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糖皮质激素甾体药物D环结构改造在当代临床医学上的重要yi yi

已有 1112 次阅读 2020-5-5 18:53 |个人分类:科技评论|系统分类:论文交流

        糖皮质甾体激素药物D环结构改造在当代临床医学上的重要意义

                                               (下)

                                     杨顺楷        四川     成都


1.甾体激素药物受体理论简介


糖皮质激素受体,同其他的性激素,孕激素以及盐皮质激素受体一样都是标准的蛋白质。它存在于细胞表面,能够同信使分子结合,使细胞与整体能够互通信息。该受体定位于人类的第五条染色体5P31,5P32节段。目前已经知道糖皮质激素受体具有四种亚型,其基本结构相同,该受体具有三个主要的结构域。第一,就是位于N段的活化功能结构域-1(AF-1),该AF-1 可以通过与转录因子或其他蛋白活化因子相互作用,从而启动靶基因的表达;第二,就是DNA结合结构域,它含有两个称为“锌手指”的基本结构单元。一般来说,甾体激素受体是一类与甾体激素分子具有较高亲和力和选择性的细胞内的金属蛋白质。例如,对鼠的糖皮质激素受体研究表明,它含有DNA结合区域的150氨基酸残基肽段,能够同2个锌离子可逆结合,这些金属离子对于特定的DNA“绑定”和稳定折叠是必需的。科学家合成了与鼠的糖皮质激素受体有关的两个多肽节段,构成两个锌手指区域,每一个多肽都与一个锌原子络合。当锌存在时,多肽就可能结合到相应糖皮质激素应答部分的DNA序列上;当锌缺乏时就没有这种结合。故可以认为这些锌手指在甾体配位受体键合到DNA过程中具有重要作用。除了锌手指是受体与DNA结合以外,它也是发生二聚体化并转移至细胞核内。第三,就是位于C端的配体结合结构域。这段结构域除了能够同甾体激素结合外,还可以与热休克蛋白结合(存在于细胞质内的分子伴侣)。例如,糖皮质激素受体可以与2-7分子90kD热休克蛋白和一分子55kD蛋白复合,有些也可能完全没有键合,而可以与受体形成一种“低亲和力”的构象。在与受体聚合后(二聚体化),进入细胞核发挥活化或抑制功能。尤其是在配体结合区,还包含了一个配体依赖活化功能结构域(AF-2)。AF-2对于配体结合有着十分关键的作用。


可见,作为配体的糖皮质甾体激素,与之结合的糖皮质激素受体,它是核受体家族中的重要一员,包括了免疫系统在内的甾体激素活化转录因子的目标基因。借助糖皮质激素受体的基因突变试验表明,它与多种疾病有关,其中包括自身免疫系统疾病,以及多种癌症疾病。所以,糖皮质激素受体一直是临床医学治疗一个重要的目标基因。目前对于该受体的研究工作相当多,这些研究成果又进一步推动了用以发现生物活性高,副作用小的糖皮质激素类药物的研究与开发。


甾体是一类重要的生物活性化合物,目前用于治疗目的甾体化合物已经超过150个。过去20多年来,人们对甾体化合物的生物化学和分子生物学认知的不断深化,已经能够从分子细胞水平详细研究甾体化合物的作用机制,而且所有的甾体受体蛋白的基础结构和大部分甾体转化酶的结构已经确定。所以甾体生物化学和分子生物学知识的发展,为甾体激素药物化学家提供了许多有关新药的概念和新视角。当前至少有数十个甾体药物品种正在进行安全性或临床医学研究,自然主要聚焦于糖皮质激素受体及其药物的研究。国外较为成功的经验表明,以内源性生化活性物质受体或酶等为靶向较为科学合理。自然,作为具有ABCD 四环基本结构亲脂性糖皮质甾体有机小分子新药的结构改造就势在必行,因为筛选出作为优秀配体的糖皮质激素,进入体内可与之互补的糖皮质甾体激素受体相互作用,产生良好的药效学功能。


2.糖皮质甾体激素四环结构改造的历史发展


20世纪40年代末到50年代,可的松药物用于治疗风湿性关节炎开创了糖皮质激素研究的里程碑。借助薯蓣皂素-双烯的半合成路线,建立起了技术-经济可行的化学-生物转化相结合的方法,大量的糖皮质激素被工业化生产出来,极大地推动了临床治疗医学应用。昔日仅由富人使用得起的可的松,变成了可以进入普通百姓家的“甾体治疗药品”。这一个时期具有代表性的糖皮质药品有可的松,潑尼松,氢化可的松,潑尼松龙。


