喹诺酮衍生物及其抗大肠埃希菌活性(一)

2019-10-12 07:45贾雪冬冯连顺编写刘明亮郭慧元审校
国外医药(抗生素分册) 2019年3期
关键词:环丙沙星沙星喹诺酮

贾雪冬,冯连顺 编写 刘明亮,郭慧元 审校

(1 郑州大学第一附属医院,郑州 450052;2 中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所,北京 100050)

1 前言

大肠埃希菌是典型的革兰阴性菌,可分为A, B1,B2, D和E等5个群。通常情况下,健康人约携带10亿大肠埃希菌,但绝大多数无害。尽管可致病的大肠埃希菌极少,但仍对人类生命健康构成严重威胁。据统计,大肠埃希菌每年可导致1.5亿无并发症的膀胱炎病例,而因大肠埃希菌引起的小儿腹泻和肠外感染死亡患者每年高达200万。大肠埃希菌的细胞壁由肽聚糖层和外部膜组成,而外部膜是细菌防御抗生素的天然屏障。不仅如此,大肠埃希菌对抗生素的耐药性逐年增加,已成为临床医生所必需经常面对的棘手问题。因此,研发对药敏型和耐药型大肠埃希菌具有优秀活性的新型抗生素迫在眉睫。

萘啶酸是首个用于临床的喹诺酮类抗菌药,对包括大肠埃希菌在内的若干革兰阴性菌显示出弱到中等强度的活性。尽管如此,本品的发现开启了喹诺酮类抗菌药的研发热潮。而上世纪80年代所发现的首个氟喹诺酮-诺氟沙星,更是将这类药物推向了新的高度。经过近60年的发展,喹诺酮业已成为临床上应用最为广泛的抗感染化疗药物之一。除经典的抗菌活性外,喹诺酮还具有抗结核、抗人类免疫缺陷病毒(HIV)、抗疟疾、抗炎和抗肿瘤等多种非经典生物活性,在新药研发领域举足轻重。遗憾的是,大肠埃希菌以对喹诺酮产生了耐药性,且形势愈发严峻。为克服耐药性,研发新型喹诺酮显得尤为重要。

在最近30年中,科学家评价了数以十万计的喹诺酮衍生物的抗菌活性,且大多数衍生物对大肠埃希菌具有潜在的活性。本文将着重介绍近年来喹诺酮衍生物在抗大肠埃希菌领域的研究进展,并归纳此类药物的构-效关系(SAR),为进一步合理设计提供理论依据。

2 2-喹诺酮衍生物

2-喹诺酮是4-喹诺酮的位置异构体,是香豆素的电子等排体。2-喹诺酮是潜在的药效团,其中某些2-喹诺酮衍生物如GSK945237和AZD9742目前正处于治疗细菌(包括大肠埃希菌)感染的临床评价阶段,有望于不久的将来为人类健康服务。

2-喹诺酮-三嗪-噻唑啉酮杂合体1(见图1)和2-喹诺酮-三嗪杂合体2对大肠埃希菌具有潜在的活性,最小抑制浓度(MIC)为6.25~100 μg/mL,但弱于对照药环丙沙星(MIC: 1.0 μg/mL)。SAR显示,杂合体1的抗大肠埃希菌活性优于杂合体2,提示噻唑啉酮的引入对活性有利;对杂合体1而言,氟、甲基和羧基的引入可提高活性,而硝基、溴和羟基的引入则不利于活性;单取代杂合体的活性优于相应的双取代衍生物。进一步研究显示,用1,3,4-噻二唑或1,3,4-噁二唑(3, MIC: 25~100 μg/mL)替代三嗪结构片段时并不能提高活性。

图1 2-喹诺酮衍生物1~10的化学结构

吡唑[4,3-c]喹诺酮4和2-喹诺酮-查尔酮杂合体5对大肠埃希菌仅显示出较弱的活性,在浓度为500~1,000 μg/disc时抑菌圈为7~12 mm,远逊于对照药氧氟沙星(浓度为5 μg/disc时抑菌圈为22~24 mm)。SAR显示,对吡唑[4,3-c]喹诺酮而言,向R位引入卤素如氟和氯对活性有利。2-喹诺酮-吡唑啉酮杂合体6a~h (MIC: 62.5~500 μg/mL)也具有一定的抗大肠埃希菌活性,但弱于对照药诺氟沙星和环丙沙星(MIC:10和25 μg/mL)。

