喹諾酮類藥物構(gòu)效關(guān)系研究進(jìn)展

張欣欣，史夢艷，張繼瑜，李 冰

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所，甘肅蘭州 730050)

喹諾酮(Quinolones)是一類人工合成的含有4-氧代-3-羧酸-1，4-二氫喹啉骨架的抗菌藥物[1]，自1962年發(fā)現(xiàn)萘啶酸以來，喹諾酮類已經(jīng)被開發(fā)成為一類抗菌譜廣、抗菌活性強的抗菌藥物，以氟喹諾酮類為代表的4-喹諾酮類抗菌藥物被大量引入臨床實踐，用于治療各種細(xì)菌性感染，包括上呼吸道、下呼吸道感染和泌尿系統(tǒng)感染，以及一些皮膚、骨骼、軟組織感染及社區(qū)獲得性肺炎[2]。目前，由于細(xì)菌耐藥現(xiàn)象日益嚴(yán)重，很多常見的致病菌均出現(xiàn)了耐藥性，尤其是革蘭氏陽性菌，這給臨床疾病的治療帶來極大的困難。喹諾酮類化合物的結(jié)構(gòu)差異與其藥理作用的關(guān)系一直是研究人員關(guān)注的重點，為了尋找更有效的抗菌藥物，合成新的類似物、修飾現(xiàn)有藥物結(jié)構(gòu)及將兩個或多個藥效骨架并入單個分子的雜合體的策略備受關(guān)注，不僅可產(chǎn)生互補活性或具有多個藥理靶點，也可獲得抵消部分毒副作用的新型藥物[3]。

近年來，喹諾酮類藥物的應(yīng)用潛力也在不同的治療領(lǐng)域進(jìn)行探索，如抗腫瘤[4-5]、抗寄生蟲[6-9]等，例如WCK-1152、沃洛辛、夸氟辛等，預(yù)期將作為治療呼吸道感染、急性髓性白血病和神經(jīng)內(nèi)分泌癌藥物上市。

1 喹諾酮類藥物的結(jié)構(gòu)與抗菌活性

喹諾酮類藥物的抗菌活性是由各個取代點相互共同作用的結(jié)果，合理搭配各個取代點才能獲得抗菌譜廣、活性強、毒副作用低的新型喹諾酮類化合物[10]。

1.1 N-1位結(jié)構(gòu)修飾

早期研究認(rèn)為，N-1位取代基乙基效果最佳(圖1)，如萘啶酸(1)和氟哌酸(2)。而從電子供給和空間效力等方面考慮，環(huán)丙基取代N-1位更有利，如環(huán)丙沙星(3)，但是環(huán)丙沙星的細(xì)胞毒性有所升高。N-1位引入手性氟原子不僅可提高抗菌活性，還可降低中樞系統(tǒng)的神經(jīng)毒性，是該位點公認(rèn)的最佳取代基之一，如西他沙星(4)的環(huán)丙基[11]。N-1和C-8位稠環(huán)可顯示出優(yōu)異的抗G+菌活性，如左氧氟沙星(5)和普盧利沙星(6)。氟苯基也是目前N-1位上常見的取代基，不僅對化膿性鏈球菌顯示出優(yōu)異的活性，而且光毒性顯著降低，如替馬沙星(7)[12]。

1.2 C-3位和C-4位結(jié)構(gòu)改造

C-3位羧基和C-4位羰基是此類藥物與DNA促旋酶相互作用的重要靶位，C-3位羧酸的置換通常會導(dǎo)致抗菌活性的下降[13]。但C-3位連接雜合體也可表現(xiàn)出良好的抗菌活性，最具代表性的是C-3位酯基連接的頭孢菌素-喹諾酮雜合體 (圖2)Ro-23-9424(8)，是羅氏公司研發(fā)的全球首個雜合體藥物，對包括耐喹諾酮和耐頭孢菌素致病菌在內(nèi)的各種細(xì)菌具有良好的體內(nèi)外活性[14]。

