前言
2020年，加拿大McGill University的Nicolas Moitessier教授在EJMC上发表了综述，总结了硼酸药物的设计和发现。
介绍
图1：PubMed上“硼+药物”关键词搜索情况
硼元素广泛存在于自然界中，参与多种生命活动过程。硼酸或硼酸酯的存在形式是相对安全的，因此已经被广泛用于药物设计。自20世纪90年代以来，硼与药物的联系越来越紧密，PubMed上搜索“硼+药物”关键词可以发现，相关的文献报道数量急剧上升(图1)。
目前，已经有五个含有硼酸及其酯结构的药物上市用于相关疾病治疗(图2)。
图2:含有硼酸及其酯结构的上市药物
硼替佐米(Bortezomib)是2005年FDA批准上市的第一个蛋白酶体抑制剂，用于多发性骨髓瘤的治疗，其主要的抗癌机制是阻断癌细胞中凋亡蛋白的降解，诱导细胞凋亡。硼替佐米与蛋白酶体的共晶结构研究表明，硼替佐米能够与蛋白酶体活性位点的苏氨酸残基共价结合，进而阻断蛋白酶体活性，是一种可逆的共价抑制剂。硼替佐米是基于蛋白酶体底物类似物肽醛的研究而发现的，肽醛能够与蛋白酶体活性位点的亲核性苏氨酸残基发生共价结合，由于醛的高反应性不能用于进一步的药物开发，于是用硼酸代替醛基进而获得抑制活性很高的硼替佐米。
伊沙佐米(Ixazomib)是2015年FDA批准上市用于多发性骨髓瘤治疗的第二代蛋白酶体抑制剂，是第一个口服蛋白酶体抑制剂，其作用机制与硼替佐米类似，但是活性更高，副作用更少，且可用于硼替佐米抵抗的癌症患者。
他伐硼罗(Tavaborole)于2014年被FDA批准上市用于真菌感染引起的灰指甲治疗，其作用机制是选择性抑制真菌亮氨酸tRNA合成酶的活性，进而阻止蛋白质合成，抑制真菌生长，构效关系研究表明，当结构中B原子替换为C原子时活性降低近50倍。
辉瑞制药公司研发的Crisaborole于2016年被FDA批准上市用于治疗轻度至中度湿疹，其作用机制是抑制磷酸二酯酶4(phosphodiesterase 4, PDE4)活性，降低促炎性细胞因子的释放。
Vabomere是一种组合药，由广谱碳青霉烯类抗生素美罗培南(Meropenem)和含有单硼酸酯结构的β-内酰胺酶抑制剂Vaborbactam组成，2017年FDA批准上市用于细菌感染治疗。
此外，还有多个处于临床试验阶段的含有硼酸及硼酸酯结构的小分子(图3)。
图3:处于不同临床试验阶段含有硼酸及其酯结构的小分子
Acoziborole是一种抗寄生虫药，用于治疗非洲人锥虫病(Human African Trypanosomiasis, HAT)，目前正处于III期临床试验阶段。AN2898与上市药物Crisaborole结构类似，也是一种PDE4抑制剂，用于治疗特应性皮炎，其结构是在Crisaborole的氰基邻位再引入一个氰基，II期临床试验表明了其安全性及有效性。
Dutogliptin是一种二肽基肽酶4(dipeptidyl peptidase 4, DPP4)抑制剂，DPP4抑制剂可以通过抑制胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)降解，刺激胰岛素等方式来降低血糖，DPP4还可以降解招募干细胞用于心肌修复，虽然用于糖尿病治疗的II期临床试验已经终止，但Dutogliptin与非格司亭用于治疗心肌梗死的联合用药目前处于II期临床试验阶段。
GSK3036656是一种选择性亮氨酸tRNA合成酶可逆共价抑制剂，用于治疗肺结核感染，目前处于II期临床试验。GSK2878175是非核苷类的丙型肝炎病毒RNA聚合酶NS5B酶抑制剂，研究显示其具有较低的体内清除率和广谱的抗丙型肝炎病毒(hepatitis virus C, HCV)复制的活性。目前，作为靶向治疗HCV RNA聚合酶NS5B酶已经完成I期临床试验。
硼酸本身并不是合成药物，但硼酸作为阴道内定植的替代溶液(Boric Acid,Alternate Solution for Intravaginal Colonization, BASIC)的II/III期临床试验正在进行，用于配制乳霜以治疗细菌性阴道病(bacterial vaginosis, BV)；硼酸与益生菌组合作为复合胶囊用来治疗BV、念珠菌病或酵母菌感染目前处于IV期临床试验。
由Qpex Biopharma制药公司开发的QPX7728是一种新型超广谱β-内酰胺酶抑制剂能够抑制丝氨酸和金属β-内酰胺酶，并恢复多种口服β-内酰胺抗生素对耐药革兰氏阴性病原体的抑制活性。
