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大环内酯类抗生素
—酮内酯的研究进展
姓名: 黄晓俊学号: S1211W213
摘要: 综述了近年来对酮内酯类抗生素C-6位、 C-9位、 6,11-O-桥酮内酯、 C-11,12位等处结构修饰方面的新进展, 重点介绍了化合物对金黄色葡萄球菌、 肺炎链球菌等细菌的体外抗菌活性。
关键词: 酮内酯类抗生素; 结构改造;
1发展史
第一代大环内酯类抗生素于20世纪50-70年代相继问世, 包括红霉素( 1952年) 、 竹桃霉素( oleandomycin,1960年) 、 泰乐霉素( tylosin,1961年) 、 马立霉素( maridomycin,1971年) 和罗沙米星( 玫瑰霉素, rosaramicin,1972年) 等。红霉素是第一个14元环大环内酯类抗生素, 1952年由礼莱公司开发上市。红霉素对革兰阳性菌有较强的抗菌活性, 治疗肺炎球菌等所致呼吸道感染以及军团菌肺炎、 支原体肺炎等有较好的疗效。但红霉素对胃酸不稳定, 胃肠道不良反应较明显[1]。20年后, 16元环大环内酯类抗生素罗沙米星和马立霉素相继上市, 它们对革兰阳性菌的抗菌活性与14元环大环内酯类抗生素相似, 但抗流感嗜血杆菌和卡她莫拉菌等革兰阴性菌的活性更强, 还可用于治疗由奈瑟菌、 衣原体或溶脲脲原体引起的性传播疾病。国内在同期引进或仿制了麦地霉素、 螺旋霉素、 乙酰螺旋霉素和交沙霉素等大环内酯类抗生素。这些抗生素的抗菌活性虽均不如红霉素, 但肝毒性和消化道不良反应较轻微, 临床上主要用于口服治疗敏感菌所致呼吸道、 五官和口腔等轻症感染。
第二代大环内酯类抗生素主要于20世纪80年代上市, 主要有克拉霉素( 1986年) 、 阿奇霉素( 1986年) 、 罗红霉素( 1986年) 、 罗她霉素( 1988年) 和地红霉素( 1988年) 。与红霉素相比, 第二代大环内酯类抗生素不但对酸稳定, 而且抗菌谱扩大、 抗菌活性增强, 对支原体、 衣原体和军团菌等胞内病原体作用强, 同时口服吸收好、 体内分布广、 组织浓度高、 半衰期长、 不良反应少, 临床应用十分广泛[2]。但第二代大环内酯类抗生素主要是药动学性质得到改进, 对耐药菌的抗菌活性仍较弱, 不能完全满足临床的新要求。
随着对第一和第二代大环内酯类-林可霉素类-链阳性霉素B类抗生素( macrolide–lincosamide–streptograminB,MLSB) 以及β-内酰胺类抗生素耐药的肺炎链球菌、 酿脓链球菌、 黏膜炎莫拉菌和流感嗜血杆菌等耐药菌的增多, 治疗这些耐药菌所致呼吸道感染变得越来越困难。因此, 医药研究人员经过对红霉素及其衍生物进行结构改造, 又研发出了第三代大环内酯类抗生素——酮内酯类抗生素( ketolides) , 并正在研发桥酮类抗生素( bicyclolides) 和酰内酯类抗生素( acylides) 等。这些抗生素因与细菌核蛋白体亚基的结合位点有所改变, 故能部分克服细菌的耐药性, 不但对原大环内酯类抗生素敏感菌有效, 且还对部分多重耐药菌有活性, 当前已成为研究热点。
2C-6位的结构改造与修饰
赛红霉素是继泰利霉素后又一倍受关注的酮内酯类抗生素, 主要用于治疗社区获得性肺炎和其它呼吸道感染。本品对肺炎链球菌、 流感嗜血杆菌有更长的抗生素后效应, 对具有主动外排耐药机制的肺炎链球菌比泰利霉素更有效, MIC为0.002～0.0015µg/ml。Luna等[3]进行的体外活性研究显示赛红霉素对社区获得性耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(CA-MRSA)的MIC为0.002～0.125µg/ml, MIC50和MIC90均小于0.002µg/ml。
赛红霉素的成功促进了C-6位的结构改造。化合物1( 图1) 的活性与赛红霉素相比[4], 对化脓性链球菌(Streptococcuspyogenes)的MIC较高(分别12.5和0.39µg/ml), 但对肺炎链球菌(Streptococcuspneumoniae)的MIC显著改进(分别为0.25和4µg/ml)。2( 图1) 的胃肠道耐受性较好, 在口服剂量的研究中(雪貂, 30mg/kg),与泰利霉素相比, 2的呕吐(分别为0和50％)及恶心(分别为0.17％和1.8％)现象显著降低[5]。3( 图1) 对含有erm(B)基因的肺炎链球菌1017菌株的MIC为0.12µg/ml[6]。4( 图1) 对肺炎链球菌5979菌株的MIC为0.03µg/ml, 明显优于泰利霉素的8µg/ml[7]。5( 图1) 对含有erm(B)基因的肺炎链球菌5979菌株的MIC为0.008µg/ml; 对含有erm(A)基因的金黄色葡萄球菌A5177菌株的MIC为0.008µg/ml[8](泰利霉素为0.1µg/ml)。Henninger等[9]报道6( 图1) 对含有erm(B)基因的肺炎链球菌分离株MIC显著优于红霉素(分别为0.06和16µg/ml), 对含有红霉素耐药mef(A)基因的亦优于红霉素(分别为0.06和＞4µg/ml)。7( 图1) 和8( 图1) 对含有erm(B)基因、 mef(A)基因的肺炎链球菌分离株MIC与6相当。而且这3个化合物的体内外活性与泰利霉素相当。Yong等[10]设计合成了系列6-位芳炔丙基取代的三环酮内酯类衍生物(如化合物9～11( 图1) ), 对红霉素耐药的革兰阳性菌、 流感嗜血杆菌均有很强的抗菌活性, 且药物动力学性质优良, 其中11的半衰期长达13.9h, 口服生物利用度为57.4％。

