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氰基之后是硼酸？有机硼酸药物综述

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2024-11-05 14:40

‍抗SARS-CoV-2病毒药物Paxlovid的一个重要特性，在于它的抗病毒活性拟肽nirmatrelvir中含有一个氰基。正是这个关键的氰基，在nirmatrelvir与受体蛋白酶MPro 通过非共价作用结合的情况下，与这个半胱氨酸蛋白酶上关键的Cys145 残基发生共价反应，氰基与巯基之间形成硫代亚胺酸酯，实现了对这个致病关键蛋白酶的共价可逆抑制，从而阻断了SARS-CoV-2病毒感染宿主细胞，以及病毒复制的过程。

相信Paxlovid的成功，将会进一步激发人们在开发抗病毒、抗生素以及抗肿瘤药物中，对于共价药物的关注和热情。然而除了在Paxlovid中起效的氰基之外，有机硼酸（boronic acid）同样是一个具有很大开发和利用价值的共价药物亲电弹头。

在生理 pH 值下，硼在其稳定的中性sp2 杂化形式下有一个空的p轨道，可以很容易地接受电子对。这使得硼具有很强的亲电性，使其可以充当路易斯酸（Lewis Acid）并在接受电子对时转化为阴离子sp3 杂化形式。[1] 由于硼的这种化学性质，含硼化合物可能具有明显亲电性，可以作为亲电试剂接受很多亲核基团的进攻，产生新的共价键。

因此有机硼酸类化合物（boronic acid）是一类重要的共价药物先导物，硼酸基团可以在这类药物中充当关键的“弹头”（warhead）角色。所谓的有机硼酸药物，指的是含有R-B(OH)2 结构的化合物。如果羟基上的氢被烷基官能团取代，那么形成的衍生物便为有机硼酸酯。

自然界中的硼酸化合物

自然界中很少有结构中含有硼的化合物。这些包括肽类抗生素，borophycin、aplasmomycin、tartolon B 和boromycin。[2] 它们大多是抗生素类的化学物质。

Boromycin

Boromycin 是第一个被发现含有元素硼的天然产物。从化学结构上看，boromycin属于聚醚大环内酯类抗生素（polyether-macrolide antibiotics）。它最初是从抗生素链霉菌中分离出来的。它对大多数革兰氏阳性菌有效，但对革兰氏阴性菌无效。Boromycin通过影响细胞质膜来杀死细菌，导致细胞中钾离子的流失。最近的研究表明硼霉素具有强大的抗 HIV活性。

Tartrolon B

Tartrolon是从粘细菌 Sorangium cellulosum So ce 678 菌株的培养液中分离出新的抗生素。这些抗生素对革兰氏阳性细菌和哺乳动物细胞具有活性。它们被命名为 tartrolon A 和 B。Tartrolon B 含有一个硼原子，它是一种含硼的 C2-对称大二内酯，在结构上与Boromycin，aplasmomycin和borophycin相关。与这些二内酯类似，tartrolon B是革兰氏阳性菌的抑制剂，具有广谱抗生素。Tartrolon B的硼结合区与borophycin和 aplasmomycin 的硼结合区相同。

Aplasmomycin

Aplasmomycin 是一种从链霉菌中分离出来的具有抗疟活性的抗生素。[3] 它也具有大环二内酯的结构。Aplasmomycin 对革兰氏阳性菌具有抗菌活性。

FDA批准的含硼化合物

虽然自然界中存在的含硼化合物并不丰富，无法给药物设计者提供大量的天然化合物参考，但硼化学在有机合成领域却是大名鼎鼎，最突出的代表莫过于荣获2010年诺贝尔化学奖的Suzuki-Miyaura反应。它为C-C键的合成打开了一扇崭新的大门。

得益于有机硼化学的发展，大量含硼化合物不断作为药物先导物被合成并投入临床研究。至少5种此类化合物已被FDA批准上市：

Bortezomib（Velcade）

Bortezomib(硼替佐米) 是一种拟二肽硼酸衍生物，在功能上属于蛋白酶抑制剂，用于治疗多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤。[4] 硼替佐米于1995年首次合成。2003年5月，硼替佐米成为第一个获得FDA批准的抗癌蛋白酶抑制剂，商品名为VELCADE。

Bortezomib 靶向26S 蛋白酶，后者是一种蛋白质复合物，可降解泛素-蛋白酶途径中的泛素化蛋白质。可逆抑制26S 蛋白酶，可以导致细胞周期的阻滞和癌细胞凋亡，这被认为是硼替佐米的主要作用机制。[5] 然而硼替佐米的抗癌活性可能涉及多种机制。[4]

