抗真菌天然产物Sampangine的构效关系研究和唑类抗真菌药物的结构优化
近半个世纪来，随着广谱抗生素使用日趋广泛，同时肿瘤放化疗、器官移植及爱滋病患者的增加所导致的条件致病菌感染剧增，真菌病的发生率特别是深部真菌感染大幅上升。尽管真菌感染从预防到治疗都取得了很大的进展，但深部真菌感染的治疗仍然存在很大的困难。一方面，真菌感染的类型在不断发生变化而且真菌的耐药速度很快;另一方面，现有的抗真菌药物存在抗菌谱窄，副作用严重，容易产生耐药性及生物利用度低等问题，还远远不能满足临床上真菌感染的需要。因此，发现新型高效低毒、选择性好、作用机制独特的抗深部真菌感染药物成为十分紧迫的研究课题。
天然产物中存在许多结构新颖、活性强、毒副作用小的活性成分。其中已发现多种结构类型的天然产物具有抗真菌活性，如生物碱类、有机酸类、皂苷类、蒽醌类、黄酮类、环肽类、萜类、甾体类等。从天然产物中选择活性较强、性质合理、合成可行的抗真菌分子开展了结构优化研究，阐明药效团和构效关系，探讨其抗真菌作用机制，将会推动研发全新结构类型和全新作用机制的新一代抗真菌药物。
本研究前期经过大量文献调阅，分析了近10年从36种天然产物中分离得到的100多个抗真菌活性化合物，并从中选择Sampangine开展系统的构效关系研究工作。另一方面，对本课题组前期发现的三唑类抗真菌先导化合物开展了提高代谢稳定性的优化设计，设计合成得到了新型双三唑类抗真菌化合物。
一、Sampangine衍生物的设计、合成与抗真菌活性研究
（一）Sampangine的骨架跃迁设计研究
本研究首先运用骨架跃迁策略，将Sampangine稠环中的苯环替换为其它杂环，考察其构效关系，以期发现结构新颖、溶解性好、具有较强抗真菌活性的新化学实体。首先，根据文献报道，全合成天然产物Sampangine。其次，设计并合成了氢化呋喃环代替苯环的类似物，初步活性测试结果证实了“骨架跃迁策略”的可行性。最后，合成得到了其它杂环（噻吩，吡咯，呋喃，甲基吡咯）替代的衍生物，进一步考察构效关系。通过抗真菌活性测试和构效关系研究发现，将噻吩环替换Sampangine苯环得到新衍生物ZG-20，不仅溶解性得到提高，而且具有更强的抗真菌活性和更广的抗真菌谱（对8种常见的人体致病真菌MIC范围在0.25-8μg/mL之间）。尤其是化合物ZG-20对临床上难以治疗的烟曲霉菌感染具有较好的疗效（MIC=1μg/mL），具有深入研究的价值。
（二）骨架跃迁衍生物ZG-20的构效关系研究
在发现活性化合物ZG-20的基础上，本研究重点考察不同取代基的大小及电性对噻吩新母核ZG-20活性的影响。在稠环不同位置上引入卤素，硝基，取代氨基，芳杂环等，进一步研究构效关系。抗真菌活性数据表明，该稠环体系（ZG-20）具有比较狭小的修饰空间，SAR比较窄，引入取代基并不能提高抗真菌活性。有趣的是，意外发现的硝化中间体ZG-20-07具有抗真菌活性强、抗真菌谱广的优点（对8种常见的人体致病真菌MIC范围在0.125-2μg/mL之间），这也给本研究提供了新的研究起点。更为重要的是，ZG-20-07的发现，不但使活性提高，抗菌谱变广，而且可修饰空间大大增加，分子也从4环变为3个环，分子量变小，分子平面性改善，成药的理化性质得到提高（溶解度提高2.5倍），值得进一步深入研究。
二、硝基噻吩并苯醌类抗真菌新化学实体的设计与合成
