氟喹諾酮類雜化物的抗菌應用前景

趙 曼，李 治，王 瑾，熊 瑞，來小丹

（中國人民解放軍陸軍第九五八醫院，重慶 400020）

氟喹諾酮類抗菌藥物具有顯著的抗菌活性、優良的藥代動力學特性及較小的副作用［1］，但在人類、動物中均表現出明顯的耐藥性，故迫切需要新的、更有效的藥物來對抗敏感和耐藥病原體。抗菌藥物雜化物為將多個分子或藥效團進行化學連接，形成全新的化合物，其抗菌效果可觀。目前，絕大多數具有應用潛力的新化合物均依賴于對現有藥物的化學修飾。氟喹諾酮類雜化物具有良好的應用前景，通過合成抗菌藥物分子類似物這一標準化途徑，可有效抑制或滅殺具有耐藥性的致病細菌［2］。考慮到臨床用藥中聯合治療比單藥治療能更好地抑制抗菌藥物耐藥性的形成［3-4］，通過雜化往往可能獲得前體化合物所不具備的益處。基于此，采用計算機檢索PubMed（檢索時限為2010 年1 月至2023 年4 月）、中國知網及萬方數據庫（檢索時限為2019 年1 月至2023 年4 月）氟喹諾酮類化合物的關鍵成藥性信息，對氟喹諾酮類抗菌藥物與其他抗菌藥物或非抗菌藥物的雜化設計和抗菌性能進行綜述，以期為其成藥性提供參考。現報道如下。

1 氟喹諾酮類藥物的研發歷程

1962 年，LESHER 在嘗試合成氯喹寧時，偶然發現副產物萘啶酸可用于治療尿路感染，由此衍生出了近千種喹諾酮類抗菌藥物［5-7］。喹諾酮類化合物通常指4-喹諾酮、1H-1，8-萘嘧啶-4-酮及8H-吡啶［2，3-d］嘧啶-5-酮的結構衍生物［8］。自1980年以來，其6-氟類似物的發現進一步催生氟喹諾酮類藥物［6］，結構來源見圖1。

注：*為C - 1、C - 7、C - 8位點均可能有相應取代基修飾。圖1 氟喹諾酮類化合物結構來源Note：* indicates that there may be corresponding substituent modifications at position points C - 1，C - 7，and C - 8.Fig.1 Structural sources of fluoroquinolones

隨著母核碳6位上氟原子的引入，有效改變了小分子的酸度系數，抗菌效價、生物利用度均顯著提升，諾氟沙星、環丙沙星、氧氟沙星、左氧氟沙星等經典藥物迅速嶄露頭角，對DNA 促旋酶和拓撲異構酶Ⅳ發揮有效抑制作用，延緩細菌耐藥性的發生、發展；另外，對革蘭陰性菌株、革蘭陽性菌株和厭氧菌均有效［8］。貝西沙星、非那沙星、德拉沙星、扎泊氧氟沙星等新興代表藥物先后被批準用于臨床治療，但因抗菌藥物的濫用和細菌自身的適應特性等，已對多數細菌產生耐藥，其耐藥機制包括細菌內DNA促旋酶、拓撲異構酶Ⅳ的特定基因突變，質粒干擾，外排泵表達上調，攝取能力下降等［9］。

化學結構修飾是提高活性、改良抗菌譜和抑制耐藥的有效手段。構效關系研究表明，氟喹諾酮類衍生物屬于兩性化合物，其3-氧-4-羧酸核心是DNA 促旋酶的活性結合位點，同時N-1 和C-8 位點的取代基，以及C - 7 位點可能存在的雜環均與作用機制密切相關［10］，而母核的其余位點均可進行化學結構修飾。將氟喹諾酮類化合物與其他分子進行雜化，可產生具有協同抗菌作用、對耐藥細菌起效、毒性降低或其他生物效應的潛在藥物［6，11］。已有雜化物主要分為兩類，一類為氟喹諾酮類與其他抗菌藥物（喹諾酮類［12］、噁唑烷酮類［13］、四環素類［14］、氨基苷類［15-18］、阿奇霉素［19］、磺胺類［20］、噁二唑［21］、甲氧芐啶［22］、利福霉素［23］和異煙肼）雜化；另一類為氟喹諾酮類與非抗菌藥物［腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）競爭性抑制劑［24］、苯并咪唑［25］、黃酮類［26］、1，2，4-苯三唑［27］、糖和靛紅］雜化。各位點涉及的構效關系變化見表1。

