鄭小嬌，劉根炎，巨修練

(武漢工程大學(xué) 化工與制藥學(xué)院，武漢 430205)

GABA (γ-aminobutyric acid)是哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)內(nèi)重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)。GABA從突觸細(xì)胞釋放后作用于GABA受體(γ-aminobutyric acid receptor)，激活離子通道打開使氯離子內(nèi)流，從而對生物體的神經(jīng)活動產(chǎn)生抑制作用。GABA受體是醫(yī)藥、獸藥、農(nóng)藥的重要作用靶標(biāo)，具有亞型多樣性及作用位點復(fù)雜性的特點[1-3]。在哺乳動物中，根據(jù)受體結(jié)構(gòu)和功能區(qū)分及藥理特性，將GABA受體分為3種亞型：離子型通道GABAA受體、GABAC受體以及代謝型GABAB受體。GABAA受體屬于半胱氨酸環(huán)配體門控離子通道超家族，是一種五聚體跨膜糖蛋白，與其他神經(jīng)遞質(zhì)門控離子通道相似，GABA受體包含一個由5個跨膜亞基共同組裝的中央氯離子通道孔[4-5]。研究表明，在哺乳動物中，GABAA受體由19種亞基(α1-6,β1-3,γ1-3,δ1,ε1,Φ1,π1,ρ1-3)組合而成[6]，每個亞基包含400~550個氨基酸殘基，由3個結(jié)構(gòu)域組成：約220個氨基酸殘基組成的胞外N端配體結(jié)合區(qū)域(ligand-binding domain, LBD)，這部分為長鏈的親水區(qū)，主要為折疊結(jié)構(gòu)；4個跨膜疏水序列(TM1-TM4)構(gòu)成的跨膜區(qū)域(transmembrane domains, TMDs)，主要為螺旋結(jié)構(gòu)，它們來回4次橫穿細(xì)胞膜，組成跨膜通道，其中TM2組成通道內(nèi)壁；另外，還有處于細(xì)胞內(nèi)基質(zhì)的環(huán)，它是各亞基變異度最大的區(qū)域，目前對這部分序列的結(jié)構(gòu)和功能研究較少[2]。

不同于哺乳動物，昆蟲GABA受體目前并無GABAA、GABAB、GABAC受體3種亞型之分，一般認(rèn)為昆蟲GABA受體與哺乳動物的GABAA受體相似度較高[7]。對昆蟲GABA受體的研究遠(yuǎn)不及哺乳動物GABAA受體，迄今為止，昆蟲離子型GABA受體僅通過克隆得到3種亞基：RDL (Resistance to dieldrin)、GDR (GABA and glycine-like receptor ofDrosophila melanogaster)和LCCH3 (Ligand-gated Chloride Channel Homologue 3)。其中，RDL亞基因?qū)Φ沂蟿┚哂锌剐远妹?，研究表明，目前僅發(fā)現(xiàn)RDL亞基能形成功能性門控氯離子通道[8-10]。與哺乳動物GABAA受體相比，RDL氨基酸序列具有高度的相似性，RDL亞基的TM3和TM4之間的連接片段較長，但同樣具有跨膜疏水區(qū)，其結(jié)構(gòu)與GABAA受體亞基相似。2004年Miller等首次報道了由5個β3亞基組成的人GABAA受體同源五聚體的三維晶體結(jié)構(gòu)，對GABAA受體的研究具有劃時代的意義，隨后有關(guān)人的幾種GABAA受體也被相繼解析出來。但目前還沒有昆蟲GABA受體晶體結(jié)構(gòu)被解析的報道[11-12]。

GABA受體調(diào)節(jié)劑(modulator)分為激動劑(agonist)和拮抗劑(antagonist)，拮抗劑又分為競爭性拮抗劑(comparative agonist, CA)及非競爭性拮抗劑(nocomparative agonist, NCA)。目前作用于GABA受體作為殺寄生蟲的藥物主要分為4類：⑴ 多氯環(huán)烷烴，其中代表品種為林丹(lindane)；⑵ 苯基吡唑類，其中代表品種為氟蟲腈(fipronil)；⑶ 大環(huán)類酯，其中代表品種為伊維菌素(evermectin)；⑷ 異噁唑啉類，其中代表品種為氟雷拉納(fluralaner)?，F(xiàn)將這4類殺寄生蟲藥物分別予以介紹。

