1、先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略(三)改善化合物的血腦屏障通透性戴青松血腦屏障是人體的天然屏障,它在保護中樞神經(jīng)系統(tǒng)免受外來物質(zhì)干擾和傷害的同時,也阻礙了許多潛在的中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物進入中樞,增加了中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物研發(fā)的難度。簡述了化合物透過血腦屏障研究的新進展,從藥物化學(xué)角度綜述了幾種通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善化合物透過血腦屏障的方法,旨在為中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物的優(yōu)化提供思路。常用的幾種改善化合物血腦屏障通透性的策略包括:增加脂溶性、減少氫鍵供體、簡化分子、增加剛性、降低極性表面積、剔除羧基、前藥策略、修飾為主動轉(zhuǎn)運體底物及規(guī)避易被P-糖蛋白識別的結(jié)構(gòu)等。隨著社會老齡化和競爭壓力的增大,中樞神經(jīng)系統(tǒng)(centraln

2、ervoussystem,CNS)疾病已成為繼心血管疾病之后的第二大疾病。然而,中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物研發(fā)的成功率卻很低,與心血管疾病藥物20%的成功率相比,中樞藥物的成功率只有8%。影響中樞藥物研發(fā)成功的一個主要因素就是血腦屏障，幾乎阻擋了100%的大分子藥物及大于98%的小分子藥物。因此,除了需要具有較好的活性和代謝性質(zhì)及較低的毒性等性質(zhì)之外,中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物還需要克服血腦屏障,在中樞系統(tǒng)達到足夠的暴露量,這是中樞藥物研發(fā)成功的關(guān)鍵前提。本文基于化合物透過血腦屏障的新研究概況,綜述了幾種通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善化合物透過血腦屏障的策略。這些策略包括增加脂溶性、減少氫鍵供體、簡化分子、增加剛性、降低極性表

3、面積、剔除羧基、前藥策略、修飾為主動轉(zhuǎn)運體底物及規(guī)避易被P-糖蛋白識別的結(jié)構(gòu)等,期望這些改造策略能夠為中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物的研發(fā)提供理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗。1血腦屏障及其轉(zhuǎn)運機制血腦屏障由腦毛細血管內(nèi)皮及其細胞間的緊密連接、基底膜、周細胞以及星形膠質(zhì)細胞等圍成的神經(jīng)膠質(zhì)膜構(gòu)成,其中內(nèi)皮細胞是血腦屏障的主要結(jié)構(gòu),中樞藥物必須透過內(nèi)皮細胞才能進入腦細胞。除內(nèi)皮細胞與星形膠質(zhì)細胞等形成的物理屏障外,血腦屏障還包括各種酶與轉(zhuǎn)運體形成的生化屏障。血腦屏障通透機制包括被動擴散、主動轉(zhuǎn)運和外排轉(zhuǎn)運等。被動擴散是小分子藥物進入大腦的主要方式。在正常情況下,腦毛細血管內(nèi)皮細胞的有效孔徑為1.41.8nm,直徑小于1.8

4、nm的小分子可由被動擴散透過血腦屏障。主動轉(zhuǎn)運是一類需要能量和載體蛋白參與的逆濃度差、逆電化學(xué)梯度的特殊轉(zhuǎn)運方式。而外排轉(zhuǎn)運系統(tǒng)主要通過P-糖蛋主動將毒性代謝物和異源性物質(zhì)排出,以維持大腦正常的生理功能。2評價血腦屏障的常用參數(shù)2.1評價血腦屏障的理化參數(shù)與非中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物相比,氫鍵、脂溶性和分子大小等理化性質(zhì)較大地影響化合物的血腦屏障通透能力,如中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物脂溶性一般較高,其LogP在25之間;分子質(zhì)量通常小于450Da;多為中性或弱堿性分子,pKa在7.510.5之間;較少的氫鍵供體數(shù)目(HBD),一般小于3;較低的氫鍵結(jié)合能力,LogP通常小于2;較低的分子極性表面積(PSA),一

