神经氨酸酶抑制剂抗流感病毒的研究进展_陈宝龙_邓旭_曾光尧_郭虹_周应军

Advances in Anti-Influenzwenku.baidu.com Virus of Neuraminidase Inhibitors
CHEN Bao-long，DENG Xu，ZENG Guang-yao，GUO Hong，ZHOU Ying-jun* （ School of Pharmaceutical Science，Cen-
Chin Pharm J，2015 January，Vol. 50 No. 1 ·7·
图 1 已上市神经氨酸酶抗流感药物的结构
图 2 神经氨酸酶与底物唾液酸作用活性中心区域的划分
根据神经氨酸酶蛋白免疫原性的不同以及其各亚型晶 体结构的差别，可以将 A、B 型流感病毒包膜上的神经氨酸酶 分为 2 大类： N1、N4、N5、N8 为第一类； N2、N3、N6、N7、N9 为 第二类［3］。这两类神经氨酸酶结构的不同之处主要体现在 150-环（ 147 ～ 152 位氨基酸残基） 的空腔上。150-环结构的 不同使第一类神经氨酸酶的活性中心附近具有一个较大的 空腔（ 150-空腔） ，而第二类神经氨酸酶则未见这个空腔的存 在。随后一系列的研究结果发现［4-5］，神经氨酸酶 150-环存 在着“打开”和“关 闭 ”两 种 构 象 之 间 的 转 换，并 且 这 两 种 构 象间的转换存在着一定的规律，如当神经氨酸酶抑制剂含有 较强的正电荷基团时，则该抑制剂更偏向于 150-环“打开”状 态的构象与神经氨酸酶相结合。这些重大发现为设计具有 更高亲和力的新型神经氨酸酶抑制剂奠定了基础。
2 神经氨酸酶抑制剂 2. 1 唾液酸类神经氨酸酶抑制剂
目前，随着新型流感病毒的潜在威胁和流感病毒耐药株 的不断出现，使抗流感药物的效果不尽如人意，因此，研发口
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服生物利用度高、耐药性好的抗流感药物迫在眉睫。天然存 在的唾液酸本身就是一种弱的神经氨酸酶抑制剂，早期神经 氨酸酶抑制剂的研究主要是模拟唾液酸苷酶催化反应过渡 态中对底物水解唾液酸类似物的筛选。而通过对唾液酸类 似物的结构修饰有望得到高效、低毒、低耐药的抗流感药物， 故通过对其构效关系进行总结，以期促进新型抗流感药物的 研发（ 图 3） 。 2. 1. 1 C-2 位的修饰 C-2 位的羧基与神经氨酸酶的 S1 区 域（ 正电荷区域） 形成盐桥，是必需的活性基团，但羧基的存 在也使得分子极性增大，降低了其口服的生物利用度。长链 烷氧烷基酯引入扎那米韦的 C-2 位（ 7） 不仅提高了其口服生 物利用度，而且降 低 了 毒 性。最 近 两 个 课 题 组［6-7］ 先 后 报 道 了一种基于共价结合新机制的神经氨酸酶抑制剂化合物 8， 其晶体结构研究表明它的 C2 位与神经氨酸酶中重要的 Tyr406 残基羟基形成共价键结合，故对 A、B 型流感和耐药菌株 均具有较好的抑制作用。动物实验数据亦表明，其抗流感活 性可以与扎那米韦相媲美。在另一项研究中，氟苯取代 C2 的化合物 9 具有可以与扎那米韦相媲美的活性［8］。化合物 10 是扎那米韦的膦酸酯衍生物，它对包括 H274Y 突变体的 5 种神经氨酸 酶 抑 制 剂 均 显 示 出 比 扎 那 米 韦、奥 司 他 韦 高 出 3 ～ 6倍的纳摩尔级抑制活性［9］。 2. 1. 2 C-3 位的修饰 在未发表第一类神经氨酸酶亚型的 晶体结构之前，唾液酸的 C-3 位一直被认为是没有修饰改造 价值的。但是 150-空腔发现后，研究人员为了使抑制剂与新 发现的 150-空腔匹配，对唾液酸衍生物进行了一系列的修饰 改造。如 Bhatt 等［10］设计了一系列 C3 位取代的化合物，其 中化合物 11 采用了二氢吡喃环的构象，其活性增强了约 32 倍； 然而当使用甲氧基、O-乙酰基取代 C-3 位时，化合物的活 性又明显降低，这就说明 C3 位，也就是 S2 活性位点不适合 与较大的疏水性基团发生相互作用。随后，Ｒudrawar 等［11］ 合成了一系列的 C3 位取代的化合物，其中 C3 位未被取代的 化合物 12 对 N1 和 N2 型神经氨酸酶的抑制作用无选择性，