2-喹诺酮-吡啶杂合体7和8对包括耐氟喹诺酮致病菌在内的革兰阳性菌和阴性菌具有良好的活性。抗革兰阴性菌SAR研究结果表明,向哌啶环引入氟原子将导致活性大幅降低。此类杂合体抗大肠埃希菌的MIC为0.5~8 μg/mL,对大肠埃希菌拓扑异构酶IV的半抑制浓度(IC50)更是低至纳摩尔级。代表物R,S-7b (AZD9742) 具有潜在的抗大肠埃希菌活性,MIC为4 μg/mL。该杂合体不仅对革兰阳性菌和阴性菌的活性较为平衡,而且在小鼠大腿模型中的活性(与氨基苯并三唑联用, 在给药剂量为60 mg/kg/day时,可降低1.5 LogCFU单位细菌负载量)也优于对照药左氧氟沙星(在给药剂量为60 mg/(kg·d)时, 可降低1.4 LogCFU单位细菌负载量)。进一步研究发现,该杂合体也具有良好的药代动力学性质。目前,该杂合体已进入I期临床研究用于治疗包括大肠埃希菌在内的细菌感染,结果值得期待。

除化合物9b外的3-乙酰基-1-氨基-2-喹诺酮衍生物9对大肠埃希菌敏感,MIC为1.6~100 μg/mL。SAR显示,2-喹诺酮母核不带取代基的衍生物9a~f活性优于6-硝基或6-氯取代的衍生物。其中,化合物9a,c(MIC: 1.6 μg/mL)的活性略优于阿莫西林(MIC: 2.0 μg/mL),值得进一步研究。

7-氨基-4-甲基-2-喹诺酮10a及其芳胺衍生物10b~i具有潜在的抗大肠埃希菌活性,且芳胺衍生物10b~i的活性高于氨基衍生物10a,提示芳基的引入对活性有利。化合物10c的抗大肠埃希菌活性最高,与环丙沙星相当,二者在浓度为1,500 μmol/L/disc时抑菌圈分别为12.8和14.0 mm。

除上述2-喹诺酮衍生物外,2-喹诺酮-噻唑、-噻二唑、-螺吲哚、-苯并咪唑和-亚胺衍生物也用于筛选抗大肠埃希菌活性。遗憾的是,绝大多数衍生物无活性或活性较弱,无进一步研究价值。

3 4-喹诺酮衍生物

以氟喹诺酮为代表的4-喹诺酮是临床上广泛使用的一大类抗感染化疗药物。4-喹诺酮主要作用于细菌赖以生存的DNA促旋酶和拓扑异构酶IV,其中,DNA促旋酶是这类药物对革兰阴性菌的作用靶点,而拓扑异构酶IV则为4-喹诺酮对革兰阳性菌的作用靶点。目前,临床上使用的绝大多数4-喹诺酮抗生素均具有优秀的抗大肠埃希菌活性,但耐药菌的不断涌现和广泛传播使得此类药物的疗效逐年下降。因此,有必要开发新型4-喹诺酮抗菌药。

4-喹诺酮母核可供修饰的位点较多,为提高疗效、改善药代动力学性质和降低毒副作用,科学家对4-喹诺酮母核的N-1、C-2、C-5、C-6、C-7和C-8位进行了系统而广泛的修饰。

3.1 N-1位的修饰

研究表明,N-1位的取代基对总体抗菌活性、微生物学性质和药代动力学性质有显著影响,且对N-1位进行合理的修饰可能会改善吸收,进而降低神经毒性与胚胎毒性。

氟甲喹含有一个连接N-1位和C-8位的六元环,是首个用于临床的1,8-桥连三环喹诺酮抗生素。随后,药物化学家对1,8-桥环进行了系统的研究,包括用杂原子代替碳原子,并由此发现了若干新喹诺酮如氧氟沙星、左氧氟沙星、那氟沙星、帕珠沙星、芦氟沙星、马波沙星和左那氟沙星等。显然,1,8-桥连三环喹诺酮值得深入研究。

