双环[3.1.0]己烷结构：高张力的桥环结构在药物化学中的应用

背景介绍

双环[3.1.0]己烷（bicyclo[3.1.0]hexane），一种具有高张力桥环结构的二环烃，常用作医药和农药的结构单元。双环[3.1.0]己烷结构中环戊烷的四个碳原子处在同一个平面中，其顶端碳原子与环丙烷亚甲基处于环的同侧，形成类似信封型构象（如图1）。

图1  双环[3.1.0]己烷的构象

双环[3.1.0]己烷结构存在于很多天然产物之中，科学家们对这类天然产物的构效关系研究证明高张力的双环[3.1.0]桥环对其生物活性具有非常重要的作用（如图2）。双环[3.1.0]己烷结构较为新颖和特殊，在天然产物分离鉴定时，往往会发生天然产物结构鉴定错误的现象。

图2  含有双环[3.1.0]己烷结构的天然产物

环桉醇（Cycloeudesmol）是由斯克里普斯海洋研究所的Fenical课题组于1974年从软骨藻属海藻中提取的一类三环骨架醇类物质，生物测试发现其对金黄色酿脓葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、猪霍乱沙门菌（Salmonella choleraesius）、包皮垢分支杆菌（Mycobacterium smegmatis）和白色念珠菌（Candida albicans）均具有非常好的抗生素活性（如图3）。鉴于环桉醇新颖的结构，未知的绝对构型，良好的抗生素活性，在当时合成化学家对其产生了浓厚的兴趣。1979年，日本东北大学的Ando课题组陆续完成了环桉醇推测结构四个异构体的合成，四个最终化合物与天然产物分离谱图对比发现，谱学数据差别很大，Ando教授怀疑天然产物的结构可能鉴定错误。两年后，名古屋大学的Kurosawa教授通过对比自己课题组分离的天然产物Isocycloeudesmol与环桉醇的谱图，同时经过谱学分析和X单晶衍射实验最终确认了环桉醇与Isocycloeudesmol是同一个物质，其正确构型含有双环[3.1.0]己烷这一新颖结构。^[1]

图3  环桉醇的结构鉴定与修正

双环[3.1.0]己烷结构主要合成方法

自从1882年环丙烷被合成以来，越来越多的结构复杂的环丙烷类桥环化合物被合成，并用于药物化学研究中。由于双环[3.1.0]己烷结构可以进行独特的断裂、重排反应，使其在有机合成中也被广泛应用，成为一种非常有用的手性构建砌块。

因此，合成化学家们发展了各种各样的方法和策略来获得双环[3.1.0]己烷结构，例如 Simmons-Smith环丙烷化反应、重氮甲烷、氯仿/氢氧化钠体系等产生卡宾的环丙烷化反应可以直接形成结构简单的双环[3.1.0]己烷结构。而手性双环[3.1.0]己烷结构大多是基于金属碳烯作为C1源的分子内环丙烷化反应，此类反应需要具有活性预官能团化基团（比如重氮、磺基腙、硫叶立德）作为金属碳烯的前体；或者采用金属催化的1,6-烯炔的氧化环丙烷化反应。这些方法都可以很方便地制备双环[3.1.0]己烷结构，也可以进行其他转化形成所需手性中间体（如图4）。^[2]

图4  双环[3.1.0]己烷结构不对称合成方法

2018年，南方科技大学的刘心元课题组发展了一种金属催化分子内自由基环丙烷化方法构建双环[3.1.0]己烷骨架（如图5）。该方法采用一价铜作为金属催化剂，4,4’-二叔丁基-2,2’-吡啶作为配体，醛基的邻位亚甲基作为碳源，直接、高效构建了双环[3.1.0]己烷骨架，具有底物普适性广，官能团容能性好、立体选择性高的优点。^[3]

图5  不对称自由基环丙烷化方法构建双环[3.1.0]己烷骨架

双环[3.1.0]己烷结构在药物化学中的应用

螺旋内酯甾酮（Spironolactone），一种醛固酮拮抗剂，是作用强烈的内源性盐类皮质激素。螺旋内酯甾酮临床上被用作利尿剂，用于治疗慢性充血性心力衰竭、肝硬化腹水及肾病综合征等并发的水肿；诊断和治疗原发性醛固酮增多症；女性痤疮、女性多毛症、雄激素源性脱发。这种激素类药物会产生较多不利的副作用，比如出现头痛、嗜睡、精神错乱、运动失调、红斑性皮疹、多毛症和泌尿系统紊乱等。长期用药后可出现性欲减退、阳痿、男子乳腺发育、女子月经失调等。

为了克服这些不利因素，找到更优的醛固酮拮抗剂，在20世纪七八十年代，先灵葆雅制药公司的Weichert团队合成了600多个类固醇类化合物，发现双环[3.1.0]己烷骨架类似物Spirorenone拥有5倍醛固酮拮抗活性，同时副作用很少。更加深入的药物代谢研究发现Spirorenone的口服活性代谢产物屈螺酮（Drospirenone），同时拥有黄体酮活性、抗雄激素和抗盐皮质激素活性。其良好的生物学活性，主要得益于其A环1,2位处于饱和状态、B环具有双环[4.1.0]庚烷结构、D环具有双环[3.1.0]己烷结构；其中环丙烷结构可以抑制其代谢失活（如图6）。^[4]

2000年11月，先灵葆雅公司推出了目前全球唯一一个被证实拥有更多非避孕获益适应症的复方口服避孕药——优思明（Yasmin），一种含有屈螺酮和低剂量雌激素的复方药物。其中，雌激素能够帮助女性在高效避孕的同时，尽可能减少不良反应的发生；而屈螺酮兼具抗盐皮质激素和抗雄激素作用，可以帮助抗水钠潴留和改善痤疮，是目前唯一被国家食品药品监督管理局批准用于除避孕外治疗中度寻常痤疮的复方口服避孕药。鉴于复方药物优思明诸多的优点，受到广大适龄女性的青睐，其年销售额可以达到9亿欧元。

图6  Spironolactone, Spirorenone, Drospirenone的结构和生物活性

20世纪九十年代，礼来制药公司合成了一系列双环[3.1.0]己烷骨架谷氨酸类似物，筛选发现化合物Eglumegad（LY354740）是非常好的第二组代谢型谷氨酸受体（mGluR2/3）选择性激动剂，EC50值可以达到5.1和24.3 nM（mGlu2和mGlu受体），对于其他受体EC50值大于100 μM（mGlu4、mGlu7、mGlu1a和mGlu5a受体）；然而，目前无法确证Eglumegad是否直接作用于多巴胺D2受体。小鼠实验中，Eglumegad在治疗焦虑症状方面与药物地西泮（Diazepam）一样有效，并且不会产生地西泮的副作用（如：镇静和记忆障碍等）；进一步的人体试验证实，Eglumegad在不产生镇静作用的情况下发挥抗焦虑作用。另一项研究表明Eglumegad还可以有效缓解尼古丁和吗啡的慢性戒断症状，并抑制吗啡耐受性的发展，使得科学家对于这种药物可能治疗人类药物成瘾产生了希望。目前，Eglumegad正在进行临床II期的研究；其氟代类似物（如：LY459477, MGS0008, MGS0028, MGS0022）也正在进行临床前研究。由于Eglumegad的口服生物利用度较差，导致其在最初的人体试验中疗效有限。礼来公司同一时期开发了其丙氨酸衍生物LY544344作为Eglumegad的前药，然而LY544344在临床前研究中被发现会产生惊厥的副作用，故被提前终止（如图7）。^[5]

图7  Eglumegad、LY544344和LY459477的结构和生物活性

丙型肝炎病毒（Hepatitis C Virus, HCV）是导致输血相关性和获得性肝炎的主要病原。其感染者中约70%将发展为慢性持续性感染；约有20%的慢性丙肝患者会发展为肝纤维化和肝硬化，其中会有20%患者最终将发展为肝癌。丙型肝炎病毒基因存在很大的异源性，其核衣壳核心区域和非结构蛋白NS3（non-structural protein 3）基因保守，含有多个T细胞表位，可以引起特异性的细胞免疫反应，通过IFN-γ的分泌产生辅助性T细胞和细胞毒性T淋巴细胞免疫反应，帮助机体控制感染和清除病毒。由于NS3在丙型肝炎病毒RNA基因组复制中的关键作用，因此NS3可以做抗丙型肝炎病毒的靶标。吉利德公司科学家筛选一系列化合物发现，具有双环[3.1.0]己烷侧链结构的药物小分子Vedroprevir（GS-9451）是一种新型的、可逆的、非共价结合的丙型肝炎病毒NS3丝氨酸蛋白酶抑制剂，在体外对1a和1b基因型具有等效的抗病毒活性，体外HCV基因型1a和1b复制子测试EC50值达到7-10 nM（如图8）。Vedroprevir在体内测试中活性也很高，基因型1a和1b复制子细胞系测试EC50值分别达到13和5.4 nM；基因型2a复制子细胞中活性稍低，EC50值是316 nM；同时表现出良好的口服生物利用度。2014年，吉利德公司开展了其临床II期研究——Vedroprevir单独使用，及和利巴韦林（Ribavirin）联用治疗顽固性慢性基因1型丙肝病毒感染和肝硬化患者，2016年临床报告显示试验没有达到预期结果，之后吉利德公司没有继续进行后续的研究。^[6]

