喹諾酮類化合物的抗HIV活性

王菊仙，馮連順，編寫 劉明亮，郭慧元，審校

（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

獲得性免疫綜合征(AIDS, 又稱艾滋病)是由人類免疫缺陷病毒(HIV)引起的一種病死率極高的惡性傳染性疾病。HIV病毒侵入人體后可破壞人體的免疫系統，令感染者逐漸喪失對各種疾病的抵抗能力，進而增加機會性感染的幾率，導致死亡。HIV病毒有2個亞型即HIV-1和HIV-2，二者核苷酸序列有40～60%的同源性。通常認為，HIV-1的傳染性和致病性更強，而HIV-2傳染性和繁殖能力遠弱于HIV-1。

據世界衛生組織(WHO)估計，2017年全球約有3690萬(3510萬成人和180萬兒童)HIV攜帶者，且每年新增約150萬感染病例，因此而喪命的患者高達百萬。高效抗反轉錄病毒療法(HAART)對治療HIV患者不可或缺，極大地延長了患者的壽命。截止2017年底，約有2170萬HIV患者接受了HARRT的治療，但僅占所有患者的59%。耐多藥HIV的出現和HAART不能從體內徹底清除HIV病毒等缺陷，使得研發新型抗HIV藥物顯得尤為重要。

喹諾酮可分為2-喹諾酮和4-喹諾酮，具有抗菌、抗瘧疾、抗結核、抗腫瘤、抗老年癡呆、抗真菌、抗丙肝和抗HIV等多種生物活性，在藥物化學領域舉足輕重。其中，埃替格韋（圖1）是首個被批準上市的喹諾酮類HIV整合酶抑制劑，已用于HIV患者的治療，提示對喹諾酮進行合理的修飾可能會獲得具有潛在抗HIV活性的候選物。

近30年來，科學家有針對性的設計合成了多個系列喹諾酮衍生物，并評價了它們的抗HIV活性，發現了若干具有進一步研究價值的候選物。本文將重點介紹近年來喹諾酮類化合物在抗HIV領域的研究進展，并歸納構-效關系(SAR)，以啟迪藥物化學家進一步合理設計此類化合物。

2 2-喹諾酮類化合物

2-喹諾酮類化合物具有多種生物活性，其中純綠青霉素、純綠青霉素醇和替吡法尼等2-喹諾酮衍生物（圖2）正處于臨床評價階段，有望于不久的將來為人類健康服務。顯然，2-喹諾酮母核在新藥研發領域占據重要位置。

圖1 埃替格韋的化學結構

HIV-1衣殼對病毒的組裝與成熟具有重要作用，是潛在的HIV藥物作用靶點。HIV-1衣殼蛋白主要由N端區域(NTD)和C端區域(CTD)組成，其中以NTD為靶點的HIV-1抑制劑是藥物化學家研究的熱點，而以CTD為靶點的抑制劑鮮有報道。為開發CTD抑制劑，Curreli等設計合成了一系列2-喹諾酮衍生物1（圖3），發現此類化合物對HIV-1IIIB(MT-2細胞)具有潛在的活性，半抑制濃度(IC50)為1.06～＞38.9 μmol/L。研究表明，此類化合物可通過與HIV衣殼CTD疏水腔鍵合達到抑制病毒成熟的功效。SAR研究顯示，2-喹諾酮結構單元對抗HIV活性不可或缺，這可能是由于內酰胺可與位于HIV衣殼CTD疏水腔的Asn183形成氫鍵所致。R1和R2位點為疏水性基團時對活性有利，且呋喃由于噻吩。不僅如此，R1和R2位點也可為取代苯基：對R1位而言，向苯環上引入甲基時對活性不利；對R2位而言，向苯環的對位引入氯、溴和甲基可提高活性，但大體積取代基如異丙基和甲氧基則對活性不利。R3位為甲基時對活性有利，而甲氧基和乙基則會降低活性。代表物1a不僅對HIV-1IIIB(MT-2細胞)的活性最高，IC50為1.06 μmol/L，且對MT-2和PBMC細胞的毒性(CC50: ＞61.45 μmol/L)極低。進一步研究發現，化合物1a具有廣譜抗病毒活性，其對多株實驗室(MT-2胞內的IIIB, MN, SF2, RF, AZT-R和HIV-1RF/L-323-12-3和PBMC胞內的Bal和89.6)及臨床分離HIV-1病毒株(9PBMC胞內的4UG103, 92UG037, 92US657,93IN101, 92UG024, 93BR020, RU570和BCF02)的IC50低至1.06～6.17 μmol/L。顯然，優秀的廣譜抗HIV-1活性和極低的毒性使得化合物1a極具進一步研究價值。

