神药诞生记和科研思路：“阿司匹林、西乐葆、芬太尼、乐瑞卡”_

最近，芬太尼这个药因为中美关系十足火了一把，除了大部分临床的同学知道ta在肿瘤科，骨科等经常用到外，基础科研的同学估计都不太清楚。

芬太尼作为止痛药被人们熟知的应该是芬太尼透皮帖在临床癌性疼痛三阶梯治疗中的应用。今天我们来盘点下阿司匹林、西乐葆、芬太尼、乐瑞卡这几种最常见的止痛药的“亲戚关系”及历史研发思路，他们最终被发现并不是那么“直接了当”，而是充满了意外和趣闻，似乎命运早已注定....相信了解这些千丝万缕的逻辑关系和探索思路，对大家的科研思路也会有拓展作用哦。

镇痛药的研发思路大致可以分为两代，第一代镇痛药问世于1960年代之前，其代表为阿司匹林、西乐葆、芬太尼，它们的设计思路都是抑制局部炎症的环氧化酶。到了第二代镇痛药，代表为帕克戴维斯的乐瑞卡，它原本是一个想要治疗癫痫或者抑郁的药品，结果发现乐瑞卡可以调控身体中由多种神经递质水平的异常产生的疼痛，准确的说它可以作用抑制GABA转氨酶，于是成为了第二代镇痛药。

我们先从百年好药阿司匹林开始讲，由拜耳的Felix Hoffmann于1897年发现的阿司匹林(aspirin)是第一个非甾体抗炎药(non-steroidal anti-inflammatory drug ,缩写为 NSAID)。大约两百年之前,人们从柳树、冬青和杨树等很多植物的树皮中分离得到苦味的水杨苷。水杨苷在消化时被水解为葡萄糖和水杨醇,水杨醇在胃中首先被氧化为水杨醛,再被氧化为水杨酸。水杨酸是一种活性镇痛成分,根据这种设计思路，拜耳的研发团队设计出了水杨酸前药阿司匹林，其实当时的化学方程式我们之前的连载第26篇就讲过。

直到1971年,John R.Vane发现阿司匹林是通过抑制环氧化酶阻断前列腺素合成起效的。我们知道给组织注射某些内源性物质就会产生疼痛。这些物质包括组胺、5-羟色胺、质子、缓激肽,以及前列腺素E2和I2。阿司匹林抑制环氧化酶,阻断前列腺素E2和I2的生成,从而缓解疼痛。就药物化学而言,阿司匹林可以被定义为环氧化酶的自杀性抑制剂,因为它可以与该酶形成一个共价键,从而抑制其功能,与此同时它自己也失去了活性。

根据现在的定义, NSAID是指通过阻断前列腺素合成而发挥其抗炎作用的药物。照此定义,二氟尼柳(diflunisal,商品名Dolobid)，吲哚美辛(indomethacin ,商品名Indocin),布洛芬(ibuprofen,商品名Advil)和萘普生(naproxen ,商品名Aleve)都是NSAID，其中人们对于布洛芬不会陌生，因为这种非处方的止疼药在普通药店就可以买到。

现在我们来看一下环氧化酶，根据John Vane的研究工作，我们知道环氧化酶本质可能是一种使血管扩张的并使人感到疼痛的内分泌物质，同时如果发生在炎症组织中则会使人感到更疼痛、更敏感。实际上环氧化酶的两种亚型COX-1和COX-2功能并不相同。COX-1主要负责正常的生理过程,例如保护胃黏膜和维持血管舒张；C0X-2则主要分布于炎性细胞和组织中,在急性炎症反应时被激活,简而言之,COX-1是好酶,COX-2是坏酶。

因此,通过选择性抑制COX-2可选择性抑制前列腺素生成,从而获得安全有效的抗炎药物。与此同时,保留好酶COX-1的活性有利于减少胃肠道和血液系统的不良反应。孟山都由 Philip Needleman领衔发现了第一个选择性COX-2抑制剂塞来昔布(Celecoxib),商品名为西乐葆(Celebrex)于1999年上市，2003年,西乐葆的后续品种Bextra通用名伐地昔布(valdecoxib)获批,是一个西乐葆加强版本，属于目前世界上最先进的COX-2抑制剂非甾体抗炎药。

一个插曲是,也是在1999年，美国默克的选择性COX-2抑制剂罗非昔布rofecoxib ,商品名万络(Vioxx)也获得FDA上市批准。在当时，西乐葆和万络都很快成为“重磅炸弹”药物,用于治疗骨关节炎(osteoarthritis ,缩写为OA)和风湿性关节炎(rheumatoid arthritis,缩写为RA)引起的疼痛。在2004年9月,由于临床试验表明万络可增加心肌梗死和卒中的风险，美国默克于2004年9月30日自愿从市场上撤回万络。西乐葆是市场上硕果仅存的选择性COX-2抑制剂。