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图1C-6位酮内酯类抗生素
Xu等[11]合成了C-2位氟代的一类新颖的C-6位氨甲酰氧基取代的酮内酯, 体外活性优于红霉素, 与泰利霉素相当。其中12～14( 图1) 对含有erm和mef基因的链球菌MIC为0.03～0.12µg/ml, 对流感嗜血杆菌的MIC为2～4µg/ml。C-2位的氟代对体外活性有以下影响: (1)对含有erm(B)基因的肠球菌MIC降低; (2)对鼠血清中金黄色葡萄球菌的MIC增加。C-9位肟化的14体外活性与12和13相近。Tennakoon等[12]合成了一系列C-6位β-氮取代的肼基甲酰氧基衍生物, 研究发现连接杂双芳环与肼基甲酰氧基官能团之间的最佳碳链长度为乙基, 体外抗菌活性研究表明15( 图1) 和16图1) 对金黄色葡萄球菌、 含erm(B)基因的肺炎链球菌及含有mef(A)基因的肺炎链球菌等菌株的MIC与泰利霉素相当。Henninge等[13]合成了一系列C-6位取代氧甲酰氧基的酮内酯化合物, 其中17( 图1) 的体外抗erm(B)介导耐药链球菌活性优于泰利霉素, 当前处于临床前研究阶段。
3C-11, 12位结构修饰的酮内酯类抗生素
泰利霉素( telithromycin, HMR3647, 图2) 是第一个上市的C-11, 12位修饰的酮内酯, 具有广谱抗菌活性和较低的选择耐药性。可是泰利霉素会对肝脏造成损伤, 而经过降低红霉素环的疏水性或者增加质子化基团可改进这种损伤。Xu等[14]合成咪唑[4, 5-b]并吡啶硫并含烷基侧链的酮内酯化合物( 图3) , 咪唑[4, 5-b]并吡啶硫基团增加了质子化基团, 与泰利霉素相比, 其肝损伤性降低; 同时对红霉素耐药菌株肺炎链球菌07Z001、 肺炎链球菌05Z001抑菌活性与泰利霉素相当( MIC值为0.016μg/mL) ; 对红霉素耐药的化脓链球菌07Z011抑菌活性与泰利霉素相当( MIC值为0.062μg/mL) , 对红霉素易感菌株化脓链球菌07U0084( MIC值为0.016μg/mL) 抑菌活性优于泰利霉素( MIC值为0.031μg/mL) 。而化合物CE-101( 图4) [15]除了末端连接的芳杂环不同外, 2位还连接氟原子, 增加了其抗菌活性, 研究表明, CE-101是截止 具有最广泛抗菌谱的酮内酯类化合物。