为寻求疗效更高,毒副作用更小的作为与糖皮质激素蛋白受体相互作用的合适配体,药物化学家们在可的松类结构的基础上,进行了对四环结构的诸多改造。依据糖皮质甾体受体理论研究,在其配体结合区,主要存在有7种功能性蛋白氨基酸残基,7个氨基酸残基中的2个分布在A环结构域;1个在B环结构域;1个在C环结构域;3个在D环结构域。


在A环的改造,就是将可的松具有的3-酮-4烯,引入C-1,2位双键,导致改变A环的空间结构,成为强的松。它有利于与糖皮质激素受体相互结合,改变了它的药物动力学,提高了专一性,功效提高数倍。对B环的改造在于有两个方面的工作。其一,在C6位引入卤素原子或甲基等取代基。实验证明引入甲基对活性没有明显影响,但是可以提高整个分子的脂溶性。其二,在C9位引入卤素原子后,该甾体化合物的盐皮质激素活性和糖皮质激素活性均同时得以提高。对C环的结构改造主要在于C11位羟基的引入,因为C11位是甾体分子的惰性碳位。用化学法进行羟基化几乎是不可能的;故进行微生物转化引入C11位羟基化成为唯一的选择,这也是糖皮质激素药物合成的重大技术突破。作为配体存在的糖皮质激素C11位附近,其蛋白受体的N-645,存在一个含氢键受体氨基酸残基决定了C11位应该有一个氢键给体存在,而正好甾体C11-OH可以方便地起到这一个作用。如果C11位的羟基改变成为酮羰基,如可的松即是。那么由于该位置不能够有效形成氢键,这就导致该类甾体药物与受体间的相互作用相当的低下。正是因为如此,C11位是酮羰基的可的松类药物所表现出来的生物活性不是很好。


3.糖皮质激素D环结构改造的研究工作进展


全球甾体激素药物过去80多年的研究与产业发展历程表明,伴随着生命科学与生物医学高科技的深化,而继续发展,不断进步。特别是糖皮质激素药物在我国重症急性呼吸综合症(SARS)治疗中,应用糖皮质激素(甲潑尼龙或潑尼松龙)于临床实践,结果表明糖皮质激素能够迅速改善患者的氧合功能,减少肺部渗出和改善全身中毒症状。广东省SARS专家组提出了糖皮质激素应用于治疗SARS的参考指征,指导临床救治工作。总体的临床治疗效果,广东省总的病死率为3.8%,显著低于国际报道病死率15%的平均水平。可见,糖皮质激素药物的合理使用,与低的病死率是相关的。即使在17年后的今日,对新冠(COVID-19)肺炎疫情的危重症患者治疗《指南》中,也列入了糖皮质激素药物。虽然仍然是存在争议,那么就很有必要深入进行临床医学研究。但是令人遗憾的是,过去17年来,争议仍然是争议,可见我国的相关医学专家科技研究水平有些迟后。


另一个方面,那就是甾体激素药物合成化学家们的任务,就是研制更加高效低毒的糖皮质激素药物,用于新冠肺炎的临床治疗。显然,着手糖皮质激素药物D环结构改造具有重要而紧迫的意义。上述已经提到,已经证实,D环不仅要同配体依赖活化结构域(AF-2)的受体蛋白二级螺旋结构发生独特的相互作用,而且已经证明,常见的7个功能性氨基酸残基中已经有三个位于D 环附近。在这7个功能性氨基酸残基中,一些类似的激素受体也具有一定可分化的功能氨基酸残基处于D环附近,而这些区别正是甾体小分子药物与受体实现专一性结合的关键。这就进一步表明对D环有针对性的改造,可选择出专一性更强,毒副作用更小的糖皮质激素药物。已经知道,糖皮质激素最大的毒副作用就是其钠潴留,而钠潴留正是由盐皮质激素受体活性所致。通过对糖皮质激素和盐皮质激素甾体分子,分别与D环直接发生受体AF-2螺旋段的作用,表明其受体上亲水性氨基酸残基与疏水性残基的差别,可以分化出盐皮质激素的钠潴留副作用。这也就是糖皮质激素D环17-alpha位须得存在有一个羟基的原因。


