前药设计原理及应用

前药设计原理及应用前药设计原理及应用 前药是药物分子的生物可逆的衍生物 在体内经酶或化学作用释放具有活性 的原药 从而发挥预期的药理作用 在药物的发现和发展过程中 前药已经成 为一种确切的改善原药理化性质 生物 药剂学性质及药物代谢动力学性质的手 段 目前在世界范围内批准上市的药品中有 5 7 可以归类为前药 并且在新 药研究的早期前药这一理念也越来越受到重视 前药是一类通过结构修饰将原来药物分子中的活性基 团封闭起来而导致本身 没有活性 但在体内可代谢成为具有 生物活性的药物 1 前药原理在药物 设计中应用广泛 不仅可对经典的含羧基 羟基 氨基药物进行结构修饰制成酯 羧酸酯 氨基酸酯 酰胺 磷酸酯等类型的前药 还可制成偶氮型前药 曼尼希 碱型前药 一氧化氮型前药及开环 闭环等新型结构的前药 既保持或增强了原 药的药效 又克服了原药的某些缺点 1 1 前药设计的结构修饰类型前药设计的结构修饰类型 1 11 1 酯类前药酯类前药 含有羧基 羟基和巯基的药物成酯在前药的应用中是最广泛的 将近 49 的 上市药物在体内是通过酶的水解来激活的 酯类前药主要是用来提高药物的脂 溶性和被动的膜渗透能力 通常通过掩蔽水溶性药物的极性基团来 达到的 在 体内 酯键可以很容易的被血液 肝脏以及其他器官和组织中普遍存在的酯酶 水解掉 目前临床上有许多烷基或芳基酯类前药在应用 其中 内酰胺类抗生素匹 氨西林 Pivampicillin 就是一个成功的例子 2 氨苄青霉素是耐酸 广谱 半合成青霉素 可以口服 但是口服吸收差 血药浓度只有注射给药的 20 40 分析结构表明 氨卡青霉素分子中的 C2 羧基与 C6 侧链氨基在胃内 pH 情 况下解离为两性离子 将羧基形成简单的脂肪 芳香酯类不够活泼 在体内酶 促分解成原药的速度很慢 将其设计成双酯型前药 末端酯键位阻较小 易于 发生酶促断裂 生成的羟甲酯不稳定 自动分解 释放出甲醛和氨苄青霉素 产生药效 生物利用度提高 3 5 倍 口服几乎定量吸收 98 99 1 21 2 磷酸酯磷酸酯 磷酸盐类前药磷酸盐类前药 含有羟基和氨基的药物磷酸酯类前药主要是针对含有羟基和氨基的水溶性差 的药物而设计的 目的是提高它们的水溶性来得到更好的口服给药效果 磷酸 酯类前药表现出很好的化学稳定性 同时在体内可以通过小肠和肝脏中的磷酸 酯酶快速的转化为原药 3 磷苯妥英钠 fosphenytoin sodium 为抗癫痫药苯妥英 phenytoin 的胃肠 外使用的有效前药 其水溶性和稳定性较原药都有很大提高 由于苯妥英的水 溶性很低 24 g mL 1 很难有效给药 因此开发了其前药磷苯妥英钠 该药可在血红细胞 肝和许多其他组织中的碱性磷酸酯酶的作用下 迅速而完 全的转变为苯妥英 由于该药极性增加 使其水溶性增 加 140 mg mL 1 可制成 50 mg mL 1 稳定的混合水溶液通过静脉注射或肌内注射途径给药 克服了苯妥英临床应用带来的不良反应并消除了苯妥英的药物相互作用 4 1 31 3 碳酸酯类与氨基甲酸酯类前药碳酸酯类与氨基甲酸酯类前药 含有羧基 羟基和氨基的药物碳酸酯与氨基甲酸酯类化合物与对应的酯相比 对 酶的稳定性更好 碳酸酯是羧基与醇基的衍生物 氨基甲酸酯是羧基与氨基 的衍生物 大部分碳酸酯类和氨基甲酸酯类前药需要酯酶的参与来释放原药 伊立替康 Irinotecan CPT 11 是亲脂性抗肿瘤药物拓扑异构酶 抑制剂 喜树碱的水溶性氨基甲酸酯类前药 它代表了一类能够增加水溶性的可电离的 药物前体 5 在分子中 二哌啶基通过氨基酸甲酯与喜树碱的酚羟基相连 主要通过羧 酸酯酶在肝脏内转化为喜树碱 二者均在体内以两种形式存在 内酯环和羧酸酯 内酯环开环 其中内酯环为活性形式 该两种形式处于 pH 依赖的平衡中 静脉注射伊立替康 喜树碱 Tmax 可以达到 2 3h 且前药的毒 性剂量范围没有改变 1 41 4 酰胺类前药酰胺类前药 含有羧基和氨基的药物酰胺是羧基与氨基的衍生物 