藥代動力學(xué)與先導(dǎo)化合物的代謝途徑

新藥物的開發(fā)包括對苗族化合物的發(fā)現(xiàn)、對誘導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、對候選人藥物的臨床評估等。在藥物發(fā)現(xiàn)過程中,經(jīng)常遇到先導(dǎo)化合物類藥性差、藥物代謝動力學(xué)特性不佳、毒副作用等問題,為了提高先導(dǎo)化合物的成藥性,加速新藥研發(fā)的進程,對先導(dǎo)化合物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)成為目前新藥研發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。代謝穩(wěn)定性一般用來描述化合物代謝的速度和程度,是決定藥物小分子生物利用度的一個重要因素,是影響藥代動力學(xué)性質(zhì)的主要因素之一。據(jù)上世紀(jì)90年代的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,新藥研發(fā)失敗的40%是由于化合物的藥代動力學(xué)性質(zhì)不良造成的。代謝穩(wěn)定性差是藥物發(fā)現(xiàn)過程中經(jīng)常遇到的問題,有效提高先導(dǎo)化合物的代謝穩(wěn)定性具有重要的研究意義。通過對先導(dǎo)化合物進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改變其主要的代謝途徑能夠有效地提高化合物的代謝穩(wěn)定性、延長藥物在體內(nèi)的作用時間、增加體內(nèi)的暴露量、降低化合物的清除率、提高生物利用度,進而優(yōu)化其藥物代謝動力學(xué)特性。本文主要綜述了通過改變主要代謝途徑提高代謝穩(wěn)定性的先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,包括:封閉代謝位點、降低化合物的脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前藥修飾等。通過這些先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)修飾策略,能夠顯著地提高先導(dǎo)化合物的代謝穩(wěn)定性,為開發(fā)I類新藥提供理論指導(dǎo)和實踐經(jīng)驗。1i相代謝和ii相代謝1.1iii相代謝phasei代謝藥物從體內(nèi)消除主要有兩種方式,即代謝和排泄。代謝是大部分藥物從體內(nèi)消除的主要方式。藥物代謝反應(yīng)分為兩相代謝:I相(PhaseI)代謝是對化合物分子結(jié)構(gòu)的代謝反應(yīng),包括氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)和還原反應(yīng);II相(PhaseII)代謝是化合物或其代謝物與極性基團進行結(jié)合反應(yīng),包括谷胱甘肽結(jié)合反應(yīng)、磺酸化反應(yīng)、乙?；磻?yīng)和葡萄糖醛酸化反應(yīng)等(圖1)。化合物通過I相代謝和II相代謝,將脂溶性的化合物轉(zhuǎn)化為極性更強、水溶性更好的化合物,通過膽汁和尿排出體外。1.2化合物的代謝合成通過預(yù)測先導(dǎo)化合物的代謝位點,改變其代謝途徑進而優(yōu)化藥代動力學(xué)特性,已經(jīng)成為目前先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要研究策略。I相代謝反應(yīng)包括兩個重要特點:①化合物與代謝酶的結(jié)合;②化合物分子中特定結(jié)構(gòu)的反應(yīng)活性。通過改變與代謝酶活性位點結(jié)合的活性片段以及規(guī)避易與I相代謝酶發(fā)生活化反應(yīng)的結(jié)構(gòu)片段,能夠有效地降低化合物的I相代謝活性,增強其代謝穩(wěn)定性。主要包括:引入氟原子、氯原子以及其他基團封閉代謝位點、降低脂溶性、改變環(huán)的大小、成環(huán)修飾、骨架遷越、生物電子等排和前藥修飾。除此之外,通過引入吸電子基團和空間位阻、生物電子等排、前藥修飾等結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,也能有效地降低化合物與極性基團進行結(jié)合反應(yīng),從而阻斷II相代謝,提高先導(dǎo)化合物的代謝穩(wěn)定。2先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略為了提高化合物I相代謝和II相代謝的代謝穩(wěn)定性,針對其代謝特點,開發(fā)出一系列通過改變主要代謝途徑的先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略,主要包括:封閉代謝位點、降低化合物的脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前藥修飾等。2.1封閉型化合物p450根據(jù)藥代動力學(xué)的研究結(jié)果,封閉藥物代謝位點可以延緩藥物的消除速率。如在苯環(huán)引入氟原子取代基,可以封閉苯環(huán)羥基化的代謝位點、阻斷羥基代謝產(chǎn)物的生成、改變化合物的代謝途徑,延長藥物在體內(nèi)的作用時間。封閉代謝位點是提高先導(dǎo)化合物代謝穩(wěn)定性最重要的結(jié)構(gòu)改造策略之一。親脂性化合物苯環(huán)對位的氫原子易被肝臟中的P450酶氧化得到4-羥基代謝產(chǎn)物,該產(chǎn)物隨即與體內(nèi)的葡萄糖醛酸結(jié)合轉(zhuǎn)化為極性更強、水溶性更好的化合物,通過膽汁和尿排出體外,是大多數(shù)化合物的主要代謝途徑。通過在苯環(huán)的對位引入氟、氯、氰基等基團封閉此代謝位點,改變該類化合物的主要代謝途徑,能夠有效地提高先導(dǎo)化合物的代謝穩(wěn)定性(圖2)。如膽固醇吸收酶抑制劑依澤替米貝(ezetimibe,1)的研究發(fā)現(xiàn),依澤替米貝的前體藥物SCH48461含有多個氧化和去甲基化代謝位點,具有代謝消除速率快、生物利用度低等缺點,通過在先導(dǎo)化合物的苯環(huán)上引入氟原子,封閉氧化代謝位點,在提高活性的同時增強藥物的代謝穩(wěn)定性;又如將COX-2抑制劑塞來昔布(celecoxib,2)的甲基替換為氟原子,封閉代謝位點,延長了藥物在體內(nèi)的作用時間(圖3)。2.1.1抗焦氧體化合物n-a由于C-F鍵的鍵能(487kJ·mol-1)比C-H鍵的鍵能(420kJ·mol-1)高,因此,氟原子是最常用的封閉基團。在藥物設(shè)計中,通常在小分子化合物中引入氟原子取代,對易氧化代謝的位點進行封閉,選擇性地阻止氧化代謝的發(fā)生,進而提高化合物的代謝穩(wěn)定性,延長藥物在體內(nèi)的作用時間。丁螺環(huán)酮(buspirone,3)是5-HT1A受體激動劑(EC50=0.025μmol·L-1),具有抗焦慮作用。CYP3A4是其主要代謝酶,該化合物的主要代謝途徑包括嘧啶環(huán)5-位的芳香羥基化以及哌嗪環(huán)右側(cè)亞甲基的N-去烷基化(圖4)。