琥珀酰亚胺衍生物抗癫痫活性的研究进展

王咏琪,赵泽丰,2,年 梦,陈靖轩,2,乔海法,2,杨晓航*

1.陕西中医药大学，陕西省针药结合重点实验室，咸阳 712046；2.陕西中医药大学针灸推拿学院，咸阳 712046

琥珀酰亚胺的化学名为吡咯烷-2，5-二酮（pyrrolidine-2，5-dione，结构见图1），又名丁二酰亚胺，是一种具有二酰基团的含氮杂环化合物，其结构片段广泛存在于天然产物及化学药物中，现代药理研究表明，琥珀酰亚胺类衍生物的药理活性主要包括抗癫痫、抗炎、抗肿瘤及抗菌等。琥珀酰亚胺最著名的应用当属用于抗癫痫药物（antiepileptic drugs， AEDS）的开发，20 世纪50年代之后，琥珀酰亚胺衍生物苯琥胺（phensuximide， PTS）、甲琥胺（methsuximide， MTS）和乙琥胺（ethosuximide， ETS）相继被美国食品药品监督管理局批准上市（结构见图2），构成了第一代AEDS［1］的重要组成部分。目前认为其治疗癫痫的主要机制是对钙通道的阻滞作用，相似机制的抗癫痫药物还包括噁唑烷二酮类衍生物（依沙双酮、甲乙双酮）及加巴喷丁、普瑞巴林及拉莫三嗪等。

图1 琥珀酰亚胺母核家族Fig.1 Family of succinimide skeleton

图2 琥珀酰亚胺衍生物苯琥胺、甲琥胺和乙琥胺的结构式Fig.2 Structures of succinimide derivatives phensuximide, methsuximide and ethosuximide

基于琥珀酰亚胺的母核结构，药物化学研究者开展了大量的研究工作，以琥珀酰亚胺为母核的上市或在研药物包括用于治疗精神分裂症的坦度螺酮、鲁拉西酮、哌罗匹隆和首个被批准用于治疗天花的小分子药物特考韦瑞及被用于治疗肿瘤的酪氨酸激酶抑制剂替万替尼等。本文着重介绍琥珀酰亚胺衍生物抗癫痫方面的活性，内容涵盖上市药物及合成衍生物，以时间为顺序对琥珀酰亚胺衍生物的抗癫痫活性及构效关系进行探讨，以期为该类药物的进一步开发提供依据。

1 上市药物的介绍

癫痫是一种常见的神经系统疾病。其发病机制复杂，中枢神经系统的异常兴奋、离子通道的异常放电、遗传因素及免疫系统疾病均被认为与癫痫发病有关［2］。治疗癫痫较困难，目前药物治疗仍是治疗癫痫的主要手段［3-4］。琥珀酰亚胺衍生物PTS、MTS 和ETS 为第一代抗癫痫药物中的重要组成部分，在20 世纪很长一段时间内为患者减轻了癫痫发病带来的痛苦。PTS 是琥珀酰亚胺类抗癫痫药之一，主要针对癫痫小发作［5］。在癫痫小发作时，它通过抑制与意识丧失有关的阵发性棘波发挥作用，并通过抑制运动皮层的神经传递降低癫痫发作频率。内源性物质方面，PTS 可以抑制由去极化引起的脑组织中环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷的蓄积。简化掉芳环结构的MTS 同样被批准上市用于治疗癫痫，其特点是可提高癫痫发作阈值，主要用于儿童失神发作的治疗。在失神发作中，它通过抑制与意识丧失有关的阵发性棘慢波发挥作用。MTS 可使运动皮层受到抑制并使中枢神经系统对癫痫刺激的阈值升高。其作用机制与其和T 型电压敏感性钙通道结合有关。ETS 同样是第一代AEDs 的重要组成部分，特别用于治疗无伴随症状的失神发作，其作用机制与MTS 相似。

