药学学报 Acta pharmaceutica sinica2016,51(1):157-164 新药发现与研究实例简析 新药创制是复杂的智力活动,涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效罘等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹,而构建化学结构是最重要的环节,因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角,对有代表性的药物的成功构建,加以剖析和解读 40多年前我国发现了青萵素,继之发明了青萵琥酯、蒿甲醚和二氩青蒿素等药物,对全球范围的疟疾治疗, 个划时代的变革与贡献,挽救了数以百万计患者的生命与健康。在特殊的历史时期以举国体制研制新药,决 定了研发模式难以复制。研究者在大海捞针式的筛选试验中,屠呦呦等从传统医药典籍中受到启发,首先发现分 离出青萵素并确定了它的抗疟活性,功不可没,开创了青萵素药物治疗的新领域,因而她获得2015年诺贝尔医 学或生理学奖,当之无愧。接续的研究与开发,在结构确证、化学合成、结构优化、工艺研究和临床研究等各个 环节,我国科学家同样做出了卓越貢献,成就了由青蒿素演化成临床新药一青萵琥酯、二氨青蒿素和蒿甲醚,并 在全球范围应用,在抗疟药物中占据着中心地位。本文拟从化学和药物化学視角,阐述从青蒿到发现青蒿素, 青蒿素的发现到发明蒿甲醚和青萵琥酯等药物的简要历程。 编者按) DO:10.1643800513-4870.2015-1036 青蒿素类抗疟药的硏制 郭宗儒 (中国医学科学院药物研究所,北京100050) 1青蒿素的研究背景 中药专业组”。组长屠呦呦和组员余亚纲等从中医药 1.1举国体制研究抗疟药物 古籍中搜集并筛选中草药单、复方数百种中,余亚刚 20世纪60年代美国发动侵略越南战争,当地疟和顾国明发现青蒿呈现高频率(唐宋元明的医籍、本 疾肆虐,疟原虫对已有药物产生耐药,使战斗力严重草和民间都曾提到有治疟作用)。通过广泛实验筛选, 减弱。应越南要求中国提供有效抗疟药物,我国政府聚焦到青蒿的乙醇提取物,对疟原虫抑制率达到 决定全国范围研究新型抗疟药,遂于1967年5月2360%~80%,虽然活性重复性差,但为后来研究提供 日成立了研究协作组,简称“523任务”,涵盖60多了有价值的参考(李国桥等.青蒿素类抗疟药.北京 个研究单位,500多位研究人员。在由启动研究到临科学出版社,2015:3)。 床实验和应用的整个研发过程,统一由“523任务” 屠呦呦从东晋葛洪《肘后备急方》阐述青蒿的用 调度,并非固定在一个研究单位中(张文虎.创新中法得到了启发,“青蒿一握,以水二升渍,绞取汁, 的社会关系:围绕青蒿素的几个争论.自然辩证法通尽服之”,冷榨服用“绞汁”,悟出可能不宜高温加 讯.20 热的道理,并考虑到有效成分可能在亲脂部分,遂改 1.2从中药和民间药寻找药物或先导物 用乙醚提取,于1971年10月在去除了酸性成分的中 在“523任务”的诸多研究项目中,有一个课题是性提取物中,分离得到的白色固体对鼠疟原虫的抑 民间防治疟疾有效药物疗法的重点调査研究”,这制率达100%。由绞汁联想低温提取,但由水浸的冷 个研究小组获得了许多苗头,例如从植物鹰爪分离出榨液(通常含有水溶性成分)怎样推论是脂溶性成 有效抗疟单体鹰爪甲素,从陵水暗罗中分离出暗罗素分,文献中无从考证。不过选择乙醚为萃取剂,无疑 的金属化合物,对常山乙碱的结构改造,以及青蒿素等。是发现青蒿素、开辟青蒿素类药物治疗的关键一步, 1.3青蒿和青蒿素的发现 用乙醚从黄花蒿分离出的倍半萜化合物除青蒿 969年中国中医研究院中药研究所加入“中医素(1, artemisinin)外,还鉴定了其他成分,有青蒿
药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (1): 157 −164 · 157 · ·新药发现与研究实例简析· 新药创制是复杂的智力活动, 涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效果等多维科技活动。每个药物 都有自身的研发轨迹, 而构建化学结构是最重要的环节, 因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。 本栏目以药物化学视角, 对有代表性的药物的成功构建, 加以剖析和解读。 40 多年前我国发现了青蒿素, 继之发明了青蒿琥酯、蒿甲醚和二氢青蒿素等药物, 对全球范围的疟疾治疗, 是一个划时代的变革与贡献, 挽救了数以百万计患者的生命与健康。