含硼类药物的研发进展

以往，硼被误解为一种对动物有害的有毒元素，它阻碍了上个世纪含硼药物发现的研发。然而，在世界卫生组织宣布硼是人类“可能的必要元素”之后，硼酸衍生物的现代应用在生物医学应用中表现出明显的吸引力。此外，FDA对五种含硼酸药物的批准，极大地影响了硼在药物化学、化学生物学、药物递送、生物材料探索、药理学改进和营养方面的应用。本文将对这些含硼药物的适应证和靶点结合机制，以及代表性药物在临床试验阶段的研究进展进行概述与总结。

硼类化合物在四个领域的应用。

自19世纪以来，硼酸作为一种中等防腐剂被用于医学科学，在上个世纪，生物医学科学中避免了含硼化合物的内部使用。然而，在本世纪，在FDA批准了广泛用于治疗骨髓瘤的硼替佐米后，制药研究领域在硼化学方面获得了巨大的发展势头。博罗霉素（Boromycin）是第一个在生物体（S.抗菌杆菌）中发现的含硼大环内酯。研究表明，博罗霉素对革兰氏阳性细菌4具有活性，同时对各种HIV感染的细胞系也显示出纳摩尔效力（～8 nM）。类似的硼大环内酯、血浆霉素及其相关衍生物最近有报道显示出较强的活性。含硼化合物在折叠这些大环内酯类物质中起着至关重要的作用，从而产生选择性和有效的生物活性。此外，硼还作为一种微量营养素，在维持结构完整性，控制活性氧（ROS），并构建植物的细胞壁方面起着至关重要的作用。哺乳动物同样需要硼来维持骨骼健康、大脑功能和降低癌症风险。此外，硼补充剂通过抑制一种使维生素D代谢失效的酶来弥补维生素D的缺乏。最近的大鼠实验表明，硼酸的致死剂量（LD50，2660 mg kg -1）与食盐（3000mgkg-1）相当。综上数据反映了硼元素在生命系统中的重要性。

天然存在的含硼化合物的例子

硼的原子序数为5，硼原子的价电子结构式为2s22p1，它含有一个空的p轨道，具有较强的亲电性，可以接受外来的孤对电子，进而与亲核试剂形成共价键。这一亲电特性，使得硼可与生物分子（如酶）的巯基、羟基、氨基结合并捕获它们。有机分子中的硼最常见的形式是硼酸基（R-B［OH］2），其pKa通常在7~9之间。在生理pH下，硼酸不带电荷，以平面三角形的sp2杂化形式存在，当环境pH高于其pKa时，环境中水的羟基与空的p轨道配位，形成一个配位键，硼以四面体形的sp3杂化形式存在。这一路易斯酸特性使得硼化合物可以很容易地在平面三角sp2和四面体sp3杂化状态之间相互转换，从而在与靶标作用期间采用各种结合模式，形成三方共价、四方共价或双齿共价加合物，得益于这一性质的硼在共价药物设计方面发挥了重要作用。

含硼药物可分为两种：硼酸类（Boronic acids）和苯唑硼类（Benzoxaboroles）化合物。目前全球已有5款含硼药物获批上市，接下来详细介绍其药理机制与临床研究。

已上市的含硼药物

2.1　bortezomib（硼替佐米）

2005年，千禧制药（Millennium）研发的bortezomib获得FDA批准，成为首个获得批准上市的含硼类药物。bortezomib是第一代蛋白酶体抑制剂，用于治疗新诊断的多发性骨髓瘤和复发/难治性多发性骨髓瘤和套细胞淋巴瘤。

在bortezomib之前，研究者们起初开发了醛基多肽类蛋白酶体抑制剂，然而由于其选择性不高，生物利用度较低等缺陷，研究者们对其进行药效团替换，当原化合物中的醛基这一亲电性基团由硼酸基团替换后，化合物的抑制活性显著提高，强于先导物约100倍；并且，由于硼与硫之间形成的配位键不稳定，硼酸不易与半胱氨酸蛋白酶如组织蛋白酶B的巯基发生结合，这也使引入硼酸的化合物对蛋白酶体具有了独特的选择性。

