随着科学技术的快速发展，药物化学领域取得了长足进步，新的药物分子设计技术不断涌现，为疾病治疗药物的研发不断提供新的路径和新的策略。之前我们介绍了小分子靶蛋白降解药物、偶联药物、多肽类药物，以下介绍大环小分子药物，为我们的药物研发策略选择和新药研发项目立项决策提供参考。

药物中有一类被称作大环小分子的药物，它们的分子中含有大约12～20（或更多）个原子构成的大环结构。目前，临床上已有的大环药物有68个，大都是环肽和大环内酯，分别作注射和口服用药，主要用于感染、炎性和肿瘤等疾病治疗。线型肽环合成环肽，可增加肽的稳定性和活性，多是人为设计；而大环内酯多为天然产物或其改构物，较少分子设计所得。

含有大环结构的小分子药物是近20年来药物化学关注的领域，是因为在提高药理活性和选择性，完善成药性方面显示出一定的优势，大环结构兼顾了与靶标结合的微观结构和药代动力学所需求的宏观性质。大环药物源自于天然活性物质，近年来成环设计合成的大环药物扩大了传统小分子的化学空间，在一定程度上突破了熟知的类药5原则。大环分子也为研制可药性差的靶标和干预蛋白-蛋白相互作用的药物开辟了新的路径。

药物的作用靶向和脱靶分别产生相应的药理作用和不良反应，根源是药物分子与相应的生物大分子的微观结构互补性结合所致。药物在体内的药代动力学（吸收、分布、代谢、排泄等）主要由药物的宏观性质所决定，微观结构和宏观性质都寓于化学结构之中。由先导物演化成候选药物的结构优化过程，是将药理活性（强度和选择性）和成药性（药代、安全性和物化性质）以最佳配置融合于结构之中。药物化学的原理和内涵实质上是调节二者的兼顾性。

近年来研究大环小分子药物成为新药研究的活跃领域，动因是传统小分子对一些靶标（或靶标的突变）成药性空间狭窄，需要加以扩展，已经熟知的类药5原则（RO5）束缚了人们研发设计的空间，而大环化合物是一种策略。

基于受体结构研制的小分子药物中，若在化学结构的适宜部位连接成大环，对提高活性和选择性、药代动力学性质和稳定性有重要影响。大环的形成是在优化结构的某个阶段，将柔性的开链分子连接成有一定刚性的环状分子，从而把线型分子的多种构象固定为宜于同靶标结合的活性构象，降低了结合能的熵损失，从而可提高活性和选择性。分子成环状结构往往也提高过膜和吸收性以及代谢稳定性，所以，研制大环小分子药物兼具提高活性和成药性的双重意义。

一、大环小分子化合物在生物医药中的应用

目前，大环小分子药物已在临床抗菌、抗真菌、抗病毒、抗肿瘤及神经系统疾病、心血管疾病、糖尿病等疾病治疗中广泛应用。

（一）在抗菌中的应用

根据大环化合物的结构特点，大环小分子抗菌药物可分为大环内酯类、环肽类、氮杂大环类等。这类大环小分子抗菌药物由于抗菌谱广、抗菌活性强、疗效显著和不易产生耐药性等特点而在临床上得到广泛应用。

1、大环内酯类抗菌药物

大环内酯类是指结构特征为分子中含有一个内酯结构的14～16元大环抗生素。近年来，细菌对这类药物的耐药性日益增加，目前主要开发的是酮类酯、酰内酯、氮内酯等第三代大环内酯类抗菌药物。

2、环肽类抗菌药物

由于环肽没有C和N端的可电离性和高比率的顺式酰胺键，使得它在体内能够抵抗酶的降解，并提高膜通透性，因而具有良好的生物利用度；环状结构在很大程度上也减少了结构的柔性，提高了它对受体的选择性。伴随着分子生物学、生物化学等技术的飞速发展，环肽类药物越来越受到人们的青睐。