在特殊的历史时期以举国体制研制新药, 决 定了研发模式难以复制。研究者在大海捞针式的筛选试验中, 屠呦呦等从传统医药典籍中受到启发, 首先发现分 离出青蒿素并确定了它的抗疟活性, 功不可没, 开创了青蒿素药物治疗的新领域, 因而她获得 2015 年诺贝尔医 学或生理学奖, 当之无愧。接续的研究与开发, 在结构确证、化学合成、结构优化、工艺研究和临床研究等各个 环节, 我国科学家同样做出了卓越贡献, 成就了由青蒿素演化成临床新药—青蒿琥酯、二氢青蒿素和蒿甲醚, 并 在全球范围应用, 在抗疟药物中占据着中心地位。本文拟从化学和药物化学视角, 阐述从青蒿到发现青蒿素, 从 青蒿素的发现到发明蒿甲醚和青蒿琥酯等药物的简要历程。 (编者按) DOI: 10.16438/j.0513-4870.2015-1036 青蒿素类抗疟药的研制 郭宗儒 (中国医学科学院药物研究所, 北京 100050) 1 青蒿素的研究背景 1.1 举国体制研究抗疟药物 20 世纪 60 年代美国发动侵略越南战争, 当地疟 疾肆虐, 疟原虫对已有药物产生耐药, 使战斗力严重 减弱。应越南要求中国提供有效抗疟药物, 我国政府 决定全国范围研究新型抗疟药, 遂于 1967 年 5 月 23 日成立了研究协作组, 简称“523 任务”, 涵盖 60 多 个研究单位, 500 多位研究人员。在由启动研究到临 床实验和应用的整个研发过程, 统一由“523 任务” 调度, 并非固定在一个研究单位中 (张文虎. 创新中 的社会关系: 围绕青蒿素的几个争论. 自然辩证法通 讯. 2009, 31: 32−39)。 1.2 从中药和民间药寻找药物或先导物 在“523 任务”的诸多研究项目中, 有一个课题是 “民间防治疟疾有效药物疗法的重点调查研究”, 这 个研究小组获得了许多苗头, 例如从植物鹰爪分离出 有效抗疟单体鹰爪甲素, 从陵水暗罗中分离出暗罗素 的金属化合物, 对常山乙碱的结构改造, 以及青蒿素等。 1.3 青蒿和青蒿素的发现 1969 年中国中医研究院中药研究所加入“中医 中药专业组”。组长屠呦呦和组员余亚纲等从中医药 古籍中搜集并筛选中草药单、复方数百种中, 余亚刚 和顾国明发现青蒿呈现高频率 (唐宋元明的医籍、本 草和民间都曾提到有治疟作用)。通过广泛实验筛选, 聚焦到青蒿的乙醇提取物, 对疟原虫抑制率达到 60%～80%, 虽然活性重复性差, 但为后来研究提供 了有价值的参考 (李国桥等. 青蒿素类抗疟药. 北京: 科学出版社, 2015: 3)。 屠呦呦从东晋葛洪《肘后备急方》阐述青蒿的用 法得到了启发, “青蒿一握, 以水二升渍, 绞取汁, 尽服之”, 冷榨服用“绞汁”, 悟出可能不宜高温加 热的道理, 并考虑到有效成分可能在亲脂部分, 遂改 用乙醚提取, 于 1971 年 10 月在去除了酸性成分的中 性提取物中, 分离得到的白色固体对鼠疟原虫的抑 制率达 100%。由绞汁联想低温提取, 但由水浸的冷 榨液 (通常含有水溶性成分) 怎样推论是脂溶性成 分, 文献中无从考证。不过选择乙醚为萃取剂, 无疑 是发现青蒿素、开辟青蒿素类药物治疗的关键一步。 用乙醚从黄花蒿分离出的倍半萜化合物除青蒿 素 (1, artemisinin) 外, 还鉴定了其他成分, 有青蒿
158 药学学报 Acta pharmaceutica sinica2016,51(1):157-164 酸(2, arteannuic acid)、青蒿甲素(3, arteannuin a)、个氧原子。 青蒿乙素(4, arteannuin b)、青蒿丙素(5, arteannuin 彼时(1975年)中国医学科学院药物研究所的 C)和紫穗槐烯(6, amorphane)等。这些倍半萜除2523组于德泉报告了另一抗疟活性成分鹰爪甲素的结 是酸性化合物外,都是中性成分,色谱柱分离单体后构,是含有过氧键的化学成分(梁晓天,于德泉,吴 确证了结构,但没有或只有很弱的抗疟活性(屠呦呦,伟良等.鹰爪甲素的化学结构.化学学报,1979,37 倪慕云,钟裕容等.中药青蒿化学成分的研究.药学215-230),这对测定青蒿素结构以巨大启示,结合定 学报,1981,16:366-370) 性分析的氧化性,联想青蒿素结构中也含有一个过 氧键。推测有以下3种可能(1,7,8) H C- CH3 HC H_0 CH3 确定该过氧键所处的位置,是中国科学院生物 物理研究所的523组经X射线晶体衍射分析,进而经 旋光色散(ORD)分析,最终确定了青蒿素的化学结 构和绝对构型(中国科学院生物物理所抗疟药青蒿 素协作组.青蒿素晶体结构及其绝对构型.