核苷类抗病毒药物的研究进展_李子成

文章编号:1004-1656(2002)01-0015-06
核苷类抗病毒药物的研究进展
李子成1
,陈淑华
1＊
,蒋　宁2,吕　丁
2
(1.四川大学化学学院,四川成都　610064;2.四川抗菌素工业研究所,四川成都　610051)
摘要:本文综述了近年来核苷类抗病毒药物的最新研究进展。

介绍了核苷类抗病毒药物的种类,着重介绍了核苷化合物的改造方式。

从目前临床应用的及有应用前景的各类核苷类似物出发归纳了核苷类抗病毒剂的改造原则。

关键词:抗病毒药物;核苷类似物;抗病毒化疗剂;核苷改造
中图分类号:O629.74 文献标识码:A
自从第一个核苷药物碘苷(IDU )被用于治疗疱疹性角膜炎获得成功以来,抗病毒化学疗法取得了相当大的进展,然而许多病毒性疾病如肝炎、爱滋病等仍然缺乏有效的防治手段,严重地威胁着人类的生命。

同时目前存在的几十种核苷药物亦存在许多缺陷,如生物利用度低,溶解度小并在体内迅速失效及潜在致畸等副作用均应改进,因此抗病毒药物的研究已是当务之急。

近年来,核苷类抗病毒药物的研究相当活跃,特别是阿昔洛韦的研制成功引起了人们的广泛关
注,核苷类抗病毒药物的研究报道大量涌现,相继推出了一系列高效低毒的药物。

本文将以此为重点,简述核苷类抗病毒药物的研究进展。

1　核苷类抗病毒药物的分类
根据目前抗病毒药物抗病毒种类及它们结构的不同,可将它们分为如表1和表2所示的几种类型。

从表中可以看出,核苷类药物占了一半以上
[1]。

表1　按抗病毒药物的作用分类
Table 1　Types of antiviral agents classified by their actions
药物作用
例 子
抗逆转录酶病毒药物地丹诺辛,扎西他宾,司他夫定,齐多夫定,拉米夫定,地拉韦定,奈非拉平,吲哚那韦,沙奎那韦,利托那韦,安普纳韦抗巨细胞病毒药物更昔洛韦,膦甲酸钠
抗肝炎病毒药物单磷酸阿糖腺苷,拉米夫定,干扰素,甘草甜素抗HPV 药物米喹莫特,西多福韦
抗疱疹类药物
阿昔洛韦,泛昔洛韦,伐昔洛韦,阿糖腺苷,喷昔洛韦,膦甲酸钠
抗流感A 及呼吸道病毒药物
反义寡核苷酸类,利巴韦林,金刚烷胺,金刚乙胺,GS4701,GS4104,zana mivir
表2　按抗病毒药物的结构分类
Table 2　Types of antiviral agents classified by their structures
药物结构例 子
核苷类药物阿昔洛韦,泛昔洛韦,地丹诺辛,扎西他宾,伐昔洛韦,拉米夫定,喷昔洛韦,更昔洛韦,利巴韦林,司他夫定,阿糖腺苷,环胞苷,单磷酸阿糖腺苷,齐多夫定,西多福韦三环胺类金刚烷胺,金刚乙胺焦磷酸类
膦甲酸钠
神经氨酸酶抑制剂GS4701,GS4104,zana mivir
蛋白酶抑制剂沙喹那韦,利托那韦,吲哚那韦,奈非那韦
其它
地拉韦定,奈韦拉平,干扰素,甘草甜素,反义寡核苷酸
第14卷第1期2002年2月 化学研究与应用Chemical Research and Application Vol .14,No .1Feb .,2002
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收稿日期:2000-12-08;修回日期:2001-03-12
2　核苷类抗病毒药物的作用方式[2,3]
针对病毒增殖的特点和它们与正常细胞在代谢上的差异性是寻找高选择性药物的主要途径。

