喹啉和喹諾酮二聚體的生物活性

魏增全，馮連順 編寫 劉明亮，郭慧元 審校

（1 天津大學化工學院，天津，300072

2 天津紅日藥業股份有限公司，天津，301700

3 中國醫學科學院醫藥生物技術研究所，北京 100050）

1 前言

喹啉和喹諾酮結構片段廣泛存在于天然產物中，其衍生物具有抗菌、抗炎、抗腫瘤、抗丙肝(HCV)、抗結核(TB)、抗瘧疾、抗人類免疫缺陷病毒(HIV)和抗阿爾茨海默病(AD)等多種生物活性，在臨床上有著廣泛的應用前景。

與相應的單核化合物相比，雙核化合物往往顯示出某些特殊的性質如生物活性增強、抗菌譜更廣等。喹啉和喹諾酮二聚體也具有多種生物活性，且其中的某些化合物如喹哌等已成功應用于臨床，故喹啉和喹諾酮二聚體（見圖1）引起了藥物化學家的極大興趣。

在過去的30年中，藥物化學家設計、合成并評價了眾多喹啉和喹諾酮二聚體的體內外生物活性，發現了若干具有苗頭的候選物。本文將重點介紹喹啉和喹諾酮二聚體在抗菌、抗腫瘤、抗瘧疾和抗TB領域的最新研究進展，并歸納這類化合物的構-效關系(SAR)，以期指導藥物化學家更合理的設計此類化合物。

2 抗菌活性

細菌感染是導致院內感染的罪魁禍首，給各國醫療系統帶來了沉重的負擔。更為嚴峻的是，細菌對幾乎所有類型的抗生素均產生了不同程度的耐藥性，使得抗生素的藥效呈不斷下降之勢。據估計，每年因耐藥菌導致的死亡人數高達70萬，而若無法有效阻止這一趨勢，至2050年死亡人數可能會急劇增長到1000萬。顯然，研發對藥敏型和耐藥型致病菌均有效的新型抗生素勢在必行。

喹啉和喹諾酮衍生物尤其是氟喹諾酮目前在臨床上廣泛用于各種細菌感染的治療，不幸的是，細菌對這類藥物也產生了耐藥性。研究表明，適當的增大喹啉和喹諾酮衍生物的分子量或向其母核引入大取代基并不會影響滲透性，故向喹啉和喹諾酮母核再引入一個喹啉和喹諾酮結構片段的二聚體策略可能會獲得活性更高的候選物。

圖1 喹啉、2-喹諾酮和4-喹諾酮的化學結構

藥代動力學研究結果表明，對3-羧酸喹諾酮而言，N-1位為芳基時可提高此類化合物的生物利用度。基于此，Chepyala等評價了一系列以次乙基和1,2-環己二基為連接子的喹諾酮二聚體1（見圖2）的體外抗大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌(金葡球菌)活性。結果表明，所有二聚體(在濃度為50和100 μg/disc時對大腸埃希菌和金葡球菌的抑菌圈直徑為0～22 mm)的活性均弱于對照藥環丙沙星(在濃度為50和100 μg/disc時對大腸埃希菌和金葡球菌的抑菌圈直徑為36和38 mm)，且超過半數的二聚體對金葡球菌未顯示出任何活性。SAR研究結果顯示，羧酸衍生物(R =H)的活性優于相應的乙酯，且向C-8位(R2)引入氟原子可在一定程度上提高抗菌活性。

以氨基酸為連接子的喹諾酮(萘啶酸/惡喹酸)-氟喹諾酮(環丙沙星/諾氟沙星)二聚體2和3可能會降低抗生素的降解率，提高其在作用靶點的濃度，進而提高抗菌活性。抗菌評價結果表明，二聚體2和3對所測得金葡球菌、化膿性鏈球菌、傷寒沙門氏桿菌和銅綠假單胞菌具有弱到中等強度的活性，最小抑制濃度(MIC)為3.3～2116.5 μmol/L，但大多數二聚體弱于相應的母藥。盡管如此，化合物2b (MIC:7.8 μmol/L)和2f (MIC: 3.3 μmol/L)對革蘭陽性菌金葡球菌和化膿性鏈球菌具有潛在的活性，而母藥萘啶酸、惡喹酸、環丙沙星和諾氟沙星(MIC: 74.6～3914.3 μmol/L)的活性則相對較弱。此外，化合物3g,h(MIC: 7.6和7.4 μmol/L)對傷寒沙門桿菌的活性也不亞于4個母藥(MIC: 7.2～10.3 μmol/L)。