Kozsup M等將Co(Ⅲ)三元配合物-環(huán)丙沙星雜合(圖3)，化合物(9、10)對大腸埃希氏菌的體外抗菌活性分別為6.12 μmol/L和2.18 μmol/L，其抗菌活性比母體較低。進(jìn)一步研究抗菌活性原因，發(fā)現(xiàn)這些化合物對細(xì)菌脫氧核糖核酸旋轉(zhuǎn)酶有抑制作用[15]。

(1)萘啶酸;(2)氟哌酸;(3)環(huán)丙沙星;(4)西他沙星;(5)左氧氟沙星;(6)普盧利沙星;(7)替馬沙星

圖2 Ro-23-9424(8)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖3 Co(Ⅲ)三元配合物-環(huán)丙沙星雜合物(9、10)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Wang L等[16]合成的氨基噻唑-諾氟沙星雜合體(11)(圖4)，具有良好的的體外抗菌活性(MIC=0.005 mmol/L～0.039 mmol/L)，抗菌活性分別比氯霉素和諾氟霉素高約5倍和2倍，進(jìn)一步研究表明，化合物11對從大腸埃希氏菌中分離的DNA促旋酶表現(xiàn)出有效活性。

1.3 C-5位結(jié)構(gòu)改造

目前上市的大部分喹諾酮5位無取代，向該位點引入鹵素和甲氧基等均會導(dǎo)致喹諾酮抗菌活性的降低。向C-5位引入氨基能使喹諾酮難以產(chǎn)生三重激發(fā)態(tài)，有效降低光敏毒性(圖5)，如左氧氟沙星(5)和安妥沙星(12)[17]。

圖4 氨基噻唑-諾氟沙星雜合體(11)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖5 左氧氟沙星(5)和安妥沙星(12)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.4 C-6位結(jié)構(gòu)改造

6位氟原子的引入是喹諾酮發(fā)展史上重要的里程碑，在C-6位引入氟原子能顯著增加抗菌活性。但目前報道的6-去氟喹諾酮(圖6)也具有良好的抗菌活性，且基因毒性有所降低，如奈諾沙星(13)和加雷沙星(14)[18]。

Skugor M M等[19]將大環(huán)內(nèi)酯與喹諾酮雜合，雜合物(圖7)對大環(huán)內(nèi)酯耐藥菌顯示出增強的抗菌活性，并且優(yōu)于泰利霉素。化合物(15a-c)對所測試的所有革蘭氏陽性菌(肺炎鏈球菌、化膿性鏈球菌和金黃色葡萄球菌)和革蘭氏陰性菌(流感嗜血桿菌和卡他莫拉氏菌)都表現(xiàn)出優(yōu)異的活性，尤其是對cMLS的活性優(yōu)于泰利霉素(MIC=16 μg/mL)。

圖6 奈諾沙星(13)和加雷沙星(14)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

利福霉素-喹諾酮偶聯(lián)物(圖8)CBR-2093(16)在體內(nèi)和體外顯示出對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的潛在有效抗菌活性(MIC=0.008 mmol/L～0.5 μg/mL)，并且CBR-2092對多重耐藥病原體也具有高活性。此外，偶聯(lián)物的作用機(jī)制與喹諾酮有所不同，在一定程度上克服交叉耐藥性。目前，CBR-2092正處于臨床試驗階段，有望在不久的將來應(yīng)用于臨床[20]。

Beteck R M等[21]利用雜交策略將異煙肼連接到喹諾酮(圖9)上，偶聯(lián)物(17a、b、c和d)顯出抑制細(xì)菌生長并出現(xiàn)于異煙肼相似的抗結(jié)核活性，且優(yōu)于氟喹諾酮類藥物。構(gòu)效關(guān)系表明，在喹諾酮核的第3位存在乙酯比酰胺更有效地增強活性。乙基的取代在喹諾酮環(huán)N-1位有利于抗結(jié)核分支桿菌活性超過苯基取代。

