作者：张志刚，卢婷利，赵雯 陈涛
【关键词】 二膦酸盐;合成;衍生物
二膦酸盐类(bisphosphonates,bps)药物是上世纪70年代开发出来的一种抗代谢性骨病药物，现已被广泛应用于 治疗 骨质疏松症、恶性肿瘤引发的高钙血症、赫伯特氏病、骨转移性疾病等代谢性骨病[1]。目前临床上使用的二膦酸盐药物依据其年代先后和结构特点分为3代。药物的 发展 带来了作用强度的相对增强，但并未解决二膦酸盐在临床应用中的一些缺陷[2]。新型二膦酸盐类药物的合成及研究是近年的研究热点。
1 二膦酸盐类药物概述
二膦酸盐类药物(图1)的基本结构(图2)是由2个膦酸基团连接在1个中心碳原子上形成的“pcp”结构，此种结构为fleisch最初于上世纪60年代受焦磷酸盐的启发而获得，为焦磷酸盐的类似物[3]。与焦磷酸的骨架“pop”不同，bps的“pcp”结构对酶和许多化学物质稳定。它能与骨质中的羟基膦灰石(ha)呈高亲和力，与钙离子形成螯合物，吸附于骨无机质表面，促进破骨细胞的凋亡、抑制骨吸收[4]，还能刺激成骨细胞的增殖、成熟[5]。WWw.11665.coM
二膦酸盐类药物按照分子作用机理[6]的不同可分为两类：不含氮二膦酸盐以及含氮二膦酸盐。不含氮的二膦酸盐(如氯曲膦酸钠)通过在破骨细胞形成毒性代谢产物或抑制酪氨酸蛋白磷酸酶的活性而发挥作用。含氮二膦酸盐(如阿伦膦酸钠、 唑来膦酸)抑制破骨细胞甲羟戊酸途径中的焦磷酸法尼酯合酶(fpps)，这种酶对破骨细胞发挥功能所需的gtp酶信号蛋白的异戊二烯化起着重要作用，gtp酶信号蛋白对于细胞的形成、活性及凋亡是非常重要的，二膦酸盐类药物的这种作用促进了破骨细胞的凋亡和抑制骨吸收。也有研究表明[7]，含氮二膦酸盐对于破骨细胞的作用可能实际是由于未异戊二烯化gtp酶的蓄积作用导致，而非减少了蛋白质的异戊二烯化作用。此外，二膦酸盐类药物在细胞学和组织学水平的作用包括以下几个方面[6,7]：①诱导破骨细胞的程序性死亡;②抑制破骨细胞的生成和活性;③刺激成骨细胞的增殖、成熟。其作用从骨的整体平衡来说，使得骨的生成增加而代谢减少，从而使骨密度增加。bps类药物在这三个水平的作用是紧密联系的。
2 现有二膦酸盐类药物的合成
目前主要在临床上应用的二膦酸盐药物分子结构中r1为羟基(1羟基1,1二膦酸盐)，从第一代依替膦酸钠发展到第三代唑来膦酸，其分子结构的变化主要体现在侧链r2上[8]，包括以下方面：①引入杂原子;②引入氨基;③引入氮杂环;④脂肪链长短的变化。虽然结构存在着差别，但这些药物的合成主要有着两条基本的路线。
2.1 经由羧酸出发的直接合成
1羟基1,1二膦酸盐的合成首先制得相应的羧酸，然后与亚磷酸、pcl3(或pcl5、磷酰氯)反应得到膦酰化产物，水解而得(scheme 1)。单独使用羧酸与亚磷酸反应得不到产物，pcl3、pcl5以及pocl3等酰化试剂是必须的。
此种路线虽然简便，但我们在前期利用此种路线进行的一种结构的二膦酸盐合成反应中发现，在反应进行一段时间后反应物固化，难于搅拌，起始反应物为两相不相溶的试剂，因此会影响反应进程和产物的生成，收率较低。此种方法的缺点还包括对试剂的要求严格，反应要求较高的温度。
kieczykowski等[9]用甲基磺酸作为溶剂克服了上述缺点，从γ氨基丁酸出发获得了较高产率的阿伦膦酸钠。divvela等[10]报道了1种新的一步反应合成二膦酸及其钠盐的方法(scheme 2)，由氰化物在甲基磺酸水溶液的作用下得到相应的羧酸，后者在pcl3的作用下得到的磷酸盐化合物水解产生相应的二膦酸(ph<2)或其单钠盐(ph=4.2～4.5)。该方法产率较高、条件温和，甲基磺酸既作为氰基水解的催化剂又作为反应溶剂，节约了成本，制得的利塞膦酸及其单钠盐的产率分别为79%和71%。此法同样适用于其他二膦酸盐的制备，例如伊班膦酸钠等。
2. 2 经由酰卤出发的间接合成