圖1 GABA受體及配體結(jié)合位點示意圖

1 多氯環(huán)烷烴

多氯環(huán)烷烴作為殺蟲劑具有較長的歷史。1825年Farady發(fā)現(xiàn)苯和氯氣在日光下反應(yīng)可以得到一種固體產(chǎn)物六氯環(huán)己烷，由于分子結(jié)構(gòu)為C6H6Cl6簡稱為六六六。1912年Lindene指出，在六六六混合物中存在4種立體異構(gòu)體。直到1935年六六六的殺蟲活性才由Bender發(fā)現(xiàn)。隨后Dupire和Slade也各自發(fā)現(xiàn)了六六六的殺蟲活性。Slade還進(jìn)一步指出，六六六的生物活性幾乎完全是由于γ-六六六異構(gòu)體的存在所引起的。含γ-體99%以上的六六六就叫林丹(lindane)，其具有觸殺和胃毒殺蟲作用，也有一定的熏蒸作用。在此基礎(chǔ)上，20世紀(jì)50-60年代先后開發(fā)上市的殺蟲劑有艾氏劑、狄氏劑、毒殺分、硫丹等多氯環(huán)烷烴類(圖2)。1982年Matsumura等通過同位素示蹤方法發(fā)現(xiàn)該類殺蟲劑作用于GABA受體的NCA作用位點，這是世界上首次報道該類殺蟲劑作用靶標(biāo)為GABA受體[13-14]。該類殺蟲劑對土棲害蟲、植食性害蟲、衛(wèi)生害蟲及一些動物寄生蟲均有效，20世紀(jì)60-70年代在我國得到廣泛應(yīng)用，由于其在環(huán)境中不易降解及蓄積毒性，現(xiàn)已被禁止作為農(nóng)藥及獸藥使用。該類殺蟲劑作用于GABA受體的NCA結(jié)合位點，該位點位于GABA受體離子通道跨膜段M2區(qū)域，為區(qū)別于其他NCA結(jié)合位點，稱為NCA-Ⅰ位點[15]。

圖2 代表性多氯環(huán)烷烴分子結(jié)構(gòu)

2 苯基吡唑類

苯基吡唑類殺蟲劑是20世紀(jì)80年代羅納-普朗克公司在開發(fā)除草劑的過程中開發(fā)出的一類新穎結(jié)構(gòu)的殺蟲劑，代表品種有氟蟲腈(fipronil)、乙硫蟲腈(ethiprole)等。氟蟲腈是由羅納-普朗克農(nóng)化公司于1987年研制開發(fā)，并于1993年開始商品化在全球范圍內(nèi)推廣使用。它是一種高效、低毒的殺蟲劑，也是第1個上市的苯基吡唑類殺蟲劑，對哺乳動物和昆蟲具有較高的特異選擇性。通過同位素示蹤及電生理等方法確認(rèn)該類殺蟲劑作用于GABA受體的NCA-Ⅰ位點，與多氯環(huán)烷烴類殺蟲劑作用位點一致，兩類殺蟲劑具有交互抗性[16]。其后，陸續(xù)有苯基吡唑類殺蟲劑被推向市場，如具有與銳勁特相類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)的乙蟲腈，吡唑環(huán)4位為乙基亞砜，是安萬特公司開發(fā)的殺蟲、殺螨劑，其生物活性與氟蟲腈相近，但生產(chǎn)成本低于氟蟲腈，安全性高于氟蟲腈。1996年Frontline (福來恩，fipronil)作為寵物用藥在美國上市，適用于寵物各階段的跳蚤蟲卵、幼蟲、成蟲，虱子以及蜱蟲，也可有效預(yù)防包括Lyme在內(nèi)的多種疾病[17]，目前作為殺寄生蟲藥物大量使用。

