抗生素结构修饰的进展

【关键词】  ,抗生素；,,,结构修饰

　　摘要：   天然抗生素结构的适当修饰可改善其性能，是探索开发新药的有效途径之一。本文综述抗生素结构修饰研究的现状与进展，列举了在扩展抗菌谱、增强抗菌活性、克服耐药性、改善药物动力学性能、降低毒副反应以及适应制剂需要等方面的成功修饰实例。不是所有抗生素经过修饰都能如愿地得到良好的修饰物，但在新抗生素筛选困难重重的今天，对获得的天然物进行适当的结构修饰是十分必要的。

　　关键词：   抗生素；   结构修饰

　　Advances in structural modification of antibiotics

　　　ABSTRACT   Ingenious modification of structure of natural antibiotics could improve their properties, which is one of ways to search for new drugs. In this paper some successful examples of structural modifications in expansion of antibacterial spectrum, increase of antibacterial activities, relief of resistance, improvement of pharmacokinetic properties, alleviation of toxicity and requirement for preparation were summarized. Although wishful products could not be obtained from any antibiotic, which has been modified. In these days of difficulty to search for new antibiotics, the modification of structure of natural antibiotics is necessary.

　　KEY WORDS   Antibiotics;   Structural modification

　　天然抗生素结构的适当修饰可改善其性能，是探索开发新药的有效途径之一。在历年上市的新抗生素中，结构修饰物所占的比率逐年上升(表1)，2001年以后上市的6种新抗生素都是结构修饰物(表2)，各国正在开发中的18种抗生素除雷莫拉宁(ramoplanin)之外也都是结构修饰物(表3)。

　　表1      历年上市的新抗生素数量（略）

　　表2      2001年以来上市的新抗生素(6种) （略）

　　表3      各国正在开发中的新抗生素 (18种)［7］（略）

　　结构修饰常采用化学方法：半合成法简捷易行，但结构变幅受限；全合成法路线较长，但可大幅度改变结构，组合化学法便于高通量筛选。结构修饰亦采用添加前体的生物合成与生物转化等方法，近年还采用基因工程、细胞工程以及组合生物合成等生物学方法。根据需要与可能，对不同的抗生素进行多种多样的结构修饰，在扩展抗菌谱、增强抗菌活性、克服耐药性、改善药物动力学性能(如增强稳定性、提高血药浓度、延长消除半衰期)、降低毒副反应、以及适应制剂需要等方面都获得不小成绩。

　　1   扩展抗菌谱的修饰

　　众所周知，青霉素G临床应用开创了抗生素新纪元，但其抗菌谱偏窄，仅抗革兰阳性细菌与个别的革兰阴性细菌，对大部分常见的革兰阴性致病菌无作用。通过向青霉素G侧链导入氨基等的修饰，开发出氨苄西林(ampicillin)与阿莫西林(amoxicillin)等广谱青霉素；向侧链导入羧基等的修饰，研制出对铜绿假单胞菌等难控制的革兰阴性菌也有良好作用的抗菌谱更广的羧苄西林(carbenicillin)与磺苄西林(sulbenicillin)，继而开发出哌拉西林(piperacillin)与美洛西林(mezlocillin)等活性更强的广谱青霉素(图1)。

　　2   增强抗菌活性的修饰

　　天然头孢菌素C(cephalosporin C)、头霉素(cephamycins)与头菌素(cephabacins)抗菌谱广，但抗菌活性极低，都不能应用。经过适当的修饰非但提高了抗菌活性，而且扩展了抗菌谱。临床应用的头孢菌素类抗生素已由第一代到第四代(表4)，成为当前最重要的一类抗感染药物。

　　图1 （略）    

　　利用超敏感菌株筛选出的磺酰胺菌素(sulfazecin)、SQ26700与PB5266等单环β内酰胺类化合物抗菌活性低微，不能应用。经过大量结构修饰，筛选出的氨曲南(azteronam)与卡芦莫南(carumonam)具有很强抗革兰阴性细菌，包括铜绿假单胞菌活性，已临床应用(图2)。去掉土霉素的6位氧，制得多西环素(doxycycline)，抗菌谱同四环素，但抗菌活性比四环素强2～8倍。将四环素4位的二甲氨基再导入7位，合成出米诺环素(minocycline)，抗菌活性比四环素强8～12倍(图3)。

　　表4    各代头孢菌素的抗菌活性（略）

　　图2  （略）   

　　图3  （略）
　　
　　3   克服耐药性的修饰

　　微生物接触抗菌药物， 获得耐药性的机制主要有四种：①产生分解或修饰酶，灭活抗菌药；②作用靶位变异，不与药物结合或降低亲和性；③改变外膜通透性，阻断药物摄取；④激活外排体系，泵出进入菌体内的药物。据此，采取降低底物对抗生素分解或修饰酶的结构适应性、增辟新作用靶点、提高膜通透性、并用抗生素分解或修饰酶抑制剂与微生物外排泵抑制剂等措施，当可克服此等耐药性。临床分离的大多数β内酰胺类抗生素耐药菌是通过产生β内酰胺酶，催化水解抗生素β内酰胺键，形成无活性产物所致。降低底物对酶的结构适应性可行的主要措施有：

