苯并唑衍生物作为抗结核药物的应用前景

赵诗佳 编译，徐志 审校

(1 武汉科技大学，化工学院，武汉 430080；2 武汉弗顿控股有限公司，武汉 430073 3 湖北德信辰科技有限公司，武汉 430080)

1 前言

结核病(TB)是由结核分枝杆菌(MTB)引起的细菌感染，属于结核分枝杆菌复合体(MTC)。MTB是一种生长缓慢的细胞内生物，以其富含脂质的细胞壁而闻名。因此感染者需要几个月的多药治疗。此外越来越多的MTB菌株对一种或多种标准抗结核药物产生抗药性，这使治疗复杂化，耐药结核和潜伏结核患者人数的增加令人震惊。多药耐药结核病的定义是其对异烟肼(INH)和利福平的体外耐药；而广泛耐药结核病除了对INH和利福平具有耐药性外，还对至少一种氟喹诺酮和一种二线抗结核药物具有耐药性。多药耐药(MDR)和广泛耐药结核分枝杆菌(XDRMTB)感染促进了新型抗结核药物的研究进程，并针对尚未确定的MTB靶点进行努力。

为了有效控制结核病的现状，需要开发针对新靶点的新型抗结核药物。总的来说，新的抗结核药物至少应满足以下几个标准：①比现有药物更有效；②应具有良好的安全性；③能够缩短治疗时间。④能有效治疗多药耐药和广泛耐药结核病；⑤应与伴随抗逆转录病毒治疗相容，因为许多患者同时感染HIV。⑥治疗方案对其他结核病药物无拮抗作用。毫无疑问，新化合物的发现与替代现有治疗方法仍然具有挑战性。

近年来，苯并噁唑骨架被发现具有广泛的生物活性，是目前在药理活性化合物中发现的最重要的骨架材料之一。近年来，苯并噁唑杂环化合物及其生物学特性得到了广泛的研究。此外，在许多天然产物如博沙霉素A、钙霉素或Nakijinol B中也发现了不同程度的苯并噁唑如图1。

受自然界的启发，研究合成了多种苯并噁唑衍生物，并对其生物活性进行了筛选，最终开发出多种上市药物如图2。

采用两种不同的合成方法制备了不同的苯并噁唑：(a)溶液相合成方法和(b)固相合成方法。这两种方法在2017年都得到了清晰的总结。传统的液相合成方法(图3)包括邻氨基酚与醛或车羧酸的缩合。苯并噁唑也可以通过邻氨基酚与邻苯二甲酸酯或1,1-二卤代烯烃缩合得到。

固相合成方法(图4)涵盖了由组合装配形成苯并噁唑库的有效方法。Wang等报道了利用Wang树脂合成苯并噁唑，Beebe等采用聚苯乙烯基连接剂和3-硝基酪氨酸，Chen等建立了PEG-5000可溶性载体的策略。Gong和他的同事描述了使用梅里菲尔德树脂进行固相合成，而Hioki和他的团队报告了使用无痕迹苯胺连接剂进行固相合成。

图1 苯并噁唑作为天然产物的组分

图2 基于苯并噁唑结构的市售药物

上述两种方法都产生了一些令人感兴趣的化合物。通过不懈地努力，上述几种药品都成功上市。尽管如此，苯并噁唑衍生物在抗结核研究中还没有进入临床前先导优化阶段。

因此，以苯并噁唑为基础的化合物仍然是很有前途的杂环支架，详细的SAR研究可能会揭示全新的方法，帮助寻找新的治疗结核病的方法。本文就苯并噁唑衍生物的类型、取代位置以及在抗结核研究中的应用前景作一综述。

2 苯并噁唑类抗结核药

图3 溶湘法合成苯并噁唑

自1949年以来，苯并噁唑骨架作为抗结核药物得到了广泛的研究。然而这一结构在过去二十年中引起了相当大的关注。苯环上可以加入不同的取代基，提高生物活性；特别是2号和5号位置的替代影响较大。