中国科 确定青蒿素的化学结构 学,1979,(11)114-128;刘静明,倪慕云,樊菊芬等. 2.1青蒿素的一般性质 青蒿素( arteannuin)的结构和反应.化学学报,1979, 青蒿素为白色针状结晶,熔点151~153℃,元素37:129-142,青蒿素结构研究协作组.一种新型的倍 分析和质谱表明分子式为C15H2O3,不溶于水,溶于半萜内酯——青 科学通报,1977,22:142) 丙酮、乙醇、乙醚、石油醚和碱性水溶液中,NaOH 溶液滴定可消耗1摩尔当量。定性分析可氧化FeCl2 或Na呈现颜色反应,与三苯膦定量测定生成等摩尔 量的氧化产物,提示青蒿素含有氧化性功能基 22谱学行为 紫外光谱未显示有芳环的共轭体系,红外光谱 显示有δ内酯型的羰基峰,1C核磁共振谱表明有15 个C原子信号,伯仲叔季碳分别为3、4、5和3个。2.3化学反应对青蒿素结构的佐证 其中一个季碳以羰基存在,另两个峰在低场79.5和 青蒿素在 Pd/CaCO3催化下氢化,将过氧键还原 105ppm,提示氧原子连于其上。在高场处的5个叔成醚键,生成的产物命名为还原青蒿素,推测反应机 碳为二重峰。H核磁谱在568pm处有单峰,表明制如图1,还原青蒿素的结构与天然存在的青蒿丙素 具有OCHO-片段。从倍半萜的生源推测含有共用4(5)结构相同。 个氧原子的缩酮、缩醛和内酯结构,但难以归属第五 低温下青蒿素与NaBH4反应,将C10的羰基还原 图1还原青蒿素的生成机制
· 158 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (1): 157 −164 酸 (2, arteannuic acid)、青蒿甲素 (3, arteannuin A)、 青蒿乙素 (4, arteannuin B)、青蒿丙素 (5, arteannuin C) 和紫穗槐烯 (6, amorphane) 等。这些倍半萜除 2 是酸性化合物外, 都是中性成分, 色谱柱分离单体后 确证了结构, 但没有或只有很弱的抗疟活性 (屠呦呦, 倪慕云, 钟裕容等. 中药青蒿化学成分的研究. 药学 学报, 1981, 16: 366−370)。 2 确定青蒿素的化学结构 2.1 青蒿素的一般性质 青蒿素为白色针状结晶, 熔点 151～153 ℃, 元素 分析和质谱表明分子式为 C15H22O5, 不溶于水, 溶于 丙酮、乙醇、乙醚、石油醚和碱性水溶液中, NaOH 溶液滴定可消耗 1 摩尔当量。定性分析可氧化 FeCl2 或 NaI 呈现颜色反应, 与三苯膦定量测定生成等摩尔 量的氧化产物, 提示青蒿素含有氧化性功能基。 2.2 谱学行为 紫外光谱未显示有芳环的共轭体系, 红外光谱 显示有 δ 内酯型的羰基峰, 13C 核磁共振谱表明有 15 个 C 原子信号, 伯仲叔季碳分别为 3、4、5 和 3 个。 其中一个季碳以羰基存在, 另两个峰在低场 79.5 和 105 ppm, 提示氧原子连于其上。在高场处的 5 个叔 碳为二重峰。1H 核磁谱在 5.68 ppm 处有单峰, 表明 具有-O-CH-O-片段。从倍半萜的生源推测含有共用 4 个氧原子的缩酮、缩醛和内酯结构, 但难以归属第五 个氧原子。 彼时 (1975 年) 中国医学科学院药物研究所的 523 组于德泉报告了另一抗疟活性成分鹰爪甲素的结 构, 是含有过氧键的化学成分 (梁晓天, 于德泉, 吴 伟良等. 鹰爪甲素的化学结构. 化学学报, 1979, 37: 215−230), 这对测定青蒿素结构以巨大启示, 结合定 性分析的氧化性, 联想青蒿素结构中也含有一个过 氧键。推测有以下 3 种可能 (1, 7, 8)。 确定该过氧键所处的位置, 是中国科学院生物 物理研究所的 523 组经 X-射线晶体衍射分析, 进而经 旋光色散 (ORD) 分析, 最终确定了青蒿素的化学结 构和绝对构型 (中国科学院生物物理所抗疟药青蒿 素协作组. 青蒿素晶体结构及其绝对构型. 中国科 学, 1979, (11): 1114−1128; 刘静明, 倪慕云, 樊菊芬等. 青蒿素 (arteannuin) 的结构和反应. 化学学报, 1979, 37: 129−142; 青蒿素结构研究协作组. 一种新型的倍 半萜内酯——青蒿素. 科学通报, 1977, 22: 142)。 2.3 化学反应对青蒿素结构的佐证 青蒿素在 Pd/CaCO3 催化下氢化, 将过氧键还原 成醚键, 生成的产物命名为还原青蒿素, 推测反应机 制如图 1, 还原青蒿素的结构与天然存在的青蒿丙素 (5) 结构相同。 低温下青蒿素与 NaBH4 反应, 将 C10 的羰基还原 图 1 还原青蒿素的生成机制