　　3.1   设置障碍基团①向青霉素分子中受β内酰胺酶攻击部位附近导入障碍性基团，使酶难与之结合，从而保护青霉素免遭分解。如甲氧西林、萘夫西林、苯唑西林、氯唑西林、二氯西林、氟氯西林等都在β内酰胺基附近有甲氧基、乙氧基、苯基等空间位阻较大的基团，对青霉素酶稳定，用于治疗产青霉素酶的金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌感染。②向侧链导入Z氧亚胺基(肟基)或O烷基取代的肟基可增强对广谱β内酰胺酶的稳定性，如头孢呋辛(cefuroxime)、头孢噻肟(cefotaxime)与头孢地尼(cefdinir)等氨噻肟型第三代以及第四代头孢菌素等，但可被超广谱β内酰胺酶(氧亚胺β内酰胺酶)分解。 ③向β内酰胺环上引入甲氧基或甲酰氨基，增强酶稳定性。如头孢西丁(cefoxitin)、头孢美唑(cefmetazole)、头孢替坦(cefotetan)、头孢拉腙(cefbuperazone)与头孢米诺(cefminox)等头霉素对超广谱β内酰胺酶稳定。

　　图4  （略）   

　　图5  （略）   

　　3.2   消除钝化酶作用基团氨基糖苷类抗生素的耐药机制是细菌产生磷酸转移酶(APH)、乙酰转移酶(AAC)、核苷转移酶(AAD)等氨基糖苷类抗生素修饰酶，使特定的羟基或氨基发生磷酸化、乙酰化或腺苷化而失效。选择地消去氨基糖苷分子中的某些羟基、烷化氨基或以羟基氨基酸酰化特定的氨基可有效地克服耐药性，如地贝卡星(dibekacin，双去氧卡那霉素B)、奈替米星(netimicin，N乙基西索米星)、阿米卡星(amikacin，氨羟丁酰卡那霉素)等。阿贝卡星(arbekacin)是地贝卡星的1位氨基被(S)4氨基2羟基丁酰化的新衍生物，活性比阿米卡星强，特别对MRSA有强大的抗菌力，MIC50与MIC90分别为039与156μg/ml，是一抗MRSA的氨基糖苷(图8)。

　　图6 （略）   

　　图7 （略）   

　　图8 （略）      

　　图9 （略）
　　
　　3.3   增辟新作用点3位为酮基的十四元大环内酯酮内酯(ketolides)有两个以上的作用点，如泰利霉素(telithromycin,HMR3647)对大环内酯耐药菌尤其对肺炎链球菌有很强作用，口服生物利用度57%，t1/2 10～14h，血清蛋白结合率70%，用于呼吸系感染(800mg/d)，于2001年上市。赛霉素(cethromycin，ABT773)是进入临床试验的第二个酮内酯，性能与泰利霉素相似，对大环内酯敏感与耐药的肺炎链球菌、化脓性链球菌有良好作用，对流感嗜血杆菌、黏膜炎莫拉菌、奈瑟菌属、李斯特菌、葡萄球菌(MSSA)、肺炎支原体、衣原体、军团菌、幽门螺杆菌、棒状杆菌与革兰阳性厌氧菌亦有较好作用，对鸟分枝杆菌有中度作用，t1/2 36～67h，血清蛋白结合率90%，预期疗效与泰利霉素相似。A217213抗肺炎链球菌包括耐大环内酯的菌株活性比泰利霉素强，对金黄色葡萄球菌亦有较强活性(图9)。向四环素类抗生素的9位引入甘氨酰氨基得到的甘氨环素类(glycylcyclines)对起源于核糖体保护与外排机制的耐药菌都有作用。其中替吉环素(tigecycline，叔丁基甘氨酰氨基米诺环素，GRA936)在低浓度(≥012μg/ml)下，即可抑制四环素的高度耐药菌(MIC≤128μg/ml)，对临床分离的重要致病菌(包括耐四环素、糖肽与氟喹诺酮类的革兰阳性菌)有广泛活性，对MRSA、耐青霉素肺炎链球菌(PRSP)与耐万古霉素肠球菌(VRE)的MIC90分别为05、003与012μg/ml，优于万古霉素、共杀菌素(synercid)与利奈唑酮(linezolid)，口服300mg，Cmax 28μg/ml，AUC 179μg・h/ml，t1/2长达36h，已进入III期临床(图10)。