间接合成法(scheme 3)首先通过酰卤和亚磷酸三烷基酯发生michaehsarbuzov反应生成酰化膦酸烷基酯，随后再和亚膦酸二烷基酯发生羰基加成反应生成相应的二膦酸盐的烷基酯，后经二膦酸盐烷基酯的脱烷基化得到相应的二膦酸盐类。脱烷基化反应可用酸水解，酸水解1羟基1,1二膦酸酯条件较为强烈，用盐酸溶液回流水解可得到产物。mallard等[11]用6 mol/l的盐酸在室温下水解卞苯基取代的1羟基1,1二膦酸酯，水解速率很快，只要45 min即可完成。
scheme 3 indirect synthesis of bps 间接合成法的优点在于不仅适合于合成对称的二膦酸烷基酯，同时也适合于不对称二膦酸烷基酯。但此种路线与直接合成法相比增加了反应步骤，中间处理繁琐，且烷基酯在加热或碱性条件下易发生重排(scheme 4)，因而有时得不到产物。
mallard等[11]最初用酰氯和亚磷酸三烷基酯和亚磷酸二烷基酯的混合物进行反应(“一锅法”)，合成了产率较高的1羟基1,1二膦酸酯(scheme 5)，避免了中间产物的分离过程，简化了操作。
scheme 5 onepot synthesis of bisphosphonates esters benech等[12]合成了对称的1羟基1,1二膦酸酯(scheme 6)，此种方法没有使用亚磷酸二烷基酯，而在反应中引入了质子化试剂。在-10～0 ℃的条件下，酰氯和亚磷酸三烷基酯迅速发生反应生成酰基化烷基膦酸酯，然后向反应体系中加入约0.5倍量的甲醇，酰基化烷基膦酸酯发生作用，生成一种二烷基亚磷酸酯，然后与没有的酰基化烷基膦酸酯反应生成产物。
2.3 其他合成方法
lecouvey等[13]在室温下用酰氯与2倍量的亚磷酸三甲基硅酯反应(scheme 7)，后用甲醇水解得到1羟基1,1二膦酸盐。只需一步反应得到产物，整个反应只需1 h左右，操作简便，反应条件温和。
scheme 7 synthesis of bps from acyl chlorides and tris(trimethylsilyl)phosphite in the presence of protic reagent 谢雨礼等[14]以醛为原料，通过亚膦酸二烷基酯在有机胺催化下进行加成反应得到羟基膦酸酯。然后用mno2做氧化剂在乙醚等惰性溶剂中，于0～50 ℃下氧化得到酮基亚膦酸酯，后在有机胺的催化下与亚膦酸二烷基酯反应得到1羟基1,1二膦酸盐的烷基酯。此种路线通过加成、氧化两步温和反应，操作简单，产率较高。
kenna等[15]研究发现，简单烷烃或烷基格氏试剂与异丙基取代的4酮基亚膦酸酯发生加成反应，生成二膦酸盐时重排率很低，反应生成1羟基1,1二膦酸盐的烷基酯，然后水解即得相应的酸或盐。
3 二膦酸盐衍生物的合成研究
二膦酸盐类药物分子极性大，在生理ph下电负性强，给药后只有一小部分能到达骨组织，难以吸收利用，且毒副作用较大[2]。药物学家们对它们的可修饰位点(侧链、膦酸羟基等)进行了各种各样的结构修饰或衍生化，制得了一系列的二膦酸盐类似物及衍生物，对于设计出生物利用度高、组织靶向性强、全身毒性少的新型二膦酸盐药物提供了许多不同的思路。
阿伦膦酸钠和帕米膦酸钠由于侧链氨基的存在，使得它们比较容易进行结构修饰。xie等[16]由酰氯与氨基反应合成了阿伦膦酸钠和帕米膦酸钠的酰胺化衍生物，与原药相比，衍生物的极性降低，其对破骨细胞的靶向性作用增强。体外活性研究结果显示，该类衍生物对于骨形成具有促进作用，同时抑制了骨吸收。ezra等[17]为解决二膦酸盐口服利用率低的问题，将帕米膦酸和阿伦膦酸与脯氨酰苯丙氨酸二肽(prophe)进行酰胺化缩合，制得二膦酸盐的前药(scheme 8)。该方法主要利用肠道上特异性转运二肽和三肽的系统(pept1)对脯氨酸苯丙氨酸二肽的识别，提高了二膦酸盐的肠道吸收。大鼠口服给药实验显示其吸收率和生物利用度均较原药有所提高。 zinnen等[18]采用类似的原理合成了一种口服吸收迅速的维生素b6与阿伦膦酸钠缩合的衍生物。