圖7 大環(huán)內(nèi)酯-喹諾酮雜合物(15a-c)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖8 利福霉素-喹諾酮偶聯(lián)物CBR-2093(16)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.5 C-7位結(jié)構(gòu)改造

C-7被認(rèn)為是最適合化學(xué)修飾的位點，也是該領(lǐng)域主要的研究方向，如將環(huán)丙基引入到C-7位的吡咯烷基抗革蘭氏陽性菌活性更佳，利用雜合策略向喹諾酮的C-7位引入藥效團(tuán)也會提高抗菌活性，并降低耐藥性發(fā)生幾率。

如喹諾酮-6-苯胺尿嘧啶雜化物(圖10)，以復(fù)制特異性DNA聚合酶ⅢC為靶點的6-苯胺脲類藥物(AUs)與喹諾酮的雜交可能會產(chǎn)生雙重機(jī)制的新雜合物，最活躍的雜合物18表現(xiàn)出強大的體外和體內(nèi)效力以及相當(dāng)大的藥代動力學(xué)特征[22]。

Asadipoue A等[23]將芳族α-鹵代酮與沙拉沙星雜合，雜合物20a(圖11)對所測試的革蘭氏陽性菌(金黃色葡萄球菌、表皮葡萄球菌和枯草芽孢桿菌)表現(xiàn)出與沙拉沙星(19)相當(dāng)?shù)幕钚?MIC≤0.125 μg/mL)，而化合物20b對這些菌株的活性較低(MIC=0.25 μg/mL)。構(gòu)效關(guān)系表明，通過O-甲基化或O-芐基化并沒有提高抗菌活性，并且在氟喹諾酮類藥物的 C-7 位的哌嗪環(huán)上引入龐大的部分降低了對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌活性。

圖9 異煙肼-喹諾酮偶聯(lián)物(17a-d)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Valad E等[24]合成了N-[2-(8-甲氧基-2H-鉻-2-酮)乙基]哌嗪基-喹諾酮雜合體21a-c(圖12)，雜合物對所測試菌株都顯示出最有效的抗菌活性，對枯草芽孢桿菌和大腸埃希氏菌的抗菌活性稍低于參照藥物。結(jié)構(gòu)活性揭示了喹諾酮類環(huán)N-1位環(huán)丙基(21a)和乙基(21b、 21c)以及香豆素環(huán)和哌嗪環(huán)之間乙基間隔基上2-NOCH3(21a、21b和21c)取代的化合物具有更好的活性。

Al-Qawasmeh R A等[25]將噻二唑引入到喹諾酮(圖13)，其衍生物22a和22b抗革蘭氏陽性菌(枯草桿菌和金黃色葡萄球菌)、革蘭氏陰性菌(大腸埃希氏菌和流感嗜血桿菌)活性評價結(jié)果表明，雜合物的抗菌活性(MIC：0.15 μg/mL～3 μg/mL)高于環(huán)丙沙星。構(gòu)效關(guān)系表明，用N-4-氟苯基取代噻二唑并喹諾酮酸和酯賦予最高的活性。

圖10 6-苯胺尿嘧啶-喹諾酮雜化物(18)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖11 沙拉沙星(19)和芳族α-鹵代酮-沙拉沙星雜合物(20a-b)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Liu H等[26]將含肟官能團(tuán)引入到喹諾酮C-7位，1-[(1R,2S)-2-氟環(huán)丙基]氟喹諾酮衍生物(圖14)對于測試的分支桿菌菌株顯示出良好的活性，其中化合物24a1、24a2和24a3對敏感菌株(H37Rv)的抗真菌活性較優(yōu)(MIC：0.25 μg/mL)，與環(huán)丙沙星、左氧氟沙星、異煙肼活性相當(dāng)，但低于利福平(MIC=0.05 μg/mL)。24a1和24a3對于所測試的革蘭氏陽性菌包括MRSA和MRSE在內(nèi)的菌株都表現(xiàn)出優(yōu)異的活性(MIC：<0.008 μg/mL～2 μg/mL)，抗菌效力與IMB-070593(23)和莫西沙星相當(dāng)，并優(yōu)于環(huán)丙沙星和莫西沙星。

