喹諾酮衍生物及其抗大腸埃希菌活性(一)

賈雪冬，馮連順 編寫 劉明亮，郭慧元 審校

(1 鄭州大學第一附屬醫院，鄭州 450052；2 中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所，北京 100050)

1 前言

大腸埃希菌是典型的革蘭陰性菌，可分為A, B1,B2, D和E等5個群。通常情況下，健康人約攜帶10億大腸埃希菌，但絕大多數無害。盡管可致病的大腸埃希菌極少，但仍對人類生命健康構成嚴重威脅。據統計，大腸埃希菌每年可導致1.5億無并發癥的膀胱炎病例，而因大腸埃希菌引起的小兒腹瀉和腸外感染死亡患者每年高達200萬。大腸埃希菌的細胞壁由肽聚糖層和外部膜組成，而外部膜是細菌防御抗生素的天然屏障。不僅如此，大腸埃希菌對抗生素的耐藥性逐年增加，已成為臨床醫生所必需經常面對的棘手問題。因此，研發對藥敏型和耐藥型大腸埃希菌具有優秀活性的新型抗生素迫在眉睫。

萘啶酸是首個用于臨床的喹諾酮類抗菌藥，對包括大腸埃希菌在內的若干革蘭陰性菌顯示出弱到中等強度的活性。盡管如此，本品的發現開啟了喹諾酮類抗菌藥的研發熱潮。而上世紀80年代所發現的首個氟喹諾酮-諾氟沙星，更是將這類藥物推向了新的高度。經過近60年的發展，喹諾酮業已成為臨床上應用最為廣泛的抗感染化療藥物之一。除經典的抗菌活性外，喹諾酮還具有抗結核、抗人類免疫缺陷病毒(HIV)、抗瘧疾、抗炎和抗腫瘤等多種非經典生物活性，在新藥研發領域舉足輕重。遺憾的是，大腸埃希菌以對喹諾酮產生了耐藥性，且形勢愈發嚴峻。為克服耐藥性，研發新型喹諾酮顯得尤為重要。

在最近30年中，科學家評價了數以十萬計的喹諾酮衍生物的抗菌活性，且大多數衍生物對大腸埃希菌具有潛在的活性。本文將著重介紹近年來喹諾酮衍生物在抗大腸埃希菌領域的研究進展，并歸納此類藥物的構-效關系(SAR)，為進一步合理設計提供理論依據。

2 2-喹諾酮衍生物

2-喹諾酮是4-喹諾酮的位置異構體，是香豆素的電子等排體。2-喹諾酮是潛在的藥效團，其中某些2-喹諾酮衍生物如GSK945237和AZD9742目前正處于治療細菌(包括大腸埃希菌)感染的臨床評價階段，有望于不久的將來為人類健康服務。

2-喹諾酮-三嗪-噻唑啉酮雜合體1（見圖1）和2-喹諾酮-三嗪雜合體2對大腸埃希菌具有潛在的活性，最小抑制濃度(MIC)為6.25～100 μg/mL，但弱于對照藥環丙沙星(MIC: 1.0 μg/mL)。SAR顯示，雜合體1的抗大腸埃希菌活性優于雜合體2，提示噻唑啉酮的引入對活性有利；對雜合體1而言，氟、甲基和羧基的引入可提高活性，而硝基、溴和羥基的引入則不利于活性；單取代雜合體的活性優于相應的雙取代衍生物。進一步研究顯示，用1,3,4-噻二唑或1,3,4-噁二唑(3, MIC: 25～100 μg/mL)替代三嗪結構片段時并不能提高活性。

圖1 2-喹諾酮衍生物1～10的化學結構

吡唑[4,3-c]喹諾酮4和2-喹諾酮-查爾酮雜合體5對大腸埃希菌僅顯示出較弱的活性，在濃度為500～1,000 μg/disc時抑菌圈為7～12 mm，遠遜于對照藥氧氟沙星(濃度為5 μg/disc時抑菌圈為22～24 mm)。SAR顯示，對吡唑[4,3-c]喹諾酮而言，向R位引入鹵素如氟和氯對活性有利。2-喹諾酮-吡唑啉酮雜合體6a～h (MIC: 62.5～500 μg/mL)也具有一定的抗大腸埃希菌活性，但弱于對照藥諾氟沙星和環丙沙星(MIC:10和25 μg/mL)。