Taniborbactam是由Venatorx制药公司基于结构的药物设计和构效关系研究发现的小分子，其能够恢复头孢吡肟对耐药菌株的抑制活性。目前，头孢吡肟/Taniborbactam用于治疗尿路感染的组合用药正处于III期临床试验阶段。
硼酸及其酯在药物设计中的应用
硼酸在疾病诊断工具、硼中子俘获疗法、生物偶联、材料、催化剂等方面均有广泛应用。硼酸及硼酸酯在药物设计中也越来越广泛应用，主要用于提高药物活性和改善药物药代动力学性质。
1. 硼酸作为生物电子等排体
图4:硼酸作为生物电子等排体
在生理pH下硼酸以稳定的非离子化形式存在，因此，硼酸能够作为离子化基团的非离子化生物电子等排体(图4)。
硼酸可以作为羧酸的生物电子等排体，两者结构相似，但是硼酸的pKa更高，在生理pH下以非离子化形式存在。硼酸可以作为酚羟基的生物电子等排体用于改善分子性质。
在结构上，磷酸和羧酸相似性没有硼酸与羧酸相似性高，但是在核苷酸的研究中硼酸可作为磷酸的生物电子等排体。Vasseur课题组以硼酸替换DNA核苷酸中的磷酸基团得到DNA核苷酸类似物，计算研究表明，硼核苷酸在结构上与天然核苷酸非常相似(图5a)。当用天然的尿嘧啶核糖核苷酸与之反应能够得到二核苷酸，其中硼酸与RNA核苷酸的二醇发生反应(图5b)。
图5:硼酸作为磷酸基团的电子等排体
2. 改善药代动力学性质
在分子中引入硼或以硼酸及其酯取代某些官能团能够影响分子的酯水分配(logP)和表观分配系数(logD)，进而影响药代动力学性质。
以硼酸作为酚羟基的生物电子等排体，改善分子溶解性。发现于南非矮生柳树的天然活性产物Combretastatin A-4是一种微管蛋白聚合抑制剂。研究人员在研究其类似物过程中，利用硼酸替换分子中酚羟基，发现其微管蛋白抑制活性提高了，且在酸性介质中的溶解度提高了将近2倍（图6）。
图6:Combretastatin A-4引入硼酸改善溶解性
氟维司群(Fulvestrant)是FDA批准的唯一选择性雌激素受体下调剂(selective estrogen receptor downregulators, SERD)，能下调雌激素受体(ER)水平和活性。但分子中酚羟基容易通过葡萄糖醛酸代谢，为了降低代谢速率，研究人员以硼酸代替酚羟基，发现在乳腺癌细胞中活性基本保持，但药代动力学性质更好，且体外测试活性更高，清除率更低，表观分布容积大幅度增加(图7)。
图7:氟维司群引入硼酸降低代谢速率
3. 提高分子生物活性
自分泌运动因子(autotaxin)是一种糖蛋白，具有溶血磷脂酶D(LysoPLD)活性，能够催化溶血磷脂酰胆碱生成溶血磷脂酸(LPA)，LPA参与多种生命活动的调节，在组织发育和肿瘤发生相关的信号通路中发挥核心作用，因此autotaxin是一个肿瘤治疗靶点，HA51是一个autotaxin抑制剂，分子中的羧基用硼酸替换得到HA130，autotaxin抑制活性大幅度提高(图8)。
图8: HA51引入硼酸提高生物活性
化合物1是一种HIV-1蛋白酶抑制剂Darunavir类似物，与HIV-1蛋白酶具有较高亲和力，其抑制常数为12.9 pm，在人T淋巴细胞白血病细胞MT-2中具有一定生物活性，当分子中的羧基用硼酸替换时得到化合物2，抑制活性基本保持，而细胞测试的IC50大幅度增强，分析发现两者与HIV-1结合模式非常相似，因此两者活性差异原因可能在于羧酸化合物不能穿过细胞膜进入细胞发挥作用。
图9:化合物1引入硼酸提高生物活性
4.硼酸作为可逆的共价抑制剂弹头
硼原子的价电子结构是2S22P1，原子结构中有一个空轨道硼原子以sp2杂化形式形成共价分子，留下一个空轨道可以作为路易斯酸，接受外来孤对电子，形成sp3杂化的四面体构型配合物，在水溶液中，水分子中氧原子的孤对电子进入硼原子的空轨道，释放一个质子产生sp3杂化的硼(正四面体型)物种。
同样，在生理pH条件下，硼酸与蛋白酶活性位点的丝氨酸或半胱氨酸残基发生反应，硼原子与以sp3杂化形式存在，形成四面体分子构型模拟酶催化底物的四面体过渡态，从而竞争性地抑制酶活性。
图10:B原子外层电子结构及硼酸四面体物种
以下是常见的模拟天然底物与丝氨酸蛋白酶活性位点丝氨酸反应的不同类型可逆共价抑制剂弹头。
图11:常见可逆共价抑制剂弹头作用机制比较
与弱亲电性的氰基不同，硼酸和醛基能够与丝氨酸羟基反应形成四面体过渡态酶与模拟底物肽的反应。因此在活性位点上停留时间更长，抑制活性更高，但是醛基活性太高，在人体内容易引起氧化应激，导致细胞毒性，突变和致癌作用。
图12:硼酸与蛋白酶催化位点丝氨酸残基形成可逆共价键