郭宗儒:青蒿素类抗疟药的研制 成以半缩醛形式存在的羟基化合物(9),称作二氢青2g,发生级联的关环反应,形成过氧桥环、环醚和内 蒿素。但在 Lewis酸存在下,用NaBH4处理,C10羰基酯环,生成青蒿素1(XuXX,ZhuJ, Huang dz,etal 还原成亚甲基化合物(10),在乙酸-硫酸作用下,发 Studies on structure and syntheses of artennuin and 生失碳和重排,生成化合物1l。生成11的反应历程 related compound.10. The stereocotrolled synthesis of 如图2所示 artennuin and deoxy artennuin from arteneuic acid. Acta Chim sin(化学学报),1983,41:574-576)。与此同时 Schmid和 Hofheinz以不同的合成方法也完成了青蒿 素的全合成( Schmid G Hofheinz w. Total synthesis of Quinghaosu. J Am Chem Soc, 1983, 105: 624-625). DA 后又陆续报道了不同的合成路线和改进方法。青蒿素 全合成的成功,是对化学结构的最终确证,也为实现 工业化生产开辟了道路。 2.4青蒿素的全合成:结构的确证 3青蒿素的临床硏究:疗效的确定 我国首先实现青蒿素全合成的是上海有机化学3.1最初的临床试验 研究所许杏祥等由青蒿酸(2)为起始物完成的。基 屠呦呦研究组用乙醚提取的中性成分进行了动 于生源原理,2应是青蒿素的生物合成前体,黄花蒿物安全性实验和健康志愿者试服后,在海南和北京 中2的含量较高也是个佐证。图3是合成路线的简要进行了30例患者的治疗,虽然治愈率不高,但证实有 过程。青蒿酸2经酯化得2a,硼氢化钠将环外双键还明确的抗疟作用。中性成分中含有屠呦呦研究组后来 原成2b,臭氧氧化开环,得到单环的醛酮物2c,酮基提纯的青蒿素(当时称作青蒿素I)。这意味着从物质 选择性用丙二硫醇保护,得2d,2d的醛基用原甲酸三基础到临床作用开创了青蒿素治疗疟疾的道路。 甲酯处理得到烯醇醚2e,去除硫醚保护基的2f,经32青蒿素的规模制备和临床疗效的确证 O2光氧化得到关键中间体缩醛过氧化物2g,酸水解 在醚提取物和初步疗效的启示下,云南药物研 H3C-XO HCOoH O 图2酸催化青蒿素失碳重排反应 CH. CH2N NaBH HS(CH2b3SH H3C BF3Et2O Hco H3COOC CH3 CH HC(OCH 路w H2COoC CH3 COOC CH 图3由青蒿酸为原料合成青蒿素的路线
郭宗儒: 青蒿素类抗疟药的研制 · 159 · 成以半缩醛形式存在的羟基化合物 (9), 称作二氢青 蒿素。但在 Lewis 酸存在下, 用 NaBH4 处理, C10 羰基 还原成亚甲基化合物 (10); 在乙酸−硫酸作用下, 发 生失碳和重排, 生成化合物 11。生成 11 的反应历程 如图 2 所示。 2.4 青蒿素的全合成: 结构的确证 我国首先实现青蒿素全合成的是上海有机化学 研究所许杏祥等由青蒿酸 (2) 为起始物完成的。基 于生源原理, 2 应是青蒿素的生物合成前体, 黄花蒿 中 2 的含量较高也是个佐证。图 3 是合成路线的简要 过程。青蒿酸 2 经酯化得 2a, 硼氢化钠将环外双键还 原成 2b, 臭氧氧化开环, 得到单环的醛酮物 2c, 酮基 选择性用丙二硫醇保护, 得 2d, 2d 的醛基用原甲酸三 甲酯处理得到烯醇醚 2e, 去除硫醚保护基的 2f, 经 O2 光氧化得到关键中间体缩醛过氧化物 2g, 酸水解 2g, 发生级联的关环反应, 形成过氧桥环、环醚和内 酯环, 生成青蒿素 1 (Xu XX, Zhu J, Huang DZ, et al. Studies on structure and syntheses of artennuin and related compound. 10. The stereocotrolled synthesis of artennuin and deoxy artennuin from arteneuic acid. Acta Chim Sin (化学学报), 1983, 41: 574−576)。与此同时, Schmid 和 Hofheinz 以不同的合成方法也完成了青蒿 素的全合成 (Schmid G, Holheinz W. Total synthesis of Quinghaosu. J Am Chem Soc, 1983, 105: 624 −625)。