寻找COX-2抑制剂的思路制作镇痛剂是一种选择，那么有没有更快的办法呢？迄今为止，治疗中度至重度慢性疼痛最重要的一类药物是阿片类（opiates）,包括吗啡（morphine）和吗啡样药物。吗啡是赋予鸦片镇痛和使人欣快性质的主要成分。鸦片中镇痛活性由μ-阿片受体介导的其他生物碱包括可待因(codein)和蒂巴因(thebaine)。可待因是鸦片的次要成分,于1832年分离得到。它是甲基化的吗啡。因此,它可被认为是一种吗啡前药。摄入之后,可待因在体内被脱甲基转化为吗啡。由于可待因活性大约比吗啡低十倍并且不易成瘾,如今多数合法生产的吗啡被转化为可待因。蒂巴因是二甲基化的吗啡,也是一系列用作镇痛药的半合成阿片类药物的原料,诸如羟考酮(oxyendone,商品名 Oxycontin)、羟吗啡酮(oxymorphone,商品名 Opana)和埃托啡(etorphine ,商品名 Immobilon)。后者至少比吗啡强效100倍,并可致人死亡,所以它只被用于镇静像大象这样的大动物。

在研究减轻疼痛的药物中,吗啡经常作为标准与其他药进行比较。吗啡是一种复杂的天然产物，这使得其合成充满挑战性，不过科学家们可以进行构效关系(SAR)研究，切断吗啡结构,简化分子,聚焦于药效团(pharmacophore，发挥药理活性所需的最小分子片段)。德国人于二战期间为了应对战争阶段吗啡阶段，而在1939年对吗啡的结构进行了分析，砍掉了吗啡分子中那些对于镇痛作用没有贡献的片段，首次合成了药物哌替啶(度冷丁)。哌替啶是一种新的阿托品样、具有解痉止泻作用的药物，作为新一代吗啡衍生物,哌替啶不像吗啡,它的分子式比较简单,更容易研究。但临床经验表明,哌替啶的镇痛效果远不如吗啡类药物，哌替啶的镇痛效能约为吗啡的十分之一,这样弱的镇痛效能决定了它不能轻易渗透到中枢神经系统。

杨森医药公司研究团队综合研究了吗啡和哌替啶的结构，找到了他们化学结构上共通的哌啶环。哌啶环是一个成功之环，如今它是出现在诸多药物当中的一个优势结构。我们在看合成氨工业中知道，大多数药物都含有至少一个氮原子，像植物需要吸收氮一样，进化在决定我们身体能够吸收何种分子上发挥着举足轻重的作用。为何含氮药物如此普遍有很多理由：首先,胺经常参与药物与其靶标的结合相互作用；其次,胺可较好地平衡水溶性和脂溶性的双重要求；最后一点同样重要,胺在血液中部分离子化,可在其离子化和非离子化形式之间轻松转换。其结果是,它们以非离子化形式穿过细胞膜,而离子化形式具有良好的水溶性,有利于与其靶标结合部位发生强有力的结合相互作用。

杨森的团队认为哌替啶亲水性或水溶性过强,需要合成一个脂溶性强的哌替啶衍生物，这样就可以渗透到中枢神经系统，他们的思路首先是用苯环取代哌替啶分子链左侧的甲基(CH3)上的N基。这个哌替啶衍生物脂溶性更好,镇痛作用更强,可能因为能更好地穿过血脑屏障。增加分子的脂溶性可以提高镇痛效能,还有其他方面影响镇痛效能。

那么如何使得苯环与哌替啶相连呢？杨森研发团队的第一代镇痛产品是用C=O连接第1个新化合物分子链左侧的苯环和哌啶环之间的两个CH2基,（即在化合物分子链左侧的苯环和吡啶环之间加入了丙酮基链

我把化学分子结构式进行了对照，R1406是芬太尼的基础版本，此后杨森制药公司以苯乙基（

接下来我们来讲抗抑郁药，乍一看抗抑郁药和镇痛药之间的关联并不明显，但是很多抗抑郁药，尤其是5-羟色胺和去甲肾上腺素双重再摄取抑制剂( serotonin and norepinephrine dual reuptake inhibitors ,缩写为SNRI,像惠氏的文拉法辛[ venlafaxine ,商品名怡诺思( Effexor)]和礼来的度洛西汀[ duloxetine ,商品名欣百达(Cymbalta)]现在也被用作镇痛药。

抗抑郁药可舒缓疼痛的原因是，首先,疼痛是一个极其复杂的药理过程,其间释放出很多神经递质,其中主要是5-羟色胺、去甲肾上腺素、多巴胺和乙酰胆碱。SNRI阻断5-羟色胺和去甲肾上腺素再摄取；第二个原因可能更多是心理上的，抑郁的人对于疼痛的忍耐程度较低。

在医院中，很多医生都了解纤维肌痛综合征(fibromyalgia syndrome ,缩写为FMS),这是一种慢性、全身性的肌肉疼痛，纤维肌痛经常由受伤、感情创伤或者严重流感等压力性事件所触发。2009年,FDA批准森林制药(Forest Labs)的SNRI 米那普仑(milnacipran ,商品名 Savella)用于治疗FMS。米那普仑作为一种抗抑郁药已经在欧洲和亚洲上市多年,但是最近才被研究用于FMS治疗。米那普仑改善FMS症状的作用机理尚不清楚。据推测,多种神经递质水平的异常可能是这种疾病的根源。因此,选择性阻断5-羟色胺和去甲肾上腺素再摄取可能是米那普仑治疗纤维肌痛有效的关键所在。这样,米那普仑就与礼来的度洛西汀(欣百达)和辉瑞的普瑞巴林(乐瑞卡)一起成为治疗FMS复杂症状的一线药物。