Asahina等研究了一系列氧杂1,8-桥连三环喹诺酮11的体内外抗药敏型和耐喹诺酮致病菌活性、静脉单次给药毒性、诱发惊厥能力和光毒性等。结果表明,这类化合物对大肠埃希菌具有优秀的活性,MIC为0.004~0.031 μg/mL,但弱于对照药环丙沙星、左氧氟沙星和克林沙星(MIC: ≤0.001~0.002 μg/mL)。进一步研究发现,向吡咯烷基的C-4位引入氟原子可降低静脉单次给药毒性和诱发惊厥能力,而向氧杂1,8-桥环的C-3位甲基上引入一个氟原子可完全消除光毒性。化合物11(见图2)的肟基衍生物12对所测的5株大肠埃希菌仅显示出弱到中等强度的抗菌活性,MIC为0.02~>128 μg/mL。

氟代喹诺吩嗯嗪13对大肠埃希菌拓扑异构酶I具有良好的抑制活性,IC50为0.24~3.9 μmol/L。其中,化合物13a不仅对大肠埃希菌拓扑异构酶I的抑制活性强(IC50: 0.48 μmol/L),而且对包括大肠埃希菌Imp4213 (BAS3023)和(MG1655) WT (MIC: 0.78和6.25 μmol/L)在内的所测所有菌株具有广谱抗菌活性(MIC: 0.78~7.6 μmol/L)。

硫杂1,8-桥连三环喹诺酮14 (MIC: 0.12~16 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性较强,绝大多数与芦氟沙星(MIC: 0.25 μg/mL)相当或更优。SAR研究发现,向哌嗪的N-4位引入比甲基大的取代基将会导致活性降低;硫醚衍生物(n=0)的活性优于相应的亚砜(n=1)。药代动力学研究结果表明,化合物14a (口服给药50 mg/kg)可被快速吸收,且与芦氟沙星相比,该化合物在尿液中的含量较低。化合物14a的代谢产物为哌嗪去甲基的化合物14b,且该代谢产物(MIC: 0.25 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性与母体14a和芦氟沙星相当。

1,2,4-噁二嗪(15)和1,3,4-噁(噻)二嗪(16)作为1,8-桥环总体上讲对抗大肠埃希菌活性不利,如绝大多数15和16并未显示出任何抗大肠埃希菌活性。

四环吡酮酸类17和18对大肠埃希菌的MIC低至亚微摩尔级,与氧氟沙星相当。SAR显示,C-10位(X位)的取代基对抗大肠埃希菌活性有显著影响,且N-甲基亚胺基和氧最优,而硫和酮对活性不利;C-10位氮上的取代基也影响抗大肠埃希菌活性,且体积越大对活性越不利。研究发现,这类化合物的抑DNA促旋酶(分离自大肠埃希菌KL-16)超螺旋活性与抗大肠埃希菌活性正相关,提示这类化合物与其它喹诺酮有相似的作用机制。其中,化合物17a~c不仅对所测的大肠埃希菌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对所测7株耐萘啶酸大肠埃希菌的MIC为0.20~3.13 μg/mL,与环丙沙星相当。在感染大肠埃希菌KC-14的小鼠模型中,化合物17c显示出良好的体内活性,口服半数有效量(ED50)为1.01 mg/kg,与氧氟沙星相当(ED50: 1.10 mg/kg)。该化合物在小鼠模型中的急性毒性较低,口服和静脉注射半数致死量(LD50)分别为1,231 mg/kg和237 mg/kg。此外,化合物17c与芬布芬联用时并不会导致小鼠惊厥。综上所述,该化合极具进一步研究潜质。

