卡托普利的发现简史

鲁原心论坛

 医学简史漫谈 

 陈鲁原

《卡托普利的发现简史》

2021.02.17 

- 目录 -

01

蛇毒中的秘密-发现缓激肽

02

费雷拉的关键性研究、范恩的远见卓识

03

ACE抑制剂的初期研发

04

成功上市

 蛇毒中的秘密--发现缓激肽 

卡托普利的发现史可以追溯到 1933 年，圣保罗大学医学实习生席尔瓦（Mauricio Rocha e Silva，1910-1983）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”。在圣保罗大学接受了一段时间的实验技能培训后，席尔瓦开始投身蛇毒的毒理学研究。1947年在英国学习期间，席尔瓦掌握了离体标本的生化检测技术。直到 1948 年，席尔瓦从巴西蝮蛇的蛇毒中提取出一种“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才能稳定存在，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。

席尔瓦教授本人和当时的学术界同仁对缓激肽的发现寄托着极大的希望，认为一个新型的降压药物即将诞生。然而，遗憾的是，缓激肽制剂在血液里半衰期很短，几分钟后就完全失效了。后来，人们才认识到缓激肽是一类局部激素，在组织中失效缓慢，作用持续时间长，而在循环中，一旦流经肺部就被肺组织中的蛋白水解酶分解失活。尽管如此，对缓激肽的这些研究成果为后来ACEI的发现点燃了指路明灯。

1965年席尔瓦的博士生圣迭戈•费雷拉(Sergio Ferreira,1934-2016)发现蛇毒本身具有增强缓激肽的作用，提示蛇毒中可能含有一种能抑制缓激肽降解酶的物质，并于同年将该多肽成功提取出来，命名为缓激肽增强因子(bradykinin potentiating factor , BPF)。当时费雷拉只是把BPF看成是一个具有促进缓激肽活性的物质。

就在这时，戏剧性的一幕发生了，费雷拉来到了时任英格兰皇家外科学院药理学教授约翰·罗伯特·范恩（John Robert Van，1927-2004，1982年诺贝尔生理和医学奖得主)的实验室做博士后研究。本来费雷拉是想去牛津大学师从Bill Paton教授的，但是费雷拉的夫人申请到了攻读伦敦大学的博士学位的资格，所以费雷拉就进入了范恩教授的实验室，如果当时费雷拉选择了Paton教授，则卡托普利就不会出现了，至少会晚一些时间才出现。 

范恩是一位传奇式人物，因为对阿司匹林的研究而获得1982年诺贝尔医学奖。从1960年代开始，范恩致力于研究高血压的病因。

 费雷拉的关键性研究、范恩的远见卓识 

费雷拉从巴西带来了他提取出来的BPF，但是范恩教授建议他开展BPF对肾素-血管紧张素系统作用(RAS)的研究，而费雷拉个性极强，他只想利用范恩实验室自主研发的离体器官血液培养技术继续研究BPF对缓激肽的作用机理，并反客为主极力劝说范恩教授也进行此项研究。费雷拉最终和其同事Mick Bakhle发现BPF其实具有两个功能，一个是增强缓激肽的作用，另一个是抑制血管紧张素I转化为血管紧张素II。因为当时人们还没有发现肾素-血管紧张素系统，所以圣迭戈•费雷拉和他的同事还识别不出它的真实身份。遗憾的是，在距离ACEI仅一步之遥时，研究止步不前了。

不过这一惊人的发现使范恩敏锐的意识到，ACE作为RAS系统的关键成分，可望成为治疗高血压的靶点。范恩教授几乎可以肯定，巴西人发现的BPF就是他要寻找的ACE抑制剂。由于范恩还是E.R. Squibband Sons制药公司（百时美施贵宝公司前身之一）的顾问，他向Squibb公司的研发主管CharlesG.Smith介绍了ACE作为血压主要调节剂的概念；建议对蛇毒提取物进行深入的研究，以此为突破口开发ACE抑制剂。

此时，范恩教授做出一个重要的决定，立即举办一个特别的学术研讨会，特别邀请巴西圣保罗大学药理系的专家参会。1968年，学术会议如期在伦敦召开，作为施贵宝制药公司的顾问，范恩主持了会议。

巴西方面派来了功力深厚的药理学专家米格尔•昂德替（Miguel Ondetti，1930年-2004年）教授。发现BPF的巴西学者费雷拉博士没有参加这次会议，他的兴趣已经转移到前列腺素和炎症疼痛学的研究，专心致志地研究前列腺素在炎症和疼痛方面的作用和机制，后来，他在这方面的研究同样取得了令人瞩目的成就。

会议决定安排Ondetti教授和施贵宝药学家代维•库斯曼（David Cushman，1939年-2000年）教授合作，在施贵宝公司的资助下，共同研制ACE的抑制剂。

