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《传染病学史》札记:从天然到合成的抗寄生虫药物

已有 901 次阅读 2020-10-24 14:25 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦| 天然, 合成, 抗疟药物

五、从天然到合成的抗寄生虫药物

(一)抗疟原虫药物

疟原虫是经蚊子传播给人的,它采取跨宿主成长的模式进行繁殖,在雌性按蚊体内进行有性繁殖,感染疟原虫的按蚊叮咬人体后在人体内进行无性繁殖。疟原虫在人体内的无性繁殖分为三个时期:原发性红外细胞时期为疟疾的潜伏期,无症状发生;红细胞内期为发病期,每当疟原虫完成一次无性生殖周期其症状即发作一次;继发性红细胞外期为间日疟的特定时期,间日疟的迟发型孢子在休眠一段时间后开始繁殖,引起疟疾复发。这些发现为人类治疗疟疾奠定了基础。

1. 疟疾的古代治法

在中国古代治疗疟疾主要依靠针灸和中草药。其中针灸是最早治疗疟疾的方法,根据疟疾类型的不同、病情的不同有不同的针灸方法,但在治疗时机上有要求,《素问》指出:“凡治疟,先发如食倾,乃可以治,过之则失时也”;利用中草药治疗疟疾的记载最早出现在《山海经》上,中国药物大典《本草纲目》记载了174种之多的治疗疟疾的中草药。

在西方,17世纪前南美洲印第安人靠喝金鸡纳树皮水治疗疟疾;19世纪中期英国学者将金鸡纳树种子带到印度尼西亚的爪哇岛开始大面积种植;欧洲人将金鸡纳树皮提炼成金鸡纳霜供患者服用,但金鸡纳树适合生长于热带海拔800~3000米的山地,生长环境有限造成金鸡纳霜价格昂贵。

1820年,法国化学家佩雷蒂尔和卡文顿从金鸡纳树皮中提取到了奎宁和辛可宁生物碱,因为辛可宁的药理作用较小,科学家们从此围绕着奎宁进行研究。

2. 现代抗疟药的发展

人类不断探索治疗及预防疟疾的药物,19世纪末到20世纪中期从天然药物向人工合成药物转变。

(1)合成喹啉类抗疟药:1891年德国科学家古特曼和埃利希从亚甲蓝具有一定抗疟活性出发,用一个长链的碱性基团去取代亚甲蓝分子中的一个甲基所得到的化合物的抗疟活性明显增强,这一实验结果表明碱性侧链对抗疟活性产生积极影响。

在此基础之上,德国人在1925年将类似碱性侧链引入喹啉环,成功地合成了第一个抗疟药扑疟喹啉,该药为化学药物治疗疟疾开辟了新纪元。1934年, 德国人安德撒合成了以氯喹为代表的4-氨基喹啉类抗疟药;1950年美国合成了以伯喹为代表的8-氨基喹啉类抗疟药。

其中8-氨基喹啉类抗疟药用于治疗继发性红细胞外期的疟疾症状有较好的疗效,4-氨基喹啉类抗疟药对红细胞内期的疟原虫有杀灭作用[5]。由于扑疟喹啉毒性较大,在20世纪20-50年代,伯喹和氯喹成为治疗疟疾的最佳药物。

(2)确定奎宁结构,人工合成奎宁:1907年,在经过大量的实验的基础上,德国化学家拉贝报道了奎宁的结构,如。1945年, 美国化学家伍德沃德和多林以7-羟基异喹啉为原料经过还原、重氮化、缩合等十六个步骤合成奎宁,该奎宁全合成路线成为现代有机合成化学的里程碑。

奎宁主要作用于红细胞内的疟原虫,奎宁与四环素的复方对于治疗多重耐药性的恶性疟原虫十分有效,用药3天后对耐药的恶性疟原虫治愈率达到90%以上,但奎宁具有金鸡纳反应毒性,这种毒性主要表现为恶心、呕吐、听力和视力减弱等。