　　图10 （略）
　　
　　3.4   增强青霉素结合蛋白(PBPs)亲和力的修饰向β内酰胺类抗生素分子中导入适当的亲脂性取代基，探索既增强PBP2a亲和力，又不过分增大血清蛋白结合率的物质。新头孢菌素MC02479对革兰阳性菌有很强抗菌活性，抗MRSA、粪肠球菌与肺炎链球菌的MIC分别为025～4、006～05与0008～1μg/ml。BMS247243对MRSA的MIC90为4μg/ml。NB2001抗MRSA活性比万古霉素强，S3578对MRSA疗效与万古霉素相似，TAK599对MRSA的MIC为088～472μg/ml(图11)。

　　图11  （略）
　　
　　4   改善药物动力学性能的修饰

　　适当地结构修饰可改善抗生素的药物动力学性质，如增强稳定性、改善吸收、提高血药浓度、延缓消除半衰期和提高生物利用度等。

　　4.1   增强稳定性的修饰

　　4.1.1   消除四环素分子中不稳定部分   四环素遇酸，6位羟基与5a位氢脱水形成去水四环素(anhydrotetracycline)失去抗菌活性。经修饰除去6位羟基的6甲烯基土霉素(美他环素，methacycline)，6去氧土霉素(多西环素，doxycycline)，米诺环素(minocycline)以及全合成的6去甲基6去氧6硫杂四环素(硫四环素，thiatetracycline)等对酸稳定并兼具优异的药物动力学性能(图12)。

　　4.1.2   消除红霉素分子中不稳定部分   红霉素的6羟基与9羰基在酸性下易缩合形成6，9半缩酮，进而失水转化成脱水红霉素与6，9；9，12螺缩酮而失去抗菌活性(图13)。适当地修饰参与上列反应的有关基团，如6羟基，9羰基，12羟基乃至8位质子，均可阻断此降解反应，提高对酸的稳定性。将红霉素的6羟基转变为6甲氧基的克拉霉素(clarithromycin)，红霉素9羰基肟醚化的罗红霉素(roxithromycin)，红霉素肟经Beckmann重排、N甲基化制得的阿奇霉素(azithromycin)以及9红霉胺经进一步修饰筛选出的地红霉素(dirithromycin)等对酸稳定，药物动力学性能都有明显改善，称为第二代大环内酯抗生素(图14)。

　　图12   （略）  

　　图13   （略）  

　　图14   （略）
　　
　　4.1.3   消除头孢菌素分子中不稳定部分   头孢菌素3位乙酰氧基在体内被酯酶或非酶水解， 降解成羟基化合物，使抗菌活性大幅度降低。将R改变成H、烷基、烯基、烷氧基、卤素等可阻断此种降解，而保持抗菌活性。以适当的含氮杂环基团取代，非但可阻断水解，而且可增强抗菌活性。以适当的带有季氮的杂环取代，与4位羧基形成内盐，除阻断代谢降解，增强抗菌活性之外，还可以增大水溶性，提高胞膜穿透力，第四代头孢菌素都是这样的化合物(图15)。

　　4.1.4   硫霉素稳定化修饰   硫霉素(thienamycin)极不稳定，甚至10μg/ml以上浓度自身即加速分解。经化学修饰获得的亚胺培南(imipenem)增强了稳定性，可注射给药。抗菌谱广，抗菌活性强，是当前临床评价最高的抗生素之一(图16)。

　　图15 （略）      

　　图16 （略）
　　
　　4.2   改善吸收提高血药浓度的修饰

　　4.2.1   制备前药改善口服吸收   有些抗生素口服吸收差，制成适当的前药，可增加口服吸收率，提高血药浓度。口服氨苄西林250mg，tmax 20h，Cmax仅为17μg/ml，制成前药叔丁酰氧基甲酯(ampicillin pivoxil)，口服同样剂量， tmax 15h， Cmax为55μg/ml。头孢泊肟口服吸收率为94%，Cmax为062μg/ml，其前药头孢泊肟乙酰氧基乙酯(cefpodoxime proxetil)口服吸收率提高到581%，Cmax可达84μg/ml(图17)。

　　4.2.2   引入适当基团提高血药浓度   向苯唑西林的苯环上导入氯或氟，可提高血药浓度，此等异口恶唑类青霉素对青霉素酶稳定，用于产生青霉素酶的金黄色葡萄球菌感染(图18)。林可霉素口服吸收差，且易受进食影响。将其7(R)羟基转变成7(S)氯的克林霉素，口服与肌肉注射后形成的血药浓度都有明显提高(图19)。