圖2 純綠青霉素、純綠青霉素醇和替吡法尼的化學結構

Sekgota等評價了一系列3-[(N-環烷胺)甲基]-2-喹諾酮(2和3)的抗HIV-1整合酶(IN)活性，發現幾乎所有的化合物在濃度為20 μmol/L時對HIV-1 IN均顯示出潛在的抑制活性，但對HIV-1蛋白酶(PR)和逆轉錄酶(RT)未顯示出明顯的抑制活性，提示此類化合物可選擇性的抑制HIV-1 IN。SAR顯示，當甲氧基在2-喹諾酮母核的C-8位時對活性不利，但在C-6位時則可提高活性。其中，化合物2e在濃度為20 μmol/L時對HIV-1 IN的抑制率為60.1%，且對人胚腎細胞HEK 293無毒，值得深入研究。

2-喹諾酮衍生物4和2-萘啶酮5對野生型(wt, EC50:4～2 nmol/L)和突變IN (Y143R, N155H, G140S/Q148H,G118R and E138K/Q148K, EC50: 4.9～2,200 nmol/L)HIV-1病毒具有潛在的活性。SAR顯示，2-萘啶酮5的活性優于2-喹諾酮4。對2-喹諾酮衍生物4而言，C-8位(R2)的羥基對高活性至關重要，且苯環(R1)含氯時活性優于相應的含氟衍生物。對2-萘啶酮5而言，N-1位(R1)的羥基為高活性所必需，但向C-4位(R3)引入羥基并不能提高抗HIV活性。其中，化合物5c(EC50: 4.9～438 nmol/L)和5f(EC50: 11～308 nmol/L)對單突變(Y143R, N155H andG118R)和雙突變IN(G140S/Q148H and E138K/Q148K)的活性優于雷特格韋(EC50: 154-1,900 nmol/L)，且二者(EC50: 5.1 and 6.2 nmol/L)對wt IN的抑制活性與雷特格韋(EC50: 4 nmol/L)相當。進一步研究發現，向2-萘啶酮的C-4位引入游離氨或烷基胺對活性有利，而芳胺則對活性不利，且貢獻順序為游離氨＞烷基胺＞芳胺。代表物6o(EC50: 1.1～35 nmol/L)對wt和突變IN(Y143R, N155H,R263K, G118R和G140S/Q148H)的活性極高，對所測所有HIV-1IN的活性是雷特格韋的1.4～64.8倍。不僅如此，化合物6o (CC50: ＞250 μmol/L)對人骨肉瘤細胞無毒，故其可作為先導物進一步優化。

圖3 2-喹諾酮衍生物1～6的化學結構

除IN外，RT和PR也是HIV復制所必須的酶，故RT和PR也是潛在的抗HIV藥物作用靶點。2-喹諾酮衍生物7（圖4）對wt (IC50: 0.24～0.71 μmol/L)和突變HIV-1 RT (Cys181和Il100, IC50: 0.86～2.50 μmol/L)也具有潛在的活性，抑wt RT活性與nevirapin (IC50: 0.30 μmol/L)相當，但抑HIV-1 Cys181和Il100 RT活性則是nevirapin (IC50: ＞100 μmol/L)的＞40倍。所有化合物對HIV-1IIIB和耐nevirapin HIV-1病毒均顯示出極高的活性，IC50分別為0.035～0.242 μmol/L和0.368～2.210 μmol/L。SAR研究結果表明，將硫醚(7c, 對HIV-1IIIB和耐nevirapin HIV-1的IC50分別為0.100和0.368 μmol/L)氧化為亞砜(7d,對HIV-1IIIB和耐nevirapin HIV-1的IC50分別為0.242和2.210 μmol/L)時將導致活性的降低。用氧原子(7a, IC50: 0.035和0.607 μmol/L)替換硫原子可提高抗HIV-1IIIB活性，但會降低抗耐nevirapin HIV-1活性。此外，C-3位為正丙基時活性優于相應的異丙基衍生物。

C-3和C-4位含有環丙基的2-喹諾酮衍生物8對wt HIV-1具有良好的活性，半數效應濃度(EC50)為1～221 nmol/L。SAR顯示，R位為直鏈烷烴時對活性有利，其中，正丁基(8d, EC50: 3 nmol/L), 4-戊烯基(8e, EC50:1 nmol/L)和正戊基(8f, EC50: 1 nmol/L)最優。延長或縮短烷基鏈均對活性不利，而支鏈烷烴或芳基則會導致活性大幅降低。進一步研究顯示，將環丙基換做環丁基(9a)或用氰基(9b)、酮(9c)或酰胺替換羧酸乙酯或去除環丙基(9d和9e)將導致活性降低。將酯基還原為醇(10a, EC50: 743 nmol/L)亦對活性不利，但相應的醚衍生物10b～d (EC50: 45, 65和37 nmol/L)則顯示出良好的活性。將乙酯換做甲酯(11a, EC50: 1 nmol/L)或烯丙酯(11b, EC50: 1 nmol/L)對活性影響不大，但芳香酯則會導致活性大幅降低。對12個EC50＜100 nmol/L的化合物抗耐非核苷類逆轉錄酶抑制劑(NNRTI)突變HIV-1 (E138K, F227L, I135V, K103N, L100I,L106A, Y181C, Y188L, V179E, Y181H 和Y181S)活性測試結果表明，所測化合物對E138K, F227L, I135V,L100I和Y181H的抑制濃度在納摩爾級。值得一提的是，代表物8f (EC50: 1～238 nmol/L)對絕大多數wt和耐NNRTI突變HIV-1病毒株的活性是奈韋拉平的2～50倍，極具進一步開發前景。