以 后又陆续报道了不同的合成路线和改进方法。青蒿素 全合成的成功, 是对化学结构的最终确证, 也为实现 工业化生产开辟了道路。 3 青蒿素的临床研究: 疗效的确定 3.1 最初的临床试验 屠呦呦研究组用乙醚提取的中性成分进行了动 物安全性实验和健康志愿者试服后, 在海南和北京 进行了 30 例患者的治疗, 虽然治愈率不高, 但证实有 明确的抗疟作用。中性成分中含有屠呦呦研究组后来 提纯的青蒿素 (当时称作青蒿素 II)。这意味着从物质 基础到临床作用开创了青蒿素治疗疟疾的道路。 3.2 青蒿素的规模制备和临床疗效的确证 在醚提取物和初步疗效的启示下, 云南药物研 图 2 酸催化青蒿素失碳重排反应 图 3 由青蒿酸为原料合成青蒿素的路线
药学学报 Acta pharmaceutica sinica2016,51(1):157-164 究所罗泽渊等和山东中医药研究所魏振兴等用汽油下与醇反应生成缩醛醚(通式12),产物为一对差向异 或乙醚提取当地的黄花蒿,得到了纯度高的青蒿素,构体(α,β-异构体,是稳定的化合物,主产物为β构 显著提高了抗疟效价。特别是罗泽渊等发明的“溶剂型。醚化合物分离成α和β单体对鼠疟( Plasmodium 汽油法”,为提供临床研究和大规模生产奠定了技 berghei)抗氯喹原虫株作活性评价,以青蒿素为阳性 术和物质基础。 对照,测定抑制90%原虫的所需剂量(SD9)表1列 广州中医学院“523组”李国桥等在云南开展脑出了有代表性的C1o含醚基的化合物的活性 型疟防治研究,与提供临床用药的罗泽渊合作,进行 了青蒿素的抗疟临床研究。他们给患者口服青蒿素表1Co醚类化合物的结构及其活性 原称黄蒿素),发现恶性疟原虫纤细环状体停止发育 并迅速减少的现象,认定青蒿素对恶性疟原虫的速 D-OCt 杀作用远超奎宁和氯喹。治疗收治的18例患者,其 中有1例脑型恶性疟、2例黄疸型恶性疟和11例非 ch, locH, 重症恶性疟,4例间日疟,全部迅速临床治愈,标志着 Halo) 首先临床证实青蒿素治疗恶性疟的疗效及其速效、低化合物R(Cm构型)8D化合物R(C构型)S① 毒的特点,是对青蒿素临床应用价值的重要发现(张 36517b1410 剑方.迟到的报告—五二三项目与青蒿素研发纪 CHi(a) 1.16 PhB 实.广州:羊城晚报出版社,2006) 4以青蒿素为先导物的结构优化 1.95‖19b 青蒿素为倍半萜,结构中5个氧原子交织形成环 2.24 醚、过氧环醚、环状缩醛、环状缩酮和内酯。由于分 青蒿素 子中缺乏助溶基团,因而水溶性低,而且脂溶性也不 强。虽然中国药监部门于1985年批准为新药上市,但 表1的数据提示,二氢青蒿素(9)的活性大约强 生物利用度和生物药剂学性质差,限制了青蒿素的于青蒿素1倍,甲醚化合物(13)的抗疟活性强于 临床应用。因而以青蒿素为先导物作结构优化是发展氢青蒿素2倍。醚基的R烷基增大,活性降低;羟乙 青蒿素类药物的必然趋势。研究青蒿素抗疟的作用机基醚化合物21没有活性。B差向体的活性一般略高 制由于相对滞后,结构优化是以表型变化和分析构于相应的a差向体。R为CH3的化合物13活性高于 效关系进行的 其他烷基取代,13称作蒿甲醚 41过氧键的存在和特异的骨架支撑是重要的结构422C1酯类化合物二氢青蒿素9在吡啶介质中 因素 与酸酐、酰氯或氯代甲酸酯反应得到C10酯类化合物 用化学方法确定青蒿素结构,将过氧键转变成(通式2),生成的羧酸酯为单一的a差向体。与氯代 醚键、生成的还原青蒿素(5),经活性评价,完全失甲酸酯反应得到C10碳酸酯也以a差向体为主,温度 去了抗疟作用,参考有抗疟活性的鹰爪甲素也含有稍高,产生少量B体 过氧键,推论过氧键应是必需的药效团;不过当筛选 表2列出了二氢青蒿素的单酯和碳酸酯化合物的 更多的过氧化合物,并非含过氧结构的分子都有活活性。这些酯类化合物的活性一般都比较高,并由此 性,提示支撑过氧结构的分子骨架也有特异性贡献。得到了如下的活性次序:碳酸酯>羧酸酯>醚化合物> 因而青蒿素的优化以保存过氧键和分子骨架为前提,二氢青蒿素>青蒿素(李英,虞佩林,陈一心等.青 设计合成其衍生物。 蒿素类似物的研究.I.还原青蒿素醚类、羧酸酯类和 42我国研制的青蒿素类药物:蒿甲醚 碳酸酯类衍生物的合成.药学学报,1981,16:429-439 在证明结构的化学反应中,用NaBH4还原青蒿素顾浩明,吕宝芬,瞿志祥.青蒿素衍生物对伯氏疟原虫 的酯羰基,得到半缩醛化合物二氢青蒿素(9),抗疟活抗氯喹株的抗疟活性.中国药理学报,1980,1:48-50) 性强于青蒿素一倍,提示变换内酯基团仍可保持并 此外虞佩林等合成了9的取代苯甲酸酯化物,除 提高活性。为了提高化合物的抗疟活性和稳定性,李化合物32的活性强于青蒿素10倍外,其余含硝基或 英等从化合物9出发合成二氢青蒿素的3类衍生物。卤素的衍生物活性一般(虞佩林,陈一心,李英等 4.2.1C10醚类化合物二氢青蒿素在BF3乙醚催化青蒿素类似物的研究.IV.含卤素、氮、硫等杂原子