2-喹諾酮-吡啶雜合體7和8對包括耐氟喹諾酮致病菌在內的革蘭陽性菌和陰性菌具有良好的活性。抗革蘭陰性菌SAR研究結果表明，向哌啶環引入氟原子將導致活性大幅降低。此類雜合體抗大腸埃希菌的MIC為0.5～8 μg/mL，對大腸埃希菌拓撲異構酶IV的半抑制濃度(IC50)更是低至納摩爾級。代表物R,S-7b (AZD9742) 具有潛在的抗大腸埃希菌活性，MIC為4 μg/mL。該雜合體不僅對革蘭陽性菌和陰性菌的活性較為平衡，而且在小鼠大腿模型中的活性(與氨基苯并三唑聯用, 在給藥劑量為60 mg/kg/day時,可降低1.5 LogCFU單位細菌負載量)也優于對照藥左氧氟沙星(在給藥劑量為60 mg/（kg·d）時, 可降低1.4 LogCFU單位細菌負載量)。進一步研究發現，該雜合體也具有良好的藥代動力學性質。目前，該雜合體已進入I期臨床研究用于治療包括大腸埃希菌在內的細菌感染，結果值得期待。

除化合物9b外的3-乙酰基-1-氨基-2-喹諾酮衍生物9對大腸埃希菌敏感，MIC為1.6～100 μg/mL。SAR顯示，2-喹諾酮母核不帶取代基的衍生物9a～f活性優于6-硝基或6-氯取代的衍生物。其中，化合物9a,c(MIC: 1.6 μg/mL)的活性略優于阿莫西林(MIC: 2.0 μg/mL)，值得進一步研究。

7-氨基-4-甲基-2-喹諾酮10a及其芳胺衍生物10b～i具有潛在的抗大腸埃希菌活性，且芳胺衍生物10b～i的活性高于氨基衍生物10a，提示芳基的引入對活性有利?；衔?0c的抗大腸埃希菌活性最高，與環丙沙星相當，二者在濃度為1,500 μmol/L/disc時抑菌圈分別為12.8和14.0 mm。

除上述2-喹諾酮衍生物外，2-喹諾酮-噻唑、-噻二唑、-螺吲哚、-苯并咪唑和-亞胺衍生物也用于篩選抗大腸埃希菌活性。遺憾的是，絕大多數衍生物無活性或活性較弱，無進一步研究價值。

3 4-喹諾酮衍生物

以氟喹諾酮為代表的4-喹諾酮是臨床上廣泛使用的一大類抗感染化療藥物。4-喹諾酮主要作用于細菌賴以生存的DNA促旋酶和拓撲異構酶IV，其中，DNA促旋酶是這類藥物對革蘭陰性菌的作用靶點，而拓撲異構酶IV則為4-喹諾酮對革蘭陽性菌的作用靶點。目前，臨床上使用的絕大多數4-喹諾酮抗生素均具有優秀的抗大腸埃希菌活性，但耐藥菌的不斷涌現和廣泛傳播使得此類藥物的療效逐年下降。因此，有必要開發新型4-喹諾酮抗菌藥。

4-喹諾酮母核可供修飾的位點較多，為提高療效、改善藥代動力學性質和降低毒副作用，科學家對4-喹諾酮母核的N-1、C-2、C-5、C-6、C-7和C-8位進行了系統而廣泛的修飾。

3.1 N-1位的修飾

研究表明，N-1位的取代基對總體抗菌活性、微生物學性質和藥代動力學性質有顯著影響，且對N-1位進行合理的修飾可能會改善吸收，進而降低神經毒性與胚胎毒性。

氟甲喹含有一個連接N-1位和C-8位的六元環，是首個用于臨床的1,8-橋連三環喹諾酮抗生素。隨后，藥物化學家對1,8-橋環進行了系統的研究，包括用雜原子代替碳原子，并由此發現了若干新喹諾酮如氧氟沙星、左氧氟沙星、那氟沙星、帕珠沙星、蘆氟沙星、馬波沙星和左那氟沙星等。顯然，1,8-橋連三環喹諾酮值得深入研究。