图2 1,8-桥连三环喹诺酮11~18的化学结构

普卢利沙星含有一个N-1和C-2位相连的硫杂四元环,故1,2-并连三环喹诺酮可能是潜在的新母核。对1,2-并连三环喹诺酮19(见图3)和20的体内外抗菌活性测试结果表明,某些化合物具有优秀的抗大肠埃希菌活性。SAR研究结果表明,对衍生物19而言,1,2-并环R1位的取代基对抗大肠埃希菌活性有显著影响,且小取代基对活性有利;C-6位的氯和氟对活性贡献相同;对于C-7位含有哌嗪的衍生物而言,哌嗪N-4位取代基的体积大小与活性直接相关,且体积越大活性越低;C-3位为羧酸乙酯时也具有潜在的活性。在感染大肠埃希菌KC-14的小鼠模型中,化合物19a,b (ED50: 0.78和0.89 mg/kg,口服)的体内活性与氧氟沙星和环丙沙星相当 (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)的体内外抗菌活性不亚于甲基衍生物19e,f (MIC: 0.025和0.1 μg/mL, ED50: 0.97和1.28 mg/kg),且二者的体内活性优于氧氟沙星(ED50: 1.20 mg/kg)。不仅如此,氟甲基羧酸19c,d(最大血药浓度/Cmax: 4.4和3.2 μg/mL,半衰期/t1/2: 1.5和1.2 h, 药时曲线下面积/AUC0-inf: 6.9和3.5 μg/mL·h)的药代动力学性质也优于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)。显然,氟原子的引入极大的改善了药代动力学性质和口服功效。对衍生物20而言,烷基如甲基或酰基如乙酰基和丙酰基的引入对活性不利,且硫杂五元环衍生物的活性高于相应的氧杂或氮杂衍生物。代表物20a对所测大肠埃希菌K-12 C600和KC-14的MIC为0.20 μg/mL,与氧氟沙星(MIC: 0.20和0.10 μg/mL)相当。

N-1位连有芳基的喹诺酮也具有良好的体内外抗菌活性,其中沙氟沙星、二氟沙星、妥苏沙星、阿拉曲沙星和德拉沙星已被批准用于各种细菌感染。与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-喹诺酮衍生物相比,含有4-氟苯基或2,4-二氟苯基的4-喹诺酮活性更高。PA2789(见图4)及其前药PA2808和衍生物21具有潜在的抗大肠埃希菌活性,MIC为<0.05~6.25μg/mL。在小鼠系统感染模型中,PA2808和PA2789的ED50分别为0.74 mg/kg和0.75 mg/kg。在小鼠肺部感染模型中,静脉注射5 mg/kg的PA2808可降低>2 Log单位大肠埃希菌负载量,而给药量增加到10 mg/kg时可完全清除。向N-1位引入吡咯、咪唑、三氮唑、1,3,4-噁二唑、噻唑和嘧啶等芳基时并不能提高活性,提示N-1位可引入的芳基种类有限。

烷基尤其是乙基、环丙基和氟代环丙基是N-1位最为常见的取代基,目前临床上应用的绝大多数喹诺酮抗生素属于此类。对喹诺酮衍生物22(MIC:≤0.0063~0.05 μg/mL,见图5)的抗大肠埃希菌活性研究结果表明,N-1位的取代基对活性影响显著,且取代基的贡献顺序为环丙基>乙基>叔丁基=二氟乙基>甲基=三氟甲基。

临床研究表明,N-1位的环丙基可能会引起严重的中枢神经系统(CNS)毒性,而2-氟环丙基可调剂脂溶性降低CNS毒性。某些已上市的氟喹诺酮如西他沙星和氟罗沙星N-1位均有一个含氟取代基,故向N-1位引入氟原子可能会获得毒副作用更低的新喹诺酮抗生素。对喹诺酮23的体外抗菌SAR研究结果显示,与无氟衍生物相比,单氟衍生物的抗大肠埃希菌活性明显增强,但二氟衍生物的活性有所下降。而对萘啶酮衍生物而言,氟原子的引入对活性不利。其中,代表物23a抗菌活性与环丙沙星相当,但抗大肠埃希菌活性(MIC: 0.002 μg/mL)是环丙沙星(MIC: 0.008 μg/mL)的4倍,且毒性低于无氟衍生物。遗憾的是,化合物23a的体内活性和药代动力学性质弱于环丙沙星,仍需进一步优化。