圖4 2-喹諾酮衍生物7～15的化學結構

除12f之外的2-喹諾酮衍生物12也具有潛在的抗HIV-1活性，IC50為14～917 nmol/L，但弱于對照藥依法韋侖(IC50: 2 nmol/L)。與無取代化合物12a (R = H,IC50: 14 nmol/L)相比，向R位引入胺基、酰胺或酯基對活性不利。總體而言，R位為醚鍵的衍生物活性高于相應的胺基和酰胺衍生物。芳基上取代基的位置對活性也有顯著影響，且對位最優。化合物12a, 12o和12r對耐NNRTI 突變K103N, L100I和K103N/L100I的IC90為23～4,830 nmol/L，而活性最高的12o (IC90:50, 23和4,830 nmol/L) 對上述3株病毒的活性優于依法韋侖(IC90: 64, 77和7,300 nmol/L)。

抗HIV-1擬轉錄酶抑制劑天然產物Calanolide A正處于治療AIDS的臨床評價階段，但其溶解度和生物利用度較差，限制了其應用。(±)-氮雜Calanolide A13 (EC50:0.12 μmol/L)抗HIV-1活性優于Calanolide A(EC50:0.27 μmol/L)，值得進一步研究。化合物14a,b抗HIV的EC50分別為0.24和4.6 nmol/L，活性是疊氮胸苷(EC50: 45 nmol/L)的187.5和9.7倍，且化合物14a(IC50:28 μmol/L)對H9細胞的毒性較低，極具進一步開發價值。

對2-萘啶酮衍生物15的研究結果顯示，與無取代物15a相比，C-4位苯環(15b～e)或芐基(15f,g)的引入可提高抗HIV-1核糖核酸酶H(RT-RNH)活性。代表物15g對RT-RNH (IC50: 45 nmol/L)的活性極高，且可在IC50為190 nmol/L時抑制 HIV-1 (HeLa P4-2細胞)復制，故其可作為先導物進一步優化。

2-喹諾酮化合物16（圖5）對KB, A549, HCT-8,CAKI-1, MCF-7, HOS, IA9和U-87-MG腫瘤細胞系顯示出良好的活性，但未顯示出明顯的抗HIV活性。2-喹諾酮-噻唑雜合體17可在濃度為12.5 μg/mL時抑制0～95% MTB H37Rv，但也未顯示出任何抗HIV活性。2-喹諾酮衍生物18和19具有潛在的抗菌、抗真菌、抗結核和抗腫瘤活性，但對HIV-1IIIB和HIV-2ROD(MT-4細胞)無活性。

3 4-喹諾酮衍生物

目前，所有市售喹諾酮藥物均屬于4-喹諾酮類化合物，故4-喹諾酮一直是該領域的研究重點。4-喹諾酮可供修飾的位點較多，其中N-1, C-5, C-6, C-7和C-8位修飾最為常見。

3.1 N-1和C-8位結構修飾

4-喹諾酮N-1位取代基與總體活性、藥代動力學和微生物學性質息息相關，而C-8位取代基對改善口服藥代動力學性質、拓展生物活性譜和降低選擇性突變具有重要意義。某些喹諾酮如氧氟沙星和左氧氟沙星含有一個連接N-1和C-8位的六元雜環，研究顯示該結構片段是環丙基的一個成功替代基團。基于此，本部分將探討N-1和C-8位取代基對抗HIV活性的影響。

對一系列N-1位為烷基、環烷基、烯基、醇、胺和芳環取代基4-喹諾酮衍生物的抗HIV研究結果顯示，取代基的連接方式與活性息息相關。5-羥基喹諾酮-3-羧酸衍生物20和21對wt HIV-1和HIV-1突變株A17 (C8166細胞)具有潛在的活性，EC50為3.17～307.57 μmol/L。SAR顯示，N-1位為取代芐基時活性優于相應的苯基衍生物。與無取代的化合物20a相比，向苯環上引入供電子基甲基或吸電子基溴20b～e均可提高抗HIV活性。對化合物21而言，向苯環(R1位)引入供電子甲基或吸電子氟將導致活性下降，但向R2引入氯則對活性有利。活性最高的21a對wt HIV-1和HIV-1突變株A17 (C8166細胞)的EC50分別為3.17和17.88 μmol/L，但遠弱于埃替格韋 (EC50:0.00021和0.0010 μmol/L)。對4-喹諾酮-吡唑雜合體22而言，酯22a,b和酸22c,d (IC50: ＞100 μmol/L)對HIV-1 IN無活性，但含有酚羥基的雜合體22e,f (IC50: 21.16和2.60 μmol/L)則顯示出潛在的活性。喹諾酮-甲硝唑雜合體23具有優秀的抗真菌活性，但對HIV-1IIIB和HIV-2ROD(EC50: ＞19.22 μmol/L)未顯示出明顯活性。與N-1位無取代芐基4-喹諾酮衍生物24a(濃度100 μmol/L時抑制率為70%)相比，向苯環上引入氟原子24b～d(濃度100 μmol/L時抑制率＜10%)導致活性大幅降低。