由于嘧啶環(huán)5-位可被CYP3A4氧化羥基化,因此,該化合物在體外與CYP3A4酶孵化的半衰期較短(t1/2=4.6min),通過在嘧啶環(huán)的5-位引入氟原子,在占據(jù)其代謝位點的同時降低了嘧啶環(huán)的電子云密度,使化合物4和6在體外與CYP3A4酶孵化的半衰期分別提高了10倍和3.8倍,延長到52.3和14.8min,其5-HT1A受體激動活性基本保持(4,EC50=0.063μmol·L-1和6,EC50=0.046μmol·L-1)(表1)。2.1.2磺酰胺de,7除了在易代謝位點引入氟原子之外,研究人員還引入氯原子作為封閉基團,提高代謝穩(wěn)定性。甲苯磺丁脲(tolbutamide,7)是目前廣泛使用的磺酰脲類抗糖尿病藥物,但是該化合物半衰期短,只有5.9h,每天需要服用3次,降低了糖尿病患者服藥的依從性。將甲苯磺丁脲的甲基替換為氯原子,得到氯磺丙脲(chlorpropamide,8),降低了該化合物的清除率,其半衰期延長到33h,每天僅需給藥1次,大大改善了糖尿病患者服藥的依從性(圖5)。2.1.3生物活性化合物除了引入氟原子和氯原子,還可以引入其他基團封閉代謝位點,提高化合物的代謝穩(wěn)定性?；衔?具有較強的CCR5拮抗活性(Ki=66nmol·L-1),但是該化合物的芐亞甲基易發(fā)生氧化代謝,因此,該化合物在大鼠體內(nèi)暴露量(AUC)較低,僅為0.04h·μg·mL-1。為了有效地提高化合物9的代謝穩(wěn)定性,在亞甲基位點引入次甲基結(jié)構(gòu)(化合物10),其CCR5拮抗活性提高了8倍(Ki=8nmol·L-1),體內(nèi)暴露量增加了近15倍;當(dāng)引入肟類結(jié)構(gòu)片段時(化合物11),其CCR5拮抗活性(Ki=11nmol·L-1)提高的同時,體內(nèi)暴露量提高50倍,達到2.1h·μg·mL-1(圖6)。在酚羥基的鄰位引入氰基,也將減少化合物與葡萄糖醛酸的結(jié)合,增強代謝穩(wěn)定性。胰高血糖素受體拮抗劑是近年來糖尿病治療藥物研究的熱點之一。輝瑞公司研發(fā)的酰肼類胰高血糖素受體拮抗劑(化合物12)具有較強的受體結(jié)合活性(230nmol·L-1),但是由于酚羥基在體內(nèi)迅速與葡萄糖醛酸結(jié)合,使得該類化合物代謝清除率高(225pmol·min-1·mg-1)。研發(fā)人員在苯環(huán)3-位引入F、Cl、氰基等取代基對該類化合物進行結(jié)構(gòu)修飾,均能有效地降低酚羥基與葡萄糖醛酸結(jié)合,減緩該類化合物的代謝清除率,提高與受體的結(jié)合活性(圖6)。采用氘封閉代謝位點,也是提高化合物代謝穩(wěn)定性的重要結(jié)構(gòu)改造策略之一。氘是氫的一種穩(wěn)定形態(tài)同位素,由于C-D鍵比C-H鍵穩(wěn)定6~10倍,使得C-D鍵難以斷裂,這種現(xiàn)象被稱為動力學(xué)同位素效應(yīng)(kineticisotopeeffect,KIE)。利用氘的動力學(xué)同位素效應(yīng),可以有效地阻斷小分子的代謝位點,延長藥物在體內(nèi)的作用時間,增加其代謝穩(wěn)定性。帕羅西汀(paroxetine,19)是一種選擇性血清素再吸收抑制劑(SSRI)型的抗抑郁藥,臨床上常用于抑郁癥和強迫癥的治療。但是該藥物在體內(nèi)經(jīng)CYP2D6氧化代謝得到的代謝產(chǎn)物與CYP2D6形成不可逆復(fù)合物,具有潛在的藥物-藥物相互作用。