5、般低于902;多為球形分子,增加支鏈會降低透過血腦屏障的能力;分子柔性較低,可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)目少。2.2評價血腦屏障的實驗參數(shù)常用評價血腦屏障透過性質(zhì)的實驗參數(shù)包括:腦與血漿中全藥濃度的比值(B/P)、表觀滲透系數(shù)(Papp)、外排率(ER)、游離藥物在腦與血漿中比值(Kp,uu)、游離藥物在血漿和腦及腦脊液中的濃度(Cp,u、Cb,u、CCSF)等。3血腦屏障常用參數(shù)的測定方法血腦屏障常用參數(shù)的測定方法主要包括計算機預(yù)測、體外模型測試和體內(nèi)模型測試等。計算機模擬具有高效快捷的優(yōu)點,但是其準確性相對較差;體外測試高效快速,但與血腦屏障性質(zhì)也存在一定的差異,準確度相對較高;體內(nèi)測試可以提供準確的數(shù)據(jù),

6、但操作繁瑣、花費較高,無法實現(xiàn)高通量。3.1計算機模擬計算機模型的測定方法具有廉價、高效及快捷的優(yōu)點,常用于化合物庫的篩選,極大地節(jié)約了藥物研發(fā)成本;但因體內(nèi)數(shù)據(jù)有限,計算機模型的構(gòu)建會受到影響,使得不能準確預(yù)測化合物真實參數(shù)。目前,已經(jīng)有多種商業(yè)軟件可以用于血腦屏障常用參數(shù)的預(yù)測,如ADMETUS、Chemoffice、Physico-chemicalpropertypredictors、PhysChem等軟件可以預(yù)測LogP;Chemoffice等軟件可以計算化合物的分子量和分子極性表面積;ADMETUS、Physico-chemicalpropertypredictors、PhysChe

7、m等軟件可以預(yù)測化合物的pKa;ADMETpredictor、PreADME、QikProp等軟件可預(yù)測化合物B/P和表觀滲透系數(shù);CSBBB軟件可預(yù)測化合物的LogBB值。3.2體外測定模型體外血腦屏障通透性的測定模型雖然不能精確反映轉(zhuǎn)運蛋白和酶等因素的影響,但其快速且花費較低,對藥物研發(fā)早期的決策具有重要的指導(dǎo)意義。體外測定的常用細胞模型有犬腎傳代(MDCK)細胞、人結(jié)腸癌-2(Caco-2)細胞、膀胱癌ECV304/C6細胞模型,以及磷脂膜色譜法(IAM)和平行人工膜滲透性測試(PAMPA)等非細胞技術(shù)。另外,還可以使用離體的腦血管和內(nèi)皮細胞進行測定,如小牛腦毛細血管內(nèi)皮細胞(BMEC)

8、模型等。這些方法較體內(nèi)測定模型省時省力,且保留了酶和轉(zhuǎn)運體等特征;但在體外培養(yǎng)的過程中,轉(zhuǎn)運體表達會逐漸降低,且實驗條件缺乏整體的神經(jīng)體液調(diào)節(jié)機制。3.3體內(nèi)測定模型體內(nèi)測定模型可以提供準確的數(shù)據(jù),但是也存在篩選方法相對昂貴、操作繁瑣且不能實現(xiàn)高通量篩選等缺點。常用的體內(nèi)測定模型有體內(nèi)藥動學(xué)測試、腦攝取指數(shù)、原位腦灌注、靜脈注射法、定量自動射線照相法、腦微透析法、腦脊液測定法、正電子成像法和核磁共振成像法等。4通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善血腦屏障透過性質(zhì)綜合考慮中樞藥物的特征及藥物進出血腦屏障的特點,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以有效地改善化合物透過血腦屏障的能力。常用的優(yōu)化策略包括:針對被動擴散的改造增加脂溶性、減少