但是 酰胺类前药的应 用十分有限 主要是因为其在体内具有相对较高的酶稳定性 酰胺键可以被体 内的羧 酸酯酶 多肽酶和蛋白酶水解 引入酰胺键通常是为了提高口服吸收度 这主要是通过合成小肠摄取转运体的底物来实现的 desglymidodrine DMAE 是治疗体位性低血压的选择性的 1 受体激动剂 DMAE 的生物利用度只有 50 在 DMAE 的氨基上引入甘氨酸基团制成它的前药米 多君 midodrine 由于米多君是 hPEPT1 的底物 经由 hPEPT1 介导的转运 可以提高生物利用度达到 93 前药米多君经吸收后主要在肝脏以及体循环中 由未知的多肽酶转化为活性药物 6 1 51 5 肟类前药肟类前药 含有羰基 脒基和胍基的药物肟 例如酮 肟 氨肟和胍肟 是羰基 脒基和 胍基的衍生物 这就为缺少羟基 氨基或者羧基的化合物修饰提供了机会 肟 可以被微粒体中的细胞色素 P450 酶水解 肟 尤其是强碱性的脒基和胍基的 肟 可以提高原药的吸收度和膜穿透能力 美拉加群 melagatran 是第一批口服的凝血酶直接抑制剂 但由于它是一 个两性离子 口服生物利用度只有 3 7 因此研制出他的双重前药 Ximelagatran 在美拉加群羧基末端添加一个乙基酯 脒基末端生成一个肟基 26 释放原药美拉加群需要两步代谢反应 大部分氮肟在肝脏内被细胞色素 P450 还原为脒 还有一部分发生在小肠 乙基酯在在肝脏内由羧酸酯酶水解为 自由的羧基 imelagatran 的口服生物利用 度比美拉加群提高了 20 7 2 2 前药策略的应用前药策略的应用 2 12 1 提高药物的吸收度提高药物的吸收度 导致一个潜力药物的口服吸收度不 好的原因有很多 包括水溶性差 渗透能 力低 是 P 糖蛋白的底物 在肝脏代谢过于迅速等等 这里主要讨论一些常用 的 提高口服药物吸收度的前药策略 包括提高药物的水溶性 脂溶性以及利用 载体介导的吸收 2 1 12 1 1 提高药物的水溶性提高药物的水溶性 通过组合筛选得到的候选药物中有将近 40 的药物水溶性很差 低于 10 M 有时利用常规的制剂技术 比如说成盐 粒子粉碎 添加增溶剂 生成 络合物等 也不能得到令人满意的效果 这时前药策略就为水溶性差的药物提 供了一个可选择的方案 2 1 22 1 2 提高药物的脂溶性提高药物的脂溶性 某些药物分子含有极性或者可电离的基团 这势必会影响到其口服生物利用 度 此时可以利用前药策略对这些基团进行修饰增加药物的脂溶性 从而提高 膜穿透能力以及口服吸收度 2 1 32 1 3 载体介导的吸收载体介导的吸收 一类前药是以特殊的膜转运体为靶点 其设计原理是在原药上接上特定结构 的基团 使其能够被小肠上皮组织上的内源性转运体识 8 此类前药设计对 于含 极性基团或者带电荷的药物是十分重要的 对于这一类前药设计来说 多 肽转运体是个理想的靶点 小肠中分布广泛 转 运能力足够高以及底物特异性 的选择余地大 伐昔洛韦 valacyclovir 和缬更昔洛韦 valganciclovir 就是 两个很好的例子 将他们制成氨基酸类前药 其小肠透过能力提高了 3 10 倍 而且其转运基本上是由小肠上皮细胞表达的二肽和三肽转运体 hPEPT1 来介 导的 9 跨膜转运之后 两个前药都很快的通过小肠内的水解作用分别转化 为前药 2 22 2 靶向给药靶向给药 给药的最终极目的就是能够做到靶向性 前药策略就可以做到 靶向选择性 主要是通过 4 种途径实现的 在器官内的被动富集 转运体介导给药 酶得选 择性代谢激活 抗原靶向作用 10 2 2 12 2 1 中枢神经系统 中枢神经系统 CNSCNS 靶向给药 靶向给药 在临床上由于血脑屏障 blood brain barrier BBB 的存在使得 CNS 给药变 得十分困难 但是通过了解血脑屏障的转运机制以及酶活性 可以实现 CNS 的 大量给药 相对其他部位 多巴胺的前药左旋多巴是 BBB 上中性氨基酸转运 体 LAT1 的底物 