(3)合成嘧啶类抗疟药:疟原虫不能利用环境中的叶酸和四氢叶酸,必须自身合成叶酸并转变为四氢叶酸后,才能在合成核酸的过程中被利用。科学家们利用疟原虫的这一特点,选择二氢叶酸还原酶抑制剂作为抗疟药物。这类药物多用于预防疟疾,作用于疟原虫在人体内的原发性红细胞外期。二氢叶酸还原酶抑制剂的代表药物为1949年合成的乙胺嘧啶,该药是预防疟疾的首选药。同时,根据这一机理,预防疟疾的药物还有磺胺类和砜类。

3. 青蒿素的发现与应用

20世纪60年代后,在东南亚及非洲地区发现了抗药性疟原虫,传统的抗疟药奎宁、氯喹等已不再有效,数以千万计的疟疾患者的治疗面临严重的困难,促使各国积极研究新的抗疟药物。其中抗疟药效最为显著的当属我国发现的抗疟新药——青蒿素。

(1)发现青蒿素及其来源:1967年,我国药学工作者从古代医书中了解到青蒿被列为抗疟药物,屠呦呦及其科研团队受古代药书 《肘后备急方》的影响,采用低沸点溶剂乙醚对青蒿进行分离,在1972年从青蒿中提取了具有抗疟活性的青蒿素。

通过元素分析、质谱测定及核磁共振谱测定等确定青蒿素的相对分子质量为282、分子式为C15H22O5,属半萜类化合物。1976年,中国科学院生物物理研究所用 X 射线晶体衍射法确定了青蒿素的化学结构。

从中草药中提取得到的青蒿素,结构是崭新的,它的发现为抗疟药的研究提供了新的先导化合物。由于青蒿素对疟原虫红细胞内期裂殖体有较好的杀灭作用,目前是临床用各种抗疟药中起效最快的一种,但该药物口服活性低、溶解度小、复发率高,须以青蒿素为先导化合物通过化学结构的修饰来改变药物活性。

从青蒿素的开发历史来看,获取青蒿素的途径主要有4种:第1种是直接从天然植物青蒿中提取;第2种是化学合成青蒿素,中国科学院上海有机所周维善、许杏祥等在1986年报道了青蒿素的全合成路线,但这种生产方式难度大、成本也较高;第3种是生物合成青蒿素,1987年印度科学家阿希拉等通过生物合成方法获得了青蒿素;第4种是植物组织培养合成青蒿素,1993年荷兰科学家瓦尔登巴等首次在诱导的青蒿芽培养物中检测到青蒿素的存在,使青蒿素的大量生产成为可能。

2012年1月德国马克斯普朗克胶体与界面研究所与柏林自由大学的研究人员又报导了一种利用从植物中提取青蒿素时产生的大量废料来快速合成青蒿素的新方法,即利用废料中与青蒿素分子结构较为接近的青蒿酸,采用光照、加氧等手段来快速合成青蒿素。其合成过程总耗时不到5min,并且节约成本,从植物中提取1g青蒿素所剩的废料可用于合成10g青蒿素,而且还简单便捷,可实现大量生产,预计很快就可投入实际应用。

(2)合成青蒿素衍生物及类似物:

合成青蒿素衍生物:1978年,中国科学院上海药物研究所李英等设计、合成了三类衍生物:醚类、羧酸酯类以及碳酸酯类,从这三类衍生物中各取一个抗疟活性最好的化合物,再从溶解度、稳定性、生产成本等方面进行选择。其中,蒿甲醚的抗疟活性是青蒿素的6倍,与氯喹几乎无交叉药性;青蒿琥酯的钠盐水溶液不稳定,可制成粉针,可临用时配制成水溶液用于静脉注射,解决了青蒿素水溶性低的缺点