在此基础上，本研究围绕ZG-20-07设计合成了72个全新衍生物，进行了全面的SAR研究，为发现新一代广谱、高效和低毒的抗真菌新化学实体奠定基础。分子设计策略如下:(1)为考察噻吩硝基对抗真菌活性的重要性，将其还原为氨基，并进一步与酸的缩合得到新的衍生物，并考察构效关系;(2)将中间部分醌片段进行还原，研究醌结构片段改变对活性的影响;(3)对甲基吡啶部分进行取代基种类和位置的变换，并考察毗啶环的重要性。例如在甲基侧链上增加或减少碳个数，引入不同电性的取代基。同时，将甲基位置由对位移到间位，将吡啶环替换为苯环或其它杂环，氧化为吡啶氮氧化物等，详细考察构效关系。
抗真菌活性表明，硝基的存在是活性产生的必需基团，而且2-位硝基化合物的活性均优于3-位硝基化合物;分子中间醌的结构也是产生活性的重要官能团;甲基吡啶环部分的构效关系结论为:8-位引入吸电子官能团或者芳杂环，均导致活性消失;8-位碳链个数0-4个对活性影响不明显，最好0-2个;甲基移到7位对活性有提高，碳链个数1-2个活性最高。其中，ZG-20-15，ZG-20-30，ZG-20-38，ZG-20-77，ZG-20-78和ZG-20-85等10个衍生物表现出较强的广谱抗真菌活性（对白色念珠菌等三大致病真菌MIC范围在0.25-2μg/mL之间，对其它浅部真菌也有优秀的抑制活性，MIC范围在0.5-8μg/mL之间），值得进一步研究。
在合成工艺研究方面，成功开发了一条高收率制备2-硝基噻吩关键中间体的路线，该路线较初始路线可以节约50％原料，大大降低分离难度与分离成本，同时由于新中间体反应活性提高，总体反应效率提高。
三、硝基噻吩并苯醌类先导化合物的结构简化研究
将吡啶环去除后，设计合成了取代氨基或者烷氧基单取代的化合物，深入探讨了不同电性和位阻取代基对活性的影响，发现了高活性衍生物ZG-20-41和ZG-20-45。在此基础上开展卤代反应，发现高活性化合物中引入卤原子后未能提高抗真菌活性。
四、新型双三唑类抗真菌化合物的合理设计与合成
本课题组前期设计得到了含哌啶苄醇结构的三唑类抗真菌化合物。本研究旨在改善此类化合物的药代动力学参数，提高代谢稳定性，采用三氮唑环取代原先分子中的苄氧基团。体外抗真菌活性结果显示，多数化合物对常见致病真菌显示了较好的抑制活性。化合物ZG-40，ZG-54，ZG-55具有高效和广谱的特点，其MIC范围在0.0625μg/mL～2μg/mL之间（对烟曲无效），与对照药氟康唑相当或更优;化合物ZG-57同样具有高效和广谱的特点，MIC范围在0.0125μg/mL～4μg/mL之间，对临床上难以治愈的烟曲霉菌具有良好活性，MIC80为8μg/mL，而氟康唑对烟曲霉菌无效。本研究所得化合物值得进一步研究其代谢稳定性以期改善此类化合物的药代动力学参数，为发现高活性且代谢稳定的抗真菌候选新药打下基础。
五、总结
本研究总共合成142个首次报道的化合物。重点对天然产物Sampangine进行结构改造，运用骨架跃迁及最优取代基策略，共设计合成了7类不同结构类型共118个全新结构衍生物，系统探讨其构效关系，并发现了12个高活性且抗菌谱广的衍生物，为研发抗真菌创新药物提供了高成药性的先导结构。同时，基于课题组前期设计的含哌啶苄醇结构的三唑类抗真菌化合物，为提高代谢稳定性，采用三氮唑环取代原先分子中的苄氧基团，设计并合成了24个双三唑类同系物，充分探讨构效关系，并发现了4个高活性且抗菌谱广的衍生物，为进一步改善药代动力学参数打下基础。
抗真菌;天然产物;Sampangine;结构优化
第二军医大学
博士
药物化学
张万年
2013
中文
R978.5
311
2013-10-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）