9、氫鍵供體、簡化分子、增加剛性、降低極性表面積、剔除羧基以及前藥策略等;針對主動運輸?shù)母脑鞂⒒衔镄揎棡橹鲃愚D(zhuǎn)運體的底物;針對外排率較高的化合物規(guī)避易被外排轉(zhuǎn)運體識別的基團。4.1針對被動擴散的改造策略4.1.1增加脂溶性研究表明,脂溶性高的化合物更易透過血腦屏障,且能較快地達到分布平衡。因此,在改善血腦屏障透過性質(zhì)時,可以通過引入脂溶性基團(如氟、氯)、替換大極性基團等策略增加化合物的脂溶性。如化合物4(AZD3839)是AstraZeneca公司報道的用于阿爾茲海默癥治療的BACE1抑制劑。研發(fā)過程中,通過引入氟、甲基、二氟甲基等脂溶性基團增加化合物血腦屏障透過能力。在吲哚環(huán)引入氟后,嘧啶環(huán)

10、2、6位分別引入一個甲基得到化合物2,其eLogD由0.7增加到1.4,同時,Papp由3.4106cms1提升至1.9105cms1;當嘧啶環(huán)2位引入甲氧基取代后(3),化合物eLogD增加到2.0,同時Papp提升至2.1105cms1,但該化合物甲氧基的存在使得其代謝穩(wěn)定性較差;當嘧啶環(huán)2位引入二氟甲基后(4),其eLogD由0.7提高至2.0,同時Papp由3.4106cms1提升至3.4105cms1,大大增加了化合物的透膜性質(zhì)。AstraZeneca公司通過對化合物活性、Caco-2細胞透膜性質(zhì)、代謝穩(wěn)定性、hERG毒性等性質(zhì)綜合衡量后,選擇了化合物4作為臨床候選藥物,目前該化合物

11、處于臨床 I期研究中?；衔?S)-8(RG1678)是Roche公司報道的第一個選擇性GlyT1抑制劑,用于精神分裂癥的治療。向化合物5引入氟后,化合物6的脂溶性及腦通透性均有一定的提高,其cLogP由3.92提高至4.13,B/P由1.10提升至1.15。引入極性的吡啶環(huán)時,化合物7的脂溶性下降,cLogP由3.92降為2.82,B/P由1.10降低至0.2;然而,再次引入脂溶性的氟原子,獲得了活性和腦通透性質(zhì)均更好的化合 物8。目前,化合物(S)-8已經(jīng)進 入臨床II期研究,用于精神分裂 癥的治療。化合物11(JNJ-42153605)是Janssen公司研發(fā)的mGlu2受體正向變構(gòu)調(diào)節(jié)

12、劑,是潛在的抗焦慮和治療精神疾病的治療藥物。通過改變其骨架取代基R1和R2,較大的改善了化合物的脂溶性。不同的取代基對給藥后的血和腦內(nèi)藥物濃度有較為明顯的影響。如當R1為-CH2CF3時,在R2位引入脂溶性更強的Cl原子,其脂溶性有了較大的提高(化合物9和10)。通過引入環(huán)丙甲基和CF3取代基,進一步改善了化合物的脂溶性,獲得了臨床候選化合物11?；衔?2是喹哌嗪類5-HT3激動劑,可調(diào)節(jié)中樞的乙酰膽堿釋放,用于神經(jīng)變性和失調(diào)疾病的治療。然而大鼠靜脈給藥后,化合物12血腦屏障通透性較差,其B/P值僅為0.1。通過引入極性較小的羥甲基后,化合物13的脂溶性大大提高,cLogP由0.19升高至2

13、.3,B/P達到20.3。化合物12具有羧基,在生理條件下,易在體內(nèi)以離子狀態(tài)存在,難以透過血腦屏障,通過羥甲基替代羧基,不僅使化合物的脂溶性有了較大的提高,同時避免了羧酸基團,極大地改善了化合物的血腦屏障通透性。增加化合物的脂溶性可以有效的改善血腦屏障通透性,然而也可能對血腦屏障通透性帶來負面效應(yīng)。按照“藥動學(xué)規(guī)則”,增加化合物的脂溶性往往會增加其在腦中的非特異性結(jié)合,這將會降低腦細胞外液中游離化合物的濃度,從而降低化合物的活性。因此,進行脂溶性的結(jié)構(gòu)改造時要注意平衡各項參數(shù),既要優(yōu)化化合物的通透性,又要減少與腦蛋白的非特異性結(jié)合,提高腦內(nèi)的藥物濃度。4.1.2減少氫鍵供體中樞藥物普遍具有更