合成青蒿素类似物:青蒿素类似物主要有6种,分别是脱氧青蒿素类似物(中国,1989)、脱甲基青蒿素类似物(美国,1989)、脱羰基青蒿素类似物(美国,1990)、甾类青蒿素类似物(中国,1993)、11-氮杂青蒿素类似物(美国,1995)、C-16取代青蒿素类似物(泰国,1997)。

(3)青蒿素类化合物的抗疟机理:青蒿素类化合物对疟疾具有高效、速效、低毒的特点。目前为止,发现青蒿素类化合物的抗疟机理主要有3种:

最早的研究发现青蒿素类化合物作用于疟原虫的食物泡膜、限制膜、线粒体膜等膜系结构,阻断虫体摄取营养,使疟原虫较快产生氨基酸饥,迅速形成自噬泡,并不断排出虫体,使疟原虫因丢失大量胞浆而死亡。

青蒿素类化合物结构中的过氧桥被疟原虫体内的二价铁催化,高价的Fe(Ⅳ)=O中间体是由仲碳自由基1经历β裂解形成的,同时还产生了亲电性极强的环氧化物3,3不稳定,很容易被游离的氢氧基进攻发生SN1反应开环,产物为4。其中,Fe(Ⅳ)=O具有金属单氧化酶的特性,可以引起生物大分子的氧化性损伤。3是烷化剂,可通过烷基化作用造成虫体死亡。

在无二价铁存在的条件下,青蒿素化合物仍对疟原虫的半胱氨酸蛋白酶有抑制作用,该酶受抑制可能导致疟原虫的营养供给受影响。此外,青蒿素类化合物能氧化和烷化蛋白质,虽然不能对完整的蛋白质产生作用,但能通过烷化分离红细胞膜蛋白,如血影蛋白、肌动蛋白、甘油醛磷酸脱氧酶及腺苷三磷酸酶等。

4. 展望

疟疾是一种影响范围大且致命的传染病,自从有了合成药物疟疾的危害日益减少,但疟疾药物的开发仍然面临巨大的挑战。

第一,由于疟疾对奎宁的抗药性和奎宁合成的艰难等,奎宁已经退出抗疟的舞台。

第二,氯喹因其安全性好、特异性强,且经济,从20世纪30年代起就一直被用于治疗疟疾,但疟原虫对它的抗药性也显现出来,因而研究者致力于从氯喹的构效关系及药物代谢等方面研制起效快、价格便宜、疗程短的新药。

第三,鉴于目前世界青蒿素药物生产主要依靠我国从天然青蒿中提取,难以满足市场需求,因此加大研究青蒿素的全合成、生物合成及植物组织培养合成,才能实现大规模生产青蒿素。另一方面,仍需进一步改进青蒿素类化合物的溶解性问题,并降低复发率的问题。

第四,开发其他具有抗疟作用的替代性药用植物,如大蒜素、仙鹤草、苦艾等。

(二)抗血吸虫新药研究

自1918年临床上首次用酒石酸锑钾治疗血吸虫病,至80年代早期,先后有锑类、硫杂蒽酮类、硝唑咪、奥杀尼喹、硝摹呋喃类、六氯对二甲苯、敌百虫、毗噻硫酮、吡喹酮和青蒿素等药物应用或试用于治疗血吸虫病,但迄今仍在应用的只有奥杀尼喹和吡喹酮两种。奥杀尼喹仅有抗曼氏血吸虫作用,且易诱导抗性。而吡喹酮不仅对人体5种血吸虫病均有效,而且疗效高、疗程短和不良反应少,故吡喹酮已成为目前治疗各种血吸虫病的首选药物。吡喹酮的有效性基本解决了血吸虫病的化疗问题。但近年来,继实验室成功地诱导曼氏血吸虫产生吡喹酮抗性后,在非洲和南美洲一些壁氏血暖虫病流行区陆续出现了对吡喹酮不敏感地理株、吡喹酮疗效差或治疗无效的异常现象。因此,仍然需要在抗血吸虫新药研究方面进行进一步探讨[翟自立,肖树华. 抗血吸虫新药的研究进展. 中国寄生虫病防治杂志,2001,14(3):229-230,236]。

