南美蝮蛇VS卡托普利：探秘重磅降壓藥的研發歷程及設計理念

作者: liuphar_c

卡托普利作為治療高血壓的一項重磅級的醫藥發明，現在已被廣泛應用於高血壓和某些心臟疾病的治療。1999年，發明人Cushman和Ondetti被授予艾伯特•雷斯克臨床醫學研究獎。雷斯克臨床醫學研究獎是臨床醫學界的最高獎，是僅次於諾貝爾生理學或醫學獎的醫學大獎。

高血壓治療靶點­——血管緊張素轉化酶(ACE)的發現

1933年，剛畢業的羅查•席爾瓦(Rochae Silva)，曾目睹了一位被巴西蝮蛇咬傷的患者不治而死的全過程。他發現患者發生低血壓休克時，老師用了很多升壓葯都沒有把患者的血壓升上去。他的老師也很納悶，為什麼患者的血壓升不上去呢？難道蛇毒里含有未知的神秘物質？這種疑問使Rochae Silva久久不能釋懷。1948年他從蛇毒中成功提取了一個具有多肽結構的特殊物質，並證實該多肽可導致血管擴張，隨後將其取名為「緩激肽」，但是這種物質在血液里的半衰期很短，幾分鐘就完全失效了，因此沒有太大的實用價值。1962年Erdos提出假設，緩激肽可能是被羧肽酶分解的。1965年Rochae Silva的博士生Sergio Ferreira發現蛇毒本身具有增強緩激肽的作用，提示了蛇毒中可能含有一種能抑制緩激肽降解酶的物質，並於同年將該多肽成功提取出來，命名為緩激肽增強因子(BPF)。

就在這時，戲劇性的一幕發生了，Sergio Ferreira來到了時任英格蘭皇家外科學院藥理學教授John Robert Van的實驗室做博士后研究。本來Sergio Ferreira是想去牛津大學師從Bill Paton教授的，但是Sergio Ferreira夫人申請到了攻讀倫敦大學的博士學位的資格，所以Sergio Ferreira就進入了Vane教授的實驗室，如果當時Sergio Ferreira選擇了Paton教授，則卡托普利就不會出現了，至少會晚一些時日。

Sergio Ferreira從巴西帶來了他提取出來的BPF，但是Vane教授建議他開展BPF對腎素-血管緊張素系統作用(RAS)的研究，但是Sergio Ferreira個性極強，他只想利用Vane實驗室自主研發的離體器官血液培養技術繼續研究BPF對緩激肽的作用機理，並反客為主極力勸說Vane教授也進行此項研究。Sergio Ferreira最終和其同事Mick Bakhle發現BPF可有效抑制ACE的活性，並可保護緩激肽失活。這一驚人的發現使Vane敏銳的意識到，ACE作為RAS系統的關鍵成分，可望成為治療高血壓的靶點，而且從毒蛇中提取純化ACE抑製劑是當前開發ACE抑製劑的最佳途徑。

百時美施貴寶撿了個寶

20世紀60年代美國施貴寶製藥公司的研發總裁Arnold Welch博士是Vane攻讀博士後期間的合作導師，並於1986年受其邀請來施貴寶與研發人員進行講座和交流，Vane教授建議研發人員多關注ACE在高血壓病理過程中的重要作用，並建議對蛇毒提取物進行深入的研究，以此為突破口開發ACE抑製劑。在Welch博士的支持下，施貴寶公司很快籌建了ACE抑製劑研發項目組，並由生物化學家Dave Cushman和肽類化學家Miguel Ondetti這兩位頗具天賦的科學家任主要負責人。不負眾望，Dave Cushman很快建立了一種ACE分光光度計定量分析方法，以便於及時將Ondetti分離或合成的多肽物質的結構功能進行分析，隨後的兩年時間裡，施貴寶從蛇毒提取物中分離併合成了多種多肽化合物，藥理學實驗也證明了其中6個多肽物質對ACE具有較好的抑制活性，且編號為SQ20881的一個9肽化合物，可較長時間的抑制ACE的生物活性，並將其取名為替普羅肽，並花費了5萬美元合成了1kg的替普羅肽。高血壓動物模型實驗表明，替普羅肽對血管緊張素Ⅰ有較好的抑制活性，但是FDA以血管緊張素Ⅰ尚未在美國上市為由拒絕了替普羅肽臨床研究的申請。於是，Vane博士將替普羅肽帶到了英國進行臨床研究，結果顯示替普羅肽在體內可有效抑制血管緊張素Ⅰ，從而達到降血壓的作用。隨後美國也同意了替普羅肽的臨床試驗，結果也十分理想。但是替普羅肽是一類大分子多肽化合物，口服無法吸收，只可進行注射給葯，所以在一定程度上限制了其在臨床上的應用。

