基于煙堿的神經(jīng)系統(tǒng)藥物化學(xué)研究

1、基于煙堿的神經(jīng)系統(tǒng)藥物化學(xué)研究2004-12-20 Guangzhou2人生三大幸事 金榜題名 洞房花燭 老友重逢第1頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou3煙草化學(xué)-由表及里的科學(xué)第2頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou4吸煙有害健康 是一種可以避免的疾病和死亡原因； 可以引起癌癥, 心臟疾病, 中風(fēng), 慢性堵塞性肺炎等； 在北美地區(qū)，每年有超過50萬人死于吸煙引起的疾??； 在北美地區(qū)，在成年人群中，約有25%的人吸煙； 在北美地區(qū)，每天約有3500名青少年加入吸煙者的隊伍。第3頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou5人們?yōu)槭裁次鼰? 現(xiàn)在的研究也

2、顯示，吸煙也有一些好的方面（ rewarding effects）: 降低憤怒情緒； 減少體重； 集中精神，增強記憶力； 減少緊張程度等。第4頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou6煙草大事記 1930s 將煙草的使用確定為一種可以重復(fù)進行，可以調(diào)節(jié)的，類似于個人愛好一類的活動 1964 第一次美國衛(wèi)生局報告 吸煙被定義為一種可以上癮的行為 1988 第二次美國衛(wèi)生局報告 尼古丁被確認(rèn)為煙草中引起成癮性的化學(xué)物質(zhì)第5頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou7煙堿（尼古丁）是什么? 物色液體 天然物質(zhì) 1828 年首次從煙草 Nicotiana tabacum 中分離獲

3、得, 可以由煙葉蕎尖萃取得到 有毒生物堿NNMeH尼 古 丁煙草中4000多種化學(xué)成分中的一個關(guān)鍵化合物含量: 0.2-5%第6頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou8尼古丁的化學(xué)性質(zhì) 叔胺 水溶性、脂溶性 兩個立體異構(gòu)體(S)-nicotine, (R)-nicotine 煙草只含有 (S)-nicotine (較(R)-nicotine的藥學(xué)作用強很多)第7頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou9一支香煙的結(jié)構(gòu)組成圖 2002 The Society for Neuroscience 第8頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou

4、10尼古丁的藥學(xué)作用 (S)-nicotine 立體選擇性地與 nicotinic cholinergic receptors (nChRs) 相結(jié)合； (R)-nicotine 是 nChRs的弱激動劑。 nChRs 在大腦, 交感叢神經(jīng)節(jié), 以及神經(jīng)肌肉結(jié)合處等部位分布； (S)-nicotine 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中廣泛地與nChRs 發(fā)生作用。第9頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou11nCh 受體 配體把持的離子通道 由兩個 亞基和三個 亞基組成 在CNS中，已經(jīng)確認(rèn)的亞基類型有 2-9 & 2-4 最為常見的受體包括兩個 4 亞基和三個 2 亞基 (42), 多

5、于 90 % 的高結(jié)合形態(tài)屬于這一類型 受體具有多樣性組合 吸煙人群普遍比不吸煙人群高表達 (100-300% greater，smokers vs. non-smokers )第10頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou12The nChR N末端為一很大的親水性區(qū)域 C末端為一高度變化的親水性區(qū)域 四個跨膜區(qū)域 (M1-4)第11頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou13Nicotine 與 nChR 的結(jié)合 (S)-尼古丁與乙酰膽堿 (Ach) 競爭性結(jié)合 這種結(jié)合發(fā)生在： 非均一受體的 和 亞基之間，或者 均一受體的 亞基之間 這種結(jié)合引發(fā)離子通道的空間構(gòu)象

6、變化 休息狀態(tài) 活動狀態(tài) (通道打開) 兩種脫敏狀態(tài) (通道關(guān)閉)第12頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou14Drug interactions at the nicotinic acetylcholine receptorSome drugs compete with nicotineSome drugs bind on the axis 100 (10 nm)第13頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou15聰明的尼古丁! 尼古丁在模仿乙酰膽堿 Ach， 并競爭性與 nChRs 結(jié)合。http:/第14頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou16尼

7、古丁的作用結(jié)果 尼古丁與神經(jīng)突觸前的 nChRs 發(fā)生結(jié)合 結(jié)合引起 Ca2+ 和 Na+ 在離子通道中的回流 產(chǎn)生電位差，引起各種相應(yīng)動作 釋放神經(jīng)信號分子進入神經(jīng)突觸空隙，如： 乙酰膽堿 (acetylcholine，ACh) 去甲腎上腺素(norepinephrine，NE) 多巴胺 (dopamine，DA) 內(nèi)啡肽 (-Endorphins，-ED)第15頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou17Nicotine的益處 由神經(jīng)突觸信號分子介導(dǎo)，結(jié)合到神經(jīng)突觸后的相應(yīng)受體，引起反應(yīng) 乙酰膽堿 ACh 改善行為和記憶 多巴胺DA 愉悅的心情 去甲腎上腺素NE 愉悅的心情,

