药化lesson3ADME与新药开发

1、What happens after you take a pill . . .AbsorptionDistributionMetabolismExcretion1第一页，共三十三页。What is ADME? ADME Absorption (How much? How fast?) Distribution (How extensive? How fast? Where is the drug distributed?) Metabolism (How fast? What mechanism/route ?What metabolites? Are they active? Are th

2、ey toxic?) Excretion (How fast? Which route?) Measure and understand ADME and you can predict pharmacokinetics These measurements are key applications for Drug development and discovery2第二页，共三十三页。Drug Discovery & Development3第三页，共三十三页。 不良ADME 问题至少和缺乏药效同样严重 在临床研究中被淘汰的候选化合物大约 30%是由于在人体内无活性， 40%是由于药代动力

3、学特性差 如药物代谢速度过快导致药物作用时间过短或吸收不良 11%产生了毒性产物。 失败的原因 ADME 性质的研究仅仅在药物开发阶段进行。 人和动物，人和人之间存在着明显的ADME 的差异。 没有适宜的体外研究模型。 Why ADME SFDA指出： “非临床药代动力学研究在新药研发和评价过程中起着重要的桥梁作用，为药效学和毒理学评价提供了药物或活性代谢物浓度数据，是产生、决定或阐明药效或毒性大小的基础，是提供药效或毒性靶器官的依据，也是药物制剂学研究的主要依据和工具，并为设计和优化临床研究给药方案提供有关依据”4第四页，共三十三页。Modern New Drug Discovery1945

4、-1995 ：传统药物研究方法遵循：分子库活性筛选传统QSAR模型ADME/PK 研究毒性研究候选药物1995 - 现代药物研究方法遵循分子库平行筛选(包括活性,ADME/Tox等）ADME/Tox模型合成分子平行筛选综合考虑药物代谢及其动力学性质，参考分子生物学、药理学和毒理学数据，寻找有效、安全、方便的药物5第五页，共三十三页。一. 代谢与药物设计1.Hard drug 理想药物应该安全；体内代谢过程已知；不被代谢。无活性中间产物或活性代谢物引起的毒性；经胆汁或肾脏排泄，药代动力学过程简单；可根据肾功能预测动物与人药代动力学性质的差异。米索前列醇前列地尔OH 由C1移到C16, 并引入甲基

5、，叔醇不易受酶影响而氧化。代谢失活不易发生，作用时间长，口服有效6第六页，共三十三页。2.Soft drug 具有药理活性，代谢过程可预知、可调控，代谢物无无活性。设计原则：尽可能避免氧化代谢；并利用水解酶达到可预知、可调控的代谢。含季铵功能基团和酯结构，于体内经Hofmann降解生成能胺和烯烃，或在酯酶作用下水解阿曲溴铵经酯酶广泛代谢（90%) 代谢物无活性经尿液排泄。雷米芬太尼7第七页，共三十三页。醋酸氢化可的松3-螺噻唑衍生物无活性的前药型软药。大部分药物集中在局部的炎症皮肤里，持续缓慢释放活性成分，使活性和毒性得到分离8第八页，共三十三页。3.代谢物比原形更少不良反应 生物转化为灭活过

6、程； 许多药物代谢为具有药理活性的代谢产物； 多数代谢物经历相除，更安全。 止痛作用更强；无/少高缺血红蛋白血症，溶血性贫血发生。有更好消炎止痛作用；更少胃肠道反应。 非那西汀乙酰氨基酚羟基保太松保太松9第九页，共三十三页。4. 活性代谢物比原形有更好药动学性质 许多苯二氮卓类药物可生成具有与原形相似药理活性，但比原形有更好药动学性质的代谢物。去甲羟基安定具有速效催眠镇静作用其葡萄醛酸化作用代谢产物较前体现药物半衰期短，适用于老年人及肝肾功能不良者10第十页，共三十三页。阿司咪唑诺阿司咪唑H1-受体的选择性比前者强，而且活性是代谢前的40倍。药物的活性代谢物直接作为药物，可减轻体内代谢的负担，

7、有些药物更适合老年人使用。11第十一页，共三十三页。 二 . 药代动力学与药物设计1.吸收 目前药物吸收的研究主要是针对口服吸收的研究。口服药物基本上由胃肠道吸收,主要集中在小肠、十二指肠、空肠和回肠等部位。吸收率决定了药物的透肠上皮细胞吸收效率。生理、物理、化学因素影响药物吸收的速度和程度。平衡脂溶性与透膜作用。膜透过性增加，清除率增加，首过代谢广泛，生物利用度低。脂溶性通过增加药物与酶的亲合力影响代谢清除率。在肠上皮细胞上还存在一种特殊的转运分子P-gp ,它定位于胃肠道细胞的膜表面。凡是能被P-gp 识别作为底物的药物在通过其他途径进入细胞后,还会被P-gp 通过一个耗能的过程挤压出细胞