11 主动转运进入脑组织后立刻转化为亲水性的原药多巴 胺 因此不能跨越 BBB 增加了脑内药物浓度提高了药效 2 2 32 2 3 肝脏靶向给药肝脏靶向给药 在所有的器官中 肝脏是最具有靶向给药潜力的 作为代谢器官 肝脏具 有多种肝脏特异性代谢酶 用于治疗高胆固醇血症的辛伐他汀 Simvastatin 和洛伐他汀 lovastatin 是 3 羟基 3 甲基戊二酰辅酶 A 还原酶抑制剂 的生物前体药物 辛伐他汀和洛伐他汀以疏水的内酯形式给药 在肝脏内经 CYP450 酶转化为活性的羟基形式 12 研究发现 脂溶性的辛伐他汀和洛伐 他汀能够被胃肠道很好的 吸收并通过一种转运机制在肝脏内富集 2 32 3 延长药物的作用时间延长药物的作用时间 将许多类固醇 例如睾酮 19 去 甲睾酮 和安定药 例如氟奋乃静 三氟 噻醇 氟哌啶醇 制成其高亲脂性前药 肌肉注射后可以缓慢释放到体循环中 从而 延长了药物作用时间 13 且前药自注射部位释放出来后通常可以很快 的转化为原药 例如 注射氟奋乃静的癸酸酯后 通常在 24 72h 开始起效 药效平均可以维持 3 4 周 14 3 3 展望展望 在药物设计中前药策略已经成为一种用途广泛的有效手段 其范围可以延伸 到许多种母体药物分子的给药途径和给药形式中 必须指出的是 准确分析原 药的性质以及选择合适的修饰基团对于成功的前药策略来说是至关重要的 目 前临床上大部分的前药是通过提高原药的脂溶性来增强药物的渗透能力 最近 多用来提高药物的水溶性 然而对于前药人们还是有许多未满足的需求 例如 目前上市的前药中很少有针对抗肿瘤药物的 至于针对肿瘤靶向给药减少毒副 作用的抗癌药更是少之又少 总体来说 随着被批准上市的前药数目的增长 前药策略已经成为药物设计 以及代谢过程中不可或缺的一部分 期望各个学科的研究团队可以在药物发现 的早期合理应用前药策略 这将使我们可以针对一些类药性高的候选化合物来 进行后续研究 参考文献参考文献 1 徐文方 新药设计与开发 科学出版社 2001 621 2 王淑月 王洪亮 前药原理与新药设计 河 北 工 业 科 技 2003 70 54 57 3 Heimbach T Fleisher D Kaddoumi A In Prodrugs Challenges and Rewards Part 1 eds Stella V et al AAPS Press Springer New York 2007 155 212 4 Joan B Tomas R Josep D et al Synthesis of water soluble phenytoin prodrugs Bioorganic Medicinal Chemistry Letters 1999 9 1859 1862 5 Bencharit S et al Structural insights into CPT 11activation by mammalian carboxylesterases NatureStruct Biol 2002 9 337 342 6 Steffansen B et al Intestinal solute carriers anoverview of trends and strategies for improving oraldrug absorption Eur J Pharm Sci 2004 21 3 16 7 Clement B Lopian K Characterization of in vitro biotransforma tion of new orally active direct thrombin inhibitor ximelagatran an amidoxime and ester prodrug Drug Metab Dispos 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