硼酸基替换醛基后的蛋白酶抑制剂的活性增强

bortezomib是一种二肽硼酸衍生物，该药的硼酸基团确保了对蛋白酶体的高特异性，早期研究中，该药对20S蛋白酶体的抑制常数（Ki）为0.6 nmol/L。晶体学结构显示结构中的硼原子与附近残基Thr1的羟基形成可逆的共价结合，而硼酸基团的两个羟基分别与Thr1和Gly47的氨基形成氢键，进一步稳定了这一区域的蛋白质-配体复合物，同时骨架中的N，O原子与多个残基的羰基，氨基形成氢键作用，这些作用会抑制蛋白酶体，进而对调节细胞增殖所必需的蛋白质降解造成抑制。最终使得癌细胞中的促凋亡蛋白不会被降解，进而导致细胞周期停滞，引起凋亡。

bortezomib（棕色）与20S蛋白酶体（蓝色）的结合模式（PDB：5LF3）

2.2　ixazomib（伊沙佐米）

ixazomib是第二代蛋白酶体抑制剂，由千禧制药公司公司开发，2015年首次获得批准，可与来那度胺和地塞米松联用于先前至少接受过一种治疗的多发性骨髓瘤患者。

给药方式上，ixazomib是首个口服蛋白酶体抑制剂，每周用药1次，减轻了患者依从性。结构上，与bortezomib类似，ixazomib的生物活性形式是二肽亮氨酸硼酸，在生理条件下，它由含柠檬酸酯的前药经水解生成。作用机制上，ixazomib优先结合20S蛋白酶体的蛋白水解（β5）位点，通过共晶结构可以观察到，ixazomib的硼原子与苏氨酸残基（THR-2）发生结合，对其产生可逆性的抑制，主链中的N、O与附近的残基形成氢键作用。在体外实验中，ixazomib对β5蛋白的IC50为3.4 nmol/L，并且在较高浓度下，该药还能抑制β1和β2蛋白水解位点，IC50分别为31和3 500 nmol/L 。

伊沙佐米（棕色）与20S蛋白酶体（蓝色）的结合模式（PDB：5LF7）

2.3　tavaborole（他伐硼罗）

tavaborole是Anacor制药公司开发的一种新型抗真菌药物，该药于2014年获得FDA批准上市。tavaborole是一种真菌蛋白质合成抑制剂，用于局部治疗因红色毛癣菌感染引起的脚趾甲真菌病。真菌的亮氨酰tRNA合成酶（LeuRS）是tRNA校对和蛋白质合成所必需的一种酶，在翻译过程中，LeuRS负责催化亮氨酸与亮氨酸特异性tRNA（tRNALeu）的结合。tavaborole的苯并硼唑结构中含有硼原子，在LeuRS的编辑位点上，硼原子与tRNALeu上的3′-末端腺苷上的2′，3′-羟基结合，形成一种稳定的tRNALeu-Tavaborole加合物，从而阻断亮氨酸的催化周转，引起下游蛋白质的合成抑制，阻止了真菌的进一步生长，该药对LeuRS的IC50为2.1 μmol/L。通过用碳取代硼后，发现活性降低了50倍。

tavaborole（棕色）与亮氨酸特异性tRNA（蓝色）的结合模式（PDB：2V0C）

在Ⅰ/Ⅱ期临床试验结果表明，tavaborole能有效穿透指甲，治疗水平的tavaborole在最后一次给药后效果至少持续3个月。随后进行的Ⅲ期临床试验评估了5% tavaborole与赋形剂相比的疗效和安全性。患者的真菌学结果显示，5%的tavaborole 溶液被证明比赋形剂更有效，涂抹部位反应的发生率很低，证明其安全性较好。

2.4　crisaborole（克立硼罗）

crisaborole 由安纳考尔制药开发，是一种非甾体类选择性PDE4抑制剂，药用剂型为2%的外用软膏，该药于2016年获得FDA批准，用于治疗轻度至中度特应性皮炎。

环磷酸腺苷（cAMP）相关的信号级联在调节免疫功能中起着关键的作用，磷酸二酯酶4（PDE4）特异性催化cAMP的水解，是免疫和炎症细胞中主要的磷酸二酯酶，其水平在特应性皮炎患者中会升高。

crisaborole 结构中硼的存在使其在PDE4的催化位点模拟了cAMP中的磷酸盐结构，以四面体的形式对PDE4的催化活性部位产生竞争性抑制，该抑制将引起细胞内cAMP的增多，进而激活蛋白激酶A和其他下游信号通路，如细胞核因子κB（NF-κB）通路及活化T细胞核因子（NFAT）通路，从而抑制炎症细胞因子（如TNF-α和各种白介素）的产生，起到治疗特应性皮炎的效果。克立硼罗对PDE4的IC50为0.49 μmol/L。

此外，独特的硼唑结构使得crisaborole具备合理的理化性质，更易穿透表皮和真皮到达炎症部位。并且，crisaborole独特的局部配方允许其在炎症和快速新陈代谢部位进行靶向抑制，之后可以快速代谢成无活性化合物进行排泄，从而避免全身暴露和潜在的非目标副作用。