8、厭食 內(nèi)啡肽-ED 情緒穩(wěn)定，緩解緊張THIS IS WHY PEOPLE CONTINUE TO SMOKE!第16頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou18發(fā)展尼古丁的姐妹藥物 Tobacco companies may be many things, but theyre not stupid. So theyve gotten involved with the drug development process, hoping to develop nicotine sister drugs. 藥業(yè)公司的研究計劃：Merck, Sibia, Layton BioScien

9、ce, McNeil Laboratories等。 學(xué)術(shù)部門：Duke大學(xué), Scripps研究所, Cincinnati大學(xué), South Florida大學(xué), Vermont大學(xué)等。 Levin Chem. & Eng. News 2000, 78/13, 23-26第17頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou19老年癡呆癥 Alzheimers Deseases吸煙人群比不吸煙人群患Alzeimers癥的幾率低40 尼古丁受體的本質(zhì)：處于神經(jīng)末端的乙酰膽堿型受體 Alzheimers癥：受體中的乙酰膽堿不見了！ 治療方法：組織乙酰膽堿的水解 尼古丁類化合物：可以幫助

10、中度患者學(xué)習(xí)新的知識。NNCH3NNOCH3CH3NicotineABT-418副作用小J. Neurosci. 2000, 20, 1318.第18頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou20巴金森氏癥 Parkinsons Disease:-尼古丁激動劑 吸煙能夠抵抗Parkinsons癥 Parkinsons癥：大腦Striatum中的多巴胺神經(jīng)元死亡。 化合物SIB 1508Y作用于Striatum的尼古丁受體上，在鼠類實驗中可以提高多巴胺的釋放水平。 輕度患者：一次劑量SIB1508Y可以完全改善癥狀，并持續(xù)數(shù)日。 SIB1508Y可能激活生長因子基因。NNH3CSIB

11、1508Y第19頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou21揭開尼古丁的成癮性之謎- 最新研究前沿 A mutation in the -4 subunit of nAChRs expressed by neuron lowers the threshold for the induction of nicotine dependence.Tapper, et al.Science 2004, 306, 1029第20頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou22新的研究方法-化學(xué)基因?qū)W 由表及里的研究方法-試圖解開nicotine的秘密。生物學(xué)表象生物學(xué)本質(zhì)有機小分子蛋

12、白質(zhì)基因藥物靶點健康第21頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou23與基因操作的區(qū)別第22頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou24本研究課題目標(biāo) 探索尼古丁類似物分子構(gòu)象與藥學(xué)性質(zhì)的關(guān)系 旨在獲得治療老年癡呆癥和帕金森氏癥藥物的先導(dǎo)化合物 屆時尼古丁依賴性，以及對于神經(jīng)系統(tǒng)的作用規(guī)律NNMeHNicotineHNNClEpibatidine自然界的啟示蛙毒：不成癮的鎮(zhèn)痛劑第23頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou25已知剛性尼古丁類似物NNMeNMeNNNMeRapoportJOC 1999RapoportJOC 1999RapoportJOC 2

13、000NMeND. B. KanneJMC 1988第24頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou26我們的考慮NMeNNMeNNMeNNMeNOHHNNHNNOHNMeNNMeNOHMeOHOHPreviousTargets第25頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou27反合成分析NMeNNPNENINPEONPOOMeHOOHONH2OD-Glu第26頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou28知識介紹：反合成分析 E. J. Corey (Harvard University) 1990年，諾貝爾化學(xué)獎； 1960s，提出基于“化學(xué)反應(yīng)知識”的“反合

14、成分析”理論； 1960-現(xiàn)在，90%以上的重要目標(biāo)的有機合成均遵循“反合成分析”理論。 The Nobel Prize in Chemistry 1990. - for his development of the theory and methodology of organic synthesis第27頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou29合成計劃實施-1ONHOOHHOOHONH2OD-GluH2O, 92%ONHOOMeSOCl2, MeOH93%Boc2O92%ONBocOOMeNClLi80%NClOOMeONHBoc羰基活化第28頁/共58頁2004-12-2