圖2 喹諾酮二聚體1～10的化學結構

對一系列對稱的環丙沙星、諾氟沙星和吡哌酸二聚體及不對稱環丙沙星-諾氟沙星和環丙沙星-吡哌酸二聚體的體外抗耐藥菌金葡球菌 SA 1199 (耐氟喹諾酮野生型細菌)、SA 1199-3 (實驗室培育的誘導norA過表達且DNA促旋酶或拓撲異構酶IV未突變的SA 1199突變菌株)、SA 1199B (組成性過表達norA且對氟喹諾酮具有一定耐藥性的SA 1199變種)、耐甲氧西林金葡球菌(MRSA)臨床分離株和耐萬古霉素金葡球菌(GISA)活性測試結果表明，與母藥環丙沙星、諾氟沙星和吡哌酸(MIC: 0.125～＞16 μg/mL)相比，所有二聚體(MIC: ＜0.03～1 μg/mL)對所測的金葡球菌SA 1199、SA 1199-3、SA 1199B和MRSA活性均有所提高。不僅如此，某些二聚體對GISA也具有中等強度的活性，MIC為 2～8 μg/mL，而母藥(MIC: ＞16 μg/mL)未顯示出任何活性。以上結果表明，喹諾酮母核和連接子對活性均有較大影響。總體而言，不對稱二聚體的活性優于對稱二聚體。對對稱的二聚體而言，環丙沙星二聚體＞諾氟沙星二聚體＞吡哌酸二聚體。對連接子而言，苯基對二次甲基、苯基間二次甲基和吡啶-2,6-二次甲基優于反式-2-丁烯-1,4-二基和1,1'-二苯基-4,4'-二次甲基。其中，二聚體4a-c(MIC: ＜0.03～0.125 μg/mL)不僅對金葡球菌SA 1199、SA 1199-3、SA 1199B和MRSA的活性是環丙沙星、諾氟沙星和吡哌酸的≥4倍，而且對GISA也具有良好的活性(MIC: 4, 2和8 μg/mL)。進一步研究發現，這類二聚體對藥敏型和耐藥型肺炎鏈球菌也具有優秀的活性。與環丙沙星(作用于拓撲異構酶IV)不同的是，這類二聚體可通過作用于肺炎鏈球菌和金葡球菌的DNA促旋酶發揮功效，作用靶點的轉變可能是這類化合物活性更高的重要原因。值得一提的是，這些二聚體的體外抗化膿性鏈球菌、結核分枝桿菌(MTB) H37Rv、大腸埃希菌、耐萬古霉素表皮球菌(VRE)和銅綠假單胞菌活性不亞于母藥，提示這類化合物具有廣譜抗菌活性，值得深入研究。

Azéma等評價了通過C-7位連接的環丙沙星二聚體5,6和通過C-6位連接的左氧氟沙星二聚體7的抗腫瘤、抗菌和抗分枝桿菌活性，發現此類二聚體可特異性的抑制金葡球菌和腫瘤細胞的生長，但對MTB無明顯活性。環丙沙星二聚體5e和6e對所測所有腫瘤細胞的半抑制濃度(IC50)分別為3～8 μmol/L和0.1～9 μmol/L，活性分別是母藥環丙沙星(IC50: 89～476 μmol/L)的15～40和32～890倍，而左氧氟沙星二聚體7f (IC50: 0.2～0.7 μmol/L)的抗腫瘤活性則是母藥左氧氟沙星(IC50: 67～622 μmol/L)的100～1240倍。進一步分析發現，這些二聚體可克服某些腫瘤細胞系的天然耐藥性，這可能歸因于此類二聚體可通過激發腫瘤細胞的凋亡性或非凋亡性細胞死亡過程。左氧氟沙星二聚體7的抗革蘭陰性菌(銅綠假單胞菌和大腸埃希菌)活性優于環丙沙星二聚體5,6，但后者的抗金葡球菌活性更高。其中，環丙沙星二聚體5b-e和6b-d不僅對藥敏型金葡球菌的活性極高(MIC: ≤0.97 μmol/L)，而且對所測的2株MRSA和耐多藥臨床分離株也具有潛在的活性，MIC為0.0081～125 μmol/L。特別值得一提的是，二聚體6d對所測2株MRSA的MIC低至0.06 μmol/L，對所測2株耐多藥金葡球菌臨床分離株的MIC為1.9和15.6 μmol/L，具有治療MRSA和耐多藥金葡球菌感染的潛力。聚乙二醇硫酰胺連接的諾氟沙星和環丙沙星二聚體8a,b (MIC: 3.9～＞125.4 μmol/L)對所測絕大多數菌株的活性弱于母藥諾氟沙星和環丙沙星(MIC: 1.3～＞6.2 μmol/L)，提示連接子對二聚體的活性至關重要。

氟喹諾酮-1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮雜合體具有優秀的抗菌活性，故將1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮嵌入至氟喹諾酮二聚體也可能會獲得抗菌活性較高的候選物。1,2,4-三氮唑-5(4H)-硫酮連接的萘啶酸-諾氟沙星/環丙沙星衍生物9對大腸埃希菌、假結核耶爾森氏菌、銅綠假單胞菌、金葡球菌、糞腸球菌、蠟樣芽孢桿菌和恥垢分枝桿菌顯示出一定的活性，MIC為＜1～78 μg/mL。SAR研究結果表明，萘啶酸-環丙沙星衍生物9c,d (MIC: ＜1～9.7 μg/mL)的活性優于相應的萘啶酸-諾氟沙星衍生物9a,b和對照有氨芐西林(MIC:10～＞128 μg/mL)。

均三嗪連接的環丙沙星二聚體10a及其衍生物10b (MIC: 0.25～2 μg/mL)具有廣譜抗菌活性，二者對金葡球菌、腸球菌屬、大腸埃希菌、變形桿菌、志賀氏菌、克雷伯菌、假單胞菌和肺炎克雷伯菌的活性總體上不亞于母藥環丙沙星(MIC: ＜0.125～1 μg/mL)，但二聚體10c則對所測得革蘭陽性菌和陰性菌均未顯示出任何活性。