Asahina等研究了一系列氧雜1,8-橋連三環喹諾酮11的體內外抗藥敏型和耐喹諾酮致病菌活性、靜脈單次給藥毒性、誘發驚厥能力和光毒性等。結果表明，這類化合物對大腸埃希菌具有優秀的活性，MIC為0.004～0.031 μg/mL，但弱于對照藥環丙沙星、左氧氟沙星和克林沙星(MIC: ≤0.001～0.002 μg/mL)。進一步研究發現，向吡咯烷基的C-4位引入氟原子可降低靜脈單次給藥毒性和誘發驚厥能力，而向氧雜1,8-橋環的C-3位甲基上引入一個氟原子可完全消除光毒性。化合物11（見圖2）的肟基衍生物12對所測的5株大腸埃希菌僅顯示出弱到中等強度的抗菌活性，MIC為0.02～＞128 μg/mL。

氟代喹諾吩嗯嗪13對大腸埃希菌拓撲異構酶I具有良好的抑制活性，IC50為0.24～3.9 μmol/L。其中，化合物13a不僅對大腸埃希菌拓撲異構酶I的抑制活性強(IC50: 0.48 μmol/L)，而且對包括大腸埃希菌Imp4213 (BAS3023)和(MG1655) WT (MIC: 0.78和6.25 μmol/L)在內的所測所有菌株具有廣譜抗菌活性(MIC: 0.78～7.6 μmol/L)。

硫雜1,8-橋連三環喹諾酮14 (MIC: 0.12～16 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性較強，絕大多數與蘆氟沙星(MIC: 0.25 μg/mL)相當或更優。SAR研究發現，向哌嗪的N-4位引入比甲基大的取代基將會導致活性降低；硫醚衍生物(n=0)的活性優于相應的亞砜(n=1)。藥代動力學研究結果表明，化合物14a (口服給藥50 mg/kg)可被快速吸收，且與蘆氟沙星相比，該化合物在尿液中的含量較低?；衔?4a的代謝產物為哌嗪去甲基的化合物14b，且該代謝產物(MIC: 0.25 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與母體14a和蘆氟沙星相當。

1,2,4-噁二嗪(15)和1,3,4-噁(噻)二嗪(16)作為1,8-橋環總體上講對抗大腸埃希菌活性不利，如絕大多數15和16并未顯示出任何抗大腸埃希菌活性。

四環吡酮酸類17和18對大腸埃希菌的MIC低至亞微摩爾級，與氧氟沙星相當。SAR顯示，C-10位(X位)的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且N-甲基亞胺基和氧最優，而硫和酮對活性不利；C-10位氮上的取代基也影響抗大腸埃希菌活性，且體積越大對活性越不利。研究發現，這類化合物的抑DNA促旋酶(分離自大腸埃希菌KL-16)超螺旋活性與抗大腸埃希菌活性正相關，提示這類化合物與其它喹諾酮有相似的作用機制。其中，化合物17a～c不僅對所測的大腸埃希菌NIHJ JC-2和KC-14菌株具有良好的活性，而且口服生物利用度良好。尤其是化合物17c對所測7株耐萘啶酸大腸埃希菌的MIC為0.20～3.13 μg/mL，與環丙沙星相當。在感染大腸埃希菌KC-14的小鼠模型中，化合物17c顯示出良好的體內活性，口服半數有效量(ED50)為1.01 mg/kg，與氧氟沙星相當(ED50: 1.10 mg/kg)。該化合物在小鼠模型中的急性毒性較低，口服和靜脈注射半數致死量(LD50)分別為1,231 mg/kg和237 mg/kg。此外，化合物17c與芬布芬聯用時并不會導致小鼠驚厥。綜上所述，該化合極具進一步研究潛質。