scheme 8 synthesis of a peptide prodrug of bisphosphonates maelle等[19]报道了酰氯与脂肪族或芳香族的三甲基硅基磷酸酯反应，然后在甲醇的作用下得到的对称的膦酸羟基部分酯化的二膦酸盐衍生物(scheme 9)，其活性试验未见报道，这种衍生物理论上增加了二膦酸盐的亲脂性，利于穿透细胞。然而ebetino等[20]将一种含氮杂环的二膦酸盐的1个膦酸基团上的羟基甲基化后，活性试验显示其骨亲和力及抑制骨吸收作用完全丧失。
larry等[21]合成了二膦酸盐侧链被类异戊二烯基取代的衍生物(scheme 10)，并对其理化性质及生物活性进行了研究。这些含类异戊二烯基的二膦酸盐分子的极性较临床使用的二膦酸盐药物低，同时这些带有可识别法尼基焦磷酸酯合酶(fdps)基团的bps分子，可以作为蛋白质法尼基转移酶的底物，能够阻止细胞内焦磷酸牛龙牛儿基牛儿酯(ggpp)的合成，降低蛋白质的异戊二烯化，抑制异戊二烯通路，提高bps的作用效果。
scheme 10 synthesis of isoprenoid bisphosphonates amal等[22]分别将二乙烯三胺五乙酸(dtpa)和5氟尿嘧啶(5fu)与二膦酸盐偶合，用放射性同位素标记后对其进行鼠体内的生物分布实验，结果显示衍生物在骨组织特别是关节处有高摄取率，这显示出了骨转移病灶对药物的选择性吸收，且偶合后靶向性增加，减少了全身毒性。wright j等[23]将蛋白质如bsa与bps通过二硫键共价结合，形成bsabps复合物，有效地提高了bps与ha间的亲合力，使得药物的靶向性增加，bps的作用效果增强。takahisa等[24]将二膦酸盐偶联脂质体作为一种骨靶向给药系统进行研究，表明脂质体偶联bps组分对羟基磷灰石(ha)有高亲和力，脂质体阿霉素吸附到ha表明显著减少了人骨肉瘤mg63细胞的数量，这表明脂质体偶联bps可以作为一种抗癌药物的载体定向释放到骨组织。这种二膦酸盐偶联脂质体系统能被应用到多种 治疗 骨相关疾病(如骨质疏松、关节炎、多发性骨髓瘤)的药物。
4 结 语
二膦酸盐作为一类重要的治疗骨质疏松症的药物已经显示出了良好的效果，其治疗骨代谢相关疾病的效果是稳固的，但其生物利用率较低，临床上为了达到长久的效果必须经常服药或加大剂量，从而引发了一些并发症：一是易引起胃肠道反应，如恶心、呕吐、腹泻;二是抑制骨质矿化。要减少二膦酸盐类药物的副作用及长期服用的并发症，提高二膦酸盐类药物生物利用是关键。bps在骨无机质ha表面亲合后，只有与骨细胞发生作用，穿透细胞膜后才能与细胞内的fdps发生作用，所以bps穿透细胞膜能力的大小，直接影响着药物的作用效果，因而，亲和力强、脂溶性高的bps是今后研究的方向之一。通过改性二膦酸盐分子结构，降低其极性，提高其亲脂性，是增强其作用效果，减少并发症的途径之一。
过去在对侧链r2结构改变时，通过引入脂肪烷基链段来延长侧链r2的链长，仅考察了链长对作用效果的影响，而对引入烷基链段的结构如支化程度、饱和程度、芳香环的存在与否等因素研究较少。此外，如前所述，除单纯对bps的结构进行改造外，寻找合适的载体与bps进行偶联提高其生物利用率和靶向性也是提高其作用效果的一种研究方向。
随着研究的深入，二膦酸盐的作用机制以及构效关系逐渐明朗，相信不久的将来，亲和力高、作用强、毒副作用小的新型二膦酸盐药物将会应用于防治骨质疏松症等相关疾病。
【 参考 文献 】
[1] coxon f p,thompson k,rogers m j. recent advances in understanding the mechanism of action of bisphosphonates [j]. curr opin pharmacol,2006,6:307-312.
[2] major p p,lipton a,berenson j,et al.oral bisphosphonates[j].cancer,2000,88(1):7-9.
[3] graham r,russell g.determinants of structurefunction relationships among bisphosphonates[j].bone,2007,40:21-25.
