定量构效关系(QSAR)在新兽药研发中的应用

定量构效关系（QSAR）在新兽药研发中的应用
利用化合物定量构效关系（QSAR）方法研制新兽药，是今后药物研究开发的热点和重点。

此稿介绍应用QSAR法通过化学的合成获得新药——鱼腥草素α-位衍生物、大蒜新素衍生物和水溶性氟苯尼考琥珀酸钠的方法原理，扩大了发展新药的思路，谨供阅览。

定量构效关系（Quantitative structure-activity relationship, QSAR）是在传统构效关系的基础上，以数学和统计学手段，研究化合物分子的理化性质参数或结构参数与其生物活性的定量关系。

在药理学中，可利用化合物的理化性质参数或结构参数，结合物理化学中常用的经验方程推测化合物的药理活性，一定程度上揭示了药物分子与生物大分子结合的模式，预测或解释有机小分子的药理活性，以及在生物体内吸收、分布、代谢、排泄等生理相关性质。

在药物设计中，可利用受体或药理作用靶位特点，结合化合物分子的量子化学参数或结构参数，通过经验方程设计新化合物结构，在体外模拟其生物活性，有目的的合成新药物分子。

1、定量构效关系（QSAR）的研究背景
1868年，A Crum-Brown等人提出了Crum-Brown方程，用化学结构的函数来表示化合物的生理活性，药物构效关系研究由定性研究发展到定量研究。

随着技术和分子生物学、分子药理学的快速发展，定量构效关系已从经典的二维定量构效关系发展到具有直观性的三维定量构效关系，再到可以模拟化合物分子全部构象的四维定量构效关系，直至可以模拟诱导契合的五维定量构效关系，使人们对药物配体-受体的结合过程有了更深入的认识，这对于药物分子设计和先导化合物改造有十分重要的意义。

QSAR研究中涉及了多种经验方程。

1962年，美国波蒙拿学院的Hansch提出了表示二维定量关系的Hansch方程。

1980年代前后人们开始探讨基于分子构象的三维定量构效关系的可行性。

1979年，Crippen提出“距离几何学的3D-QSAR”；1980年Hopfinger等人提出“分子形状分析方法”；1988年Cramer等人提出了“比较分子场方法”（CoMFA）。

比较分子场方法一经提出便席卷药物设计领域，成为应用最广泛的基于定量构效关系的药物设计方法；1990年代，又出现了在比较分子场方法基础上改进的“比较分子相似性方法”以及在“距离几何学的3D-QSAR”基础上发展的“虚拟受体方法”等新的三维定量构效关系方法。

1997年，Hopfinger引入了4D-QSAR的概念[1]。

2002年，Vendani和Dobler[2-4]提出了5D-QSAR的概念。

4D-QSAR 、5D-QSAR模型验证能力与3D-QSAR虽有一定优越性，但由于考虑的受体结果因素过多，所以2D-QSAR、3D-QSAR方法依然在药物定量构效关系研究方面占据重要的地位。

结构参数是构成定量构效关系的要素之一，常见的结构参数有：疏水参数、电性参数、立体参数、几何参数、拓扑参数、理化性质参数以及纯粹的结构参数等。

活性参数是构成定量构效关系的另一大要素，人们根据研究的体系选择不同的活性参
数，常见的活性参数有：半数有效量、半数有效浓度、半数抑菌浓度、半数致死量、最小抑菌浓度等，所有活性参数均必须采用物质的量作为计量单位，以便消除分子量的影响，从而真实地反应分子水平的生理活性。

为了获得较好的数学模型，活性参数在定量构效关系中一般取负对数后进行统计分析。

2、定量构效关系（QSAR）在兽药研发中的应用
笔者课题组先后利用QSAR方法设计研究了多种新的兽用药物，包括鱼腥草素α-位衍生物、大蒜新素衍生物、氟苯尼考琥珀酸钠、苦参碱磺酸钠等。

2.1鱼腥草素α-位衍生物
鱼腥草素为鱼腥草挥发油中分离出的抗菌活性成分，研究表明，此类物质还具有增强免疫、抗高血压、抗炎等作用。

在人医上用于治疗支气管炎；在兽医临床上，早在一百多年前的《猪经大全》上曾记载，鱼腥草用于治疗猪气喘病；杜爱芳研究发现鱼腥草素可用于治疗链球菌或金黄色葡萄球菌所致的奶牛乳房炎[5]。

为了探索有更强活性的鱼腥草素衍生物，李逐波等人[6]利用MOPAC法，根据细菌细胞膜与疏水性之间的关系，以及革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌在细胞壁上的差别，以鱼腥草素同系物-辛酰乙醛为模板，设计并人工合成得到三种鱼腥草素α-位衍生物，分别命名为2-辛酰丙醛亚硫酸钠（HOU-C8C1）、2-辛酰丁醛亚硫酸钠（HOU-C8C2）和2-辛酰己醛亚硫酸钠（HOU-C8C4）。