MTS 和ETS 分别于1957年和1960年由临床上使用的抗癫痫药物琥珀酰亚胺类似物苯妥英和美芬妥英衍生而来，用于治疗癫痫（结构见图3）［6］。ETS是由MILLER C A 等［7］发起的一项构效关系（structure-activity relationship， SAR）研究衍生而来，该研究旨在设计和开发一种能有效对抗癫痫失神发作且不良反应小的药物。研究发现，琥珀酰亚胺结构本身不具有抗癫痫活性，但在琥珀酰亚胺分子的C-3 位引入乙基和甲基后合成的ETS，在控制癫痫失神发作方面具有显著的作用［8］，在琥珀酰亚胺分子的C-3 位引入单个苯基可合成MTS，其抗癫痫的作用略弱于苯妥英。琥珀酰亚胺类似物作为抗癫痫药物，需要像ETS 一样在化合物的C-2 位引入2 个取代基，或者如同MTS 在C-3 位和N 原子上引入取代基。由于3，3-二苯基琥珀酰亚胺的结构更类似于苯妥英，因此其效果强于同分异构体3，4-二苯基琥珀酰亚胺［9-11］。ETS 的开发也是为了寻找新的治疗失神性发作的抗癫痫药物，这些琥珀酰亚胺衍生物药物比早先临床使用的三甲双酮更有效，且毒性更小，更适用于治疗失神性或肌肉阵挛性癫痫发作。

2 合成衍生物的研究进展

1973年，MAGARIAN E O 等［12］研究了2-芳基琥珀酰亚胺衍生物的抗癫痫活性。在由戊四唑（pentylenetetrazole，PTZ）诱导的癫痫模型中，化合物2表现出与PTS 相近的活性。化合物1 和3（结构见图3）在300 mg·kg-1剂量水平下可以起到与PTS 相当的抗癫痫作用。在后续研究中，结构相似的衍生物则未检测到较明显的抗癫痫活性［13］。琥珀酰亚胺的NH 饱和氢被替换为亚甲基后，失去了在最大电休克（maximal electroshock test，MES）模型中的保护效力，作者给出的解释是可能由于该修饰影响了化合物与受体的结合。

1991年，根据先导化合物ETS 和2-苄基戊二酰亚胺的结构，课题组合成了一系列2-苄基琥珀酰亚胺衍生物，并测定了其抗癫痫活性［14］。结果发现，氯代化合物4 和5（结构见图4）是活性最好的衍生物，在MES 模型下的半数有效量（ED50）分别为0.519 1、0.498 3 mg·kg-1，皮下MES 的ED50分别为0.182 5、0.175 7 mg·kg-1，比ETS 更有效。根据实验结果，作者初步推断了该系列化合物的构效关系，但由于该系列化合物被测出较为明显的神经毒性，限制了进一步的研究。

图4 2-苄基琥珀酰亚胺衍生物的抗癫痫活性及其构效关系Fig.4 Antiepilepticactivity and SAR of 2-benylsuccinimide derivatives

1999年，OBNISKA J 等［15］对3，3-二苯基琥珀酰亚胺母核衍生物的抗癫痫潜在活性进行了评估。结果表明，化合物6和7（结构见图3）在MES 和皮下MES 测试中具有显著活性。初步推断的SAR 表明，C-3 位单芳基取代琥珀酰亚胺衍生物活性普遍优于双芳基取代衍生物，4-氟和3-溴衍生物的活性最佳。

2008年，KAMINSK K 等［16］制备了3，3-二烷基-吡咯烷-2，5-二酮和六氢-异吲哚-1，3-二酮等多个N-苯氨基衍生物，并评价了它们的抗癫痫活性。在初筛结果中，化合物8（MES ED50为 69.89 mg·kg-1）为活性最佳的化合物，进一步进行药代动力学及量效关系测定（见图5）。结果表明，该化合物的半数中毒剂量（TD50）为500 mg·kg-1，其保护指数（protective index，PI=TD50/ED50）为7.15。SAR 分析结果表明，琥珀酰亚胺片段上较优的取代基团为二甲基、甲-乙基、甲-丙基等双供电子基团，而苯环上较优的取代基为2，4-位或4-位上的吸电子取代基，其他位置上的供电子取代基则活性较低。

图5 3,3-二烷基吡咯烷-2,5-二酮衍生物的构效关系Fig.5 SAR of 3,3-dialkyl-pyrrolidine-2,5-diones derivatives

OBNISKA J 等［17］制备了一系列3-苯基琥珀酰亚胺类似物。在该系列类似物中，活性最高的化合物9（见图6）在MES 模型的ED50值为20.78 mg·kg-1，在与阳性药苯妥英毒性相近的情况下表现出优于苯妥英的抗癫痫活性。SAR 分析结果表明，该化合物的抗癫痫活性取决于琥珀酰亚胺中氮原子与4-芳基哌嗪片段之间烷基的间隔距离以及与2 个苯环相连的取代基的种类。在3-苯基-琥珀酰亚胺片段的邻位取代亚甲基连接子和高吸电子的三氟甲基的化合物具有最显著的抗癫痫活性，此外，在4-芳基哌嗪片段的C-3 位具有三氟甲基或氯原子等吸电子取代基的衍生物活性较好。

