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▲ 圖2 動脈血壓與血液循環
人體調控血壓的生理機制十分復雜，很多細節我們仍然不清楚。根據已有的訊息，科學家們已經開發出了各種有用的降血壓藥物。人體調控血壓的一個重要系統是腎素-血管緊張素-醛固酮系統（Renin-angiotensin-aldosterone-system, RAAS），它已成為藥物開發的焦點。先打個簡單比方吧：用個水氣球類比我們的動脈，里面的水好比脈管中的血液，氣球壁好比血管壁。有兩點因素可以控制水氣球內的壓力。其一，往氣球里加水，壓力會增加；反之，把里面的水倒出來，壓力就會減小；其二，不讓氣球膨大，比如用外力壓縮氣球，里面的壓力會增大；反之，氣球在放松的狀況下，里面壓力會減小。RAAS從血管緊張肽原（angiotensinogen）開始，這個蛋白由452個氨基酸殘基組成，其中的頭10個氨基酸殘基會被腎素（renin）催化剪切形成血管緊張素I（angiotensinI, Ang I），而這個Ang I會被血管緊張素轉化酶（angiotensin conversion enzyme，ACE）催化轉化成血管緊張素II（angiotensinII，Ang II）。血管緊張素通過與它的受體結合，起到很多生理作用，其中很重要的兩條都與血壓調控有關。一是刺激腎上腺分泌一種荷爾蒙-醛固酮，這個醛固酮能滯留體內的水分與鈉離子。這好比往水氣球中加水一般，導致血壓增加。二是刺激血管壁中平滑肌的收縮，這也會導致壓力增加。總的來說，Ang II與它的受體結合，導致血壓增加。這個系統里有三個可以做藥的靶點來調控它的功能，降低血壓：抑制腎素或者ACE，減少AngII的形成；或者阻止Ang II與它的受體的結合，使得Ang II無法施展它的生理功能。如今，這些概念都已經被實現，這三類藥物都已經被開發應用，上市造福高血壓患者了。
▲ 圖3RAAS調節血壓
1981年4月6日，美國食品藥物局(FDA)批準了施貴寶（BMS）的血管緊張素轉換酶抑制劑（ACE inhibitor，ACEi）藥物卡普托利（captopril）上市，治療高血壓和各種心血管病的方式從此發生了巨大變化，而后全世界成千上萬的病人因為這個藥物及其后續的同類藥物而受益。這個藥物的重要性有二：其一，它是治療高血壓的新型藥物，是血管緊張素轉換酶抑制劑中的首創藥物；其二，這個藥物是通過合理藥物設計（rational drug design）開發出來的被批準臨床應用首批藥物之一。合理藥物設計出現于1950s，這個領域的開拓者們包括James Black、Gertrude Elion和GeorgeHitchings，他們構想出了藥物設計與治療的原理，因為這些工作榮獲了1988年的諾貝爾生理學獎。
卡托普利及其同類的血管緊張素轉換酶抑制劑治療高血壓對有些病人很有效，然而對有些病人卻會導致干咳或血管水腫等不良反應。對RAAS更多的研究發現，從Ang I到Ang II，除了ACE以外還有其他酶催化轉化這個過程，ACEi并不能完全擋住Ang II的形成；ACE也不是一個專一催化這一過程的酶，它還可以催化另一種蛋白的降解，這個過程可能與某些副作用有關。