图3 1,2-并连三环喹诺酮19和20的化学结构

图4 PA2789, PA2808和21的化学结构

Asahina等发现用2-氟乙烯基代替氟罗沙星的2-氟乙基时将导致活性的大幅降低,而喹诺酮24和喹诺酮二聚体25对所测大肠埃希菌无活性,无进一步研究价值。

3.2 C-2位修饰

总体而言,科学家对C-2位研究的较少。目前,成功的例子是将C-2位与N-1位或C-3位环化。其中,1,2-位环化的例子前文已有介绍,本部分不再赘述。

异噻唑喹诺酮的作用靶点与氟喹诺酮相似,是潜在的抗菌药物。Wiles等评价了多个C-7位含有芳基的异噻唑喹诺酮26(见图6)和27的体外抗大肠埃希菌活性,发现大多数衍生物具有良好的活性,MIC在微摩尔水平。对衍生物26而言,SAR显示C-7位苯环上的取代基会影响活性,且氨基和羟基对活性有利;取代基的位置也对活性有影响,且间位>对位>邻位。其中,化合物26a~c (MIC: 0.004~0.015 μg/mL)的活性与环丙沙星、加替沙星、吉米沙星和莫西沙星(MIC: 0.015~0.02 μg/mL)相当或更优。值得一提的是,化合物26a对人喉癌细胞Hep2株无毒(半数细胞毒性浓度/CC50>100 μmol/L),值得进一步研究。向C-7位引入嘧啶、吡嗪、吡咯、吲哚、喹啉和异喹啉所得的衍生物活性均弱于相应的苯基衍生物,而引入吡啶则可提高活性。SAR显示,3-吡啶基最优,向3-吡啶基的任何位置引入吸电子基和供电子基均会导致活性的降低。代表物27a(MIC: 0.0035 μg/mL)的活性是环丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.015 μg/mL)的4.28和4.75倍,且无毒(CC50>100 μmol/L),值得深入研究。

异噻唑喹诺酮A-62824是环丙沙星的衍生物,具有良好的抗菌活性,但由于选择性和毒性等原因导致其未进入临床研究。为降低A-62824毒性和提高抗菌活性,Bradbury等研究了异噻唑喹诺酮28的抗菌活性,发现所有化合物对大肠埃希菌均显示出良好的活性,MIC为0.004 ~0.5 μg/mL。构-毒关系表明,向C-8位引入甲氧基可降低此类化合物对人喉癌细胞Hep2株的毒性,但引入芳基将会导致毒性上升。代表物28a (MIC: 0.004 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性与A-62824(MIC: 0.004 μg/mL)相当,而是环丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.03 μg/mL)的5和7.7倍,可作为先导物进一步优化。

C-2位连有乙硫基(29,见图7)、烯基(30)、二胺(31)、苯基(32)、甲基(33)和硼酸(34)将导致抗大肠埃希菌活性的大幅下降,甚至活性消失。

3.3 C-3和C-4位修饰

4-氧代-3-羧酸结构单元是喹诺酮具有高活性所必需的基团,故通常情况下对该片段进行修饰对活性不利。迄今为止,尚未发现C-4位羰基的成功代替品,而C-3位的羧基可用羧基的前体即可在体内转化为羧基的官能团代替。

图5 4-喹诺酮衍生物22~25的化学结构

研究表明,氨基硫脲和噁二唑萘啶酮35(见图8)和36(MIC: 5.4~6.5 mmol/L)的抗大肠埃希菌活性与母药萘啶酸(MIC: 4.3 mmol/L)相当。SAR显示,噁二唑萘啶酮36的活性与其前体氨基硫脲35相当,且嵌入取代苯基并不能显著提高活性。向C-3位引入甲酰腙(37和38)、羟肟酸(39)和氮杂环丁酮(40)将会导致喹诺酮抗大肠埃希菌活性消失(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)对活性影响不大。有趣的是,N-1位无取代的甲酰腙43具有良好的抗大肠埃希菌活性,其中43a (MIC: 0.49 μg/mL)的活性甚至优于环丙沙星(MIC: 0.98 μg/mL)。Aurachin D 及其衍生物44不仅具有优秀的抗疟原虫活性,而且对大肠埃希菌TolC也显示出一定的活性(MIC50: 1.41~>64 μg/mL),但对DH5α菌株无活性(MIC50: >64 μg/mL)。4-喹诺酮-3-乙酸45(MIC: 8.97~12.92 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性与环丙沙星和莫西沙星(MIC: 8.21和11.54 μg/mL)相当,但去羧基的环丙沙星、诺氟沙星或恩诺沙星并未显示出任何活性。