4项Ⅰ期和Ⅱ期研究分析了儿童和成人使用crisaborole的药代动力学、疗效和安全性，结果显示，2%的crisaborole外用软膏显示出良好的耐受性，包括在最大剂量条件下，表现出有限的全身性暴露。根据一项Ⅲ期试验的结果，长期连续使用crisaborole后，相当大比例的轻中度特应性皮炎患者的病情得到改善。并且，在延长使用crisaborole的周期内，患者耐受性良好，未观察到安全信号，这表明患者需要更长的治疗期才能控制病情，并安全使用crisaborole。

2.5　vaborbactam（法硼巴坦）

美罗培南-法硼巴坦（meropenem-vaborbactam）是2017年FDA批准的组合药物，用于治疗复杂尿路感染。它由β-内酰胺酶抑制剂法硼巴坦和碳青霉烯类抗生素美罗培南组成，虽然法硼巴坦本身不是抗生素，但它与美罗培南联合使用可以防止其被β-内酰胺酶水解。

法巴硼坦（vaborbactam）由Rempex制药公司研发，是一种基于环状硼酸药效团的新型β-内酰胺酶抑制剂，其结构中含有的硼可与碳青霉烯酶（KPC）中的酶活性位点形成配位键。从机制上讲，硼与催化丝氨酸残基（SER-45）上的羟基形成四面体加合物，模拟了酶水解时的过渡态，对活性位点具有高亲和力，产生竞争性抑制。结晶学研究证实了它与催化丝氨酸的共价结合，而结构中的羧基在底物口袋中形成多组氢键，酰胺羰基与附近残基的两个氢键供体基团形成氢键。这些作用力使得它对于KPC具有极佳的抑制活性。此外，法硼巴坦不受KPC变异、KPC酶突变或外排机制的影响。美罗培南具有广谱的体外活性、良好的安全性和治疗严重革兰氏阴性菌感染的效果，因此被选为理想的碳青霉烯类抗生素。

 法硼巴坦（棕色）与KPC（蓝色）的结合模式（PDB：4XUZ）

在临床前实验中，这种组合药物对耐药的革兰氏阴性菌，特别是产生碳青霉烯酶的肺炎克雷伯氏菌显示出较强的抗菌活性（MIC50 ≤ 0.06 mg/L）。在药代动力学试验中，法硼巴坦与大多数β-内酰胺类抗生素曲线相似，其典型特征是半衰期短和分配量低。研究人员通过临床前试验和Ⅰ期相关试验优化了给药方案，使其在表现出杀菌活性的同时，防止了MICs高达8 mg/L的病原体产生耐药性，实现了PK/PD目标 。一项Ⅲ期试验（NCT02168946）显示，与哌拉西林-他唑巴坦相比，使用美罗培南-法硼巴坦后，包括急性肾盂肾炎（AP），以及严重的耐碳青霉烯类抗药性肠杆菌（CRE）感染的复杂尿路感染患者的症状完全缓解或得到了极大的改善。

现阶段，还有许多含硼药物已进入临床试验阶段的含硼药物。

硼酸类药物的代表分子

3.1　dutogliptin

dutogliptin（度格列汀）是一种口服的选择性二肽基肽酶-4（dipeptidyl peptidase-IV，DPP-IV）抑制剂，对DPP-Ⅳ的抑制活性为IC50 = 25 nmol/L，用于治疗2型糖尿病（T2DM）。DPP-4是一种丝氨酸蛋白酶，当此酶受到抑制后，将导致内源性葡萄糖依赖型胰岛素样多肽（GIP）和胰高血糖素样肽-1（GLP-1）活性增强，最终导致胰岛素分泌增强，从而降低血糖水平、糖化血红蛋白（HbA1c），以及胰高血糖素分泌和肝脏葡萄糖生成的减少 。

在一项多中心、随机、双盲、安慰剂对照的研究中，研究者对度格列汀的药代动力学和药效进行了实验和评价，接受格列酮或二甲双胍背景疗法的2型糖尿病患者，每天口服一次度格列汀，在3种不同剂量（100、200或400 mg）水平下，持续4周后，患者均表现出良好的耐受性，并且血糖控制得到了明显改善。目前，Dutogliptin 正在进行临床3 期试验治疗急性心肌梗死。

由FDA批准或在临床试验中的苯并恶硼类药物的代表分子。

3.２　AN2898

与已经批准的克立硼罗类似，Pfizer开发的AN2898是一种用于治疗特应性皮炎的磷酸二酯酶4（PDE4）抑制剂，具有竞争性抑制、可逆性结合的特点；通过抑制肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白细胞介素IL-12、IL-23等相关细胞因子的释放达到治疗特应性皮炎和银屑病的效果。从图中可以看出，AN2898相比于克立硼罗多了一个氰基，这一邻位氰基的引入也使得AN2898对PDE4的抑制活性得到了提高（IC50 = 60 nmol/L）。