目前的核苷类抗病毒药物主要是从以下两个方面出发:①酶抑制剂;②DNA链终止剂。

许多抗病毒药物主要是病毒复制过程中重要酶的抑制剂,与病毒基因组复制有关的酶可分为三大类:(a)病毒结构酶:存在于病毒颗粒中,为某种病毒所特有。

(b)病毒诱导酶:本身不存在于病毒颗粒中,但当病毒感染细胞时,经转录和翻译产生。

(c)细胞结构酶:来源于细胞,病毒利用这些酶复制其本身。

能够选择性干扰病毒复制过程中的任何一个阶段的药物都可能有抗病毒活性。

目前,已研制出一些能特异性干扰其中某一阶段,从而中止病毒复制和侵染宿主细胞的核苷类抗病毒药物。

2.1　抗DNA病毒的核苷类似物
阿昔洛韦是第一个研制成功并上市的无环核苷类抗病毒药物,对HSV-1、HSV-2、VZV和EB V 有较高的疗效和选择性,是目前防治疱疹病毒感染的首选药物,而且经长时间的临床应用后,仍未发现它具有不良副作用;它对HC MV也有中等活性。

目前它的作用机制已经被阐明,主要是病毒DNA链终止剂和病毒DNA聚合酶抑制剂。

膦酰甲氧烷基嘌呤和嘧啶无环核苷类似物也显示出选择性杀伤腺病毒、疱疹病毒和痘病毒的活性。

另外,阿糖腺苷、碘苷、三氟胸苷(TFT)、5-乙基-2′-脱氧尿苷(EDU)、5-(2-溴乙烯基)-2′-脱氧尿苷(BVDU)、5-(2-碘乙烯基)-2′-脱氧尿苷(I VDU)和5-(2-氯乙烯基)-2′-脱氧尿苷(C VDU)等对于DNA病毒如HSV-1和VZV均有较好的活性。

2.2　抗R NA病毒的核苷类似物
病毒唑是广谱抗病毒药物,它既可以抗十种以上DNA病毒及抗十种R NA病毒。

病毒唑对各种病毒的作用途径不止一种:它可以竞争性抑制特定病毒的R NA聚合酶,还可以特异性抑制病毒的mR NA帽化酶,鸟苷酸转移酶及N7-甲基转移酶,因而干扰病毒的蛋白质合成。

叠氮胸苷作为第一个用于抗HIV病毒药物,其作用机制与阿昔洛韦相似,即DNA链终止剂和HIV逆转录酶竞争抑制剂或替代性底物。

一些腺苷类似物,如3-脱氮腺苷,3-脱氮碳环腺苷,Neplanocin A,DHCA,DHCDA等也显示出广谱抗病毒活性。

这些化合物的抗病毒谱非常类似,作用机制相同:其靶点都是S-腺苷-L-同型半胱氨酸水解酶,对此酶的抑制机制是通过S-腺苷-L-同型半胱氨酸的堆积反馈抑制转甲基化反应,使依赖于这种甲基化的病毒的mRNA无法发挥作用,但目前这些腺苷类似物还未应用于临床。

2′,3′-双脱氧核苷类,包括2′,3′-双脱氧胞苷(ddC),2′,3′-双脱氧腺苷(ddA),2′,3′-双脱氧鸟苷(ddG),2′,3′-双脱氧肌苷(ddI),它们的作用类似于AZT,都是HIV逆录酶抑制剂及DNA链终止剂。

其中ddA,ddC,ddI已被美国批准用于治疗AIDs,其中以ddC的作用最强,但由于它对外周神经毒性较大,影响它的使用。

因此又合成了一系列2′,3′-双脱氧-2′,3′-双脱氢核苷及相应的碳环核苷,其中以2′,3′-双脱氧-2′,3′-双脱氢鸟苷(d4G)效果最好。

体外试验已证明,当它与AZT 结合使用时有明显的抗病毒协同作用。

第五个被批准用于抗HI V的药物是拉米夫定(3TC TM),它主要与其它抗HI V核苷联合使用。

许多新型的核苷类似物也有选择性抗HI V 的活性,其中代表性的有iso-ddA,PME A,HP MPC,碳环类似物cyclobut-A,cyclobut-G,丙二烯系ade-uallene和嘧啶衍生物(NGPB-21,DDⅢ30A)等。