tral South University，Changsha 410013，China）
ABSTＲACT Neuraminidase （ NA） is a mushroom-shaped and tetramer structural envelope glycoprotein on the surface of the influenza virus. NA inhibitors can inhibit highly pathogenic influenza virus subtypes and have good safety and drug resistance，hence they are widely used for the prevention and treatment of influenza virus. Based on the present domestic and foreign literatures in this field，this paper summarizes the research status of neuraminidase inhibitors classification and structure-activity relationships. It will help us make better use of existing conditions to design and synthesize better active and more selective anti-influenza drugs. KEY WOＲDS： influenza virus； neuraminidase inhibitor； classification； structure-activity relationship
作者简介： 陈宝龙，男，硕士研究生 研究方向： 天然产物的合成与结构修饰 * 通信作者： 周应军，男，教授 研究方向： 天然药物化学、
天然产物的合成与结构修饰 Tel： 13319588828 E-mail： fisher203@ 126. com
中国药学杂志 2015 年 1 月第 50 卷第 1 期
流感是由病毒引起的一种急性呼吸道传染性疾病，据相 关统计全球每年约有 25 万 ～ 50 万人死于流感及其并发症。 近年来，随着全球物种活动范围的加大，流感病毒变异性的 增强以及高致病性禽流感在世界范围内的频繁暴发，给人类 的日常生活和经济发展带来了严重影响。目前，疫苗接种和 药物治疗是防治流感的主要措施。但流感病毒亚型多、易突 变的特点使得人们预测流感爆发的准确性大为降低，从而导 致常规流感疫苗对不可预见的新型流感病毒束手无策。因 此，保护人类健康的第一道防线、有效对抗流感病毒的只能 是高效的抗流感药物。目前已上市的抗流感病毒药物包括 2 种类型： 一类是 M2 蛋白抑制剂，包括金刚烷胺（ 1） 和金刚乙 胺（ 2） （ 图 1） ，但这类药物仅对甲型流感病毒有效，而且耐药 株的致病性和传染性以及严重的中枢神经系统副作用等均 限制了此类药物的应用［1］。另 一 类 是 神 经 氨 酸 酶 （ neuraminidase） 抑制剂 ，包括扎那米韦（ 3） 、奥司他韦（ 4） 、帕拉米 韦（ 5） 、拉尼米韦（ 6） （ 图 1） 等，这类药物对高致病性流感病 毒的各亚型均具有抑制作用，且其安全性和耐药性良好，可 用于流感病毒的预防和治疗。笔者对神经氨酸酶及其抑制 剂的分类、构效关系以及国内外研究现状进行综述，以期促 进新型抗流感药物的研发。
1 神经氨酸酶及其抑制剂靶点概述 1. 1 神经氨酸酶
神经氨酸酶是流感病毒表面一种蘑菇云状四聚体结 构的包膜糖蛋 白，其 活 性 中 心 位 于 各 个 亚 基 中 央 较 深 的 口袋内。神经氨酸酶与流感病毒的复制和传播过程关系 密切： 首先，神经氨酸酶能够 通 过 水 解 唾 液 酸 与 细 胞 之 间 的糖苷键来促进病毒在上呼吸道的传播和新一代病毒的 释放。其次，神 经 氨 酸 酶 可 以 将 子 代 病 毒 表 面 的 唾 液 酸 残基清除，从而 防 止 子 代 病 毒 因 血 凝 素 与 唾 液 酸 之 间 的 相互作用而 发 生 聚 集。因 此，神 经 氨 酸 酶 抑 制 剂 可 以 通 过阻断病毒的生命周 期，有 效 控 制 病 毒 在 呼 吸 道 的 进 一 步 传 播［2］ 。 1. 2 神经氨酸酶活性中心