表1 氟喹諾酮類化合物母核各位點的構效關系分析［28-33］Tab.1 Structure - activity relationship analysis of the parent nuclei of fluoroquinolones［28-33］

2 氟喹諾酮類雜化物

2.1 抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物

2.1.1 喹諾酮-氟喹諾酮雜化物

研究表明，2 個母分子間的雜化普遍需要連接子，因具體環境而異［34］。抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物最有利的結合方式是在C-7 位點的基團上進行結合，既可顯著提升抗菌潛力和藥代動力學特性，也不會影響其他主要負責與細菌靶酶結合的基團。另外，抗菌藥物雜化物如含有可裂解的連接子，相關不良反應可能由氟喹諾酮類等母核引發［35］。當連接子不可裂解時，可能有助于降低給藥后的副作用。

與單體相比，喹諾酮- 氟喹諾酮等二聚化合物往往展現出全新的生物活性，如改變抗菌譜、增強抗耐藥性等［18，36］。據報道，已篩選具有相同氟喹諾酮核心的氟喹諾酮二聚體或通過C - 7 位點的不同連接子連接的2 種不同氟喹諾酮類抗菌藥物，并確定對系列臨床相關病原體（包括耐藥菌株）的體外抗菌活性［37-38］。所有二聚體均顯示對相應細菌的活性，且大分子量的C-7 位點側鏈使化合物對外排突變體均具有活性。據報道，較小分子量的二聚體及其類似物對DNA 促旋酶產生更強的生化抑制作用［39］，這可能和配體-靶點相互作用的空間因素有關。

2.1.2 噁唑烷酮-氟喹諾酮雜化物

噁唑烷酮類化合物通過抑制蛋白質合成而發揮抗菌活性，其作用機制與氟喹諾酮類不同，兩者的雜化可通過相關藥效團的橋接來實現［13］。現正處于Ⅲ期臨床試驗階段的雜化品種Cadazolid 屬此類，其氟喹諾酮母核部分對厭氧菌艱難梭菌具有顯著活性［40-42］。近年來，LIU等［43］合成一系列包含兩類化合物藥效團結構的雜化物，其中大部分均表現出較陽性藥更強的抗革蘭陽性菌和抗耐藥菌活性，編號為OBP-4 的雜化物對肺炎鏈球菌（S.pneumoniae）、耐左氧氟沙星肺炎鏈球菌（S.agalactiaeR）、糞腸球菌（E.faecalis）、抗萬古霉素腸球菌（VRE）、耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）、金黃色葡萄球菌（S.aureus）、流感嗜血桿菌（H.influenzae）、銅綠假單胞菌（P.Aeruginosa）、大腸桿菌（E.coli）的抑制作用分別為利奈唑胺的32，32，16，8，8，250，32，2，32倍。此外，編號為OBP-4 的雜化物對艱難梭菌也具有優良的抑制活性，最低抑菌濃度（MIC）為0.25～1 μg/mL，且藥代動力學特性較好［44］，其相關作用機制更偏向于蛋白質合成抑制，而非DNA合成抑制，且安全性良好。

2.1.3 四環素-氟喹諾酮雜化物

SRIRAM 等［14］將四環素類代表性藥物（包括四環素、土霉素和米諾環素）與諾氟沙星、洛美沙星、環丙沙星及加替沙星的二級氨基（哌嗪）進行結合，結果具有抗結核活性和抗人類免疫缺陷病毒（HIV）活性，其中米諾環素- 洛美沙星衍生物效價最高，抑制結核分枝桿菌的MIC為0.2 μg/ mL，或可用于治療人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）合并結核分枝桿菌感染。

2.1.4 氨基苷類-氟喹諾酮雜化物

POKROVSKAYA 等［17］合成了系列環丙沙星- 新霉素（氨基苷類）雜化物，大部分化合物的抗菌活性明顯高于新霉素，其中在抗革蘭陰性菌和MRSA活性方面尤為突出。此外，上述雜化物克服了氨基苷類藥物的常見耐藥類型，且可顯著延緩對革蘭陰性菌（大腸桿菌）和革蘭陽性菌（枯草芽孢桿菌）的耐藥性形成。上述雜化物抑制蛋白質翻譯的作用機制往往同新霉素類似或更優，同時對DNA 促旋酶和拓撲異構酶Ⅳ的抑制作用比環丙沙星高出32 倍。GORITYALA 等［16］通過長碳鏈作為連接子，合成了環丙沙星、莫西沙星等與妥布霉素（氨基苷類）的偶聯物發現，部分雜化物對多重耐藥的銅綠假單胞菌表現出較好的抗菌作用，較單體更能破壞膜的穩定性，抑制DNA 促旋酶A 和拓撲異構酶Ⅳ，并抑制外排表達。