圖5 2-喹諾酮衍生物16～19的化學結構

喹諾酮二酮酸是潛在的HIV-1 IN 3'-加工過程(3'-P)和鏈轉移反應(ST)及RNase H抑制劑，基于此，Pescatori等評價了一系列N-芐基喹諾酮二酮酸25和26的抑制HIV IN3'-P、ST和RT RNase H活性。結果表明，化合物25和26抑RNase H和HIV IN 3'-P活性可忽略不計(僅少數化合物在濃度為＞10 μmol/L時顯示出一定的活性)，但大多數化合物具有潛在的抑IN ST活性。化合物26對IN ST的IC50在納摩爾級，活性優于相應的乙酯25，但后者的抗HIV-1IIIB活性優于前者。以吡啶、喹啉或者萘基(27)替代苯環時將導致抗HIV-1IIIB活性的降低。其中，代表物25j, 25l和26f對HIV-1IIIB的EC50分別為0.58, ＜0.2和0.87 μmol/L，且對HeLa-CD4-LTR-β-gal細胞無毒(CC50: ＞50 μmol/L)，值得進一步研究。

無論喹諾酮N-1位連何種取代基，通過氮原子連接的二芳基嘧啶-喹諾酮雜合體29對耐NNRTI雙突變K103N/Y181CHIV-1IIIB病毒株(MT-4細胞)均未顯示出任何活性，但某些通過氧原子連接的二芳基嘧啶-喹諾酮雜合體28（圖7）則對wt HIV-1顯示出中等強度的抑制活性，EC50為0.28～1.16 μmol/L。活性最高的雜合體28a對HIV-1IIIB的EC50為0.28 μmol/L，作用機制研究顯示，該雜合體可作用于RT。有趣的是，向喹諾酮母核C-6位引入溴(30)或碘(31)可極大的提高這類雜合體對耐NNRTI雙突變K103N/Y181CHIV-1IIIB病毒株的活性，且碘代物31(抗耐NNRTI雙突變K103N/Y181CHIV-1IIIB病毒株的EC50分別為9.6～570 nmol/L和0.77～4.73 μmol/L; 抑HIV RT的IC50為0.37～6.30 μmol/L)的活性優于相應的溴代物30(抗耐NNRTI雙突變K103N/Y181CHIV-1IIIB病毒株的EC50分別為18～1,570 nmol/L和0.90～＞32.58 μmol/L; 抑HIV RT的IC50為0.41～10.05μmol/L)。對雜合體31而言，N-1位為直鏈烷基如乙基、正丙基和正丁基優于支鏈烷基如仲丁基和叔丁基，且烷基鏈的長度與活性正相關。代表物31c(EC50: 9.6 nmol/L和0.98 μmol/L; IC50: 0.51 μmol/L)的抗HIV-1IIIB活性與疊氮胸苷、依法韋侖和恩替卡韋(EC50: 5.6, 5.4和1.9 nmol/L)相當，抗耐NNRTI雙突變K103N/Y181CHIV-1IIIB病毒株活性是奈韋拉平(EC50: 244 nmol/L和≥11 μmol/L)的≥11.2倍。

4-喹諾酮衍生物32 (EC50: 1.83～23.54 μmol/L)具有中等強度的抗HIV-1活性，但遠遜于對照藥埃替格韋(EC50: 0.00021 μmol/L)。這可能是由于C-5位羥基的存在導致的理化性質改變所致。SAR顯示，支鏈烷烴或環烷烴優于直鏈烷烴。對接試驗表明，此類化合物可能通過雙金屬鰲合機制發揮抗HIV活性。

圖6 N-1位含有芳香環的4-喹諾酮衍生物20～27的化學結構

與無取代或單取代(R2位)4-喹諾酮衍生物33a～h(IC50: 0.410～2.300 μmol/L)相比，雙取代衍生物33i～q (IC50: 0.026～0.370 μmol/L)的抑HIVIN ST活性更高。總體而言，N-1位為烷基的化合物33l～q(EC50: 0.290～2.340 μmol/L和IC50: 0.026～0.083 μmol/L)的抗HIV和抑HIVIN ST活性高于無取代衍生物33k(EC50: 3.400 μmol/L和IC50: 0.070 μmol/L)，提示N-1位取代基對活性有顯著影響。進一步研究發現，酸(34a,b)、酰胺(34c,d)或氨乙基(34e)的引入并不能改善活性（圖8），而羥基烷基(34f,g)的引入可提高活性，將羥基進一步酯化則對活性不利。對N-羥基次乙基喹諾酮衍生物35而言，向R1, R2或R3位引入氟原子則活性降低。向R2位引入供電子基團甲氧基可提高活性，吸電子基團三氟甲基、氯和氰基對活性不利。4-喹諾酮衍生物36具有良好的抗HIV-1和抑HIVIN ST活性，EC50和IC50分別為1～52 nmol/L和6～15 nmol/L。SAR研究結果表明，R1位為直鏈或支鏈烷烴時優于環烷烴，且異丁基最優。化合物36h～j(IC50: 1 nmol/L)的抗HIV-1活性最高，提示甲氧基對于高活性不可或缺。

