Neomycin Sulfate

（接前文）为啥“三抗生素软膏”70多年来一直能保持抗菌活性如此稳定？（上篇） 三. 进化屏障：耐药性为何难以产生 细菌的顽固性以具备抗药性演化能力而著称。但是在本案面前，虽然已经历经70多年，杆菌肽-新霉素-多黏菌素B这三重组合形式依然能保持高效抗菌性能。这种独特的抗性效果可通过进化概率理论与适应度概念来加以解释。 1.三联疗法的数学原理 联合疗法的基础理论建立在概率独立性之上。抗生素耐药性通常通过染色体自发突变或获得可移动遗传元件产生。 设自发突变导致对药物A产生耐药性的概率为P(A)，对药物B为P(B)，对药物C为P(C)。高水平耐药性的典型突变率约为每次细胞分裂的10-7至10-9。    若耐药机制相互独立（正交），单个细菌同时获得三种药物耐药性的概率为各概率的乘积： P(Total) = P(A) x P(B)  x P(C) P(Total)≈ 10-8 x 10-8 x 10-8 = 10-24 考虑到重度感染的伤口可能含有10⁹至10¹⁰个细菌，针对3种抗生素的三联突变体从头产生的统计概率实际上为“零”。这与支撑HAART（高效抗逆转录病毒疗法）治疗HIV及结核病联合化疗成功的数学原理是一样的。 2.正交性与交叉耐药缺失 概率论论证的有效性取决于耐药机制的独立性。若单一突变即可对三种药物同时产生耐药性（交叉耐药），那耐药概率将降至10-8。然而这三类药物的耐药机制存在根本性差别： 👉 杆菌肽耐药性：通常涉及上调ABC转运蛋白（如bcrABC）将药物泵出细胞膜，或过表达十一烯醇激酶以补充C55-P池。 👉 新霉素耐药性：主要通过氨基糖苷类修饰酶（AMEs）介导，如乙酰转移酶（AAC）、磷酸转移酶（APH）和核苷酸转移酶（ANT）对药物进行化学修饰，或通过16S rRNA甲基化实现。 👉 多黏菌素耐药性：通过脂质A靶点的修饰实现。mcr-1等基因或pmrAB系统突变会导致磷酸乙醇胺或阿拉伯糖添加至脂质A，降低其负电荷，从而减弱其与阳离子多黏菌素的亲和力。 由于核糖体修饰酶无法泵出杆菌肽，且脂质A修饰对新霉素无效，故不存在交叉耐药性。该细菌必须获得三种独立的遗传性状才能存活。 3. 抗性的适应代价 生物进化是权衡取舍的过程。获得抗性常会给细菌带来代谢负担或“适应性代价”。 👉 核糖体突变：阻断新霉素结合的突变常降低蛋白质合成效率，导致细菌生长速度慢于野生型菌株。 👉 膜结构改造：为抵抗多黏菌素而改变脂多糖结构，可能削弱外膜屏障功能，使菌体更易受环境压力、宿主免疫肽（防御素）及胆汁盐的侵害。 👉 “三重负担”：若细菌同时获得三种耐药性状，其生长缺陷将极为严重，在无抗生素压力环境下反而会被非耐药菌株淘汰。 4. 新兴威胁：USA300是个别例外现象 尽管耐药性存在高门槛，但并非绝对。MRSA USA300克隆株的出现便是一个警示案例。基因组分析揭示，部分USA300谱系携带多药耐药质粒（如pUSA300-HOU-MR），该质粒串联了不同类别的耐药基因。     具体而言，这些质粒可同时携带： 👉 杆菌肽耐药性：通过bcr操纵子实现 👉 新霉素耐药性：通过氨基糖苷类修饰酶（如aphA、aadE）实现。 研究表明金黄色葡萄球菌的杆菌肽耐药性几乎普遍与同时赋予新霉素耐药性的质粒相关联。这种“共携带”特性突破了独立概率模型——单次 水平基因转移即可使菌株获得三种耐药成分中的两种。但需注意的是，此类质粒通常不携带多黏菌素耐药决定因子。 此外，局部治疗（详见下文）所形成的药物高浓度环境，往往能压制包括上述耐药机制在内的多种抗药性。 四. 局部用药的药代与药效动力学：“通杀”浓度的抑杀特点 局部抗生素的用法与全身治疗存在者根本的差异。全身给药受药物毒性阈值（如肾功能衰竭）限制剂量，而局部应用仅受限于组织耐受性与溶解度，可实现微生物学意义上的天文数字级浓度。 1. 浓度差距：全身性与局部性 市售三联抗生素软膏通常含： 📍杆菌肽：400–500单位/克（约8–10毫克/克）。 📍新霉素：3.5毫克/克。 📍多黏菌素B：5,000–10,000单位/克（约1毫克/克）。 以金黄色葡萄球菌为例说明： 📍新霉素对金黄色葡萄球菌的MIC90值（抑制90%菌株所需浓度）约为17.6µg/mL。 📍软膏中的浓度为3,500 µg/mL。 📍这意味着其治疗比值约为200:1。 对于杆菌肽，耐药菌株的MIC值可能超过512 µg/mL。该软膏提供约10,000 µg/mL的浓度（假设1单位≈20 µg），同样形成巨大的药量储备。 2. 突变预防浓度（MPC） 突变预防浓度（MPC）的概念在此至关重要。最小抑菌浓度仅表明抑制多数菌群生长的浓度阈值。然而在任何大型细菌群体中，可能存在耐药性更强的罕见突变体。MPC是即使单步耐药突变体也无法复制繁殖的浓度阈值。 👉 突变选择窗口（MSW）：危险区域即MIC与MPC之间的浓度区间。在此窗口内，药物虽能杀灭敏感菌株，却允许耐药突变体存活并扩增。 👉 关闭选择窗口：全身性抗生素常因毒性阈值限制而难以维持在MPC以上浓度。局部用药疗法通过输送远超MIC的浓度，可使TAO中的三种药物均突破 的MPC阈值。这就有效地“关闭”了细菌突变体的选择窗口，阻止了耐药亚群体的生存和富集。 3. 吸收与全身安全性 TAO中的化合物的安全性特征关键还在于其缺乏全身吸收特性。 💊杆菌肽：作为大型多肽，其通过完整皮肤甚至有效肉芽组织的吸收不良。 💊新霉素：通过完整皮肤吸收量极微。虽然在表皮缺损区域（如大面积烧伤）吸收可能增加，但常规应用于轻微割伤时血清浓度可忽略不计。 💊多黏菌素B：其对细胞膜脂质的高亲和力使其倾向于局限于创面部位。 这种低吸收特性对于TAO本身具有独特而重要的进化意义：它限制了这三种抗生素在体内的“生态足迹”。口服抗生素会扩散至全身，特别是肠道，这对微生物群中数万亿细菌都施加了选择压力，从而形成巨大的耐药性储备库。而局部使用的TAO仅在伤口部位发挥作用，这种局部化特性极大减少了接触药物的细菌总量，从而降低耐药性产生与扩散的统计概率。 五. 疗效比较：优于单一药物 现有所有临床及体外数据均一致表明，三联组合疗法优于单一药物治疗及消毒剂。 1. 体外疗效 棋盘式梯度试验显示，TAO这一三联组合配方对所有常见创面感染参考菌株均呈现协同抗菌效应。 表1 TAO三种抗生素的协同FIC指数 表中FIC指数解读： 🦠金黄色葡萄球菌：新霉素/杆菌肽=协同 🦠铜绿假单胞菌：杆菌肽/多黏菌素 = 协同 🦠粪肠球菌：新霉素/多黏菌素 = 协同作用 🦠TAO制剂：对所有菌株均呈协同作用（FIC < 1） 这种广谱协同作用确保该软膏能覆盖多种伤口的混合感染特性，其中革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌可能共存并形成生物膜。 2. 临床试验与伤口愈合 多项随机对照试验验证了TAO三抗软膏的临床实用性。 👉水疱创面研究：在污染性水疱创面研究中，使用三联软膏治疗的创面愈合速度显著快于使用消毒剂或未处理的创面（平均9天）。更重要的是，仅三联组合能在16-24小时内有效清除细菌污染（特别是金黄色葡萄球菌）。 👉皮肤磨削术研究：在皮肤磨削术敷料对比中，TAO优于普通纱布，能显著减少瘢痕形成。这不仅归因于其感染预防作用，更因其载体（凡士林）能维持湿润创面环境，加速上皮化过程。 👉小儿脓皮病：一项双盲研究发现，TAO在预防轻微创伤儿童链球菌性脓皮病方面优于安慰剂。TAO组感染率为15%，安慰剂组达47%。 3. 与莫匹罗星的比较 莫匹罗星常被视为局部MRSA治疗的金标准，但其仅为单一疗法（通过抑制异亮氨酰-tRNA合成酶发挥作用）。 👉 耐药性：对莫匹罗星的耐药性呈上升趋势。通过质粒上的mupA基因可获得高水平耐药性。监测研究显示莫匹罗星耐药率持续攀升，尤其在参与去定植方案的MRSA菌株中更为显著。 👉 稳定性：相比之下，TAO成分的耐药率数十年间保持相对稳定。一项1997-2002年美国研究发现，尽管TAO作为非处方药未受管制，其耐药性并未显著增加。 表2：局部制剂比较特征 特征 三抗生素软膏 莫匹罗星 夫西地酸 消毒剂（碘/银） 活性成分 3种（青霉素、新霉素、多黏菌素） 1种 1种 1种（广谱化学制剂） 作用机制 多靶点（细胞壁、核糖体、膜） 蛋白质合成（tRNA） 蛋白质合成（延伸因子G） 非特异性蛋白质变性 作用范围 广谱（革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌） 主要为革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌） 主要为革兰氏阳性菌 广谱 耐药风险 低（需多重靶点作用） 中等/高（MRSA中呈上升趋势） 中等（单点突变） 低 协同效应 是（通透化作用） 否 否 否 六. 当前监测与未来展望 由杆菌肽-新霉素-多黏菌素B组成复方制剂的抗菌效果显著，耐药性70多年来几乎没有大的变化，当然这种结果也不可能是绝对的。当前监测数据既凸显了这一制剂的持续有效性，但也揭示了值得关注的领域。 1. 美国300型耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的挑战 USA300 MRSA克隆株在北美地区的优势地位已展示了一种新的独特挑战。如前所述，该谱系常携带赋予杆菌肽和新霉素双重耐药性的质粒。 👉 体外与体内差异：尽管实验室检测显示这些菌株对药物敏感性降低（高MIC值），但轻微创伤的临床治疗失败率并未出现相应比例的上升。 这种差异可能源于前文所述的具有通杀效果的“高剂量”局部效应——新霉素的局部浓度（3.5 mg/g）仍足以抑制具有256 µg/mL“耐药”MIC值的菌株。 👉 多黏菌素的阻击：这些菌株通常对多黏菌素B不具耐药性。尽管多黏菌素对革兰氏阳性菌活性较弱，但高浓度仍可发挥一定作用，且该组合的冗余性提供了安全保障。 2. 全球差异与监管 细菌对抗生素的耐药模式受当地监管环境显著影响，本文就不再展开讨论，这里仅展示两个国家的数据： 🇦🇺 澳大利亚：TAO仅限处方使用。当地监测数据显示耐药率极低（如MRSA对TAO耐药率仅2%）。 🇺🇸 美国：尽管TAO可非处方购买，但耐药性并未爆发式增长。这表明“仅限局部使用”的场景有效隔离了耐药菌群，避免了系统性抗生素普遍存在的耐药基因扩散问题。 3. 结论：传统科学的胜利 杆菌肽-新霉素-多黏菌素B三联复方制剂印证了联合疗法与局部给药的有效性。其长久生命力并非偶然，而是设计预期的必然结果： 👉 正交性：迫使细菌同时解决三项独立生理难题。 👉 协同效应：通过膜渗透作用增强各组分的杀菌效力。 👉 浓度优势：借助局部给药的物理特性压倒细菌防御机制，彻底封堵突变选择窗口。 当新型全身性抗生素研发管道枯竭之际，这款问世七十年的制剂仍作为全球抗感染武器库中的关键工具，证明在对抗耐药性的战争中，现有抗生素武器的战略性组合可与新药研发同样有效。 参考文献(略) （全文完）

会议推荐 2026第三届中国医药企业项目管理大会 2026第二届中国AI项目管理大会 2026第十五届中国PMO大会 2026第五届中国项目经理大会 本 文 目 录 1、DeepSeek:药物发现简史 2、学术界的药物发现(一) 3、学术界的药物发现(二) 一、DeepSeek:药物发现简史 （结构药理学） 药物发现：从经验探索到理性设计的科学革命 By DeepSeek 一、历史脉络：从巫术到分子医学的范式跃迁 原始经验主义时期  　神农尝百草的传说揭示了早期药物发现的试错本质，天然产物（如奎宁、洋地黄）通过数千年人体实验积累经验，但受限于认知框架，疗效与毒性常被神秘化解释。 　　19世纪前，90%的药物源自植物、矿物或动物组织，《本草纲目》记载的1892种药物中，有327种经现代科学验证具有明确活性成分（Nature Reviews Drug Discovery, 2016）。 化学合成革命    1909年埃尔利希发明砷凡纳明（首个合成抗菌剂），标志着药物开发进入分子设计时代。磺胺类药物（1935）和青霉素（1940）的工业化生产，使人类预期寿命在20世纪增长逾30岁。  　1953年DNA双螺旋结构的发现，推动药物靶点从器官层面（如洋地黄作用于心脏）深入到蛋白质-配体相互作用层面，催生了首个靶向药物伊马替尼（2001）。天然产物的复兴 　　青蒿素（1972）、紫杉醇（1971）等里程碑式发现证明，天然产物仍是药物创新的金矿。现代技术揭示，海洋生物（如芋螺毒素衍生镇痛药齐考诺肽）和极端环境微生物（深海热泉菌次级代谢产物）蕴藏着远超陆地的化学多样性。 二、技术革命：多学科工具重塑研发范式 结构生物学的突破 　　冷冻电镜技术将膜蛋白（如GPCR、离子通道）结构解析分辨率提升至2Å以内，2021年科学家首次捕获mRNA疫苗关键元件——刺突蛋白动态构象（Science, 2021），为广谱抗冠状病毒药物设计提供蓝图。 　　AlphaFold2预测的2.14亿个蛋白质结构，覆盖98.5%人类蛋白质组，使靶点发现效率提升300%（Nature, 2021）。 人工智能驱动的理性设计 　　DeepMind的AlphaFold与Schrödinger的Physics-Informed ML结合，实现从靶点预测到分子生成的闭环。辉瑞Paxlovid（2021）的快速开发，正是通过AI筛选优化蛋白酶抑制剂的类药性，将临床前周期缩短至12个月。 　　生成式AI（如Insilico Medicine的GENTRL）可设计具有特定ADMET特性的分子，成功率较传统HTS提升5倍（Nature Biotechnology, 2022）。 颠覆性技术集群    　PROTAC技术：利用泛素化系统降解“不可成药”靶点（如KRAS突变体），ARV-471（乳腺癌治疗药物）二期临床数据显示，对ER阳性患者客观缓解率达42%（2023 ASCO）。    合成生物学：工程化酵母生产青蒿酸，成本降低至植物提取法的1/10；CRISPR-Cas9定向进化P450酶，实现吗啡生物合成路径重构（Cell, 2023）。三、核心挑战：三重矛盾的动态博弈 耐药性与进化速度的竞赛 　　金黄色葡萄球菌对β-内酰胺类抗生素的耐药性出现仅用2年（1942-1944），而新型抗生素研发平均需10-15年。噬菌体疗法与CRISPR-Cas抗菌剂（如Locus Bioscience的CRISPR-Cas3）或成破局关键。 慢性病治疗的复杂性 　　阿尔茨海默病药物研发失败率高达99.6%，靶向Aβ的单抗（如Aducanumab）虽能清除斑块，却未能逆转认知衰退，提示需转向多靶点调控（如tau蛋白、神经炎症通路联用）。经济模型的可持续性 　　一款新药研发成本已突破26亿美元（JAMA, 2020），而孤儿药（如Zolgensma定价212万美元）的商业逻辑与公共卫生需求间的矛盾，催生出“风险共担”模式（如英国NHS与诺华签订的按疗效付费协议）。 四、未来图景：四个维度的战略转型 从单一靶点到系统调控 　　多组学整合（单细胞测序+空间转录组+代谢流分析）揭示疾病网络枢纽，如肿瘤免疫微环境中的STING通路调控，推动双特异性抗体（如PD-1/TIGIT双抗）开发。 从治疗疾病到预防衰老 Senolytics（清除衰老细胞药物）联合NAD+增强剂（如NR、NMN），在动物实验中延长健康寿命30%。Altos Labs的细胞重编程技术，使老年小鼠视网膜神经细胞年轻化（Nature, 2023）。 从化学分子到数字疗法　　脑机接口（Neuralink）与AI诊断系统（如Paige前列腺癌病理检测平台）的结合，实现闭环治疗：癫痫发作预测精度达90%，并自动触发深部脑刺激。 从地球实验室到深空医学 　　NASA的组织芯片计划模拟火星辐射环境，筛选抗宇宙射线损伤化合物；合成微生物群落（SynBio）用于构建太空站闭环生态系统，生产必需药物前体。五、伦理与愿景：科学精神的人文回归    药物发现的终极目标不是征服死亡，而是拓展人类自由的边界——让个体免于病痛恐惧，让社会摆脱公共卫生危机，让文明在星际迁徙中延续。正如mRNA技术之父Katalin Karikó所言：“我们不是在与自然对抗，而是在解读她的密码，学习与她共舞。”这条道路注定荆棘密布，但每一次分子结构的解析、每一例患者康复的微笑，都在证明：智慧与仁爱，终将照亮通往星辰的征途。 二、学术界的药物发现(一) （原创 众药-ZY 众药-ZY） 学术界的药物发现（一） 1.1 简介 据估计，在2007-2017十年间，全球制药行业的总投资已超过1.36万亿美元，而2020年度支出总额为1810亿美元。2019年底，十大制药公司的市值总额约为1.68万亿美元。 20世纪90年代开始生命科学的巨大进步为研究人员带来了希望，当时研究人员认为新药的发现将很快成为一个工程化的过程。人类基因组测序的完成为开发新靶点带来了大量的机会，研究人员已开始应用大规模化合物库筛选技术、高效小型化高通量筛选技术，以及用于苗头化合物生成的计算机辅助方法，这也表明大量获得针对这些靶点的合理先导化合物应该是可行的。此外，用于预测早期代谢倾向和毒理学风险的细胞模型也促进了类药性的优化。然而，30年后，这些希望并没有变为现实，至少在1989-2013年期间每年获批药物的数量基本保持不变。2019年美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批准了47个新药，其中9个为生物药（图1.1）。一个有趣的现象是，尽管存在将研究重点聚焦在生物药上的趋势，且小分子药物业务也已经消沉了数年，但每年新批准生物药的比例仍然停滞在25%左右。 在2011年发表的一篇文章中，史蒂文斯（Stevens）分析了40年来公共资助组织对当前批准率的贡献。值得注意的是，约有9%的药物（143/1541）是利用公共资金获批的，或至少是由公共资金促成的。如果比较对新分子实体（new molecular entity，NME）的贡献，该比例将上升至13.3%（64/483）。对于获得优先审查的NME，该比例为21.1%（44/209）。在最近的一项研究中，纳亚克（Nayak）等人证实了由大学和临床中心推动的药物研究的重要性。他们全面分析了2008-2019年间FDA批准的药物，并且考虑了专利方面的信息。他们发现在获批的248个NME中，公共资助组织对其中62个（25%）药物做出了重大贡献。令人费解的是，虽然制药企业雇佣了大量的高技能科学家，拥有几乎不设上限的资金、专门用于药物发现的基础设施，但其表现却不尽如人意。为了维持公司未来的发展，开发新药显然是至关重要的任务，而且已批准药物的专利周期明显是非常有限的。因此，考虑到这些因素，制药公司的表现就更加令人意外了。 独立将药物开发上市显然不属于任何学术研究的范畴。据估计，一种药物获批的花费可达13亿美元，其中大部分预算用于临床试验。此外，该过程还需要经验丰富的临床科学家进行监督和管理，优化研究方案，以确保临床试验不会因研究组效力不足或患者群体选择不当而失败。 当临床试验开始时，研究人员已经完成治疗方案的选择，目标和方法也已经确定，从此时起临床医生的任务就是验证提出的假设是否成立。 学者们利用他们的特殊优势为药物发现做出了重要贡献。这些优势可能是基于好奇心、特定领域的专业知识、对意外发现的探索、振奋人心的跟进研究，以及不同学术实验室合作促成的跨学科研究。本章将讨论不同的案例，以说明这些特殊优势是如何实现药物的成功发现的。 1.2 老药新用 一个反映学术研究对药物发现贡献的经典案例是寻找新的适应症。 由于获批的药物是公开上市的，研究人员尤其是临床中心的科学家可以提出假设（基于患者的数据）并以直接的方式进行探索。在这种情况下，老药新用引起了研究人员的广泛关注，因为这种方法非常直接，由此产生的药物已经被证明是安全的、生物体可利用的，并且在人体中具有良好的耐受性。 通常这种方法以仔细观察疾病伴随因素和解释潜在病理学为指导，特别是患有多种疾病患者症状的变化可能为提出新的假设提供有趣的起点。癌症治疗药物利妥昔单抗（Rituximab）的开发就是一个经典案例，本章将对其发现过程进行更详细的讨论。爱德华兹（Edwards）等人提出，自我存留的B淋巴细胞可能在推动类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）和自身免疫性疾病的进展中发挥关键作用。他们推测分化簇20（cluster of differentiation 20，CD20）靶向治疗能够特异性地消耗这一B细胞群体，可能是一个很好的治疗选择。1999年出现了第一例非霍奇金淋巴瘤伴炎性关节病的病例报告。在使用单克隆抗CD20抗体治疗的几周内，研究人员观察到患者的关节疼痛显著改善，三个月后症状几乎消失，每天能够步行5英里。在随后的II期临床研究中，利妥昔单抗在RA患者中的阳性结果进一步得到证实，随后，研究人员开展了进一步的试验，在证明了确切的获益后，利妥昔单抗于2006年被批准与甲氨蝶呤（Methotrexate）联用治疗类风湿性关节炎。 1.2.1 沙利度胺衍生物 另一个案例是使用沙利度胺（Thalidomide）、来那度胺（Lenalidomide）和泊马度胺（Pomalidomide）治疗麻风病和各种癌症。在沙利度胺臭名昭著的悲惨历史之后，几乎任何一家大型制药企业的研究人员都不可能使这一药物起死回生。沙利度胺于1957年在德国获批上市，用于治疗晨吐。由于副作用似乎非常小，也经常用于孕妇止吐。然而，1961年报道了出生缺陷增加的报告，并最终发现与沙利度胺有关。这些缺陷导致婴儿出生时死亡率显著增加、肢体变形、心脏问题和其他毒副作用。据估计，伴有肢体缺陷的婴儿数量超过1万名。沙利度胺从欧洲市场的撤出促使监管部门在注册过程中对药物安全性表征的要求更加严格。如今，致畸性已成为候选化合物被排除在药物优化项目之外的重要限制因素，因为很难保证不会有育龄妇女错误地使用具有致畸性的药物。然而，在撤市仅三年后的1964年，耶路撒冷哈德萨大学（Hadassah University）的雅各布·瑟斯琴（Jacob Sheskin）开始使用沙利度胺治疗患有严重麻风病的患者。在他的原始文献中，瑟斯琴提到将沙利度胺作为镇静药物用于治疗六名麻风病患者，令他惊讶的是所有患者的病情都得到了改善。在最初的研究之后，研究人员进行了多项对比试验，证明了该药物的临床获益——尤其是在快速起效和良好耐受性方面获益明显。沙利度胺最终于1998年被批准用于治疗麻风病。 哈佛医学院儿童医院（Children's Hosiptal at Harvard Medical School）犹大·福克曼（Judah Folkman）实验室的研究进一步表明，沙利度胺能有效抑制成纤维细胞生长因子2（fibroblast growth factor 2）诱导的血管生成，这也解释了其导致肢体缺陷毒性的可能机制。然而，血管生成是肿瘤生长的标志之一，因此研究人员在1997年启动了一项试验，以验证沙利度胺治疗多发性骨髓瘤的疗效。多发性骨髓瘤是一种血液系统癌症，常规化疗无法治愈。该试验最终的应答率为32%。事实上，早在1965年就已经开展了沙利度胺的第一次抗肿瘤临床试验。奥尔森（Olsen）等人采用沙利度胺治疗了21名患有各种类型晚期癌症的患者，但总体上该研究未观察到对肿瘤进展的抑制作用，但三分之一的患者产生了主观缓解。尽管没有观察到肿瘤消退，但作者注意到两名患者快速进展的肿瘤可能暂时得到减缓。有趣的是，其中一人患有多发性骨髓瘤。 1.2.2 化疗：氮芥类化合物 另一个老药新用的案例是癌症化疗（chemotherapy）疗法的建立。芥子气（mustard gas）是第一次世界大战中使用的最致命、最可恶的武器之一，造成了数十万人死亡。在暴露于芥子气士兵的医疗记录中，研究人员发现其血液成分发生了显著变化，尤其是白细胞明显减少。受此启发，化学家米尔顿·温特尼茨（Milton Winternitz）与耶鲁大学（Yale University）的两位药理学家路易斯·古德曼（Louis Goodman）和阿尔弗雷德·吉尔曼（Alfred Gilman）开始开展合作，以研究化学毒剂对癌症治疗的潜在效果（图1.2）。尽管芥子气（sulfur lost，S-lost）挥发性过高不能用于医疗用途，但其相应的氮衍生物氮芥（Mustargen，Chlormethine，N-lost）却更易于给药。其盐酸盐在应用中明显更为安全，使用前用无菌生理盐水溶解即可很容易地制成注射溶液。在小鼠淋巴肉瘤模型中，研究人员观察到肿瘤快速消退，但作者指出所需的剂量与毒性水平接近，且肿瘤仍会复发。第一位患者于1942年8月27日接受了氮芥的治疗，这一天也可被视为化疗的诞生日。J. D.（目前只知道该患者名字的首字母缩写）患有晚期非霍奇金淋巴瘤，已经接受了放疗，但肿瘤仍在扩散，情况非常严重。因此，他自愿参加了这项探索性研究。事实上，每天注射该药物使症状得到扭转，肿瘤迅速消退，患者整体状况明显改善。不幸的是，疗效相对短暂，虽然第二轮治疗仍能缓解肿瘤复发，但第三轮治疗再无法改善患者的病情，最终J. D.在首次给药后的96天死亡。但其寿命可能已经得到了显著延长，这些结果促使研究人员开展了进一步的临床研究。总体而言，尽管效果短暂、治疗窗窄，但研究人员已观察到其对霍奇金病或淋巴肉瘤患者的有益效果。研究人员在第二次世界大战期间就已经开展过初步的研究，但由于化学毒剂被列为调查对象，相关研究成果被视为机密信息，一直推迟到1946年才被公开。结果公开后引发了科学界的一波兴奋，但治疗效果持续时间有限和最终无法治愈癌症的现实导致人们改变了对该药物的看法，并在医学界引发了广泛的悲观情绪。由此产生的癌症不能通过化学药物治愈的观点持续了很多年。尽管如此，这些标志性的成果仍为化疗奠定了基础，研究人员陆续开发了苯丁酸氮芥（Chlorambucil）、美法仑（Melphalan）和环磷酰胺（Cyclophosphamide）（图1.2）等其他烷化剂，这些药物耐受性更好，至今仍在临床使用。值得注意的是，这里需要纠正一个历史错误。二战期间巴里（Bari）的一艘轮船被炸导致船员暴露于芥子气中。人们通常认为这是芥子气抗肿瘤活性和化学疗法发现的开始，但这并不正确。尽管在受影响的士兵中也观察到严重的白细胞减少症，但德国对巴里港船只的空袭发生于1943年12月2日，即患者J. D.接受治疗一年多之后。化学疗法的开发是一个引人入胜的话题，其他文献也进行了详细的综述 。 1.3 普瑞巴林 理查德·西尔弗曼（Richard Silverman）及其同事发现的普瑞巴林（Pregabalin）是学术界成功研发小分子药物的经典案例。γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）在早期被认为是大脑中一种重要的抑制性神经递质（图1.3）。在癫痫、阿尔茨海默症和帕金森病等多种疾病中GABA水平和L-谷氨酸脱羧酶（L-glutamic acid decarboxylase，GAD）活性降低，这一发现激发了研究人员研发提高大脑中GABA水平药物的热情。相关研究策略包括开发GABA受体激动剂、GABA摄取抑制剂和4-氨基丁酸-氧代戊二酸氨基转移酶（4-aminobutyrate-oxo-glutarate aminotransferase）抑制剂。后者是GABA的关键分解代谢酶。1961年，研究人员报道了羟胺对γ-氨基丁酸氨基转移酶（γ-aminobutyric acid aminotransferase，GABA-AT）的抑制作用，1966年报道了氨基氧乙酸对GABA-AT的抑制作用。 研究表明，当时已有的抑制剂选择性不足，因此这种方法很可能不适合治疗人体癫痫。1976年，西尔弗曼在伊利诺伊州西北大学（Northwestern University）建立了自己的实验室，随后他对GABA-AT的生物学产生了兴趣，并着手开发其化学抑制剂。早在1980年他就发表了第一篇关于这一主题的文章。虽然他最初努力的方向是优化不可逆抑制剂，但他未能克服这些化合物固有的非特异性。具体而言，这些化合物对GAD的抑制是主要问题。GAD催化兴奋性神经递质L-谷氨酸转化为抑制性神经递质GABA，抑制GAD会导致GABA浓度降低，这是非常不希望看到的结果。 1988年，在格但斯克大学（Gdansk University）访学的博士后里斯扎德·安德鲁斯基维茨（Riszard Andruskiewicz）加入了西尔弗曼的实验室，从事3-取代GABA和谷氨酸类似物的合成和表征工作。他合成了一系列3-烷基-GABA衍生物（图1.4）、4-甲基GABA和两个对映体，以及七个谷氨酸衍生物。最有趣也令人有点意外的是，他最终发现所有的GABA类似物都是GAD的激活剂。 当时（1989年）他们提交了一份发明专利申请，并与潜在的企业合作伙伴开展了洽谈，最终与普强（Upjohn）制药公司和帕克-戴维斯（Parke-Davis）制药公司开展了合作。然而，活性最强的化合物(R)-3-甲基-GABA并没有表现出令人信服的抗惊厥活性。此时专注于剖析“最优”化合物的普强制药公司结束了与他们的合作，而帕克-戴维斯的科学家测试了所有衍生物，发现其中一个异丁基衍生物具有非常优异的药理作用。这有些令人意外，因为该化合物激活GAD的活性明显弱于相应的甲基衍生物(R/S)-甲基-GABA（浓度为2.5 mM时对GAD的活性为239%，而外消旋异丁基类似物的活性为143%）。在合成两个异丁基对映体后，他们得以确认化合物(S)-3-异丁基-GABA是抗惊厥活性最显著的化合物之一，后来将其命名为普瑞巴林。几年后，帕克-戴维斯的科学家证明了普瑞巴林会与钙离子通道结合，进而诱导钙离子流入神经元。这反而会抑制兴奋性神经元分泌谷氨酸和P物质。此前认为普瑞巴林的药理作用是通过激活GAD来介导的，而事实上并非如此。不过抑制谷氨酸分泌确实会产生相似的药理作用。此外，与其他相关衍生物相比，普瑞巴林的活性更强，可以解释为普瑞巴林是系统L转运体（System L transporter）的底物，能够主动被摄取进入大脑。其他化合物，如GABA，并不是这种转运体的底物，因此其穿透血脑屏障的能力非常有限。 有趣的是，实际上只合成了16个化合物即成功发现了一个候选药物。当然，西尔弗曼实验室合成并表征了更多的化合物，而且该药物的开发又经历了15年时间，直到2004年12月普瑞巴林（LyricaTM）才最终获得FDA的批准。但在项目早期就已经获得最终分子是比较罕见的案例。最初假设的优化原理最终在各个方面都是不正确的，但通过仔细的药理学测试最终确定了普瑞巴林。该案例强调了对意外发现保持开放态度，以及对采取的优化目标和目标值甚至整个优化策略保持灵活性的必要性。 作为与西尔弗曼和格但斯克大学交易的一部分，辉瑞（Pfizer）公司（后来收购了帕克-戴维斯和普强）同意向该大学支付全球销售额4.5%的权益费，同时向理查德·西尔弗曼及其同事安德鲁斯基维茨支付1.5%的权益费。随着普瑞巴林成为真正的重磅炸弹分子，该大学获得了约14亿美元的权益费。 关于学术界药物发现的话题，西尔弗曼在2016年写道：“学术科学家不应受到保持产品可行性要求的限制；因此他们不需要走捷径，可以去探索发散性的观察结果，这可能导致新的发现。正因如此，需要在所有可能获得对社会有价值的新产品的研发领域鼓励学术发明；而工业界应为这些产品的开发提供资金协助。” 参考文献： 《成功药物研发III》, 2023.06, 科学出版社, ISBN: 9787030757630. 三、学术界的药物发现(二) （原创 众药-ZY 众药-ZY） 学术界的药物发现（二） 1.4 基于天然产物的药物发现 1.4.1 抗生素 在学术界发现的药物中，抗生素占据突出地位。青霉素G（Penicillin G）是天然产物研究中最具影响力的发现之一，拯救了数百万人的生命。1928年9月28日，伦敦大学（University of London）的亚历山大·弗莱明（Alexander Fleming）发现一个细菌培养皿被霉菌污染，但霉菌周围的细菌都被杀死了。他推测霉菌产生了一种抗生素物质。他于1929年发表了这一研究成果，但这篇文章和一些后续工作并没有受到太多关注。这种化合物很难分离，直至1942年才获批上市。时至今日，青霉素G仍在世界卫生组织（World Health Organization，WHO）基本药物目录中。1945年，弗莱明、霍华德·弗洛里（Howard Florey）和恩斯特·伯利斯·柴恩（Ernst Boris Chain）共同获得了诺贝尔医学奖。弗莱明对他的科学发现进行了精彩的描述，提醒我们机遇是科学工作的重要组成部分——科学家当然不能完全依赖机遇，但应该为发现并实现机遇而做好准备。 一个人有时会发现自己并未在寻找的东西。当我在1928年9月28日黎明醒来时，我当然没有计划通过发现世界上第一个抗生素或细菌杀手来彻底改变医学界，但我想这正是我所做的。 链霉素（Streptomycin）是世卫组织基本药物清单中的另一抗生素，是由罗格斯大学（Rutgers University）塞尔曼·A·瓦克斯曼（Selman A. Waksman）实验室的博士生艾伯特·沙茨（Albert Schatz）于1943年首次分离获得的，该研究成果于1944年1月1日发表，该化合物很快进入临床研究。瓦克斯曼还发现了其他几种重要的抗生素天然产物，其中包括放线菌素（Actinomycin）和新霉素（Neomycin）。他因“发现了第一种对结核病有效的抗生素链霉素”而独享了1952年的诺贝尔医学奖。然而，其他贡献者尤其是沙茨的作用是否被低估了，一直备受争议。 短杆菌肽S（Gramicidin S）是由俄罗斯微生物学家格奥尔基·弗朗茨维奇·高斯（Georgyi Frantsevitch Gause）和他的妻子于1942年发现的，并于1943年被用来治疗二战中受伤的苏联士兵。短杆菌肽S是由短杆菌（Brevibacillus brevis）产生的，由两个相同的五聚体组成，通过偶联形成环状十肽。 1.4.2 抗肿瘤药物 1.4.2.1 喜树碱 1952年美国国家癌症咨询委员会讨论了化疗治愈癌症的前景并得出结论：现有的知识不足以支持为发现癌症化疗药物而成立一个特定的资助项目。然而，1955年美国国会批准成立了癌症化疗国家服务中心（Cancer Chemotherapy National Service Center，CCNSC），并批准500万美元的相关预算用于癌症研究。其中420万美元专门用于支持特定的研究计划，80万美元用于新化合物的发现和测试。由此成立了专门的分析实验室，并构建了大规模的化合物库。这一努力在1960年得到更有利的推进，当时美国国家癌症研究所（National Cancer Institute，NCI）与美国农业部（US Department of Agriculture，USDA）合作收集植物和动物样本以寻找具有潜在抗癌活性的天然产物。事实证明这一联盟非常富有成效。1960-1981年间共筛选了30000个化合物，并鉴定了许多具有药学意义的结构。在北卡罗来纳州新成立的三角研究园（Research Triangle Park）内，在一个参与该项目的分析实验室中，化学家门罗·艾略特·沃尔（Monroe Elliot Wall）和曼苏克·C·瓦尼（Mansukh C. Wani）报道了一种名为喜树碱（Camptothecin）的天然产物的结构和活性（图1.6）。 喜树碱是从中国喜树（Camptotheca）的树皮和茎中分离获得的，于1971年由斯托克（Stork）和舒尔茨（Schultz）（康奈尔大学，Cornell University）首次通过全合成进行化学衍生化；随后丹尼谢夫斯基（Danishefsky）实验室（匹兹堡大学，University of Pittsburgh）和温特费尔特（Winterfeldt）实验室（汉诺威大学，University of Hanover）完成了其全合成研究。喜树碱是拓扑异构酶I（topoisomerase I）抑制剂，通过与拓扑异构酶-DNA共价复合物结合而发挥作用。该药物对处于有丝分裂S期的细胞具有较大的毒性。尽管喜树碱本身毒性过大不能用作患者的化疗药物，但其是获批药物拓扑替康（Topotecan，HycamtinTM，1996年获批用于治疗卵巢癌，2006年获批用于治疗宫颈癌，2007年获批用于治疗小细胞肺癌）和伊立替康（Irinotecan，CamptosarTM，1996年获批用于治疗结肠癌和小细胞肺癌，是拓扑替康的前药）的重要先导化合物（图1.6）。这两种衍生物都是通过半合成制备的。 1.4.2.2 紫杉醇 紫杉醇（Taxol，图1.7）的发现是该项目的另一个成功案例。1962年，美国农业部植物学家亚瑟·巴克利（Arthur Barclay）在华盛顿州的吉福德·平肖（Gifford Pinchot）国家森林公园远足，为化合物筛选项目收集样本。他在几个月内收集了200多份样本，并选择了太平洋红豆杉的针叶、嫩枝和树皮进行进一步研究。事实证明这是抗癌药物发现的一个重要时刻。 两年后，北卡罗来纳州三角研究园的沃尔（Wall）和瓦尼（Wani）发现，从收集的树皮中获得的提取物具有很好的抗白血病和肿瘤抑制活性。然而，从干燥树皮中的分离产率仅为0.02%。他们联系了美国农业部并要求提供更多材料以开展进一步的研究。1964年9月，巴克利回到吉福德·平肖国家森林公园又重新采集了30磅红豆杉树皮。 长期以来，研究人员就熟知红豆杉本身就具有毒性。红豆杉树的几乎任何部位都具有毒性，而种子周围的红色杯状物尤其危险。据估计，红豆杉针叶的成人致死剂量约为50 g左右。毒性作用是由所含的紫杉碱类生物碱[主要为紫杉碱B（Taxine B）]引起的，此类生物碱会导致心源性休克。这些心脏效应与紫杉醇的主要作用机制不同，可归因于与离子通道的结合。引起毒性的主要成分似乎是紫杉碱B（图1.7）。其结构与紫杉醇相似，含有一个环外亚甲基和一个二甲氨基，但不含氧杂环丁烷和苯甲酰胺结构。然而，也有关于紫杉醇心脏毒副作用的报道。 紫杉醇确实对各种肿瘤细胞模型显示出有趣的活性，并且在不同的白血病模型中表现出中等活性。此外，其在水溶性介质中的溶解度非常低。由于其可获得性非常有限，研究人员起初对该化合物的总体兴趣很低。20世纪70年代初，在NCI引入新的体内测试模型后，这一情况很快发生了改变，研究人员发现紫杉醇在黑色素瘤小鼠模型中具有很强的活性。紫杉醇优秀的药理活性最终使其在1977年被提名为候选药物，随后研究人员对其开展了进一步的研究。 同年，NCI联系了苏珊·班德·霍维茨（Susan Band Horwitz）（叶史瓦大学阿尔伯特爱因斯坦医学院，Albert Einstein College of Medicine，Yeshiva University），并委托她探索紫杉醇的作用机制。霍维茨初步开展了一些试验，发现紫杉醇具有诱导有丝分裂停滞的能力，即使在纳摩尔浓度下也能阻止海拉（HeLa）细胞的复制。此外，她还发现紫杉醇处理过的细胞内部会充满稳定的微管束。在之后的研究中，她确定紫杉醇能有效地稳定微管，进而阻止细胞分裂。这种新作用机制引起了研究人员对紫杉醇的极大兴趣，但获得该化合物的途径非常有限。据估计， 3000棵树的树皮才能分离出1 kg紫杉醇。考虑到剥去树皮后红豆杉树将死亡，且太平洋红豆杉生长缓慢，紫杉醇的开发过程一度放缓。 碳骨架和取代模式极具特色的复杂性，以及对树皮以外的其他来源的明显需求，促使许多学术机构开始寻求紫杉醇的全合成方法。1971年，瓦尼通过核磁共振（nuclear magnetic resonance，NMR）波谱阐明了紫杉醇的结构，霍尔顿（Holton）和尼克劳（Nicolaou）首次报道了两种成功全合成紫杉醇的方法。这种具有挑战性的分子也激发了整个天然产物领域科学家的兴趣。丹尼舍夫斯基、文德尔（Wender）、桑岛（Kuwajima）、向山（Mukaiyama）和高桥（Takahashi）等也陆续报道了其他优化的合成方法。然而，所开发合成方法的复杂性还是限制了其实际应用。 第一批用于临床前和临床研究的药物仍然是从红豆杉中提取得到的。紫杉醇最终于1984年进入治疗卵巢癌的I期和II期临床试验，并于1985年正式启动。但由于化合物供应有限，临床研究被再次延迟。首次试验结果由威廉•麦圭尔（William McGuire）（纽约约翰霍普金斯中心，John Hopkins Center，New York）发表。据报道，紫杉醇对既往治疗无应答的女性癌症患者的初始应答率为30%。1987年，NCI估计需要采集6万磅树皮才能满足II期临床研究的需求，1989年还需要额外6万磅树皮。不断增长的化合物需求使进一步开展临床研究变的不可能。此外，对环境影响的担忧也引发了公众讨论。冒着物种灭绝的风险来支持即便最终成功也可能只会拯救一部分人生命的临床试验是否合适？  此前6500磅的树皮足以支持10年的研究，1962年至1966年期间只需要2000磅树皮就可以提供所需数量的紫杉醇。在发现该化合物27年后的1989年，仍没有合适的途径来获得更大规模的化合物，也没有申请保护该化合物的专利，这些都是亟待解决的问题。NCI最终决定将该项目转让给制药公司以解决后续的开发和商业化问题。因为研究成本高昂，且业界普遍预期开发出有效药物的机会渺茫，当时并没有太多公司对癌症化疗感兴趣。此外，1988年化疗药物仅占全球药物市场份额的不到3%，而心血管药物则超过17%。因此，只有四家公司提出申请。1991年，NCI最终决定根据合作研发协议将开发权转让给百时美施贵宝公司（Bristol Meyers Squibb，BMS）。授予BMS的合同条款非常优惠，BMS不仅获得了紫杉醇的市场独占权，还获得了孤儿药地位，有权使用所有NCI获得的临床数据申请卵巢癌及其他适应症，并与土地管理局和林业局签订了单独的协议，对从公共土地上种植的红豆杉获得的所有产品享有优先购买权。这种独占权引发了一场公开争论，即将公共土地上的植物垄断权授予私营企业，以及对基于公共资助获得数据开发的新抗癌药物给予排他性是否合适。此外，研究人员担心红豆杉可能会被采伐到灭绝的地步，因此于1992年通过了《太平洋红豆杉法案》，该法案对红豆杉的采伐进行了规范，以确保对剩余的太平洋红豆杉资源进行合理的管理，以便在未来仍能供应充足的紫杉醇。1992年，尽管已经使用了20多年，BMS最终获得了“Taxol”的商标，但BMS为该药物命名了新的通用名“paclitaxel”。 研究人员通过综合不同学术实验室的成果，最终解决了化合物供应不足的问题。格林（Greene）、波蒂埃（Potier）及其同事发现英国紫杉（Taxus baccata）的针叶中含有大量的（高达 0.1%）10-脱乙酰基巴卡亭III（10-deacetyl baccatin III）。他们开发了一种选择性硅烷基化C-7羟基然后乙酰化C-10羟基的方法，可以得到光学纯的产物（图1.8）。此外，佛罗里达州立大学（Florida State University）的霍尔顿（Holton）开发了一种高效打开β-内酰胺环的方法，他为该工艺申请了专利，并授权给BMS。BMS因此向佛罗里达州立大学支付了超过4亿美元的特许权使用费。 如今，紫杉醇已成为一种经过广泛研究的癌症治疗药物，2020年3月1日，临床试验网站（clinicaltrials.gov）上共有3875项关于紫杉醇的研究。该药物在美国获批用于治疗乳腺癌、胰腺癌、卵巢癌、卡波西肉瘤和非小细胞肺癌。 紫杉醇的一个局限性是其水溶性非常差，低于0.01 mg/mL。临床使用的静脉注射剂由1:1比例的聚氧乙烯蓖麻油（Cremophor EL）和乙醇混合溶液组成，使用时用葡萄糖溶液或生理盐水稀释。制剂必须使用的高浓度聚氧乙烯蓖麻油并不是应用于人体的理想载体，会产生超敏反应、改变内皮细胞和心肌功能，诱发一些其他副作用。 1992年，化学工程师尼尔·德赛（Neil Desai）和外科医生兼企业家黄馨祥（Patrick Soon Shiong）在NCI组织的一次紫杉醇学术会议上会面，他们推测应该有可能开发出一种耐受性更好的制剂。经过大量优化工作，他们发现紫杉醇与白蛋白结合并制成纳米制剂是一种更安全的替代品，可显著改善紫杉醇的可操作性、溶解性和副作用。 这种白蛋白紫杉醇（AbraxaneTM）可将紫杉醇剂量提高约50%，并且仍然具有更好的耐受性。临床研究显示，随着耐受性的提高应答率也有所提高。这种创新可看作是一种渐进式的创新，特定的方法可以帮助已有治疗方式发挥更大的潜力。研发白蛋白紫杉醇的阿博瑞斯（Abraxis）是一家旨在推动新制剂开发的公司，于2010年以29亿美元的价格被新基（Celgene）制药收购。 个体研究人员的不同贡献对一种药物的总体成功影响巨大，紫杉醇就是一个完美的案例。大量的科学家解决了该药物的分离、结构解析、构效关系（structure–activity relationship，SAR）、获取途径和制剂等方面的困难，贡献了大量的专业经验，最终使紫杉醇成为多种癌症的重要治疗选择。 1.4.2.3 埃博霉素 另一个相关的案例是埃博霉素（Epothilone）的研究工作（图1.9）。埃博霉素最初是由位于不伦瑞克的德国联邦研究中心生物技术研究学会（German Federal Research Center Gesellschaft für Biotechnologische Forschung，GBF）的霍夫勒（Hofle）等人从纤维堆囊菌（Sorangium cellulosum）中分离得到的。该大环内酯类化合物因结构和生物学特性而引起了研究人员的广泛关注。 埃博霉素的16元、高度官能团化的环状骨架激发了许多学术机构的创造力，并推动了新颖的高效合成方法的开发，如用于构建埃博霉素环状骨架的闭环复分解反应。其中塞缪尔·丹尼舍夫斯基（Samuel Danishefsky）、K.C.尼克劳（K.C. Nicolaou）、阿洛伊斯·弗斯特纳（Alois Fürstner）、迪特尔·辛泽（Dieter Schinzer）、埃里克·卡雷拉（Eric Carreira）和约翰·穆尔泽（Johann Mulzer）等著名专家报道的多种全合成研究尤其值得关注。几家公司受到核心结构合成可及性的鼓舞，陆续开始从事先导化合物的优化工作。其中一种衍生物伊沙匹隆（图1.9）由BMS开发，并于2007年获得FDA批准用于治疗晚期或转移性乳腺癌。 1.4.2.4 艾日布林 虽然全合成方法不是生产埃博霉素和紫杉醇衍生物的可行途径，但却是开发另一种微管稳定剂的关键方法。1986年，平田（Hirata）和植村（Uemura）从海绵（Halichondria okadai）中分离出一类新型天然产物。此类化合物由几个氧化状态不同的家族成员组成，并表现出显著的结构复杂性，被命名为软海绵素（Halichondrin）。软海绵素B（Halichondrin B）（图1.10）具有惊人的32个立体中心，并对60种人源肿瘤细胞系显示出优异的细胞毒性（这些细胞系当时是由NCI建立的，因此被称为NCI-60）。更重要的是，软海绵素B在体内肿瘤模型中表现出优异的活性。然而，尽管可在Axinella、Phakellia和Lissodendoryx家族的少数海绵中检测到软海绵素B的存在，但其含量却极为有限，只能从采集的海绵中获得极少量的化合物。由于该化合物具有很高的效价，经估算仅需10 g就足以满足临床开发，而未来的商业化需求在1-5 kg之间。但天然来源的软海绵素B还是非常有限，据估计当时提取一吨采集的Lissodendoryx n.sp.1仅能获得300 mg的软海绵素B，而且研究人员发现Lissodendoryx n.sp.1仅生长在新西兰海岸以南约5平方公里的区域内80-100米深处。而根据1993年的研究估算，Lissodendoryx n.sp.1的总可利用生物量仅为289±90吨。哈佛大学（Harvard University）的岸义人（Yoshoito Kishi）对软海绵素B的独特结构产生了兴趣，并着手开发其合成路线。实际上其最主要的动机并不是药物的抗癌特性，而是在复杂的真实案例中证明Nozaki–Hiyama–Kishi反应的实用性。这是一个巨大的挑战，但岸义人及其同事还是于1992年首次成功完成了全合成，总计包含128步反应。同年，NCI对软海绵素B开展临床前测试。卫材（Eisai）公司决定引进岸义人实验室软海绵素B合成专利，并发起了一项非常独特且富有成果的合作，在该合作中岸义人实验室向卫材的研究人员提供高级中间体。这一共同努力最终确定了几种类似物，并探明了骨架结构的构效关系。在探索过程中研究人员发现，软海绵素B的抗癌活性可能与分子的右侧结构相关，从而可以显著简化分子结构，相关研究最终发现了E7389，即后来的艾日布林（Eribulin）（图1.10）。已有文献详细综述了艾日布林的构效关系和相关合成挑战。通过全合成获得的化合物对于启动临床试验是至关重要的。艾日布林的临床前数据令人非常信服，但由于内部原因卫材当时无法继续研究该化合物，因此决定通过NCI资助的I期临床试验探索该化合物的作用。最终试验结果非常理想，因此卫材决定进一步资助其临床试验。仅在提交申请的八个月后，艾日布林便于2010年11月获得FDA的批准。如今，艾日布林已在50个国家用于晚期转移性乳腺癌的治疗。该药物也成为第一个可提高多线治疗失败的转移性乳腺癌女性患者生存率的药物。 尽管已经对软海绵素B的结构进行了明显的简化，但艾日布林仍然包含19个立体中心，是通过有机合成获得的结构最复杂的化合物之一。岸义人团队和卫材工艺开发团队通过全面的优化显著改进了艾日布林的合成工艺。虽然目前可通过62步合成获得艾日布林，但该药物仍然是迄今为止合成技术最复杂的上市药物。然而，这一记录有可能被打破，因为岸义人团队最近报告了一种更为复杂的候选药物合成工作，该候选药物被称为E7130，最初的合成路线总共需要109步。但他们设法将合成优化至“仅”92步——产率显著提高——并获得了惊人的11 g产物。 E7130目前正在处于临床试验阶段，最终可能成为下一个艾日布林。 1.4.3 青蒿素和蒿甲醚 另一个应用专业知识解决棘手问题的案例是彼得·西伯格（Peter Seeberger）及其同事开发青蒿素（Artemisinin）流动合成工艺的案例（图1.11）。青蒿素的发现本身就是一件激动人心的故事，研究人员已经综述过多次。疟疾是一种具有重大疾病负担的致死性疾病，而青蒿素是治疗疟疾的一种基本药物。据估计，每年有3亿儿童感染疟疾。由于这种锥虫病在发展中国家普遍存在，因此药物生产成本是一个值得考虑的重要问题。但青蒿素半衰期较短，需要相对较高的剂量才能治愈疾病。青蒿素分子骨架复杂，合成具有挑战性。这种倍半萜内过氧化物被认为过于复杂而无法通过全合成方法大量制备。 西伯格小组利用流动化学知识设计并优化了结构相关药物蒿甲醚（Artemether）的流动合成工艺（图1.11），利用原位生成的单线态氧生成过氧化物，然后进行霍克裂解（Hock cleavage）反应。该工艺涉及活化的二氢青蒿素酸的光氧化，并且每批次的平均产量为370 kg，虽然最终生产工艺并没有采用该流动化学工艺，但该方法在未来的应用中仍有很大潜力。这一令人印象深刻的案例证明，对生产工艺的再思考非常重要，简便的光化学可应用于化学工艺中，而利用连续工艺将大规模批量合成转化为稳定的小规模合成也可生产大量的原料药。 1.4.4 卡非佐米 卡非佐米（Carfilzomib）的发现始于定期的文献检索。克雷格·克鲁斯（Craig Crews）（耶鲁大学，Yale University）在寻找新项目时回顾了过去几期的《抗生素杂志》（Journal of Antibiotics）。一种名为环氧霉素（Epoxomicin）的抗生素（图1.12）引起了他的注意。该化合物是从放线菌（Actinomycete）中分离获得的，对各种肿瘤细胞表现出良好的细胞毒活性，并对B16白血病模型显示出体内活性。其立体化学结构尚未确定，但含有暴露的环氧结构，这也是一种相当不寻常的结构特征。该分子实际上是由BMS的日本研究人员发现的，但由于尚不清楚其作用机制，且成药性非常差，最终BMS决定放弃该项目。克鲁斯并不打算启动一个药物发现项目，但他对将新兴的化学生物学技术应用于环氧霉素并揭示其作用模式产生了浓厚的兴趣。他首次完成了该分子的全合成，确定了之前未知的立体化学信息。他利用环氧霉素的生物素衍生物确定其靶点为蛋白酶体（proteasome）。蛋白酶体是一种约1700 kDa的蛋白复合物，存在于所有真核细胞、古细菌及一些原核生物中，负责降解错误折叠的蛋白。关闭蛋白酶体将显著干扰正常细胞生理过程，并会迅速杀死细胞。而高复制率的细胞会更加依赖蛋白酶体的功能，从而为治疗癌症提供了机会。文献中已报道了几种天然和人工合成的蛋白酶体抑制剂，但这些化合物结构中通常包含非常活泼的“弹头部分”，导致化合物的选择性不足。克鲁斯证明，与其他带有反应性“弹头部分”的化合物相比，环氧霉素可选择性地抑制蛋白酶体。随后他与德国马克斯普朗克生物化学研究所（Max Planck Institute for Biochemistry，in Martinsried）的诺贝尔奖获得者罗伯特·胡贝尔（Robert Huber）展开合作，解析了蛋白酶体与环氧霉素复合物的晶体结构。他们发现，环氧霉素会与20S蛋白酶体的N-末端苏氨酸残基发生反应（图1.12），20S蛋白酶体的亲核羟基首先进攻环氧霉素的酮羰基，接着末端氨基与环氧基团发生开环反应形成稳定的吗啉环。这一特异性非常显著，促使克鲁斯及其同事开展了对环氧酶素的进一步改造和衍生化。 参考文献： 《成功药物研发III》, 2023.06, 科学出版社, ISBN: 9787030757630. end 本公众号声明： 1、如您转载本公众号原创内容必须注明出处。 2、本公众号转载的内容是出于传递更多信息之目的，若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者或发布单位与我们联系，我们将及时进行修改或删除处理。 3、本公众号文中部分图片来源于网络，版权归原作者所有，如果侵犯到您的权益，请联系我们删除。 4、本公众号发布的所有内容，并不意味着本公众号赞同其观点或证实其描述。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本公众号证实，对本文全部或者部分内容的真实性、完整性、及时性我们不作任何保证或承诺，请浏览者仅作参考，并请自行核实。