以上所讨论的抗病毒剂多数是作用于病毒基因组的复制阶段,以基因复制有关的酶为靶点,改变天然底物的结构,选择性地抑制相关的酶。

因此,在设计酶抑制剂时,对于药物化学家来说首先考虑的是底物的结构和被酶所催化的化学反应的性质,从而预见所合成的化合物的活性。

目前,在抗病毒酶抑制剂的设计方面,由于积累了一定数目的活性化合物,可以通过定量构效关系对新化合物进行QSAR计算进行预测[4],但对于活性数据较少的核苷类型预见性较差。

3　核苷类抗病毒化合物的研究现状
核苷是由碱基和糖基两部分构成的,除正常碱基外,还出现了大量嘧啶和嘌呤的氮杂、脱氮以及取代碱基类核苷。

糖基部分则大致可以分为三类:D-或L-型呋喃糖及类似物(包括其它环型的含氧、含硫或含氮杂环糖及其衍生物),碳环类和
16化学研究与应用 第14卷
无环类三种[5]。

下面根据糖基改造、碱基改造以及糖基碱基同时改造三大类进行讨论。

3.1　糖基改造
糖基改造对抗病毒活性有很大的影响,通过改造糖基有时可以使药物的抗病毒活性有很大的提高,同时还可以降低药物的毒副作用,而且改造后的糖基与天然核糖相差越大,则核苷的毒副作用越低,可以说糖基改造是研究和筛选药物的一条很好途径。

糖基改造不仅可以在D-或L-型呋喃糖基上进行,而且还可以将呋喃糖基变成吡喃糖、四元氧杂糖、碳环型以及无环型。

3.1.1　呋喃糖型的改造　呋喃核糖类核苷占了整个核苷化合物相当大的一部分,因此很有必要对这一部分作较详细的总结。

这一类改造可以在2′、3′、4′、5′几个位置单独或同时进行,内容较多,可以从以下几个方面进行总结。

①2′、3′或5′-单独改造的D-或L-型核糖核苷
2′-或3′-单独改造核糖核苷是核糖基的2′-或3′-位羟基被其它基团取代(包括2′-羟基由β位转变为α位的阿糖核苷和3′-羟基由β位转变为α位的木糖核苷及它们的取代),取代基主要有卤素,叠氮基,氨基,亚甲基,乙炔基,氰基,羟甲基等[6,7];5′-位改造核糖变化类型与前两种脱氧核糖核苷有较大差别,除了上述取代基类型外,还可以连接其它许多基团,如1-羟基乙基,2-羟乙基等,这类改造核苷目前只有阿糖腺苷和单磷酸阿糖腺苷在临床上应用(化合物1,下同),另外,阿糖型核苷如2′-脱氧-2′-叠氮或氨基阿糖核苷也显示出抗癌活性。

②2′,3′-二脱氧D-或L-型核糖核苷
该类化合物是目前核糖改造中最常见的类型,已有许多在临床上作为药物,如叠氮胸苷(抗MT4细胞中HIV-1的I C50=0.008μM),二脱氧肌苷,二脱氧胞苷(抗MT4细胞中HIV-1的IC50=
0.001μM),二脱氧胸苷(抗MT4细胞中HI V-1的
I C50=1.25μM)等[8～10]。

这类改造除了形成2′,3′-二脱氧核糖外,还可以形成2′,3′-双键(如d4T抗MT4细胞中HIV-1的IC50=0.05μM)。

并且在这两种情况下再发生取代,可以单独在2′-或3′-或同时在2′-,3′-加入取代取。

取代基的类型也比较多,如卤素,叠氮基,氨基,硝基,羟甲基,羰基等(2～6),如FddA抗MT4细胞中HIV-1的IC50=2.32μM。

③4′-杂原子取代D-或L-型核糖核苷类
这类核苷是用杂原子取代4′-位的氧[11],其中以硫原子取代研究得最多,其它部位的改造包括前几种类型的各种脱氧和取代方式(7,8),但均未发现活性特别好的化合物。

④其它类型呋喃核糖核苷
这类核苷包括碱基连接在非正常碳原子位或连接在五元氮杂环的氮上,糖基的羟基与碱基形成环状,以及2′-位和3′-位羟基形成环等各种情况(9)[12]。