圖3 苯基吡唑類殺蟲劑氟蟲腈和乙蟲腈

3 大環(huán)內(nèi)酯

阿維菌素從首次被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)有近半個世紀(jì)的歷史。1976年，科學(xué)家在日本靜岡縣意外發(fā)現(xiàn)了鏈霉菌(Streptomycesa vermitilisMA-4860)，在此之后不久美國默克公司(Merck)則在Streptomycesa vermitilisMA-4860的發(fā)酵菌絲內(nèi)發(fā)現(xiàn)了8種天然大環(huán)內(nèi)酯類同系物[18-19]。該公司將此類化合物定名阿維菌素(avermectin)，但其中活性最高的是阿維菌素B1a，又稱abamectin或簡稱AVM。默克公司在1981年向市場推出了商品化的阿維菌素。阿維菌素類化合物主要由以下結(jié)構(gòu)組成：主體結(jié)構(gòu)十六元內(nèi)酯環(huán)，以及與環(huán)連接的二糖基、六氫苯并呋喃環(huán)系和螺縮酮系等[20-21]。自從阿維菌素問世后，鑒于其抗蟲譜廣、殺蟲活性高、對哺乳動物安全性高等優(yōu)點，受到了全球藥物科研人員的追捧，該發(fā)明獲得2015年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。迄今為止，人類基于天然阿維菌素母體結(jié)構(gòu)改造得到了安全、高效的阿維菌素衍生物，其中不乏成功案例，諸如生物活性較高的有伊維菌素(ivermectin, IVM)，目前作為醫(yī)藥及獸藥使用得到廣泛應(yīng)用[22-23]。研究表明，阿維菌素作為GABA受體調(diào)節(jié)劑作用于該受體氯離子通道的亞基疏水段M1與M2或M3的交界區(qū)域，對GABA受體具有雙向調(diào)節(jié)作用，低濃度刺激氯離子內(nèi)流，高濃度阻滯氯離子內(nèi)流。阿維菌素作用位點與目前發(fā)現(xiàn)的殺蟲劑其他作用位點沒有交互抗性[24]。阿維菌素的衍生物仍在不斷開發(fā)中，甲胺基阿維菌素苯甲酸鹽在農(nóng)業(yè)害蟲防治中得到了廣泛應(yīng)用。

圖4 大環(huán)內(nèi)酯類殺蟲劑阿維菌素和伊維菌素

4 異噁唑啉類

2004年，日本日產(chǎn)化學(xué)工業(yè)株式會社首次合成氟雷拉納，該化合物屬于異噁唑啉類，并于2005年獲得國際專利授權(quán)[25]。研究表明該類殺蟲劑作為GABA受體非競爭性拮抗劑作用于GABA受體的NCA-Ⅱ位點，NCA-Ⅱ位點可能位于GABA受體跨膜段亞基M1和M3的連接區(qū)域，因此該類殺蟲劑與多氯環(huán)烷烴類及苯基吡唑類殺蟲劑(作用于NCA-Ⅰ作用位點)沒有交互抗性。目前其作用機(jī)制和結(jié)合位點仍在研究中[26-27]。Ozoe等人發(fā)現(xiàn)化合物氟雷拉納不僅可作用于昆蟲GABA受體也作用于谷氨酸氯門控離子通道，但其對GABA受體的抑制作用比對谷氨酸氯離子通道的更強[28]。氟雷拉納是一種對寄生蟲比較高效的GABA受體NCAs，為全身性抗寄生蟲藥，驅(qū)殺犬體表的跳蚤和蜱的作用可持續(xù)12周，并表現(xiàn)出比氟蟲腈更高效的特點[29]。該劑于2014年1月首次在歐盟注冊，并于同年4月上市，目前商品化產(chǎn)品Bravecto已在歐洲、美洲市場投入使用。在氟雷拉納的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，先后開發(fā)了阿福拉納、沙羅拉納、洛替拉納，并均已成功上市，用于寵物寄生蟲的防治[30-32]。目前，氟雷拉納已在超過85個國家注冊，銷售量超過1億片，在全球動物保健產(chǎn)品中銷量排名第一。該類化合物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用正在研究中，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖5 異噁唑啉類殺蟲劑氟雷拉納、阿福拉納、沙羅拉納、洛替拉納

5 展 望

目前發(fā)現(xiàn)作用于GABA受體的殺寄生蟲的藥劑有3個作用位點，分別為：NCA-Ⅰ、NCA-Ⅱ及阿維菌素作用位點。作用于NCA-Ⅰ位點的藥劑主要包括環(huán)戊二烯類、多氯環(huán)烷烴類、苯基吡唑類，作為獸藥代表品種有林丹、氟蟲腈等；作用于NCA-Ⅱ位點的主要品種有氟雷拉納、阿福拉納、沙羅拉納、洛替拉納。作用于阿維菌素作用位點的大環(huán)內(nèi)酯類化合物代表品種有伊維菌素，仍在廣泛應(yīng)用。另外，以溴蟲氟苯雙酰胺(broflanilide)為代表的結(jié)構(gòu)新穎的間二酰胺類化合物與異噁唑啉類化合物均表現(xiàn)較好的殺蟲活性且作用于GABA受體同一位點NCA-Ⅱ[33-34]，它們已在農(nóng)業(yè)上推廣應(yīng)用[35]，2021年在我國上市。該類化合物也具有開發(fā)為殺寄生蟲藥物的潛力。GABA受體具有亞型多樣性及配體結(jié)合位點多樣性的特點，是研發(fā)殺蟲劑及其作用位點的良好選擇。