15、0 Guangzhou30合成計劃實施-2NClNOCH3NClOOMeONHBocOHCl, then NaHCO395%NClNHOCH3ONaBH4, HOAc88%cis/trans=2:1NClNOCH3OBocBoc2O60%CaCl2, NaBH479%NClNBocOH第29頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou31合成計劃實施-3NAcNCO2MeNClNBocOHNINAcOAcNaI, AcCl40h89%NINAcOHK2CO3, MeOH100%NINAcOHSwernoxidationNINAcCO2Me(MeO)2(O)PCO2MeNaH92%Pd(

16、OAc)2Ph3P, 5h89%鹵素交換Heck 反應(yīng)第30頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou32目標(biāo)獲得的高效率-“一箭六雕”NAcNCO2MeO3, HOAcMe2S82%NAcNO1M HCl90 oC87%NHNONHNNH2NH2, KOH (黃鳴龍反應(yīng))92%NMeNCH2OHCOOH, 63%NMeNOHMeCH2ONaBH(OAc)385%NaBH483%dr 9:1NAcNOH1M HCl90 oC89%NHNOHNHNOHNMeNOHOHCH2OHCOOH, 58%91%N-甲基化Mannich甲基化第31頁/共58頁2004-12-20 Guangzho

17、u33進一步的設(shè)計NNNNMeMeHHHHNNMeHHNONMeHHNSNMeHH第32頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou34碳鏈長短細(xì)微調(diào)節(jié)構(gòu)象NNMeHHNNMeHHNNMeHHNONMeHH第33頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou35第二代尼古丁類似物的合成技術(shù)第34頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou36設(shè)計化合物 (2) 的化學(xué)合成- 高效率的協(xié)同式反應(yīng)的發(fā)明與成功應(yīng)用 NBrNBrMOMONNMeHHNCHOMOMONNMeMOMOHHNNMeHHa)LDA,acroleinb)NaH,MOMCl69%BuLi;DMF92%sar

18、cosine100-110oC84%a)4MHCl,50-60oC;b)Zn,HCO2H,reflux84%MOMO41,endo:exo=1.37:137394026 Steps from 3-Br-Py, 45% overall yield.Zhai, et al. Org. Lett. 2002, 4, 4385第35頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou37設(shè)計化合物 2 2 新的快捷合成- Zhai, et al. Tetrahedron 2004, 60, 5353. NCHONCHONNMeHHa) Me2N(CH2)2N(Li)Me (1.1 eq), -78 o

19、C, 15 minb) n-BuLi (2 eq), -78 oC; -42 oC, 3 h c) CuCN (2.1 eq), -78 oC; -40 oC, 2 h; -30 oC, 1 h d) allyl bromide (2.1 eq), -78 oC; rt 44%sarcosine120 oC86%14152NNMeHH2 steps from 3-Py-CHO, 38% overall yield.一鍋法引入現(xiàn)場保護第36頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou38方法的擴展：合成化合物 3- 中間環(huán)系的尺寸調(diào)節(jié)NBrHONCHOMOMONBrMOMONNMeHHN

20、NMeHH316171819NaH;MOMCl98%BuLi,-78oC;DMF,-78oC94%sarcosine120-130oC84%a)HCl,50-60oCb)Zn,HCO2H,reflux93%(twosteps)NNMeHHMOMOMOMO碳鏈長度調(diào)節(jié)第37頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou39化合物 4 的合成- 雜環(huán)與雜原子（1）sarcosine100-110 oC72%(CH2OH)2TsOH, 87%NClCHONClOONOCHONOOONONMeallyl alcoholKOH, 92%H2C2O4, 87%HH420212223雜原子的引入雜原子

21、的引入第38頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou40化合物 5 的合成 - 雜環(huán)與雜原子（2）allyl mercaptanNaOH, 0 oC76%sarcosine125-130 oC91%NClCHONSCHONSNMeHH52024雜原子的引入第39頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou41尼古丁類似物的藥學(xué)性質(zhì)研究第40頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou42藥理實驗結(jié)果-與上海交通大學(xué)藥學(xué)院合作 對所有化合物進行了典型的神經(jīng)系統(tǒng)損傷修復(fù)研究：進行了對腦老化小鼠腦組織神經(jīng)營養(yǎng)因子表達的影響、細(xì)胞保護、學(xué)習(xí)記憶、急性毒性實驗。 發(fā)現(xiàn)：其中一

22、個B環(huán)為五元環(huán)的尼古丁類似物（化合物 2）具有高效和低毒作用。這類化合物可能是通過選擇性作用于煙堿受體的某一種或某些亞型而實現(xiàn)的，這種作用特性可能有別于煙堿（因為毒性小得多），因而具有進一步開發(fā)的潛力，對老年癡呆癥及有關(guān)神經(jīng)變性疾病的防治可能具有重要意義. 現(xiàn)有的研究表明：深入進行該化合物的研究，將對于研究擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的、防治老年癡呆癥的創(chuàng)新一類新藥，具有積極意義。NNMeHH第41頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou43化合物 2 對乙醇引起的記憶重現(xiàn)障礙小鼠的作用（SD, n=14）藥物藥物劑量劑量/ mg.kg-1受刺激時間受刺激時間（秒）（秒）錯誤次數(shù)錯誤次數(shù)反應(yīng)潛

