作用于GABA受体的兽用杀寄生虫药物

2022-10-08 11:50郑小娇刘根炎巨修练

世界农药 2022年9期

郑小娇，刘根炎，巨修练

(武汉工程大学化工与制药学院，武汉 430205)

GABA (γ-aminobutyric acid)是哺乳动物中枢神经系统(central nervous system, CNS)内重要的抑制性神经递质。GABA从突触细胞释放后作用于GABA受体(γ-aminobutyric acid receptor)，激活离子通道打开使氯离子内流，从而对生物体的神经活动产生抑制作用。GABA受体是医药、兽药、农药的重要作用靶标，具有亚型多样性及作用位点复杂性的特点[1-3]。在哺乳动物中，根据受体结构和功能区分及药理特性，将GABA受体分为3种亚型：离子型通道GABAA受体、GABAC受体以及代谢型GABAB受体。GABAA受体属于半胱氨酸环配体门控离子通道超家族，是一种五聚体跨膜糖蛋白，与其他神经递质门控离子通道相似，GABA受体包含一个由5个跨膜亚基共同组装的中央氯离子通道孔[4-5]。研究表明，在哺乳动物中，GABAA受体由19种亚基(α1-6,β1-3,γ1-3,δ1,ε1,Φ1,π1,ρ1-3)组合而成[6]，每个亚基包含400~550个氨基酸残基，由3个结构域组成：约220个氨基酸残基组成的胞外N端配体结合区域(ligand-binding domain, LBD)，这部分为长链的亲水区，主要为折叠结构；4个跨膜疏水序列(TM1-TM4)构成的跨膜区域(transmembrane domains, TMDs)，主要为螺旋结构，它们来回4次横穿细胞膜，组成跨膜通道，其中TM2组成通道内壁；另外，还有处于细胞内基质的环，它是各亚基变异度最大的区域，目前对这部分序列的结构和功能研究较少[2]。

不同于哺乳动物，昆虫GABA受体目前并无GABAA、GABAB、GABAC受体3种亚型之分，一般认为昆虫GABA受体与哺乳动物的GABAA受体相似度较高[7]。对昆虫GABA受体的研究远不及哺乳动物GABAA受体，迄今为止，昆虫离子型GABA受体仅通过克隆得到3种亚基：RDL (Resistance to dieldrin)、GDR (GABA and glycine-like receptor ofDrosophila melanogaster)和LCCH3 (Ligand-gated Chloride Channel Homologue 3)。其中，RDL亚基因对狄氏剂具有抗性而得名，研究表明，目前仅发现RDL亚基能形成功能性门控氯离子通道[8-10]。与哺乳动物GABAA受体相比，RDL氨基酸序列具有高度的相似性，RDL亚基的TM3和TM4之间的连接片段较长，但同样具有跨膜疏水区，其结构与GABAA受体亚基相似。2004年Miller等首次报道了由5个β3亚基组成的人GABAA受体同源五聚体的三维晶体结构，对GABAA受体的研究具有划时代的意义，随后有关人的几种GABAA受体也被相继解析出来。但目前还没有昆虫GABA受体晶体结构被解析的报道[11-12]。

GABA受体调节剂(modulator)分为激动剂(agonist)和拮抗剂(antagonist)，拮抗剂又分为竞争性拮抗剂(comparative agonist, CA)及非竞争性拮抗剂(nocomparative agonist, NCA)。目前作用于GABA受体作为杀寄生虫的药物主要分为4类：⑴ 多氯环烷烃，其中代表品种为林丹(lindane)；⑵ 苯基吡唑类，其中代表品种为氟虫腈(fipronil)；⑶ 大环类酯，其中代表品种为伊维菌素(evermectin)；⑷ 异噁唑啉类，其中代表品种为氟雷拉纳(fluralaner)。现将这4类杀寄生虫药物分别予以介绍。

图1 GABA受体及配体结合位点示意图

1 多氯环烷烃

多氯环烷烃作为杀虫剂具有较长的历史。1825年Farady发现苯和氯气在日光下反应可以得到一种固体产物六氯环己烷，由于分子结构为C6H6Cl6简称为六六六。1912年Lindene指出，在六六六混合物中存在4种立体异构体。直到1935年六六六的杀虫活性才由Bender发现。随后Dupire和Slade也各自发现了六六六的杀虫活性。Slade还进一步指出，六六六的生物活性几乎完全是由于γ-六六六异构体的存在所引起的。含γ-体99%以上的六六六就叫林丹(lindane)，其具有触杀和胃毒杀虫作用，也有一定的熏蒸作用。在此基础上，20世纪50-60年代先后开发上市的杀虫剂有艾氏剂、狄氏剂、毒杀分、硫丹等多氯环烷烃类(图2)。1982年Matsumura等通过同位素示踪方法发现该类杀虫剂作用于GABA受体的NCA作用位点，这是世界上首次报道该类杀虫剂作用靶标为GABA受体[13-14]。该类杀虫剂对土栖害虫、植食性害虫、卫生害虫及一些动物寄生虫均有效，20世纪60-70年代在我国得到广泛应用，由于其在环境中不易降解及蓄积毒性，现已被禁止作为农药及兽药使用。该类杀虫剂作用于GABA受体的NCA结合位点，该位点位于GABA受体离子通道跨膜段M2区域，为区别于其他NCA结合位点，称为NCA-Ⅰ位点[15]。