β-内酰胺酶是耐药细菌针对内酰胺类抗生素分泌的一类酶，可以与β-内酰胺环结合，使β－内酰胺环裂解而被破坏，失去抗菌活性，是细菌耐β-内酰胺类抗生素的主要原因(图13a)。为了克服耐药问题，开发了许多β-内酰胺酶抑制剂，头孢菌素(cephalothin)是一种β-内酰胺类抗生素，β-内酰胺酶通过活性位点的丝氨酸对β-内酰胺亲核进攻开环，使得抗生素失去活性，研究人员基于这个机理，开发出可逆的β-内酰胺酶抑制剂化合物3，硼酸基团与底物丝氨酸残基发生共价结合，模拟底物反应，进而抑制酶活性(图13b)。
图13:基于底物过渡态模拟发现β-内酰胺酶抑制剂
表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)是一种广泛分布于人体细胞膜的具有酪氨酸激酶活性的跨膜受体，与配体结合后启动多种细胞信号传导，参与细胞增殖、分化、凋亡等过程，与肿瘤形成和恶化具有密切关系，EGFR是重要的癌症治疗靶点。PD-168393是一种EGFR不可逆抑制剂，以Michael受体丙烯酰胺作为弹头，与突变的EGFR激酶区域活性位点半胱氨酸发生共价结合而起作用。研究人员利用硼酸代替丙烯酰胺弹头，得到了化合物4和5，两者均在在亚微摩尔水平下抑制剂EGFR酪氨酸激酶活性且对其他激酶没有影响。同时发现化合物5能够持续性地抑制EGFR活性，研究认为硼酸能够以伪不可逆的方式与半胱氨酸结合，因此没有自杀性抑制风险，同时具有长效作用(图14)。
图14:硼酸替换PD-168393丙烯酰胺作为Michael受体弹头
脯氨酰内肽酶(prolyl oligopeptidase, POP)是一种脯氨酸后切割酶，主要存在细胞质中，负责短神经肽和肽激素的成熟和降解，与神经性疾病相关，POP抑制剂具有神经保护、抗遗忘和增强认知特性，同时对肿瘤、高血压也有一定的治疗作用。成纤维细胞活化蛋白(fibroblast activation protein, FAP)是一种与二肽基肽酶IV(dipeptidyl peptidase IV, DPPIV)相关的丝氨酸蛋白酶，与涉及细胞外基质重塑的多种疾病相关，FAP抑制已成为相关疾病的治疗靶点。化合物对于两种POP和FAP都具有抑制活性，当以硼酸替换氰时，活性大大增强一个数量级。
图15:硼酸替换氰基作为Michael受体弹头
可逆共价抑制剂已经成为药物开发的重要方法，硼替佐米和伊沙佐米的成功上市进一步证明了硼酸及其酯用于可逆共价抑制剂的开发具有巨大潜力。
5.硼酸或硼酸酯作为前药
硼酸及其酯被用于多种抗癌药物前药设计，研究人员利用某些细胞中高水平的活性氧以氧化前药以释放活性成分的理念用于前药设计。
SN-38是DNA拓扑异构酶I抑制剂伊立替康的活性代谢产物，研究人员利用硼酸取代酚羟基得到喜树碱B1(Camptothecin B1)作为SN-38的前药。利用癌细胞中高水平的活性氧物种H2O2将其氧化为释放SN-38(图16)。
图16:H2O2氧化硼酸前药释放SN-38
贝利司他(Belinostat)是一种组蛋白去乙酰化酶(pan-histone deacetylase, HDAC)抑制剂，用于治疗复发性或难治性外周T细胞淋巴瘤。为了改善生物利用度，引入硼酸基团得到前药化合物8，9。活性发现，化合物8和9活性差异很大，化合物8在HeLa细胞的IC50相比于贝利司他降低了3-5倍，但是体内小鼠实验中肿瘤抑制活性增强了。而化合物9的细胞活性比化合物8低了一个数量级(图17)。
图17:贝利司他两种前药
研究人员进行了组织分析，发现化合物8释放了贝利司他，同时存在水解产物硼酸化合物10，10可以进一步释放贝利司他，使得贝利司他可以缓慢释，进而放增加了活性。而化合物9活性明显降低的原因在于氧化后形成苯酚中间体不能进一步释放贝利司他，因此在体外测试中丧失活性(图18)。
图18:贝利司他两种前药作用机制
Ixazomib Citrate也是一种前药，在体内能够水解释放含有硼酸结构的Ixazomib发挥活性(图19)。
图19:前药Ixazomib Citrate释放机制
总结
硼酸及硼酸酯由于相对安全性，已被广泛用于药物分子的设计。可以作为羧基、酚羟基、磷酸的生物电子等排体以改善分子理化性质及生物活性，也可以替换氰基、丙烯酰胺等共价抑制剂的Michael受体用于设计可逆共价抑制剂，此外还能作为前药，这些成功也将推动硼酸及其酯在药物设计中的进一步应用。
参考文献：
1.Jessica Plescia, Nicolas Moitessier. Design and discovery of boronic acid drugs.Eur. J. Med. Chem.2020, 195, 112270