14、少的氫鍵供體數(shù)目,且許多具有裸露NH的化合物具有較為明顯的P-糖蛋白外排,故減少化合物氫鍵供體是中樞藥物優(yōu)化的重要改造策略之一。常用減少氫鍵供體的方法包括:封閉氫鍵供體、生物電子等排替換氫鍵供體及形成分子內(nèi)氫鍵等?；衔?4是GlaxoSmithKline公司報道的CB2激動劑先導(dǎo)化合物,在急性疼痛模型中有較好活性(EC50=11nmolL1),但該化合物結(jié)構(gòu)中的吲哚環(huán)含有裸露的NH,為P-糖蛋白底物,存在較為顯著的外排(ER=74),所以在大鼠腦中的通透性較差,B/P小于0.05。直接對吲哚環(huán)裸露的NH進行N-甲基化得到的化合物活性有了較為明顯的降低(EC50=654nmolL1)。通過對化

15、合物骨架的修飾,引入了含有5氮雜吲哚環(huán)的異構(gòu)體,并通過N-甲基化封閉吲哚的氫鍵供體,得到衍生物15,其外排率降低為2.9,B/P升高至1.04,同時保持了較好的CB2激動活性(EC50=8nmolL1)?；衔?6是Lundbeck公司與中國科學(xué)院上海藥物研究所通過高通量篩選獲得的GPR139激動劑,該化合物B/P僅為0.03。采用生物電子等排策略,引入亞甲基替換胺基,減少氫鍵供體數(shù)目,同時規(guī)避了易被P-糖蛋白識別的脲結(jié)構(gòu),得到衍生物17,其B/P值升高到2.8,是化合物16的93倍。化合物18是Valerie等設(shè)計的選擇性NK1受體拮抗劑,可用于鎮(zhèn)痛藥物的研發(fā)。該化合物具有極好的活性和藥代動

16、力學(xué)性質(zhì)(IC50=1.05nmolL1,F=50%60%,t1/26h),但其血腦屏障通透性較低,B/P僅為0.6。化合物19通過引入N,N-二甲氨基與鄰近的兩個酰胺鍵的NH形成了分子內(nèi)氫鍵,提高了血腦屏障通透性,B/P達到6.0,是18的10倍,同時活性得到保持。4.1.3簡化結(jié)構(gòu)對化合物結(jié)構(gòu)進行簡化,從而減小體積和降低相對分子質(zhì)量,可以有效改善化合物的腦通透性,增加中樞的藥物濃度。mGlu4受體正向變構(gòu)調(diào)節(jié)劑是帕金森癥的潛在治療藥物,但是報道的大部分mGlu4受體正向變構(gòu)調(diào)節(jié)劑具有類藥性、藥代動力學(xué)性質(zhì)或血腦屏障通透性差的不足,如化合物20具有較好的mGlu4受體正向變構(gòu)調(diào)節(jié)活性,但是其

17、腦通透性較差,B/P不足0.1;而結(jié)構(gòu)簡化的化合物21和22的腦通透性則大大提高,尤其是化合物22的B/P值可達到4.1,有效地改善了化合物的腦通透性。Jones等通過進一步的結(jié)構(gòu)修飾,終獲得活性和腦通透性均適中的化合物23(ML182),用作mGlu4受體正向變構(gòu)調(diào)節(jié)劑工具分子,在氟哌啶醇介導(dǎo)的肌肉僵直模型中表現(xiàn)出較好的療效。化合物2427是Johnson&Johnson公司報道的-分泌酶調(diào)控劑。在對其進行SAR研究時,發(fā)現(xiàn)化合物腦通透性呈現(xiàn)較為明顯的隨分子減小而增大的趨勢。如將R1中的三氟甲基苯基簡化為苯基時,化合物B/P值提升至0.34;去掉R取代基,化合物B/P值進一步提高;將R1位的