图2泰利霉素结构式图3含咪唑并吡啶硫酮内酯类抗生素结构式

图4CE-101结构式
Magee等[16]合成了氮杂环丁烷取代的酮内酯化合物( 图5) , 氮杂环丁烷的氮原子增加了该化合物的极性, 更容易与靶位点绑定, 具有更好的理化性质。经过肺炎链球菌1095型感染鼠产生的呼吸道感染模型和流感嗜血杆菌1325感染产生的沙鼠中耳炎模型, 证明小鼠口服该化合物有效, 与泰利霉素相比, 肝清除率提高, 肝毒性降低, 能够用来治疗易感染和多药耐药性获得性呼吸道感染疾病。Baker等[17]经过肼基与芳杂环相连得到酮内酯化合物( 图6) , 这种与泰利霉素的结构差异, 使得其抗菌活性更高, 特别是针对MLSB耐药黄色葡萄球菌的活性提高。

图5含氮杂环丁烷酮内酯化合物结构式

图6含肼基与芳杂环酮内酯化合物结构式
综上所述, 此类化合物都具有C-11, 12位氨基甲酸酯环, 环上的N原子与带有芳杂环的侧链相连, 侧链一般为2-4个碳原子, 根据电子等排体原理对该侧链进行改造, 侧链长短、 极性都影响抗菌活性。母环2-位上连接杂原子特别是F原子, 使得抗菌谱更加广泛。氨基甲酸酯类能够抑制致病菌mef基因编码的主动外排蛋白, 有助于克服红霉素的诱导耐药性, 因此此类化合物对耐药菌有很高抗菌活性[18-20]。
4C-9肟基结构修饰酮内酯类抗生素
泰利霉素为C-9肟基修饰酮内酯, 关于该类酮内酯报道较少。Nomura等[21]对C-9位酮基的酮内酯C-11, 12连接不同基团, 对其构效关系进行研究。研究发现, 在化合物的X、 Y位点连接不同基团( 图7) , 图11-1、 11-4、 11-5、 11-6对红霉素耐药金黄色葡萄球菌SR17367的抑菌活性均强于11-3, 而11-2基本无抑菌活性, 表明X、 Y的空间效应可影响其与细菌核糖体的靶点结合; 图11-6对红霉素耐药金葡萄球菌SR1736( MIC值为0.36μg/mL) 和对于易感肺炎1型菌( MIC值为0.025μg/mL) 活性优于11-5( MIC值为0.78μg/mL、 0.05μg/mL) , 氟原子增加了其与细菌核糖体的结合能力, 表明电子效应对于活性也有一定影响。综合电子效应和空间位阻, 发现化合物12( 图8) 对红霉素耐药金黄色葡萄球菌SR17367有较好的活性( MIC值为0.2μg/mL) , 但其对耐药性肺炎球菌无活性。

图7C-9位酮基修饰酮内酯结构式

图8C-11, 12位修饰酮内酯结构式
Nomura等[22]对9-位肟基连接的侧链空间构型及其电子效应进行研究, 发现化合物的酰胺基和NH基团是C-9亚胺醚抗菌活性的必须基团( 图9) , 且体外抑菌活性较强。该化合物对红霉素耐药的肺炎链球菌SR16651的抑菌活性( MIC值为0.78μg/mL) 与泰利霉素( MIC值为0.78μg/mL) 相当, 对红霉素耐药的金黄色葡萄球菌SR17347的抑菌活性( MIC值为0.39μg/mL) 稍弱于泰利霉素( MIC值为0.2μg/mL) , 小鼠体内感染实验表明, 肺部组织分布优于泰利霉素, 可用来治疗肺部感染。

图9C-9亚胺醚类酮内酯结构式
Liang等[23]对C-9肟基连接不同基团进行筛选, 发现6-O-甲基红霉素A9-O-( 3-芳基-2-烯丙基) 肟酮内酯, 2, 3-烯醇醚烷基类似物( 图10) , 当Ar为3-喹啉基、 6-喹啉基、 4-( 1-咪唑) 苯基, 特别是当Ar为4-( 1-咪唑) 苯基时, 其对红霉素耐药的金黄色葡萄菌PU-32的抑菌活性( MIC值为≤0.016μg/mL) 优于克拉霉素( MIC值为64μg/mL) 4000倍, 对erm和mef基因介导的耐药肺炎链球菌PU-27的抑菌活性( MIC值为1μg/mL) 优于克拉霉素( MIC值为16μg/mL) 16倍; 而当Ar为3-吡啶环和5-嘧啶环时, 其对erm和mef基因介导的耐药肺炎链球菌和由mef基因介导的金黄色葡萄球菌的MIC值均大于取代基为联苯类, 由于联苯环增加疏水作用, 同时氢键使芳杂环N原子与核糖体键合更加牢固。一类新的衍生物( 图11) , 发现一对异构体17-1( R型) 、 17-2
( S型) , 其活性差异较大, 10位S型异构体MIC值高于10位R型异构体2-32倍, R型异构体对红霉素易感金黄色葡萄球菌OC4172的抑菌活性( MIC值0.12μg/mL) 和泰利霉素( MIC值为0.12μg/mL) 相当, 对由erm基因编码由核糖体甲基转移酶引起的红霉素耐药的肺炎链球菌OC4051的抑菌活性( MIC值为0.06μg/mL) 与泰利霉素( MIC值为0.06μg/mL) 相当, 对于由mef基因编码的细菌外排导致红霉素耐药的肺炎链球菌OC4421的抑菌活性( MIC值为0.25μg/mL) 稍弱于泰利霉素( MIC值为0.12μg/mL) 。