1. 蒿甲醚和青蒿琥酯

蒿甲醚和青蒿琥酯系我国合成的青蒿素衍生物,均有抗日本血吸虫的作用,且其效果较青蒿素更佳,蒿甲醚和青蒿琥酯杀虫作用的共同特点是对1~3周龄的血吸虫童虫有效,而此期(潜伏期)正好是吡喹酮杀虫作用的低峰期。为此在“八五”和“九五”期间,我国经过大量的动物实验优化绐药方案及现场易感人群试用,将蒿甲醚和青蒿琥酯皆发展为预防或早期治疗日本血吸虫病的药物,实现了药物预防血吸虫病的重大突破。

进一步的研究结果表明,蒿甲醚和青蒿琥酯亦有抗曼氏血吸虫和埃及血吸虫作用,并在非洲的曼氏血吸虫病流行区现场试用,获得满意的效果。如在曼氏血吸虫感染率高达76%的科特迪瓦重度流行区,受试人群每3周服1次蒿甲醚6mg/kg,连服6次的保护率达50%以上,并明显减轻感染度。此外,据报道,在塞内加尔曼氏血吸虫病重度流行区,患者首日服用青蒿琥酯4 mg/kg,以后连续4d每d服用2mg/kg,总剂量为12mg/kg,治后 10周粪检的治愈率达54%,与吡喹酮单剂40mg/kg的效果(63%)相仿。

2. Ro15—5458

9-吖啶满酮腙系瑞土80年代合成的一类新型化合物,Ro15—5458是其中研究较为广泛的一个化合物。小鼠,仓鼠、兔、狒狒、长尾猴和Cebus猴等动物试验结果表明,Ro15—5458具有广谱抗血吸虫作用,即对曼氏血吸虫\埃及血吸虫和日本血吸虫以及不同发育期的血吸虫均有杀灭作用。由于它的疗效好,甚至优于吡喹酮,且有明显的预防作用,所以自其问世以来,一直被认为是一种有希望的抗血吸虫新药。但至令未见有关临床试验资料,推测可能与其具有毒性作用有关。

3. 环孢菌素A

环孢菌素A不仅是临床使用的免疫抑制剂,而且还有广谱抗寄生虫作用。环孢菌素A抗曼氏血吸虫作用的特点是预防作用好,而治疗作用差或无效。无论是感染后或是感染前,甚至感染前100d用药,均显示明显的杀灭童虫作用。距离感染时间愈近用药,预防效果愈好。环孢菌素A这一独特的预防曼氏血吸虫病作用,尤其是远期用药的预防作用,为迄今已知的所有其它抗血吸虫药物所不及。与对曼氏血吸虫作用所不同的是,环孢菌素A预防日本血吸虫病的效果较差,且虫龄越小的日本血吸虫对环孢菌素A越不敏感,表明两种血吸虫之间存在着较大的生物学差异。由于环孢菌素A对人体的免疫抑制特性,故限制了其在血吸虫病流行区现场的使用。血吸虫体内含有环孢菌素A的受体亲环蛋白,探讨亲环蛋白的生理功能是目前研究的热点之一。 

4. 氨辛烷硫代硫酸类化合物

自70 年代,巴西学者首先证实一些氨乙基硫代硫酸类化合物具有一定的抗曼氏血吸虫作用。近年来,为发展抗血吸虫新药的需要,又相继合成与筛选出几种疗效更好的氨辛烷硫代硫酸类衍生物,并对其中一个化合物2的抗曼氏血吸虫 的作用进行了系统研究。发现该药的治疗作用优于预防作用、对奥杀尼喹敏感株和抗性株均有明显的疗效,以及对雌虫的杀灭作用较为强烈等。药物动力学研究结果表明,体内、体外的曼氏血吸虫经该药作用后,虫体内可检测出类似的代谢物,主要是二硫化物,并认为这些二硫化物与虫体的巯基酶发生琉基-二硫键互换反应,可能在药物的杀虫过程中起到重要作用。氨辛烷硫代硫酸类化合物的合成工艺路线较多、简易且成本低廉,若能从中筛选出高效低毒的化合物,用于临床治疗血吸虫病是有一定前景的。