2.1 苯并噁唑-吡唑啉衍生物

吡唑啉杂环被发现具有很好的抗结核活性。鉴于此，Soni小组设计并合成了一系列新的吡唑啉基苯并噁唑衍生物1和2(表1)，并筛选了它们对MTB H37Rv，MDR-TB和XDR-TB菌株的活性。这些系列中的两种化合物对MTB H37Rv菌株表现出令人感兴趣的活性，甚至优于所有标准药物(链霉素(6.25mg/mL)，吡嗪酰胺(3.12mg/mL)和环丙沙星(3.12mg/mL))，其值为0.8mg/mL(1h)和1.6mg/mL(2i)。

2014年，Brahmkshatriya小组报告了两篇关于吡唑啉和苯并噁唑药物结核的论文。第一组化合物对MTB H37Rv、MDR-TB和XDR-TB的体外抗结核活性评价结果显示，目标化合物3具有显著的抗结核活性(表2)，制备的化合物对H37Rv株具有较强的抗结核活性(MIC值1.25～25mg/mL)。更有趣的是，一些化合物对耐多药结核病和广泛耐药结核病菌株表现出比INH更好的抗结核活性。

第二组偶联物显示了一些与INH对H37Rv株(4a)和耐多药结核病株(4a、4k和4n)活性相当的类似物(表3)。

图4 固相法合成苯并噁唑

2016年，Devi小组报道了苯并噁唑-吡唑啉结构与QSAR(Monte Carlo method)的对接研究。计算结果表明，以F或Cl取代Br和I，以巯基取代氨基，以OH或CH3取代OCH3。这些结果对进一步设计具有抗结核活性的苯并噁唑啉-吡唑啉化合物具有一定的参考价值。

2.2 2-苯基/苄基取代苯并噁唑

最近，Temiz-Arpaci小组发表了两篇文章，描述了一系列具有强抗菌活性的2-苯基/苄基取代苯并噁唑。首先，他们描述了一系列苄基取代苯并噁唑5的合成及其对结核分枝杆菌及其分离物的抗结核活性(表4)。这十种化合物的结构-活性关系反映了卤素(F或Cl)的存在。另一方面，所有被测化合物的活性均低于对照药物(INH和乙胺丁醇)。

三年后，Temiz-Arpaci等用对叔丁基苯基对结构5进行了修饰，得到化合物6(表5)，他们再次预测亲油的对叔丁基苯基位于苯并噁唑部分的2位，可能会提高亲油支原体细胞壁的穿透性。不幸的是，这两种取代苯并噁唑骨架的方法都没有比之前的报道得到更好的结果，最佳MIC值为8mg/mL。

2016年，Ertan-Bolelli等报道了5-氨基-2-(4-取代苯基)苯并噁唑7和8的合成方法和生物评价(表6)，其抑菌活性为8mg/mL。此外，该系列中最具活性的化合物与活性位点的分子对接显示了与Tyr 158和/或辅助因子N的相互作用。因此，化合物7a、7c和7f有望成为新型高效抗结核药物的支架材料。

2.3 苄硫基苯并噁唑

苯并噁唑骨架的苯磺酰修饰在抗结核研究中显示出良好的应用前景。随后在2002年和2009年, Klimesˇova´报道了2-苄基硫烷基苯并噁唑衍生物9(表7)的合成和生物学评价。此外，化合物9e对敏感和抗性MTB菌株(MIC值2～4mmol/L)表现出显著活性。相反，衍生物9i具有MIC值为8～32mmol/L的活性。此外，苯并噁唑9e亲脂性最低(log P=3.779)，摩尔折射增大(MR=84.365 A 3)。所有这些结果表明与其他取代基相比，苄基和两个硝基的引入增加了抗结核活性。