图6 N-[(4-芳基哌嗪-1-基)-烷基]琥珀酰亚胺衍生物的构效关系Fig.6 SAR of N-[(4-arylpiperazin-1-yl)-alkyl] succinimide derivatives

2010年，OBNISKA J 等［18］设计合成了3-芳基-琥珀酰亚胺类衍生的新型曼尼希碱，将其作为抗癫痫候选化合物并评估了其生物活性。结果表明，活性较强的化合物10 和11（见图3）的MES ED50值分别为21.4、28.83 mg·kg-1。进一步选取化合物12 进行精神运动性癫痫发作的6 Hz 电刺激测试，选取化合物13 在匹罗卡品诱导状态和大鼠海马点燃状态下进行检测，结果显示2 种化合物均表现出了较好的抗癫痫活性。

2015年，OBNISKA J 等［19］以3-甲基-3-苯基-2，5-二氧-1-吡咯烷乙酸为原料，设计合成了多种琥珀酰亚胺衍生物。动物实验初步结果表明，大部分化合物具有较为显著的抗癫痫活性，其中化合物14、15、16（见图3）在MES 实验中活性最好，ED50值分别为114.68、104.11、97.51 mg·kg-1。此外，在小鼠福尔马林强直性疼痛模型中，这些化合物被证明具有一定的镇痛作用，而在烟囱实验中，上述化合物则被证明不会损害小鼠的运动协调性。体外实验结果表明，其抗癫痫作用机制可能与影响电压门控钠通道和钙通道有关。

由二苯甲基和异丙基琥珀酰亚胺衍生的N-曼尼希碱也被考虑纳入先导化合物的范围［20］。活性测定结果表明，活性最佳的化合物为17（MES ED50为 42.71 mg·kg-1，皮下PTZ ED50＞150 mg·kg-1）和18（MES ED50为 101.46 mg·kg-1，皮下PTZ ED50为 72.59 mg·kg-1）的活性优于上市药物ETS 和丙戊酸，且神经毒性较低（见图3）。体外研究结果表明，化合物17 和18 在100 μmol·L-1的剂量下对电压门控钠通道Nav1.2 和L 型钙通道有显著调控作用。随后的研究结果表明，上述化合物具有类似普瑞巴林的受体调控作用［21］，并测定了它们与GABAA、5-HT1A、5-HT2A受体和α1-肾上腺素受体的结合亲和力。

2016年，KAMINSKI K 等［22］基于琥珀酰亚胺母核合成了新型杂环衍生物并将其作为抗癫痫候选药物。优效衍生物19（MES，皮下PTZ 和6 Hz 模型的ED50分别为96.9、75.4、44.3 mg·kg-1）（见图3），转棒实验中该化合物的TD50值为335.8 mg·kg-1，表明该化合物具有良好的安全性。体外实验结果表明，该化合物可有效调控神经元电压敏感钠通道，并能与L 型钙通道的地尔硫䓬位点结合。

KAMINSKI K 等［23］在2016年设计合成出了更多的琥珀酰亚胺衍生物。其中化合物20 表现出较强的活性（MES，皮下PTZ 和6 Hz 的ED50分别为74.8、51.6、16.8 mg·kg-1）（见图3）。在烟囱实验中，该化合物0.5 h 的TD50值为213.3 mg·kg-1，满足PI 值（PI MES 为 2.85，PI皮下PTZ 为 4.13，PI 6 Hz为12.70）。除抗癫痫外，化合物20 还能缓解由福尔马林诱导的小鼠强直性疼痛反应。

2017年，RYBKA S 等［24］根据ETS 和左乙拉西坦的SAR 分析结果，研究了N-［（4-芳基哌嗪-1-基）-烷基］-琥珀酰亚胺衍生物的亲脂性和抗癫痫活性。结果表明，在MES 模型中化合物的抗癫痫活性与其亲脂性密切相关。其中活性最强的化合物21（MES和皮下PTZ 的ED50分别为88.2、65.7 mg·kg-1）（见图3）表现出比已知的AEDs 更高的保护指数。