环肽类药物大多是抑制RNA、DNA和蛋白质合成的细胞毒类化合物，为细胞周期非特异性药物，多具有免疫抑制作用。尽管近几十年来人们已经发现、合成了多种此类化合物，但临床应用的还是不多。从植物或海洋生物等天然资源中寻求新的环肽化合物，并在此基础上进行构效关系研究和化学修饰是寻找此类药物的重要研究方向。

3、氮杂大环类抗菌药物

含咪唑环的许多药物临床疗效显著，但常引起贫血等毒副作用。为克服此缺点，许多研究课题组做了大量而有成效的工作。研究表明，大环钴咪唑配合物对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）有较好的抑制作用，而以二甲苯桥将大环多肽与咪唑连接的大环类化合物通过促进细菌DNA的裂解而表现出良好的抗菌活性。还有一种改进的方法是将其制成大环状咪唑鎓盐，也取得了良好的效果。

（二）在抗真菌中的应用

以神经酰胺合成酶为靶点的大环小分子抗真菌药物，使神经酰胺在真菌细胞内积累而导致真菌死亡，这类药物有望成为一种新型抗真菌药物。

（三）在抗病毒中的应用

1、抗艾滋病毒

逆转录酶和蛋白酶是艾滋病毒复制过程的两个关键酶。研究证实，一个好的蛋白酶抑制剂应是一个更好的野生型与耐药型艾滋病毒蛋白酶抑制剂。通过引入大环而使抑制剂具有限定构象极大地提高了药物与艾滋病毒蛋白酶的亲和性，具有比线型抑制剂更好的抗病毒活性。另外，研究发现双四氮杂环十四烷类化合物是一种良好的CXCR拮抗剂，在体内能抑制X4或X4/R5型艾滋病毒复制，具有良好的抗艾滋病毒作用。大环多胺类、大环多胺金属复合物等也展现出较好的抗艾滋病毒前景。

2、抗疱疹病毒

萘啶是一类化学式为C8H6N2的杂环化合物。目前，萘啶类化合物的研究正受到广泛重视。构效关系表明，氮原子在萘啶的1，6位是最佳位置，且C28位的取代和C22位较大的烃氧基对提高抗疱疹病毒活性有利。

3、抗丙肝病毒

在线型抗丙肝病毒药物结构的基础上，研究人员设计了一系列大环小分子抑制剂，研究表明，这些大环小分子化合物具有良好的抗丙肝病毒活性和代谢稳定性及生物利用度。

（四）在抗肿瘤中的应用

大环小分子化合物在抗肿瘤中的应用主要是阻断微管形成、作用于核糖体亚单位、作用于端粒酶、作用于热休克蛋白和抑制血管生成等。

（五）在神经系统疾病中的应用

大环小分子化合物在神经系统疾病中的应用主要是阿尔茨海默病等疾病的治疗。

（六）在心血管疾病中的应用

大环小分子化合物在心血管疾病中的应用主要是抗动脉粥样硬化、作用于血小板活化因子（PAE）等。

此外，大环小分子化合物在糖尿病治疗中的应用也在开展研究。

二、大环小分子药物设计

目前，大环小分子药物设计模式仍然是按照常规的药物化学方法，优化苗头或先导物，基于化合物与靶标的共结晶进行理性设计，经构效关系（SAR）和试错试验筛选出高质量活性分子，在成环的过程中，仍然是在共晶结构的指导下，辅以动力学模拟和/或量子化学计算，对线型活性分子作环合操作，通过环合位点、尺寸大小和元素构成的探索性设计，在SAR和试错试验中得到优化的大环结构。大环的形成多是在优化后期完成。

有机合成反应的进步得以在温和条件下发生C-C键偶联，形成大环结构，是研究大环药物的技术支撑。结构生物学、分子模拟和计算化学则指导大环的设计，从微观结构上设计大环的位置、尺寸和元素组成，从而开辟了药物创制的新领域，为研发可药性差的靶标和干预蛋白-蛋白相互作用的药物扩大了化学空间。

