从蛇毒到抗高血压药——经典药物卡托普利的发现之路

嘤其鸣专栏作者
不务正业的药学生卡托普利(Captopril) 是首个上市的血管紧张素转化酶抑制剂 (angiotensin-converting enzyme inhibitors，ACEI) 。该药物的研发颇具传奇色彩，不仅证明了ACE对高血压的重要作用，也是药物设计的典范之一，并为后来的ACEI药物的研发提供了蓝本。01

RAAS系统对高血压的作用

人类对血管紧张素转化酶 (angiotensin-converting enzyme, ACE) 作用机制的解析被认为是高血压治疗的重要突破。这一发现主要是基于对体内肾脏中的肾素-血管紧张素-醛固酮(rennin-angiotensin-aldosteronesystem, RAAS) 系统的认识。RASS是肾脏产生的一种升压调节体系，肾素是由肾脏近球细胞分泌的一种蛋白水解酶，由于对血压下降或血液中Na⁺浓度下降响应而产生。一方面，分泌的肾素将血管紧张素原裂解成血管紧张素Ⅰ，该物质对血压升降无任何活性。ACE可以将血管紧张素Ⅰ转化为有活性的血管紧张素Ⅱ。血管紧张素Ⅱ有许多生理作用，该物质增加血管阻力，作用于肾上腺皮质释放醛固酮，增强Na⁺重吸收。同时，血管紧张素Ⅱ也作为激动剂将其受体激活，从而引起一系列相应的生理变化，最终导致血管壁紧缩、血压升高。此外，血管缓激肽本身是具有促进血管扩张、降低血压的作用。

RAAS系统对血压的调节机制
血管紧张素转化酶抑制剂 (angiotensin-converting enzyme inhibitors， ACEI) 通过抑制 ACE活性，从而抑制血管紧张素Ⅰ转化为血管紧张素Ⅱ，减少血管紧张素Ⅱ的产生，并抑制缓激肽降解，从而具有舒张血管、降低血压的作用。
卡托普利( 商品名 Captopril) 是第一代口服 ACEI，其最初来源于巴西蛇毒中的一种缓激肽，能够有效地治疗各种原发性高血压，具有起效迅速、降压平稳、远期疗效突出等优点，同时对心力衰竭和糖尿病、肾病也有良好的治疗效果。卡托普利的问世开启了高血压药物治疗的新时代。时至今日，以卡托普利为代表的ACEI 的研究，仍是药物化学研究的热点之一。02

蛇毒中的秘密

卡托普利的发现史可以追溯到 1933 年，那年Rochae Silva 发现被巴西蝮蛇咬伤的患者会出现低血压症状，由此猜想蛇毒中可能含有“降血压物质”。直到 1948 年，Rochae Silva从巴西蝮蛇的蛇毒中提取出“降血压物质”，并证明该物质是一种直链的九肽化合物，命名为“缓激肽”。缓激肽只有在蛇毒中能稳定存在，在人体内的半衰期极短，仅几分钟便会完全分解。因此，研究人员猜测毒蛇体内可能存在一种稳定缓激肽的物质。
在1960年代，John R. Vane致力于研究高血压的病因。Vane是一位传奇式人物，并因为对阿司匹林的研究而获得1982年诺贝尔医学奖。Vane也是通过研究抗高血压药物而声名鹊起。在1965年，一名巴西裔博士后SergioFerreira在巴西蝮蛇毒液中得到了缓激肽增强因子（bradykinin potentiating factor ,  BPF）提取物，Ferreira也证实BPF可以通过抑制缓激肽降解酶来增强缓激肽的作用。之后，对BPF进行了血管紧张素转化酶（ACE）的测试，发现其是一种有效的抑制剂。这引起了Vane对ACE及其作为治疗高血压的手段的抑制作用的浓厚兴趣。
John R. Vane 爵士（图片源https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1982/vane/biographical/）
Ferreira等人首先发现的一种多肽名为BPP5a，具有很好地降压作用，但是该化合物在人体中的半衰期极短。之后，多名研究人员又发现其他6种多肽，经过实验测试，一种名为teprotide的九肽获得研究者的青睐，该化合物具有较长的半衰期与优秀的降压效果。
Teprotide的化学结构（来源：参考资料1）
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关键的理论

当时， Vane在英国皇家外科医学院做药理学教授，此外，他还是E.R. Squibband Sons制药公司（百时美施贵宝公司前身之一）的顾问。而CharlesG.Smith是Squibb公司的研发主管。Vane向Squibb公司介绍了ACE作为血压主要调节剂的概念，然而，当时的主流观点认为ACE在所谓的“恶性高血压”（血压迅速升高并严重威胁生命）中起作用。由于这种情况仅占高血压疾病的5％，并且有适用于该症状的药物，因此ACEI在商业上不被重视。
Vane通过对高血压疾病的研究，认为ACE系统在“原发性高血压”中可能扮演着重要角色。他最终说服了Squibb的研究人员。由于公司尚未出品有竞争力的抗高血压药物，若Vane的理论是正确的话，它将使公司有机会“蛙跳”进入心血管领域。
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卡托普利的发现

