非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂研究进展(待续)

[摘要] 逆转录酶是设计抗艾滋病药物研究的选择性的靶点,逆转录酶抑制剂主要分为核苷类和非核苷类两大类,本文主要根据化学结构类型综述近年来非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂的研究进展。

[关键词] 药物化学;抗艾滋病药物;HIV-1逆转录酶;非核苷类;酶抑制剂

[中图分类号] R914[文献标识码]A [文章编号]1673-7210(2010)03(b)-009-04

Research progress of nonnucleoside HIV-1 reverse transcriptase inhibitors

MENG Ge

(Faculty of Pharmacy, School of Medicine, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710061, China)

[Abstract] HIV-1 reverse transcriptase (RT) is the new selective target for designing anti-HIV-1 drugs. The HIV-1 RT inhibitors are divided into two groups, nucleosides and nonnucleosides. The research progress of non-nucleoside HIV-1 RT inhibitors were reviewed according to chemical structure type in this paper.

[Key words] Medicinal chemistry; Anti-AIDs Drug; HIV-1 RT; Nonnucleosides; Enzyme inhibitors

人免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染引起的免疫缺陷综合征(acquired immune deficiency syndrome,AIDS)已在全球范围蔓延。有效控制和治疗AIDS已成为各国政府和研究部门的当务之急。HIV属于RNA逆转录病毒,又分为HIV-1型和HIV-2型。世界上大部分地区的艾滋病患者是被HIV-1病毒所感染,现有药物主要是抑制HIV-1型病毒的复制。在HIV-1的复制循环中,逆转录酶(reverse transcriptase,RT)在完成RNA指导的DNA合成、RNA水解反应和DNA指导的DNA合成过程中起着十分重要的作用。因此,HIV-1逆转录酶是抗HIV/AIDS药物设计的一个重要生物靶点。目前市场上出现的以HIV-1逆转录酶为靶点的药物按作用机制和化学结构可分为核苷类逆转录酶抑制剂(nucleoside reverse transcriptase inhibitors,NRTIs)[1]和非核苷类逆转录酶抑制剂(nonnucleoside reverse transcriptase inhibitors,NNRTIs)[2]。

NNRTIs与核苷类化合物不同,其糖环部分为开链结构,因为缺少5’-位羟基,不能进行磷酰化,不参与DNA合成,它们和RT相互作用的机制不同于HIV-1 NRTIs,而是通过与HIV-1 RT的非底物结合部位结合间接影响非底物结合部位的构型,产生抑制活性[3]。近年来,为克服NRTIs临床长期应用而引发的毒副作用,非核苷类化合物在治疗HIV-1方面得到迅速发展,如奈维雷平(Nevirapine)、地拉韦定(Delavir-dine)和依非韦仑(Efavirenz)。另外,鉴于此,近年来有关其他新型结构的NNRTIs[4]的相关研究发展特别迅速,本文详细阐述该类药物的研究进展。

1奈维雷平

奈维雷平(Nevirapine,BI-RG-587,TSAO-T,1)商品名维乐命(Viramune),属于双吡啶并二氮酮类化合物(Dipyridodiaze-pinone),简称TSAO类化合物。该药物是由美国FDA批准的第一个NNRTI[5],由Boehringer Ingelheim制药公司开发,人细胞毒性治疗指数>8 000[6]。

奈维雷平结合于HIV-1 RT掌区β折叠与拇指亚区底部之间的口袋部位,像机器齿轮中的砂砾一样阻碍拇指亚区向催化掌区移动;或在活性部位干扰关键氨基酸残基(Asp185,Asp186,Tyr181,Tyr188)的活性构象,两种途径均可抑制RT的催化活性[7]。

2地拉韦定

地拉韦定(Delavirdine,BHAP-90152S,2)商品名Rescriptor,属于双杂环哌嗪(BHAP)类化合物。该药起初是由Upjohn实验室和其他药物平行开发出来,经初期临床测试,转而用于抗HIV-1药物研究。该药由美国Pharmacia & Upjohn公司开发,已于2000年5月29日由三共和华纳・兰伯特公司在日本上市[8]。

