翻譯：同寫意團(tuán)隊(duì)
杰克說藥是知名藥史專家JieJackLi（李杰）院長(zhǎng)專為同寫意構(gòu)建的藥林外史精品專欄，將述說一個(gè)個(gè)抗生素發(fā)覺背后的故事。李杰院長(zhǎng)現(xiàn)為北京睿智的總工裁，先后出版了30本有機(jī)和抗生素物理方面的書籍以及抗生素發(fā)覺史，其中10本與諾獎(jiǎng)得主E.J.Corey合作完成。其《Drugs》一書獲2015AlphaSigmaNuBook獎(jiǎng)，并被翻譯成英文出版，受到歡迎。
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QT間期是心室去極化和復(fù)極化之間的時(shí)間。QT延長(zhǎng)的抗生素是由于它阻斷了humanether-a-go-go基因(hERG)編碼的鉀離子通道。hERG鉀離子通道(IKr)是由4個(gè)相同亞單位構(gòu)成的四聚體，它在腎臟復(fù)極中起核心作用。與hERG有結(jié)合的抗生素常常會(huì)引起QT延長(zhǎng)，從而形成抗生素腎臟毒性。近些年來，一些抗生素因?yàn)橛袑?duì)hERG通道的抑制作用而被撤市。
hERG問題的典型事例是賽諾菲的多非利特(1)，一個(gè)III類抗心率失常的藥。它被撤市的緣由是它對(duì)hERG通道有抑制作用，可能引起尖端扭轉(zhuǎn)型室速。這是一種罕見但嚴(yán)重的情況，具體表現(xiàn)為心電圖上QT間期延長(zhǎng)。另外兩種知名的hERG抑制抗生素分別是楊森的抗精神病藥氟哌啶醇(2)和賽諾菲已被撤回的藥物托伐沙星(3)1。
抗生素親脂性越強(qiáng)，出現(xiàn)hERG問題的可能性越大2。因而，cLogP值越大的分子越傾向于與hERG緊密結(jié)合，進(jìn)而降低心血管毒性風(fēng)險(xiǎn)。事實(shí)上，抗生素的親脂性對(duì)hERG的結(jié)合影響極大，有時(shí)僅僅把化合物中的羰基轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴＞妥阋詼p輕hERG問題。
有幾種策略可以減輕hERG問題，包括：減少親脂性，減少酸性，降低負(fù)電荷ⅲ類鉀通道阻滯劑，等等。
01
干擾與hERG蛋白上和的互相作用
hERG蛋白上的兩個(gè)芳香族多肽殘基（第652位的絡(luò)谷氨酸、第656位的苯丙谷氨酸）在抗生素和hERG的結(jié)合發(fā)揮重要作用。在抗生素分子外圍添加芳基環(huán)、引入官能團(tuán)約束、固定構(gòu)型、和選擇不同的立體物理構(gòu)型早已成功增加了抗生素的hERG結(jié)合。
紅色素濃集素受體1(MCHr1)拮抗劑被探求用于體重控制。這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的靶向，由于它與hERG藥效團(tuán)十分相像。諾華發(fā)覺了一系列以吡啶（化合物4）為代表的含惡二唑化合物，這種化合物在經(jīng)過優(yōu)化后仍存在hERG問題。她們繼續(xù)努力，最終獲得了臨床候選化合物5，它具有一種新穎的外周螺氮配體丙烷結(jié)構(gòu)。
化合物5對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)表現(xiàn)出適當(dāng)?shù)挠H脂性，還具有良好選擇性，hERG抑制等脫靶作用較少。可能是螺氮配體甲烷的三維立體物理構(gòu)型消弱了化合物5與hERG蛋白的結(jié)合親和力。臨床前藥理學(xué)和安全毒理學(xué)研究(GLP)未發(fā)覺腎臟毒性結(jié)果，化合物5已步入醫(yī)治糖尿病的臨床試驗(yàn)3。