將帕羅西汀的活性代謝位點亞甲基采用氘代的結(jié)構(gòu)改造策略,得到化合物CTP-347(20),該化合物目前處于臨床I期研究階段,用于治療絕經(jīng)期潮紅。氘原子的引入,封閉了帕羅西汀的代謝位點,改變了帕羅西汀的代謝途徑,減少了活性代謝產(chǎn)物的生成,降低了對CYP2D6的抑制作用,增強了其在體內(nèi)的代謝穩(wěn)定性(圖6)。2.2氧雜環(huán)丁衍生物體內(nèi)的大多數(shù)代謝酶都具有與親脂性基團相結(jié)合的活性口袋,通過降低化合物的親脂性能減弱化合物與代謝酶的結(jié)合活性,延緩化合物的體內(nèi)代謝,改善代謝穩(wěn)定性?；衔?1具有較強的醛固酮合成酶抑制活性,但是該化合物中的異丁基結(jié)構(gòu)片段在體內(nèi)代謝酶的作用下會迅速代謝失活,其人肝微粒體中的半衰期僅為6min。對異丁基進行結(jié)構(gòu)改造,降低化合物21的脂溶性,引入氧雜環(huán)丁基團得到化合物22,其脂溶性降低了一個log單位,代謝穩(wěn)定性提高10倍;將氧雜環(huán)丁基替換為極性更強的叔羥基結(jié)構(gòu)片段(化合物23),脂溶性進一步降低,代謝穩(wěn)定性提高,其人肝微粒體中的半衰期大于300min(表2)。日本武田公司開發(fā)的抗凝血酶因子Xa抑制劑24具有較強的FXa抑制活性(IC50=28nmol·L-1),雖然該化合物具有較強的生物活性,但是在人肝微粒體中的消除率極高,達到91.2%(表3)。將七元內(nèi)酰胺環(huán)替換為六元(25)和五元(26)內(nèi)酰胺環(huán),脂溶性降低,活性提高,消除率下降;當(dāng)R基團替換為六元環(huán)脲基團時,得到的化合物TAK-442(27)抑制活性最強,代謝穩(wěn)定性最好,目前處于臨床II期研究階段。通過降低脂溶性,增強了抗凝血酶因子Xa抑制劑的代謝穩(wěn)定性。2.3修飾化合物的制備骨架修飾也是改變代謝途徑提高代謝穩(wěn)定性的重要化學(xué)結(jié)構(gòu)改造策略之一。骨架修飾包括改變環(huán)的大小、成環(huán)修飾以及骨架遷越,通過骨架修飾可以改變化合物的母核,調(diào)節(jié)化合物的理化性質(zhì),進而提高代謝穩(wěn)定性。采用代謝穩(wěn)定的環(huán)系結(jié)構(gòu)替代不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)片段,進而改變整個化合物的代謝途徑,提高代謝穩(wěn)定性。2.3.1擴環(huán)及縮環(huán)的n-甲基哌嗪取代基5-HT2C激動劑28具有較強的激動活性(EC50=14nmol·L-1),但是該化合物在人肝微粒體中的清除速率較高(36μL·min-1·mg-1)。通過改變中間連接片段吡咯環(huán)對該類化合物進行結(jié)構(gòu)修飾,將吡咯環(huán)分別替換為六元的哌啶環(huán)(29)和四元的氮雜環(huán)丁烷(30),在保持了5-HT2C激動活性的同時,有效地提高了該類化合物的人肝微粒體穩(wěn)定性,清除速率分別下降為17和9μL·min-1·mg-1(圖7)。H4受體拮抗劑31具有較強的拮抗活性(IC50=19nmol·L-1),但是該化合物的N-甲基哌嗪片段在大鼠肝微粒體中迅速發(fā)生N-去甲基化反應(yīng),代謝穩(wěn)定性較差。為了提高該類化合物的代謝穩(wěn)定性,將N-甲基哌嗪取代基通過擴環(huán)和縮環(huán)兩種方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,得到化合物32~36(表4)?