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▲ 圖2 動(dòng)脈血壓與血液循環(huán)
人體調(diào)控血壓的生理機(jī)制十分復(fù)雜，很多細(xì)節(jié)我們?nèi)匀徊磺宄８鶕?jù)已有的訊息，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了各種有用的降血壓藥物。人體調(diào)控血壓的一個(gè)重要系統(tǒng)是腎素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)（Renin-angiotensin-aldosterone-system, RAAS），它已成為藥物開發(fā)的焦點(diǎn)。先打個(gè)簡(jiǎn)單比方吧：用個(gè)水氣球類比我們的動(dòng)脈，里面的水好比脈管中的血液，氣球壁好比血管壁。有兩點(diǎn)因素可以控制水氣球內(nèi)的壓力。其一，往氣球里加水，壓力會(huì)增加；反之，把里面的水倒出來，壓力就會(huì)減?。黄涠?，不讓氣球膨大，比如用外力壓縮氣球，里面的壓力會(huì)增大；反之，氣球在放松的狀況下，里面壓力會(huì)減小。RAAS從血管緊張肽原（angiotensinogen）開始，這個(gè)蛋白由452個(gè)氨基酸殘基組成，其中的頭10個(gè)氨基酸殘基會(huì)被腎素（renin）催化剪切形成血管緊張素I（angiotensinI, Ang I），而這個(gè)Ang I會(huì)被血管緊張素轉(zhuǎn)化酶（angiotensin conversion enzyme，ACE）催化轉(zhuǎn)化成血管緊張素II（angiotensinII，Ang II）。血管緊張素通過與它的受體結(jié)合，起到很多生理作用，其中很重要的兩條都與血壓調(diào)控有關(guān)。一是刺激腎上腺分泌一種荷爾蒙-醛固酮，這個(gè)醛固酮能滯留體內(nèi)的水分與鈉離子。這好比往水氣球中加水一般，導(dǎo)致血壓增加。二是刺激血管壁中平滑肌的收縮，這也會(huì)導(dǎo)致壓力增加?？偟膩碚f，Ang II與它的受體結(jié)合，導(dǎo)致血壓增加。這個(gè)系統(tǒng)里有三個(gè)可以做藥的靶點(diǎn)來調(diào)控它的功能，降低血壓：抑制腎素或者ACE，減少AngII的形成；或者阻止Ang II與它的受體的結(jié)合，使得Ang II無法施展它的生理功能。如今，這些概念都已經(jīng)被實(shí)現(xiàn)，這三類藥物都已經(jīng)被開發(fā)應(yīng)用，上市造福高血壓患者了。
▲ 圖3RAAS調(diào)節(jié)血壓
1981年4月6日，美國(guó)食品藥物局(FDA)批準(zhǔn)了施貴寶（BMS）的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑（ACE inhibitor，ACEi）藥物卡普托利（captopril）上市，治療高血壓和各種心血管病的方式從此發(fā)生了巨大變化，而后全世界成千上萬的病人因?yàn)檫@個(gè)藥物及其后續(xù)的同類藥物而受益。這個(gè)藥物的重要性有二：其一，它是治療高血壓的新型藥物，是血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑中的首創(chuàng)藥物；其二，這個(gè)藥物是通過合理藥物設(shè)計(jì)（rational drug design）開發(fā)出來的被批準(zhǔn)臨床應(yīng)用首批藥物之一。合理藥物設(shè)計(jì)出現(xiàn)于1950s，這個(gè)領(lǐng)域的開拓者們包括James Black、Gertrude Elion和GeorgeHitchings，他們構(gòu)想出了藥物設(shè)計(jì)與治療的原理，因?yàn)檫@些工作榮獲了1988年的諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。
卡托普利及其同類的血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑治療高血壓對(duì)有些病人很有效，然而對(duì)有些病人卻會(huì)導(dǎo)致干咳或血管水腫等不良反應(yīng)。對(duì)RAAS更多的研究發(fā)現(xiàn)，從Ang I到Ang II，除了ACE以外還有其他酶催化轉(zhuǎn)化這個(gè)過程，ACEi并不能完全擋住Ang II的形成；ACE也不是一個(gè)專一催化這一過程的酶，它還可以催化另一種蛋白的降解，這個(gè)過程可能與某些副作用有關(guān)。
