点击显示 收起
艾滋病和乙型肝炎是世界范围内威胁人类健康的两大病毒性传染病。据统计，世界上艾滋病和乙肝的感染人数分别达到6千万和3.7亿，每年有100多万人死于艾滋病和110多万人死于乙肝，我国是乙型肝炎高发区，根据卫生部2002年统计资料显示，全国乙型肝炎的患者为277万，是美国的40多倍，年发病人数为95万。约有1.3亿人为乙肝病毒携带者，几乎占全世界总数的一半，年死亡人数约30万。20世纪90年代后我国又进入了艾滋病的高发期，从1994年到现在，将近10年的时间内，每年以40%以上的速度增长，感染人数达100多万，20012002年死亡716例。在抗病毒化学治疗中，长期服用抗病毒药物所引起的耐药性和毒性是亟待解决的问题。因此，基于人体免疫缺损病毒即艾滋病病毒（human immunodeficiency virus，HIV）和乙型肝炎病毒（hunman hepatitis virus，HBV）的抗病毒新药研究具有广阔的市场前景和深刻的社会意义。
为干扰病毒复制关键酶的作用和生物反应，多数抗病毒药物具有核苷类结构，含有核糖环和碱基部分，与天然核苷结构类似，在细胞内被核苷激酶、单磷酸核苷激酶和二磷酸核苷激酶或病毒核苷激酶转化为5’-三磷酸衍生物，后者可作为链终止剂与dNTP竞争掺入到新生DNA链的3’端，阻断cDNA链的延长和合成。但长期服用此类药物引起的耐药性问题一直难以解决［1］。对此类药物的结构修饰包括引入磷酸酯，避开了作为限速步骤的第一步磷酸化反应;再将核糖环打开以确保稳定性;对磷酸酯部分进行修饰。由此发展而来的一系列开环核苷膦化物（Acyclic nucleoside phosphonates，ANP），成为近些年抗病毒药物研究的热点。
1 抗HBV和HIV的药物研究进展
1.1 抗HBV的核苷类药物
HBV是一种嗜肝脱氧核糖核酸病毒，核心颗粒中包含不完全双链DNA和特异聚合酶。HBV感染肝细胞后，不完整的双链DNA进一步形成完整的双链DNA;进入肝细胞核，形成超螺旋共价闭合环状DNA（cccDNA）。cccDNA极为稳定，是病毒DNA的来源，并促使病毒蛋白质合成。以cccDNA为模板产生全长mRNA，再以mRNA为模版在聚合酶作用下逆转录为负链DNA，最后复制成部分双链的环状DNA。这种不完整的双链DNA可以在内质网与抗原蛋白结合，形成新的有感染能力的成熟病毒颗粒释放入血;也可再进入肝细胞核形成cccDNA。如此周而复始。核苷类药物可能从以下步骤起作用:由部分双链的DNA形成cccDNA;由RNA逆转录为负链DNA;以负链DNA复制正链DNA ［2］ 。
目前治疗乙型肝炎的抗病毒药物主要是拉米夫定（化学名称为:2，3-双脱氧-3-硫胞苷），作为一种胞嘧啶核苷类似物，是HBV-DNA聚合酶的有效抑制剂。在治疗慢性乙型肝炎中显示了令人鼓舞的效应。但在长期的单治疗过程中，部分病人的乙型肝炎病毒（HBV）聚合酶基因区的酪氨酸—蛋氨酸—天门冬氨酸—天门冬氨酸基序（tyrosine-methionine-aspartic acid-aspartic acid，YMDD），可产生基因变异，其中编码蛋氨酸的codon550出现核苷酸的替代 ［3］ 。至今已报告有两种常见的变异形式:M550V（伴随L526M）和M550I，对拉米夫定的治疗产生了耐药性 ［4］ 。亚洲的一项研究表明，拉米夫定用药1年YMDD变异的发生率为14% ［5］ 。在中国进行的拉米夫定临床实验结果显示12.1%的患者治疗48周时出现YMDD变异 ［6］ ，当发生YMDD变异时，会出现病情反复，部分病人出现肝炎急性发作，甚至肝功能衰竭而死亡。DNA聚合酶模型研究显示当发生YMDD变异时，氨基酸残基的改变阻碍了拉米夫定的硫原子进入结合袋，将硫原子用较小的杂原子替代或改为开环核苷类，是抗HBV药物开发的方向 ［7］ 。
1.2 抗HIV的药物作用机制
目前治疗艾滋病的药物主要以逆转录酶，蛋白酶为靶点。已批准生产的有7种核苷类逆转录酶抑制剂（NRTI）、3种非核苷类逆转录酶抑制剂（N-NRT1）、7种蛋白酶抑制剂（PI）和一种融合酶抑制剂。由于耐药性问题难以解决，近年来，联合3～4种药物（包括一种蛋白酶抑制剂）的高活性抗逆转录酶病毒联合疗法已成为热点，其中核苷类逆转录酶抑制剂是一类开发较早，应用较多的药物。
HIV-1逆转录酶的功能是由病毒的单链RNA合成双链DNA。此DNA双链螺旋作为前病毒整合入宿主细胞染色体，再经转录成为RNA基因组，建立起病毒自身的蛋白质和酶，新病毒粒子便可穿过细胞膜释放。可见HIV-1逆转录酶是病毒复制过程中的关键所在，因此也是抗HIV-1药物设计的主要靶点。逆转录酶是一个异二聚体（如图1）。 图1（略）它包括P66和P51两个亚单位，P66在空间上类似右手构型，分为五个子域:手指，手掌，拇指，连接部分和核糖核酸酶。在晶体结构研究中，手指和手掌之间可以显示出较大的构象变化，当结合自由核苷酸时，手指向手掌方向弯曲，像我们的右手一样，将模板链和待结合的核苷酸抓于手掌中。P51亚单位与P66前四部分相同，没有核糖核酸酶部分，但由于缺乏模板-引物结合的凹槽，不显示催化活性 ［8］ 。从分子水平看，形成的互补DNA链的3’端羟基在酶和镁离子的作用下对三磷酸脱氧核苷及其类似物的5’磷酸进行亲核进攻，形成磷酸二酯键。完成互补DNA链的合成，然后由核糖核酸酶消化掉模板RNA，进行下一轮合成。应用较多的齐多夫定（AZT），它的结构类似天然的脱氧胸苷，只是3’端的叠氮基替代了脱氧胸苷的羟基，从而终止了DNA链的继续延长和合成［9］。
而核苷类逆转录酶抑制剂引起的的耐药性一直是抗HIV治疗中未曾解决的难题，这是因为病毒逆转录过程中，碱基配对出错率很高，据估计，在HIV基因组的一次复制循环中大约有10个碱基发生改变。逆转录酶中易发生突 变的氨基酸残基靠近活性位点，空间上使结合dNTP的袋状区域缩小，抑制了连有叠氮基的AZT进入结合区，因而形成耐药株，而开环的核苷类药物，由于构象灵活的优势，成为逆转录酶抑制剂研究的新动向。
2 开环核苷膦化物（ANP）及其分类［10］
开环核苷膦化物是一类抗病毒感染的新化合物，由核苷类抗病毒药物的结构修饰发展而来，将核糖环打开，增加了这一部分构象的灵活度，核糖环的氧原子或者保留，或者被其他原子如碳原子取代，形成嘌呤或嘧啶类碱基通过亲脂链与磷酸酯基团连接的骨架结构。作为病毒复制关键酶抑制剂和DNA链终止剂，具备抗病毒谱广，选择性好等优点，并有望解决核苷类抗病毒药的耐药性问题，这类化合物对逆转录酶病毒和DNA病毒都具有很强的抑制作用，是抗病毒核苷类似物研究的新热点。图2（略）
2.1（S）-HPMPA 第一类是以（S）-HPMPA（如图2）（略）
2.2 PME系列以9-（2-磷酸甲氧）乙基为特征的PME系列可看作是第二类ANP，碱基部分主要有腺嘌呤（PMEA），2，6-二氨基嘌呤（PMEDAP），鸟嘌呤（PMEG）三种。这类化合物具备广泛的抗病毒谱。并且都显示出较高的选择性。阿德福韦（PMEA）作为其代表药物，在细胞培养和动物模型中对DNA病毒（HSV-1，HSV-2，VV，HBV等）和逆转录酶病毒（HIV-1，HIV-2，FIV等）都具有很强的抑制作用。
2.3 PMP，FPMP 第三类ANP是以9-（2-磷酸甲氧）丙基或9-［3-氟-2-（磷酸甲氧）］丙基为特点的嘌呤衍生物，选择性抑制逆转录酶病毒和HBV，而对其他的DNA病毒几乎没有作用。口服前药替诺福韦酯（（R）-PMPA DF）已被美国FDA批准用于治疗HIV感染。由此可见，在ANP结构上细小的变化，能够对这类药物的抗病毒活性和抗病毒谱产生重大影响。
3 开环核苷膦化物的作用机制
开环核苷膦化物的抗病毒机制与环状核苷类似物基本一致，都是通过体内或病毒的核苷激酶活化成三磷酸代谢物，进而通过DNA聚合酶和逆转录酶抑制病毒复制。不同 的是环状核苷类似物必须经过三步磷酸化反应，而开环核苷膦化物本身含有磷酰基，省去了第一步限速的磷酸化反应 ［11］ ，因而活性较高。三磷酸核苷类似物可抑制病毒DNA聚合酶或逆转录酶活性，并可与其相应的天然dNTP竞争掺入病毒DNA链，由于不含3’端羟基，终止DNA链的继续延伸。据研究，ANP可抑制DNA聚合酶α、δ和ε ［12］ ，也就是说，ANP是DNA聚合酶α、δ和ε的抑制剂和DNA链终止剂。
4 发展趋势
目前批准生产的ANP有:用于疱疹治疗的阿昔洛韦，更昔洛韦，戊昔洛韦和法昔洛韦，用于乙型肝炎治疗的阿德福韦和用于艾滋病治疗的替诺福韦等。
埃地双酯（PMEA dipivoxil） ［13］ ，即阿德福韦的口服前药，解决了拉米夫定的耐药性问题，它是一种广谱抗病毒药，2002年美国FDA批准用于治疗慢性乙型肝炎。临床试验显示，治疗4周，病人HBV DNA平均减少97%，治疗12周，HBeAg转阴率为20%。体内试验显示，埃地双酯对拉米夫定耐药株依然有活性，经Ⅲ期临床试验，某些患者连续服药6年也未见耐药性的出现。这可能与其体内代谢有关，因为含有磷酰基，进入乙肝病毒感染的细胞内不必经第一步核苷激酶磷酸化为活性代谢物。埃地双酯的缺点是由于提高了血清中肌氨酸酐的水平造成肾毒性较大。
替诺福韦二吡呋酯（tenofovir disoproxil） ［14］ ，是美国FDA最近批准的用于治疗HIV的第一个核苷酸类逆转录酶抑制剂。在临床试验中，治疗24周，300mg剂量组的病人病毒负荷平均下降75%，而安慰剂组无变化，替诺福韦在细胞中的保留时间要长于其他抗逆转录病毒药，只需每日给药一次。它可以与其他抗逆转录病毒药联合应用，目前仅推荐用于曾接受过抗逆转录病毒药物治疗的病人，其主要原因是由于它独特的对抗方式，HIV的突变对许多其他抗病毒药如拉米夫定等耐受，替诺福韦似乎在有这些突变存在下更有效。
MCC478（Ly582563） ［15］ ，为埃地双酯的衍生物，正在进行Ⅲ期临床试验，能特异性抗HBV，对野生型HBV和 YMDD变异株仍有抑制作用，但对YMDD变异株起作用的剂量是野生型的100倍，比较针对野生型HBV的EC50，MCC-478的抗病毒能力是拉米夫定的20倍。耐药性极有可能不会出现，因为大量研究显示它与阿德福韦在这一侧面一致。动物实验的毒性比埃地双酯低，是一种颇有前景的乙肝治疗药物。比较MCC-478和埃地双酯的结构，我们可以得到作此类抗HIV药物结构修饰的有益启示，已有这类化合物构效关系的研究发表 ［16，17］ 。图3 5 构效关系的研究和结构改造大多数腺嘌呤和2，6-二氨基嘌呤类ANP都有抑制淋巴细胞增殖的活性，构效关系研究显示，开环核苷膦化物的N-9位侧链和杂环碱基的类型都是影响活性的主要因素，N-9位连接磷酰甲氧乙基（PME）比磷酰甲氧丙基（PMP）活性好，对DNA复制的完全抑制浓度，PMEA是100μM而PMˉPA要高于1000μM。在PMP系列中，S构型的化合物比R构型的对应体活性高 ［16］。
在CEM细胞中比较PMEG，PMEDAP和PMEA三类ANP的活性，发现它们对DNA合成的IC 50 分别为1，6和25μM。研究发现造成这种差别的原因是它们在细胞内磷酸化的效率不同，对细胞内天然dNTP储蓄量的影响也不同，它们的二磷酸衍生物对DNA聚合酶的亲和力存在很大差别，而在被细胞吸收方面相近。细胞中积累的PMEG二磷酸衍生物（PMEGpp）的量远比PMEDAPpp和PMEApp高得多;它们中的任何一种都将造成细胞内天然dNTP储蓄量增加，而PMEG影响最大;DNA聚合酶对PMEGpp的敏感度大约是PMEDAPpp的2倍，是PMEApp的5倍，而DNA聚合酶中最敏感的聚合酶δ对PMEGpp的敏感度是PMEDAPpp的2倍，是PMEApp的7倍 ［17］。PMEDAPpp对聚合酶δ抑制能力较强，（R）-PMPA对聚合酶α和ε抑制能力微弱，对聚合酶δ也只有中等的抑制作用，HPMPApp对抑制聚合酶ε有较高选择性，碱基N 6 引入取代基，对各类母环的影响不同。N 6 环丙基取代可大大提高PMEDAP和（R）-PMPA的活性;，而降低PMEA，（S）-PMPA和（R）-PMPDAP的活性。N 6 丙烯基和环丙基取代的PMEDAP都有很好的抑制细胞增长的作用，IC 50 分别为0.017和0.036μM，值得一提的是N 6 环丙基取代提高PMEDAP活性，可能是因为在体内脱氨基产生了鸟嘌呤，转化为ANP系列中活性最好的PMEG。而所有的N 6 位取代都可使（S）-PMPA失活 ［16］。
与经典核苷类似物相比较，ANP由于P-C的结构对酶的稳定性好，而且不需经典核苷类似物的第一部磷酸化步骤;但同时也存在不足，ANP磷酸酯部分有两个负电荷，不易通过脂质的细胞膜，核苷类似物通过核苷转运系统或被 动扩散的方式穿过细胞膜，而ANP穿过细胞膜的方式是主动运输，与前者相比效率明显降低，而大部分核苷酸被血液中或细胞表面的非专一性酶水解，生物半衰期较短，因而严重影响了细胞吸收，降低了生物利用度。为解决这一问题，大量磷酸酯的衍生物被合成和研究，包括在磷酸酯部分连接不同的亲脂基团，如取代乙酰基，氨基酸和芳环等。对磷酸酯部分改造的目标化合物应满足 ［18］:（1）对磷酸化酶稳定;（2）易于穿过细胞膜;（3）在细胞内能够释放出活性核苷单磷酸。艾滋病和乙肝是世界范围内威胁人类健康的两大病毒性传染病，每年有100多万人死于艾滋病和110多万人死于乙肝，基于HIV/HBV的抗病毒药物的开发具有广阔的市场前景和深刻的社会意义。目前，有大量的ANP类化合物被合成出来，其中不乏抗病毒活性较高的物质。ANP构效关系的研究对这类化合物的进一步结构改造和优化具有十分重大的意义，但是这方面的研究还尚有不足。
参考文献
1 Jan Balzarini，Lieve Naesens and Erik De Clercq.New antivirals-mechanism of action and resistance development.Current Opinion in Microbiology，1998，1:535-546.