目前,对糖皮质激素D环结构改造研究内容主要分类如下:1)在甾体激素C17位含有一个羟基的潑尼松龙及其衍生物;2)在C16,C17aipha位都存在一个羟基的药物,如确炎松;3)在C16位存在一个甲基,C17-alpha位存在一个羟基的药物;如以地塞米松,倍它米松为代表的高效含氟糖皮质激素药物;4)在C16,和C17位均是alpha 位有一个甲基的药物,例如以瑞美松龙为代表的眼科抗炎优秀药物。


由以上论述,我们可以看出对糖皮质激素D环改造在当代临床医学上的重要意义,它所起到的作用可从以下三个方面体现出来。第一,通过对糖皮质激素D环改造,可以使其甾体小分子药物与糖皮质激素激素生物大分子蛋白受体的结合更加有效及专一。这是一条提高甾体与其受体的结合能力,以及结合的专一性,增大其活性,减少其毒副作用的重要途径。在甾体激素受体家族中存在多种受体,即有雌激素受体,雄激素受体,孕激素受体,糖皮质激素受体,以及盐皮质激素受体。这些受体无论是在氨基酸残基,还是在空间构型方面都具有较大的共同性。如果一个甾体分子对受体的识别能力不是很强的话,那么它就有可能在与目标受体结合的同时,还会与其他受体结合;其后果就是导致非预期的毒副作用。因此,通过对甾体分子进行改造,使其它与目标受体的识别作用更强,于是这就成为减少甾体激素毒副作用的主要途径。要达到这样增高药效降低毒副作用的目标,就很有必要精准利用这些受体,使其能够定向地分化出来,专一性地与糖皮质激素药物配体结合;而这些具备特异性的蛋白氨基酸残基主要集中在甾体分子D环附近,因此对甾体分子D环结构改造将在整个甾体激素药物识别过程中起到不可忽视的作用。


第二,由于糖皮质激素D环结构改造,导致其激素分子的空间结构发生了一定的变化;这种结构的变化直接影响到了与其受体相互作用AF-2螺旋结构域的功能性。AF-2螺旋结构域在糖皮质激素中所起到的作用前述已有介绍,它构型的改变将会导致后续的细胞因子的活化或抑制,进而影响到相关基因的表达。虽然这一方面的研究才刚刚兴起,并且需要分子细胞生物学提供理论支持,但是其发展潜力是不可估量的。


第三,糖皮质激素D环改造可能改变该激素药物的药物动力学或者改变该药的给药剂型。药动学的改变,要求一个糖皮质激素分子,经组织吸收后能够顺利进入细胞膜并与受体结合,这就需要甾体分子具备相当的亲脂性。于是通过对D环上-OH基的酯化,或引入甲基或杂化等结构改造,就可以大大地提高其亲脂性。这些高亲脂性的前药,进入机体后又会被重新代谢为活性成分而发挥作用。基于长期的临床实践,人们认识到了一个个优秀的糖皮质激素类药物并不一定要求其抗炎等药理活性很强,而是要求在它的疗效和毒副作用之间寻求一个合理的平衡点。同时,依据药物剂量学,采用合理的给药方式,以及药物作用的不同病变部位而呈现出结构上的差异性,从而达到降低药物毒副作用的目的。为此,在原有糖皮质激素结构基础上,如采用经典的潑尼松龙,对其D 环的结构改造,发现了两个十分优秀的糖皮质激素药物,如氟替卡松和瑞美松龙。此外,由于在糖皮质激素D 环存在有一个含羟基的双羟丙酮侧链,于是这就为改变剂型提供了很好的条件。就可以在该酮侧链的C17-OH 处引入水溶性基团,例如磷酸钠等。这就可以将该药制成注射液,滴眼液等。这就为糖皮质激素用于危重急性疾病治疗起到关键作用。


4. 前景展望


糖皮质激素类药物,伴随着甾体化学的发展已经走过80多个年头,已经成为仅次于抗生素类的第二位大部类药物。已经广泛应用于临床医学治疗抗炎,抗过敏等众多疾病,成为医院药房的必备药品之一。然而,有关糖皮质激素类药物作用的分子机制及其毒副作用也一直困扰着人们。近年来由于分子细胞生物学,结构生物学的飞速发展,与糖皮质激素相关的受体及其分子机理研究,逐步揭开了它的神秘面纱,这为糖皮质激素的深入发展提供了新动力。基于已经对糖皮质激素D环结构改造取得成就的基础上,结合受体理论研究,使得往深层次发展提供了可能。