23、伏期反應(yīng)潛伏期（秒）（秒）正常對照正常對照 0.329134.7模型組模型組 4.13.02.92.817267.1煙堿煙堿0.280.40.7*0.40.5*24949.7*ZY-*0.30.6*24852.1*ZY-10.300.93.3*0.21.0*22845.6*ZY-10.601.32.0*0.21.5*22937.8*P0.05, P0.01, 與正常對照組比較； *P0.05, *P0.01, 與模型組比較NNMeHH第42頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou44化合物2 對環(huán)己酰亞胺引起的小鼠記憶鞏固障礙的作用（SD,

24、n=16）藥物藥物劑量劑量/ mg.kg-1平臺停留期（秒）平臺停留期（秒）受刺激時間（秒）受刺激時間（秒）錯誤次數(shù)錯誤次數(shù)反應(yīng)潛伏期反應(yīng)潛伏期（秒）（秒）正常對正常對照照171.3模型組模型組153.3煙堿煙堿0.281782.5*0.40.6*0.40.6*0.61.0*ZY-10.151781.8*0.40.9*0.51.2*0.83.4ZY-10.301791.1*0.30.5*0.40.9*0.62.3*ZY-10.601801.5*0.20.6*0.21.1*0.42.5*P0.05, P0.01, 與正常

25、對照組比較； *P0.05, *P0.01, 與模型組比較NNMeHH第43頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou45化合物2對PC12 與疊氮鈉共孵36小時后細(xì)胞生存率的影響。n=7，SD *P 0.05 與煙堿比較050100150200250300-100102030405060708090100110surviving rate(%)Concentration of agents(mol/l) Nicotine ZY1*煙堿的LD50約為50 mg/kg，化合物2（即ZY1）的LD50為504 mg/kg，毒性僅為煙堿的1/10NNMeHH第44頁/共58頁2004-12

26、-20 Guangzhou46研究情況總結(jié) 完成了多個具有剛性構(gòu)象的尼古丁類似物（神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物的先導(dǎo)化合物）的結(jié)構(gòu)設(shè)計、合成設(shè)計和合成工作； 本項目合成工作中的技術(shù)關(guān)鍵是分子內(nèi)3+2環(huán)加成反應(yīng)，該反應(yīng)同時建立B、C兩個環(huán)； 對其中一個尼古丁類似物（B環(huán)為五元環(huán)的化合物），在原有工作基礎(chǔ)上，進一步摸索出一個新的、高效率的兩步合成方法； 對其中一個尼古丁類似物（B環(huán)為五元環(huán)的化合物）進行了初步藥理實驗，發(fā)現(xiàn)化合物2具有高效低毒的特性。NNMeHH第45頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou47發(fā)表研究論文、申請專利Organic Lett. 2002 （1篇）Tetrahedro

27、n 2004 （1篇） One manuscript in preparation. 中國專利：1項 國家自然科學(xué)基金面上項目，批準(zhǔn)號： 20102008（2002/01-2004/12） 20372073（2004/01-2006/12）第46頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou48近期研究方向 深入開展現(xiàn)已獲得的其它化合物的藥理評估。 設(shè)計、合成新的尼古丁類似物，包括含氟類似物，例如：NNNNM eM eHHHHFnFFNNC F3HH上海氟化學(xué)第47頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou49結(jié)束語 the mechanism whereby binding

28、of nicotine to this receptor (nAChR) leads to dependence is still poorly understood. - Hogg, et al. Science 2004, 306, 983第48頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou50致謝 參與本工作的博士后、博士生和研究人員 國家煙草專賣局 中科院上海有機化學(xué)研究所 鄭州煙草研究院 上海交通大學(xué)藥學(xué)院請各位指正批評！謝謝！第49頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou51煙草化學(xué)-由表及里的科學(xué)第50頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou52煙草化學(xué)-由表及里的科學(xué)第51頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou53The nChR N末端為一很大的親水性區(qū)域 C末端為一高度變化的親水性區(qū)域 四個跨膜區(qū)域 (M1-4)第52頁/共58頁2004-12-20 Guangzhou54The nChR N末端為一很大的親水性區(qū)域 C末端為一高度變化的親水性區(qū)域 四個跨膜區(qū)域 (M1-4)第53頁/共58頁2004-12-20 G