局部麻醉药

历史

临床最早使用的局部麻醉药是从南美洲古柯树叶中提取的成分。1860年在哥廷根大学的实验室中，德国化学家弗里德里希·维勒的学生Albert Niemann以来自南美洲的古柯叶为原料提取到一种生物碱晶体,并将其命名为可卡因（cocaine，“cocaine”中的“coca”来自克丘亚语中的“cuca”），提取的方法被写入Albert Niemann的博士学位论文中。“cocaine”一词中的“-caine”之后作为后缀被用于命名人工合成的局部麻醉药。 1884年德国眼科医师卡尔·科勒（Karl Koller）的同事弗洛依德注意到了可卡因可以止痛的特性，并将这个发现告诉了科勒。之后科勒发现了可卡因的局部麻醉作用，并首次用于临床，他将他的这个发现提交到了海德堡眼科学会（Heidelberg Ophthalmological Society）。在后来的使用过程中可卡因的成瘾性和其他一些毒副作用比如致变态反应性、组织刺激性和水溶液不稳定性被先后发现，它的临床使用受到限制，对可卡因分子结构的研究和改造使得更好的局部麻醉药出现。
通过分析可卡因水解的三种产物牙子碱（ecgonine）、苯甲酸、甲醇发现三者都不具有麻醉作用，但用其他羧酸代替苯甲酸与牙子碱成酯之后，麻醉作用降低或完全消失，说明苯甲酸酯的结构是可卡因有局部麻醉作用的主要原因。根据从爪哇古柯树叶分离得到的生物碱托哌可卡因（Tropacocaine）的分子结构进一步证实了苯甲酸酯的局部麻醉作用。后又通过α、β两种优卡因（Eucaine）具有局部麻醉的作用推断出莨菪烷的双环结构并非局部麻醉作用所必需的。
1890年德国化学家Eduard Ritsert合成了苯佐卡因并证实了它的局部麻醉作用，之后又合成出了如奥索卡因（Orthocaine）和新奥索仿（New Orthform）这类含有羟基的对氨基苯甲酸酯，它们比苯佐卡因有更强局部麻醉作用的。但是它们的溶解度小无法配制成水溶液用于注射，若制成盐酸盐则酸性太强，也无法应用。为克服这个缺点，考虑到可卡因分子中的托哌环有氨基醇结构，氨基醇结构被引入到对氨基苯甲酸酯中，1905年德国化学家Alfred Einhorn成功合成了普鲁卡因，它的发现使得对氨基苯甲酸酯在局部麻醉药中的重要性受到重视，由此发展出了一系列的酰胺类、氨基酮类、氨基醚等结构的其他局部麻醉药物。

局部麻醉药的结构类型

局部麻醉药按结构类型可分为对氨基苯甲酸酯类、酰胺类、氨基酮类、氨基醚类、氨基甲酸酯类。

对氨基苯甲酸酯类

为克服普鲁卡因的麻醉作用不强不够稳定和易于水解的缺点，一系列取代的对氨基苯甲酸酯化合物被合成出来作为普鲁卡因的代替品。利用在普鲁卡因分子上的苯环邻位引入取代基以增加酯基周围空间位阻减慢水解速率的方法来增加局部麻醉效果。比如氯普鲁卡因（Chloroprocaine）、奥布普鲁卡因（Oxybuprocaine）、羟普鲁卡因（Hydroxyprocaine）和丁卡因（Tetracaine）。改变侧链氨基上的取代基或在侧链上引入支链烃基能够得到比普鲁卡因的局部麻醉效果更强的化合物，比如布他卡因（Butacaine）、二甲卡因（也称地美卡因, Dimethocaine）、图托卡因（Tutocaine）。羧酸酯中的氧原子被等电子排体（isostere）S原子置换后得到的硫卡因（Thiocaine），脂溶性增大，局部麻醉效果更强。

酰胺类

酰胺类局部麻醉药的研究是受到了在1935年被首次分离得到的具有麻醉作用的天然生物碱Isogramine的启发而开始的，由Isogramine结构的确定而导致了酰胺类局麻药利多卡因（Lidocaine）的合成。利多卡因可被看做是Isogramine的开链类似物或生物电子等排类似物，利多卡因的局部麻醉效果比普鲁卡因更强，作用时间延长1倍，穿透性、扩散性更强，无刺激性，主要应用于阻滞麻醉和硬膜外麻醉（epidural anaesthesia），也被用作抗心律失常药。

氨基酮类

以等电子结构-CH₂-代替酯基的-O-则为酮类化合物。在氨基酮类中许多化合物都有局部麻醉效果，在临床上有应用价值的如达克罗宁（dyclonine），表面麻醉作用强，显效快。

氨基醚类

用醚键代替局部麻醉药结构中的酯基或酰胺基，有两个化合物奎尼卡因（Quinisocaine）和普莫卡因（Pramocaine）曾被临床使用作为表面麻醉剂。

氨基甲酸酯类

具有氨基甲酸酯结构的药物有地哌冬（Diperodon）和庚卡因（Heptcaine），前者作为表面麻醉剂曾用于临床，后者被发现其表面麻醉作用超过可卡因100倍，也可用于抗心律失常。