Itoh K等[27]通過在C-7烷基胺嗪基部分引入不同鏈長的烷基基團(tuán)提高先導(dǎo)化合物25a(圖15)的口服吸收，結(jié)果表明口服吸收率隨著鏈長的增加而增加，可能由于其親脂性的增加從而提高膜的滲透性。所測試的合成化合物中25a-e對于所測試的大腸埃希氏菌(MIC=0.004 mg/L～0.012 mg/L)和革蘭氏陰性菌(MIC=0.061 mg/L～0.21 mg/L)都表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性以及更好的口服生物利用度，其中化合物25e(WQ-3810)被認(rèn)為是一種有前途的先導(dǎo)分子。

圖12 N-[2-(8-甲氧基-2H-鉻-2-酮)乙基]哌嗪基-喹諾酮雜合體(21a-c)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖13 噻二唑-喹諾酮雜合物(22a-b)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

Ma C等[28]報道了新的大環(huán)內(nèi)酯衍生物的合成，該衍生物是 2-氟-9-肟酮內(nèi)酯與各種取代的雜芳基的雜化物(圖16)。大環(huán)內(nèi)酯-喹諾酮雜合物26、27和28在抗組成性erm街道的肺炎鏈球菌(MIC：≤0.008 μg/mL～0.125 μg/mL)、erm介導(dǎo)的化膿桿菌(MIC：0.016 μg/mL～0.5 μg/mL)和金黃色葡萄球菌MDR菌株(MIC：0.25 μg/mL～1 μg/mL)有良好的活性，并優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)藥物(阿奇霉素和泰利霉素)。

Fedorowicz J等[29]將氟喹諾酮和SafiriniumP/Q染料雜合，其中雜合物(圖17)中洛美沙星衍生物(29)和環(huán)丙沙星衍生物(30)的抗菌活性與標(biāo)準(zhǔn)藥物抗菌活性相當(dāng)(MIC=0.063 μg/mL～2 μg/mL)，化合物29和30對大腸埃希氏菌顯示出對DNA回旋酶顯示出有效抑制。并對金黃色葡萄球菌有顯著的抗生物膜活性，同時降低了產(chǎn)生耐藥性的可能性。

一氧化氮(NO)能夠穿透脂質(zhì)雙層并通過DNA損傷和金屬蛋白結(jié)合導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，其被認(rèn)為具有抗菌作用，Aziz H A等[30]將其與喹諾酮雜合(圖18)以提高其抗菌活性?；衔?1b、32a、33a、34a和31d對結(jié)核分支桿菌H37Rv菌株顯示出高于環(huán)丙沙星的抗結(jié)核活性。其中化合物32a表現(xiàn)出最有效的抗DNA旋轉(zhuǎn)酶活性，并在25 μmol/L濃度下通過DNA切割抑制該酶。

圖14 IMB-070593(23)和1-[(1R,2S)-2-氟環(huán)丙基]氟喹諾酮衍生物(24a1-a3)

圖15 7-(3-烷基胺嗪基-1-基)喹諾酮衍生物(25a-e)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

1.6 C-8位結(jié)構(gòu)改造

C-8位取代基對口服藥動學(xué)性質(zhì)、抗菌譜和突變具有重要影響，對C-8位進(jìn)行修飾需避免引入鹵素原子和甲基而導(dǎo)致的光敏及基因毒性。

Komoriya S等[31]合成C-7位帶有3-氨基八氫環(huán)戊二烯[c]吡咯基序的新型8-甲基喹諾酮類化合物35(圖19)，其對所測定多種革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌的抗菌活性(MIC≤0.006 μg/mL～0.2 μg/mL)優(yōu)于先導(dǎo)化合物35，并且對喹諾酮耐藥菌株表現(xiàn)出有效活性。此外，衍生物36表現(xiàn)出低QTc延長風(fēng)險、低光毒性。