Ang II的受體（Angiotensin II receptor, ATR，AT受體），是一種經(jīng)典的G-蛋白偶聯(lián)受體（GPCR），包含七個(gè)跨膜的a-螺旋，它們形成一個(gè)中間有孔的圓筒狀結(jié)構(gòu)，Ang II結(jié)合在中間這個(gè)孔里，活化受體，引發(fā)各種生理作用。當(dāng)時(shí)還沒有這個(gè)受體的晶體結(jié)構(gòu)。GPCR的結(jié)構(gòu)研究曾經(jīng)榮獲2012年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，一旦有個(gè)新的GPCR晶體結(jié)構(gòu)解析出來，往往可以在頂級(jí)的科學(xué)期刊比如“科學(xué)”或者“自然”上發(fā)表論文。Ang II則是一個(gè)包含八個(gè)氨基酸殘基的多肽，它的組成相對(duì)容易鑒定出來。起初，科學(xué)家想著模仿Ang II的結(jié)構(gòu)，篩選了各種多肽，尋找可以阻斷Ang II與受體結(jié)合的藥物。其中最重要最有代表性的是沙拉新（saralasin），它與Ang II只有三個(gè)氨基酸殘基不一樣，是AngII的直接結(jié)構(gòu)類似物。大鼠體內(nèi)證實(shí)了它是一種AT受體拮抗劑；靜脈注射入人體時(shí)，它可以降低血壓。遺憾的是因?yàn)樗且环N多肽，在體內(nèi)很快被降解，藥效不持久，口服生物利用度低，并不適宜作為藥物。而且沙拉新還有部分激動(dòng)劑活性。
1980s初期，杜邦公司（DuPont）成立了自己的藥物開發(fā)部門，也在尋找AT受體拮抗劑。他們篩選了小分子化合物庫中的上萬個(gè)化合物，也沒有找到有用的化合物。1982年底，日本武田（Takeda）公司公布了兩篇專利申請(qǐng)，報(bào)道了一組芐基咪唑醋酸衍生物能選擇性作用于AT1R（ATR的一種亞型），是一種競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑，而且沒有部分激動(dòng)劑活性。但是這些化合物的活性很低，而且口服生物利用度有限。當(dāng)時(shí)AT受體的晶體結(jié)構(gòu)還沒有解析出來，根據(jù)核磁共振研究Ang II在水中的構(gòu)象得來的AngII的空間結(jié)構(gòu)信息，杜邦的科學(xué)家計(jì)算建模，然后將武田的先導(dǎo)化合物S-8307與Ang II的模型重疊比較，認(rèn)為在小分子先導(dǎo)化合物中芐基的對(duì)位額外引入一個(gè)酸性集團(tuán)可以提高結(jié)合活性(圖4）。
▲ 圖4S-8307與Ang II 的結(jié)構(gòu)疊合啟示引入另一個(gè)酸性基團(tuán)可以提高活性
果然，得到的4-羧基衍生物EXP-6155的結(jié)合活性比S-8307提高了30多倍。將4-羧基替換成2-羧基苯甲酰胺基團(tuán)得到EXP6803，結(jié)合活性進(jìn)一步被提高了近10倍，然而化合物仍然只能通過靜脈注射達(dá)到一定藥效。在這第二個(gè)苯環(huán)上酰胺的鄰位引入取代將化合物結(jié)合活性再次提高，達(dá)到了18nM，可惜的是體內(nèi)活性并沒有增加。杜邦的科學(xué)家認(rèn)為兩個(gè)芳環(huán)間的酰胺鍵脂溶性太低，將其去掉，讓兩個(gè)苯環(huán)直接相連，得到的EXP7711分子對(duì)AT1的結(jié)合活性雖然降低了，分子有了較好的口服生物利用度。苯環(huán)上的羧基最后被更加親脂的生物電子等排體四氮唑替換掉了以進(jìn)一步增加口服生物利用度和藥效，最后于1986年得到了DuP-753，即后來于1995年被批上市治療高血壓的氯沙坦這個(gè)藥物的API。氯沙坦鉀成了第一個(gè)成功的Ang II受體拮抗劑藥物（ARB），已成為高血壓治療市場(chǎng)的里程碑。
在氯沙坦之前，沒有任何一個(gè)已上市或者在開發(fā)的藥物中含有這個(gè)酸性的四氮唑基團(tuán)，對(duì)這類化合物在動(dòng)物尤其是在人上的毒性或安全性數(shù)據(jù)很少乃至幾乎沒有。氯沙坦的動(dòng)物與臨床試驗(yàn)證明了其安全性，四氮唑在體內(nèi)也沒有降解成有毒的副產(chǎn)物。四氮唑?qū)饷舾?，但是氯沙坦的化學(xué)穩(wěn)定性很好，并沒有生成腈或消除N2的化合物。從此藥學(xué)界將穩(wěn)定且無毒的四氮唑基團(tuán)納入了常備藥化基團(tuán)“武器庫”，后來更多公司接連開發(fā)了各自的沙坦類藥物，大部分包含了四氮唑這一重要基團(tuán)。
圖5杜邦通過理性設(shè)計(jì)與藥化經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化改造得到了氯沙坦
除了四氮唑，為了替換聯(lián)苯上的羧基，杜邦的藥化家們羧基的各種生物電子等排體做了非常詳盡的SAR研究。以下是酰胺類等排體及對(duì)應(yīng)的活性數(shù)據(jù)，還做了唑類等排體及測(cè)試活性等。關(guān)于羧基的生物電子等排體的信息，可以參閱微文藥物分子設(shè)計(jì)中的生物電子等排體(IV)。
▲ 圖6 羧基用電子等排體酰胺替換后的活性數(shù)據(jù)
（號(hào)外：隨著晶體學(xué)的進(jìn)展，2015年，科學(xué)家們通過運(yùn)用連續(xù)飛秒晶體技術(shù)，解析了人源AT1受體與小分子ZD7155的共晶結(jié)構(gòu)，并以此建模對(duì)接揭示了臨床用的沙坦類降高血壓藥物包括氯沙坦靶向AT1受體的結(jié)合模式。）