向藥物分子中嵌入金屬離子往往會深刻影響藥物的生物活性，且某些金屬化合物如二茂鐵喹已用于臨床或處于臨床評價階段，故金屬螯合物引起了研究人員的極大興趣。研究顯示，金屬離子與喹諾酮螯合是這類藥物發揮抗菌活性的關鍵步驟。顯然，喹諾酮金屬螯合物的抗菌活性可能優于喹諾酮自身。

據報道，低分子量的二價銅(Cu2+)螯合物對多種疾病有效，故將兩個喹諾酮母核通過Cu2+連接的策略是該領域的研究熱點。Cu(恩諾沙星)2(H2O)11(MIC:0.125～4 μg/mL)對所測金葡球菌、大腸埃希菌和銅綠假單胞菌的活性優于相應的單恩諾沙星-Cu2+螯合物(MIC: 0.5～4 μg/mL)和母藥恩諾沙星(MIC: 1～8 μg/mL)。值得一提的是，與母藥恩諾沙星(MIC: 1 μg/mL)相比，雙恩諾沙星-Cu2+螯合物11 (MIC: 0.125 μg/mL，見圖3)的抗革蘭陰性菌活性提高了8倍。

加替沙星-金屬螯合物12對所測包括耐藥菌MRSA在內的革蘭陽性菌顯示出良好的活性，且幾乎所有的螯合物的抗菌活性與對照藥加替沙星、司帕沙星和吉米沙星相當或更優。

大多數二價鉑(Pt2+)連接的氧氟沙星、培氟沙星、加替沙星、諾氟沙星、左氧氟沙星和司帕沙星二聚體的抗菌活性優于相應的母藥，且活性與氟喹諾酮母核息息相關：司帕沙星 ＞ 培氟沙星 ≈ 左氧氟沙星 ＞ 氧氟沙星 ＞ 諾氟沙星 ＞ 加替沙星。其中，雙司帕沙星-Pt2+螯合物13抗革蘭陽性菌和陰性菌的MIC低至0.2～0.5 μmol/L，活性是上述6種氟喹諾對照有的2～25.5倍，值得進一步研究。

除上述雙氟喹諾酮金屬螯合物外，藥物化學家還評價了若干其他雙氟喹諾酮金屬螯合物的抗菌活性。盡管某些螯合物的活性優于母藥，但大多數螯合物的活性弱于母藥。

3 抗腫瘤活性

腫瘤幾乎可在人體各個器官增殖，是僅次于系血管疾病的第二大致死性疾病。其中，肺癌、前列腺癌、直腸癌、胃癌和肝癌是男性最為常見的癌癥，而乳腺癌、直腸癌、肺癌、宮頸癌和胃癌則是女性多發癌癥。據世界衛生組織(WHO)估計，每年約有1400萬人罹患癌癥， 其中約880萬人因此喪命。僅2010年一年，全球因癌癥而導致的年度經濟損失高達1.16萬億美元。癌癥在全球范圍內的廣泛傳播和耐藥癌癥的不斷涌現，使得研發新高效型抗癌癥藥物迫在眉睫。目前，盡管多種抗癌候選物處于臨床研究階段，但仍不能滿足患者需求。因此，有必要研發新型抗癌藥物。

喹啉和喹諾酮類化合物也具有潛在的抗腫瘤活性，其中的某些化合物如托泊替康（見圖4）、Voreloxin和Quarfloxin已用于臨床治療各種癌癥或處于臨床評價階段。值得一提的是，在I期臨床試驗中，喹啉二聚物Dactolisib對各種實體瘤有良好的療效，目前正處于深入評價階段，結果值得期待。因此，喹啉和喹諾酮衍生物是潛在的抗癌藥物。

圖3 雙喹諾酮-金屬螯合物11～13的化學結構

圖4 托泊替康, Voreloxin, Quarf l oxin和Dactolisib的化學結構

對4-氧代-3-氟苯胺連接的喹啉二聚體14（見圖5）和15的體外抗腫瘤(H460, HT-29, MKN-45,U87MG和SMMC-7721細胞系)研究結果表明，這類二聚體(IC50: 0.011～3.56 μmol/L)具有中等到良好的抗腫瘤活性。此類二聚體對不同的腫瘤細胞系活性迥異，且大多數化合物對H460和MKN-45細胞系的活性較高。SAR顯示，R1位的取代基對活性影響不大，而R3位的取代基對活性有顯著影響，且單吸電子基對活性有利，而雙吸電子基和供電子基則對活性不利。值得一提的是，R3取代基的位置與活性密切相關，且間位優于對位。與二聚體14相比，化合物15的活性更高，提示向R2位引入氟原子可增強活性。其中，二聚體14d, 14e, 14m, 14n, 15a和15i (IC50:0.011～0.92 μmol/L)對所測所有腫瘤細胞系的活性均優于對照藥 foretinib (IC50: 0.031～1.04 μmol/L)，且對c-Met具有極強的抑制活性(IC50: 1.32～3.45 nmol/L)，提示c-Met可能是這類二聚體的作用靶點。代表物14e的抑c-Met活性與foretinib相當(IC50分別為1.32和1.16 nmol/L)，對所測5株腫瘤細胞系的IC50低至0.011～0.15 μmol/L，活性是foretinib的2.9～10.9倍，值得深入研究。進一步研究發現，喹啉核可被2-喹諾酮(16)取代，但不能被2-萘啶酮代替。代表物2-喹諾酮-喹啉16a (IC50: 0.031～0.52 μmol/L)對所測腫瘤細胞系的活性極高，對H460、HT-29和U87MG細胞系的活性分別是對照藥foretinib的6.1、2.4和2.1倍。化合物16a對c-Met (IC50: 1.21 nmol/L)和Flt-3 (IC50: 2.15 nmol/L)均具有良好的抑制活性，但對c-Kit, VEGFR-2、PDGFR-b和EGFR的抑制活性(IC50:362.8～＞100,000 nmol/L)較弱，提示c-Met和Flt-3是其主要作用靶點。

