一药物代谢发展简史

1,January 17, 2018,浙江大学药学院 曾苏/药物分析与药物代谢研究室,Drug Metabolism,2,January 17, 2018,3,January 17, 2018,在生物系统中外源物 (xenobiotics) 的命运和与内源性分子的相互作用一直被人们所关注。尽管现代研究大多集中在人和动物中药物的命运，但是在植物，动物和微生物中有机化合物的命运也有广泛的研究。,药物代谢发展简史,4,January 17, 2018,药物大多是外来分子，进入人体后生物体的防御系统必然对这些外源物有所反应。一些药物以原形从人体排泄，然而大多数药物为了易于排泄需要进行结构修饰。这些结构修饰的过程称为“药物代谢”（drug metabolism）, 也称为“生物转化”（biotransformation）。,5,January 17, 2018,1841年Alexander Ure博士进行了第一个人体药物代谢实验，确证口服苯甲酸在人体内转化为马尿酸，并且提出使用苯甲酸治疗痛风。,6,January 17, 2018,In the evening, shortly before going to bed, I ingested 2 grams of benzoic acid in a sugar syrup. During the night I started sweating, which could be an effect of this acid, since I otherwise very rarely sweat profusely. I experienced no other obvious effect, even over the course of the following days when I took the same dose, and neither did the sweating reoccur,7,January 17, 2018,In the urine eliminated the next morning was found to be unusually acidic, even after being allowed to stand 12 hours after evaporation .after the residue was mixed with hydrochloric acid and allowed to stand, a large amount of long prismatic brown crystals was formed, which did look like benzoic acid.,8,January 17, 2018,Another portion, which had been concentrated to a syrupy thickness, formed a magma乳浆状of crystalline plates after being mixed with hydrochloric acid. .Long, colorless prismatic crystals were then isolated . These crystals consisted of pure hippuric acid. .,9,January 17, 2018,As long as I continued to ingest benzoic acid, I could very easily continue to produce quantities of hippuric acid, without any apparent unhealthy effects, so it would be quite easy to produce in such a way great quantities of hippuric acid. .,10,January 17, 2018,1947年R. T. Williams出版了划时代的专著Detoxication Mechanism,1959年又进行了修订。该书系统地总结了药物代谢途径和许多化合物的代谢研究，并发展了导致药物在体内代谢的是生物化学反应的理论。最重要的是明确提出药物代谢包括两个阶段：氧化、还原、水解为第一个阶段（I相代谢，Phase I），结合反应为第二个阶段（I I相代谢Phase II）。,11,January 17, 2018,药物代谢酶的发现,尽管1900年前就提出了酶参与吗啡代谢的假设，但是直到1909-1910年才首先由Battelli and Stern在研究乙醇氧化时表征了现在称为乙醇脱氢酶的代谢酶。1945 年 Handler和Perlzweig在Ann. Rev. Biochem发表的药物代谢综述中第一次明确讨论了药物代谢酶。,12,January 17, 2018,1947年Williams在他的专著Detoxication Mechanisms中对酶的叙述如下：“毫无疑问解毒机制的大多数反应都是由酶或酶系统介导的。. . .然而，解毒机制的酶学研究实际上是一尚未触及的领域。. . .当外来有机物进入生物体就会与体内正常状态的一些生化系统，主要是酶接触，这些酶进行氧化、还原、水解、合成等反应。” 突破性的工作是在1950s由B. B. Brodie和他的同事们完成。1958他们发表了Enzymatic metabolism of drugs and other foreign compounds.,13,January 17, 2018,早期研究显示肝脏是修饰进入体内物质的主要器官，它位于肠道和系统循环之间，是理想的药物代谢部位(图1)。1936年Potter和Elvehjem建立了匀浆法，体外测定肝脏的代谢作用；,细胞色素P450,14,January 17, 2018,图1. 