2 Yuen MF，Lai CL.Treatment of chronic hepatitis B，The Lancet Infecˉtious Diseases，2001，1（4）:232-241.
3 Allen MI，Deslauriers M，Andrews CW，et al.Identification and characˉterization of mutations in hepatitis B virus resistant to lamivudine.Lamivudine Clinical Investigation Group.Hepayology，1998，27（6）:1670-1677.
4 BartholomewMM，Jansen RW，Jeffers LJ，et al.Hepatitis-B-virus reˉsistanceto lamivudine given for recurrent infection after orthotopic liver transplantation.Lancet，1997，349（9044）:20-22.
5 Lai CL，LiawYF，LeungNWY，et al.Genotypic resistance to lamivudine in a prospective placebo-controlled multicentre study in Asia of lamivu-dine therapy for chronic hepatitis B infection:incidence，kinetics of emergence and correlation
with disease parameters.Hepatology，1997，26（4）:259A.
6 Yao G.，YMDD mutation in Chinese patients following lamivudine theraˉpy for chronic hepatitisBinfection.Gastroenterol，1999，116:849.
7 Kalyan Das，Xiong XF.，Yang HL，et al.Molecular Modeling and Biochemical Characterization Reveal the Mechanism of Hepatitis B Virus Polymerase Resistance to Lamivudine（3TC）and Emtricitabine（FTC）.Journal of Virology，2001，75（10）:4771-4779.
8 Dipika.M.，William K.，Emory University.Structure of HIV-1Reˉverse Transcriptase Complex.（Website）1998.
9 Huang，H.，Chopra，R.，Verdine，G.，et，al.Structure of a Covaˉlently Trapped Catalytic Complex of HIV-1Reverse Transcriptase:Imˉplications for Drug Resistance.Science，282:1669-1675.
10 J.Balzarini，C.Pannecouque，E.De Clercq，et al.Antiretrovirus Activity of a Novel Class of Acyclic Pyrimidine Nucleoside Phosphoˉnates.Antimicrobial Agents and Chemotherapy，2002，46（7）:2185-2193.
11 Vladimir MP，Lee SH，Michele C，et al.IntracellularMetabolism and Action of Acyclic Nucleoside Phosphonates on DNA Replication.Molecular Pharmacology，1997，52:63-68.
12 Kramata，P，I.Votruba，B.Otova，and A.Holy.Different inhibitoˉry potencies of acyclic phosphonomethoxyalkyl nucleotide analogs toˉward DNA polymerases，and.Mol.Pharmacol，1996，49:1005-1011.
13 Robert P，Eugene Schiff，Eric Yoshida，Adefovir Dipivoxil for the Treatment of Lamivudine-Resistant Hepatitis B Mutants.Hepatoloˉgy，2000，32（1）:129-134.
14 Horatio B.Fung，Elizabeth A.Stone，Frank J.Piacenti，Tenofovir Disoproxil Fumarate:A Nucleotide ReverseTranscriptase Inhibitor for the Treatment of HIV Infection.Clinical Therapeutics，2002，24（10）:1515-1548.
15 Suzane Kioko Ono-Nita，Naoya Kato，Yasushi Shiratori，et al.Novˉel Nucleoside Analogue MCC-478（LY582563）Is Effective against Wild-Type or Lamivudine-Resistant Hepatitis B Virus.Antimicroˉbial Agents And Chemotherapy，2002，46（8）:2602-2605.
16 Zdeneˇk Z′dek，a，Petr Potmeˇsˇil，a and Anton?′n Holy.Cytostatic activity of antiviral acyclic nucleoside phosphonatesin rodent lymphoˉcytes.Toxicology and Applied Pharmacology，2003，192:246-253.
17 Pavel Kramata and Kathleen M.Downey.9-（2-Phosphonylˉmethoxyethyl）Derivatives of Purine Nucleotide Analogs:A Comparison of Their Metabolism and Interaction with Cellular DNA Synthesis.Molecular Pharmacology，199956（6）:1262-1270.
18 Jiri Z.Lipophilic phosphoramidates as antiviral pronucleotides.Biochimica et Biophysica Acta，2002，1587:276-286.
（收稿日期:2004-05-09）
作者单位:200433上海第二军医大学药学院药物化学教研室
（编辑青 山）