圖2 1,8-橋連三環喹諾酮11～18的化學結構

普盧利沙星含有一個N-1和C-2位相連的硫雜四元環，故1,2-并連三環喹諾酮可能是潛在的新母核。對1,2-并連三環喹諾酮19（見圖3）和20的體內外抗菌活性測試結果表明，某些化合物具有優秀的抗大腸埃希菌活性。SAR研究結果表明，對衍生物19而言，1,2-并環R1位的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且小取代基對活性有利；C-6位的氯和氟對活性貢獻相同；對于C-7位含有哌嗪的衍生物而言，哌嗪N-4位取代基的體積大小與活性直接相關，且體積越大活性越低；C-3位為羧酸乙酯時也具有潛在的活性。在感染大腸埃希菌KC-14的小鼠模型中，化合物19a,b (ED50: 0.78和0.89 mg/kg,口服)的體內活性與氧氟沙星和環丙沙星相當 (ED50:0.55和0.45 mg/kg)。氟甲基羧酸19c,d (MIC: 0.05和0.025 μg/mL, ED50: 0.85和0.76 mg/kg)的體內外抗菌活性不亞于甲基衍生物19e,f (MIC: 0.025和0.1 μg/mL, ED50: 0.97和1.28 mg/kg)，且二者的體內活性優于氧氟沙星(ED50: 1.20 mg/kg)。不僅如此，氟甲基羧酸19c,d(最大血藥濃度/Cmax: 4.4和3.2 μg/mL,半衰期/t1/2: 1.5和1.2 h, 藥時曲線下面積/AUC0-inf: 6.9和3.5 μg/mL·h)的藥代動力學性質也優于19e,f (Cmax: 0.94和0.84 μg/mL, t1/2: 2.8和4.9 h, AUC0-inf: 2.6和2.7 μg/mL·h)。顯然，氟原子的引入極大的改善了藥代動力學性質和口服功效。對衍生物20而言，烷基如甲基或?；缫阴；捅；囊雽钚圆焕?，且硫雜五元環衍生物的活性高于相應的氧雜或氮雜衍生物。代表物20a對所測大腸埃希菌K-12 C600和KC-14的MIC為0.20 μg/mL，與氧氟沙星(MIC: 0.20和0.10 μg/mL)相當。

N-1位連有芳基的喹諾酮也具有良好的體內外抗菌活性，其中沙氟沙星、二氟沙星、妥蘇沙星、阿拉曲沙星和德拉沙星已被批準用于各種細菌感染。與N-1位含有2-氟或3-氟苯基或甲氧基苯基、甲基苯基、氯苯基、溴苯基和硝基苯基的4-喹諾酮衍生物相比，含有4-氟苯基或2,4-二氟苯基的4-喹諾酮活性更高。PA2789（見圖4）及其前藥PA2808和衍生物21具有潛在的抗大腸埃希菌活性，MIC為＜0.05～6.25μg/mL。在小鼠系統感染模型中，PA2808和PA2789的ED50分別為0.74 mg/kg和0.75 mg/kg。在小鼠肺部感染模型中，靜脈注射5 mg/kg的PA2808可降低＞2 Log單位大腸埃希菌負載量，而給藥量增加到10 mg/kg時可完全清除。向N-1位引入吡咯、咪唑、三氮唑、1,3,4-噁二唑、噻唑和嘧啶等芳基時并不能提高活性，提示N-1位可引入的芳基種類有限。

烷基尤其是乙基、環丙基和氟代環丙基是N-1位最為常見的取代基，目前臨床上應用的絕大多數喹諾酮抗生素屬于此類。對喹諾酮衍生物22(MIC:≤0.0063～0.05 μg/mL，見圖5)的抗大腸埃希菌活性研究結果表明，N-1位的取代基對活性影響顯著，且取代基的貢獻順序為環丙基＞乙基＞叔丁基=二氟乙基＞甲基=三氟甲基。

臨床研究表明，N-1位的環丙基可能會引起嚴重的中樞神經系統(CNS)毒性，而2-氟環丙基可調劑脂溶性降低CNS毒性。某些已上市的氟喹諾酮如西他沙星和氟羅沙星N-1位均有一個含氟取代基，故向N-1位引入氟原子可能會獲得毒副作用更低的新喹諾酮抗生素。對喹諾酮23的體外抗菌SAR研究結果顯示，與無氟衍生物相比，單氟衍生物的抗大腸埃希菌活性明顯增強，但二氟衍生物的活性有所下降。而對萘啶酮衍生物而言，氟原子的引入對活性不利。其中，代表物23a抗菌活性與環丙沙星相當，但抗大腸埃希菌活性(MIC: 0.002 μg/mL)是環丙沙星(MIC: 0.008 μg/mL)的4倍，且毒性低于無氟衍生物。遺憾的是，化合物23a的體內活性和藥代動力學性質弱于環丙沙星，仍需進一步優化。