图2 代表性多氯环烷烃分子结构

2 苯基吡唑类

苯基吡唑类杀虫剂是20世纪80年代罗纳-普朗克公司在开发除草剂的过程中开发出的一类新颖结构的杀虫剂，代表品种有氟虫腈(fipronil)、乙硫虫腈(ethiprole)等。氟虫腈是由罗纳-普朗克农化公司于1987年研制开发，并于1993年开始商品化在全球范围内推广使用。它是一种高效、低毒的杀虫剂，也是第1个上市的苯基吡唑类杀虫剂，对哺乳动物和昆虫具有较高的特异选择性。通过同位素示踪及电生理等方法确认该类杀虫剂作用于GABA受体的NCA-Ⅰ位点，与多氯环烷烃类杀虫剂作用位点一致，两类杀虫剂具有交互抗性[16]。其后，陆续有苯基吡唑类杀虫剂被推向市场，如具有与锐劲特相类似的化学结构的乙虫腈，吡唑环4位为乙基亚砜，是安万特公司开发的杀虫、杀螨剂，其生物活性与氟虫腈相近，但生产成本低于氟虫腈，安全性高于氟虫腈。1996年Frontline (福来恩，fipronil)作为宠物用药在美国上市，适用于宠物各阶段的跳蚤虫卵、幼虫、成虫，虱子以及蜱虫，也可有效预防包括Lyme在内的多种疾病[17]，目前作为杀寄生虫药物大量使用。

图3 苯基吡唑类杀虫剂氟虫腈和乙虫腈

3 大环内酯

阿维菌素从首次被发现至今已经有近半个世纪的历史。1976年，科学家在日本静冈县意外发现了链霉菌(Streptomycesa vermitilisMA-4860)，在此之后不久美国默克公司(Merck)则在Streptomycesa vermitilisMA-4860的发酵菌丝内发现了8种天然大环内酯类同系物[18-19]。该公司将此类化合物定名阿维菌素(avermectin)，但其中活性最高的是阿维菌素B1a，又称abamectin或简称AVM。默克公司在1981年向市场推出了商品化的阿维菌素。阿维菌素类化合物主要由以下结构组成：主体结构十六元内酯环，以及与环连接的二糖基、六氢苯并呋喃环系和螺缩酮系等[20-21]。自从阿维菌素问世后，鉴于其抗虫谱广、杀虫活性高、对哺乳动物安全性高等优点，受到了全球药物科研人员的追捧，该发明获得2015年的诺贝尔生理学或医学奖。迄今为止，人类基于天然阿维菌素母体结构改造得到了安全、高效的阿维菌素衍生物，其中不乏成功案例，诸如生物活性较高的有伊维菌素(ivermectin, IVM)，目前作为医药及兽药使用得到广泛应用[22-23]。研究表明，阿维菌素作为GABA受体调节剂作用于该受体氯离子通道的亚基疏水段M1与M2或M3的交界区域，对GABA受体具有双向调节作用，低浓度刺激氯离子内流，高浓度阻滞氯离子内流。阿维菌素作用位点与目前发现的杀虫剂其他作用位点没有交互抗性[24]。阿维菌素的衍生物仍在不断开发中，甲胺基阿维菌素苯甲酸盐在农业害虫防治中得到了广泛应用。

图4 大环内酯类杀虫剂阿维菌素和伊维菌素

4 异噁唑啉类

2004年，日本日产化学工业株式会社首次合成氟雷拉纳，该化合物属于异噁唑啉类，并于2005年获得国际专利授权[25]。研究表明该类杀虫剂作为GABA受体非竞争性拮抗剂作用于GABA受体的NCA-Ⅱ位点，NCA-Ⅱ位点可能位于GABA受体跨膜段亚基M1和M3的连接区域，因此该类杀虫剂与多氯环烷烃类及苯基吡唑类杀虫剂(作用于NCA-Ⅰ作用位点)没有交互抗性。目前其作用机制和结合位点仍在研究中[26-27]。Ozoe等人发现化合物氟雷拉纳不仅可作用于昆虫GABA受体也作用于谷氨酸氯门控离子通道，但其对GABA受体的抑制作用比对谷氨酸氯离子通道的更强[28]。氟雷拉纳是一种对寄生虫比较高效的GABA受体NCAs，为全身性抗寄生虫药，驱杀犬体表的跳蚤和蜱的作用可持续12周，并表现出比氟虫腈更高效的特点[29]。该剂于2014年1月首次在欧盟注册，并于同年4月上市，目前商品化产品Bravecto已在欧洲、美洲市场投入使用。在氟雷拉纳的结构基础上，先后开发了阿福拉纳、沙罗拉纳、洛替拉纳，并均已成功上市，用于宠物寄生虫的防治[30-32]。目前，氟雷拉纳已在超过85个国家注册，销售量超过1亿片，在全球动物保健产品中销量排名第一。该类化合物在农业上的应用正在研究中，具有较大的发展潜力。

图5 异噁唑啉类杀虫剂氟雷拉纳、阿福拉纳、沙罗拉纳、洛替拉纳

5 展望