药学学报  2015, Vol. 50 Issue (1): 123-126   PDF    
首创的洛伐他汀和后继药物
郭宗儒    
中国医学科学院药物研究所, 北京 100050
新药创制是复杂的智力活动, 涉及科学研究、技术创造、产品开发和医疗效果等多维科技活动。每个药物都有自身的研发轨迹, 而构建化学结构是最重要的环节, 因为它涵盖了药效、药代、安全性和生物药剂学等性质。本栏目以药物化学视角, 对有代表性的药物的成功构建, 加以剖析和解读。

体内胆固醇合成的基础研究阐明了级联生化反应的全过程, 解析了参与反应的酶系和生成的各个中间体的生化机制, 这为研发降胆固醇药物提供了靶标和评价活性的生物标志物。临床发现血浆中胆固醇水平与发生冠心病的相关性, 成为研发降胆固醇药物的动因和依据。基础和临床研究的互动, 催生了洛伐他汀等HMG-CoA还原酶抑制剂的研发, 彰显了转化医学研发特征。在项目实施上, 科学家根据真菌细胞壁中没有胆固醇而是麦角 甾醇, 作出了“真菌体内有抑制胆固醇生成的物质”的科学假设, 通过实验求证, 在青霉菌中发现了有价值的活性物质, 揭示了继青霉素之后青霉菌对人类的又一重要“贡献”。然而研发洛伐他汀并不顺利, 一波三折的历程折射出科学家的百折不挠、不轻易放弃和在细节处求真知的科学精神, 成功地开辟了治疗心血管疾病的崭新药物领域。后继研发的他汀, 在安全有效性乃至抑酶的热力学特征等多层面上优胜于洛伐他汀, 后来者居上。然而首创药物功不可没。

1 胆固醇与冠心病 1.1 胆固醇是双刃剑 1.1.1

胆固醇的生理功能 胆固醇是脂质性的甾醇化合物,是构成细胞膜的重要成分,赋予膜有稳固的物理状态。胆固醇又是体内合成甾体激素 (性激素和皮质激素等) 的原料。所以,胆固醇是维持细胞和机体正常功能的重要生理物质。胆固醇在水中溶解度很小,为了在血液循环中输送,须呈溶解状态,为此,与作为载体的蛋白相结合,形成两种蛋白颗粒: 低密度脂蛋白 (LDL) 和高密度脂蛋白 (HDL)。 1.1.2 低密度和高密度脂蛋白

LDL含有4 539个氨基酸残基、多种脂肪酸,数种磷脂和大量的胆固醇,分子量大约为300万,颗粒直径为22 nm。其功能是当外周组织需要胆固醇时,LDL将肝脏胆固醇输送到组织细胞处,经胞膜的内吞作用,进入胞浆,释放出胆固醇。血浆中高水平的LDL若沉积在冠状动脉或脑动脉壁上,造成 动脉壁狭窄,成为心血管病和脑卒中的病因。

HDL由于含有较高水平的蛋白质,故名高密度脂蛋白,它的功能与LDL相反,是将组织中的脂肪酸和胆固醇经血液输送到肝脏中,降低体内的脂质水平。HDL颗粒直径8~11 nm,周游于循环中不断地敛集着游离胆固醇。HDL是有利的脂蛋白。提高血液中HDL水平或降低LDL水平,是防治心脑血管疾病的重要环节。

研发他汀类药物的目的是阻断体内合成胆固醇以降低胆固醇水平,但后来证明还降低血液中LDL水平,因而是防治心脑血管疾病的重要药物。 1.1.3 胆固醇的生物合成

人体内的胆固醇30% 是从膳食中摄取来的,70% 是自身由乙酰辅酶A (来自糖和脂肪酸代谢) 经30多个酶催化的级联反应完成的,人们致力于干预不同阶段的酶系,以实现抑制胆固醇生物合成的目标。 1.2 降胆固醇药物靶标HMG-CoA还原酶

早在20世纪初叶,人们就发现了高摄取量的胆固醇和冠心病的发生相互关联,20世纪50年代实验确证了血液中高胆固醇水平与冠心病有密切关系,进而揭示了冠心病是由于低密度脂蛋白胆固醇所致,而高密度脂蛋白胆固醇的作用与其相反。因此将降低血浆中LDL胆固醇作为预示和治疗动脉硬化、心肌梗死和冠心病的生物标记物。

20世纪60年代上市的降胆固醇药曲帕拉醇 (1,triparanol) 抑制链甾醇Δ24还原酶,虽然阻断了胆固醇的合成链但因引起链甾醇的蓄积,导致严重白内障等不良反应,上市不久被停用。