羥基喹啉二聚體17對KB3細胞系具有良好的活性，CC50為1.3～123 nmol/L，但弱于對照藥多西他賽(CC50: 0.25 nmol/L)。SAR顯示，與化合物17a (CC50:15 nmol/L)相比，向苯環的對位引入甲基(17b, CC50:2.6 nmol/L)和三氟甲基(17c, CC50: 1.3 nmol/L)可提高活性，而向對位引入硝基(17d, CC50: 42 nmol/L)或向鄰位引入三氟甲基(17e, CC50: 123 nmol/L)則對活性不利。作者進一步測試了二聚體 17b,c對多株腫瘤細胞系和2株非腫瘤細胞系的活性，發現二者對絕大多數細胞系具有良好的活性，CC50為0.8～8.0 nmol/L。有趣的是，二聚體17c對所測所有細胞系的活性均優于化合物17b。作用機制研究結果顯示，二者既不抑制微管蛋白也不抑制蛋白酶體，但對腫瘤壞死因子相關細胞凋亡誘導配體具有促凋亡作用。

喹啉二聚體18a-e具有良好的抑類端粒沉默干擾體1 (DOT1L)活性，IC50為1.06～21.67 μmol/L。SAR顯示，這類二聚體的抑DOT1L活性與R位的取代基息息相關，且-NH2(18a, IC50: 1.5 μmol/L) ＞ -OH (18b,IC50: 4.35 μmol/L) ＞＞ -OMe (18c, IC50: 21.67 μmol/L)，提示氫鍵供體對活性有利。二聚體18d (IC50: 1.08 μmol/L)的活性優于18a，提示嘧啶環上的甲基對活性不利。化合物18e (IC50: 1.06 μmol/L)的抑DOT1L活性略優于其位置異構體18d，但其(IC50: 30.54和45.75 μmol/L)抗混合系白血病(MLL)表達急性白血病細胞MV4-11和非MLL重排白血病細胞活性較弱，這可能是由于該化合物的滲透性較差所致。

圖5 喹啉二聚體和喹啉-喹諾酮衍生物14～19的化學結構

除上述喹啉二聚體外，某些其他二聚體也具有潛在的抗腫瘤活性，如喹啉二聚體19對DMAMB-468和MCF-7腫瘤細胞系的GI50分別為7.35和14.80 μmol/L，優于相應的單喹啉衍生物(GI50:8.22～51.57 μmol/L)，值得進一步研究。

[1,2,4]三唑[3,4-b][1,3,4]噻二唑連接的氟喹諾-氟喹諾酮二聚體20（見圖6）和21對所測得L1210、CHO和HL60腫瘤細胞系具有潛在的活性，IC50為0.12～26.2 μmol/L。其中，二聚體20a和21d (IC50:0.54和0.12 μmol/L)對HL60的活性最高，提示N-1位的環丙基為高活性所必需。進一步研究顯示，用2,5-[1,3,4]噁二唑取代[1,2,4]三唑[3,4-b][1,3,4]噻二唑并不能提高抗腫瘤活性，而2-喹諾酮二聚體則僅顯示出較弱的抗腫瘤活性。

4 抗瘧疾活性

瘧疾，尤其是惡性瘧原蟲引起的瘧疾，是致死性極高的傳染性疾病，嚴重威脅人類健康。喹啉類抗瘧疾藥物是臨床上應用最為廣泛的抗瘧疾藥物之一，而喹諾酮可通過作用于瘧原蟲的紅內期和肝期發揮抗瘧疾功效。喹啉和喹諾酮二聚體可能具有雙重作用機制，故可能具有更高的抗瘧疾活性。4-氨基喹啉二聚體哌喹不僅抗惡性瘧原蟲和間日瘧原蟲引起的瘧疾的活性不亞于氯喹，對耐氯喹惡性瘧原蟲引起的瘧疾也有良好的療效。目前，哌喹已被我國和印度尼西亞用于瘧疾的防治。顯然，喹啉和喹諾酮二聚體是抗瘧新藥優良的候選物。

SAR顯示，4-氨基-7-氯喹啉結構片段可抑制β-血紅素的形成，使藥物在作用靶點累積，故4-氨基-7-氯喹啉結構單元對抗瘧疾而言至關重要。無論用供電子基如氨基、甲氧基或吸電子基如硝基代替C-7位的氯，均會導致活性的大幅下降。因此，以不同連接子連接的4-氨基-7-氯二聚體引起了藥物化學家的持續關注。