圖3 1,2-并連三環喹諾酮19和20的化學結構

圖4 PA2789, PA2808和21的化學結構

Asahina等發現用2-氟乙烯基代替氟羅沙星的2-氟乙基時將導致活性的大幅降低，而喹諾酮24和喹諾酮二聚體25對所測大腸埃希菌無活性，無進一步研究價值。

3.2 C-2位修飾

總體而言，科學家對C-2位研究的較少。目前，成功的例子是將C-2位與N-1位或C-3位環化。其中，1,2-位環化的例子前文已有介紹，本部分不再贅述。

異噻唑喹諾酮的作用靶點與氟喹諾酮相似，是潛在的抗菌藥物。Wiles等評價了多個C-7位含有芳基的異噻唑喹諾酮26（見圖6）和27的體外抗大腸埃希菌活性，發現大多數衍生物具有良好的活性，MIC在微摩爾水平。對衍生物26而言，SAR顯示C-7位苯環上的取代基會影響活性，且氨基和羥基對活性有利；取代基的位置也對活性有影響，且間位＞對位＞鄰位。其中，化合物26a～c (MIC: 0.004～0.015 μg/mL)的活性與環丙沙星、加替沙星、吉米沙星和莫西沙星(MIC: 0.015～0.02 μg/mL)相當或更優。值得一提的是，化合物26a對人喉癌細胞Hep2株無毒(半數細胞毒性濃度/CC50＞100 μmol/L)，值得進一步研究。向C-7位引入嘧啶、吡嗪、吡咯、吲哚、喹啉和異喹啉所得的衍生物活性均弱于相應的苯基衍生物，而引入吡啶則可提高活性。SAR顯示，3-吡啶基最優，向3-吡啶基的任何位置引入吸電子基和供電子基均會導致活性的降低。代表物27a(MIC: 0.0035 μg/mL)的活性是環丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.015 μg/mL)的4.28和4.75倍，且無毒(CC50＞100 μmol/L)，值得深入研究。

異噻唑喹諾酮A-62824是環丙沙星的衍生物，具有良好的抗菌活性，但由于選擇性和毒性等原因導致其未進入臨床研究。為降低A-62824毒性和提高抗菌活性，Bradbury等研究了異噻唑喹諾酮28的抗菌活性，發現所有化合物對大腸埃希菌均顯示出良好的活性，MIC為0.004 ～0.5 μg/mL。構-毒關系表明，向C-8位引入甲氧基可降低此類化合物對人喉癌細胞Hep2株的毒性，但引入芳基將會導致毒性上升。代表物28a (MIC: 0.004 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與A-62824(MIC: 0.004 μg/mL)相當，而是環丙沙星和莫西沙星(MIC: 0.02和0.03 μg/mL)的5和7.7倍，可作為先導物進一步優化。

C-2位連有乙硫基(29，見圖7)、烯基(30)、二胺(31)、苯基(32)、甲基(33)和硼酸(34)將導致抗大腸埃希菌活性的大幅下降，甚至活性消失。

3.3 C-3和C-4位修飾

4-氧代-3-羧酸結構單元是喹諾酮具有高活性所必需的基團，故通常情況下對該片段進行修飾對活性不利。迄今為止，尚未發現C-4位羰基的成功代替品，而C-3位的羧基可用羧基的前體即可在體內轉化為羧基的官能團代替。

圖5 4-喹諾酮衍生物22～25的化學結構

研究表明，氨基硫脲和噁二唑萘啶酮35（見圖8）和36(MIC: 5.4～6.5 mmol/L)的抗大腸埃希菌活性與母藥萘啶酸(MIC: 4.3 mmol/L)相當。SAR顯示，噁二唑萘啶酮36的活性與其前體氨基硫脲35相當，且嵌入取代苯基并不能顯著提高活性。向C-3位引入甲酰腙(37和38)、羥肟酸(39)和氮雜環丁酮(40)將會導致喹諾酮抗大腸埃希菌活性消失(MIC: ＞64 μg/mL)，但引入肼41(MIC: 0.0625～0.25 μg/mL)和磺酰胺42(MIC: 0.0625～0.125 μg/mL)對活性影響不大。有趣的是，N-1位無取代的甲酰腙43具有良好的抗大腸埃希菌活性，其中43a (MIC: 0.49 μg/mL)的活性甚至優于環丙沙星(MIC: 0.98 μg/mL)。Aurachin D 及其衍生物44不僅具有優秀的抗瘧原蟲活性，而且對大腸埃希菌TolC也顯示出一定的活性(MIC50: 1.41～＞64 μg/mL)，但對DH5α菌株無活性(MIC50: ＞64 μg/mL)。4-喹諾酮-3-乙酸45(MIC: 8.97～12.92 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與環丙沙星和莫西沙星(MIC: 8.21和11.54 μg/mL)相當，但去羧基的環丙沙星、諾氟沙星或恩諾沙星并未顯示出任何活性。