C-3位含有2-氨基噻唑的6,7-二氟喹诺酮46 (MIC:≥32 μg/mL,见图9)仅显示出极弱的抗大肠埃希菌活性,但6-环胺衍生物47则拥有良好的活性。SAR显示,2-氨基噻唑可替代羧基,且C-6位为吡咯烷基对活性有利,而哌啶和吗啉对活性不利。其中,代表物47b对肝细胞无毒(CC50: >512 μg/mL),且对DNA促旋酶抑制活性高(IC50: 11.5 μg/mL)。不仅如此,该化合物对包括耐多药致病菌在内的多种革兰阳性和阴性菌具有广谱抗菌活性,而且其(MIC: 0.8 μg/mL)抗大肠埃希菌活性优于诺氟沙星(MIC: 4.3 μg/mL)。进一步研究发现,细菌对该化合物产生耐药性的速度低于诺氟沙星,可作为先导物进一步优化。

图6 异噻唑喹诺酮衍生物26~28的化学结构

图8 C-3位修饰的喹诺酮衍生物35~45的化学结构

大多数喹诺酮-3-甲酰胺仅具有弱到中等强度的抗大肠埃希菌活性,但头孢菌素-喹诺酮酰胺48a,b(MIC: 0.008 μg/mL,见图10)对所测2株临床分离大肠埃希菌的活性极高,是对照药头孢他啶(MIC:0.06~0.125 μg/mL)的8~16倍。不仅如此,化合物48a(t1/2: 3.47 h, AUC: 238.5 mg/h/L)的药代动力学性质也优于头孢他啶(t1/2: 0.7 h, AUC: 14 mg/h/L),且其血清蛋白结合率高达99.2%。显然,化合物48a值得深入研究。

喹诺酮酯具有潜在的抗大肠埃希菌活性,Ro-23-9424无疑是其中的杰出代表。Ro-23-9424对包括药敏型和耐药型如耐头孢菌素和耐氟喹诺酮在内的致病菌具有良好的体内外活性,提示本品的作用机制可能全新。Ro-23-9424可通过抑制大肠埃希菌生长,进而达到抑菌目的。目前,Ro-23-9424正处于II期临床研究阶段。

3.4 C-5和C-6位的修饰

4-喹诺酮C-5位的取代基对抗菌尤其是抗革兰阳性菌活性有中等程度的影响,氢(绝大多数现有喹诺酮)、氨基(司帕沙星和PD 124816,见图11)、氟(奥比沙星)和甲基(格雷沙星)是该位点常见基团,而硝基、羟基和烷基则对活性不利。有趣的是,C-8位的氟原子对C-5位含有氨基或氟原子的4-喹诺酮抗菌活性至关重要。

图9 2-氨基噻唑喹诺酮衍生物46和47的化学结构

咪唑和三氮唑并三环喹诺酮49(见图12)对大肠埃希菌NIHJ JC-2具有良好的活性,MIC为0.025~6.25 μg/mL,但弱于环丙沙星和司帕沙星(MIC: 0.0063和0.0125 μg/mL)。SAR显示,咪唑喹诺酮的抗大肠埃希菌活性优于三氮唑喹诺酮;C-8位卤素如氯和氟的引入对活性有利,C-7位为3-氨基吡咯烷最优。

4-喹诺酮50对药敏型大肠埃希菌 NIHJ JC-2和NIHJ株具有优秀的活性, MIC为0.008~0.25 μg/mL,对所测2株耐药株具有中等的活性,MIC为1~16 μg/mL。SAR显示,C-5位为氢或甲基对活性有利,氨基则对活性不利;C-7位氮杂环丁酮为单取代时活性优于双取代衍生物;氮杂环丁酮C-3位为胺基时优于羟基。其中,代表物WFQ-228 (50a, MIC: 2 μg/mL)对临床分离大肠埃希菌的活性远优于左氧氟沙星和环丙沙星(MIC: 32和64 μg/mL)。进一步研究发现,WFQ-228受喹诺酮耐药决定域(QRDRs)突变和泵介导外排影响较小,提示该化合物的作用机制可能异于传统的喹诺酮。