三、大环小分子药物研发新策略

DNA编码分子库作为一项新型的药物研发手段，将化学合成与基因编码策略有机地结合起来，能高效构建超大规模分子库，进行针对疾病相关靶标的高通量筛选。最近几年，随着DNA兼容化学反应的不断进步，这类被称为“扫条码，找新药”的技术发展迅速，被多家制药公司用于新药研发，获得了一系列先导化合物。

在学术界，一系列优秀成果推动着DNA编码分子库技术的进步，其中包含了我国研究人员的工作，例如：香港大学李笑宇教授研究团队、中国科学院上海药物所陆晓杰研究员团队等。

当前，多数DNA编码分子库遵循小分子药物设计的Lipinski成药原则，并在针对诸多靶标蛋白的筛选中获得了成功，但这些靶标通常都含有明确可靶位点或小分子底物结合位点，例如激酶、蛋白酶、水解酶、磷酸酶等。这类分子库依旧很难用于靶向表面平坦、作用面积大的疾病靶标，例如被认为小分子“难成药”的蛋白相互作用靶标。

大环分子，因其能够和蛋白表面的广泛区域进行结合，被认为是靶向蛋白相互作用的优势结构。如果将大环分子和DNA编码分子库结合起来，将为新药研发带来新的驱动力。

重庆大学药学院李亦舟研究员和瑞士苏黎世联邦理工学院Dario Neri教授实验室合作，实现了基于恒定大环骨架的DNA编码分子库的合成与筛选。相关研究工作发表在Nature Chemistry  杂志上。

在该研究中，研究团队使用一个恒定β-折叠大环结构作为DNA编码分子库的骨架。该大环骨架由十个氨基酸残基组成，包含两条反平行β-折叠和两个Gly-Pro构成的β-转角结构。由于两条反平行β-折叠支撑，三个多样化位点指向折叠平面同一侧。该骨架的空间取向性有利于多样化模块与靶标蛋白形成大作用面，并能促进模块间产生协同效应，提高亲和力及选择性。通过3轮“拆分与合并”策略的DNA编码化学反应，对该恒定大环结构骨架进行多样化衍生，合成了包含35,393,112个成员的分子库。

针对不同靶标蛋白，研究团队筛选该DNA编码大环分子库，获得了多样化的特异性大环配体。这些靶标包括碳酸酐酶IX、辣根过氧化物酶、端粒聚合酶1、人血清蛋白、α1酸性糖蛋白、钙调蛋白、前列腺特异抗原和肿瘤凋亡因子。该研究结果表明，即使是针对像肿瘤坏死因子这样被认为小分子“难成药”的靶标，通过合理的大环结构骨架设计，也能够实现从同一DNA编码分子库中获得与不同蛋白靶标对应的活性化合物。

研究团队进一步对筛选所获得的大环配体的功能化应用进行了探索。研究表明，对含有前列腺特异抗原的组织进行免疫荧光染色，相应的大环配体能够获得与商业化抗体相同的效果。在对皮下移植瘤裸鼠进行体内分布研究中，研究团队发现连接近红外成像染料的大环配体能有效靶向表达碳酸酐酶IX的肿瘤组织。

此外，利用分子库中恒定大环骨架的结构特定，研究团队进一步将靶向钙调蛋白的大环配体发展成为光交联探针，并证明了该探针具有靶标选择性。

研究团队发展了基于恒定大环骨架的DNA编码分子库的合成与筛选技术。尽管所获的配体在亲和力方面存在局限（通常在µM级别），但通过对DNA编码大环分子库的进一步设计，研究人员有望解决一些传统药物研发的难题，甚至挑战目前药物化学较难实现的蛋白相互作用靶标，有望成为大环小分子药物研发的一种新策略。