8、。12第十二页，共三十三页。目前预测药物肠吸收的模型主要有: 动物体内实验：由于种间差异性,不能很好地反映人体内情况体外细胞实验：使用人造细胞膜、细胞系及肠组织的. Caco-2 模型实验模型CaCo-2 细胞源于人体结肠癌细胞, 其结构和生化作用都类似于人小肠上皮细胞。含有与刷状缘上皮细胞相关的酶系,如-谷氨酰胺转肽酶、碱性磷酸酶、谷胱甘肽S-转移酶、磺基转移酶，P450细胞色素同功酶。与小肠主动转运相关的12 种转运系统 也都在CaCo-2 细胞内表达。Caco-2 能较好地模拟药物经不同途径的转运,其中模拟最好的是跨细胞膜被动转运.Caco-2 渗透性实验13第十三页，共三十三页。 Ar

9、tificial membrane is made using lipids and/or oil and spotted in a filter Compound is added to the lower chamber The rate of appearance of the compound in the upper chamber is measured by mass spec or UVPAMPA (Parallel artificial membrane permeation assay)PAMPA plate浙江工业大学学报, 2010, 38, 61714第十四页，共三十

10、三页。Caco-2 vs. PAMPANote: PAMPA and Caco-2 tests can be complementary tests todetermine both passive and active permeabilities. Caco-2 tests alonemeasure the sum of passive and active permeabilities which can not bedecoupled without the information obtained from PAMPA tests.15第十五页，共三十三页。前药（Prodrug） 目

11、的：改善吸收，定位释放 改善吸收：巴氨西林、氨苄青霉素肽酯、匹氨西林）为氨苄青霉素的前药，生物利用度由50%提高到98%-99% 依那普利为依那普利拉的前药，生物利用度由10%增至60% 16第十六页，共三十三页。定位释放： -谷氨酰多巴可特异性释放L-多巴。L-dopa为多巴胺信使，作用于中枢神经系统,亦作用于肾脏受体，具有扩血管作用。大鼠腹腔注射-谷氨酰多巴，在富集于肾脏的 -谷胺酰胺转肽酶(1)和 L-芳胺酸脱羧酶(2)的作用下，使肾脏多巴胺的量5倍于给予相同剂量的L-多巴。 -谷胺酰多巴可用于肾血流不佳患者。17第十七页，共三十三页。2.分布 药物的亲酯性越强，蛋白结合率越高，分布越广

12、泛。 甾类激素血脑屏障透过率与氢键数密切相关，氢键数越多，透过率越低。 亲脂性是影响大脑透过率的重要因素，但仅在一定范围内相关。2.1 药物与血清蛋白结合模型平衡透析法：采用半透膜将药物（通常是小分子 ）和蛋白（大分子）分在两个小室内 ,只有小分子可以透膜 ,达到平衡后测量两室内药物的浓度;超滤法：采用超滤膜 ,将离心管隔开 ,药物与蛋白混合液加在上室内开始离心 ,蛋白分子不能透膜 ,与蛋白结合的药物分子也不会被离心到下室 ,只有游离的药物分子能进入下室;凝胶过滤：是通过凝胶渗透层析将蛋白与小分子药物分离开。光谱法：是通过蛋白与药物结合后的光吸收改变来测定与蛋白结合的药物的量 ,这种方法只在特

13、殊的情况下才能使用。平衡透析、超滤和凝胶过滤的特点都是将与蛋白结合的药物与未结合的药物分开 ,从而便于衡量药物与蛋白的结合率。光学生物传感器：使用表面等离子体共振技术 ,主要用于探测生物分子间的相互作用 ,因而可用于药物开发的许多过程中。该技术可筛选针对某一靶位点的先导化合物 ,也可检测药物与蛋白包括酶的结合能力。体外研究方法主要有: 18第十八页，共三十三页。2.2 药物向各组织分布的模型目前在这方面没有有效的体外模型，主要是因为各组织的生物膜组分不同， 同时生物膜上的蛋白受体不可能很好模拟。2.3 透血脑屏障模型药物要透过血脑屏障才能进入脑组织。模拟血脑屏障的模型 ,主要是采用脑血管内皮细

14、胞和神经胶质细胞的共培养物。内皮细胞和神经胶质细胞共培养物模型采用 transwell 培养板的方法 ,先在下层小池底部接种神经胶质细胞 ,培养 23天后 ,再在上层小池底部的膜上接种血管表皮细胞 ,经培养可形成紧密连接的单层细胞。也可将神经胶质细胞接种于上层小池的膜底部。研究药物的穿透能力也是在上层小池内加入药物 ,过一段时间再测外面大池内药物浓度。19第十九页，共三十三页。3. 药物代谢 I相反应 ： 氧化、还原或水解为极性更大的代谢物 。关键酶为 P450酶; II相反应 ： 药物及其代谢物与内源性物质结合。酶较多 , 重要的有葡萄糖醛酸转移酶，谷胱甘肽-S -转移酶， N-乙酰基转移酶