18、苯基替換為甲基時,化合物的B/P值達到0.88,獲得了更好的腦通透性?；衔?3是一個5-HT3激動劑,羥甲基被萘環(huán)置換后,化合物28的脂溶性得到較大的提高(cLogP由2.3提高到6.0),但是其B/P值卻下降到2.8,這可能是由于萘基的引入增大了分子體積,使透過血腦屏障的能力下降。同樣,在化合物29和30的改造中,也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律。因此,在改善化合物血腦屏障通透性時,需綜合考慮分子大小等因素,不能盲目引入脂溶性大基團來調(diào)節(jié)腦通透性。4.1.4增加剛性中樞神經(jīng)系統(tǒng)藥物普遍含有更低的分子柔性,因此通過成環(huán)等手段增加分子剛性也是改善化合物血腦屏障通透性的策略之一。化合物31(SB-271046

19、)是第一個進入臨床I期的5-HT6受體選擇性拮抗劑,但因其血腦屏障通透性較差(B/P=0.05)被中止研發(fā)。GlaxoSmithKline公司通過對其骨架進行修飾形成駢環(huán),增加了分子剛性,成環(huán)后化合物3234的B/P值均有較為明顯的提升,分別達到3.0、2.6和0.7,明顯改善了化合物的腦通透性?；衔?5是Wyeth公司研發(fā)的胍類BACE1抑制劑,其腦通透性較低,B/P僅為0.04。將酰胍基替換為2-氨基吡啶,增加了分子剛性,有效地增加了化合物的腦通透性,化合物36的B/P值升高至1.7,是化合物35的42倍。4.1.5降低極性表面積近年來,分子極性表面積(PSA)參數(shù)引起了人們越來越多的關(guān)

20、注。中樞藥物的分子極性表面積較其他治療領(lǐng)域藥物分子更小。降低化合物的分子極性表面積,可以有效的增加化合物的血腦屏障通透性?；衔?8(URMC-099)是Biofocus公司報道的蛋白激酶3(MLK3)抑制劑,可用于帕金森及伴隨HIV-1的認知失調(diào)的治療。在其研發(fā)中,通過降低化合物37的的分子極性表面積獲得化合物38(PSA從722降低至512),有效地增加了化合物的腦通透性,大腦濃度Cmax由3736gkg1提高至4685gkg1,同時B/P由0.99提高至1.6。4.1.6剔除羧基含有羧基的藥物在體內(nèi)pH條件下易以離子形式存在,難以透過血腦屏障而發(fā)揮藥效。因此,在中樞藥物設(shè)計時,應(yīng)盡量規(guī)避

21、羧酸基團。如Bristol-MyersSquibb公司開發(fā)的第一代-分泌酶抑制劑39,由于羧基的存在,使得腦通透性較差,其B/P值僅為0.2,在臨床I期試驗中被終止。他們在其基礎(chǔ)上剔除了羧酸基團,研發(fā)出第二代-分泌酶抑制劑40(BMS-708163),其B/P值獲得了較大的突破,由0.2提高至2.4,且活性也獲得一定的提升。目前,該化合物已經(jīng)進行臨床II期試驗,用于阿爾茲海默癥的治療。4.1.7前藥策略通過對化合物進行前藥修飾是中樞藥物研發(fā)的常用策略之一。前藥修飾策略通常包括酯化、酰化、酰胺化和拼合等。經(jīng)典的前藥包括鎮(zhèn)痛藥嗎啡的乙酰化藥物海洛因、神經(jīng)遞質(zhì)左旋多巴的酯化藥物左旋多巴甲酯和左旋多巴