Ang II的受體（Angiotensin II receptor, ATR，AT受體），是一種經典的G-蛋白偶聯受體（GPCR），包含七個跨膜的a-螺旋，它們形成一個中間有孔的圓筒狀結構，Ang II結合在中間這個孔里，活化受體，引發各種生理作用。當時還沒有這個受體的晶體結構。GPCR的結構研究曾經榮獲2012年的諾貝爾化學獎，一旦有個新的GPCR晶體結構解析出來，往往可以在頂級的科學期刊比如“科學”或者“自然”上發表論文。Ang II則是一個包含八個氨基酸殘基的多肽，它的組成相對容易鑒定出來。起初，科學家想著模仿Ang II的結構，篩選了各種多肽，尋找可以阻斷Ang II與受體結合的藥物。其中最重要最有代表性的是沙拉新（saralasin），它與Ang II只有三個氨基酸殘基不一樣，是AngII的直接結構類似物。大鼠體內證實了它是一種AT受體拮抗劑；靜脈注射入人體時，它可以降低血壓。遺憾的是因為它是一種多肽，在體內很快被降解，藥效不持久，口服生物利用度低，并不適宜作為藥物。而且沙拉新還有部分激動劑活性。
1980s初期，杜邦公司（DuPont）成立了自己的藥物開發部門，也在尋找AT受體拮抗劑。他們篩選了小分子化合物庫中的上萬個化合物，也沒有找到有用的化合物。1982年底，日本武田（Takeda）公司公布了兩篇專利申請，報道了一組芐基咪唑醋酸衍生物能選擇性作用于AT1R（ATR的一種亞型），是一種競爭性拮抗劑，而且沒有部分激動劑活性。但是這些化合物的活性很低，而且口服生物利用度有限。當時AT受體的晶體結構還沒有解析出來，根據核磁共振研究Ang II在水中的構象得來的AngII的空間結構信息，杜邦的科學家計算建模，然后將武田的先導化合物S-8307與Ang II的模型重疊比較，認為在小分子先導化合物中芐基的對位額外引入一個酸性集團可以提高結合活性(圖4）。
▲ 圖4S-8307與Ang II 的結構疊合啟示引入另一個酸性基團可以提高活性
果然，得到的4-羧基衍生物EXP-6155的結合活性比S-8307提高了30多倍。將4-羧基替換成2-羧基苯甲酰胺基團得到EXP6803，結合活性進一步被提高了近10倍，然而化合物仍然只能通過靜脈注射達到一定藥效。在這第二個苯環上酰胺的鄰位引入取代將化合物結合活性再次提高，達到了18nM，可惜的是體內活性并沒有增加。杜邦的科學家認為兩個芳環間的酰胺鍵脂溶性太低，將其去掉，讓兩個苯環直接相連，得到的EXP7711分子對AT1的結合活性雖然降低了，分子有了較好的口服生物利用度。苯環上的羧基最后被更加親脂的生物電子等排體四氮唑替換掉了以進一步增加口服生物利用度和藥效，最后于1986年得到了DuP-753，即后來于1995年被批上市治療高血壓的氯沙坦這個藥物的API。氯沙坦鉀成了第一個成功的Ang II受體拮抗劑藥物（ARB），已成為高血壓治療市場的里程碑。
在氯沙坦之前，沒有任何一個已上市或者在開發的藥物中含有這個酸性的四氮唑基團，對這類化合物在動物尤其是在人上的毒性或安全性數據很少乃至幾乎沒有。氯沙坦的動物與臨床試驗證明了其安全性，四氮唑在體內也沒有降解成有毒的副產物。四氮唑對光敏感，但是氯沙坦的化學穩定性很好，并沒有生成腈或消除N2的化合物。從此藥學界將穩定且無毒的四氮唑基團納入了常備藥化基團“武器庫”，后來更多公司接連開發了各自的沙坦類藥物，大部分包含了四氮唑這一重要基團。
圖5杜邦通過理性設計與藥化經驗優化改造得到了氯沙坦
除了四氮唑，為了替換聯苯上的羧基，杜邦的藥化家們羧基的各種生物電子等排體做了非常詳盡的SAR研究。以下是酰胺類等排體及對應的活性數據，還做了唑類等排體及測試活性等。關于羧基的生物電子等排體的信息，可以參閱微文藥物分子設計中的生物電子等排體(IV)。
▲ 圖6 羧基用電子等排體酰胺替換后的活性數據
（號外：隨著晶體學的進展，2015年，科學家們通過運用連續飛秒晶體技術，解析了人源AT1受體與小分子ZD7155的共晶結構，并以此建模對接揭示了臨床用的沙坦類降高血壓藥物包括氯沙坦靶向AT1受體的結合模式。）