C-3位含有2-氨基噻唑的6,7-二氟喹諾酮46 (MIC:≥32 μg/mL,見圖9)僅顯示出極弱的抗大腸埃希菌活性，但6-環胺衍生物47則擁有良好的活性。SAR顯示，2-氨基噻唑可替代羧基，且C-6位為吡咯烷基對活性有利，而哌啶和嗎啉對活性不利。其中，代表物47b對肝細胞無毒(CC50: ＞512 μg/mL)，且對DNA促旋酶抑制活性高(IC50: 11.5 μg/mL)。不僅如此，該化合物對包括耐多藥致病菌在內的多種革蘭陽性和陰性菌具有廣譜抗菌活性，而且其(MIC: 0.8 μg/mL)抗大腸埃希菌活性優于諾氟沙星(MIC: 4.3 μg/mL)。進一步研究發現，細菌對該化合物產生耐藥性的速度低于諾氟沙星，可作為先導物進一步優化。

圖6 異噻唑喹諾酮衍生物26～28的化學結構

圖8 C-3位修飾的喹諾酮衍生物35～45的化學結構

大多數喹諾酮-3-甲酰胺僅具有弱到中等強度的抗大腸埃希菌活性，但頭孢菌素-喹諾酮酰胺48a,b(MIC: 0.008 μg/mL，見圖10)對所測2株臨床分離大腸埃希菌的活性極高，是對照藥頭孢他啶(MIC:0.06～0.125 μg/mL)的8～16倍。不僅如此，化合物48a(t1/2: 3.47 h, AUC: 238.5 mg/h/L)的藥代動力學性質也優于頭孢他啶(t1/2: 0.7 h, AUC: 14 mg/h/L)，且其血清蛋白結合率高達99.2%。顯然，化合物48a值得深入研究。

喹諾酮酯具有潛在的抗大腸埃希菌活性，Ro-23-9424無疑是其中的杰出代表。Ro-23-9424對包括藥敏型和耐藥型如耐頭孢菌素和耐氟喹諾酮在內的致病菌具有良好的體內外活性，提示本品的作用機制可能全新。Ro-23-9424可通過抑制大腸埃希菌生長，進而達到抑菌目的。目前，Ro-23-9424正處于II期臨床研究階段。

3.4 C-5和C-6位的修飾

4-喹諾酮C-5位的取代基對抗菌尤其是抗革蘭陽性菌活性有中等程度的影響，氫(絕大多數現有喹諾酮)、氨基(司帕沙星和PD 124816，見圖11)、氟(奧比沙星)和甲基(格雷沙星)是該位點常見基團，而硝基、羥基和烷基則對活性不利。有趣的是，C-8位的氟原子對C-5位含有氨基或氟原子的4-喹諾酮抗菌活性至關重要。

圖9 2-氨基噻唑喹諾酮衍生物46和47的化學結構

咪唑和三氮唑并三環喹諾酮49（見圖12）對大腸埃希菌NIHJ JC-2具有良好的活性，MIC為0.025～6.25 μg/mL，但弱于環丙沙星和司帕沙星(MIC: 0.0063和0.0125 μg/mL)。SAR顯示，咪唑喹諾酮的抗大腸埃希菌活性優于三氮唑喹諾酮；C-8位鹵素如氯和氟的引入對活性有利，C-7位為3-氨基吡咯烷最優。

4-喹諾酮50對藥敏型大腸埃希菌 NIHJ JC-2和NIHJ株具有優秀的活性， MIC為0.008～0.25 μg/mL，對所測2株耐藥株具有中等的活性，MIC為1～16 μg/mL。SAR顯示，C-5位為氫或甲基對活性有利，氨基則對活性不利；C-7位氮雜環丁酮為單取代時活性優于雙取代衍生物；氮雜環丁酮C-3位為胺基時優于羥基。其中，代表物WFQ-228 (50a, MIC: 2 μg/mL)對臨床分離大腸埃希菌的活性遠優于左氧氟沙星和環丙沙星(MIC: 32和64 μg/mL)。進一步研究發現，WFQ-228受喹諾酮耐藥決定域(QRDRs)突變和泵介導外排影響較小，提示該化合物的作用機制可能異于傳統的喹諾酮。

