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被授予亞伯特•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， 老師用了很多升壓藥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？難道蛇毒裡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裡的半衰期很短，

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， 並于同年將該多肽成功提取出來， 命名為緩激肽增強因數(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的實驗室做博士後研究。 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抑制劑是當前開發ACE抑制劑的最佳途徑。

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， 並于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抑制劑。 在Welch博士的支持下， 施貴寶公司很快籌建了ACE抑制劑研發項目組， 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並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， 只可進行注射給藥， 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抑制劑， 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抑制劑的構效關係研究發現， 有效的ACE抑制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抑制劑研發的探索，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抑制劑

1974年Cushman看到了一篇關於新型羧肽酶A抑制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及其特異性抑制劑入手，尋找開發ACE抑制劑的新的突破口。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抑制劑結構研究轉向對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制劑如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抑制劑就此誕生。

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抑制劑，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。

最後必須特別強調的是，從Cushman和Ondetti開始看到新型羧肽酶A抑制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，其效率令人歎為觀止。從此之後，基於結構的藥物設計理念成為新藥研發的基本策略，也為如今的電腦輔助藥物設計奠定了基礎。

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

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抑制劑研發的探索，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抑制劑

1974年Cushman看到了一篇關於新型羧肽酶A抑制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及其特異性抑制劑入手，尋找開發ACE抑制劑的新的突破口。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抑制劑結構研究轉向對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制劑如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抑制劑就此誕生。

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抑制劑，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。

最後必須特別強調的是，從Cushman和Ondetti開始看到新型羧肽酶A抑制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，其效率令人歎為觀止。從此之後，基於結構的藥物設計理念成為新藥研發的基本策略，也為如今的電腦輔助藥物設計奠定了基礎。

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