经体外抑菌实验发现，鱼腥草素α-位衍生物C(9)位的负电荷密度越大，抑制细菌的活性越强；在C(9)位的负电荷密度相近的情况下，亲脂性越大，抑制细菌的活性越强。

从中筛选出枯草杆菌、痢疾杆菌最为敏感的HOU-C8C4。

研究还发现三种鱼腥草素α-位衍生物都能不同程度地提高小鼠血清SOD和体外培养巨噬细胞分泌溶菌酶的活力[7]。

鱼腥草素α-位衍生物既具有良好的抗菌活性，可用于细菌感染引起的动物疾病；又具有增强动物机体免疫力的作用，能够进一步加强抗菌活性，还可以作为动物免疫佐剂使用。

目前，已经完成部分兽医临床实验，此类化合物与猪瘟疫苗和新城疫疫苗合用，能显著提高抗体的滴度。

2.2 大蒜新素衍生物
大蒜新素是从大蒜（Allium sativum）中提取的一种具有很强刺激性的挥发性的油状物质，其化学名称为二烯丙基三硫醚，该化合物可以人工合成。

大蒜素具有很强的抗菌、抗病毒、抗肿瘤、提高免疫力等多种药理活性。

任方奎[8,9]采用Hansch方法，以大蒜新素为模板，设计并合成了九种大蒜新素衍生物，包括二(3-丁烯基)三硫醚、二（4-戊烯基）三硫醚、二(3-甲基-2-丁烯基)三硫醚、二（5-己烯基）三硫醚、二丙基三硫醚、二丁基三硫醚、二戊基三硫醚、二己基三硫醚和二异戊基三硫醚。

通过对大蒜新素及其衍生物的体外抑菌试验，结果表明大蒜新素衍生物都有很强的抗菌作用，尤其是二(3-甲基-2-丁烯基)三硫醚和二（4-戊烯基）三硫醚表现的抗菌活性最强；支链化合物的抗菌活性优于直链化合物的抗菌活性；不饱和化合物的抗活性强于饱和的化合物的抗菌活性；并发现随着碳链的延长和碳原子的增加其抗菌活性呈现“V”规律性的变化。

可能与化合物的疏水性，双键的吸电子效应及其化合物的立体大小有关。

以大蒜新素及其衍生物抗黄色葡萄球菌和白色念珠球菌的MIC值的负对数为活性参数作为因变量，以大蒜新素及其衍生物的疏水参数、中间硫的电子云密度和摩尔折射率为理化参数作为自变量。

通过多元回归分析分别建立了对细菌和真菌的定量构效关系模型。

抗黄色葡萄球菌的回归方程为：lg(1/MIC)=1.739×ClogP -0.221×(Clog P)2 -0.186×S2 + 0.728×(MR) -3.869 ，（n=10，R=0.937，R2=0.878，F=8.963）。

抗白色念珠球菌的回归方程为：lg(1/MIC)=1.413×ClogP -0.174×(ClogP)2 -0.027×S2+ 0.431×(MR)-1.673，(n=10，R=706，R2=0.499，F=1.243，a=0.05)。

用二（2-甲基烯丙基）三硫醚和二异丁基三硫醚对模型进行验证，结果显示该模型对于预测化合物的抗细菌的能力为87.8%，预测抗真菌的能力为49.9%。

通过回归方程系数表可以看出，影响抗菌作用是疏水参数、立体参数中和中间硫电子云密度共同的影响的结果。

其中疏水参数对抗菌作用的影响最大，对疏水参数进行回归分析，可以看出有61.5%的抗细菌活性与疏水参数有关；有41.3%的抗真菌活性与疏水参数有关。

目前，大蒜素衍生物已申报专利[10]，并制成稳定的注射剂用于临床治疗腹泻、急性慢性乳腺炎，疗效显著。

2.3 氟苯尼考琥珀酸钠（F-S-Na）
氟苯尼考是专门设计在水产养殖上使用的抗生素，目前已在亚洲、欧洲、美洲的20多
个国家成功应用于水产动物、牛、猪和鸡等动物疾病的防治。

但其水溶性极低，约为1.3mg/mL，而临床制剂通常期望药物的水溶性在300mg/mL以上，为满足临床用药要求，常加入有机溶剂以提高其水溶性。

然而，这些溶剂如N,N-二甲基甲酰胺、聚乙二醇、丙二醇、N-甲基吡咯烷酮等，均会引起毒副作用，降低了药物的安全性，且造成了严重的残留，影响了氟苯尼考的临床应用。

因此，开发性能优良的水溶性氟苯尼考一直是兽药领域研究的热点，
杨鹏[11]利用QSAR的方法，计算氟苯尼考的量子化学参数，模拟其在体内可能发生的代谢反应，设计并成功合成了氟苯尼考的水溶性制剂——氟苯尼考琥珀酸钠（F-S-Na），收率达75.8%，纯度大于96%，目前此化合物已申报中国专利[12]。

制备的F-S-Na水溶性大于500mg/mL，超过300mg/mL的临床制剂要求，不需有机溶剂参与即可用于临床给药，避免了使用有机溶剂会引起严重刺激的副作用。

在水及体外血清中的水解试验表明F-S-Na其有良好的化学稳定性；F-S-Na须进入体内后，受到某种酶催化才能有效及高效的转化为氟苯尼考，且有效血药浓度维持时间长；而F-S-Na对于八种细菌的抑菌活性均远低于氟苯尼考，表明结构修饰后，氟苯尼考分子中的活性基团被成功封闭，使得有生物活性的氟苯尼考被成功潜伏化。