N-氨基和N-乙酰胺基4-喹諾酮衍生物37的抗HIV-1IIIB和HIV-2ROD活性較弱，而其N-乙烯基衍生物38則顯示出較強的抗HIV-1IIIB活性，EC50為5～190 nmol/L。其中，化合物38c (對HIV-1IIIB的EC50為5 nmol/L)和38b (對HIV-2ROD的EC50為550 nmol/L)的選擇性指數(SI) ≥10，值得進一步研究。

氧氟沙星衍生物R-71762 (39)（圖9）不僅對多種致病菌顯示出良好的活性(MIC: 0.25～64 μg/mL)，對HIV-1的IC50也低至1.7 μmol/L。進一步研究發現，R-71762可抑制急性和慢性HIV-1感染細胞內的病毒復制。SAR顯示，移除連接N-1和C-8位六元環上的氟原子將導致活性降低。對4-喹諾酮40而言，抗HIV活性與C-8位的取代基息息相關，且取代基的貢獻順序位二氟甲氧基(40c, IC50: 0.25 μmol/L) ＞甲氧基(40b,IC50: 1.8 μmol/L) ＞＞氟(40a, IC50: 50 μmol/L)。進一步修飾得到了8-二氟甲氧基喹諾酮41，SAR顯示對此類化合物而言，哌嗪上的取代基對活性影響較大，且貢獻順序為苯基(41c, IC50: 0.063 μmol/L) ＞吡啶-2-基＞嘧啶-2-基＞＞氫、甲基和芐基。向苯環上引入供電子的甲氧基或吸電子的氯均會導致活性的降低，但向對位引入氟原子(41c, IC50: 0.059 μmol/L)則會略微提高活性。

3.2 C-2位修飾

喹諾酮C-2位的取代基與DNA-促旋酶結合位點相近，故向此位點引入大取代基往往會導致活性的降低，故目前對此位點的修飾較少。從海綿Homophymia sp.中分離所得的天然產物2-十一烷基-4-喹諾酮42（圖10）對HIV-1的IC50僅為3 nmol/L，可作為先導物進一步研究。

反式轉錄激活因子(Tat)是HIV-1在感染早期產生的一種重要調節蛋白，可與病毒新生RNA的反式激活應答區(TAR)相互作用，在病毒復制和感染致病中起重要作用。Tat-TAR相互作用對病毒基因的表達、復制和致病性必不可少，故抑制該相互作用可起到抗病毒效果。2-苯基喹諾酮43可在體外高效的抑制Tat/TAR復合體，故這類化合物可能是潛在的抗HIV候選物。化合物44a (IC50: 35 μg/mL)和44b(IC50: 35 μg/mL)對急性感染HIV的H9淋巴細胞具有中等強度的活性，治療指數分別為2.9和5.4，可進一步研究。

3.3 C-3和C-4位修飾

4-喹諾酮的4-氧代-3-羧酸結構單元可與DNA促旋酶結合位點形成氫鍵，對此位點進行修飾往往會導致生物活性的降低，但向C-3位引入可在體內轉化為羧酸的前體基團則可耐受。

圖7 N-1位含有烷基或環烷基的4-喹諾酮衍生物28～33的化學結構

圖8 N-1位含有烷基或環烷基的4-喹諾酮衍生物34～38的化學結構

圖9 C-8位修飾的4-喹諾酮衍生物39～41的化學結構

對喹諾酮-酰腙雜合體45（圖11）的體外抗HIV-1 (PBMC細胞)和單純皰疹病毒 (HSV)研究結果表明，三者具有潛在的抗HIV活性，EC50分別為3.4,100和56 μmol/L。4-喹諾酮-1,3,4-噁二唑雜合體46抗HIVSAR顯示，R位為小體積取代基如甲基、乙基和丙基時，雜合體未顯示出任何抗HIV-1活性，而R位為大體積芐基或取代芐基時顯示出一定的活性(在濃度為100 μmol/L時的抑制率為20～57%)。芐基上的取代基對活性影響顯著，且取代基對活性的貢獻順序為甲基＞氟＞氯。其中，活性最強的雜合體46e(EC50: 50 μmol/L)未顯示出任何細胞毒性(CC50: ＞100 μmol/L)，可作為先導物進一步優化。