3.1.2　二杂D-或L-型核糖核苷类　这类化合物中糖基是由含两个杂原子的五元环构成的,例如临床应用于治疗AIDs的拉米夫定(3TC TM) (10)[13],其抗MT4细胞中HI V-1的IC50=0.004μM。

3.1.3　其它环型糖基核苷　这类核苷的糖基有吡喃环和四元氧杂环[14],碱基氮连接的碳原子位置也可能发生变化,目前还没有应用于临床上的(11,抗HI V的ED50=0.5～1.5μg ml)。

3.1.4　碳环类核苷　碳环类核苷代表了一大类糖基改造核苷,碳环可以是六元环,五元环,四元环和三元环,它们可以是饱和的,也可以是非饱和的等各种情况。

其中以五元碳环和四元碳环研究得最多,发现活性较好的也最多,临床应用的前景较大,值得进一步研究。

①五元碳环类核苷
这类核苷是将核糖基的氧换成碳,由于碳原子的引入,在该碳原子上可带有羟基或其它基团,以及与临近的碳形成双键等更多的变化类型。

目前有三类体外活性较大的此类核苷:Neplanocin A (12),Aristeromycin(13)和Carba2′-脱氧核苷(14),其它变化形式的核苷可视为它们的类似物。

其中5′-亚甲基鸟苷(15,B MS-200475)抗HB V的ED50= 3nM,细胞毒性CC50=21～120μM。

而Wellc ome公司开发的N6-环丙基-2,6-二氨基嘌呤-2′,3′-双键核苷(16,GW1592U89)更为引人注目,其体外抗MT4细胞中HIV-1的IC50=0.26μM。

②其它碳环类核苷
这类碳环核苷的糖基包括三元,四元和六元碳环,Lobucavir(17,诺布卡韦)是其中活性较大的一个[15],其抗HSV-1和HSV-2的IC50=0.02～
17
第1期 李子成等:核苷类抗病毒药物的研究进展
0.04μM,抗HC MV的IC50=0.8～2μM,抗VZV的
I C50=0.02～0.08μM,抗HIV的IC50=30μM。

3.1.5　无糖环核苷　无糖环类核苷是糖基改造中变化最大的一种,可能是这类核苷在合成上难度相对较小,与碱基相连接的无环糖型基团可谓千差万别。

这些基团可以通过烷氧甲基与碱基相连,即相当于核糖核苷类开环,也可以是烷基直接与碱基相连,相当于碳环核苷开环;可以含有一个、两个或三个羟基,而且还可以是羟基的衍生物,但是值得注意的一点是连接于碱基的烷基的长度应不大于4个碳原子,即一般为2、3或4个,烷基链太长则活性较差。

这类化合物中代表性的有阿昔洛韦(18,抗HCMV的IC50=50.7μM)[16],更昔洛韦(抗HC MV的IC50=2.5μM)[17],喷昔洛韦(抗HSV-1和HSV-2的I C50在6.4μM左右,抗HC-MV的IC50=125.6μM)[18],泛昔洛韦(19),伐昔洛韦(20),PME A(21,抗HC MV的IC50=0.24μM), HPMPC(22),PMPA(23)等,它们都具有很高的抗病毒活性。

其中后三个核苷(21～23)已经形成单磷酸酯,不需要病毒胸苷激酶的初始磷酸化作用,因此对于耐阿昔洛韦的病毒或缺乏胸苷激酶的病毒仍然具有活性。

3.2　碱基改造型核苷
碱基对核苷及其衍生物的抗病毒谱起着决定性作用,因此碱基改造也是研究核苷抗病毒药物的一条途径。

这类化合物的糖基为核糖基或2′-脱氧核糖基,碱基改造包括嘧啶环和嘌呤环取代型和它们的脱氮或氮杂型等。

嘧啶环或嘌呤环的碳原子可以被取代,这种情况主要在尿嘧啶环的5位[19],如IDU(24),B VDU(25,抗HSV-1的ED50= 0.02μg ml,抗HSV-2的ED50=2μg ml,抗VZV的ED50=0.006～0.007μg ml,抗HVP的ED50=0.02μg ml),CVDU,EDU(26)等;胞嘧啶环的5-位(27),及胸腺嘧啶环的6-位;嘌呤环的2-位和8-位(28)上进行。