2.4 苯并唑生物碱

1999年，Rodriguez等从西印度戈戈尼亚珊瑚中筛选出具有抗结核特性的海洋天然产物。他们分离出两种活性生物碱：伪曲噁唑10及其生物前驱物开环伪噁唑11(图5)。伪曲噁唑10对MTB H37Rv有很强的的抑制作用(97%)，其MIC值为12.5mg/mL，而开环伪噁唑11仅抑制了66%的分枝杆菌生长。

表1 在吡唑-苯奥唑1和2中，对MTB H37Rv菌株 的体外抗结核活性

表2 在体外抗结核活性和吡唑-苄噁唑3的细胞毒性

后续研究中，他们还对回肠乙噁唑12(图5)、全氢化萘型二萜生物碱进行生物学活性评价。该新型苯并噁唑生物碱在128～164mg/mL范围内对MTB H37Rv有明显的抑制作用。

2.5 氨基苯并噁唑及其相关结构

在1966—1973年期间，Sycheva等发表了几篇论文，描述了各种苯并噁唑-氨基(或肼)-在第2位修饰的情况(图6)。

Sycheva小组首先尝试在2位苯并噁唑衍生化以达到抗TB活性的化合物，最终合成化合物13(图6)。对合成的化合物的抗结核活性(h37rv株)的研究表明，其中6-乙氧基-2-苯并噁唑羧酸，6-乙氧基-2-肼苯并噁唑和6-乙氧基-2-(噻唑基-2‘-氨基)苯并噁唑的活性最好，其MIC值分别为0.5mg/mL、4mg/mL和8mg/mL(无血清)。血清的存在导致结核菌素活性急剧下降。衍生物14(图6)的连续体外试验显示，在无血清和有血清2mg/mL的情况下，对噻唑酰化合物14b的H37Rv株具有极好的活性，MIC值分别为0.5mg/mL和2mg/mL。而2-吡啶衍生物14a的活性较低(无血清时MIC为4mg/mL，有血清为15mg/mL)。此外，硝基基团的引入使化合物的活性降低。

在1967，Sycheva等用(苯并噁唑-2-基)肼15和16(图6)扩大其苯并噁唑衍生物系列。对H37Rv株的抗结核试验结果表明，1-苯基-2-(苯并噁唑基-2')肼和(6-硝基苯并噁唑基-2)肼作为该系列中活性最佳的化合物(MIC=4mg/mL，无血清)。基于先前显示2-(2-噻唑基氨基)-苯并噁唑的有效性的结果，Sycheva和同事报道了2-(2-噻唑基氨基)苯并噁唑类似物17(图7)的合成和生物学评价。对H37Rv菌株的抗结核试验结果表明，本研究中最有趣的化合物是二(苯并噁唑基-2-)胺和n-苯并恶唑基-2)胺，不含血清的MIC值分别为2和8mg/mL，而6号位上存在的烷氧基则降低了其活性。

表3 吡唑啉-苯并噁唑类化合物4的体外抗结核活性

表4 苯并噁唑化合物5的体外抗结核活性

表5 苯并噁唑化合物6的体外抗结核活性

Sycheva等还描述了N-(苯并噁唑-2-基)-N-苯基硫脲。对18(图8)株的生物学鉴定表明，该系列中活性最强的化合物N-(2-苯并恶唑基)-N'-对乙氧基苯基硫脲在无血清时的浓度为2mg/mL抑制了MTB(株H37Rv)的生长(有血清时为15mg/mL)。相反，无对乙氧基取代的苯并噁唑活性较低(无血清时为8mg/mL，在血清中为250mg/mL)，这表明了烷氧基在苯环上的重要性。此外，在苯并噁唑骨架的第6位引入一个烷基并没有提高抗结核活性。

Khazi组报道了1,3,4-噻二唑和噻唑类苯并噁唑衍生物19(图9)的合成及生物评价。所有制备的化合物都进行了抗结核分枝杆菌的试验，但没有一种化合物的抗结核活性较好。噻二唑化合物是其它杂环化合物的代表，具有非常有趣的药理和生物学特性。基于这一知识，Hegde等将苯并噁唑与噻二唑杂环化合物结合，用BACTEC 460辐射测量系统评价了杂环化合物20(图10)对MTB H37Rv的抗结核性能。这两个衍生物在＜6.25mg/mL时对MTB H37Rv有很好的抑制作用。