Vennerstrom等評價了烷基二胺(22，見圖7)或雜環烷基二胺(23)連接的4-氨基-7-氯二聚體的體外(氯喹敏感型D6和耐氯喹型W2惡性瘧原蟲)和體內(伯氏瘧原蟲感染小鼠)活性，發現二聚體22 (IC50: 1.0～83 nmol/L)和23a-j (IC50: 1.2～89 nmol/L)對所測的氯喹敏感型D6和耐氯喹型W2惡性瘧原蟲均具有良好的活性，且對耐氯喹型W2惡性瘧原蟲的活性優于氯喹(IC50: 100 nmol/L)。SAR顯示，含有哌嗪和帶有醚鍵二胺連接子的二聚體在伯氏瘧原蟲感染小鼠模型中的體內活性優于相應的烷基二胺二聚體。體外活性最高的二聚體22m (Ro 48-6910, IC50: 1.0和1.4 nmol/L)具有良好的體內活性，其在給藥劑量為160和320 mg/kg時的治愈率高達80%和100%。但Ro 48-6910與氯喹顯示出體外交叉耐藥性，且該二聚體在臨床前研究中顯示出光毒性，不具備進一步研究的價值。

圖6 氟喹諾酮二聚體20和21的化學結構

喹啉和喹諾酮二聚體由于體積比較大可能難以被轉運蛋白外排，故這類二聚體可能能夠克服瘧原蟲對氯喹的外排作用。喹啉二聚體24a (IC50: 98和89 nmol/L)和24b (IC50: 58和10 nmol/L)對耐氯喹型W2和K1惡性瘧原蟲的活性是氯喹(IC50: 280和154 nmol/L)的1.73～15.4倍，二者具有治療耐藥瘧疾的潛力。對一系列含有直鏈或環胺基連接子的喹啉二聚體的體外抗惡性瘧原蟲活性和對哺乳細胞細胞毒性測試結果表明，與含有直鏈胺基連接子的二聚體相比，含有環胺連接子的二聚體盡管活性沒有明顯提高，但細胞毒性有所降低。活性最高的喹啉二聚體25a對耐氯喹型W2、FcB1R、D6和F32惡性瘧原蟲的IC50為64.6～170.1 nmol/L，與氯喹(IC50: 19～175 nmol/L)相當，且該二聚體對MRC-5和小鼠腹腔巨噬細胞無毒。二聚體25a的二茂鐵衍生物25b對氯喹敏感型HB3和耐氯喹型Dd2惡性瘧原蟲也具有極高的活性，IC50為110和62 nmol/L，其抗氯喹敏感型HB3惡性瘧原蟲的活性優于氯喹 (IC50: 94 nmol/L)。大環多胺連接的7-氯喹啉二聚體25c (IC50: 4.1, 5.8和2.5 nmol/L)不僅無細胞毒性，而且對氯喹敏感型D6、耐氯喹型W2和耐甲氟喹型TM91C235惡性瘧原蟲的活性優于對照藥氯喹(IC50: 8.2, 283.5和90.0 nmol/L)和甲氟喹(IC50: 19.9,7.2和55.8 nmol/L)，具有治療藥敏型和耐藥型瘧疾的潛力。二聚體25c抑制β-血紅素形成的IC50為1.1 μmol/L，是氯喹(IC50: 9.5 μmol/L)的8.6倍。在感染伯氏瘧原蟲的小鼠模型中，二聚體25c的體內活性與氯喹相當(半數有效量/ED50: ≤1.1 mg/kg; ED90: 5.6 mg/kg)，且即使給藥劑量為30 mg/kg仍未顯示出體內毒性。以上結果表明，二聚體25c可作為候選物進一步研究。

脲連接的7-氯喹啉二聚體26可通過抑制血紅素的形成抑制耐氯喹W2惡性瘧原蟲，其活性(IC50: 77 nmol/L)是氯喹(IC50: 244 nmol/L)的3倍。甾體連接的4-氨基-7-氯二聚體27對耐氯喹型W2和耐甲氟喹型TM91C235惡性瘧原蟲的活性與氯喹相當或更優，但對氯喹敏感型D6惡性瘧原蟲的活性弱于氯喹。研究表明，短鏈(n=0)二聚體27a (IC50: 119.64, 98.19和124.15 nmol/L)對所測氯喹敏感型D6、耐氯喹型W2和耐甲氟喹型TM91C235惡性瘧原蟲的活性優于長鏈(n=1)衍生物27b (IC50: 143.32, 108.31和194.74 nmol/L)。7-氯喹啉二聚體四氟硼酸鹽28對氯喹敏感型Nigerian和耐氯喹型Fcba及FcM29惡性瘧原蟲的IC50為350～468 nmol/L，但弱于母藥青蒿素(IC50: 4～8 nmol/L)和氯喹(IC50: 30～260 nmol/L)。

7-氯喹啉二聚體29 (IC50: 35.49～128.59 nmol/L)對D10和Dd2惡性瘧原蟲的活性優于其5-甲基衍生物(IC50: 80.22～1914.01 nmol/L)，且對CHO細胞無毒。SAR顯示，向R1位引入甲基對活性有利，且甲基二聚體29d (IC50: 37.38和71.13 nmol/L)對D10和Dd2惡性瘧原蟲的活性高于氯喹(IC50: 48.35和242.30 nmol/L)。二聚體29d對CHO 的CC50為7.8 μmol/L，選擇性指數(SI)為211。進一步研究發現，這類二聚體也具有潛在的抗腫瘤活性，且活性最高的二聚體29a對TK10、UACC62和MCF7腫瘤細胞系的活性優于依托泊苷。