　　图17 （略）
　　
　　4.2.3   修饰侧链提高生物利用度   脂肽类抗生素A21978不吸收，经Actinoplanes utahensis脱去N末端的脂肪酸，再重新葵酰化，开发出新抗生素达托霉素(daptomycin)。该抗生素能改变细菌细胞膜电位，阻断细胞膜输送氨基酸。主要抗革兰阳性细菌，包括耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、耐万古霉素的肠球菌(VRE)等革兰阳性耐药菌，t1/2 85～9h，24h尿中排泄出60%，蛋白结合率92%。2003年美国FDA批准用于革兰阳性菌，MRSA与VRE等所致皮肤感染，尚未批准系统用药。

　　4.3   延缓消除半衰期的修饰利福霉素中的利福平的消除半衰期(t1/2)为2～3h，进一步修饰得到的利福定t1/2为4～5h，利福喷丁为18～30h，利福布丁为36～45h，而利福拉吉则长达55～60h(图20)。亚胺培南等碳青霉烯类抗生素消除半衰期较短，亚胺培南、帕尼培南与美洛培南分别为54、60与70min，经修饰筛选出的厄他培南(ertapenam)消除半衰期延至33～4h，1日静注1次治疗严重感染获得良好疗效(图21)。

　　图20  （略）   

　　图21  （略）
　　
　　5   降低毒副反应的修饰

　　早期的碳青霉烯有一定中枢神经毒性，可引起痉挛。构效关系研究表明：中枢神经毒性与2位含氮取代基有关。直接向鼠脑中注入亚胺培南(imipenem)引起间歇性与强直性痉挛的ED50分别为11与17μg/小鼠，注入培尼培南(penipenem)引起间歇性与强直性痉挛的ED50分别为29与41μg/小鼠，经过修饰获得的比阿培南(biapenem，图22)直接注入鼠脑>300μg/小鼠亦不引起间歇性与强直性痉挛，临床应用中从未出现中枢神经毒性反应。脂肽类抗生素毒性大，且有溶血作用，不能临床应用。修饰脂肽肺囊康定(pneumocandin)B0与A0分别开发出卡泊芬净(caspofungin)与米卡芬净(micafungin)。两者均为1，3葡聚糖合成酶抑制剂，作用于真菌细胞壁，具有良好抗真菌活性，不与现有的抗真菌药物交叉耐药，毒副反应远低于作用于真菌细胞膜的两性霉素B等多烯类抗生素， 已分别于2001年与2002年上市，用于治疗侵袭性曲霉菌病与念珠菌病(图23)。为改善氨苄西林口服吸收，曾将其羧基酯化制成前药，有些已临床应用。但有的品种在消化道内水解可产生醛(甲醛或其他醛)而引起消化系统症状。临床评价指出：水解不产生醛的前药如棱氨西林(lenampicillin)等消化系统副作用轻微(图24)。

　　图22（略）
　　
　　图23（略）
　　
　　6   适应制剂需要的修饰

　　有些抗生素为了适应制剂要求，需进行必要的修饰。如红霉素、氯霉素味苦，经修饰制成无味红霉素(2′O丙酰红霉素十二烷基硫酸盐)与无味氯霉素(氯霉素棕榈酸酯)便于服用。四环素经Mannich反应制得的吡咯烷甲基四环素(rolitetracycline)水溶性大，便于注射应用(图25)。

　　图24（略）     

　　图25（略）     
　　
　　7   小结

　　抗生素结构的适当修饰，可扩展天然抗生素的抗菌谱、增强抗菌活性、克服耐药性、改善药物动力学性能与降低毒副反应，但不是所有抗生素经过修饰都能如愿地得到良好的修饰物。有些天然抗生素仅经过微小的修饰，即全然丧失抗菌活性，而在众多的修饰物中性能都不如原天然物的实例亦不罕见。在筛选新抗生素困难重重的今天，对获得的天然物进行适当的修饰是必要的。

　　［1］ Balfour J A, Figgitt D P. Telithromycin ［J］. Drugs,2001,61(6):815

　　［2］ 药事日报社. Biapenem ［J］. 最近の新药，2003，54：88

　　［3］ Isacs R, Friedland I, Gresser R, et al. Ertapenm 1g once a day is highly effective in treatment of severe communityacquired and mixed infections ［J］ Clin Microbiol Infect,2002,8(Suppl 1):159

　　［4］ Bernard M D, Abbott J, Molloy R M, et al. Enzymatic and chemical modifications of lipopeptide antibiotic 21978C: The synthesis and evaluation of daptomycin (LY146032) ［J］. J Antibiot,1988,41:1093

　　［5］ Cornely O A, Schmitz K. The first echinocandin: caspofungin ［J］. Mycoses,2002,45:(Suppl 3):56

　　［6］ 药事日报社. Micafungin sodium ［J］. 最近の新药，2003，54：95

　　［7］ 八木泽守正. 抗菌药开发の现状と展望［J］. 日本化学疗法学会杂志，2004，52：761