· 160 · 药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2016, 51 (1): 157 −164 究所罗泽渊等和山东中医药研究所魏振兴等用汽油 或乙醚提取当地的黄花蒿, 得到了纯度高的青蒿素, 显著提高了抗疟效价。特别是罗泽渊等发明的“溶剂 汽油法”, 为提供临床研究和大规模生产奠定了技 术和物质基础。 广州中医学院“523 组”李国桥等在云南开展脑 型疟防治研究, 与提供临床用药的罗泽渊合作, 进行 了青蒿素的抗疟临床研究。他们给患者口服青蒿素 (原称黄蒿素), 发现恶性疟原虫纤细环状体停止发育 并迅速减少的现象, 认定青蒿素对恶性疟原虫的速 杀作用远超奎宁和氯喹。治疗收治的 18 例患者, 其 中有 1 例脑型恶性疟、2 例黄疸型恶性疟和 11 例非 重症恶性疟, 4 例间日疟, 全部迅速临床治愈, 标志着 首先临床证实青蒿素治疗恶性疟的疗效及其速效、低 毒的特点, 是对青蒿素临床应用价值的重要发现 (张 剑方. 迟到的报告——五二三项目与青蒿素研发纪 实. 广州: 羊城晚报出版社, 2006)。 4 以青蒿素为先导物的结构优化 青蒿素为倍半萜, 结构中 5 个氧原子交织形成环 醚、过氧环醚、环状缩醛、环状缩酮和内酯。由于分 子中缺乏助溶基团, 因而水溶性低, 而且脂溶性也不 强。虽然中国药监部门于 1985 年批准为新药上市, 但 生物利用度和生物药剂学性质差, 限制了青蒿素的 临床应用。因而以青蒿素为先导物作结构优化是发展 青蒿素类药物的必然趋势。研究青蒿素抗疟的作用机 制由于相对滞后, 结构优化是以表型变化和分析构 效关系进行的。 4.1 过氧键的存在和特异的骨架支撑是重要的结构 因素 用化学方法确定青蒿素结构, 将过氧键转变成 醚键、生成的还原青蒿素 (5), 经活性评价, 完全失 去了抗疟作用, 参考有抗疟活性的鹰爪甲素也含有 过氧键, 推论过氧键应是必需的药效团; 不过当筛选 更多的过氧化合物, 并非含过氧结构的分子都有活 性, 提示支撑过氧结构的分子骨架也有特异性贡献。 因而青蒿素的优化以保存过氧键和分子骨架为前提, 设计合成其衍生物。 4.2 我国研制的青蒿素类药物: 蒿甲醚 在证明结构的化学反应中, 用 NaBH4 还原青蒿素 的酯羰基, 得到半缩醛化合物二氢青蒿素 (9), 抗疟活 性强于青蒿素一倍, 提示变换内酯基团仍可保持并 提高活性。为了提高化合物的抗疟活性和稳定性, 李 英等从化合物 9 出发合成二氢青蒿素的 3 类衍生物。 4.2.1 C10醚类化合物 二氢青蒿素在 BF3-乙醚催化 下与醇反应生成缩醛醚 (通式 12), 产物为一对差向异 构体 (α, β-异构体), 是稳定的化合物, 主产物为 β 构 型。醚化合物分离成 α 和 β 单体对鼠疟 (Plasmodium. berghei) 抗氯喹原虫株作活性评价, 以青蒿素为阳性 对照, 测定抑制 90%原虫的所需剂量 (SD90)。表 1 列 出了有代表性的 C10 含醚基的化合物的活性。 表 1 C10 醚类化合物的结构及其活性 化合物 R (C10 构型) SD90/ mg·kg−1 化合物 R (C10 构型) SD90/ mg·kg−1 9 H 3.65 17b (β) 4.10 13a CH3(α) 1.16 18 (β) 3.42 13b CH3(β) 1.16 19a (α) 6.40 14 Et(β) 1.95 19b (β) 4.70 15 n-Pr(β) 1.70 20 i-Pen(β) 5.60 16 i-Pr(β) 2.24 21 (β) >44 17a (α) 2.28 1 青蒿素 6.20 表 1 的数据提示, 二氢青蒿素 (9) 的活性大约强 于青蒿素 1 倍, 甲醚化合物 (13) 的抗疟活性强于二 氢青蒿素 2 倍。醚基的 R 烷基增大, 活性降低; 羟乙 基醚化合物 21 没有活性。β 差向体的活性一般略高 于相应的 α 差向体。R 为 CH3 的化合物 13 活性高于 其他烷基取代, 13 称作蒿甲醚。 4.2.2 C10 酯类化合物 二氢青蒿素 9 在吡啶介质中 与酸酐、酰氯或氯代甲酸酯反应得到 C10 酯类化合物 (通式 22), 生成的羧酸酯为单一的 α 差向体。