洛美沙星-/氧氟沙星-疊氮胸苷雜合體47a和47b可抑制合胞體形成、阻止HIV-1誘導的MT24細胞裂解效應，對HIV-1IIIB(C1866細胞)和HIV-1KM018(PBMC細胞)臨床分離株的EC50低至6.5, 3.1 nmol/L和1.9, 36 nmol/L，活性是母藥疊氮胸苷(EC50: 25 nmol/L和299 nmol/L)的3.8～157.3倍。不僅如此，二者對金葡球菌的活性與洛美沙星和氧氟沙星相當。顯然，二者具備進一步研究價值。

向藥物分子中引入金屬離子往往會對其生物活性有顯著影響，且某些金屬螯合物如二茂鐵喹顯示出成為新藥的潛力，故藥物金屬螯合物引起了科學家的極大興趣。研究顯示，向喹諾酮4-氧代-3-羧酸結構單元嵌入金屬離子是喹諾酮發揮抗生物活性的關鍵步驟，故喹諾酮金屬螯合物可能是潛在的抗HIV候選物。釕(II)芳烴具有潛在的抗HIV活性，4-喹諾酮-釕(II)芳烴48及其配體可在納摩爾水平有效抑制HIV-1 IN，且對ST催化步驟具有選擇性。螯合物48對HIV IN ST的IC50為17 μmol/L，活性高于配體(IC50:3.1 μmol/L)。喹諾酮-鎂(49a)和錳(49b)螯合物對HIV IN ST也具有良好的抑制活性，IC50分別為4和2 μmol/L，提示金屬離子對活性影響巨大。

C-3位為無取代、乙酰基、羧酸及甲酯的4-喹諾酮衍生物50對IN-LEDGF/p75 蛋白質相互作用無明顯活性，但含羥基的衍生物51a,b對HIV-1 RT, HIV-2 RT和MuLV RT具有潛在的活性，IC50為0.31～＞225 μmol/L，這可能是由于羥基可與相應的酶形成氫鍵所致。大多數喹諾酮二酮酸衍生物52對HIV-1無活性，但個別化合物52a～c具有顯著活性，EC50分別為4.1, 3.2和0.17 μmol/L。

3.4 C-5和C-6位修飾

據報道，4-喹諾酮C-5位取代基對抗菌活性有中等強度的影響，且該位點對氫、氨基、氟、羥基和甲基耐受，但氫最優。對喹諾酮的C-6位而言，可向該位點引入氟、氨基和取代芐基等，其中氟原子可提高該類化合物細胞膜滲透性，故C-6位氟原子為抗菌藥物最常見基團。

對從Melochiaodorata分離獲得的4-喹諾酮生物堿53a～c（圖12）的抗HIV活性評價結果表明，化合物53a,b具有潛在的抗HIV活性，而53c則未顯示出任何活性。其中，代表物53a在濃度為0.95 μmol/L時可抑制50%的HIVP24形成。

某些C-6位為氫、氟、三氟甲基、甲氧基、氨基和羥基的4-喹諾酮衍生物54和55對HIV-1IIIB和HIV-2ROD具有良好的抑制活性，EC50為＜1 μg/mL。SAR表明，三氟甲基不適合C-6位，但當C-7位的4-芳基哌嗪基合適時，C-6位對甲氧基和羥基耐受，提示C-6位取代基需和C-7取代基合理搭配才能獲得高抗HIV活性化合物。其中，化合物55k的活性最高，其對HIV-1IIIB和HIV-2ROD(MT-4細胞)的EC50分別為80和33 nmol/L，不亞于奈韋拉平(EC50: 23和＞4,000 nmol/L)。而化合物55l (MW5)對從頭感染人淋巴母細胞內的HIV也具有良好的活性，EC50為100 nmol/L。進一步研究顯示，MW5對HIV-1慢性和急性感染細胞具有良好的活性，EC50分別為600和850 nmol/L。此外，MW5對可有效抑制TAR RNA，值得進一步研究。化合物55m (HM-12)和55n (HM-13)對HIV-1慢性和急性感染人M/M細胞的活性較高，EC50分別為50,25和50, 11 nmol/L。用環丙基代替N-1位甲基所得的化合物56也具有良好的活性，其中，代表物56b可在EC50為5.6 ng/mL時抑制OM-10.1胞內HIV復制。

6-氨基喹諾酮57顯示出潛在的抗HIV活性，如化合物57a～d對HIV-1IIIB和HIV-2ROD(MT-4, PBMCs和CEM細胞)的EC50為0.0087～0.7μg/mL。SAR顯示，這類化合物的活性與多個位點取代基相關：C-7位取代基對活性影響巨大，且4-(吡啶-2-基)-1-哌嗪基對活性最優；N-1位的甲基可被環丙基代替，但再大體積的基團如叔丁基對活性不利；C-3位的羧基是抗HIV活性所必需，將其替換為酰胺、酮或肟基均會導致活性的消失。其中，活性最高的化合物57d對HIV-1IIIB和HIV-2ROD(MT-4, PBMCs和CEM細胞)的EC50為8.7～43 nmol/L，具備治療HIV-1和HIV-2感染的潛力。