除了已经上市的Velcade之外，bortezomib正在接受I、II、III、IV期临床试验，以研究它在治疗白血病、重症肌无力、系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎和实体瘤领域的功效。[6]

Tavaborole (Kerydin)

Tavaborale （他伐硼罗，商品名Kerydin）是一种新型硼基局部抗真菌药物，用于治疗甲癣，这是一种由红色毛癣菌或须癣毛癣菌感染引起的指甲和甲床真菌感染。Tavaborole 通过抑制亮氨酰-tRNA 合成酶（ LeuRS）起作用，LeuRS 是蛋白质合成，以及催化 L-亮氨酸与 tRNA(Leu)的 ATP -依赖性偶联所需的必需真菌酶。

Ixazomib（Ninlaro）

Ixazomib 是第二代蛋白酶抑制剂，于2015 年 11 月得到了FDA批准，也是 FDA 批准的第一个口服蛋白酶抑制剂，用于联合其他 2 种疗法（来那度胺lenalidomide和地塞米松dexamethasone）治疗多发性骨髓瘤。它被发现在控制骨髓瘤生长和预防骨质流失方面与硼替佐米（第一个批准用于多发性骨髓瘤治疗的蛋白酶抑制剂）具有相似的功效。

Ixazomib 是一种 N 封端的二肽基亮氨酸硼酸，可逆地抑制 20S 蛋白酶体的 CT-L 蛋白水解(β5) 位点。在较高浓度下，ixazomib 似乎还抑制β1 和 β2 亚基的蛋白水解，并诱导泛素化蛋白质的积累。Ixazomib citrate 由 Takeda Pharmaceuticals 以商品名 Ninlaro 销售，Ninlaro 是一种前药，给药后会迅速转化为其活性代谢物 ixazomib（图1）。

图1. Ixazomib citrate与Ixazomib 的化学结构以及转化。

Crisaborole（Eucrisa）

Crisaborole （克立硼罗）是一种氧硼罗（oxaborole）类化合物，于 2016 年 12 月 14 日获得 FDA 批准，名称为 Eucrisa。它是用于轻度至中度特应性皮炎的局部治疗药物。这种非甾体药物可有效改善 2 岁及以上患者的疾病严重程度、降低感染风险以及减轻症状和体征。

它减少了皮肤的局部炎症，并以良好的安全性防止了疾病的进一步恶化。它的结构包含一个硼原子，有助于渗透皮肤并结合磷酸二酯酶 4 的双金属中心。它目前正在开发作为银屑病的局部治疗。

Vaborbactam（Vabomere）

Vaborbactam 是一种基于环硼酸药效团的β-内酰胺酶抑制剂（β-lactamase inhibitor）。[7] 它已用于研究不同程度的肾功能缺陷受试者的细菌感染治疗。2017 年 8 月，FDA 批准了一种商品名为 Vabomere ® 的联合抗菌疗法，用于治疗成人复杂性尿路感染 (cUTI) 患者。

Vabomere ® 由 vaborbactam 和美罗培南Meropenem组成（很显然，Vabomere ® 的词源正是它的两个活性物质vaborbactam和meropenem），用于静脉内给药。Vaborbactam 被添加到治疗中，通过抑制目标微生物表达的丝氨酸 β-内酰胺酶，减少美罗培南降解的程度，起到药代动力学增强剂的功效。

硼基药物的应用领域

从上市的五种有机硼酸或硼酸酯药物，以及天然含硼化合物的功效来看，不难发现它们大多应用在抗生素、抗病毒和抗癌领域，这几个方面的确是硼酸类药物的主要领用领域，总结来看，该类药物的已开发和潜在的价值在于：

抗癌药物

如前所述，Bortezomib是第一种被 FDA 批准用于治疗多发性骨髓瘤的硼酸药物，几年后 Ixazomib 也紧随其后作为肿瘤治疗剂上市。这些批准导致了硼酸药物研究热情的高涨。此外，由于脱靶效应和对Bortezomib的耐药性发展，[8] 对硼酸类蛋白酶抑制剂的研究仍在继续。

抗病毒药物

病毒蛋白酶也是硼基抑制剂的常见生物靶标，例如丙型肝炎病毒(HCV) 的 NS3 蛋白酶。尽管存在针对HCV NS3 丝氨酸蛋白酶的获批药物，但研究已经发现，抑制剂可以利用活性位点中的催化丝氨酸，用硼酸部分取代已获批药物的酮酰（α-keto amide）部分，充当新型的共价药物亲电弹头。例如两款上市的抗HCV药物telaprevir 和 boceprevir，就接受了硼酸替换的修饰(图2)。[9]

图2. HCV药物Teleprevir的硼酸替换。

最近用硼酸抑制病毒 NS3 蛋白酶的例子包括黄病毒，如登革热病毒(DV) 和寨卡病毒。[10]

另外，HIV天冬氨酸蛋白酶最近被一种芳香族硼酸靶向，表现出亚皮摩尔活性（图 3），比其先前发表的羧酸衍生物和已批准的HIV蛋白酶抑制剂达芦那韦（Darunavir）强两个数量级。[11]

图3. 抗HIV硼酸型天门冬氨酸蛋白酶抑制剂化学结构。

抗生素、抗真菌、寄生虫药物

硼酸已广泛用于针对真菌、细菌和寄生虫感染的药物发现研究。有些药物已经上市，另一些在不同的临床阶段。细菌酶 β-内酰胺酶也是硼酸药物的靶标，例如获批药物 Vaborbactam。

其它适应症药物

除了作为抗癌和抗感染疗法外，硼酸药物还有许多其他应用。例如，通过硼酸修饰姜黄素（一种已知的淀粉样蛋白-β (Aβ) 聚集抑制剂），所衍生的药物先导物具有抗阿尔茨海默氏症的潜力（图4）。

图4. Curcumin的硼酸修饰。

经过 SAR 研究后，发现该化合物不仅是一种与姜黄素同级的强效 Aβ 聚集抑制剂，而且还表现出良好的抗氧化活性。[12]

上文提到的Crisaborole克立硼罗，是一种磷酸二酯酶 4 (PDE4)抑制剂，除了应用于皮炎的治疗之外，还可用于治疗轻度至中度湿疹。[13]

有机硼酸在药物设计中的应用

生物电子等排体

生物电子等排体是药物设计中的重要概念，可以使用生物电子等排体替换其对应的基团，在药效学或药代动力学方面获取优化的特征。有机硼酸是羧酸的生物电子等排体，它们的结构相似，硼酸在生理pH值下是稳定的，因此可以替换羧基改性原来的分子。

硼酸具有较高的 pK a （因此酸性较弱），因此在生理 pH 值下可以保持不电离的状态，能够产生与羧酸不同的物理化学性质。除此之外，核苷中的磷酸基团，虽然在结构上不像羧酸那样与硼酸相似，但也已被硼酸取代以研究核苷。

改善药代动力学特征

添加硼或用含硼基团取代某些官能团，会影响药物分子的logP和logD，进而影响多种药代动力学特性。[14] 比如利用硼酸作为酚基的电子等排体提高药物溶解度。[15]

提高药效

图3中已经提及了硼酸替代羧酸显著提高药效的例子。在另一项研究中，研究人员用硼酸代替羧酸，旨在提高自分泌运动因子抑制剂的效力。[16] 他们认为，虽然羧酸部分可以与亲核苏氨酸形成氢键，但硼酸可以作为亲电试剂可逆地阻断酶的活性。

在一项研究中，科学家将有机硼酸结构，引入寨卡病毒、西尼罗河病毒和登革热病毒蛋白酶的二肽抑制剂中，替代母体分子中的羧酸或酰胺基团，所得到的boronic acid抑制剂（图5），其亲和力相对于修饰前增加了一千倍之多。[17]

图5. 硼酸基寨卡病毒、西尼罗河病毒和登革热病毒蛋白酶二肽抑制剂。

利用硼酸的亲电性

上文已经提及，有机硼酸是一个亲电化合物，可以接受很多亲核试剂的进攻，产生新的共价化合物，这种特性也是有机硼酸在药物设计中最吸引人的地方。Paxlovid中的抗病毒拟肽nirmatrelvir，就是一款共价药物的蛋白酶抑制剂，通过它P1’位的氰基，与靶向蛋白MPRO 上的关键Cys145 作用，实现对这个蛋白酶的共价可逆抑制作用。

文章开篇出提及，硼原子由于具有空的2p电子轨道，因此可以容纳其它亲电基团的孤对电子，产生带有负电荷的硼离子，并形成新的硼-杂原子化学键。通过这种手段实现对靶向受体的可逆共价结合。因此含有硼酸基团的新药正在不断被设计出来，加入了这个共价药物的大家庭之中。

共价硼酸药物的化学机理

上文提到了，硼具有空2p电子轨道，因此硼酸是一个亲电基团，可以与受体上的亲核基团之间发生共价反应，产生加合物（图6）。之所以将这种共价结合成为可逆过程，是因为形成的丝氨酸-硼酸盐加合物，可以在酸性条件下水解，重新释放硼酸。这个过程的发生是因为硼酸盐的氧原子在酸性条件下被质子化，产生了不稳定的Oxonium， Oxonium具有极强的拉电子效应，因此导致了B-O键的高度极化而断裂，重新形成了羟基和有机硼酸，实现了硼酸盐的酸解（图6）。

图6. 有机硼酸与丝氨酸的共价反应，以及硼酸盐borate的水解过程。

除了与羟基反应之外，硼酸和硼酸酯还是很好的亲二醇体，可以和很多糖基发生共价反应，实现对于糖蛋白的结合和抑制效应。

除了单纯的boronic acid 结构之外，研究人员也尝试将醛羰基或者酮羰基与硼酸结构结合在一个分子内，衍生出一种新颖的共价药物先导物。我们知道，醛、酮羰基与硼酸都是亲电基团，因此可以共存在同一个分子中。受体上的亲核底物，例如氨基，当其接近这种含有两个亲电基团的药物分子时，会介导分子内的环化反应。

其可能的机理是，氨基首先与醛酮羰基反应，产生亚胺，然后亚胺分子内亲核进攻硼酸，完成闭环反应，产生五元或者六元环产物。这个过程的动力在于分子内闭环反应，产生稳定的五元环azaborole-2-diol或六元环diazaborinin-2-ol 叶立德产物（图7）。这种分子设计也代表了硼酸类药物开发的一个重要类型。

图7. 含临近羰基结构的芳香硼酸共价结合蛋白氨基的示意图。

— 总结 —

虽然自然界中含硼的化合物不多，没有能够给人们奉献丰富的药物设计参照，虽然含硼药物的开发相对于其它传统药物较为滞后，但共价药物的突飞猛进却给了含硼类药物，尤其是有机硼酸（boronic acid）药物一个实现飞跃的舞台。硼替佐米获批后，一干硼酸药物已经或正在登上市场。

由于其亲电性，常用作可逆共价弹头结合到拟肽分子中以抑制蛋白酶。硼酸和硼酸酯，也可以作为生物电子等排体，替代羧基或者磷酸基，用于药物活性或药代动力学改进的目的。Paxlovid的成功，突出了氰基作为共价药物的亲电弹头的价值，而硼酸在这方面的功效，有可能在未来的抗病毒或者抗肿瘤药物中得到进一步的实现。

参考文献：（上下滑动查看更多）

[1] Lesnikowski, Z.J. Challenges and Opportunities for the Application of Boron Clusters in Drug Design. J. Med. Chem. 2016, 59, 7738–7758.

[2] Le´snikowski, Z.J. Recent developments with boron as a platform for novel drug design. Expert Opin. Drug Discov. 2016, 11, 569–578.

[3] Okami, Y. et al. Studies on marine microorganisms. V. A new antibiotic, aplasmomycin, produced by a streptomycete isolated from shallow sea mud. J Antibiot (Tokyo). 1976, 29 (10): 1019–1025 .

[4] Chen, D. et al. Bortezomib as the first proteasome inhibitor anticancer drug: current status and future perspectives. Curr Cancer Drug Targets. 2011, 11(3):239-253.

[5] BC Cancer: Bortezomib Monograph.

[7] Lomovskaya, O. et al. Vaborbactam: Spectrum of Beta-Lactamase Inhibition and Impact of Resistance Mechanisms on Activity in Enterobacteriaceae. Antimicrob Agents Chemother. 2017, 61(11). pii: AAC.01443-17.

[8] Arkwright, R. et al. The preclinical discovery and development of bortezomib for the treatment of mantle cell lymphoma, Expet Opin. Drug Discov. 2017, 12, 225-235.

[9] Li, X. et al. Synthesis and evaluation of novel alpha-amino cyclic boronates as inhibitors of

[10] Nitsche, C. et al. Peptide-boronic acid inhibitors of flaviviral proteases: medicinal chemistry and structural biology, J. Med. Chem. 60 (2017) 511-516.

[12] Lu, C. J. et al. Discovery of boroncontaining compounds as Abeta aggregation inhibitors and antioxidants for the treatment of Alzheimer’s disease, MedChemComm 9 (2018) 1862e1870.

[13] A. Fischer, FDA Approves Eucrisa for Eczema, in: FDA.gov, 2016.

[14] Gleeson, M. P.Generation of a set of simple, interpretable ADMET rules of thumb, J. Med. Chem. 51 (2008) 817-834.

[16] Albers, H. M. et al. Discovery and optimization of boronic acid based inhibitors of

autotaxin, J. Med. Chem. 2010, 53, 4958-4967.

[17] Nitshe, C. et al. Peptide–Boronic Acid Inhibitors of Flaviviral Proteases: Medicinal Chemistry and Structural Biology. J. Med. Chem. 2017, 60, 1, 511–516.

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