；衔?2和33通過引入橋環(huán)結(jié)構(gòu)增加位阻效應(yīng),有效地提高了大鼠中的代謝穩(wěn)定性。哌嗪環(huán)替換為N-甲基吡咯(35)和N-甲基氮雜環(huán)丁烷(36)時,代謝穩(wěn)定性進一步提高。2.3.2促進人肝微粒體代謝聚ADP-核糖聚合酶-1(PARP-1)是治療神經(jīng)退行性疾病和帕金森病的重要靶標(biāo)之一。2-取代喹唑啉酮(37)雖具有較強的PARP-1抑制活性,但是該化合物中間的柔性側(cè)鏈易發(fā)生氧化代謝,在人肝微粒體中的代謝清除率較高。剛性的環(huán)戊烯基取代柔性的烷基鏈得到化合物38,增加了分子的剛性和代謝穩(wěn)定性(圖8),提高了對PARP-1的抑制活性,同時口服后中樞與血漿中的濃度比值也提高了3倍。輝瑞公司研發(fā)的NK2受體拮抗劑39具有較高的生物活性,但是該化合物在人肝微粒體中的半衰期很短,為了增強該化合物的代謝穩(wěn)定性,將易代謝的苯甲酰胺基團替換為六元環(huán)酮結(jié)構(gòu)(化合物40),在保持了NK2受體拮抗活性的同時提高了代謝穩(wěn)定性(圖8)。2.3.3化合物的生物活性緩激肽B1受體(BradykininB1receptor)拮抗劑可降低炎癥介質(zhì)引起的疼痛,因而是治療慢性炎癥和鎮(zhèn)痛藥物的潛在靶標(biāo)。Wood等發(fā)現(xiàn)化合物41對緩激肽B1受體具有強效抑制活性(Ki=11.8nmol·L-1),但該化合物在體內(nèi)的代謝清除率較高,達到35mL·min-1·kg-1。采用骨架遷越的結(jié)構(gòu)修飾策略,將二氨基吡啶環(huán)替換為氨基酰胺結(jié)構(gòu)(42),對緩激肽B1受體的活性大大降低,但是有效地延長了化合物的半衰期,提高了生物利用度,改善了藥代動力學(xué)特性。將二甲基取代替換為環(huán)己基取代(43),活性略有提高;當(dāng)采用環(huán)丙基取代模擬吡啶碳的sp2雜化態(tài)之后(44),對緩激肽B1受體的活性大大提高,對其進一步結(jié)構(gòu)改造,得到高活性的化合物45,同時改善了該類化合物的代謝穩(wěn)定性(表5)。2.4生物利用度檢測許多化合物含有易代謝基團,采用生物電子等排原理,用穩(wěn)定的生物電子等排體替換易代謝基團,是改變代謝途徑提高代謝穩(wěn)定性的重要策略。阿斯利康公司研發(fā)的β受體阻斷劑美托洛爾(metoprolol,46)在體內(nèi)發(fā)生首過效應(yīng),甲氧基在體內(nèi)CYP2D6酶的催化作用下發(fā)生氧化脫甲基反應(yīng),半衰期較短(t1/2=3.5~6h),生物利用度較低。賽諾菲公司采用環(huán)丙基甲基取代甲基得到倍他索洛爾(betaxolol,47),環(huán)丙基甲基的位阻效應(yīng)提高了化合物的代謝穩(wěn)定性和生物利用度,延長了半衰期(圖9)。化合物48具有抗結(jié)核桿菌Mycobacteriumtuberculosis的活性(MIC=0.9μmol·L-1),該化合物在體內(nèi)易被CYP催化氧化斷鍵以及發(fā)生酯水解反應(yīng)而失去活性。為了有效地降低該化合物的氧化代謝速率,對喹啉與異噁唑之間的連接基團進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其中反式雙鍵連接的化合物49,不僅提高了抗菌活性而且主要的藥代性質(zhì)得到了顯著改善(圖10)。先靈葆雅公司研發(fā)的苯并氮?類D1/D5受體阻斷劑ecopipam(SCH39166,50),曾用于精神病和肥胖病的治療,該化合物對D1和D5受體的結(jié)合活性分別為1.2和2.0nmol·L-1,但其暴露量(AUC)和口服生物利用度(F)很低,僅為0.16μg·h·mL-1和0.6%。