人体药物代谢部位示意图,肝脏微粒体酶（氧化、结合）,肝外微粒体酶（氧化、结合）,肝脏非微粒体酶（乙酰化、硫酸化、GSH, 水解、氧化/还原、 醇/醛脱氢酶),15,January 17, 2018,药物代谢主要在肝脏，催化药物代谢的酶大部分存在于肝细胞的微粒体部分，部分存在于线粒体和可溶性部分。亚细胞器示意图,溶酶体,线粒体,核仁,核,内质网,16,January 17, 2018,肝微粒体的制备,肝微粒体是肝细胞经破碎得到的内质网（Endoplasmic reticulum）碎片，主要由脂类及蛋白质构成，可分为粗内质网和平滑内质网 。内质网中的主要酶有：胆固醇合成酶，甾体水解酶，药物代谢酶，葡萄糖-6-磷酸酶，腺苷三磷酸酶，细胞色素b5还原酶，核苷二磷酸酶，-D-葡糖苷酸酶等和蛋白质合成。,17,January 17, 2018,肝脏匀浆,离心，9000g20min,上清液,沉淀,沉淀,离心，19000g15min,核,细胞壁，红血球,线粒体，溶酶体,微粒体,pH7.4Tris-蔗糖溶液，匀浆,-30C保存,可溶部位弃去,沉淀,上清液,18,January 17, 2018,PREPARATION OF MICROSOMES,19,January 17, 2018,肝微粒体蛋白质浓度测定（Lowry法）,试管编号 0 1 2 3 4 5 6 标准蛋白质（ml） 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 / 微粒体溶液（ml） 0.10.9%NaCl（ml） 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.4D试剂 （ml） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0,20,January 17, 2018,Gerald Mueller和Elizabeth Miller应用这些技术研究二甲基氨基偶氮苯(dimethylaminoazobenzene)代谢，该反应需要氧和还原剂NADPH。Julius Axelrod应用兔肝切片研究安非他明的快速代谢和Bert LaDu在研究氨基比林去甲基代谢实验中都证实需要NADPH。Axelrod还测定了肝代谢活性的亚细胞定位。这种微粒体氧化酶后来被定义为细胞色素P450,21,January 17, 2018,细胞色素P450是最大的药物代谢酶蛋白超家族之一，主要催化药物的氧化反应，最早是在1955年由日本O. Hayaishi博士和美国H.S. Mason博士表征。这种氧化酶既需要氧化剂（分子氧）也需要还原剂（还原型辅酶II,NADPH），因此也被称为“混合功能氧化酶”（mixed-function oxidases, MFO）。R-H + O2 + NADPH ROH + H2O + NADP+ MFO,22,January 17, 2018,1955年G. R. Williams应用能测定高混浊样品的分光光度计，发现一种奇特的光学现象，当将一氧化碳鼓泡通过由联二硫酸钠所还原的鼠肝微粒体悬浮液时，在该悬浮液的差示光谱中可出现一个峰值在450nm的强吸收峰。该吸收峰的位置与其它血红蛋白/一氧化碳结合物的吸收峰位置不同，后者的峰位均在420nm左右，但是这一观察结果没有发表。,23,January 17, 2018,1958年Garfinkel 和Klingenberg分别发表了对这一奇特色素的研究结果和肝脏药物氧化代谢反应的生化特性。这种色素由Omura 和Sato表征为细胞色素，并正式命名为P450,意即一种在450nm处有最大吸收峰的细胞色素（P是Pigment的缩写）。Omura 和Sato认为细胞色素P450是一种与磷脂膜紧密结合的水不溶性酶蛋白。通过使用清洁剂溶解微粒体和与异氰酸盐配体相互作用，最大吸收波长位移到420nm（细胞色素P420）。P420具有典型的a 、b和 索雷（Soret）吸收带。,24,January 17, 2018,自从细胞色素P450被鉴定为氧化反应的最终组分后的35年里，药物代谢这个领域已经从仅仅是药物代谢科学家感兴趣，扩展到分子生物学家、药理学家、生化学家和医生都感兴趣的主要研究领域。从1969年Lu和Coon首先分离膜结合P450到99年Eric Jonson等首次结晶哺乳类P450，确立了P450 在控制药物和其它外源物体内代谢过程中发挥重要作用。,25,January 17, 2018,第一个报道的糖结合物是染料印第安黄的主要成分优 黄酸。印第安黄通常是从喂以芒果叶后的牛尿中分离,能被酸水解产生苷元 .,尿苷二磷酸葡醛酸转移酶,Schmiedeberg和Meyer继续早期樟脑代谢研究和从给予樟脑的狗尿中分离出樟脑结合物。他们将糖基分离和表征为葡萄糖醛酸。,26,January 17, 2018,1953年Dutton 和Storey发现尿苷二磷酸葡醛酸(uridine diphosphoglucuronic acid ，UDPGA)和确定UDPGA这种辅因子在葡醛酸苷形成中的作用。催化上述反应的酶也就被命名为尿苷二磷酸葡醛酸转移酶（UGT）。UGT与其它结合反应的酶，如硫酸转移酶等相比，具有低亲和力和高结合能力的特征，并且是与脂膜结合的二相结合反应药物代谢酶。,27,January 17, 2018,纵观整个药物代谢的历史，显然，其研究的重大进展总是与分析技术的发展密不可分。分析测试技术的发展极大地推动了药物代谢研究，甚至发挥关键作用。分光光度法、同位素法、色谱法、酶法、细胞化学法、元素分析、高通量筛选和测定、超灵敏分析技术和计算机模型。CYP的发现：1。同位素18 O2采用质谱仪研究氧代谢、2。双光束能快速扫描的分光光度计，可以用于线粒体和微粒体等细胞微粒的浑浊样品、3。“氧电极”。这种测量氧利用率的简单极谱法，用于测定氧消耗量、底物代谢量和由P450反应所利用的减少量。,先进分析技术对药物代谢学的贡献,28,January 17, 2018,可以说，由于现代科学技术逐步介入，导致了“药物代谢”学科的诞生。随着组合化学和高通量生物筛选的快速发展，发现了大量新化学实体（New Chemical Entities,NCE），因此迫切需要测定这些化学实体的ADME特性，以选择“理想”的药物侯选物进一步研发。为了满足这些日益增长的需要，药物代谢科学家又建立了新方法，包括：体外“人源化”细胞模型、高通量筛选和测定、超灵敏分析技术和计算机模型等，以加速测定化学实体的ADME特性。,29,January 17, 2018,19世纪初，药物代谢反应逐步被发现， 20世纪基本的生物转化-氧化、还原、水结和合成都已被阐明，但是它们相关的应用尚未完全清楚。20世纪80年代关键酶的的X-射线结构还未被揭示，分子生物学开始探讨药物代谢酶蛋白质的表达和合成。药物治疗中药酶基因多态性的作用日益明显。从上世纪50年代早期和整个60年代，开始研究实际的药物代谢酶及其细胞定位。,药物代谢研究展望,30,January 17, 2018,左：CYP2C9晶体结构图，右：CYP2C9与华法令形成的复物,31,January 17, 2018,药物代谢研究展望,药物代谢在理解个体对药物和化学环境的反应中发挥重要作用，药物治疗中药酶基因多态性的作用日益明显，病人基因缺陷和表达程度的信息与疾病信息在制定合理治疗方案中同等重要。弄清楚微小的基因变化是怎样改变个体对环境的响应，将构筑控制人类对药物反应的数据库。,32,January 17, 2018,进入21世纪，人们发现药物代谢在在理解个体对药物和化学环境的反应中发挥重要作用。病人基因缺陷和表达程度的信息与疾病信息在制定合理治疗方案中同等重要。了解微小的基因改变是怎样改变个体对环境的响应，将构筑控制人类对药物反应的数据库。基因组、蛋白质组和强有力的分析技术的联合应用，将是我们在分子水平探索人类对药物的响应。,33,January 17, 2018,使用大功率计算机程序，使得我们可以组装分子数据，预测个体生物对环境的响应。,34,January 17, 2018,20世纪50年代后。药物代谢作为药理学和生物化学的分支学科迅速发展。药物代谢已经明显的对药动学、药效学、毒理学以及其它生物医学科学产生了显著地影响。药物代谢研究资料已成为世界范围新药申请注册的必备条件。在该领域已发展了一批学术团体。如， 1981年Bruce Migdalof博士、Fred DiCarlo、 John Baer和 Ina Snow发起成立了国际外源物研究协会（International Society for the Study of Xenobiotics，ISSX）。主要研讨生物系统药物和化学品代谢与处置。 也有专业的学术刊物，如Drug Metabolism and Disposition， Current Drug Metabolism,35,January 17, 2018,Department of Health and Human ServicesU.S. Food and Drug AdministrationCenter for Drug Evaluation and ResearchCenter For Biologics Evaluation and Research,Guidance for Industry1。Drug Metabolism/Drug Interaction Studies in the Drug Development Process: Studies In Vitro2。In Vivo Drug Metabolism/Drug Interaction Studies - Study Design, Data Analysis, and Recommendations for Dosing and Labeling,36,January 17, 2018,Drug Interaction Studies Study Design, Data Analysis, and Implications for Dosing and Labeling，September 2006 SFDA, 化学药物非临床药代动力学研究技术指导原则,2005,37,January 17, 2018,药物在生物体内的处置包括吸收、分布、代谢和排泄（ADME）,是药物在体内产生药效及毒性的主要过程。大约40%的药物候选物是由于药代特性不佳而遭淘汰。,药物代谢,毒性,缺少活性,商业原因,人类副作用,其他,38,January 17, 2018,39,January 17, 2018,(1)药物靶标（受体、酶等）、药物转运体（有机阳离子转运体、P-糖蛋白，-1-酸糖蛋白等）和药物代谢酶的基因变异; (2) 药物受体、药物转运体和药物代谢酶基因变异体的结构与功能; (3) 药物处置所牵涉到的生物分子的诱导和抑制；(4)个体药物副反应机制以及应用药动学-药效学关系解释疗效和药物安全性的个体差异；（5）药物代谢研究的体外与体内相关模型；（8）微量药物及其代谢物分离与结构鉴定技术。,主要研究的挑战有：,40,January 17, 2018,相关网站：1./Cytochromes/links.HTML2./public/divisions/drugmetab/3./sub_menus//5./entrez//public/pharmcokinetics/pharmacokinetics.html7.moldb.nihs.go.jp/p450//pbasymp9.www.forschung3r.ch/de/publications/bu4.html,41,January 17, 2018,2005年10月药学院主办国际药物代谢学