根据电子等排物的观点,在碱基上改造的取代基不能太大,主要是卤素(氟,氯,溴,碘), 2-卤代乙烯基,炔基,低级烷基,低级醇,杂芳基如2-噻吩,2-呋喃基等,如果取代基过大则没有活性。

5位-卤代尿嘧啶由于卤素氟原子半径与氢接近,可作为尿嘧啶替代物,氯和溴原子半径与甲基相近,可作为胸腺嘧啶的替代物,当它们嵌入DNA或R NA链时,生物遗传物质发生变化,从而干扰病毒的合成。

碱基脱氮或氮杂改造主要是嘧啶环3位脱氮以及5位的氮杂;嘌呤环的7位脱氮和8位氮杂。

3.3　糖基和碱基同时改造的核苷类
糖基和碱基同时改造是核苷抗病毒药物发展的一个重要方面(不包括碱基改造的无环核苷) (29～31)。

虽然仅对碱基进行改造得到了一些具有活性的核苷,但真正应用于临床的却不多。

通过对糖基和碱基的同时改造,可以使合成的核苷与天然核苷的差别加大,往往能够增加药物的抗病毒谱,相应在降低了其毒性。

但是进行这种双改造时,碱基和糖基上引入的取代基都不能太大,否则活性较低或无活性。

这类化合物的研究也进行得相当多,所得到的应用于临床上的药物也较多[20,21],其结构可以是以上所有改造糖基和改造碱基的任意组合。

例如,2′-脱氧-2′-氟代亚甲基-5-碘尿苷(32,MDL101731)抗HSV-1和HSV-2的I C50在23～98nM范围内,抗HCMV的IC50=0.012μM。

3.4　非典型核苷类
像利巴韦林(33)这样的核苷在抗病毒方面确实有很好的疗效,其他类型的非典型核苷有糖基不是连接于碱基的氮原子上,而是连接于碳原子上的核苷,吡唑(34)和苯并咪唑(35)作为碱基的核苷,有的也有比较好的活性。

在其它非典型碱基所构成的核苷方面进行的工作较少。

纵观文献报道的众多核苷化合物的活性数据,可以得出如下结论:
①对糖基的改造越大,即糖基与正常核糖基相差越大,则核苷化合物的抗病毒活性也越大,而毒副作用越小。

②羟基烷基直接连接于碱基时的无环核苷化合物的抗病毒活性比相似构造的羟烷氧甲基核苷大。

③碱基取代形式的改造时,取代基一般应不多于4个碳原子,而且取代基含有卤素时活性较大,抗病毒谱广。

④碱基和糖基同时改造时,一般在碱基和糖基上的取代基应同碱基单独取代时一样,即取代基不能太大。

4　结语
L-核糖型核苷方面进行的工作表明,这类核
18化学研究与应用 第14卷
苷与D -型核苷相比,具有更好的抗病毒活性和较低的毒副作用;非典型碱基构成的核苷具有广谱抗病毒的优点很可能是解决核苷抗病毒药物现有问题的一种较好办法;从文献调查来看,核苷类抗病毒药物的发展方向一是合成现有药物的前药,提高其生物利用度;二是合成核苷类似物,筛选出高效低毒的全新药物。