[4] leu c t,luegmaryr e,freedman l p,et al. relative binding affinities of bisphosphonates for human bone and relationship to antiresorptive efficacy[j]. bone,2006,38:628-636.
[5] romanello m,bivi n,pines a,et al. bisphosphonates activate nucleotide receptors signaling and induce the expression of hsp90 in osteoblastlike cell lines[j]. bone,2006,39:739-753
[6] socrates e,papapoulos,bisphosphonates:how do they work?[j].best practice res,2008,22(5):831-847.
[7] coxon f p,thompson k,rogers m j. recent advances in understanding the mechanism of action of bisphosphonates[j]. curr opin pharmacol,2006,6:307–312.
[8] rogers mj,frith jc,luckman sp,et al. molecular mechanisms of action of bisphosphonates[j]. bone,1999,24:73s-79s
[9] kiecxykowski g r,jobson r b,melillo d g.et al. preparation of (4amino1hydroxybutylidene)bisphosphonic acid sodium salt,mk217 (alendronate sodium). an improved procedure for the preparation of 1hydroxy1,1bisphosphonic acids[j].j org chem,1995,60:8310-8312.
[10] diwela vn,ramesh d,racha l,et al.a facile one pot synthesis of bisphosphonic acids and their sodium salts from nitriles[j].arkivoc,2007 (xiv):34-38.
[11] mallard i,benech j m,lecouvey m,et al.psubstituted benzyl hydroxy bisphosphonates:synthesis and hydrolysis[j].phosphorus sulfur silicon,2000,62：15–23.
[12] bench j m,manouni d e,leroux y.nouvelle methode depreparation desters hydroxy bisphosphonates symetriques[j].phosphorus sulfur silicon,1996,113(1)：295 – 298.
[13] lecouvey m,mallard i,bailly t,et al.a mild and efficient onepot synthesis of 1hydroxymethylene1,1bisphosphonic acids[j].tetrahedron lett,2001,42(48):8476-8478.
[14] 谢雨礼,朱勤,谢毓元.等.1羟基1,1双膦酸类化合物的合成方法:
