方酸结构在药物化学中的应用
概述
方酸（也称为二次酸；3，4二羟基环丁-3-烯-1，2-二酮）是具有2π-假芳香性的对称的平面双质子四元碳氧化合物。由于存在共振稳定的二价阴离子，方酸具有非常高的酸性（图1）[1]。
图1 方酸共振结构[1]
方酸衍生物因为多种优势在药物化学中非常重要。首先，与许多其他被设计为潜在药物的化合物不同，方酸通常具有更好的水溶性。特别是当方酸或方酰胺骨架分别与胺和羧基结合时，溶解度会增加，这使其更适合成为调节药物溶解性的亚结构[2]。此外，在药物开发过程中，方酸衍生物还可以作为羧酸盐和氨基酸的非经典生物电子等排体[3]。例如，含有N-（羟基二氧环丁烯基）的γ-氨基丁酸和L-谷氨酸对神经元中的氨基酸受体（AMPA和NMDA）具有明显活性[4]。方酸的单酰胺通常用于与赖氨酸和其他胺类发生生物共轭。二酰胺（方酰胺）常用作核苷酸或寡核苷酸（ON）类似物中的磷酸基团替代物[5，6]。在生物化学中，方酸衍生物的用途主要是作为离子受体与蛋白质或碳水化合物发生生物共轭。在药物化学中，这些化合物具有多种药理活性，包括抗疟原虫、抗癌、抗病毒和抗菌等，这使得它们成为药物开发中非常有前途的先导化合物。在最常见的方酸衍生物中（图2）[3]，方酰胺5因其能够通过分子识别与生物靶标进行相互作用而受到了广泛的关注。一些研究表明，用作氨基酸生物电子等排体的方酰胺可能对脱羧酶更具抵抗力，因为它们不含有对脱羧重要的亲核氮原子[27]。
图2 方酸衍生物[7]
方酸衍生物药理活性
原生生物是单细胞真核生物，它与人类几种严重的疾病，例如疟疾，人类非洲锥虫病（HAT，昏睡病），利什曼病和南美锥虫病有关。这四种热带病在世界许多国家都很普遍，总计影响约2.26亿人，特别是在发展中国家。此外，原生生物感染是免疫受损患者例如HIV感染者或接受癌症化学疗法的患者中最常见的威胁生命的继发感染。许多抗寄生虫药物由于耐药性的出现使疗效受到限制。对多种通过不同机制起作用的新型高效药物的迫切需要鼓励着药物研究者寻找新的目标。已经发现许多方酸衍生物具有抗寄生虫活性的潜力，并且在2013年已出现了首个具有抗疟原虫活性的方酸衍生物（图3）[8]。因此方酸衍生物可能有助解决寄生虫的耐药性这一难点[9]。
图3 含方酰胺具有抗疟原虫活性结构[8]
细菌感染已成为最大的公共卫生问题之一，耐药细菌的迅速出现正在全世界范围内发生，因此，必须扩大现有抗生素的范围。1996年，首次报道了结合方酸骨架的具有抗菌活性的化合物。另外，研究表明，一些具有方酰胺结构的化合物可以充当H2拮抗剂，以及对幽门螺杆菌表现出中等至弱的抑制活性。在寻找新型抗菌剂，专注于大的抗菌靶点RNA聚合酶过程中发现了一种具有高度活性的含方酰胺骨架的结构（图4a），已证明方酰胺与RNA聚合酶开关区域结合，并导致该区域功能发生障碍，从而抑制转录。RNA聚合酶对于基因表达，细胞生长和活力至关重要[10]。最近，一种基于方酰胺骨架通用化合物结构（图4b）被报道，作为分枝杆菌ATP合酶抑制剂具有较高的抗结核分枝杆菌活性，而ATP合酶是细菌能量和代谢中普遍存在的关键酶，它利用跨膜电化学势存储的能量来产生ATP [11]。
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图4 a含方酰胺结构的RNA聚合酶抑制剂[10]；b含方酰胺结构的分枝杆菌ATP合酶抑制剂[11]
癌症的治疗仍然是热门话题，许多研究人员探索了如何降低当前使用药物的固有毒性，限制对人体的不良影响以及改善药物靶向性的方法。由于水溶性低或膜通透性差，最常用的化学疗法具有较低的生物利用度，因此需要提高剂量。此外，为了克服某些癌症的多药耐药性以及抗癌药带来的副作用，发现具有不同作用机理的新型有效抗癌药已成为世界范围内的主要研究目标之一。方酸衍生物作为强效抗癌药受到了特别关注，尤其是最近十年。在2016年，研究者基于方酰胺骨架设计了新型的4E因子（eIF4E）的帽结合抑制剂的结构 （图5a）[12]。eIF4E是真核翻译起始因子4F复合体的组成部分，该复合体识别信使RNA 5’末端的7-甲基鸟苷帽结构，并且是翻译调控的关键参与者。eIF4E活性与有丝分裂、胚胎形成和细胞凋亡有关。eIF4E在许多人类肿瘤中都过表达，这使其成为抗癌治疗的重要靶标。SNM1A是一种DNA修复酶，在链间交联的修复中起着至关重要的作用。方酸骨架与核苷结构连接形成的分子对于SNM1A有抑制作用 (图5b)[13]。由于SNM1A的活性位点包含一个锌原子，研究者提出用含有锌结合基团的分子可能阻断该酶并抑制链间交联的修复。因为方酸或方酰胺可以作为氢的供体或受体通过氢键进行选择性结合，因此被选为合适的锌结合配体(图6)[13]。
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图5 a含方酰胺结构的eIF4E抑制剂[12]；b含方酰胺结构的SNM1A抑制剂[13]
图6 方酸和方酰胺骨架作为锌结合配体[13]
在所有病毒性疾病中，由人类免疫缺陷病毒（HIV）引起的获得性免疫缺陷综合症（AIDS）仍然是全球主要的健康问题，已经夺走3300万人的生命。在个别患者中出现耐药性需要更广泛的治疗选择。因此，开发出具有更高安全性和新的作用机制的新型抗HIV药物引起了人们的关注 [14]。在HIV生命周期中，病毒反式激活蛋白Tat与反式激活应答序列TAR RNA的识别与相互作用是HIV基因表达调控中的关键环节。在2005年，研究者筛选了一系列新颖的包含方酰胺骨架的拟肽分子（图7a），这些化合物可抑制Tat-TAR相互作用。研究结果表明化合物8（图7b）作为Tat-TAR有效抑制剂，以高亲和力（KD=7.7μM）与TAR-RNA结合，其半数效应浓度（EC50）和半数细胞毒性浓度（CC50）分别为12.4和1600μM [15]。
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图7 a含方酰胺骨架的拟肽分子结构；b 具高亲和力拟肽分子[15]
CXCR1和CXCR2受体是G蛋白偶联受体被生长相关蛋白-a（CXCL1）和白介素8激活（CXCL8），这些受体在许多不同的炎症和结构细胞中表达，它们负责调节肺功能，方酸衍生物可作为CXCR2受体拮抗剂[16]。方酸衍生物因其特有的高酸度可作为血管紧张素II拮抗剂中羧酸和四唑的生物电子等排体。另外，方酸衍生物还可作为各种受体拮抗剂，用于治疗癫痫、中风和神经退行性变精神障碍等疾病[17]。
参考文献：
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[16]Biochemistry. 42 (2003) 2874-2886.
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