圖16 大環(huán)內(nèi)酯-喹諾酮雜合物(26、27和28)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖17 洛美沙星衍生物(29)和環(huán)丙沙星衍生物(30)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

2 喹諾酮類化合物與抗腫瘤活性

在過去多年的研究里，喹諾酮類藥物的抗腫瘤作用引起了人們的極大關(guān)注，并報道有相關(guān)衍生物作為有前途的抗腫瘤藥物的先導(dǎo)分子。目前，喹諾酮類藥物已成為開發(fā)癌癥化療藥物的潛在先導(dǎo)化合物。

新型喹諾酮衍生物37(圖20)對所測定的人類癌細(xì)胞系(A549/HL-60和HeLa細(xì)胞系)表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞毒活性(IC50=0.008 μmol/L～0.010 μmol/L)，其細(xì)胞毒活性低于標(biāo)準(zhǔn)藥物伊立替康和順鉑(IC50=0.032 μmol/L～0.057 μmol/L)。構(gòu)效關(guān)系表明，喹諾酮類化合物(37)部分N-1位的2,4-二氟苯基取代和磺胺部分苯環(huán)上的吸電子三氟甲基(-CF3)取代后得到的化合物具有更高的細(xì)胞毒性活性[32]。

3-苯基丙基-喹諾酮衍生物38(圖21)顯示出最強的細(xì)胞毒活性，IC50值低于10.0 μmol/L，從而突出了芳烷基取代對細(xì)胞毒活性的影響。此外，化合物38對肝癌(HepG2)細(xì)胞系表現(xiàn)出選擇性細(xì)胞毒活性(IC50<1.0 μmol/L)，效果與Adriamycin相當(dāng)并優(yōu)于順鉑。分析表明，38以劑量依賴性方式抑制了HepG2細(xì)胞的增殖，并且38通過p53依賴性途徑誘導(dǎo)細(xì)胞周期停滯在G2/M期[33]。

圖18 NO-喹諾酮衍生物(31、32、33和34)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

納迪沙星偶聯(lián)衍生物39(圖22)顯示出很強的Axl激酶抑制活性，IC50=0.026 μmol/L。對化合物39和Axl蛋白進(jìn)行的結(jié)合力和靶標(biāo)選擇性進(jìn)行評價，結(jié)果顯示化合物39與Axl強烈結(jié)合，結(jié)合常數(shù)(Kd)為1.1 nmol/L，并且顯示出最大的靶標(biāo)選擇性。此外，化合物39劑量依賴性的阻斷TGF-β1誘導(dǎo)的EMT(上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化)并抑制MDA-MB-231乳腺癌細(xì)胞中的腫瘤侵襲和遷移[34]。

圖19 3-氨基八氫環(huán)戊二烯[c] 吡咯-8-甲基喹諾酮衍生物(35和36)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖20 N-氟芳族-喹諾酮衍生物(37)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖21 3-苯基丙基-喹諾酮衍生物(38)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖22 納迪沙星偶聯(lián)衍生物(39)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

7-(4-(N-取代氨甲酰甲基)哌嗪-1-基-環(huán)丙沙星衍生物(圖23)40a、40b、40c和40d與母體環(huán)丙沙星相比，對人非小細(xì)胞肺癌A549細(xì)胞表現(xiàn)出顯著的抗癌活性(IC50分別為 14.8、24.8、23.6和20.7 μmol/L)，且對正常人肺成纖維細(xì)胞WI-38細(xì)胞系沒有細(xì)胞毒性。構(gòu)效關(guān)系研究表明，吸電子p-苯基乙酰胺殘基(40a)的苯環(huán)上的氯取代基顯著增強了細(xì)胞毒活性，而苯基部分上一個或多個給電子基團(tuán)的存在(如化合物40b和40e)降低和/或消除了細(xì)胞毒活性[35]。