鑒於此，Cushman和Ondetti將該項目的研究重點轉向尋找可口服吸收的小分子ACE抑製劑，但當時對ACE的結構一無所知，所以進展極其緩慢。但是對現有ACE抑製劑的構效關係研究發現，有效的ACE抑製劑最短需要包括苯丙氨酸-丙氨酸-脯氨酸在內的三肽結構，隨後對2000多個小分子多肽化合物進行活性篩選均以失敗告終。由於Vane教授的突然離職及進展的緩慢，施貴寶製藥公司高層不得不暫停該項目的研究，但是Cushman和Ondetti憑著對科學的熱愛，並未放棄對ACE抑製劑研發的探索，仍然時刻關注著相關的最新研究進展。

基於結構的藥物設計理念成功開發出首個口服的ACE抑製劑

1974年Cushman看到了一篇關於新型羧肽酶A抑製劑苄基琥珀酸的文章，於是他立即請來了Ondetti一起討論，試圖從活性結構明確的羧肽酶A及其特異性抑製劑入手，尋找開發ACE抑製劑的新的突破口。在前期研究的基礎上，他倆推測ACE的活性部位與羧肽酶A類似，於是他們將研究重點由原來的對ACE抑製劑結構研究轉向對ACE活性部位結構研究，並提出了「基於結構的藥物設計」理念。

根據苄基琥珀酸與羧肽酶A活性部位的結合特點，他們推測琥珀醯羧基與羧肽酶A活性中心的Zn離子結合起著關鍵的作用，故他們猜想可與Zn離子結合的二肽產物琥珀醯氨基酸衍生物可能對ACE具有較好的抑制活性。根據此猜想，他們設計了第一個化合物琥珀醯-L-脯氨酸，體內外實驗證明該衍生物對ACE具有特異性的抑制活性，但是生物活性很低。在此基礎上，他們進一步設想ACE與底物可能存在5個結合部位，故他們又設計合成了一系列衍生物，並檢測了其生物活性，得到了部分活性較好的抑製劑如D-2-甲基琥珀醯-L脯氨酸，且動物實驗表明其口服亦有效。基於此假設理論，他們進一步嘗試用巰基取代羧基，以便增強衍生物與Zn離子的結合作用。於是得到了D-3-巰基-2-甲基丙醯-L-脯氨酸的小分子化合物，藥理實驗證明該衍生物對ACE的抑制活性較D-2-甲基琥珀醯-L脯氨酸提高了2000倍，且口服吸收有效，並將其命名為卡托普利，一類理想的ACE抑製劑就此誕生。

1977年，卡托普利開始了全面的臨床試驗，1981年獲FDA批准成為第一個上市的ACE抑製劑，也成為了施貴寶第一個年銷售額超過10億美元的重磅級藥物。

最後必須特彆強調的是，從Cushman和Ondetti開始看到新型羧肽酶A抑製劑苄基琥珀酸這篇文章而形成基於結構的藥物設計理念，再到卡托普利的成功合成，只用了大約一年半的時間，且也僅合成測試了約60個化合物，其效率令人嘆為觀止。從此之後，基於結構的藥物設計理念成為新葯研發的基本策略，也為如今的計算機輔助藥物設計奠定了基礎。

類似的從毒素開發的藥物，可以參考葯渡之前發布的文章：從敵人到朋友，動物毒素類上市及在研藥物盤點