关于AN2898的临床试验正在进行中，在一项Ⅱ期研究中（NCT01301508），特应性皮炎患者接受AN2898软膏（1%）治疗，持续6周，试验终点表明，AN2898软膏（1%）在降低特应性皮炎病变的严重程度和症状方面具有较好的效果，且安全性和耐受性良好。

3.3　GSK3036656

GSK3036656是一种作用于结核分枝杆菌的亮氨酰tRNA合成酶（MtbLeuRS）抑制剂，用于治疗结核病。与tavaborole的抗菌机制类似，GSK3036656 结构中的硼与tRNA3′末端核苷酸的Ade76形成两个配位键，由此产生的共价加合物将亮氨酰tRNA合成酶的3′端束缚在非生产复合物的编辑位点上，进而阻止亮氨酸化，从而抑制了细菌蛋白的合成。位于C-3侧链的氨基可以形成3个氢键，在结合中起重要作用。此外，Cl原子的存在显著改善了它的抑制活性和抗结核作用，并对其他细菌产生了选择性。该药有很强的酶抑制活性（IC50 = 0.2 μmol/L）与体外抗结核活性（MIC = 0.08 μmol/L）。

同时，在小鼠结核病感染模型中，该药具有显著的口服生物利用度和低剂量体内疗效。在一项首次在人体内进行的研究（NCT03075410）中GSK3036656在单次和重复剂量的口服给药后表现出良好的安全性及耐受性。目前，一项关于该药的Ⅱ期试验（Nat Med,2024.10.1038/s41591-024-2829-7)证实了ganfeborole的杀菌活性和可控的安全性，表明ganfeborole是肺结核联合治疗的潜在候选药物。

3.4　acoziborole

acoziborole是一种抗寄生虫药物，用于治疗人类非洲锥虫病（HAT），其对布氏锥虫菌株的MIC为0.6 μg/mL。不过，目前该药的靶点和作用机制尚未得知。在临床前试验中，acoziborole 以25 mg/kg口服给药，7 d后对中枢神经系统的布氏锥虫感染治愈率达到了100%，表现出了显著的抗锥虫活性，以及单次口服给药治愈HAT的可能性。目前，acoziborole 正处于一项研究其疗效和安全性的Ⅲ期试验中（NCT05256017）。

3.5　GSK8175

GSK8175属于第二代针对丙型肝炎病毒（HCV）的RNA聚合酶抑制剂。葛兰素史克公司的研发人员对一种血浆半衰期较短的临床候选药GSK5852的代谢性质进行优化，最终发现了GSK8175。X射线衍射数据显示其结构中的关键药效团N-苯基硼酸在高度有序的水分子介导产生的氢键相互作用下，与HCV的NS5B蛋白（如GT1a 316Y蛋白）发生结合，对GT1a的复制子可以产生有效抑制（EC50 = 32 nmol/L）。

目前，研究人员在一项临床Ⅱ期（NCT02014571）试验中，已评估了在20 mg口服剂量下，GSK8175治疗慢性丙型肝炎病毒的安全性和有效性。

GSK8175作用机制

3.6　taniborbactam

taniborbactam是一种含硼的全谱β-内酰胺酶抑制剂，具有可逆性、选择性抑制的特点。它是经筛选得到含硼先导化合物，基于结构进行药物设计，并对构效关系研究后，发现了该化合物，其结构可通过与羟基和锌离子结合模拟酶水解时的过渡态，对丝氨酸类β-内酰胺酶（SBLs）和金属类β-内酰胺酶（MBLs）产生抑制。从晶体结构中可以观察到，环状硼酸酯中的硼、氧原子和羧基中的氧原子与金属类β-丝氨酸酶NDM-1活性中心的两个锌离子发生结合，而在与OXA-10的晶体模式中，硼原子共价连接到具有亲核性的残基Ser67上。在临床前试验中，taniborbactam对所有主要的临床相关的β-内酰胺酶表现出IC50～20－42nmol/L。taniborbactam是首个进入临床试验的含硼全谱β-内酰胺酶抑制剂。

目前，一项评估taniborbactam联合头孢吡肟治疗尿路感染的疗效、安全性和耐受性的Ⅲ期临床试验按计划已于2021年底完成，结果显示头孢吡肟-他尼硼巴坦Cefepime-Taniborbactam）在治疗包括急性肾盂肾炎在内的复杂性尿路感染方面优于美罗培南，且安全性与美罗培南相似（NCT03840148，N Engl J Med. 2024， 10.1056/NEJMoa2304748）。

除了已上市和临床研究中的含硼药物之外，近年来不断有新的含硼化合物在相关研究中被发现，它们目前尚处于临床前阶段或生物活性评价阶段。

近几年新发现的含硼药物