图10C-9肟基修饰酮内酯类抗生素结构式

图11-16-O-芳杂环取代修饰衍生物R型异构体

图11-26-O-芳杂环取代修饰衍生物S型异构体
综上所述, C-9位修饰的构效关系表明, 9肟基侧链以3个碳原子活性最佳, 末端的芳香基团以联苯类活性最佳。
56,11-O-桥酮内酯
新型6,11-O-桥酮内酯是6位11位羟基经过3～4个碳链连接而成的桥酮结构。Enanta制药公司合成了系列6,11-O-桥酮内酯化合物[24], 其中EP-13159的体外抗菌活性研究显示对MRSA的MIC为4µg/ml, 对万古霉素耐药的粪肠球菌、 蜜蜂屎肠球菌的MIC为1µg/ml, 对肺炎链球菌与化脓性链球菌的MIC均低于0.06µg/ml。另外, 动物实验显示本品药物动力学特性优良, 口服生物利用度达84％, 体内半衰期为12.4h。EP-13159对革兰阳性呼吸道致病菌的体内外抗菌活性优于克拉霉素、 阿奇霉素和泰利霉素[25]。EDP-420于 在北美进行Ⅱ期临床研究以评估其在治疗社区获得性肺炎中的安全性、 耐受性及有效性。在兔脑膜炎模型中, EDP-420对喹诺酮和青霉素耐药的肺炎双球菌表现出非常好的杀菌活性,可与万古霉素/头孢曲松的标准治疗方案相媲美[26]。
6其它类结构修饰的酮内酯类抗生素
6.1环状酮内酯
环状酮内酯分为三环酮内酯和四环酮内酯, 前者又可分为三环[14, 5, 7]酮内酯化合物( 图12) 、 三环[14, 5, 5]酮内酯化合物( 图13) 及三环[14, 5, 6]酮内酯化合物( 图14) 。其中最有代表性的是TE-802[27], 如图19, R1、 R2均为H时, 其结构新颖, 虽不具有泰利霉素和喹红霉素结构中芳杂环侧链, 但对红霉素诱导耐药的金黄色葡萄球菌、 肺炎链球菌等也有较高活性, 当前处于临床前研究阶段。根据Ma等[28]报道, 四环酮内酯类则基本没有活性。

图12三环[14,5,7]酮内酯化合物结构式

图13三环[14,5,5]酮内酯化合物结构式

图14三环[14,5,6]酮内酯化合物结构式
6.2桥环酮内酯
桥联双环酮内酯类抗生素分为6, 9-桥环酮内酯化合物和6, 11-桥环酮内酯化合物(图15) , 后者中的EDP-420[29]已于 进入Ⅱ期临床试验阶段, 主要用于治疗社区获得性肺炎。经过对肺炎链球菌、 金黄色葡萄球菌、 流感嗜血杆菌、 化脓链球菌的MIC值比较, EDP-420和泰利霉素具有相当的活性、 甚至优于泰利霉素, 具有良好的药物代谢动力学性质, 消除半衰期是克拉霉素和泰利霉素2-3倍, 作用时间长[30]。

图156,1-桥环酮内酯化合物结构式
展望
抗生素耐药性问题越来越引起人们的重视, 特别是泰利霉素、 喹红霉素的研究成功, 给该类化合物带来了巨大推动力, 使得国内外学者的研究不断深入。经过对酮内酯类抗生素的化学结构修饰、 母环的修饰、 环上侧链的改进, 一些新化合物能够克服部分耐耐药性问题, 特别是针对耐药的肺炎链球菌、 金黄色葡萄球菌、 流感嗜血杆菌都有良好效果。C-11, 12位的氨基甲酸酯、 肼基甲酸酯类酮内酯对MLSB的耐药菌也较好的抗菌效果, 是该类耐药性问题的一个有前景的研究方向。随着国内外对酮内酯类抗生素作用机制的研究不断深入及新的先导化合物的不断研发, 相信会有更好的抗耐药的酮内酯类先导化合物出现, 也必将有更多酮内酯类抗生素应用于临床。

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