C-6位的氟原子有利于喹诺酮渗入细菌和与作用靶点结合,是目前喹诺酮最常见的结构单元。随着加雷沙星(见图13)和奈诺沙星等6-去氟喹诺酮的相继问世,6-去氟喹诺酮再次引起了科学家的极大关注。对6-去氟-8-甲基喹诺酮51的抗大肠埃希菌活性研究结果表明,C-7位取代基对活性影响显著,且顺序为吡咯烷>哌嗪>哌啶>硫代吗啉>吗啉。6-去氟喹诺酮52a,b对所测的3株大肠埃希菌具有良好的活性, MIC为0.063~4 μg/mL,对DC2菌株的活性分别是左氧氟沙星的2和4倍。二者(IC50: 6.4和3.2 μg/mL)对野生型DNA促旋酶的抑制活性与左氧氟沙星(IC50:3.2 μg/mL)相当,但对哺乳动物拓扑异构酶II的活性优于左氧氟沙星。

对6-氨基喹诺酮53而言,C-8位的取代基对抗大肠埃希菌活性有显著影响,且甲基衍生物的活性优于甲氧基衍生物,而乙基衍生物无活性;用甲胺基、二甲胺基代替氨基时活性将大幅下降。其中,代表物53a,b (MIC: 0.008 μg/mL)抗大肠埃希菌ATCC 8739和ISF 432菌株活性优于环丙沙星。

3.5 C-7位修饰

C-7位取代基与抗菌谱、抗菌活性、生物利用度和安全性息息相关,且C-7位被认为是最适合修饰的位点。事实上,近年来上市的喹诺酮均是对C-7位成功修饰的结果。碱性环胺如吡咯烷(吉米沙星和西他沙星)或六元环胺如哌嗪(环丙沙星和吉米沙星)和哌啶(那氟沙星和巴洛沙星)是该位点最常见的基团。

图10 喹诺酮衍生物48和 Ro-23-9424的化学结构

图11 司帕沙星、PD 124816、奥比沙星和格雷沙星的化学结构

图12 化合物49和50的化学结构

向喹诺酮的C-7位引入七元环胺得到了贝西沙星(见图14),故七元环胺也值得研究。七元环胺喹诺酮54a~c(MIC: 0.03, 0.25和0.03 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性较高,但弱于环丙沙星(MIC: ≤0.015 μg/mL)。进一步研究发现,引入桥环胺也不能提高抗大肠埃希菌活性。

SAR显示,向氟喹诺酮55 C-7位吡咯烷的R1至R5位引入烷基或芳基将会导致活性的降低,且氨基(n=0)衍生物的活性优于氨甲基(n=1)。喹诺酮衍生物56 (MIC: ≤0.003 μg/mL)的抗大肠埃希菌活性与加替沙星、莫西沙星、妥苏沙星和环丙沙星(MIC: 0.006,0.006, ≤0.003和≤0.003 μg/mL)相当或更优。其中,化合物56a(DQ-113, D61-1113)不仅对临床分离耐氟喹诺酮和耐多药致病菌活性极高,而且具有良好的体内活性。此外,DQ-113的毒理学和药代动力学性质良好,值得进一步开发。DX-619 (57)对包括大肠埃希菌在内的多种药敏型和耐药型致病菌具有良好的活性,该化合物对大肠埃希菌的MIC90为1 μg/mL,优于左氧氟沙星、环丙沙星、莫西沙星、加替沙星和加雷沙星(MIC90: 4~8 μg/mL)。

西他沙星(58a)及其衍生为58(MIC: ≤0.006~0.39 μg/mL)具有极为优秀的抗大肠埃希菌活性,提示C-7位对螺环胺容忍。DK-507k (58b)和DC-159a(58c)不仅毒性极低、药代动力学性质良好,而且体内活性高,值得深入研究。螺环胺喹诺酮59对大肠埃希菌的MIC < 1 μg/mL,且在大肠埃希菌感染的模型中显示出良好的体内活性。其中,化合物59a,b(MIC: 0.006和0.025 μg/mL)的体外抗大肠埃希菌Vogel的活性极高,相当于或优于诺氟沙星和环丙沙星(MIC: 0.10和0.025 μg/mL)。化合物59a(口服和皮下注射的PD50分别为3.4和8.4 mg/kg)在大肠埃希菌Vogel感染模型中也显示出极高的活性,极具进一步研究价值。

