AMPA受体正向调节剂的设计、合成与生物活性评价

摘要

阿片类镇痛药物，如吗啡、芬太尼、舒芬太尼等，在临床上一直被广泛使用，但其存在严重的缺陷同样难以被忽视—阿片类药物在发挥镇痛作用的同时常导致呼吸抑制的发生。呼吸抑制发病急，严重时可发展为呼吸衰竭致死，由此带来的社会和经济负担十分沉重。据世界卫生组织数据，全球大约有阿片类依赖患者约15000万人，其中每年有6.9万人由于呼吸抑制而死亡。仅2006-2008年在手术中由于呼吸抑制死亡患者数量达15087人，死亡率高达21.84％，且用于治疗呼吸抑制的费用达到18亿美元。故选择以阿片类药物引起的呼吸抑制为对象开展针对性的药物研究具有重大的现实意义和应用价值。
　　基于该病症的发病特征，其对药物的要求包括在不影响镇痛作用的前提下有效逆转呼吸抑制，同时能静脉注射以满足急救的需求。纵观目前临床上使用的药物尚存在难以克服的本质缺陷。
　　目前临床上主要用纳洛酮、纳曲酮等来逆转呼吸抑制，但这些药物均为阿片受体拮抗剂。镇痛和呼吸抑制都是通过阿片受体实现的，作用于阿片受体的药物难以实现药效和副作用的有效分离。其在临床使用中高度依赖于临床医生的实践经验，以使在镇痛和呼吸抑制之间达到一个平衡。而另外的治疗方案，如尼可刹米等不能直接兴奋基本呼吸节律中枢，对阿片类药物引发的呼吸抑制效果不佳。因此，临床上对能够有效对抗阿片类药物所致的呼吸抑制存在着巨大需求，而研究非阿片受体途径的、基于新机制新靶标的抗呼吸抑制药物可能从根本上满足此类疾病的要求。
　　我们选择的目标靶点是广泛分布于枢神经系统的一种离子型谷氨酸受体—α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体。AMPA受体介导中枢系统主要的快速兴奋性传递，其重要的一个功能是分布在前包欣格复合体中的AMPA受体介导人体基本呼吸节律的产生和传导。研究已证明，增强 AMPA受体的功能可直接兴奋基本呼吸节律中枢，解除阿片类药物对呼吸中枢的抑制，同时不影响镇痛作用。因此，AMPA受体是目前第一个非阿片受体途径的、且可从本质上逆转阿片类药物所致呼吸抑制的理想靶标。
　　具体的解决方案是设计新型的AMPA受体正向调节剂，其可通过作用于变构调节位点增强内源性谷氨酸的激动效果。目前已报道一系列的AMPA受体正向调节剂，这种设计也已在临床试验中得到概念验证。但就整体而言，对于这类化合物的研究仍存在巨大的挑战。作为需进入中枢发挥作用的药物，血脑屏障（BBB）的存在极大限制了药物效能。药物往往需更大剂量以达到药效浓度，但因此也会带来严重的安全性问题，这也是大多数此类化合物停留在临床前的原因之一。
　　在所有在研的药物中，Cortex公司研发的AMPAKINES化合物进展最快，已有多个进入临床试验，其可在极大剂量下（1-2 g/d）治疗认知障碍、多动症等慢性疾病，但FDA也警示其潜在的安全隐患。相比，抗呼吸抑制对药物则是一次性用药的需求，故以Cotex公司化合物为先导开展进一步结构创新，有可能克服安全性问题，并可能提供一个高效低毒的解决方案。
　　但在具体化合物设计时，认为仍存在着不小的挑战：（1）化合物结构尚未得知；（2）AMPA受体二聚体别构调节区域空间过大，传统的药物设计手段难以有效开展。基于小分子蛋白共晶结构提供的小分子优势构象及配体受体关键相互作用等重要信息，我们探索以此来指导设计工作。在反复叠合精确分析已知的共晶复合物时，我们兴奋地发现，这些小分子都具有刚性共平面结构。且进一步大胆猜测，刚性平面结构可能是维持 AMPA受体正向调节剂活性的必要条件，并基于此理论开展了系列目标化合物的设计。
　　另一更为现实的策略是，针对脑靶向能力进行前药化改造，这是公认的快速进行药物开发的最直接手段。我们的研究以目前活性最好的化合物为先导开展，并且引入的是发展较为成熟的脑靶向递药系统—硫胺素递药系统，其目前已经成功应用于多个药物，脑靶向效果也已经得到验证。硫胺素前药的工作原理为，前药靠脂溶性高效透脑，脑中的前药被还原酶迅速还原成离子形式，“锁死”在脑中。脑中前药依靠水解缓慢释放原药。为进一步满足静脉注射药物对水溶性的高度要求，我们引入葡萄糖基团，其同时也可以利用血脑屏障上存在葡萄糖转运体进一步提高透脑效率。