四、环肽药物

环肽药物大致可分为环肽和钉固肽两类。

（一）环肽药物

环肽是肽链成环状结构，主要由氨基酸组成的大环化合物。环肽药物可有不同的结构类型，完全由氨基酸组成的环肽可以是N-端与C-端首尾相连的环肽，如环孢菌素，这类环肽类药物由于多为N-甲基氨基酸，对蛋白酶比较稳定，是少有的可口服环肽。

环肽还可以由两个相隔开的半胱氨酸形成二硫键而形成大环，一些内源性多肽常含有二硫键，形成稳定构象，化学性质也稳定。此外，侧链上的羧基或氨基之间、或与末端的氨基或羧基形成内酰胺，也可以形成大环结构。内源性环肽仍有代谢稳定性问题，可在不影响大环构象和活性的前提下，改变个别氨基酸（非天然，D构型等）以提高代谢和/或化学稳定性。

环肽还可以与糖片段形成糖肽，万古霉素是肽链与联苯和二苯醚组成的大环化合物并缀合糖分子而成，肽片段与细菌合成胞壁前体Lys-D-Ala-D-Ala形成5个氢键结合的网络，成为强效的抗菌药物。为克服万古霉素耐药进行结构修饰，2009年获批上市的特拉万星和2014年获批上市的达巴万星以及奥利万星没有改变肽环的骨架，只是在环上引入了亲脂或亲脂-亲水片段，增强对耐药菌的敏感性。

抗真菌药物阿尼芬净是脂环肽药物，于2006年获批上市，为含有正己氧基三联苯的环肽。阿尼芬净是棘球白素的改构物，由21元环扩为22元环。

（二）钉固肽

30年前，研究肽类化合物大多都是聚焦于非肽化和肽模拟物。随着对许多蛋白的非可药性和蛋白-蛋白相互作用（PPI）的深入认识，以及肽化学和生物药剂学的发展，直接研制肽类药物已经成为重要领域，其中钉固肽就是近20年来发展的技术平台。

钉固肽是在α螺旋肽链上将隔位的残基用烃基或其他片段相连而形成大环结构的修饰肽。

PPI是细胞和生理机能的重要载体，PPI是在较大范围内发生结合，虽然结合有热域之说，但仍因是在较平坦的界面上作广域结合，小分子药物干预PPI仍难度很大，而肽分子可与蛋白有较广泛的结合面，是研制作用于PPI的活跃领域。

发生PPI最常见的肽为α螺旋，当肽键的α碳被双取代可提高螺旋的稳定性。若α螺旋上两个相隔的残基的侧链以共价键形成环桥连接，可使螺旋构象稳定化，这种肽称作钉固肽，犹如钉固钉对肽作加固。

用烃基钉固的α螺旋肽不仅可稳定呈现生物活性的构象，还能提高对蛋白酶的稳定性，而且由于两亲型分子能够穿透细胞膜，使得全烃钉固肽不仅能与膜蛋白发生PPI，而且可进入细胞内发挥作用。

此外，从结构特征分析，钉固肽与普通肽不同，它克服了后者未呈结合状态的分子在溶液中多种构象存在，降低了与靶标蛋白结合重构活性构象所耗费的能量（熵损失），因而活性提高。

α螺旋肽的每一个螺旋含有3.6个氨基酸残基，为了在同一侧面上形成钉固装置，应在是在第i、i+4、i+7的位置上形成，残基侧链上有功能基的氨基酸，如Lys、Asp、Cys以及非天然氨基酸之间可按照上述间隔位置形成共价结合的钉固肽。更多的是在拟固定的两个位置的氨基酸α位预构连接成环的片段，经特定的化学反应，偶联成钉固环，应用最多的是全烃钉固肽。有机合成化学提供了多种催化环合活性的试剂。