局部麻醉药的构效关系

局部麻醉药的化学结构类型较多，有酯、酰胺、酮、醚和氨基甲酸酯等类型，很难用一个通式表示其结构，结构特异性小。根据临床使用的大部分局部麻醉剂的结构可以概括出局部麻醉药的基本骨架，分为三个部分：亲脂部分、中间连接链和亲水部分。

亲脂部分

一般是芳烃和杂环芳烃，但是苯环的作用强，是药物的必需结构。

中间连接部分

这个部分一般是羰基和烷基共同构成的，羰基与局麻药的持续时间和麻醉强度有关。麻醉持续时间的排序为：酮>酰胺>硫代酯>酯，化合物作用时间和稳定性与在体内的水解程度呈反比关系；麻醉强度的排序为：硫代酯>酯>酮>酰胺。

亲水部分

这个部分大部分是叔胺（tertiary amine），可形成易溶于水的盐酸盐。

局部麻醉药的立体化学

局部麻醉药在和钠离子通道有关的蛋白作用时很少有特定的立体专一性，但一部分药物会在不同的对映异构体间有活性的差异，产生这些差异的原因尚不明晰。但是局部麻醉药的立体化学因素在毒理学和药代动力学上起到重要作用，比如布比卡因的R-(+)异构体是引起药物毒性作用的关键因素，因为R-(+)-布比卡因能选择性阻断心脏的钠离子通道。

局部麻醉药的作用机理

神经信号的传递是通过神经细胞膜的微小去极化作用使钠离子通道打开后钠离子瞬间迅速内流来实现的。局部麻醉药物能阻断感觉神经冲动的发生和传导，通过直接与神经细胞膜上的钠离子通道相互作用，使神经纤维的兴奋阈值上升，细胞膜的通透性下降，阻滞动作电位的产生和神经冲动的传递，最终产生局部麻醉的效果。局部麻醉药物具体的作用机理研究尚未有明确的定论，有多种理论被提出，一些研究者提出的理论认为局麻药物分子是与细胞膜上的膜磷脂发生了作用,另一些则提出药物分子与细胞膜有关的蛋白产生了作用，还有一些观点认为局麻药物分子是与膜上的特定受体作用，这些受体影响或控制着某些特定膜蛋白例如(Na⁺-K⁺)-ATP酶、(Ca²⁺-Mg²⁺)-ATP酶、腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶、磷脂酶A₂和钙调蛋白敏感酶（calmodulin-sensitive enzyme）的功能。这些酶能对钾、钙、钠离子在神经细胞膜上的通透性造成影响。
大多数局部麻醉药物都有叔胺结构，叔胺的pKa在7.5至9.0之间，在生理环境的pH值下存在着质子化的阳离子形式[BH⁺]和其游离态的分子形式[B]之间的动态平衡，两者的比例可由pH=pKa + lg([BH⁺]/[B])计算得出。1969年，Narahashi等人通过研究改变pH对局麻药物利多卡因的两种衍生物6211（它的pKa=6.3）和6603（pKa=9.8）作用强度的影响结果提出了：药物首先是以游离态分子的形式通过神经细胞膜的，接着以质子化的阳离子形式与钠离子通道内的受体部位结合作用，起到局麻的效果，利多卡因90%的局麻效果是由其阳离子贡献的，仅10%归因于其分子形式，且二者的结合位点不同，分子形式的结合位点与苯佐卡因、苯甲醇等电中性局部麻醉药物相同。随后Narahashi通过研究改变pH值对季胺盐阳离子hemicholinium-3和两种利多卡因季胺盐衍生物QX-314（分子英文名称:N-[2,6-dimethylphenyl)-carbamoylmethyl] triethylammonium bromide）和QX-572（分子英文名称:N,N-bis(phenylcarbamoylmethyl)dimethylammonium chloride）麻醉神经效果的影响，进一步确认了局麻药在神经膜内以阳离子的形式与特定受体部位结合阻断动作电位最终起到局部麻醉作用的机理假设。
1977年Hille提出了局部麻醉药的阳离子[BH⁺]、季铵盐化合物及分子形式[B]作用于钠离子通道单一受体的理论.根据药物分子的大小、pKₐ和疏水性的差别，药物有多条到达受体结合位点的通路，质子化的局部麻醉药物和阳离子季铵盐化合物仅能在钠离子通道活化时由膜外部的亲水通路进入钠离子通道到达受体位点；而脂溶性的药物分子进入膜内后再以质子化的形式[BH⁺]进入钠离子通道内，或以分子形式[B]直接经疏水通路与同一受体结合位点结合，产生局部麻醉效果。
局部麻醉药物的酯水分配系数对药物在体内的转运和分布有影响。亲水性有利于药物穿透体内的细胞和组织液，迅速转运和分布，而脂溶性有助于通过各种生物膜到达疏水的神经纤维。但是如果脂溶性太大又易透过血脑屏障产生不必要的全身麻醉作用。亲脂性和亲水性的部分在药物分子中应该是适当比例的才有利于局部麻醉效果的产生。