设计、合成及评估能够恢复对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）全身疗效的莫匹罗星前体药物

《European Journal of Medicinal Chemistry》：Design, synthesis, and evaluation of mupirocin prodrugs restoring systemic efficacy against MRSA

本研究通过设计含酶解酯键的前药改善mupirocin的药代动力学特性，发现胆固醇-二硫键前药3d在血浆中半衰期延长6倍，肺组织AUC提高1356倍，并在小鼠模型中展现高效抗MRSA活性，验证了前药策略的有效性。

　　

作者：Zhi Gong、Ruixue Zhang、Linpu Yang、Hongzhi Gong、Chao Huang、Xiaohong Yang、Haibo Peng、Yun He

重庆大学药学院，天然产物合成与药物研究重庆重点实验室，中国重庆市401331

摘要

有前景的抗生素莫匹罗星在血浆中会迅速发生酶促降解，半衰期极短，这严重限制了其仅能用于局部应用。为了克服这一药代动力学限制，我们合理设计了针对其羧酸的莫匹罗星前体药物，这些前体药物含有可通过酶切的酯键。通过将莫匹罗星的羧基与多种亲脂基团进行选择性酯化反应实现了合成。所有新合成的前体药物均通过¹H NMR、¹³C NMR和HRMS进行了全面表征。其中，以胆固醇二硫化物键为连接基团的先导化合物3d表现出优化的药代动力学特性：血浆半衰期延长了6倍，其肺组织浓度-时间曲线下的面积（AUC）比莫匹罗星高出了1356倍。在全身性和中性粒细胞减少的小鼠肺部感染模型中，3d显示出强烈的抗MRSA效果（剂量为50–100 mg/kg）。本研究表明，前体药物策略是释放莫匹罗星对抗细菌感染全身治疗潜力的有效方法。

引言

不理想的药代动力学（PK）是药物开发失败的主要原因之一，常常导致原本有潜力的治疗药物只能用于局部应用[1]、[2]、[3]。在对抗抗菌素耐药性（AMR）这一紧迫的全球健康威胁中，这一问题尤为突出，抗菌素耐药性正在削弱针对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）等病原体的关键抗生素的效果[4]、[5]、[6]、[7]。虽然万古霉素仍是治疗严重MRSA感染的最后手段，但其对新兴耐药性的易感性和较差的组织渗透性凸显了迫切需要具有改进药理特性的新型治疗策略[8]、[9]。

莫匹罗星正是这种由药代动力学驱动的治疗限制的典型例子[3]。这种天然来源的抗生素以高特异性和最小的交叉耐药性靶向细菌异亮氨酸-tRNA合成酶（IleRS）[10]、[11]，已被证明是治疗MRSA和其他革兰氏阳性皮肤感染的一线局部用药[12]。然而，其固有的代谢不稳定性——在全身循环中迅速水解为无活性的单酸A（见图1）——从根本上阻碍了其用于危及生命的侵袭性感染[12]、[13]。这种强烈的局部疗效与全身疗效不足之间的对比，使得莫匹罗星成为克服药代动力学限制的典型案例[13]。

为恢复莫匹罗星的全身疗效，主要尝试了纳米药物递送系统（例如脂质体[14]、[15]、[16]、带有生物矿化涂层的OMVs[18]），旨在保护药物并提高靶向性。尽管这些纳米制剂在模型中显示出改善的血浆半衰期和疗效，但也带来了诸如药物过早释放、PEG相关的免疫原性和生产变异性等复杂问题[19]、[20]、[21]。因此，寻求更简单、本质上更稳定的解决方案仍然至关重要。前体药物策略通过化学修饰不稳定的功能基团来生成可生物逆的衍生物，为纳米载体提供了一种独特且有前景的替代方案[22]、[23]。通过直接解决不稳定性的分子根源（例如莫匹罗星中易水解的酯键），前体药物可以增强全身暴露量，实现可控释放，并规避纳米载体相关的缺点，如免疫原性和异质性[24]、[25]、[26]、[27]。前体药物明确的化学性质确保了可重复的质量和定量的药物加载。

基于这一理念，我们设计了一个专门用于克服莫匹罗星药代动力学缺陷的前体药物库。我们针对关键的羧酸基团，引入了可被酶切的连接基团（例如与胆固醇基团结合的二硫化物酯键，见图2），以实现持续的全身循环和通过酯酶介导的水解实现可控释放。本研究表明，战略性前体药物设计能够成功将莫匹罗星这种受药代动力学限制的药物转化为具有显著增强全身药代动力学和疗效的候选药物，从而满足对抗侵袭性MRSA感染的新疗法的迫切需求。这种将临床上重要但全身应用受限的抗生素成功转化为可行全身药物的转变，展示了理性前体药物策略如何克服普遍存在的药代动力学问题，释放分子的全部治疗潜力。需要注意的是，这种前体药物策略的成功并非普遍适用，而是严重依赖于母药的特定代谢脆弱性和所选连接基团的生物可逆性。

部分内容摘录

莫匹罗星前体药物的设计与合成

采用前体药物策略，通过将莫匹罗星与多种亲脂基团结合，系统地修改其结构，以改善其药代动力学特性。通过利用该化合物的酯基功能，合理设计了三种不同的莫匹罗星前体药物（见图2）。选择酯键而非酰胺键是为了确保酯酶的水解能够再生生物活性的母药，从而避免生成无活性的单酸。

结论

总之，通过使用可被酶切的连接基团修饰莫匹罗星的羧基，我们系统地设计并合成了一系列前体药物。其中，以胆固醇二硫化物为连接基团的先导化合物3d表现出最佳的代谢稳定性和有利的药代动力学特性。

一般信息

除非另有说明，所有商业可获得的试剂和溶剂均未经进一步纯化直接使用，所有反应均在氮气氛围下的过干玻璃器皿中进行。1H NMR谱在Agilent 400 MR光谱仪上获得，13C NMR谱在带有质子解耦功能的Agilent 400 MR DD2（100 MHz）上获得。化学位移以百万分之一（ppm）为单位报告，耦合常数（J）以赫兹（Hz）表示，信号强度...

CRediT作者贡献声明

Chao Huang：研究工作。 Xiaohong Yang：资源提供、方法学设计、研究协助。 Haibo Peng：监督、资源协调、研究指导。 Yun He：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目统筹、资金申请、概念构思。 Zhi Gong：初稿撰写、方法学设计、研究协助、数据管理。 Ruixue Zhang：方法学设计、数据管理。 Linpu Yang：方法学设计、研究协助。 Hongzhi Gong：方法学设计。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据获取

支持本研究结果的数据可应要求向相应作者索取。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了重庆市科学技术研究院的特别激励与指导项目（cast2023jbky10006和cast 2024jbky10004）以及国家自然科学基金（项目编号82104074）的支持。