C-6位的氟原子有利于喹諾酮滲入細菌和與作用靶點結合，是目前喹諾酮最常見的結構單元。隨著加雷沙星（見圖13）和奈諾沙星等6-去氟喹諾酮的相繼問世，6-去氟喹諾酮再次引起了科學家的極大關注。對6-去氟-8-甲基喹諾酮51的抗大腸埃希菌活性研究結果表明，C-7位取代基對活性影響顯著，且順序為吡咯烷＞哌嗪＞哌啶＞硫代嗎啉＞嗎啉。6-去氟喹諾酮52a,b對所測的3株大腸埃希菌具有良好的活性， MIC為0.063～4 μg/mL，對DC2菌株的活性分別是左氧氟沙星的2和4倍。二者(IC50: 6.4和3.2 μg/mL)對野生型DNA促旋酶的抑制活性與左氧氟沙星(IC50:3.2 μg/mL)相當，但對哺乳動物拓撲異構酶II的活性優于左氧氟沙星。

對6-氨基喹諾酮53而言，C-8位的取代基對抗大腸埃希菌活性有顯著影響，且甲基衍生物的活性優于甲氧基衍生物，而乙基衍生物無活性；用甲胺基、二甲胺基代替氨基時活性將大幅下降。其中，代表物53a,b (MIC: 0.008 μg/mL)抗大腸埃希菌ATCC 8739和ISF 432菌株活性優于環丙沙星。

3.5 C-7位修飾

C-7位取代基與抗菌譜、抗菌活性、生物利用度和安全性息息相關，且C-7位被認為是最適合修飾的位點。事實上，近年來上市的喹諾酮均是對C-7位成功修飾的結果。堿性環胺如吡咯烷(吉米沙星和西他沙星)或六元環胺如哌嗪(環丙沙星和吉米沙星)和哌啶(那氟沙星和巴洛沙星)是該位點最常見的基團。

圖10 喹諾酮衍生物48和 Ro-23-9424的化學結構

圖11 司帕沙星、PD 124816、奧比沙星和格雷沙星的化學結構

圖12 化合物49和50的化學結構

向喹諾酮的C-7位引入七元環胺得到了貝西沙星（見圖14），故七元環胺也值得研究。七元環胺喹諾酮54a～c(MIC: 0.03, 0.25和0.03 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性較高，但弱于環丙沙星(MIC: ≤0.015 μg/mL)。進一步研究發現，引入橋環胺也不能提高抗大腸埃希菌活性。

SAR顯示，向氟喹諾酮55 C-7位吡咯烷的R1至R5位引入烷基或芳基將會導致活性的降低，且氨基(n=0)衍生物的活性優于氨甲基(n=1)。喹諾酮衍生物56 (MIC: ≤0.003 μg/mL)的抗大腸埃希菌活性與加替沙星、莫西沙星、妥蘇沙星和環丙沙星(MIC: 0.006,0.006, ≤0.003和≤0.003 μg/mL)相當或更優。其中，化合物56a(DQ-113, D61-1113)不僅對臨床分離耐氟喹諾酮和耐多藥致病菌活性極高，而且具有良好的體內活性。此外，DQ-113的毒理學和藥代動力學性質良好，值得進一步開發。DX-619 (57)對包括大腸埃希菌在內的多種藥敏型和耐藥型致病菌具有良好的活性，該化合物對大腸埃希菌的MIC90為1 μg/mL，優于左氧氟沙星、環丙沙星、莫西沙星、加替沙星和加雷沙星(MIC90: 4～8 μg/mL)。

西他沙星(58a)及其衍生為58(MIC: ≤0.006～0.39 μg/mL)具有極為優秀的抗大腸埃希菌活性，提示C-7位對螺環胺容忍。DK-507k (58b)和DC-159a(58c)不僅毒性極低、藥代動力學性質良好，而且體內活性高，值得深入研究。螺環胺喹諾酮59對大腸埃希菌的MIC ＜ 1 μg/mL，且在大腸埃希菌感染的模型中顯示出良好的體內活性。其中，化合物59a,b(MIC: 0.006和0.025 μg/mL)的體外抗大腸埃希菌Vogel的活性極高，相當于或優于諾氟沙星和環丙沙星(MIC: 0.10和0.025 μg/mL)。化合物59a(口服和皮下注射的PD50分別為3.4和8.4 mg/kg)在大腸埃希菌Vogel感染模型中也顯示出極高的活性，極具進一步研究價值。