圖7 7-氯喹啉二聚體22～32的化學結構

SAR研究顯示，含有烷胺連接子的7-氯喹啉二聚體30 (IC50: 24～1430 nmol/L)的體外抗氯喹敏感型3D7和耐氯喹型K1惡性瘧原蟲的活性優于含有剛性哌嗪結構單元的二聚體31 (IC50: 355～2090 nmol/L)。側鏈碳鏈的長度與二聚體的抗耐氯喹型K1惡性瘧原蟲活性息息相關，且短鏈如2個碳有利于活性，其中異丁基對活性最優。代表物30d對氯喹敏感型3D7和耐氯喹型K1惡性瘧原蟲的活性相當，IC50分別為24和26 nmol/L，對耐氯喹型K1惡性瘧原蟲的活性是氯喹(IC50: 255 nmol/L)的10倍。不僅如此，該二聚體30d的SI高達1011.71，值得進一步開發。

含有1,2,3-三氮唑和β-內酰胺結構片段的7-氯喹啉二聚體32僅顯示出較弱的抗瘧原蟲活性，IC50在μmol/L水平，提示喹啉C-4位的仲胺對高活性而言至關重要。7-氯喹啉-吖啶衍生物具有弱到中等強度的體外抗NF54惡性瘧原蟲活性，對環狀期進入裂殖期的寄生蟲MIC為0.25～1 μg/mL。SAR顯示，喹啉與吖啶之間的連接子對活性影響顯著，且對/間苯二次甲基優于乙基二胺基和丙基二胺基。間苯二次甲基連接的二聚體33a (MIC: 0.25 μg/mL，見圖8)的活性優于相應的對苯二次甲基連接的二聚體33b (MIC: 0.5 μg/mL)，但均弱于氯喹(MIC: 0.125 μg/mL)。在伯氏瘧原蟲感染小鼠模型中，化合物33a可在給藥d4(腹腔注射, 50 mg/kg)可完全消除小鼠體內的寄生蟲血癥，但小鼠的存活期不超過28d。

氯喹啉-喹啉化合物34a,b (IC50: 20.1和74.1 nmol/L)對耐氯喹型FcB1惡性瘧原蟲的活性優于氯喹(IC50:126.0 nmol/L)。其中，化合物34a (CC50: 16.4 μmol/L)對MRC-5細胞的細胞毒性低，SI為816，可作為先導物進一步優化。在伯氏瘧原蟲感染小鼠模型中，二聚體 35a盡管并未顯示出任何活性，但其衍生物35b(ID50: 5.9 mg/kg; 14.9 mmol/kg)的活性與Ro 48-6910(ID50: 3.0 mg/kg; 8.3 mmol/kg)相當。

甲氟喹二聚體WR319691和WR319775對耐甲氟喹D6和耐多藥惡性瘧原蟲C235 (對甲氟喹、氯喹和乙胺嘧啶耐藥)具有良好的活性，IC90為22～80 ng/mL。WR319691和WR319775的甲基衍生物WR621613和WR621612對耐甲氟喹D6和耐多藥惡性瘧原蟲C235的IC90: ≥329 ng/mL，提示甲基的引入對活性不利。

氯喹的耐藥性主要由氯喹抗性轉運體(PfCRT)突變導致，耐藥性氯喹抗性轉運體(PfCRTCQR)可通過介導寄生蟲的消化液泡外排氯喹，且PfCRTCQR也可降低寄生蟲對其它喹啉類抗瘧藥的敏感性。顯然，PfCRTCQR是潛在的抗耐藥瘧疾藥物的作用靶點。對一系列酯基、羰酰胺或酰胺連接的奎寧抑PfCRTCQR、體外抗惡性瘧原蟲和體內抗瘧疾研究結果表明，酰胺36a和羰酰胺36b對PfCRTCQR具有良好的抑制作用，IC50為5.3和1.4 μmol/L，遠優于奎寧、維拉帕米和沙奎那韋(IC50: 48, 30和13 μmol/L)。值得注意的是，二者并不會通過消化液泡被PfCRTCQR外排，而是在細胞器內累積。二者對β-血紅素的抑制作用呈劑量依賴性，IC50分別為3.4和2.5 μmol/L，與奎寧(IC50: 3.9 μmol/L)相當。二者在血漿中的半衰期＞90 h，提示穩定性良好。二聚體36a,b(IC50: 32.0～514.1 nmol/L)抑制氯喹敏感型HB3 (攜帶PfCRTCQS)、耐氯喹型Dd2 (攜帶PfCRTCQR)、FCB和P31 (攜帶PfCRTCQR)惡性瘧原蟲的IC50在納摩爾級，盡管二者對氯喹敏感型HB3惡性瘧原蟲的活性弱于奎寧，但對所測所有耐藥惡性瘧原蟲的活性均高于奎寧。在伯氏瘧原蟲感染小鼠模型中，二聚體36a(ED50: 38.2 mg/kg)的體內活性略優于奎寧(ED50: 48.7 mg/kg)，但化合物36b在給藥劑量為10和40 mg/kg時未顯示出明顯的抗瘧疾活性。

圖8 C-4位連接的喹啉二聚體33～38的化學結構

他克林二聚體37 (IC50: 50～6110 nmol/L)對氯喹敏感型3D7和耐氯喹型Dd2惡性瘧原蟲的活性與連接子息息相關，且長鏈(n≥5)連接子優于短鏈(n=1～4)連接子。進一步修飾所得的二聚體38 (IC50: 20～50 nmol/L)對氯喹敏感型3D7惡性瘧原蟲的活性與氯喹(IC50:20 nmol/L)相當，其中，代表物38f (IC50: 20 nmol/L)對J774.1的細胞毒性(CC50: 25 μmol/L)較低，SI為1,250。作用機制研究結果顯示，二聚體38f (IC50: 5.2 μmol/L)可作用于寄生蟲生長所必需的半胱氨酸蛋白酶falcipain-2，進而發揮抗瘧疾功效。