图8  Vedroprevir和Ribavirin的结构式

病毒（Virus）是病原微生物中最小的一种病原体，不具有普通细胞结构，需在细胞内繁殖。其核心是核糖核酸（RNA）或脱氧核糖核酸（DNA），外壳是蛋白质。病毒寄生于宿主细胞内，依赖宿主细胞代谢系统进行增殖复制。病毒复制过程如下：首先病毒识别并吸附到宿主细胞的表面；通过宿主细胞膜穿入易感细胞；接着，脱壳、合成早期的调控蛋白及核酸多聚酶；之后，病毒基因组（DNA或RNA）复制，合成后期的结构蛋白，子代病毒的组装；最后，易感细胞释放子代病毒，上述过程为一个复制周期。抗病毒药物可以靶向病毒复制的任何一个步骤，发挥抗病毒作用。Northern methanocarbacyclic（N-MCT）是由美国NandN科技公司开发的一种具有双环[3.1.0]己烷骨架的口服抗病毒小分子药物，该药物在体内对疱疹病毒、牛痘病毒及其耐药变异株具有显著的活性，在治疗剂量范围对小鼠没有产生的细胞毒性（如图9）。并且N-MCT只是在病毒感染的细胞中被疱疹病毒胸苷激酶（HSV-TK）激活，N-MCT通过三步磷酸化过程转化为活性三磷酸盐代谢物，其中只有第二步由HSV-TK选择性激活。与非环类抗病毒药物（如更昔洛韦）相比，其三磷酸盐代谢物在体内和体外对未感染细胞都没有明显的细胞毒性。进一步临床前研究表明N-MCT具有如下特性：1. N-MCT可以抑制1型和2型疱疹病毒、卡波济氏肉瘤病毒和牛痘病毒；2. N-MCT只在感染病毒的细胞中表现细胞毒性；3. 对于阿昔洛韦具有抗性的疱疹病毒和对西多福韦具有抗性的牛痘病毒，N-MCT同样具有抗毒性活性；4. N-MCT与市面上最畅销的抗病毒药物阿昔洛韦、更昔洛韦和西多福韦具有同样的或者更优的抗毒性活性；5. 与西多福韦具有高肾毒性不同，N-MCT在受牛痘病毒感染的小鼠治疗剂量上是无毒的。N-MCT于2016年被美国食品药品管理局（FDA）授予孤儿药资格，用于治疗新生儿单纯性疱疹。目前，N-MCT正在乔治城大学进行临床I期的研究。^[7]

图9  N-MCT的结构和病毒感染过程图

结核杆菌和其他分岐杆菌物种在其细胞壁中有一种独特的酯化多糖结构，即分岐酰-阿拉伯半乳糖复合物（mycolyl-arabinogalactan, mAG），它为生物体抵御外部环境提供了重要的保护。mAG复杂的多糖部分包含一个半乳糖主链和30个呋喃半乳糖支链片段通过β-(1→5)和β-(1→6)相连接。半乳分岐杆菌中所采用的半乳糖呋喃糖型这一种异构体在人类中并不存在，因此，参与半乳糖分岐杆菌生物合成的糖基转移酶是开发新型抗菌药物的潜在靶点。加拿大阿尔伯塔大学的Lowary课题组合成了一系列尿嘧啶二磷酸呋喃型半乳糖（UDP-Galf）的模拟物，其核心骨架都含有双环[3.1.0]己烷，这一结构很好地模拟了UDP-Galf在自然界中的信封构象，有希望成为新型骨架的抗菌药物小分子（如图10）。^[8]

图10  UDP-Galf及其模拟物的结构式

心力衰竭（Heart failure）简称心衰，是由于心室泵血或充盈功能低下，心脏排血量不能满足机体代谢的需要，组织、器官血液灌注不足，同时出现肺淤血和腔静脉淤血，是各种心脏病发展到严重阶段的临床综合症，也被称为充血性心力衰竭（CHF）。舒张功能障碍（心肌松弛不足）的患者可以受益于目前的正性肌力治疗药物，通过腺苷酸环化酶途径增加钙的瞬时量，或通过抑制磷酸二酯酶（PDE）延缓cAMP降解，从而改善心肌收缩力。然而，这类药物对心力衰竭患者是有害的，需要新的治疗药物来改善充血性心力衰竭患者的心脏功能——利用不同的作用机制，能在缓解症状、安全性和患者死亡率方面取得更好的结果的药物。安进生物医药公司和Cytokinetics公司的科学家筛选发现氮杂双环[3.1.0]己烷骨架结构的双酰胺类化合物可以通过与肌钙蛋白C和肌钙蛋白I界面结合而激活心肌肌节（如图11）。这是一种新型机制的治疗心衰的药物小分子，有望成为心力衰竭患者的福音。^[9]

图11  双酰胺类化合物结构式

越来越多研究表明，双环[3.1.0]己烷骨架结构不光可以作为重要的合成中间体，其独特的断裂、重排反应，成为一种非常有用的手性构建砌块和构建多官能团取代的苯甲酸酯的前体；也是至关重要的药效基团，扩展药物化学家们的“工具包”，推动医药研究进一步发展。

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