RYBKA S 等［25］基于琥珀酰亚胺母核，通过席夫碱反应合成出多种N-曼尼希碱及其3-甲基、3-异丙基和3-二苯甲基取代琥珀酰亚胺衍生物，并进一步评估了其抗癫痫活性。其中化合物22（见图3）的活性最佳（MES，皮下PTZ 和6 Hz 的ED50分别为41.0，101.6、45.42 mg·kg-1）。且化合物22 显示出优于临床AEDs的保护指数。化合物22 的体外研究结果表明，其潜在作用机制可能与其阻断神经元电压敏感钠通道及L 型钙通道相关，抑制率分别为29.9%、66.1%。

经过前期大量的结构优化，SOCALA K 等［26］选择了结构与化合物20 相似的化合物KA-11（23，见图7）作为临床候选化合物进行深入研究［26］。化合物23 是新型广谱抗癫痫候选化合物，具有良好的疗效和安全性（MES，皮下PTZ 和6 Hz 模型的ED50分别为88.4、59.9、21.0 mg·kg-1，TD50＞1 500 mg·kg-1）。

图7 KA-11 的构效关系及其结构优化Fig.7 SAR of KA-11 and its structural optimization

同时，化合物23 显示出比窄谱AEDs 更为广泛的保护作用，化合物23 的临床前数据表明，其对不同类型的癫痫（包括强直阵挛性癫痫、局灶性发作癫痫和失神癫痫）均具有一定的治疗潜力。体外实验结果表明，化合物23 可与钠通道、N 型及L 型钙通道、NMDA、AMPA、GABAA1（α1，β2，γ2）和5-HT1A等多种癫痫相关的通道蛋白产生结合作用，进一步证实了该化合物治疗癫痫的可靠性。此外，化合物23 已被证实对小鼠海马的神经发生和神经退行性变过程无负面影响［27］，为后续临床试验奠定基础。

基于化合物23 的结构，研究人员又设计合成了一系列新的化合物，其中化合物KA-12（24，见图7）在不同癫痫动物模型中（MES，皮下PTZ 和6 Hz 的ED50分别为79.5、123.2、22.4 mg·kg-1）［28-29］表现出最佳抗癫痫活性。此外，化合物24 在由福尔马林诱导的强直性疼痛和由奥沙利铂诱导的神经性疼痛中均能表现出一定的缓解效应，表明其具有镇痛活性。2020年，结构优化取得了新进展［30］。受上市药物拉科酰胺的启发，研究者将先导物25（见图7）中一个额外的芳香环引入到化合物23 结构片段的不同区域中，期望起到增强抗癫痫活性及靶点亲和力的效果。结果表明，化合物26（见图7）在体内（MES、皮下PTZ 和6 Hz 模型的ED50分别为23.7、59.4、22.4 mg·kg-1）及体外（与钠通道、N 型及L 型钙通道、NMDA、GABA 转运体和5-HT1A受体亲和力测定）模型中均表现出较好的活性，电生理方面，该化合物能够抑制中枢钠/钙电流和瞬时受体电位香草酸1 受体的拮抗，而其良好的吸收、分布、代谢、排泄及毒性特征也为进一步的临床试验奠定了基础。

3 结论

琥珀酰亚胺作为一种基于天然产物的杂环类结构片段，在多种疾病治疗药物的设计中发挥了重要作用。目前琥珀酰亚胺的结构修饰工作主要通过以下策略：①在其双亚甲基片段上进行碳链延伸，由苯琥胺等药物的开发历程可知，苯环的引入或缺失对活性有很重要的影响，乙琥胺的出现则是基于药效及代谢效应结果，在生物电子等排体思路下设计而成；②在琥珀酰亚胺裸露的氨基部分引入碳链，将仲胺改造为叔胺，这种修饰方法会对琥珀酰亚胺的碱性产生较强影响，进而对活性产生影响。

纵观抗癫痫药物的开发历程，琥珀酰亚胺类的乙琥胺等衍生物在其中占据了重要地位。在同期上市的包括地西泮、卡马西平在内的以γ-氨基丁酸（GABA）受体为主要靶点的苯二氮䓬类药物的市场需求热度不减，然而，琥珀酰亚胺类药物的市场地位却在逐渐下降。由此可见，在药物开发过程中仍需重视其毒性，而作用靶点的研究也需要进一步深入，针对GABA 受体的有效性也逐渐成为抗癫痫药物开发过程检测的主要标准之一。本综述介绍了琥珀酰亚胺类似物在抗癫痫活性方面的研究进展，为进一步开展这方面研究提供了理论依据，也将为以琥珀酰亚胺为母核设计更加安全有效的抗癫痫药物做出贡献。