与氯代 甲酸酯反应得到 C10 碳酸酯也以 α 差向体为主, 温度 稍高, 产生少量 β 体。 表 2 列出了二氢青蒿素的单酯和碳酸酯化合物的 活性。这些酯类化合物的活性一般都比较高, 并由此 得到了如下的活性次序: 碳酸酯>羧酸酯>醚化合物> 二氢青蒿素 > 青蒿素 (李英, 虞佩林, 陈一心等. 青 蒿素类似物的研究. I. 还原青蒿素醚类、羧酸酯类和 碳酸酯类衍生物的合成. 药学学报, 1981, 16: 429−439; 顾浩明, 吕宝芬, 瞿志祥. 青蒿素衍生物对伯氏疟原虫 抗氯喹株的抗疟活性. 中国药理学报, 1980, 1: 48−50)。 此外虞佩林等合成了 9 的取代苯甲酸酯化物, 除 化合物 32 的活性强于青蒿素 10 倍外, 其余含硝基或 卤素的衍生物活性一般 (虞佩林, 陈一心, 李英等. 青蒿素类似物的研究. IV. 含卤素、氮、硫等杂原子
郭宗儒:青蒿素类抗疟药的研制 ()<co,ch-ch 7=345 H, HC 22 表2二氢青蒿素的单酯和碳酸酯化合物的活性 化合物R(C1o构型) 化合物R(C1构型) 表3优选的化合物的抗疟作用比较。a:抑制50%疟原虫所 CH(a) 需的剂量;b:抑制90%疟原虫所需的剂量;c:小鼠每日给药 29bOEa+B)0.57天后50%疟原虫转阴的最低剂量;d:小鼠每日给药,5天后 a OPr(a) 全部疟原虫转阴的最低剂量 Ph(a) OPr()1.32 27 +pm CH3pY()1.7331OPh(a+B)0.63 化合物 mgkg mg.kg mg kg l3(蒿甲醚) 24(丙酸酯) 82 的青蒿素衍生物的合成.药学学报,1985,20:357- 29(碳酸乙酯)0.32 365: China Cooperative Research Group on Qinghaosu 1(青蒿素) and Its Derivatives as Antimalarials. The chemistry and 9(二氢青蒿素) synthesis of Qinghaosu derivatives. J Tradit Chin Med 合物,进入系统的临床前研究(顾浩明,刘明章,吕 ( Eng ed),1982,2:9-16)。 宝芬等.蒿甲醚在动物的抗疟作用和毒性.中国药理 学报,1981,2:138-144)。1978年开始临床研究,并于 HsC- 1987年蒿甲醚以油针剂在我国批准为新药上市。 4.3青蒿琥酯 CH3 CF3 为了提高青蒿素的水溶性,便于注射用药,桂林 制药厂刘旭以二氢青蒿素为原料合成了10多个C10 羧酸酯,其中琥珀酸单酯(代号804)经红外、核磁、 质谱和-射线单晶衍射确定了结构,其钠盐可溶于 4.2.3双醚类化合物陈一心等用二元醇连接二氢水,适于注射给药。(刘旭.青蒿素衍生物的研究.药 青蒿素,设计合成了双二醚(通式33),目标物的Co学通报,1980,15:39濮金龙,陈荣光,蔡金玲.青蒿 构型为aB或B,B连接。活性评价表明均弱于单甲醚素衍生物的结构测定.广西药学会第二届年会学术 即蒿甲醚)[陈一心,虞佩林,李英等.青蒿素类似物讨论资料,P82,1979年10月,转引自“青蒿琥酯的 浓度研究.ⅥI.双(二氢青蒿素)醚和双(二氢脱氧青研究与开发.刘旭主编”,桂林:漓江出版社,2010 蒿素)醚类化合物的合成药学学报,1985,20:270-52-53) 273] 临床前研究表明,青蒿琥酯(34, artesunate)有 4.2.4蒿甲醚一候选化合物的确定上述二氢青蒿素强效抗疟作用,对于抗氯喹的鼠疟有杀灭作用,青蒿 的醚、羧酸酯和碳酸酯类衍生物中分别挑选出活性较琥酯钠对小鼠的LDso为1003mgkg-,家兔和犬的静 高的13(B差向体)、24(a差向体)和29(差向体)等脉注射亚急性毒性试验中,对体重、食欲、血象、肝 3个化合物对伯氏疟原虫感染小鼠的治疗实验作进一肾功能和心脑电图未显示明显影响。其钠盐(静脉滴 步评价,表3列出了这3个化合物与青蒿素和二氢青注前用碳酸氢钠溶液溶解)静脉注射后,在体内立即 蒿素的活性数据 转化为二氢青蒿素。大鼠体内的血浆半衰期为156 表3提示这3个化合物对感染小鼠都有良好的min。犬的血浆半衰期为10~45min。口服与静注青 治疗作用。进而评价对疟原虫感染食蟹猴的疗效,和蒿琥酯后,消除半衰期分别为41.35和3396min。绝 对小鼠、大鼠、家兔、犬和猴的安全性试验,结合化对生物利用度为40%。经临床研究,证明对间日疟 合物的物化性质,确定蒿甲醚( artemether)为候选化恶性疟和脑型疟均有效。1987年国家批准为新药上市