　　在化合物的合成部分，根据目标化合物合成路线的不同，我们将目标化合物分为硫胺素前药类、葡萄糖前药类、葡萄糖-硫胺素前药、CX717类似物、氨基吡啶化合物、硒唑类化合物、磺酰胺类化合物、开环类化合物和稠环类化合物共九类结构，分别设计9条合成路线进行合成，合成路线均为全新独立设计。在实践中更克服了诸多的挑战，特别是在制备硫胺素载体过程中，存在S负离子的不稳地中间体，通过工艺研究，我们发现需严格控制无氧条件和反应时间以保证反应收率。制备葡萄糖前药过程中，由于葡萄糖前药中含有多个酯键，传统用NaOCH3脱除葡萄糖乙酰基保护的方法并不适用，我们选择固体 Na2CO3作为选择性脱除葡萄糖乙酰基的试剂。制备开环化合物过程中，发现P(OMe)3可选择性还原氮氧键而不影响碳碳双键。以上关键技术为后续活性化合物的工艺开发和备料奠定了良好的基础。通过9条合成路线，共合成化合物66个，所有化合物的结构全部经核磁、质谱等验证。
　　在化合物的活性评价部分，根据化合物不同的设计思想，我们分别制定了脑靶向前药和新型小分子正向调节剂的评价方案。
　　1、对全新AMPA受体正向调节剂首先进行抗呼吸抑制的药效筛选，优选的化合物进行膜片钳电生理研究和受体亲和力实验验证其正向调剂机制，同时进行药代动力学研究测定新化合物的脑血分配系数。初步的实验结果表明，新型小分子调节剂 XD-4-17C、XD-4-23C、XD-16-20C和 XD-16-38B具有良好的抗呼吸抑制活性。特别是XD-16-38B，去除了先导化合物中的苯环，仅靠碳碳双键与噁二唑环共轭维持刚性平面结构，但仍然保持较高活性。全新骨架化合物XD-16-38B的高活性初步验证了我们维持刚性平面结构的设计是正确的。目前膜片钳方法已初步建立，下一步计划开展新型小分子调节剂的电生理研究。
　　2、对脑靶向前药同样进行抗呼吸抑制的药效筛选，优选的化合物进行药代动力学实验验证其脑靶向机制。初步的实验结果表明，脑靶向前药XD-14-36C、XD-10-2C、XD-14-38C、XD-11-18C、XD-8-27C、XD-11-3C、XD-8-17C、XD-17-8B、XD-18-28B均具有良好的抗呼吸抑制活性。特别是XD-8-17C，只需先导化合物摩尔剂量的1/8即能达到与先导化合物相同的效果。而且XD-8-17C，XD-17-8B和 XD-18-28B均经药代动力学实验验证，确实能有效提高先导化合物在脑内分布。良好的药效学数据和药代动力学数据初步验证了我们的脑靶向设计是成功的。其中脑靶向前药XD-8-17C可在并不影响镇痛作用的前提下，以较低剂量下（原药1/8摩尔剂量）逆转阿片类药物引起的呼吸抑制作用，目前该化合物正作为候选药物进行深入研究。
　　基于已有的实验数据，我们对目标化合物进行了初步的构效关系分析。对于新型 AMPA受体正向调节剂，刚性共平面结构是维持活性的前提条件，噁二唑环和酰胺键连接桥是活性必须基团，胺片段为非活性必须基团。脑靶向前药中，硫胺素前药活性最佳，葡萄糖-硫胺素前药次之，葡萄糖前药活性稍差。说明硫胺素递药系统确实可有效提高药物在脑内分布，但引入葡萄糖只能提高硫胺素前药水溶性，并没有进一步提高硫胺素前药的透脑效率。硫胺素前药中，戊二酸连接桥优于丁二酸连接桥，二硫键S原子上脂肪链取代基明显优于芳香取代基，且一定程度上延长脂肪链有利于硫胺素前药代动力学性质和药效活性的提高。初步的构效关系分析可为后续的药物设计提供理论依据，一定程度上减少药物设计的盲目性。
　　综上所述，本论文的工作进一步验证了基于非阿片受体途径—AMPA受体来逆转阿片类药物所致呼吸抑制的可行性，我们采取的双重药物设计策略得到评价结果的初步验证。构效关系梳理也为后续理性的设计打下了坚实的基础。筛选得到的高活性化合物XD-8-17C正作为候选药物进行深入研究。

目录

声明

缩略词表

第一章 前 言

1.1 阿片类药物引起的呼吸抑制

1.2 现有的抗呼吸抑制药物

1.3 AMPA受体

1.4 AMPA受体正向调节剂

1.5 AMPA受体正向调节剂研究进展

1.6 本课题的研究内容

第二章 目标化合物的设计

2.1 新化合物设计存在的挑战

2.2 先导化合物的选择

2.3 新化合物的设计策略

2.4 设计部分小结

第三章 目标化合物的合成

3.1 先导化合物LCX001的合成

3.2 脑靶向前药的合成

3.3 新型小分子正向调节剂的合成

3.4 合成终产物列表

3.5 实验部分

3.6 合成部分小结

第四章 目标化合物的生物活性评价

4.1 脑靶向前药的生物活性活性评价

4.2 新型小分子正向调节剂的生物活性评价

4.3 生物活性评价部分小结

第五章 目标化合物的构效关系分析

5.1 脑靶向前药的构效关系分析

5.2 新型小分子正向调节剂的构效关系分析

5.3 构效关系分析部分小结

第六章 结 论

参考文献

附图

论著全文

个人简历

致谢