西格列汀是默克公司于2006年最早成功獲準(zhǔn)的二肽基肽酶4(DPP4)抑制劑，奧格列汀(7)是西格列汀固定構(gòu)型化的取代抗生素。西格列汀的環(huán)己泛型似物6缺少足夠的選擇性，IKr(IC50=4.8mM)，高于IC50>30mM的標(biāo)準(zhǔn)。
據(jù)悉，在心血管狗模型中，環(huán)己泛型似物6可延長(zhǎng)QT間期。用四氫噻吩代替環(huán)己基，得到奧格列汀（化合物7），使伯胺的pKa從8.6增加到7.3，同時(shí)hERG鉀離子通道選擇性相應(yīng)提升(IC50=23mM)。在心血管狗模型中，四氫噻吩類似物（化合物7）在高劑量時(shí)也完全沒有QT間期延長(zhǎng)4。
02
增加親脂性
hERG同源模型和突變數(shù)據(jù)表明官能團(tuán)結(jié)合位點(diǎn)坐落一個(gè)由芳香殘基排列組成的大疏水腔內(nèi)。為此，減少抗生素的親脂性，比如用雜芳基環(huán)代替官能團(tuán)，可以破壞通道疏水腔內(nèi)官能團(tuán)互相作用，進(jìn)而降低hERG的抑制作用。
默克公司的先導(dǎo)化合物8是腺苷受體2A亞型(A2A)的強(qiáng)效拮抗劑，在對(duì)人類A2A受體的競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合試驗(yàn)中，其Ki值為5.5nM。不幸的是，其cLogP相對(duì)較高(4.0)，其遠(yuǎn)端氟甲基環(huán)在四聚體hERG離子通道中與4個(gè)第656位的苯丙谷氨酸產(chǎn)生良好的互相作用，造成hERG抑制活性較高。
默克的物理家用五元配體代替氟甲基，形成的所有衍生物的hERG抑制活性都得到了減輕。最令人印象深刻的是，二苯基吡啶類似物9增加了hERG的抑制活性的同時(shí),還增強(qiáng)了對(duì)A2A的拮抗作用5。
一般，阻斷hERG和親脂性的高低有關(guān)系。有一個(gè)親脂結(jié)合位點(diǎn)可以使化合物步入細(xì)胞內(nèi)區(qū)域。為此，降低極性會(huì)干擾親脂互相作用。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，cLogP值大于3.0的分子傾向于減緩與hERG離子通道的結(jié)合。
默克物理家用吡啶基替代化合物8的氟甲基，獲得化合物10，也是一種A2A受體拮抗劑。可能因?yàn)榛衔?0的分子極性較高，cLogP估算值低至2.05。
腎外髓質(zhì)鉀離子通道(ROMK)抑制劑是潛在的通便劑。默克公司的ROMK抑制劑11具有特別高的hERG抑制活性。多次反復(fù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系，最終得到MK-7145（12)。其hERG抑制活性明顯增加，其親脂性呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，cLogP值為–0.51。MK-7145（12）是第一個(gè)步入臨床試驗(yàn)的小分子ROMK抑制劑6。
PNU-282,987(13)是一種有效的、選擇性的a7神經(jīng)元煙堿甲基膽堿受體(a7nAChR)興奮劑，有醫(yī)治精神分裂癥的認(rèn)知缺陷的潛力。遺憾的是，它具有明顯的hERG鉀離子通道抑制活性。為了提升其安全性，人們用6,5-偏析類似物代替其對(duì)甲苯官能團(tuán)，因而得到系列衍生物，其中包括苯并咪唑衍生物（化合物14）。