1956年默克公司的Carl Hoffman证明羟基甲基戊二酸 (HMG) 是胆固醇的生物合成中的一个中间体。1959年德国马普研究所发现了HMG-CoA还原酶,其功能是将HMG转变为二羟基甲基戊酸。该催化反应是合成胆固醇的限速步骤。酶被抑制后蓄积的HMG因水溶性经另外代谢途径而分解,不会在体内蓄积产生不良反应,因而HMG-CoA还原酶有望成为研制降胆固醇的药物靶标。 2 先导物来自于天然产物

青霉菌迄今对人类至少有两大贡献: 一是Penicillium nitatum产生抗菌作用的青霉素,另一是Penicillium citrium产生降低胆固醇的美法他汀(2,mevastatin,或称compactin)。20世纪70年代日本三共制药的生物化学家远藤彰研究微生物代谢产物的活性 (Endo A,et al. Proc Natl Acad Sci USA,1980,77: 3957),提出一个假设,即真菌产生次级代谢产物抑制胆固醇合成,用以躲避寄生物的侵袭,真菌的细胞壁含有麦角甾醇,而没有胆固醇,意味着它们可能有抑制胆固醇生成的物质。这个假定促使远藤在6 000份样品中找到3个抑制HMG-CoA还原酶的物质,其中之一是美伐他汀。远藤的工作无疑是开创性的发现。

1978年默克公司的Alberts从Penicillium terreus分离出另一个抑制HMG-CoA还原酶的天然成分,即洛伐他汀 (3,lovastatin,原称mevinolin) (Alberts AW,et al. Proc Natl Acad Sci USA,1980,77: 3957),化学结构与美伐他汀极其相似,萘环上多一个甲基。 3 临床前的反复艰辛研究和洛伐他汀的成功

远藤首先用母鸡研究美伐他汀的降胆固醇活性,给药组母鸡产蛋中胆固醇含量明显下降,继之也确 证了可降低家兔、犬和猴血浆中的胆固醇水平。然而大鼠不能,后来证明是因为美伐他汀可诱导肝细胞产生更多HMG-CoA还原酶的缘故 (Singer II,et al. Proc Natl Acad Sci USA,1988,85: 5264.)。

默克公司大约在同时完成了洛伐他汀的临床前研究,于1980年开始临床试验,I期临床获得很好的结果。然而,听说三共公司的美伐他汀因犬试验有致癌作用而没有进入临床阶段,考虑到这两个候选药物的结构极其相似 (仅差一甲基),默克担心安全性问题,中止了临床试验。时任默克研发部负责人的脂质专家Vagelos不甘心停止洛伐他汀的试验,花费了3年时间,证明洛伐他汀没有致癌性,是安全的候选药物,公司遂于1983年恢复临床研究,首先在小范围的危重病人试验,证明是安全的,明显地降低LDL胆固醇水平,初步获得了成功 (Bilheimer DW,et al. Proc Natl Acad Sci USA,1983,80: 4124)。

经过三期临床试验,证明洛伐他汀可显著地降低LDL水平,每日口服80 mg,可降低LDL 40%,同时也可降低甘油三酯和一定程度地提高HDL水平,有极少的不良反应。FDA于1987年批准洛伐他汀上市。 4 后继的他汀类药物

洛伐他汀开辟了降低血液胆固醇、治疗冠心病的新药物领域,随即有多个他汀药物相继研制成功。默克公司另一个HMG-CoA还原酶抑制剂辛伐他汀 (4,simvastatin),是由洛伐他汀合成而来,侧链上多一甲基,其降血脂效果是洛伐他汀的2.5倍 (Hoffman WF,et al. J Med Chem,1986,29: 849),于1988年上市。三共的美伐他汀虽未能研制成功,但1991年将研发的普伐他汀 (5,pravastatin) 推向市场,普伐他汀是美伐他汀用生物合成方法,在六氢萘环上引入一羟基,且打开内酯环成二羟基戊酸的结构 (Bone EA,et al. J Med Chem,1992,35: 3388)。

构效关系研究表明,3R,5R-二羟基戊酸是必要的药效团,六氢萘环作为结构骨架也提供疏水性结合,但亲脂性片段并不拘泥萘环结构。合成的HMG-CoA

还原酶抑制剂改变了这个多手性中心的骨架,除了3R,5R-二羟基戊酸片段有两个手性碳是必要的外,分子中不再有其他不对称因素,这显然有利于化学合成。成功合成并上市的他汀药物氟伐他汀 (6,fluvastatin) 于1994年上市,是诺华公司研制的 (Connolly PJ,et al. J Med Chem,1993,36: 3674),拜耳公司的西立伐他汀 (7,cerivastatin) 与1998年上市,但不久因不良反应而撤市。辉瑞公司的阿托伐他汀 (8,atorvastatin) 于1997年上市 (Roth BD. Prog Med Chem,2002,40: 1),阿斯利康于2003年上市研制成功瑞舒伐他汀 (9,rosuvastatin) (Park WKC,et al. Bioorg Med Chem Lett,2008,18: 115)。