分析其原因,是由于酚羥基發(fā)生葡萄糖醛酸化以及N-去甲基化等首過效應(yīng)。羥基作為氫鍵給體是與D1/D5受體結(jié)合的必需基團,用含有NH的環(huán)脲以及硫脲雜環(huán)作為生物電子等排體進行等效置換,得到化合物51和52,雖然D1/D5受體的結(jié)合活性略有下降,但是藥代性質(zhì)明顯改善,化合物51的口服生物利用度提高到87%(表6)。作用于病毒衣殼環(huán)節(jié)的活性化合物恩韋拉登(enviradene,53)為治療感冒的候選藥物,活性雖高(IC50=0.06μg·mL-1),但是生物利用度低。主要由于連接兩個芳環(huán)的丙烯基易發(fā)生氧化代謝,該化合物在人肝微粒體代謝率為73%,將甲基替換為乙炔基得到化合物54,增加了代謝穩(wěn)定性(Cmax=70~300ng·mL-1),但是該化合物的生物利用度仍很低,僅為9%。對化合物54繼續(xù)進行結(jié)構(gòu)改造,將苯環(huán)的4-位引入氟原子,得到化合物55,在保持病毒抑制活性的同時進一步改善了藥代性質(zhì),在人肝微粒體代謝率降低為12%,生物利用度提高到23%(表7)。美國輝瑞公司開發(fā)的5-脂氧酶抑制劑CJ-12,918(化合物56)具有較強的抑制活性,其IC50達到了0.06μmol·L-1,但是該化合物代謝穩(wěn)定性較差,其Cmax僅為0.24μg·mL-1,對其代謝產(chǎn)物分析,發(fā)現(xiàn)該化合物的甲氧基穩(wěn)定性差,在體內(nèi)迅速代謝。為了提高該化合物的藥代動力學(xué)性質(zhì),采用N,N-二甲酰胺基替換甲氧基得到CJ-13,454(57),脂溶性降低(logD=2.39),同時改善了代謝穩(wěn)定性,其Cmax提高6.5倍,達到1.57μg·mL-1(圖11)。2.5血管緊張素轉(zhuǎn)換抑制劑前藥是指經(jīng)過生物體內(nèi)轉(zhuǎn)化后才具有藥理作用的化合物。前藥本身沒有生物活性或活性很低,經(jīng)過體內(nèi)代謝后變?yōu)橛谢钚缘奈镔|(zhì),前藥修飾的主要目的在于提高藥物的代謝穩(wěn)定性,延長藥物在體內(nèi)的作用時間、增加藥物的生物利用度,加強靶向性,降低藥物的毒性和副作用。如萬乃洛韋(valacyclovir,58)生物利用度為67%,比阿昔洛韋(aciclovir,59)高3~5倍,現(xiàn)已成功取代阿昔洛韋成為治療帶狀皰疹和生殖皰疹的一線藥物;抗生素氨芐西林(ampicillin,60)口服生物利用度為40%,將其極性羧基酯化后得到前藥匹氨西林(pivampicillin,61),親脂性增加,口服生物利用度達到95%;又如抗高血壓藥物依那普利(enalapril,62)為血管緊張素轉(zhuǎn)換酶抑制劑(ACEI),口服后在體內(nèi)水解成依那普利拉(enalaprilat,63),依那普利拉的胃腸道吸收少于10%,而依那普利的口服吸收達60%(圖12)。血小板聚集抑制劑氯吡格雷(clopidogrel,64)可用于防治心肌梗死、缺血性腦血栓、閉塞性脈管炎和動脈粥樣硬化及血栓栓塞引起的并發(fā)癥。氯吡格雷在體內(nèi)經(jīng)過CYP450酶兩步代謝轉(zhuǎn)化得到活性代謝產(chǎn)物,進而發(fā)揮藥效(圖13)。首先經(jīng)過CYP2C19得到氯吡格雷硫代內(nèi)酯(65),再經(jīng)過CYP酶的氧化,得到活性代謝產(chǎn)物66。臨床研究表明,對于攜帶CYP2C