地拉韦定可引发HIV-1耐药变异,RT氨基酸突变部位为Tyr181Cys及Pro236Leu。为提高化合物的抗耐药病毒株活性,另合成一些BHAP类似物,其哌嗪基母核被烷胺基哌啶基部分取代得到化合物(AAP-BHAPs,3),体外筛选试验显示活性较强[9]。

AAP-BHAPs类化合物对含有已知变异部位的HIV-1 RT具有广谱抗病毒活性[10],但是代谢过程中N-去烷基化比其哌嗪类化合物更易发生,为提高化合物3-吡啶取代基的稳定性,合成了一系列3-烷氧基取代类似物,其稳定性虽然得以提高,但抗病毒谱有所下降[11]。BHAP类似物环哌嗪U-87261也在研发中。双芳杂环基硫脲类化合物是一类最近报道的BHAP类似物,其中N-[1-(1-呋喃甲酰甲基)]-N’-[2-(噻唑基)]硫脲对HIV-1耐药株可在纳摩尔至低微摩尔浓度范围内显示较强的抑制活性[12]。

3依非韦仑

依非韦仑(Efavirenz,4),由Merck和Dupont公司共同研制而成,Bristol-Myers Squibb公司开发生产,该药对高病毒载量患者疗效明确。商品名Sustiva、施多宁(Stocrin),其分子结构中4-位碳上有一个手性中心,只有S-构型才具有抗HIV-1 RT活性,可以通过从消旋体拆分或者不对称合成直接得到该消旋体化合物。

除述FDA批准已进入临床的药物之外,下文将根据化学结构类型,分别讨论处于临床前研发阶段的各类NNRTIs化合物[13]。

4 HEPT类

1-[(2-羟乙氧基)甲基]-6-(苯硫基)胸腺嘧啶(HEPT,5)[14]是继无环鸟苷后又一个含有核苷碱基而不含糖环的具有抗病毒活性的非核苷类化合物[15]。HEPT可选择性抑制HIV-1对MT-4细胞的细胞病变作用,对其他逆转录病毒包括HIV-2无效。近年来世界各国科学家以HEPT骨架为基础进行结构改造,以寻找高效低毒的新药。其中代表化合物为MKC-442(Emivirine,6)及TNK-651(7)。

Buchheit考察了HEPT与其他化合物之间的配伍作用,发现HEPT与Calanolide A配伍效果最佳,几乎所有耐药病毒株均具有抑制作用。

孟歌等[16]在研究构效关系的基础上,借助计算机辅助药物设计(CADD),选择HEPT类似物MKC-442为先导化合物,考虑到HIV-1 RT晶体结构中尚有较大的疏水性空间未被药物分子充分填充,设计以空间体积较大的萘甲基取代苄基,经过生物活性筛选,发现该类化合物具有较强的抗HIV-1 RT的活性,进一步改变萘环取代位置设计不同系列化合物(8和9),发现萘环为α-取代的化合物8,其生物活性远远高于β-取代的化合物9,其中1-乙氧甲基-5-异丙基-6-(1-萘甲基)尿嘧啶活性最好,1-苄氧甲基-5-乙基-6-(1-萘甲基)尿嘧啶次之。

SGI工作站上对接研究发现HIV-1 RT 和化合物相互作用是采取一定的方向性[17],位于HIV-1 RT NNB中的α-取代萘甲基的芳香性较高,有利于提高化合物和底物酶间的疏水性相互作用而提高活性[18],构效关系表明,萘环有进一步改造的可能性[19]。

8(α-series) 9(β-series)

R1=HOCH2CH2OCH2,MeOCH2,EtOCH2,PhOCH2;

R2=Me,Et,n-Pr,iso-Pr.