2.1.5 噁二唑-氟喹諾酮雜化物

噁二唑母環中的—N=C—O—基團可與氟喹諾酮的相應靶點形成氫鍵相互作用。MERMER 等［45］和GUO 等［46］的研究均表明，兩類藥物的雜合對革蘭陰性菌和MRSA 的抑制效果顯著增強。羅家寶［21］基于藥效團雜化理念，設計了新型的1，3，4-噁二唑-2（3H）-諾氟沙星雜合體，抗菌試驗證實大部分化合物可對革蘭陰性菌、革蘭陽性菌產生活性，且明顯優于母核結構（MIC為0.125～1 μg/mL）。其中，個別小分子甚至能在2 h內有效殺傷金黃色葡萄球菌和大腸桿菌，應用前景較好。

2.1.6 甲氧芐啶-氟喹諾酮雜化物

甲氧芐啶不單獨用于臨床抗菌，但其可采用與氟喹諾酮類化合物雜交策略實現抗菌靶向。甲氧芐啶通過哌嗪環與環丙沙星連接，可對金黃色葡萄球菌（MIC為0.5 μg/mL）和大腸埃希菌（MIC為1 μg/mL）產生良好的抗菌活性，其對環丙沙星耐藥的金黃色葡萄球菌NRS19 的MIC為1 μg/mL［22］。研究證實，雜化物或能徹底逆轉母本化合物對某一菌株的耐藥。同時，與環丙沙星、甲氧芐啶或兩者等摩爾混合物的MIC相比，該化合物對金黃色葡萄球菌NRS19 的MIC顯著降低，表明雜化策略的自身優越性。

2.1.7 其他

利福平和異煙肼殺菌性強、副作用小，是抗結核病的一線用藥。通過連接劑將前者和喹諾酮類分別結合后，形成的化合物CBR - 2092 可增加對金黃色葡萄球菌的抗菌活性，且優于利福平、莫西沙星或利福平與莫西沙星的聯用效果［23］。研究表明，CBR-2092作為RNA聚合酶抑制劑，表現出與利福平相似的效力，可抑制DNA 促旋酶和DNA 拓撲異構酶Ⅳ，并可對已形成喹諾酮類耐藥的變異體保持抑制活性。何晶晶等［47］以異煙肼、靛紅、諾氟沙星為原料，合成的雜化物也表現出較好的抗菌活性（MIC為1.0 μg/ mL，優于諾氟沙星的3.9 μg/mL）。靛紅等吲哚衍生物可抑制假單胞菌的膜囊泡生成［48］，在一定程度上增強諾氟沙星對相關酶的結合活性。

2.2 非抗菌藥物-氟喹諾酮類雜化物

2.2.1 ATP 競爭性抑制劑-氟喹諾酮雜化物

DURCIK 等［24］設計并合成了環丙沙星與ATP 競爭性抑制劑連接的新型雜化物，可與DNA旋轉酶的GyrA-和GyrB - 結合位點相互作用，且對大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌的抗菌活性良好。在無大量外排的情況下，部分雜化物甚至可延遲或阻止細菌耐藥性形成。

2.2.2 黃酮-氟喹諾酮雜化物

黃酮類化合物柚皮素可與氟喹諾酮類形成雜化。研究表明，環丙沙星和柚皮素的雜合對MRSA（MIC為- 0.29 μg/ mL）、大腸埃希菌（MIC為- 0.71 μg/ mL）和兩性霉素B耐藥的白色念珠菌（MIC為-0.14 μg/mL）的抗菌活性最強［26］，表明抑制DNA 促旋酶（環丙沙星特有機制）和外排泵（柚皮素特有機制）的雙向作用可通過雜化來實現［24］。