圖10 C-2位修飾的4-喹諾酮衍生物42～44的化學結構

圖11 C-3和C-4位修飾的4-喹諾酮衍生物45～52的化學結構

6-亞氨基喹諾酮58 (EC50: ＞100 μmol/L)對HIV-1未顯示出明顯活性，提示該位點不適宜引入亞氨基。然而，該位點對醚(59)和烯基(60)耐受，且羧酸衍生物59b和60b (EC50: 1和5 μmol/L)的活性優于相應的乙酯59a和60a (EC50: 13和＞140 μmol/L)。

3.5 C-7位修飾

喹諾酮C-7位取代基與生物活性、生物利用度和安全性息息相關，且該位點被認為是最適合修飾的位點。研究顯示，向C-7位引入大體積官能團并不會影響喹諾酮對細胞膜的滲透性，故可向此位點引入各種取代基或藥效團。

靛紅具有多種生物活性，而4-喹諾酮-靛紅雜合體具有抗菌、抗結核、抗腫瘤和抗HIV等活性，值得進一步研究。Sriram等評價了一系列氟喹諾酮-靛紅雜合體的抗菌、抗結核、抗HCV和抗HIV活性，發現大多數雜合體具有潛在的抗HIV活性。SAR顯示，靛紅C-3和C-5位取代基對抗HIV活性有顯著影響。對氟喹諾酮-靛紅-甲氧芐啶雜合體61（圖13）而言，氟喹諾酮母核對活性的貢獻順序為諾氟沙星(61a和61k, EC50: 12.1和11.3μmol/L) ＞環丙沙星(61b, 61e和61g, EC50: 17.9, 9.4和11.6 μmol/L) ＞加替沙星(61c和61i, EC50: 25.2和21.2 μmol/L) ＞洛美沙星(61d, 61f和61h, EC50: 57.1, 17.2和28.4 μmol/L)，而靛紅C-5位取代基對活性的影響順序為氯＞溴＞氟＞甲基＞氫。諾氟沙星-/環丙沙星-/加替沙星-/洛美沙星-靛紅-磺胺嘧啶雜合體62 (EC50＞48 μmol/L, CEM細胞)和諾氟沙星-靛紅-磺胺多辛雜合體63 (EC50＞34 μmol/L)未顯示出明顯的抗HIV-1活性，提示靛紅C-3位取代基對活性影響顯著。

向靛紅的C-3位引入氨基脲或氨基硫脲(64, EC50:＞12 μmol/L, CEM細胞)對抗HIV活性不利，但向氨基脲或氨基硫脲結構片段引入羥基(65, EC50: 4.18～33.38 μmol/L, MT-4細胞)和甲氧基(66, EC50: 1.86～19.15 μmol/L, MT-4細胞)則可增強活性。SAR研究結果表明，氟喹諾酮-靛紅-氨基硫脲雜合體66的活性優于相應的氨基脲雜合體65，提示氨基硫脲結構片段中的甲基對高活性至關重要。氟喹諾酮母核和靛紅C-5位取代基對活性的貢獻順序分別為加替沙星＞洛美沙星＞環丙沙星≈ 諾氟沙星和氟≈甲基＞氯。代表物66k,l(EC50: 1.88和1.86 μmol/L) 還具有良好的抗結核活性(對MTB H37Rv的MIC分別為0.15和0.31 μmol/L)和較低的毒性(CC50: 170.51和154.06 μmol/L)，值得進一步開發。諾氟沙星-靛紅-氨基硫脲雜合體67也具有潛在的抗HIV活性，EC50為3.12 μmol/L，但弱于依法韋侖(EC50: 0.78 μmol/L)。

諾氟沙星-靛紅-胺基嘧啶氨雜合體68(EC50: 11.2,9.4和14.9 μg/mL, MT-4細胞)顯示出潛在的抗HIV活性，其中，化合物68b對HIV-1 (EC50: 9.4 μg/mL), MTBH37Rv(MIC: 3.13 μg/mL)和各種致病菌(MIC: 0.009～4.88 μg/mL)具有廣譜活性，具有治療HIV機會感染的潛力。氟喹諾酮-靛紅-拉米夫定雜合體69a～c (EC50: 1.11,49.0和1.16 μmol/L, CEM細胞)顯示出較高的抗HIV-1活性，但弱于母藥拉米夫定(EC50: 0.1 μmol/L)。