为克服耐药性问题,针对HIV-1 RT的多变异特性,兼具有萘环芳香环和环己烷柔韧构象的四氢化萘系列化合物(10)也被设计合成用来抑制HIV-1变异病毒株[20]。

10

5 DABOs类

二氢烷氧苄基嘧啶酮(DABOs,11)与HEPT结构类似,其分子结构中含有一个苄基部分和一个烷基或环烷基侧链,后者通过氧桥键与尿嘧啶或胸腺嘧啶碱基相连,称为DABOs类化合物,嘧啶环2-位侧链氧原子被硫原子取代后得到硫代DABOs(S-DABOs,12),抗HIV-1活性增强近10倍[21]。

11 12

DABOs和S-DABOs 6-位苄基为1-萘甲基取代后,活性会增强。嘧啶环的N-3位烷基化和C-4位的C=O转换为其生物电子等排体C=S均使丧失抗HIV-1活性。

当1-萘甲基换成2-萘甲基取代时,生物活性略微降低。活性最好的化合物EC50值低达微摩尔浓度范围,可与Nevirapine相媲美,如化合物13、14、15 EC50分别为1.1 μmol/L、0.3 μmol/L和1.0 μmol/L,选择性指数分别为>300、>900、>300[22]。

C2-β羰基取代DABOs化合物中5-异丙基-2-[4-甲氧苯基羰基甲基硫-5-(1-萘甲基嘧啶-)-4-(3H)酮在微摩尔范围内对HIV-1和双变异HIV-1 病毒株显示较强的抑制活性。其中有些化合物对HIV-1和HIV-2病毒株均显示出抑制活性[23]。

6 嘧啶并[5,4-f]苯并[1,4]硫氮■类

Maruenda等[24]受TIBO和双吡啶类化合物七元环结构的启发,用七元环把胸腺嘧啶环和苯环锁住,合成了一系列N-1取代的嘧啶并[5,4-f]苯并[1,4]硫氮■类化合物,作为对HEPT分子的胸腺嘧啶环5-位和6-位取代基构象限制产物,并评价了其HIV-1 RT的抑制活性,其IC50值均在微摩尔范围内。例如:1-[(2-乙氧乙基)氧甲基]嘧啶并[5,4-f]苯并[1,4]硫氮HEPT-25(16)(IC50=0.64 μmol/L)是该系列HEPT类似物中活性最好的化合物[24]。

16

7喹喔啉类

HBY097(17)是喹喔啉(Quinoxalines)类化合物的代表药物,化学名:(S)-4-异丙氧甲酰基-6-甲氧基-3-甲硫甲基-3,4-二氢喹喔啉-2-(1H)硫酮,在临床Ⅱa期试验时退出。喹喔啉类中另外一个候选化合物GW420867X[(S)-3-乙基-6-氟-4-异丙氧甲酰基-3,4-二氢喹喔啉-2-(1H)酮]正进行抗HIV-1活性筛选试验。目前,第一个作为HIV-1抑制剂的喹喔啉类衍生物是化合物S-2720[6-氯-3,3-二甲基-4-异丙烯氧甲酰基-3,4-二氢喹喔啉-2-(1H)硫酮]。

17

8 TIBO类

4,5,6,7-四氢-5-甲基咪唑[4,5,1-jk][1,4]-苯二氮-2-(1H)-酮和硫酮类衍生(Tetrahydro benzodiazepine)简称TIBO类化合物,该类化合物可在纳摩尔浓度范围内抑制HIV-1在细胞中的复制[25],该值为细胞毒性浓度的1/104~1/105。如O-TIBO(18)、Cl-TIBO(19)和TIBOR82917(20),化学名:(+)-(5S)-4,5,6,7-四氢-5-甲基咪唑[4,5,1-jk][1,4]-苯二氮-2-(1H)-硫酮。

该类化合物构效关系研究表明,2-硫取代可以改善化合物的抗HIV-1活性;N-6位置上最佳取代基为3,3-二甲丙烯基;C-5位上S-构型异构体比R-构型异构体抗HIV-1活性立体选择性高;8-位氯原子取代有利于提高活性。

9 吡啶酮和吡嗪酮类

吡啶酮类(Pyridinone)[14]如化合物L-696,229[26](21),L-697,661(22)[27]。

吡嗪酮类(Pyrazinone)[28]如3,5-二取代吡嗪酮类衍生物对HIV-1显示出一定的抑制活性。

10 α-APA类

苯胺基苯乙酰胺类化合物(α-APA,α-anilinophenylacetamide),其中活性最好的代表化合物为Loviride(23)。[(-)α-APA,R9038,R89439],该类化合物的结构特点为胺基乙酰胺链连接起来的双取代苯基的结构,分子中具有NNRTIs特征的双芳环结构。基本结构简单,合成方法简便易行,以化合物23为例,采用2,6-二氯苯甲醛和取代苯胺为起始原料,二者在氰化钠的乙酸溶液中缩合可得胺基腈,然后经硫酸水解可得产物的外消旋体。目前,Loviride正处于临床试验研究阶段。