神经氨酸酶活性中心的框架是由 18 个保守的氨基酸残 基构成，其中 8 个高度保守的氨基酸残基可直接与底物水解 唾液酸发生相互作用，影响整个水解糖苷键的催化过程，而 其余的氨基酸残基则具有维持酶活性中心空间构象的作用。 2003 年，Stoll 建立了神经氨酸酶活性中心与其抑制剂的结合 模型（ 图 2） ，根据此模型，神经氨酸酶的活性中心可以分为 5 个结合区域（ S1 ～ S5） 。
中国药学杂志 2015 年 1 月第 50 卷第 1 期
但甲苯基取代的化合物 13 对 N1 亚型的抑制作用比 N2 亚型 增强了约 200 倍，且它对 2009 年 H1N1 型的突变体 H274Y 和 Q136K 同样有效。这些研究结果表明，对唾液酸类似物的 C-3 位进行修饰，有望得到高选择性高强度的治疗 H5N1 流 感的神经氨酸酶抑制剂。 2. 1. 3 C-4 位的修饰 唾液酸 C4 位和 C6 位分别被氨基和 氨基羰基取代的化合物 14 抗 A 型流感病毒的活性高于扎那 米韦，这就说明 C4 位的胍基并不一定是活性所必需基团。 如 Ye 等［12］报道的化合物 15，其 C4 位是由天冬酰胺基取代， 它不仅显示出对 H5N1 感染的 MDCK 细胞良好的抑制活性 （ IC50 = 2. 72 mmol·L － 1 ） ，而且显著增强了对 N2 亚型流感 的抑制，这可能和天冬酰胺基与 N2 亚型神经氨酸酶可以更 好的结合有关。随后，Wen 等［13］在 C4 位的胍基上进行拓展 修饰，发现哌嗪基取代的化合物 16 显示出了很强的神经氨 酸酶抑制活性以及针对 H1N1 型流感亚微摩尔级的抗流感 活性。 2. 1. 4 C-5 位的修饰 研究人员发现唾液酸的 C-5 位必须 保持一定的立体构型才具有抗流感活性，而且可以选择性增 强抑制 B 型流感病毒的活性。2012 年，Suzuki 等［14］ 增加唾 液酸的 C-5 位链长，得到化合物 17、18，它们都表现出了不错 的神经氨酸酶抑制活性。因此，乙酰氨基同样具有改造修饰 的空间。 2. 1. 5 C-6 位侧链 Yamashita 等［15］将扎那米韦分子中 C-7 位羟基醚化、C-9 位羟基长烷基链酯化，分别得到化合物 19 （ Ｒ-125489） 、20（ CS-8958） ，它们对 A、B 型流感病毒以及耐 奥司他韦的流感病毒株均具有较强的抑制作用，这就是最近 在日本上市的新型抗流感病毒抑制剂辛酸拉尼米韦的前身。 辛酸拉尼米韦与其他抗流感药物相比肺部滞留时间更长，单 次吸入即可获得显著疗效的特点，每周吸入 1 次即可有效预 防流感［16］。研究人员通过对感染 H5N1 合并高细胞因子血 症的患者治疗观察发现，C7 位羟基取代的扎那米韦具有纳 摩尔级的神经氨酸酶抑制活性以及良好的抗炎活性［17］。因 此，Liu 等将咖啡酰基引入扎那米韦的 C7 位得到化合物 21、 22，他们均表现出了良好的抗流感和抑制炎症细胞因子的活 性。Weight 等［18］在扎那米韦的 C7 位进行修饰发现，化合物 24 的结构中多引入了 1 个 L-谷酰胺聚合物的结构，这使得其 抗流感活性比化合物 23 增强了约 15 ～ 860 倍。这些研究结 果表明，唾液酸 C6 位侧链具有很大的结构改造空间。 2. 2 苯甲酸类神经氨酸酶抑制剂
神经氨酸酶抑制剂抗流感病毒的研究进展
陈宝龙，邓旭，曾光尧，郭虹，周应军* （ 中南大学药学院，长沙 410013）
摘要： 神经氨酸酶（ NA） 是流感病毒表面一种蘑菇云状四聚体结构的包膜糖蛋白，其抑制剂对高致病性流感病毒的各亚型 均具有抑制作用，且其安全性和耐药性良好，可用于流感病毒的预防和治疗。笔者在归纳总结近年来该领域国内外文献的基 础之上，对神经氨酸酶及其抑制剂的分类、构效关系以及国内外研究现状进行总结，有助于我们更好地利用现有条件设计并 合成出活性更好、选择性更高的抗流感药物。 关键词： 流感病毒； 神经氨酸酶抑制剂； 分类； 构效关系 doi： 10. 11669 / cpj. 2015. 01. 002 中图分类号： Ｒ965 文献标志码： A 文章编号： 1001 － 2494（ 2015） 01 － 0007 － 08