十多年前,我们被认为国外的一些优秀品种,例如布地奈德,一种经由潑尼松龙在D环16,17alpha位-二羟基与丙基形成环醚化的基团改造,从而成为了更大的亲酯性基团时,其渗透力得以进一步提升。该药是用于治疗局部肺炎及关节炎的药物,目前已经在湖北一家制药公司以吨级规模原料药生产。又如丙酸氟替卡松也是一个基于地塞米松分子结构,经由D环结构改造的又一个优秀糖皮质激素药物,国内仙居制药公司已经研制成功。除了C6和C9位有氟原子,C16位是alpha 甲基外,C17-alpha羟基被丙酸酯化,同时在C17-beta酮侧链上含有硫及氟原子,这又进一步加强了药物分子的亲脂性能。加之,C21位的亚甲基处于C20位酮羰基和硫原子的中间,具有很高的化学活性,导致该部位又很容易被代谢。临床数据表明该化合物口服生物利用度近为零,使用后经由肝脏迅速代谢失活。该药常用于季节性鼻炎,外用治疗对甾体激素敏感的皮肤病,口服剂型用于糖皮质激素治疗中产生的内脏疾病。

除了上述提到的布地奈德和氟替卡松两个优秀品种外,我们还有必要对另一个优秀的眼科抗炎药瑞美松龙予以介绍。50-60年代临床应用地塞米松或倍它米松,结果发现患者眼内压升高,这将直接导致青光眼等眼科疾病。面对这一挑战,新的甾体抗炎药就开发出来了,这就是瑞美松龙,它具有优良的局部抗炎活性。它同其他糖皮质激素结构有所不同的是,瑞美松龙在C16,C17,和C21引入了三个甲基。尤其是C17,C21位是甲基的引入,完全改变了以前在这两个碳位是极性取代基的状况。由于三个甲基的引入,使得瑞美松龙整个甾体分子的脂溶性进一步增加。加之,C17位的羟基被甲基置换,这就使得该部位同受体的亲和力降低,因为在其结构域相关蛋白残基不能够与之形成氢键。于是瑞美松龙在眼科用药表现出优秀的选择性,它对升高眼内压不明显,不易导致青光眼。因此,目前被认为是最为安全的糖皮质激素药物。对该药物的研究与开发,国内已经有数条路线可采用,其一,从潑尼松龙启始的半合成路线;其二,由植物甾醇发酵降解产生的ADD半合成路线,其中C11位beta羟基的引入借助已有的生物法;其三,由藩麻皂素化学法制得四烯物,全化学法合成,可制得目标产物—瑞美松龙。


对于我国糖皮质激素未来的发展方向,应该聚焦于三个方面。其一,立足于分子细胞水平,以及现代的药物发现理论,从蛋白受体的角度,通过对其结构,特别是D环改造,发现出活性更强,专一性更好,毒副作用更小的药物;其二,进一步深化研究糖皮质激素在细胞基因调控分子基础的同时,建立起新的药理模型,拓宽应用糖皮质激素的一些新的治疗领域,并通过结构改造,选择出专一性更强,活性更高的药物;其三,对于目前已经有的优秀糖皮质甾体激素药物品种,国内企业和科研院所应该积极努力研究与开发。例如像瑞美松龙等这样优秀的糖皮质激素药物,由于合成技术困难,至今价格较高。故对新的合成化学法的研究,新试剂的开发均很有必要单独立项作专门研究。在这些研究成果的基础上,实现工业化生产,那么我国就会成为真正的糖皮质激素药物生产强国。


                    参考资料

  1. 杨冰. 糖皮质激素D环结构改造研究. 四川大学博士学位论文,2006年

  2. 夏鹏(主编).《药物》,甾体激素药,593-629,中国物资出版社,1998年

  3. 谭载友,廖清江. 甾体药物化学的新进展——甾体受体的研究近况,药学进展,1997,21(3):136-147

  4.  郑则广,钟南山. 糖皮质激素在重症急性呼吸综合症治疗中的应用,中华内科杂志,2003,42(10):。 676-677

  5.   张天智,杨炯,杨顺楷等. 新月弯孢霉AS3.4381对新型甾体底物C11beta-羟基化,生物加工过程,2006,4(3):22-27

   6.   杨顺楷. 本网:从非典到如今糖皮质激素药物在SARS及新冠肺炎治疗中的争议为何至今尚存?! 

          http://blog.sciencenet.cn/blog-64804-1220726.html






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2 郑永军 范振英

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