为了提高钉固肽的活性和稳定性，需要进行分子设计、构效关系和试错试验，分子设计中有以下诸要素：

（1）两个钉固残基的距离的优化，即（i，i+4）或（i，i+7）的选定，而且肽链上可组装两个或以上的钉固装置。

（2）两个钉固原子的构型有4种可能，即（R，R）、（R，S）、（S，S）、（S，R），这需要SAR分析确定。

（3）全烃环的大小（即烃基的大小），偶联后双键的位置，双键的E/Z构型等。

以上几个因素可有不同的组合，分子模拟可作出预判，SAR加以优化。设计中可用Monte Cario或分子动力学模拟等计算化学作为辅助。

钉固肽作为另类大环分子，虽然仍有许多技术问题尚待解决，迄今为止尚无成功的钉固肽上市，但有潜在的发展优势，是肽类药物新的生长点，尤其在作用于细胞因子和信号传导的蛋白-蛋白相互作用中扮演着重要的角色。

五、大环超分子化学药物

随着大环化学的迅速发展，种类繁多的大环化合物在诸如分子自组装、分子识别与仿生研究、药学等领域得到广泛研究与应用，特别是大环类药物的研究与开发尤其引人注目。

在化学药物治疗中，提高它们的治疗指数是当今药物研发创新的重要趋势。人们希望药物能够专一、有效地与靶点作用而起得治疗效果，但是人体内部是一个极其复杂的生理环境，很多药物由于水溶性、脂溶性等因素影响难以到达病灶部位，运用超分子载体协助运输（有的以前药的形式）是一种行之有效且常用的方法。

用具有独特的结构和高选择性的大环化合物所形成的大环类超分子药物，通过弱相互作用，如静电作用力、氢键、范德华力、疏水作用、π- π、离子-π

作用等，不仅可根据其设计目的不同能在药物释放、分子识别、模拟酶、分子开关等方面起着重要作用，而且能大大改善药物的溶解度、生物利用度及实现靶向作用等，因此大环超分化学药物为化学药物治疗提供了新的推动力。许多工作对超分子化合物的研究显示了其广泛的医药应用前景，有关大环超分子化学药物的研发日益倍受关注。

超分子化学的发展与大环化学（冠醚、穴醚、环糊精、杯芳烃、碳60、杯吡咯、杯咔唑，瓜环葫芦脲、柱芳烃等）的发展密切相关。目前已报道的大环超分子化学药物主要有环糊精类、环番类、氮杂冠醚类、杯芳烃类、杯吡咯类、卟啉类、杯咔唑类、瓜环葫芦脲类、柱芳烃类等。

（一）环糊精类超分子化学药物

环糊精（CD）具有独特的空腔结构，是一种典型的超分子主体，能与小分子或大分子的一部分形成水溶性包合物，在人体中具有低毒性和不诱发免疫性反应等特点，使它成为药学、化学和生物学等领域的研究热点。

一些水溶性差、遇光易氧化分解、体内代谢不稳定、体内吸收慢、生物利用度低的药物，制成环糊精包合物后能有效地解决这类问题。

环糊精可以与许多药物形成非共价键复合物，因而在药物传输方面具有独到之处。但是，环糊精也存在一些缺陷，因而对环糊精进行了各种修饰。近年来，各种取代型、聚合型的环糊精成为该领域的研究重点。如环糊精聚合物极易溶于水，在药物剂量范围内即使长期服用，也未见毒性和免疫原性，且可以设计出电中性、正电性和负电性聚合物。该系列环糊精聚合物不仅能与小分子药物复合，而且也能很好地承载诸如核酸等大分子药物。当小分子药物与这类环糊精聚合物复合后，可以增加药物的溶解度、提高其稳定性、降低毒副作用、改善药代动力学特征等。更突出的是，与被动性的药物载体不同，该环糊精聚合物对生理机能和微环境条件有不同反应，因此，能设计出药物体系，使药物在适当的时间和部位释放。另外，由于桥基结构和桥联方式多种多样的桥联环糊精表现出比单个环糊精具有更好的键合能力和分子选择性，在人工仿酶、分子识别、药物载体等方面已取得可喜的进展。