然而， Vane等人的实验是在体外研究蛇蛇毒液中多肽。而多肽必须经过注射才能在体内有效。而注射不是治疗高血压的最优给药途径。且Squibb的研究人员合成2000多种化合物但无一例外都失败了。
在这山穷水尽之际，研究者发现，ACE的生化机理与羧肽酶A相似。并且羧肽酶A的结构已经被表征出来，但直到2003年人们才知道ACE的结构，所以在当时研究人员利用已知的羧肽酶A结构指导ACEI的研发。羧肽酶A结构示意图（来源：参考资料7）
羧肽酶A中含有Zn²⁺，Zn²⁺对于羧肽酶A的活性具有重要作用。L-苄基琥珀酸对羧肽酶A具有抑制作用，L-苄基琥珀酸中的两个羧基与羧肽酶A中的Zn²⁺结合，从而产生抑制活性。L-苄基琥珀酸与羧肽酶A中的Zn2+结合示意图（来源：参考资料6）
研究人员由此得到启发，创造性地将teprotide与L-苄基琥珀酸的结构结合，合成出一系列化合物（如下图所示）。
得到创造性结构（来源：参考资料1）
这一创造性的举动给整个项目带来意想不到的惊喜，化合物7与10的IC₅₀值分别为330 μM与70 μM，为项目的成功带来一丝曙光，将这几个化合物继续优化，得到如下图所示的结构。在化合物的羰基与羧基之间的亚甲基链上的不同位置引入甲基作为取代基，并测定各个化合物的活性。得到的结论是甲基在β位的活性高于α位的活性，且R构型的化合物活性高于S构型化合物与外消旋混合物的活性。
优化后的结构（来源：参考资料1）

虽然甲基取代化合物的活性大大提高，但仍达不到成药的标准。研究人员从羧肽酶A与抑制剂结合的活性位点出发，蛋白的活性位点上存在Zn²⁺，如果合成能与Zn²⁺结合力的更强的化合物，将会产生更强的抑制作用。研究人员将羧基替换为巯基，巯基Zn²⁺可以形成结合力更强的金属螯合物（如下图所示）。
优化后的结构（来源：参考资料1）
果然，皇天不负有心人，得到化合物21的IC₅₀达到了nM级的抑制作用，具有良好的成药性，这也是后来的抗高血压药卡托普利。05

坎坷的临床试验

在1970年代，开展ACEI临床试验并非易事，因为当时该领域的大多数临床专家不相信ACE在原发性高血压中起重要作用。Smith邀请数十位临床专家，询问他们是否愿意研究一种可抑制ACE的药物，遗憾的是大多数人表示拒绝，而只有两位表示有兴趣。当时的哥伦比亚大学医学院教授John Laragh表示愿意一试。
当Squibb向美国FDA申请临床试验时，但由于不符合FDA要求，因此该申请被拒绝了。Squibb公司并未气馁，在Vane的支持，在英国进行了首次临床试验。在英国的试验验证了药物的有效性，于是美国FDA破例同意ACEI对原发性高血压患者的临床试验。06

成功上市

由于卡托普利的良好效果，顺利完成临床试验，美国FDA于1981年6月批准卡托普利上市销售。之后又有多种ACEI类药物被批准上市，比如依那普利、赖诺普利等。在1988年，ACEI的销售额已经达到7.8亿美元；在1992年，卡托普利的销售额超过16亿美元；由于卡托普利的副作用较为严重，后起之秀依那普利的销售额已超过卡托普利。卡托普利的专利于1996年到期，于是卡托普利的价格从此骤降，目前国内有数百家药企生产此药。
卡托普利是Squibb的第一个重磅炸弹，它为治疗高血压开辟了新的途径。卡托普利的成功，不仅证明了ACE概念的正确性，也是药物合理设计的典范，为后来ACEI的研发提供了思路。 
 

参考资料：

1. Angiotensin-Converting Enzyme Inhibitors for the Treatment of Hypertension: Design and Discovery of Captopril.

2. The Discovery of Captopril.

3. Historyof the Design of Captopril and Related Inhibitors of Angiotensin Converting Enzyme.

4. From snake venom to ACE inhibitor — the discovery and rise of captopril.

5. The discovery of captopril: from large animals to small molecules.

6. Binding of the Biproduct Analog L-Benzylsuccinic Acid to Thermolysin Determined by X-ray Crystallography.

7. https://www.rcsb.org

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