圖12 C-5和C-6位修飾的4-喹諾酮衍生物53～60的化學結構

諾氟沙星-/環丙沙星-/加替沙星-/洛美沙星-四環素雜合體70a～d（圖14）(EC50: 7.58～20.2 μmol/L,CEM細胞)具有潛在的抗HIV-1IIIB活性，而絕大多數土霉素則為顯示出明顯活性。這類雜合體(IC50: 12-65 μmol/L)對HIV-1 IN3'-P和ST顯示出中等前度的活性，且高于四環素(IC50: 204和188 μmol/L)。雜合體70i抑HIV-1復制的EC50為5.2 μmol/L，對CEM細胞無毒(CC50: 200 μmol/L)，對MTB H37Rv的MIC為0.2 μg/mL，對HIV-1 IN3'-P和ST(IC50: 20和18 μmol/L)的活性也較高，值得進一步研究。諾氟沙星-/環丙沙星-司他夫定雜合體71a,b (EC50: 100.0和61.8 μmol/L,CEM細胞)顯示出中等強度的抗HIV活性，但遠遜于母藥司他夫定(EC50: 0.09 μmol/L)。對氟喹諾酮-疊氮胸苷雜合體的抗HIVSAR研究結果表明，雜合體的連接方式對活性影響顯著：通過C-3位羧酸連接的雜合體73 (EC50: 1.2～33 nmol/L, CEM細胞)的活性優于通過C-7位哌嗪基連接的72 (EC50: 3.87～9.31 μmol/L,CEM細胞)。值得一提的是，代表物73c,e (EC50: 1.8和1.2 nmol/L)對HIV-1IIIB的活性極高, 是對照藥疊氮胸苷(EC50: 27 nmol/L)的15和22.5倍。不僅如此，二者對MT-4 (CC50: 45.04和34.05 μmol/L)和C8166 (CC50:＞272.22和＞219.81 μmol/L)的毒性較低，可作為先導物進一步研究。

圖13 氟喹諾酮-靛紅雜合體61～69的化學結構

圖14 4-喹諾酮-雜合體70～74的化學結構

萘啶酮-吡啶/苯并噻唑雜合體74對HIV-1IIIB的在微摩爾級，且苯并噻唑雜合體74b(EC50: 0.05 μmol/L, MT-4細胞)的活性優于相應的吡啶雜合體74a(EC50:＞8.32 μmol/L)。進一步研究顯示，N-1位取代基對抗病毒活性也有一定影響，且含有乙烯基的雜合體74c,d(EC50: 0.16和0.02 μmol/L)對HIV-1IIIB的活性優于環丙基衍生物74a,b。不僅如此，雜合體74c,d(EC50:0.21和0.025 μmol/L)對HIV-2ROD也具有高度的活性，值得深入開發。

喹諾酮衍生物75（圖15）(IC50: 8 nmol/L)抑HIV-1 IN ST的活性極高，而萘啶酮衍生物76則對HIV-1 IN的抑制活性極強，EC50為0.9～16 nmol/L。SAR顯示，氫鍵供體羥基的存在對活性有利。活性最高的化合物76e (EC50: 0.9 nmol/L)可作為先導物進一步優化。

化合物77 (K-12)對多種HIV-1 (耐疊氮胸苷株和耐利托那韋株), HIV-2和猿猴免疫缺損病毒(MT-4,CEM, C8166和外周血單核細胞)具有良好的活性，且活性相近，EC50為0.2～0.6 μmol/L，值得進一步開發。對喹諾酮二酮酸78的抗HIV-1 SAR研究結果顯示，C-7位取代基對活性有明顯影響，且順序為吡咯烷基＞嗎啡啉基＞哌嗪基。有趣的是，乙酯化合物優于相應的羧酸。所有衍生物(IC50: 0.028～28.7 μmol/L)對HIV-1 IN和RNase H均顯示出良好的抑制活性，其中，化合物78j和78k可選擇性的抑制HIV-1 IN ST，IC50＜100 nmol/L。

4 結束語

AIDS/HIV嚴重威脅人類健康，每年上百萬患者因此喪命。HARRT可極大地延長HIV患者的壽命，但耐多藥HIV的出現和HAART存在不能從體內徹底清除HIV病毒等缺陷，使得研發新型抗HIV藥物勢在必行。

圖15 4-喹諾酮-雜合體75～78的化學結構

喹諾酮具有包括抗HIV等在內的多種生物活性，且首個喹諾酮類HIV整合酶抑制劑埃替格韋已被批準用于HIV患者的治療，提示對喹諾酮進行合理的修飾極有可能會獲得潛在的抗HIV活性候選物。近30年來，科學家有針對性的設計合成了眾多喹諾酮衍生物，并評價了它們的抗HIV活性，發現了若干具有進一步研究價值的候選物如2-喹諾酮6o, 7c和18f及4-喹諾酮31c, 55k, MW5, HM-12和HM-13對HIV-1, 突變HIV-1和HIV-2的EC50在納摩爾級，而化合物66k, 66l和68b不僅對HIV具有良好的活性，對HIV機會感染也顯示出優秀的活性，值得進一步開發。

本文綜述了近年來喹諾酮類化合物在抗HIV領域的研究進展，并歸納構-效關系(圖16)，以啟迪藥物化學家進一步合理設計此類化合物。

圖16 4-喹諾酮衍生物抗HIV的SAR