郭宗儒: 青蒿素类抗疟药的研制 · 161 · 表 2 二氢青蒿素的单酯和碳酸酯化合物的活性 化合物 R (C10 构型) SD90/ mg·kg−1 化合物 R (C10 构型) SD90/ mg·kg−1 23 CH3(α) 1.20 29a OEt(α) 0.63 24 Et(α) 0.66 29b OEt(α+β) 0.57 25 n-Pr(α) 0.65 30a OPr(α) 0.50 26 (α) 0.95 30b OPr(β) 1.32 27 (α) 1.73 31 OPh(α+β) 0.63 28 (α) 0.74 9 H 3.65 的青蒿素衍生物的合成. 药学学报, 1985, 20: 357− 365; China Cooperative Research Group on Qinghaosu and Its Derivatives as Antimalarials. The chemistry and synthesis of Qinghaosu derivatives. J Tradit Chin Med (Eng Ed), 1982, 2: 9−16)。 4.2.3 双醚类化合物 陈一心等用二元醇连接二氢 青蒿素, 设计合成了双二醚 (通式 33), 目标物的 C10 构型为 α, β 或 β, β 连接。活性评价表明均弱于单甲醚 (即蒿甲醚) [陈一心, 虞佩林, 李英等. 青蒿素类似物 浓度研究. VII. 双 (二氢青蒿素) 醚和双 (二氢脱氧青 蒿素) 醚类化合物的合成. 药学学报, 1985, 20: 270− 273]。 4.2.4 蒿甲醚—候选化合物的确定 上述二氢青蒿素 的醚、羧酸酯和碳酸酯类衍生物中分别挑选出活性较 高的 13 (β 差向体)、24 (α 差向体) 和 29 (α 差向体) 等 3 个化合物对伯氏疟原虫感染小鼠的治疗实验作进一 步评价, 表 3 列出了这 3 个化合物与青蒿素和二氢青 蒿素的活性数据。 表 3 提示这 3 个化合物对感染小鼠都有良好的 治疗作用。进而评价对疟原虫感染食蟹猴的疗效, 和 对小鼠、大鼠、家兔、犬和猴的安全性试验, 结合化 合物的物化性质, 确定蒿甲醚 (artemether) 为候选化 表 3 优选的化合物的抗疟作用比较。a: 抑制 50%疟原虫所 需的剂量; b: 抑制 90% 疟原虫所需的剂量; c: 小鼠每日给药, 5 天后 50% 疟原虫转阴的最低剂量; d: 小鼠每日给药, 5 天后 全部疟原虫转阴的最低剂量 化合物 SD50 a / mg·kg−1 SD990 b / mg·kg−1 CD50 c / mg·kg−1 CD100 d / mg·kg−1 13 (蒿甲醚) 0.60 1.00 1.22 1.80 24 (丙酸酯) − 0.50 0.47 0.82 29 (碳酸乙酯) 0.32 0.66 0.76 0.91 1 (青蒿素) − 6.2 − 25 9 (二氢青蒿素) − 3.7 − − 合物, 进入系统的临床前研究 (顾浩明, 刘明章, 吕 宝芬等. 蒿甲醚在动物的抗疟作用和毒性. 中国药理 学报, 1981, 2: 138−144)。1978 年开始临床研究, 并于 1987 年蒿甲醚以油针剂在我国批准为新药上市。 4.3 青蒿琥酯 为了提高青蒿素的水溶性, 便于注射用药, 桂林 制药厂刘旭以二氢青蒿素为原料合成了 10 多个 C10 羧酸酯, 其中琥珀酸单酯 (代号 804) 经红外、核磁、 质谱和 X-射线单晶衍射确定了结构, 其钠盐可溶于 水, 适于注射给药。(刘旭. 青蒿素衍生物的研究. 药 学通报, 1980, 15: 39; 濮金龙, 陈荣光, 蔡金玲. 青蒿 素衍生物的结构测定. 广西药学会第二届年会学术 讨论资料, P 82, 1979 年 10 月, 转引自“青蒿琥酯的 研究与开发. 刘旭主编”, 桂林: 漓江出版社, 2010: 52−53)。 临床前研究表明, 青蒿琥酯 (34, artesunate) 有 强效抗疟作用, 对于抗氯喹的鼠疟有杀灭作用, 青蒿 琥酯钠对小鼠的 LD50 为 1 003 mg·kg−1 , 家兔和犬的静 脉注射亚急性毒性试验中, 对体重、食欲、血象、肝 肾功能和心脑电图未显示明显影响。其钠盐 (静脉滴 注前用碳酸氢钠溶液溶解) 静脉注射后, 在体内立即 转化为二氢青蒿素。大鼠体内的血浆半衰期为 15.6 min。犬的血浆半衰期为 10～45 min。口服与静注青 蒿琥酯后, 消除半衰期分别为 41.35 和 33.96 min。绝 对生物利用度为 40%。经临床研究, 证明对间日疟、 恶性疟和脑型疟均有效。1987 年国家批准为新药上市