由此合成了氟苯尼考的水溶性制剂，其在急性毒性试验中，F-S-Na对小鼠肌注LD50>5000mg/kg，表明该化合物毒性极低，保证了该药临床使用的安全性。

秦光成[13]在杨鹏研究的基础上，优化了氟苯尼考琥珀酸钠合成工艺。

采用新型、高效催化剂DMAP为催化剂，低沸点、价格廉价的丙酮为反应溶媒，用琥珀酸酐与氟苯尼考合成了氟苯尼考琥珀酸酯，在此条件下的收率可达88.1%，纯度大于97%。

优化后的合成工艺，反应温度降低、反应时间缩短、副反应减少、后处理的方法简便、易操作、成本降低。

经初步评估在此工艺下合成氟苯尼考琥珀酸酯有较大的利润空间，因此对该工艺的进一步研究具有较大的经济价值和广阔的工业化前景。

用微生物法通过对氟苯尼考（FF）及其氟苯尼考琥珀酸酯(FFa)、氟苯尼考琥珀酸钠（Fs-Na）对大肠杆菌、金葡球菌、枯草杆菌、变形杆菌的体内抑菌实验的对比研究表明，前药与母药的抑菌效果统计学分析表明也无显著差异P<0.05，因此前药氟苯尼考琥珀酸钠在大鼠体内转化后仍然具有优良的抗菌活性，且与母药氟苯尼考效果相当。

动力学研究表明，在大鼠体内氟苯尼考琥珀酸钠能迅速转化为氟苯尼考，并主要以FF、Fs-Na、FFa三种形式存在，它们在大鼠体内的药时数据符合一级吸收一室模型。

转化后的FF的Tmax为1 h，最大血药浓度Cmax为6.28μg/mL，Vd、AUC 、CL/F(s)分别为0.77 mg/L、37.03μg/mL和0.258 L/h，表明FF在体内各组织中分布广泛，消除缓慢，维持有效血药浓度的时间较长。

停药后FF主要集中在肺脏、肝脏和肾脏组织中，FF与FFa在大鼠的肝脏和肾脏组织中残留总量最高，提示肝脏和肾脏是FF的主要靶器官。

局部毒性实验中的皮肤刺激性试验、给药部位刺激性试验、溶血性试验均表明，氟苯尼考琥珀酸钠在其临床的给药剂量和范围内是低毒，安全的。

2.4 苦参碱磺酸钠
苦参主要含生物碱和黄酮类化合物，生物碱以苦参碱和氧化苦参碱为主，另含有微量槐果碱、槐胺碱、槐定碱等；苦参碱具有强心、抗心律失常、抗肿瘤，抗菌，平喘、利尿、免疫抑制等多种药理活性，但其水溶性差，且对中枢神经系统有一定毒副作用，中毒后引起惊厥甚至呼吸不规则，严重者可导致死亡，限制了苦参碱作为治疗药物的开发。

廖丹丹利用CoMFA方程，推测出槐果碱产生毒性的部位可能为碳碳双键，设计并合成了目标化合物苦参碱磺酸钠，以期达到降低毒性、增强疗效的目的。

根据改良寇氏法以及最大耐受剂量法设计，经小鼠灌胃法和尾静脉注射法给药，观察14d内小鼠活动及死亡情况。

结果显示，该化合物最大耐受剂量经口给药大于10000mg/kg，
属无毒范围；静脉注射给药大于5000mg/kg，属实际无毒范围，较苦参碱类生物碱毒性大大降低。

目前，正在进行苦参碱磺酸钠药代动力学与药理活性研究。

3. 结束语
新兽药的研究与开发是一项耗资大、周期长、技术要求高、风险大的系统工程。

尽管如此，由于新药具有垄断生产和高额利润回报等特点，仍是今后药物研究开发的热点和重点。

利用QSAR方法是先从理论上设计一种化合物，预测其药理活性，再用于临床使用，能够有目的设计合成新兽药，有效的降低开发成本。

参考文献
[1] A. J. Hopfinger, Shen Wang, John S. Tokarski, et al. Construction of 3D-QSAR Models Using the 4D-QSAR Analysis Formalism [J]. J. Am. Chem. Soc, 1997, 119 (43): 10509–10524.
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[10] 李逐波，任方奎，左华，等.低刺激性大蒜素衍生物及其合成方法和应用[P],CN：101376640A.
[11] 杨鹏. 氟苯尼考琥珀酸钠的合成与药理作用初探[D]. 重庆：西南大学硕士学位论文，2008.
[12] 李逐波，杨鹏，何小燕等.体内速释的高水溶性氟苯尼考前药[P], CN101289416A
[13] 秦光成. 氟苯尼考琥珀酸酯合成工艺的优化及其药理学研究[D].重庆：西南大学硕士学位论文，2009.。