表6 苯并恶唑类化合物7和8的体外抗结核活性

图5 苯并噁唑生物碱10～12的结构

图6 2-氨基修饰的苯并噁唑13～16的结构

图7 2-氨基修饰的苯并噁唑17的结构

图8 苯并噁唑18的结构

图9 苯并噁唑19的结构

图10 噻二唑基苯并噁唑20的结构

图11 三代苯并噁唑21的结构

图12 三代苯并噁唑22和23的结构

2.6 2-取代5，7-二叔丁基苯并噁唑

Vinsova等对亲脂苯并噁唑的合成的关注，是因为分子中的亲脂部分可能使它们更容易穿透分枝杆菌细胞壁。他们首先报道了2-取代5,7-二叔丁基苯并噁唑21的合成和生物评价(图11)。通过取代苯醌与氨基酸和二肽反应，得到了几种5,7-二叔丁基苯噁唑的ES值。不幸的是所有被测试的化合物的抗结核活性都较差。

此后，Vinsova和同事进行了2-取代5,7-二叔丁基苯恶唑22和23(图12)的合成并进行生物学评价。对所制备的苯并噁唑进行了抗结核分枝杆菌H37Rv株的筛选。其中，5,7-二叔丁基-2-(吡啶-4-基)苯并噁唑和5,7-二叔丁基-2-苯乙烯基苯并噁唑体外活性最高，MIC值分别为6.25和3.13mg/mL(以INH的MIC为标准值，其MIC为0.02mg/mL)。

2.7 其他

Imramovsky等报道了2-1,3-苯并噁唑24(图13)的合成及进行生物学评价。尽管合成了大量的化合物，但根据所显示的抗结核活性来看，这些化合物都没有任何潜力。用4-OMePh、4-SMePh和2，3-二氢-1-苯并呋喃-5-基修饰的衍生物对鼠疫菌330/88有活性(MIC分别为32～62.5、62.5和32mmol/L)。SAR观测还表明，电子给体基团(4-OME)是良好的取代基。

图13 苯并噁唑24的结构

图14 苯并噁唑25的结构

图15 苯并噁唑26的结构

Sycheva等报告了另一个具有潜力的材料。他们设计并合成了含有苯并噁唑25的S-杂巯基乙酸，并对其生物学性能进行了评价。用乙氧基取代的化合物25(图14)对MTB H37RV(MIC＝1mg/mL，无血清)有效。然而，研究苯并噁唑25没有较好的性质。

Sankar等报道了1,3-苯并噁唑-5-卡肼26(图15)的电脑模拟设计、合成和生物逻辑评价，该化合物在体外对MTB H37Rv株具有活性。第2位的取代增强了生物活性。

Westwell小组报道了几种4-羟基环己烷-2,5-二烯酮的合成和生物评价。苯并噁唑27(图16)对MTB H37Rv有抑制作用，MIC值为1.56mg/mL。苯并噁唑抑制MTB硫氧还蛋白C/硫氧还蛋白还原酶信号(IC50=50mmol/L)。

迄今为止最好的结果之一来自于60多种新型喹诺酮类似物的文库中。化合物28(图17)的MIC值为5.5mmol/L，无明显的细胞毒性。此外，这个苯并噁唑具有良好的血液稳定性且无hERG毒性。

3 苯并噁唑类化合物的潜在靶点

治疗结核病最有效的方法是针对特定的小分子分枝杆菌酶。由于这种外部干预，可能会破坏一些重要的细胞结构。然而，发现具有新作用模式并针对MTB的未知靶标的新型抗结核药物仍然值得去尝试。