23

11咪唑类

代表药物AG1549(S-1153,24),化学名:2-氨基甲酰氧甲基-5-(3,5-二氯苯硫基)-4-异丙基-1-(嘧啶基-4)甲基-1H-咪唑。目前正作为抗HIV-1药物进行临床测试,结果显示,其生物活性比奈维雷平和地拉韦定强10倍,而且对现有NNRTI产生耐药性的HIV病毒株也有活性。对于Efavirenz,HIV RT需在2个或3个氨基酸部位发生变异才可以对AG1549产生耐药性,而对地拉韦定和奈维雷平产生抗药性,HIV RT只需在一个氨基酸部位发生变异。

24

12 硫代氨基甲酸酯类

硫代氨基甲酸酯(Thiocarbamates,TCs)类化合物是苄基噻唑基硫脲(PETT)类衍生物的电子等排体,在纳摩尔浓度范围内可对MT-4细胞中野生型HIV-1产生抑制活性。活性较强的化合物在邻苯二甲酰亚胺部分4-位被甲基取代,N-苯环的对位有硝基取代后活性最强,其EC50=0.01 μmol/L[29]。

13 TSAO类

这是一类新型结构抗HIV-1抑制剂。当极性、亲脂性或者芳香性基团通过不同长度的柔性聚亚甲基链和N-3位相连后所得化合物显示出比其母体化合物强2~6倍的抗病毒活性[30]。

14 二芳基醚类

第二代非核苷逆转录酶抑制剂依曲韦林25(TMC-125)已经被FDA批准上市,由Tibotec(Mechelen,Belgium)研发。它有一个二芳基嘧啶的基本结构,这一结构能够直接干扰周面铰链约束机制,这一机制控制转录酶亚域的协作运动。二芳基嘧啶结构的分子柔性使得依曲韦林能够在结合位点调节突变,另一方面这将显著地影响抑制作用。体外实验显示了依曲韦林抗原始HIV-1的活性(EC50=1.4 nmol/L),比对K103I、Y181C、Y188L、L100I变体病毒降低了5倍多。抑制剂重排和多位点模型,作为扭转的曲性和复位的能力,已经被用来解释依曲韦林位点的机制,也被用来解释依曲韦林好的耐药性;当依曲韦林结合K103N逆转录酶时,它采取了不同的构象。

Ⅰ期临床试验集中于药物代谢动力学方面,显示了30～40 h的血浆半衰期;代谢作用基本上是通过CYP3A P450细胞色素的肝脏代谢,治疗5 d后达到稳定状态。Ⅱ期临床试验证实7 d治疗后HIV RNA显著下降[31]。

25

化合物26对原始HIV病毒及各种相关的变体病毒均有强大的活性,但是其溶解度、口服生物利用度低阻止了其进一步发展。溶解度在pH=2时小于0.1 μg/ml。化合物27在保持其活性的同时,极大地提高了其溶解性及生物利用度,在pH=2时溶解度为10 μg/ml[32]。

2627

活性较好的二芳基醚类化合物还有28、29[33]。

28 29

15 苯并咪唑酮类

N1-取代的苯并咪唑酮类(30)是一类具有高活性的非核苷类HIV-1逆转录酶抑制剂。由其结构式及3D药效模型(图1)可以看出,它主要包含5个部分:3个疏水性部分(HY1~HY3),一个氢键受体(HBA)和一个氢键供体(HBD)。

30 图13D药效模型

生物学实验数据显示:当羰基变为巯基时,其活性没有太大变化,却使选择性大大降低;当N3-被取代时,活性降低;6位被氯或甲基取代时,活性提高;6位被三氟甲基或5、6位没有取代时,活性均降低;当X为磺酰基时,其活性高于亚甲基化合物;R3为取代苯环,3’,5’位取代的化合物活性高于2’,6位取代[34]。