N-取代哌嗪基喹諾酮衍生物(圖24)，以兩步一鍋串聯(lián)方法制備的化合物41對所有測試菌株(肺癌細(xì)胞A549的IC50=0.072 μmol/L，人早幼粒細(xì)胞白血病細(xì)胞HL-60 IC50=0.043 μmol/L和人宮頸癌細(xì)胞Hela IC50的=0.039 μmol/L)具有出色的拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅰ抑制活性。構(gòu)效關(guān)系表明，在N-1處帶有環(huán)丙基、苯環(huán)處帶有吸電子基團(tuán)的衍生物比具有其他取代基的其他化合物活性最高[36]。

圖23 7-(4-(N-取代氨甲酰甲基)哌嗪-1-基-環(huán)丙沙星衍生物(40a、40b、40c和40d)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖24 N-取代哌嗪基喹諾酮衍生物(41)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

7-(4-取代哌嗪-1-基)惡喹諾酮衍生物42a1、42a2、42b1、42b2和42a3(圖25)，除了固有的抗菌活性外，化合物還顯示出最有效的細(xì)胞毒活性。這些化合物的有效性幾乎提高了7倍(平均GI50=2.63 mmol/L～3.09 mmol/L)與陽性對照5-氟尿嘧啶相比(平均GI50=22.60 mmol/L)，與吉非替尼相比，表現(xiàn)出幾乎相似的抗腫瘤活性(平均GI50=3.24 mmol/L)，與標(biāo)準(zhǔn)藥物厄洛替尼(平均GI50=7.29 mmol/L)相比，其效力增加近2倍。構(gòu)效關(guān)系表明，7-(4-芳基磺酰哌嗪-1-基)氟喹諾酮更具活性[37]。

4-喹諾酮-3-羧酰胺類化合物43(圖26)對所測試的7個腫瘤細(xì)胞系顯示出有效的抗增殖活性，IC50值低于10.0 μmol/L，低于參考藥物順鉑(IC50值低于13.0 μmol/L)。構(gòu)效關(guān)系表明，在喹諾酮的N-1位含有芳烷基取代基的化合物比含有短烷基取代的化合物表現(xiàn)出更好的活性。N-3位烷基氨基側(cè)鏈取代基的性質(zhì)是觀察到的抗增殖活性的關(guān)鍵藥效團(tuán)，抗增殖效力受烷基氨基側(cè)鏈部分的長度調(diào)節(jié)，即3個碳原子的鏈長最佳[38]。

圖25 7-(4-取代哌嗪-1-基)惡喹諾酮衍生物(42a1、42a2、42b1、42b2和42a3)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

圖26 4-喹諾酮-3-羧酰胺類化合物(43)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

新型環(huán)丙沙星雜合體44a和44b(圖27)表現(xiàn)出潛在的抗癌活性，對DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶 2-β (TOP2B)有效抑制(IC50=0.58 mmol/L和0.86 mmol/L)。進(jìn)一步研究表明，DNA損傷發(fā)生在G2/M期[39]。

圖27 環(huán)丙沙星雜合體(44a和44b)的化學(xué)結(jié)構(gòu)式

3 展望

喹諾酮類藥物自被發(fā)現(xiàn)以來經(jīng)過不斷的研發(fā)，從第1代到第4代，抗菌譜逐漸擴(kuò)大，但是臨床應(yīng)用中不斷被報道的耐藥菌也不能被忽視。因此，亟需開發(fā)對耐藥菌有效的新型喹諾酮類抗菌藥物。盡管近年來在喹諾酮類藥物的結(jié)構(gòu)研究和構(gòu)效關(guān)系研究方面取得了一定的進(jìn)展，但仍有很多問題有待闡明。因此，需要科研人員持續(xù)深入的研究，以期為新型安全高效抗菌藥物的開發(fā)提供理論依據(jù)。