西立伐他汀是HMG-CoA还原酶的强效抑制剂,降低LDL胆固醇疗效显著,然而少数患者长期服用可见肌酐激酶和转氨酶升高。当与吉非罗齐或环孢素合用时,个别可见横纹肌溶解和肾衰竭,有的甚至致死,因此于2001年8月自世界范围撤消使用。

而阿托伐他汀有非常好的境遇,由于它降低LDL胆固醇的作用和减少心脏病发作的疗效明显强于先它上市的他汀,后来居上地在全世界销量处于绝对的优势地位,21世纪初连续多年年销售额超过百亿美元,是个非常安全有效的药物。

上市较晚的瑞舒伐他汀的活性更高,临床治疗剂量低于阿托伐他汀一倍,有望得到广泛的应用。 5 他汀类药物的热力学特征比较

药物对酶的抑制活性强度一般用形成复合物的离解常数Kd或IC50表示,Kd值与结合自由能ΔG值 呈对数关系,可按照范托夫方程将Kd换算成ΔGKd值越小,ΔG越大 (绝对值)。ΔG是由焓 (ΔH) 和熵 (−T ΔS) 两部分构成。由于焓−熵补偿作用,通常类似物与同一受体的结合能的焓与熵的贡献是不同的。一般认为主要由焓驱动的结合多为特异性相互作用,如氢键、静电作用和范德华力 (形状互补),主要由熵驱动的结合大都为疏水相互作用,结合的特异性较差,疏水片段增大会引起复杂的代谢作用和与受体的杂泛性结合导致不良反应,因而在新药研究中力求增加焓对结合能的贡献。

有趣的是,回顾研发的他汀类药物,如果按照上市的时间排序,大致具有这样的趋势: 新的他汀不仅抑制HMG-CoA还原酶的活性提高,而且焓的贡献逐渐加大,表明新的他汀药物提高了与酶的特异性结合。氟伐他汀、普伐他汀、西立伐他汀、阿托伐他汀和瑞舒伐他汀这5个有代表性的他汀药物,活性强度不断的提高,用等温滴定量热法 (ITC) 测定它们的热力学数值表明,氟伐他汀的结合全是熵的贡献,& lt; span lang="EN-US" style='color:black;letter-spacing:0pt' xml:lang="EN-US">ΔH = 0; 普伐他汀和西立伐他汀虽然有焓的贡献,但以熵占优; 阿托伐他汀的焓与熵的贡献大约各占一半,而瑞舒伐他汀的焓贡献达到76%。瑞舒伐他汀的治疗剂 量最低,5~10 mg/日。表 1列出了5个他汀药物的离解常数和热力学参数。

表 1 他汀药物的离解常数和热力学特征

分析这5个药物的化学结构,上半部的3,5-二羟基戊酸片段是相同的,下半部则与酶形成氢键、范德 华作用以及疏水作用是不同的 (Carbonell T and Freire E. Biochemistry,2005,44: 11741)。X-射线晶体学分 析表明,这些药物分子中所共有的二羟基戊酸结构

片段以相同的方式同酶发生氢键结合或静电相互 作用,而下半部较刚性的疏水片段处于Lα1和Lα10螺旋之间浅表的沟中,共同具有的氟苯基与Arg590相结合。需要强调的是,阿托伐他汀和瑞舒伐他汀不同于其他他汀,各含有酰胺或磺酰胺基团,分别形成一个 (与Ser565) 和两个 (与Ser565和Arg586) 氢 键,因而有较高的ΔH值,图 1列出了阿托伐他汀与瑞舒伐他汀与酶结合的晶体衍射图 (Istvan ES and Deisenhofer J. Science,2001,292:1160; Sarver RW,et al. J Med Chem,2008,51,3804)。

图 1(a) 阿托伐他汀与HMG-CoA还原酶的结合模式: 羰基与Ser565形成氢键; (b) 瑞舒伐他汀的结合模式: 磺酰基的两个氧原子与Ser565和Arg586形成两个氢键

辉瑞公司为研制新的他汀药物,应用结构拼合的方法,将瑞舒伐他汀的磺酰胺片段移植到阿托伐他汀的母核上,代替原来的酰苯胺片段,获得了高活性的抑制剂 (Park WKC,et al. Bioorg Med Chem Lett,2008,18: 1151)。