5. 苯并达唑类化合物

苯并达唑类的甲苯达唑、阿苯达唑和噻苯达唑均是临床使用的抗蠕虫药物。1987年,伊拉克学者将甲苯达唑治愈 2例埃及血吸虫病患者的临床结果作了报道后,引起了其它学者的兴趣,并开展了动物试验,以了解甲苯达唑及其类似物阿苯达唑和噻苯达唑的抗曼氏血吸虫作用。结果表明,在上述 3种苯并达唑类药物中,仅噻苯达唑显示有一定的预防作用。进一步的动物试验表明,阿苯达唑亦无抗日本血吸虫的作用。

6. 苯并噻唑类化合物

关于苯并噻唑类化合物的抗丝虫作用已有了诸多报道,在抗血吸虫筛选实验中,发现这类化合物亦具有抗曼氏血吸虫作用,其中以带有氨基硫脲或P氯苄基基团化合物的杀虫作较强,减虫率达83%左右。 

7. 类固醇合成抑制剂

业已证明,血吸虫体内含有昆虫蜕皮类固醇样的物质。 尽管对这种类固醇的确切生理功能及合成过程还不清楚,但作为一个靶部位,一些学者观察了昆虫蜕皮类固醇合成抑制剂烷基胺和烷基酰胺类化合物对曼氏血吸虫的影响。体外试验结果表明,烷基胺类化合物有较强的杀灭曼氏血吸虫特别是雌虫的作用。在所测试的烷基胺化合物中,相同碳链长度的N-乙胺比N.N-二甲基胺的杀伤力强,其中尤以N-乙基十二烷基胺的杀伤力最强,在14μmol/L下,可阻止雌雄虫合抱,47μmol/L时,22h内可杀死所有虫体。类固醇合成抑制剂杀虫作用,尚需动物试验进一步证实。

8. 金属离子螯合剂

作为金属蛋白酶的抑制剂,金属离子螯合剂如铁螯合剂等在发展抗寄生虫新药的研究中正受到越来越多的关注。目前发现,铜、锌与铁等离子的螯合剂菲咯啉具有明显的抗曼氏血吸虫作用。在5μmol/L下,即引起虫体肌肉的明显收缩,及雌虫产卵减少81%。浓度升至150μmol/L时,不但在数秒钟内引起肌肉持续收缩和中止雌虫产卵,而且在 24h内,几乎杀死所有虫体。动物试验证明,感染小鼠经腹腔注射菲咯啉20mg/kgd×4d,于末次用药当天解剖,减虫率达50%以上,若小鼠于感染前2d至感染后30d,每天供给含0.3%非咯啉的饲饵,停药 15d后剖检,减虫率达94%。

9. 血红蛋白酶抑制剂

血吸虫以宿主红细胞作为自身的主要营养来源,而血红蛋白酶在降解血红蛋白的过程中起重要作用,如果此酶被抑制,虫体即可因营养供给障碍而死亡。基于此设想,已筛选出反-环氧琥珀酰肽基类和肽基氟甲酮类化合物等血红蛋白酶的抑制剂,并发现它们在体外、体内均有抗曼氏血吸虫童虫作用。如感染曼氏血吸虫的小鼠于感染早期和(或)感染后2周给予肽基氟甲酮类化合物,可显著减少虫荷和产卵量,并能防止小鼠肝肿大和减轻小鼠的免疫反应。



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1 郑永军

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