肟＞芐肟；對左氧氟沙星-肟衍生物而言，苯環(huán)上連有供電子基如甲基和甲氧基對活性有利，吸電子基對活性不利。雜合體33a,b (MIC: 0.025 μg/mL)的活性可與環(huán)丙沙星(MIC: 0.025 μg/mL)相媲美，而優(yōu)于諾氟沙星(MIC: 0.049 μg/mL)。

圖7 吉米沙星、扎博沙星、DW286及其衍生物28～32的化學(xué)結(jié)構(gòu)

2.5 其它喹諾酮雜合體

環(huán)丙沙星-卡那霉素A雜合體35（見圖9）和環(huán)丙沙星-氨基糖苷雜合體36對所測的4株藥敏型和耐藥型大腸埃希菌具有潛在的活性，MIC為0.28～48 μg/mL，優(yōu)于卡那霉素A和氨基糖苷(MIC: 12～384 μg/mL)，但遠(yuǎn)弱于環(huán)丙沙星(MIC: ＜0.005～0.05 μg/mL)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這類雜合體對DNA促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV的抑制活性與環(huán)丙沙星相當(dāng)，且可克服絕大多數(shù)氨基糖苷的耐藥機(jī)制，減緩耐藥性產(chǎn)生的速率。

喹諾酮-碳青霉烯雜合體也具有潛在的抗大腸埃希菌活性，其中，雜合體37a,b (PGE-42816和PGE-9464192, MIC: ≤0.06 μg/mL)的活性可與環(huán)丙沙星相媲美。利福霉素-喹諾酮雜合體CBR-2092(TNP-2092,38)對DNA促旋酶和拓?fù)洚悩?gòu)酶IV的抑制活性較為均衡，且對包括耐氟喹諾酮和耐多藥致病菌在內(nèi)的革蘭陽性菌和陰性菌具有良好的體內(nèi)外活性。目前，CBR-2092正處于II期臨床研究階段，有望于不久的將來為人類健康服務(wù)。

氟喹諾酮-嘧啶雜合體如39(MIC: 0.5～1 μg/mL)對藥敏型大腸埃希菌具有一定的活性，但對耐環(huán)丙沙星和甲氧芐氨嘧啶臨床分離株無任何活性。環(huán)丙沙星-葡萄糖雜合體40a和環(huán)丙沙星-半乳糖雜合體40b對藥敏型大腸埃希菌的MIC ≤ 0.03 μg/mL，與環(huán)丙沙星相當(dāng)，但對耐環(huán)丙沙星株無活性，提示這類雜合體與環(huán)丙沙星的作用機(jī)制相同。1,2,3-三氮唑連接的喹諾酮-糖雜合體41 (MIC: 6.25～＞50 μg/mL)僅顯示出弱到中等強(qiáng)度的活性，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8 喹諾酮-肟衍生物33和34的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖9 喹諾酮雜合體35～43的化學(xué)結(jié)構(gòu)

對環(huán)丙沙星二聚體42的SAR研究結(jié)果顯示，含有長的柔性連接子的二聚體抗大腸埃希菌活性較強(qiáng)，而無哌嗪基的二聚體活性(MIC: 12.5～＞100 μg/mL)較弱?；钚宰罡叩亩垠w42a對所測7株大腸埃希菌的MIC為≤0.03到＞32 μg/mL，略弱于環(huán)丙沙星。

雜合體43a～h (MIC: ≤0.25 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與環(huán)丙沙星(MIC: ≤0.25 μg/mL)相當(dāng)，而其它一些雜合體盡管顯示出某種程度的活性，但絕大多數(shù)弱于相應(yīng)的對照藥，沒有進(jìn)一步研究價(jià)值。然而，這類研究豐富了SAR，為進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

雜合體不僅可能具有雙重或多重作用機(jī)制，而且還具有拓展抗菌譜、改善藥代動力學(xué)和減少毒副作用的潛質(zhì)，引起了科學(xué)家的持續(xù)關(guān)注。喹諾酮C-7位被認(rèn)為是最適合修飾的位點(diǎn)，且增大C-7位取代基的分子量或體積并不會影響這類藥物的滲透性，故可向此位點(diǎn)引入其它藥效團(tuán)以提高其抗大腸埃希菌活性。

本文重點(diǎn)介紹了近年來將其它藥效團(tuán)引入至喹諾酮C-7位所形成的雜合體在抗大腸埃希菌領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，并總結(jié)了此類化合物的SAR，為進(jìn)一步研究提供理論支持。