核心环扩展型芬太尼类似物的设计、合成及药理学评估：作为潜在的对抗芬太尼引起的呼吸抑制的药物

《Journal of Medicinal Chemistry》：Design, Syntheses, and Pharmacological Evaluations of Core Ring Expanded Fentanyl Analogues as Potential Counteracting Agents Against Fentanyl Induced Respiratory Depression

合成的84种环扩展芬太尼类似物被测试以评估其对芬太尼和吗啡的拮抗作用，其中15种化合物表现出显著的抗镇痛效果。进一步的剂量反应分析显示，四种化合物（16、46、53和69）对芬太尼和吗啡具有较高的拮抗活性，尤其是化合物53，在吗啡中的AD50为2.02 mg/kg，对芬太尼为4.02 mg/kg。化合物53在体内实验中表现出良好的药代动力学特性，包括中等的人类代谢稳定性、低外排和高效的中枢神经渗透性，可有效逆转芬太尼引起的呼吸抑制。分子对接研究表明，化合物53与β-芬太尼胺（β-FNA）具有相似的结合模式，但不与MOR的变构位点或芬太尼激活的关键残基相互作用，这表明其对MOR的拮抗作用具有选择性。这些结果支持环扩展芬太尼骨架作为开发强效μ阿片受体拮抗剂的策略，以应对芬太尼过量使用的危机。

　　在当今社会，随着合成阿片类药物滥用问题的加剧，特别是芬太尼（fentanyl）过量使用的严重性，开发新的治疗手段变得尤为迫切。芬太尼是一种远比海洛因更为强大的合成阿片类药物，其毒性极高，导致了大量死亡事件。为了应对这一挑战，研究人员设计并合成了84种新的芬太尼类似物，通过将芬太尼原有的哌啶环结构扩展为4-氮杂环庚烷（4-azepane）和5-氮杂环辛烷（5-azocane）结构，进一步引入了不同的N-烷基取代基，以调整分子的空间构型，从而优化其与阿片受体（MOR）的结合亲和力和药理特性。

这些化合物在体内的拮抗研究中表现出显著的潜力，其中15种化合物能够有效阻断芬太尼和吗啡（morphine）的镇痛效应。进一步的剂量反应分析揭示了四种最具潜力的拮抗剂（编号为16、46、53和69），其中化合物53在对抗吗啡和芬太尼时表现出最高的活性，其AD50值分别为2.02 mg/kg和4.02 mg/kg。化合物53不仅显示出良好的药代动力学特性，包括中等的人类代谢稳定性、低的外排（efflux）倾向以及高效的中枢神经系统（CNS）穿透能力，而且通过全身体积描记（whole-body plethysmography）实验，被证实能够逆转芬太尼引起的呼吸抑制。这些结果表明，通过扩展芬太尼的核心环结构，可以开发出更有效的MOR拮抗剂，从而有效阻断芬太尼和吗啡的镇痛效应以及其引起的呼吸抑制，为芬太尼过量中毒的治疗提供了新的策略。

芬太尼及其类似物在药物滥用和过量死亡中占据主导地位，主要原因在于其极强的镇痛效果和显著的呼吸抑制作用。芬太尼对MOR具有极高的亲和力和内在活性，这使其比海洛因更强大，但同时也增加了其滥用风险。芬太尼的高脂溶性使其能够迅速穿过脂质膜，快速激活MOR，从而产生强烈的愉悦感、呼吸抑制和其他经典效应。然而，这种强效的镇痛作用也伴随着极高的风险，尤其是在缺乏耐受性的情况下，芬太尼的呼吸抑制作用可能在短时间内发生，而传统的阿片类药物拮抗剂如纳洛酮（naloxone）和纳曲酮（naltrexone）在逆转芬太尼引起的呼吸抑制方面效果有限。因此，开发具有更高效能和更广泛作用的MOR拮抗剂显得尤为关键。

在本研究中，研究人员通过体外和体内实验，系统地评估了这些新化合物的药理活性和药代动力学特性。体外实验包括钙离子动员（calcium mobilization）实验和放射配体结合实验，这些实验用于检测化合物对MOR的拮抗作用及其结合亲和力。体外实验结果表明，化合物16、46、53和69在对抗吗啡和芬太尼的钙离子动员时表现出显著的拮抗活性，其IC50值分别为44.1 ± 2.7 μM、31.3 ± 6.7 μM、33.6 ± 6.0 μM和10.9 ± 2.3 μM，其中化合物53的拮抗活性最高。此外，这些化合物在体外实验中显示出对MOR的高选择性，且对其他阿片受体（如KOR和DOR）的结合亲和力较低。

体内实验进一步验证了这些化合物的药效。通过体外实验筛选出的15种有效化合物中，有四种在体内实验中表现出显著的拮抗活性，尤其是化合物53。在体内实验中，化合物53能够有效逆转芬太尼引起的呼吸抑制，其作用机制可能涉及对MOR的多方面影响，包括对呼吸频率和潮气量的调控。这些实验结果表明，化合物53不仅具有良好的药代动力学特性，还能够在体内维持较长的暴露时间，从而发挥其拮抗作用。

此外，研究人员还进行了血脑屏障（BBB）穿透实验，以评估化合物53在中枢神经系统中的分布情况。实验结果显示，化合物53在体内能够迅速穿透血脑屏障，并在脑组织中维持较高的浓度，表明其具有良好的中枢渗透能力。这种能力对于其作为MOR拮抗剂在体内发挥效果至关重要。

在体外代谢研究中，化合物53表现出中等的代谢稳定性，这使其在体内具有一定的持续作用时间。同时，化合物53的外排率较低，表明其在体内具有较低的外排倾向，从而可能减少与其他药物的相互作用风险。这些特性共同构成了化合物53作为潜在MOR拮抗剂的良好药代动力学基础。

分子对接研究进一步揭示了化合物53与MOR结合的模式。研究发现，化合物53在MOR的非活性构型中形成稳定的相互作用，特别是与关键残基如D147、Y148、M151、H297和V236的相互作用。这些相互作用与已知的MOR拮抗剂如β-芬太尼胺（β-FNA）的结合模式相似，但化合物53并未与MOR的配体结合位点（如TM5和TM6之间的区域）形成相互作用，这可能解释了其对芬太尼和吗啡的拮抗作用。这些发现不仅加深了对化合物53作用机制的理解，也为开发新的MOR拮抗剂提供了理论依据。

综上所述，本研究通过扩展芬太尼的核心环结构，并引入不同的N-烷基取代基，成功设计并合成了84种新的芬太尼类似物。这些化合物在体外和体内实验中表现出显著的拮抗活性，其中化合物53在对抗芬太尼和吗啡的镇痛效应及呼吸抑制方面展现出最高的效能。化合物53的良好药代动力学特性，包括中等的代谢稳定性、低的外排倾向以及高效的中枢渗透能力，使其成为一种具有潜力的MOR拮抗剂候选药物。这些发现为应对芬太尼过量中毒提供了新的治疗策略，并为未来进一步的结构-活性关系（SAR）研究和药效学研究奠定了基础。