噻吩[3,2-c]喹啉二聚體對氯喹敏感型3D7和耐氯喹型Dd2惡性瘧原蟲具有潛在的活性，IC50分別為210～2100 nmol/L和50～4100 nmol/L，弱于對照藥氯喹(IC50: 21和210 nmol/L)。其中，二聚體39 (腹腔注射，見圖9)在文氏瘧原蟲感染小鼠模型中的ED50為30 mg/kg。氯喹二聚體40對氯喹敏感型D10和耐氯喹型K1惡性瘧原蟲的IC50分別為43～454和17～25 nmol/L，耐藥性指數(RI)≤0.5，說明這類二聚體具有治療耐藥瘧疾的潛力。其中，二聚體40c (IC50: 43和17 nmol/L)對氯喹敏感型D10惡性瘧原蟲的活性與氯喹(IC50: 40和540 nmol/L)相當，對耐氯喹型K1惡性瘧原蟲的活性則是氯喹的31.7倍。

喹啉二聚體41、42和43對氯喹敏感型D10、耐氯喹型K1 (對氯喹耐藥, 但對甲氟喹敏感)和K1mef (耐甲氟喹)惡性瘧原蟲的IC50為20～980 nmol/L，且活性順序為42＞43＞41。含有4個碳連接子的二聚體活性最高，二聚體44也觀察到了類似結果。代表物42d對耐藥惡性瘧原蟲的活性優于對敏感惡性瘧原蟲，對氯喹敏感型D10、耐氯喹型K1和K1mef惡性瘧原蟲的IC50分別為50、20和20 nmol/L。在感染尼日利亞約氏瘧原蟲的小鼠模型中，二聚體42d (IC50: 5.2 mg/kg)的體內活性弱于氯喹(IC50: 2.5 mg/kg)。在給藥劑量高于IC502倍時，二聚體42d顯示出嚴重的毒性；當口服給藥化合物42d劑量為25 mg/kg，盡管試驗小鼠依然存活，但對體內尼日利亞約氏瘧原蟲的抑制率僅為13%。

Jain等評價了一系列8-氨基喹啉二聚體的體內外抗瘧疾活性及對VERO細胞的細胞毒性，發現所有的二聚體均對VERO細胞無毒，且對氯喹敏感型D6和耐氯喹型W2惡性瘧原蟲的活性(IC50: 0.3～4.76 μg/mL)與首喹(IC50: 2.0和2.8 μg/mL)相當。其中，代表物45(IC50: 0.34和0.3 μg/mL)的體外抗氯喹敏感型D6和耐氯喹型W2惡性瘧原蟲活性是首喹的6和9倍。在伯氏瘧原蟲感染小鼠模型中，二聚體45可在給藥劑量為10 mg/kg時治愈率達83.3%，給藥劑量為25 mg/kg時完全抑制血內期瘧原蟲，而首喹即使在給藥劑量為100 mg/kg時也未顯示出任何活性。

圖9 喹啉二聚體39～49的化學結構

喹啉和喹諾酮二聚體46和47未顯示出明顯的體外抗瘧原蟲活性，而二聚體48具有良好的體內外活性。二哌喹的代謝產物49也具有潛在的抗瘧原蟲活性，值得進一步研究。

5 抗結核活性

結核病(TB)主要是由結核分枝桿菌(MTB)引起的致死性傳染病，嚴重威脅人類健康。耐藥TB (DRTB)尤其是耐多藥TB (MDR-TB)的不斷涌現和在世界范圍內的廣泛傳播，已成為全球所必須共同面對的棘手問題。據世界衛生組織估計，僅2016年一年全球新增病例高達1040萬，167萬患者因此喪命。其中，新增耐利福平患者約60萬，而其中的49萬是更難治的MDR-TB患者。因此，亟需開發對藥敏型和耐藥型TB均有效的新型藥物。

喹啉和喹諾酮衍生物具有良好的抗TB活性，其中的某些產品如貝達喹啉和環丙沙星已被用于治療MDR-TB患者。分枝桿菌極度疏水的細胞膜是阻止抗TB藥物到達作用靶點的天然屏障，故化合物的脂溶性對其抗TB活性至關重要。適當的提高化合物的脂溶性可能會提高其抗TB活性，而喹啉而喹諾酮二聚體的脂溶性高于相應的單核化合物，故喹啉而喹諾酮二聚體可能具有更高的抗TB活性，值得研究。

喹啉二聚體對MTB臨床分離株(耐異煙肼、利福平、乙胺丁醇和環丙沙星)具有良好的活性，MIC為1.1～43.4 μmol/L。SAR顯示，與無取代的二聚體50a-k（見圖10）相比，在R2位含有氯原子的二聚體50l-q的活性更高。向苯環上引入鹵素如氯和溴可提高活性，且鹵素氯和溴在苯基的間位優于在對位，而供電子基的甲基和甲氧基對活性不利。二聚體50o,q(MIC: 1.1和2.2 μmol/L)對所測菌株的活性是環丙沙星、乙胺丁醇和吡嗪酰胺(MIC: 4.7, 7.6和50.77 μmol/L)的2.1～46.4倍，但弱于異煙肼和利福平(MIC: 0.4和0.1 μmol/L)。細胞毒性試驗結果表明，二者小鼠成纖維細胞NIH 3T3的毒性極低，IC50分別為333和887 μmol/L。