 ACE抑制剂的初期研发 

施贵宝公司很快筹建了ACE抑制剂研发项目组，并由药学家Cushman 和药理学家Ondetti这两位颇具天赋的科学家任主要负责人。不负众望，Cushman教授很快建立了一种ACE分光光度计定量分析方法，便于及时对Ondetti教授分离或合成的多肽物质的结构功能进行分析。随后的两年时间里，施贵宝公司从蛇毒提取物中分离并合成了多种多肽化合物，药理学实验也证明了其中6个多肽物质对ACE具有较好的抑制活性，其中编号为SQ20881的一个9肽化合物，可较长时间的抑制ACE的生物活性，并将其取名为替普罗肽（teprotid），并花费了5万美元合成了1公斤的替普罗肽。

FDA拒绝了替普罗肽临床研究的申请。于是，范恩博士将替普罗肽带到了英国进行临床研究，结果显示替普罗肽在体内可有效抑制血管紧张素Ⅰ，从而达到降血压的作用。随后美国也同意了替普罗肽的临床试验，结果也十分理想。但是替普罗肽是一类大分子多肽化合物，口服无法吸收，只可进行注射给药，所以在一定程度上限制了其在临床上的应用。

蛇毒的主要成分是多肽，而多肽是不能口服的，一旦口服，强烈的胃酸就会使多肽分解为氨基酸而无法起效。鉴于此，Cushman和Ondetti两位教授将该项目的研究重点转向寻找可以口服吸收的小分子ACE抑制剂。但当时的他们，对ACE的结构一无所知，所以研究进展极其缓慢。

在对ACE抑制剂的构效关系研究发现，有效的ACE抑制剂最短需要包括苯丙氨酸-丙氨酸-脯氨酸在内的三肽结构。随后他们对2000多个小分子多肽化合物进行活性筛选均以失败告终。由于范恩教授的突然离职及进展的缓慢，施贵宝制药公司高层不得不暂停该项目的研究，但是Cushman和Ondetti凭着对科学的热爱，并未放弃对ACE抑制剂研发的探索，仍然时刻关注着相关的最新研究进展。

1974年，在这山穷水尽之际，Cushman看到了一篇关于新型羧肽酶A抑制剂苄基琥珀酸的文章，于是他立即请来了Ondetti一起讨论。他俩推测ACE的活性部位与羧肽酶A类似，于是他们决定利用已知的羧肽酶A结构指导ACEI的研发，将研究重点由原来的对ACE抑制剂结构研究转向对ACE活性部位结构研究，并提出了“基于结构的药物设计”理念。

羧肽酶A中含有对于羧肽酶A的活性具有重要作用的Zn2+。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，从而产生抑制酶活性的作用。研究人员由此得到启发，创造性地将替普罗肽与L-苄基琥珀酸的结构结合，合成出一系列化合物。将得到的这些化合物继续优化，使甲基取代化合物的活性大大提高，但仍达不到成药的标准。于是，研究人员将羧基替换为巯基，以便增强衍生物与Zn离子的结合作用。

果然，皇天不负有心人。研究人员得到了D-3-巯基-2-甲基丙酰-L-脯氨酸的小分子化合物，药理实验证明该衍生物对ACE的抑制活性提高了2000倍，且口服吸收有效，并将其命名为卡托普利，一类理想的ACE抑制剂就此诞生。也成为了施贵宝第一个年销售额超过10亿美元的重磅级药物。

从Cushman和Ondetti开始看到新型羧肽酶A抑制剂苄基琥珀酸这篇文章而形成基于结构的药物设计理念，再到卡托普利的成功合成，只用了大约一年半的时间，且也仅合成测试了约60个化合物，其效率令人叹为观止。从此之后，基于结构的药物设计理念成为新药研发的基本策略，也为如今的计算机辅助药物设计奠定了基础。

发现卡托普利过去25年后的2003年，人类才明确了ACE的结构。1999年，发明人Cushman和Ondetti被授予艾伯特•雷斯克临床医学研究奖。雷斯克临床医学研究奖是临床医学界的最高奖，是仅次于诺贝尔生理学或医学奖的医学大奖。

 成功上市 

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。施贵宝公司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，该申请被拒绝了。Squibb公司并未气馁，在范恩教授的支持，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治疗的临床试验。由于卡托普利的良好效果，美国FDA于1981年6月批准卡托普利上市销售。此后，卡托普利获准用于心衰和糖尿病肾病等疾病，为全球数以患者带来福音。

一个关键性的巯基给卡托普利带来了对血管紧张素转化酶的高效抑制，使施贵宝公司抢占了研发先机，但是，巯基也给卡托普利带来了副作用，如皮疹，味觉障碍，干咳等，这就为其他药厂后继研发留下了可以提升的空间。

1985年，默沙东研发出第二个ACE抑制剂，以马来酸依那普利的商标名进入市场，尽管比卡托普利晚了四年进入医药市场，但是它很快在全球范围内超越了卡托普利，成为了ACE抑制剂降压治疗的首选，并在1988年成为了默沙东公司第一个年销售额过10亿美元的药物。之后又有多种ACEI类药物被批准上市，比如依那普利、苯那普利、福辛普利、赖诺普利、咪哒普利、雷米普利等。

卡托普利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。