图13 加雷沙星、奈诺沙星和化合物51~53的化学结构

据统计,目前约一半正在使用的氟喹诺酮如依诺沙星、诺氟沙星、洛美沙星、那氟沙星、芦氟沙星、氧氟沙星、环丙沙星、左氧氟沙星和格雷沙星在C-7位含有一个(取代)哌嗪基,故(取代)哌嗪基对于发展新型氟喹诺酮至关重要。向哌嗪的N-4位引入乙酰基(60和61,见图15)、烷基/烯基/炔基(62)、羟基或巯基(63)并不能改善抗大肠埃希菌活性。

C-7位为4-羟基哌啶的那氟沙星是治疗寻常性痤疮和细菌性皮肤感染的刚用药物,S-(-)-那氟沙星精氨酸盐WCK 771 (64, MIC: 0.12 μg/mL)具有良好的抗大肠埃希菌活性,故向C-7位的环胺引入羟基也值得深入研究。含有4-羟基哌啶或3-羟基哌啶的左氧氟沙星衍生物65对多种药敏型和耐药型包括耐氟喹诺酮致病菌具有良好的活性,对所测2株大肠埃希菌的MIC为≤0.016~0.5 μg/mL,与环丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC: ≤0.016~8 μg/mL)相当或更优。化合物65a,b不仅对药敏型大肠埃希菌ATCC25922(MIC: ≤0.016和0.031 μg/mL)的活性极高,而且对耐环丙沙星临床分离大肠埃希菌的活性也极高(MIC:0.0625 μg/mL),活性是环丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星的16~128倍。值得注意的是,JNJ-Q2 (66)不仅对包括大肠埃希菌在内的多种致病菌具有广谱抗菌活性活性,而且在II期临床评价中安全性高、疗效确切。化合物67a~c(MIC: 0.25~0.5 μg/mL)是JNJ-Q2的衍生物,也具有良好的体外抗大肠埃希菌活性和体内抗菌活性,值得深入开发。

WQ-3810 (68a)对包括耐氟喹诺酮和耐多药致病菌在内的多种临床分离株具有优秀的活性,对所测98株临床分离大肠埃希菌的活性(MIC90: 4 μg/mL)是环丙沙星、吉米沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC90: 32~64 μg/mL)的8~16倍。显然,WQ-3810具有治疗耐多药大肠埃希菌感染的潜力。

3.6 C-8位修饰

C-8位的取代基与口服药代动力学、抗菌谱和突变息息相关,多种取代基如氢(环丙沙星)、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,见图16)、氮(吉米沙星)和1,8-桥杂环(左那氟沙星)可引入到此位点。

图15 氟喹诺酮衍生物60~68的化学结构

图16 非那沙星和左那氟沙星的化学结构

向C-8位引入甲氧基可降低毒性、减少高水平耐药性发生的几率,这可能是由于甲氧基可介导DNADNA促旋酶络合物与DNA-拓扑异构酶络合物结合。C-8位的甲基或氯可能会导致基因毒性,而第二个氟或硝基的引入对氟喹诺酮抗菌活性不利。

4 结束语

大肠埃希菌可导致严重的感染甚至死亡,给医疗系统带来了沉重的负担。喹诺酮广泛用于治疗各种院内和社区细菌感染,对大肠埃希菌引起的感染也有良好的疗效。遗憾的是,大肠埃希菌对这类药物的耐药性逐年增加。为克服日益严峻的耐药性问题,有必要研发新型喹诺酮抗菌药。

最近30年,科学家设计合成并评价了数以十万计的喹诺酮衍生物的体内外抗大肠埃希菌活性。本文综述了近年来该领域的最新研究进展,并总结了SAR (见图17),丰富的SAR为进一步合理设计了提供理论依据。

图17 4-喹诺酮的SAR

猜你喜欢
环丙沙星沙星喹诺酮
新型Z型TiO2/Ag/Ag3PO4光催化剂的设计及其降解环丙沙星性能研究
磁性CoFe2O4/g-C3N4复合纳米材料对环丙沙星的光催化降解研究
关注氟喹诺酮类药品的严重不良反应
响应面法优化TiO2光催化降解马波沙星的研究
肠杆菌科细菌环丙沙星耐药株与敏感株耐药性分析
Co2+催化超声/H2O2降解环丙沙星
无氟喹诺酮类抗菌药研究进展
非那沙星混悬滴耳液
无氟喹诺酮:奈诺沙星
氟喹诺酮类药物临床常见不良反应观察