（二）环番类超分子化学药物

环番是由一个或多个芳环和一条或多条碳链或仅为一个键组成的环外有环的多环烃型有机化合物。

在超分子化学中，环番作为一种人工受体，其是由短间隔基（架桥）连接2个或者更多个芳香化合物而形成的笼型大环化合物。通过改变或者调控芳香化合物的种类、架桥的种类及其数量，可以很方便地赋予环番诸如氢键、静电作用、疏水作用、π-π、离子-π作用等物理化学性质，从而使其兼备了冠醚、环糊精和多齿配体的一些特性。

随着环番化学的发展，越来越多的环类化合物（特别是具有手性的环番化合物）被合成出来，由于它们具有分子识别和光学性质等诸多性质，从而使其在主客体化学、分析化学、催化剂、人工酶、药物化学以及材料科学等领域都具有巨大的应用潜力。目前，有关环番的合成方法报道很多，主要有高度稀释法、模板法、催化法、氧化偶联法、化学水解法等。

利用环番的分子识别特性，可作为药物位置定向传输的载体，制成的环番类超分子化学药物可以提高药物的选择性。

（三）杯芳烃类超分子化学药物

阴离子在整个自然界都发挥着重要作用，现在阴离子配位化学已成为分子识别领域的研究热点。但由于阴离子本身所具有的特性，如可以低电荷密度、大小可调、电荷取向可变等，使得阴离子受体设计与应用受到极大的挑战。

杯芳烃作为新一代大环化合物的代表受到广泛关注，它在识别、结合、输送一些生理阴离子如硫酸盐、磷酸盐、氯代物等方面起着重要作用。杯吡咯作为阴离子受体已进行了广泛研究，但由于只能结合小的阴离子而大大限制了其应用范围。近年来设计合成的双吡咯杯环化合物在这方面有了很大的突破，它们对阴离子表现出强的亲和力和合理的选择性。

（四）氮杂冠醚类超分子化学药物

氮杂大环具有良好的热力学和动力学稳定性，成为影像学诊断MRI配体的重要研究对象。目前广泛应用的六个临床显影剂中就有钆喷酸葡胺和钆双胺两个氮杂冠醚类化合物。

为了提高显影剂的专一性和减少副作用，引入寻靶基团是当前研究的热点。氮杂冠醚类超分子化学药物作为一种寻靶基团，在提高显影剂的专一性和减少副作用方面具有独特的优势。

（五）卟啉类超分子化学药物

超分子卟啉化合物分子识别及应用是近几年发展起来的。这一研究领域具有巨大的应用前景，如它在光电、生物模拟氧化、太阳能贮存、气体传感器、模拟天然产物、催化作用及在医学上超分子卟啉用于光疗等领域受到人们的高度重视。卟啉是叶绿素和血红素的主要成分，它具有细胞内聚集恶性肿瘤的能力，当激光或热中子流照射肿瘤时，卟啉能分离氧杀死细胞。当它与其它药物结合时，具有更好的药效。近年来，俄罗斯肿瘤中心首次合成了系列高安全性的含磷卟啉药物，在实验鼠模型的实验证明，这类药物具有高效抗肿瘤作用。因此，开发卟啉类超分子化学药物，并研究它们的性质具有非常重要的意义。

大环类超分子化药物还有多类，应用较为广泛，显示出很大的发展潜力。近些年来超分子药物的研究与开发取得了显著成果，已在临床上形成巨大的影响。可以相信，随着化学合成技术的不断发展，超分子化学药物将越来越受到人们的重视，它不但能改善药物的理化性质和提高疗效，更重要的是对它在体内药物排泄和解毒机理的研究，有利于发现新的安全有效的药物。

 

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