盡管化合物14在小鼠肝微粒體模型中的效應(yīng)和穩(wěn)定性都很突出，但眾所周知，吡啶因?yàn)槠浜须娮佣哂写x激活的傾向。因而，又制備了四種吡啶咪唑衍生物均來減少代謝激活作用，其中包括氯苯[2,3-c]咪唑衍生物15。在這四種吡啶咪唑衍生物中，只有吡啶[2,3-c]苯基15足夠有效，能作為a7nAChR興奮劑。化合物14和15均增加了hERG抑制活性。
03
控制pKa以減少分子酸性
對(duì)hERG的阻斷并毋須一定須要酸性胺，芳香族或親脂性官能團(tuán)可能具有類似的功能。為此，增加酸性氮的pKa常常通過干擾陽離子-p互相作用而減少hERG抑制活性。據(jù)悉，通過大官能團(tuán)來屏蔽酸性中心也會(huì)妨礙與hERG離子通道的結(jié)合。
新的拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑的發(fā)覺取得了很大進(jìn)展，以致發(fā)覺了4-甲基哌啶衍生物16。這個(gè)化合物的聯(lián)接子特征是在7號(hào)位置戰(zhàn)略性地引入一個(gè)酸性氮原子，X-射線晶體結(jié)構(gòu)顯示出該分子與第83位的五味子谷氨酸的鹽橋互相作用。并且，因?yàn)榛衔?6與hERG結(jié)合，造成TC延長(zhǎng)，其臨床開發(fā)終止了。
而在其分子結(jié)構(gòu)中引入2-氧雜雙環(huán)[2.1.1]戊烷聯(lián)接獲得了(17)。該分子具有較低的酸性和減小的hERG鉀通道抑制活性。在化合物17的C-2處進(jìn)一步添加甲基生成(18)，其hERG抑制活性增加30倍，溶化性提升100倍以上，同時(shí)抑菌效能和抑菌譜的損失最小8。
默克公司成功研制了選擇性非肽神經(jīng)激肽(NK1)拮抗劑阿瑞吡坦來醫(yī)治放療造成的反胃和頭暈。在此基礎(chǔ)上還研究了一系列的1-甲基-8-氮配體[3.2.2]辛烷醚。
化合物19在植物模型中具有較好的藥效，但其與hERG通道的互相作用不太有利，Ki值為100nM。在四唑的a位置安裝一個(gè)氟原子，這一看似微小的變化使其pKa值從化合物19的7.3變?yōu)榉愃莆?0的5.0，增加了酸性。為此，hERG鉀離子通道的選擇性得到了挺好的改善9。
三氟乙酰亞胺部份有助于提高三系列抗鼠疫抗生素的總體狀況。用相應(yīng)的三氟乙基嗎啉基替代化合物21上的三氟乙酰氨基，得到了類似物22，其hERG鉀通道的結(jié)合從3mM提升到20.2mM。據(jù)悉，22在單次口服30mg/kg劑量后，比化合物21的血藥含量提升了17倍10。
04
引入負(fù)電荷
兩性離子的產(chǎn)生限制了化合物的膜滲透性。為此，抗生素兩性離子的產(chǎn)生可以制止其步入跨膜結(jié)合位點(diǎn)ⅲ類鉀通道阻滯劑，并最大限度地降低與hERG的潛在互相作用。
特非那定(22)是親脂性二代組氨酸H1受體拮抗劑(抗膽堿酯酶藥)，但不是挺好的抗生素。像許多親脂性酸性抗生素一樣，它與hERG鉀離子通道結(jié)合，造成QT延長(zhǎng)，因而形成腎臟毒性。女人其實(shí)比女性更容易遭到抗生素不良反應(yīng)的影響。在1997年停用特非那定之前，死于特非那定誘導(dǎo)的尖部扭轉(zhuǎn)的女人比女性多。
相反，其主要代謝物非索非那定(23)對(duì)hERG(和許多其他生物靶向)具有選擇性，且無腎臟毒性。引入例如甲基等的極性羧基明顯增加了分子的親脂性，造成分子極大地被還原。從化合物22到23的轉(zhuǎn)變?yōu)樵趺纯朔ERG問題提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，由于這一問題困惑了許多親脂性和酸性化合物11。
抗生素物理的實(shí)踐中可以單獨(dú)使用一種策略或使用幾種策略一上去減少或清除與化合物與hERG的互相作用12。
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