苯并噁唑骨架与宿主蛋白有许多的相互作用。平面芳香杂环会产生p-p堆积，氮和氧原子有助于氢键的生成，亲脂性可形成疏水性。

结核分枝杆菌依诺酰基载体蛋白还原酶(MtInhA)是设计和开发新型结核病治疗药物的最有有效的酶之一，并且有望成为抗MDR和XDR MTB的新型抑制剂 。研究表明，几种苯并噁唑类化合物对MtInhA有抑制作用 。将合成的苯并唑-偶氮-吡唑啉化合物4与已知的INH分子靶点-烯酰酰基载体蛋白(ACP)还原酶对接，实验成功地对接到烯酰-ACP还原酶的活性位点，苯并噁唑核心相对于另外两个环核(吡唑啉，芳基)具有显著效果。这些结果表明苯并噁唑类化合物具有潜在的靶点。

图16 苯并噁唑27的结构

图17 苯并噁唑28的结构

此外，Pauli等用计算机模拟后，推测可能会发现新的InhA抑制剂。他们选择了苯并噁唑29(图18)进行体外评估。Pauli团队证实苯并噁唑29通过氢键与NADH发生相互作用，并与蛋白质出现几种疏水相互作用，其中包括Ala 198，这有利于它们紧密结合。

结核病的另一个潜在靶点是结核分枝杆菌蛋白酪氨酸磷酸酶B(MPTPB)。Zhang和同事运用了多样性导向合成(DOS)策略，来寻找这种酶的新型和选择性的类药物抑制剂，并合成一系列新型双环水杨酸作为mPTPB抑制剂。然而，本研究中所包含的苯并噁唑对所研究的酶并没有显示出很好的特异性。尽管如此，其他替代也是值得尝试的。

表7 苯并噁唑9a～j和9k～a的体外抗结核活性

图18 苯并噁唑29作为有效效的InhA抑制剂的结构

4 结论

本文综述了苯并噁唑支架材料及其抗结核作用的研究进展。苯并噁唑部分已被广泛研究，并成功地与另一个有前途的杂环，如吡唑啉结合。然而，苯并噁唑衍生物中没有一种达到纳摩尔浓度，也没有一种已进入抗结核研究的临床前打铅优化阶段。

尽管如此，寻找新的苯并噁唑类化合物仍是一个挑战。特别是，由于MDR和XDRMTB感染的发生十分迅速，而与耐药相关的分子机制及其可能的靶点仍未被完全验证。本文还概述了苯并噁唑类药物的几个可能的靶点；然而，必须作出更多研究，才能发现具有新作用模式和针对结核分枝杆菌未知目标的新型抗结核药物。本文有望对从事新的抗结核药物开发领域的研究人员提供指导，通过最近几年成功和不太成功的研究，找到基于苯并噁唑支架的新的抗结核药物并帮助他们将未来的研究重点放在最理想的结构上。

5 未来展望

结核病是全球十大死亡原因之一，也是第一例由细菌感染引起的死亡。据估计，到2020年，将增加近10亿人感染结核病，2亿人将患病，3500万人将死于这种疾病。许多结核分枝杆菌对一种或多种标准结核病药物耐药，这使治疗复杂化，耐药结核病和潜在结核病患者人数的增加令人担忧。为了有效控制结核病的现状，需要开发新的针对新目标的抗结核药物。毫无疑问，发现具有替代现有治疗学作用机制的全新化合物仍然值得去探究。

然而，苯并噁唑是否可以作为发现作用于新靶点的新型抗结核药物的先导?上述研究结果显示，苯并噁唑是一种很有前途的结构材料，在大多数情况下与其他杂环取代有助于抗结核活性。因此，苯并噁唑的吡唑啉改性在所有研究的取代基中仍然是最有前途的。这些系列中的几个化合物具有良好的活性，甚至优于所有针对MTB H37Rv毒株的标准药物。

本综述报道的所有生物学研究均表明苯并噁唑非常适合研发新的抗结核药。不过，我们必须作出详细的研究，并作出更多的努力，以便发现具有新作用模式和针对结核分枝杆菌未知目标的新型抗结核药物。