2.2.3 1，2，4-苯三唑-氟喹諾酮雜化物

1，2，4- 苯三唑是許多小分子藥物中常見的藥效基團，其衍生物抗菌活性顯著。近年來，研究人員通過將兩類化合物結合，獲得比母體化合物更好的抑菌/殺菌活性［21］。系列新型克林沙星-1，2，4-苯三唑雜化物顯示出抗菌活性，與氯霉素、克林沙星和氟康唑相比，大多數化合物對試驗菌株（革蘭陽性菌、革蘭陰性菌和真菌）顯示出相似或更好的活性［49］。此外，克林沙星-1，2，4-苯三唑類藥物對MRSA 的療效優于克林沙星。ABURAHAMA 等［27］報道，環丙沙星- 1，2，4 - 苯三唑雜化物的抗真菌活性顯著，MIC為10.23 μg/mL，與伊曲康唑（MIC為11.22 μg/mL）相當。

2.2.4 糖-氟喹諾酮雜化物

糖與環丙沙星的雜交可能提供更有效的候選物質［50］。JUNG 等［51］合成了8 種新型糖- 氟喹諾酮雜化物，其中6 種為環丙沙星雜化物，對所有雜化物進行抗菌藥物敏感性評估發現，在糖和氟喹諾酮間無連接子的雜化物比有連接子的相應雜化物活性更高；葡萄糖和半乳糖的環丙沙星綴合物表現出與母體環丙沙星相當的活性，且葡萄糖雜化物的活性略高于相應的半乳糖類似物，與丙基連接的綴合物一致［51-52］。

2.2.5 靛紅-氟喹諾酮雜化物

靛紅（1H-吲哚-2，3-二酮）是重要的染料和眾多醫藥中間體，其衍生物也具有多種藥理學性質［53-54］。臨床治療中，靛紅- 氟喹諾酮雜化物抑制或根除多種細菌感染疾病的潛力突出，成藥性可能較大。PANDEYA 等［55］評估了4 個靛紅- 環丙沙星/ 洛美沙星雜化物對9種常見菌的影響，發現均表現出良好的抗菌活性（MIC為0.10～2.50 μg/mL），與環丙沙星、洛美沙星的抗菌效價相當。此外，連接劑對活性的影響同樣顯著，對抗菌活性的貢獻順序為1，2，3-三唑基>亞甲基>乙烯基>二甘醇基>乙酰基［56］。

3 結語

氟喹諾酮類雜化物具有高效價及延緩抗菌藥物耐藥性發展速度的抗菌活性。且其雜化物合成相對容易，大量的潛在衍生物具有開發可能。

以氟喹諾酮類化合物為母核設計雜化小分子時，必須充分考慮潛在副作用或不良反應。氟喹諾酮類最常見的副作用與肌肉骨骼和周圍神經系統（如肌腱炎、肌腱斷裂、肌無力、肌肉疼痛、關節疼痛、關節腫脹）、中樞神經系統（如焦慮、抑郁、幻覺、意識錯亂），以及其他身體系統（如重癥肌無力惡化、皮疹、曬傷、心跳異常、腹瀉）相關［57-59］。此外，上述雜化策略延緩了耐藥性的形成，臨床應用中可能遭遇耐藥瓶頸。

多年來，因缺乏有效對抗抗菌藥物耐藥細菌的藥物，導致全球公共衛生問題持續惡化［60-61］。2019 年，通過對全球204 個國家和地區的抗菌藥物耐藥相關病例分析發現，約有127 萬人直接死于抗菌藥物耐藥，另有495萬人死因與抗菌藥物耐藥相關［62-63］。

臨床常用喹諾酮類化合物治療各種細菌感染，包括上、下呼吸道感染，部分皮膚、骨骼、軟組織感染，社區獲得性肺炎等，與其他抗菌藥物或活性化合物雜化時，可能展現出優異的抗菌效果，特別是對多重耐藥細菌菌株的作用。大量試驗證實，雜化策略可通過增加膜的通透性、減少細菌細胞外排、抑制蛋白合成來擴大抗菌活性，并延緩耐藥性形成。目前，多數氟喹諾酮類雜化物正處于臨床試驗階段，少數進入Ⅲ期臨床試驗階段。標準化合成新型抗菌藥的策略可為對抗細菌耐藥性帶來巨大的潛在價值，但以氟喹諾酮類化合物為核心的雜化研究仍未充分開展，仍有待后續深入研究。