我们知道去甲肾上腺素(noradrenaline ,NA或 norepinephrine ,NE)是去甲肾上腺素能神经末梢释放的主要递质,肾上腺髓质亦少量分泌。我们之前说过，第一代镇痛药问世于1960年代之前，其代表为阿司匹林、西乐葆、芬太尼，它们的设计思路都是抑制局部炎症的环氧化酶。到了第二代镇痛药，代表为帕克戴维斯的乐瑞卡，它原本是一个想要治疗癫痫或者抑郁的药品，结果发现乐瑞卡可以调控身体中由多种神经递质水平的异常产生的疼痛，准确的说它可以作用抑制GABA转氨酶。

这里就要讲一个历史上的故事，乐瑞卡作为镇痛药的发现其实是一个偶然，它原本是用作治疗癫痫，第一个真正有效的抗癫痫药是苯巴比妥(phenobarbital)。此前,镇静剂溴化钾是为数不多的抗惊厥药之一,可是溴化物疗效有限,副作用严重。虽然若巴比妥取得了成功,但是它仍然具有镇静副作用。1939年,波士顿城市医院的 Tracy Jackson Putnam 和H. Houston Merritt发现苯妥英(phenytoin , diphenylhydantoin)可有效治疗癫痫。苯妥英钠是第一个没有镇静副作用的抗惊厥药,因此是一种革命性的癫痫治疗药物。

1954年,由化学家和生物学家L . M .Long、G. M. Chen和C. A. Miller 组成的研究团队开发了用于治疗癫痫小发作的苯琥胺(phensuximide)。1957年,帕克戴维斯上市了另一个癫痫药物甲琥胺(mesuximide)。这样,帕克戴维斯的苯妥英、苯琥胺和甲琥胺就覆盖了癫痫发作的全部三种主要类型，此后在苯妥英成功的基础上,帕克戴维斯又于1993年通过美国FDA推出了新一代版本加巴喷丁[gabapentin ,商品名纽诺汀(Neurontin)]。

几十年来科研人员对抗癫痫类药物的研究发现，这些药物是通过调节GABA受体作用起效的，GABA (γ- aminobutanoic acid , γ氨基丁酸)是一种小氨基酸,是人体CNS中枢神经系统中的一种神经递质。γ-氨基丁酸(GABA)调节着我们大脑神经元和肌肉的兴奋性。因此,癫痫患者可能GABA水平偏低。不过,直接给予患者GABA收效甚微,因为它极性太强,难以透过血脑屏障(BBB)发挥治疗作用。当时的医学界为GABA分子添加更多的脂肪族片段，采用更为亲脂的环己烷环来替代亚甲基，以此来提高GABA的亲脂性，这就得到加巴喷丁，并于1993年获得FDA批准用于治疗癫痫并最终以商品名纽诺汀(Neurontin)上市。

从1981年至1988年, 西北大学化学系教授Silverman知道存在一种GABA转氨酶，该酶负责催化抑制性神经递质GABA的分解代谢，于是开始设计一系列基于机理的GABA转氨酶抑制剂,作为潜在的新型抗惊厥药。他的思路是，选择性抑制GABA转氨酶而不抑制L-谷氨酸脱羧酶,就能得到更干净和更好的药物，另外，GABA是一种亲水性的带电分子,它需要提高其亲脂性才能使其透过血脑屏障(BBB)。

1988年, Silverman将一系列α，β-不饱和酯与硝基甲烷在作为碱的四甲基胍存在下进行反应(经典的Henry反应),所得硝基化合物随后被转化为所需的3-烷基-GABA。3-烷基GABA本质上是亲脂性更高的GABA衍生物。结果误打误撞，开发癫痫类药物的帕克戴维斯公司测试中发现其中的(S)-3-异丁基GABA具备抗惊厥的效果，进一步发现，它除了治疗癫痫外，还可以改善焦虑症和神经性疼痛，(S)-3-异丁基GABA就是后来的普瑞巴林,商品名乐瑞卡，普瑞巴林于2004年获准在美国上市。乐瑞卡现在是获准用于治疗纤维肌痛的为数不多的药物之一，另外有助于改善睡眠质量，相比之下，地西泮（安定）实际上减少慢波睡眠，降低睡眠质量。

从以上的故事，你可以总结出哪些科研思路？小编我就不说，就等你们，咋们一起脑洞大开下哈

我至少学到了3个

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备注：本文摘选自“六分钟相亲：芬太尼、西乐葆、依那普利、辛伐他汀、普拉格雷的发明——A股民间高手眼中的证券世界（证券研究长篇连载之三十）”。原文首发于2018年9月2日。