圖13 加雷沙星、奈諾沙星和化合物51～53的化學結構

據統計，目前約一半正在使用的氟喹諾酮如依諾沙星、諾氟沙星、洛美沙星、那氟沙星、蘆氟沙星、氧氟沙星、環丙沙星、左氧氟沙星和格雷沙星在C-7位含有一個(取代)哌嗪基，故(取代)哌嗪基對于發展新型氟喹諾酮至關重要。向哌嗪的N-4位引入乙酰基(60和61，見圖15)、烷基/烯基/炔基(62)、羥基或巰基(63)并不能改善抗大腸埃希菌活性。

C-7位為4-羥基哌啶的那氟沙星是治療尋常性痤瘡和細菌性皮膚感染的剛用藥物，S-(-)-那氟沙星精氨酸鹽WCK 771 (64, MIC: 0.12 μg/mL)具有良好的抗大腸埃希菌活性，故向C-7位的環胺引入羥基也值得深入研究。含有4-羥基哌啶或3-羥基哌啶的左氧氟沙星衍生物65對多種藥敏型和耐藥型包括耐氟喹諾酮致病菌具有良好的活性，對所測2株大腸埃希菌的MIC為≤0.016～0.5 μg/mL，與環丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC: ≤0.016～8 μg/mL)相當或更優?；衔?5a,b不僅對藥敏型大腸埃希菌ATCC25922(MIC: ≤0.016和0.031 μg/mL)的活性極高，而且對耐環丙沙星臨床分離大腸埃希菌的活性也極高(MIC:0.0625 μg/mL)，活性是環丙沙星、左氧氟沙星和莫西沙星的16～128倍。值得注意的是，JNJ-Q2 (66)不僅對包括大腸埃希菌在內的多種致病菌具有廣譜抗菌活性活性，而且在II期臨床評價中安全性高、療效確切?；衔?7a～c(MIC: 0.25～0.5 μg/mL)是JNJ-Q2的衍生物，也具有良好的體外抗大腸埃希菌活性和體內抗菌活性，值得深入開發。

WQ-3810 (68a)對包括耐氟喹諾酮和耐多藥致病菌在內的多種臨床分離株具有優秀的活性，對所測98株臨床分離大腸埃希菌的活性(MIC90: 4 μg/mL)是環丙沙星、吉米沙星、左氧氟沙星和莫西沙星(MIC90: 32～64 μg/mL)的8～16倍。顯然，WQ-3810具有治療耐多藥大腸埃希菌感染的潛力。

3.6 C-8位修飾

C-8位的取代基與口服藥代動力學、抗菌譜和突變息息相關，多種取代基如氫(環丙沙星)、氟(司帕沙星)、氯(克林沙星和西他沙星)、甲氧基(加替沙星和莫西沙星)、二氟甲氧基(加雷沙星)、氰基(非那沙星/finafloxacin，見圖16)、氮(吉米沙星)和1,8-橋雜環(左那氟沙星)可引入到此位點。

圖15 氟喹諾酮衍生物60～68的化學結構

圖16 非那沙星和左那氟沙星的化學結構

向C-8位引入甲氧基可降低毒性、減少高水平耐藥性發生的幾率，這可能是由于甲氧基可介導DNADNA促旋酶絡合物與DNA-拓撲異構酶絡合物結合。C-8位的甲基或氯可能會導致基因毒性，而第二個氟或硝基的引入對氟喹諾酮抗菌活性不利。

4 結束語

大腸埃希菌可導致嚴重的感染甚至死亡，給醫療系統帶來了沉重的負擔。喹諾酮廣泛用于治療各種院內和社區細菌感染，對大腸埃希菌引起的感染也有良好的療效。遺憾的是，大腸埃希菌對這類藥物的耐藥性逐年增加。為克服日益嚴峻的耐藥性問題，有必要研發新型喹諾酮抗菌藥。

最近30年，科學家設計合成并評價了數以十萬計的喹諾酮衍生物的體內外抗大腸埃希菌活性。本文綜述了近年來該領域的最新研究進展，并總結了SAR (見圖17)，豐富的SAR為進一步合理設計了提供理論依據。

圖17 4-喹諾酮的SAR