近年来寡核苷酸或称之为
反义寡核苷酸的发现为抗病毒药物的研究开辟了一条崭新的道路,也开发出了一些这样的药物。

人工合成的寡核苷酸通过互补核酸氢键的特异结构,可实现核酸序列的特异识别,因此毒副作用极低。

但是,高效低毒的核苷类抗病毒药物的研究和开发仍是十分艰巨的任务。

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第1期 李子成等:核苷类抗病毒药物的研究进展
参考文献:
[1]衣淑珍.药学进展[J],1999,23(1):5—9.
[2]张礼和,齐济仓,马灵台,等,编著.以核酸为作用靶的
药物研究[M],北京:科学出版社,1997,200—211. [3]J.C.马丁主编,叶挺镐,穆森昌,张元忠,等,译.抗艾
滋病病毒类合成药物[M],北京:科技文献出版社, 1992,25—40.
[4]Mick ie T,Nair V.Dru gs o f the Futu re[J],2000,25(4):393-400.
[5]Mansour T S,Storer R.Cur rent Phar maceutical Design[J],
1997,3:227-254.
[6]Garcier-Alles L F,Magdalena J,Gotor V.J.O rg.Chem.
[J],1996,61(20):6980-6986.
[7]Kalinichenko E N,Rubinova E B,Borisov E,et al.Nucleo-
sides Nucleotides[J],1995,14(3-5):533-536.
[8]Vasu N,Buen ger G S,Leonard N J,et al.J.Chem.Soc.,
mun.[J],1991,(22):1650-1651.
[9]Mansuri M M,Starrett J E,Wos J A J,et al.J.Or g.Chem.
[J],1989,54(20):4780-4785.
[10]Rajender S V,Hogan M E.Tetrahed ron Lett.[J],1992,33
(50):7719-7720.[11]Jeong L S,Moon H R,Choi Y J,et al.J.O rg.Chem.[J],
1998,63(14):4821-4825.
[12]Lewis M,M cMurry T B H,De Clercq E.Nucleotides[J],
1995,14(9-10):1913-1927.
[13]Gi H J,Xian g Y J,Schinazi R F,et al.J.O rg.Chem.[J],
1997,62(1):88-92.
[14]Wilson F X,Fleet G W J,Vogt K,et al.Tetrahedron Lett.
[J],1990,31(47):6931-6934.
[15]Lobucavir.D rugs o f th e Fu tu re[J],1997,22(4):359-370.
[16]Shiragami H,Kugochi Y.Eur.Pat.Appl.EP532878(Cl.
C07D47300),24Mar1993,JP Appl.91238247,18Sep
1991;11pp.
[17]Martin J C,Charles A D,Donald F S,et al.J.Med.Chem.
[J],1983,26:759-761.
[18]Harnden M R,Jarvest R L,Bacon T H,et al.J.Med.
Chem.[J],1987,30:1636-1642.
[19]Idoxuridine.Dugs o f the Fu tu re[J],1995,20(7):670-675.
[20]AIDU.Drugs of the Futu re[J],1982,7(6):375-377.
[21]D id eoxyinosine.Dru gs o f the Futu re[J],1990,15(6):569-577.
Progress of uncleosides as antiviral agents
LI Zi-cheng1,CHE N Shu-hua1,JIANG Ning2,LU Ding2
(1.Faculty of Chemistry,Sichuan University,Chengdu610064,China;
2.Sichuan Industrial Institute of Antibiotics,Chengdu610051,China)
A bstract:This paper revie wed the recent progress of nucleosides as antiviral agents.It described their types,espe-cially the modification fashions of nucleosides.General principles of modification on nucleosides were summed up from nucleoside antiviral a gents used in clinic trail and those having antiviral activity.
Key words:nucleoside antiviral agent;nucleoside analogue;antiviral chemical curative;modification of nucleoside
(责任编辑　李瑛) (上接第80页)
Study on the color reaction of cadmium(Ⅱ)with
3,3′,5,5′-tetrobromodiphenyl-bi-diazoaminoazobenzene and its application LIU Yong-wen,MENG Shuang-ming,GUO Yong,REN Shi-bin,TANG Xiu-fang
(Depart ment of Chemistry,Yanbei Normal Institute,Datong037000,China)
A bstract:The color r eaction of Cadmium(Ⅱ)with3,3′,5,5′-T
B DP-B-DAA has been studied.The r esults show that in Na2B4O7-Na OH buffer medium of pH10～11and in the pr esence of Tween-80,Cadmium(Ⅱ)reacts with3, 3′,5,5′-TB DP-B-DAA to for m a purplish red complex with molar ratio of1∶2.The complex exhibits maximum ab-sorption at520nm with a molar absorptivity of1.98×105L·mol-1·cm-1.Beer's law can be applicable in the range of0～25μg25ml Cd(Ⅱ).The method has been applied to the determination of micr o amounts of Cadmium(Ⅱ)in vegetable,rice and other biological sa mples with satisfactor y results.
Key words:3,3′,5,5′-tetrobromodiphenyl-bi-diazoaminoazobenzene;Cadmium(Ⅱ);spectrophotometry
(责任编辑　李方) 20化学研究与应用 第14卷。