22、乙酯、賽奧芬的乙?；八幰阴；悐W芬及酯化前藥醋托酚等?；瘜W(xué)遞送系統(tǒng)是一種較為獨特的前藥遞送方式?；钚曰衔镄枰c二氫吡啶等片段進行拼合,形成脂溶性前藥,進而快速達到中樞及外周的分布平衡。達到分布平衡后,二氫吡啶部分氧化形成滲透性較差的吡啶鹽,中樞外的吡啶鹽可以被快速清除,而中樞系統(tǒng)中的吡啶鹽則會停留在中樞系統(tǒng),通過水解緩慢釋放出活性化合物。采用化學(xué)遞送系統(tǒng)的前藥修飾策略,可以有效增加藥物進入中樞系統(tǒng)的濃度。但二氫吡啶前藥不穩(wěn)定,需要注射給藥。將-分泌酶抑制劑41與N-甲基二氫吡啶片段拼合,形成化學(xué)遞送系統(tǒng)前藥42。其給藥后,2h腦濃度可達到345ngg1,約為化合物41(240ngg1)的1

23、.5倍。因此,通過化學(xué)遞送系統(tǒng)前藥修飾,可以有效改善化合物的腦通透性,增加了化合物的腦內(nèi)濃度。4.2修飾為主動轉(zhuǎn)運體底物對于不能通過被動擴散進入中樞神經(jīng)系統(tǒng)的化合物,可以將其修飾為主動轉(zhuǎn)運體的底物以增加其進入中樞系統(tǒng)的能力,提高腦內(nèi)化合物濃度。盡管化合物需同時與靶標蛋白和轉(zhuǎn)運體結(jié)合,在一定程度上限制了該策略的廣泛應(yīng)用，但是該方法能有效改善某些化合物的跨膜能力,具有良好的應(yīng)用前景。目前研究較多的主動轉(zhuǎn)運體主要包括:氨基酸轉(zhuǎn)運體(LAT1)、葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT1)、鈉依賴轉(zhuǎn)運體(SVCT2)、單羧酸轉(zhuǎn)運體(MCT1)、陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運體(CAT1)和核苷轉(zhuǎn)運體(CNT2)等。中樞神經(jīng)介質(zhì)多巴胺

24、(dopamine,44)具有兒茶酚基結(jié)構(gòu),在體內(nèi)生理pH的條件下易完全電離并以質(zhì)子化形式存在,極難通過血腦屏障。多巴胺的前體化合物左旋多巴(43)具有氨基酸結(jié)構(gòu),可以被氨基酸轉(zhuǎn)運體識別;透過血腦屏障后,在腦內(nèi)脫羧酶的作用下,脫羧生成多巴胺而發(fā)揮藥理作用。NMDA受體拮抗劑L-4-氯犬尿素(45)也是利用該方式進入中樞神經(jīng)系統(tǒng),進 而發(fā)揮藥效。另外,通過與轉(zhuǎn)運體的底物拼合也是增加藥物進入中樞能力的改造策略之一。如將化合物47和49分別與L-酪氨酸、葡萄糖、L-抗壞血酸進行拼合,可使得化合物易被氨基酸轉(zhuǎn)運體、葡萄糖轉(zhuǎn)運體和鈉依賴轉(zhuǎn)運體識別,增強化合物腦通透性,提高化合物腦內(nèi)含量。4.3減少外排外排使得中樞藥物研發(fā)變得更加復(fù)雜。中樞的外排轉(zhuǎn)運體包括P-糖蛋白(P-gp)轉(zhuǎn)運體、多藥耐藥蛋白(MRP)轉(zhuǎn)運體、乳腺癌耐藥蛋白(BCRP)轉(zhuǎn)運體、有機陰離子轉(zhuǎn)運體(OAT)和谷氨酸轉(zhuǎn)運體(EAAT)等,其中P-糖蛋白是主要的外排轉(zhuǎn)運體。為減少化合物的P-糖蛋白外排,化合物不僅要符合非P-糖蛋白底物的一般理化特征(如氮氧數(shù)目之和不大于4,相對分子質(zhì)量小于400,pKa小于8等),還應(yīng)盡量避開易被P-