對貝達喹啉衍生物51的體外抗MTB H37Rv和2株MDR-TB臨床分離株的評價結果表明，除化合物51ce (MIC: ＞50 μmol/L)外，所有衍生物(MIC: 0.39～3.12 μmol/L)均具有潛在的活性。SAR表明，R1位為甲基對活性最優，而向苯環的間位(R2位)引入溴對活性不利。活性最高的化合物51a,g對MTB H37Rv和2株MDR-TB臨床分離株的MIC分別為0.39和3.12 μmol/L，且對VERO和小鼠骨髓來源巨噬細胞無毒(CC50:＞100 μmol/L)。化合物51a,g可分別降低90%和91%的小鼠骨髓巨噬細胞內的MTB菌落單位，與異煙肼和利福平(可降低98%的菌落單位)相當。在骨髓巨噬細胞內模型中也得到了類似的結果。在MTB H37Rv感染的小鼠模型中，二聚體51a的體內活性不亞于異煙肼和乙胺丁醇。當給藥劑量為50 mg/kg時，所有小鼠在d29仍存活，但給藥劑量增加到100 mg/kg時在d9有1只小鼠死亡。

腙連接的喹啉二聚體52 (MIC: 2.2～9.6 μmol/L)對MTB H37Rv具有中等強度的活性，但弱于異煙肼和利福平(MIC: 0.36和0.037 μmol/L)，但這類化合物對VERO 細胞的毒性較高，SI在1左右。大多數2-氯喹啉二聚體53對MTB H37Rv無活性， MIC90＞30 μg/mL。活性最高的化合物53a對MTB H37Rv和M. bovis BCG的MIC90為7.8和9.4 μg/mL，遠弱于利福平(MIC:0.02和0.0173 μmol/L)。

圖10 喹啉二聚體50～53的化學結構

圖11 喹啉-氟喹諾酮化合物54和55的化學結構

喹啉-氟喹諾酮(諾氟沙星、環丙沙星和氧氟沙星)衍生物54a-c（見圖11）在濃度為6.25 μg/mL時對MTB H37Rv的抑制率分別為86%、98%和98%，活性優于N-1位芳基衍生物54d,e (6.25 μg/mL時對MTB H37Rv的抑制率為44%和47%)。菲啶-環丙沙星衍生物55 (MIC:12.5 μg/mL)對MTB H37Rv具有中等強度的活性，但弱于異煙肼和利福平(MIC: 0.36和0.02 μg/mL)。

6 其它生物活性

圖12 喹啉二聚體56～58的化學結構

除以上生物活性外，喹啉和喹諾酮二聚體還具有其它活性。喹啉二聚體56a-f（見圖12）對杜氏利什曼原蟲前鞭毛體和胞內無鞭毛體具有良好的活性，IC50分別為2.0～13.5 μg/mL和2.1～10 μg/mL。SAR顯示，向R1位引入甲基對活性不利，而向R2位引入氯或延長碳鏈長度對活性有利。其中，二聚體56a、56b和56f (IC50: 2.0～2.8 μg/mL)對杜氏利什曼原蟲前鞭毛體和胞內無鞭毛體的活性與噴他脒(IC50: 2.1和2.8 μg/mL)相當，但弱于amphotericitin B (IC50: 0.16和0.1 μg/mL)。在內臟利什曼病BALB/c小鼠模型中，三者未顯示出明顯的毒性。其中，代表物56b在給藥劑量為12.5和5.5 mg/kg時可降低95%和98.49%的脾組織和肝臟寄生蟲，且在給藥劑量＞12.5 mg/kg對腎臟和肝臟無毒。二聚體57a-c對亞馬遜利什曼原蟲無鞭毛體和碩大利什曼原蟲無鞭毛體無活性(IC50＞32 μmol/L)，但對嬰兒利什曼原蟲無鞭毛體和布氏錐蟲無鞭毛體具有一定的活性，IC50為8～24 μmol/L。

喹啉二聚體58對秀麗隱桿線蟲、多形螺旋線蟲和陰道毛滴蟲的活性與對照藥相當或略弱于對照藥。喹啉二聚體58對乙酰膽堿酯酶(AChE)的活性弱于丙硫咪唑，其在200 mg/kg時可降低31.2%的體內旋毛蟲，但弱于甲苯達唑(在25 mg/kg時可降低84.2%的體內旋毛蟲)。

6 結束語

喹啉和喹諾酮二聚體具有多種藥理活性如抗菌、抗腫瘤、抗瘧疾和抗結核活性，其中某些喹啉和喹諾酮二聚體已在臨床上使用。因此，近年來喹啉和喹諾酮二聚體引起了藥物化學家的廣泛關注。近年來，藥物化學家有針對性的設計、合成并評價了眾多喹啉和喹諾酮二聚體的體內外生物活性，發現了若干有苗頭的化合物。本文著重介紹了近年來該領域的最新研究進展，并歸納這類化合物的構-效關系，以期指導藥物化學家更合理的設計此類二聚體。