15、等3.1 代谢稳定性 （Metabolic stability ） Scientists are interested in measuring something called “clearance” Conceptually, this is the rate at which the drug is eliminated by the body The metabolic enzymes “clear” the drug from the body by metabolizing it to something else The rate of clearance is very imp

16、ortant in determining how much drug gets through the liver and how long a drug will stay in the body “How big a pill is needed and how often you need to take it”20第二十页，共三十三页。example21第二十一页，共三十三页。Phase I/II Drug Metabolism22第二十二页，共三十三页。Experimental Approach将微粒体或肝实质细胞与供试药物共同孵育,然后用 LC/MS对药物进行定量分析,可得出药物

17、的代谢率, 还可对一系列结构相关的化合物进行测量,对代谢中间物进行研究。23第二十三页，共三十三页。Gilson 215 liquid handler 系统 可以进行编程控制，并对测试过程中的试剂添加，及反应终止进行自动化操作， 并可进行温度控制。 可与HPLC系统联用，实现自动进样测试。 自动化操作重复性好24第二十四页，共三十三页。 半衰期是确定给药间隔，频率的重要参数。 增加药物分布容积或降低清除率可延长半衰期。 制成缓控释制剂或进行化学修饰可降低清除率，延长半衰期。 缓、控释制剂: Modified, control, slow-release preparations半衰期化学修饰:

18、尼非地平经历广泛首过代谢,半衰期短,需频繁给药。在二氢吡啶二甲基侧链连接烷氨基侧链,形成新的化合物阿莫地平，口服生物利用度增加,半衰期延长,而抗高血压活性不变。阿莫地平尼非地平25第二十五页，共三十三页。3.2药物相互作用（Drug-drug interaction）CPY- inhibitor26第二十六页，共三十三页。3.2药物相互作用（Drug-drug interaction）CPY-inducer27第二十七页，共三十三页。Experimental ApproachKey Products: BD UltraPool HLM 150, BD Supersomes, CYP Inhib

19、ition Kits, Chemicals了解一个药物对协同治疗药物的潜在代谢影响是必要的。可以在 96 孔板上进行人肝细胞长期单层培养 ,研究药物对肝基因表达的影响。当代谢酶表达稳定后 ,加入药物然后检测代谢酶的量 ,就可用mRNA定量方法来衡量基因表达变化 ,也可通过测酶的活性来衡量。mRNA的量基本可以反应出诱导与否 ,因为许多诱导都是通过与特定的上游感应元件相互作用提高转录水平的。qRT -PCR 可以在100 ng 的总 RNA (50 000个细胞) 中检验出 10 个拷贝 ,还可实时测定 mRNA。确定一个孔细胞多基因表达的实现 ,使得同时研究一个药物对所有 CYPs酶的影响成为

20、可能。28第二十八页，共三十三页。3.3药物毒性（Drug toxicity）药物毒性很多体现在肝毒性 ,而且药物代谢会改变药物的毒性 ,因此经常使用分离的肝细胞进行毒性试验。其他体外模型如：视觉中毒试验模型,有用于急性试验的人角化细胞和角膜上皮细胞的单层培养物 ,也有用于慢性试验的角膜上皮 3D 模型 ,还有人造的角膜。皮肤模型中 ,包括角化细胞或纤维原细胞的单层培养物和人表皮的3D 模型。肾毒性试验可用近球小管细胞单层培养物也可使用新鲜分离的肾小球囊或肾单元进行 ,但它们的存活期只有几个小时 。人的其他组织如肺、心、肠和淋巴都可用来进行毒性试验 ,不过大都只能进行细胞中毒试验。药物毒性是药物的一个至关重要的性质 ,也是最难加以筛选的性质。药物毒性可能是种属特异性的或组织特异性的 ,也可能是多种其他因子共同作用的结果 ,有时需要长期服用才能体现。29第二十九页，共三十三页。Experimental Approach这些细胞毒性筛选模型基本都是将药物与细胞共同孵育一段时间 ,然后检测细胞的活性 ,或是检测一些其他指标。细胞活性可通过多种方法来检测 ,如基于线粒体活性的 MTT法、中性红染色法、基于细胞膜完整的酶释放测量。其他测试指标还有对分化细胞DNA合成或所有种类细胞的 RNA、蛋白合成检测 ,以及针对自由基毒性的 GSH(谷胱甘肽)检测。生物技术