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基于特征代谢反应的核苷类前药设计:原理及应用实例

2017-12-10 22:54:52 来源:丽水生活热线

前言

在过去的近十多年里,核苷类抗病毒药物取得了长足的发展,目前已有二十多个此类上市药物,广泛应用于各类病毒感染的治疗,如HIV、HBV、HCV等,取得非常好的临床效果。时至今日,核苷类抗病毒药物仍然是各大制药企业的研发热点,不时有重磅新药问世,而其中不少成功的案例都采用了前药化设计理念。

图一 核苷类似物的活化

核苷类似物的抗病毒机制很早之前就已经被阐明,具体可分为两类,第一类:链终止剂;由于其特殊的结构,在被病毒DNA/RNA聚合酶编入核酸后,抑制后续的链增长,从而达到抑制病毒复制的目的。第二类:聚合酶抑制剂;竞争性的与聚合酶结合,使得聚合酶“中毒”,达到抗病毒作用。核苷类抗病毒药物在发挥效用之前需要经过一系列活化(图一),只有三磷酸化后的核苷才是聚合酶的活性底物。

核苷类似物存在着与生俱来的缺陷。主要有两个方面,第一:成药性不佳;核苷类似物通常含有多个羟基、氨基以及酰胺等化学基团,溶解性差、透膜效率低、稳定性欠缺,因而口服生物利用度低。第二:和其他药物相比,一个成功的核苷类似物既要能够被核苷激酶(磷酸化)识别,又要保证能被聚合酶识别,因此对其结构的修饰有很高的要求,因而,前药设计是核苷类药物的重要方向。

图二 前药的分类

根据母体药物释放原理的不同,前药可分为两类,第一类:母体药物与载体通过共价键相连,在体内经生物降解后发挥药效。载体通常是亲脂性的,可以是小分子化合物,如脂肪链、聚乙二醇等,也可以是大分子化合物,如白蛋白和抗体等。第二类:生物前体前药,它是对有效成分进行化学修饰,在生物体内经过一系列酶转化后,释放母体药物,进而发挥药效。

对于核苷类抗病毒药物来说,绝大多数采用了第二种设计策略,即生物前体方案。由于核苷类似物含有多个官能团,如氨基、羟基、羧酸等,结合核苷类药物在体内的代谢特征,如脱氨化、磷酸化、氧化还原等代谢过程,其前药设计策略众多,较为庞杂,以下以糖基修饰、碱基修饰和单磷酸酯三个方面做一简要介绍。

糖基部分设计

图三

糖基部分的前药设计策略主要是在羟基上引入羧基,形成羧酸酯、氨基羧酸酯、碳酸酯等,值得一提的是与氨基酸成酯的方法,比较经典的例子如缬更昔洛韦与伐昔洛韦(图三),它们分别是更昔洛韦和阿昔洛韦的L-缬氨酸前药,经过此前药化设计后,其口服生物利用度比母体药物提高了一个数量级之多!侧链上的L-缬氨酸酯,一方面改善了药物的物理、化学性质,另外一方面,由于缬氨酸的存在,能够被肠道中的多肽转移酶PEPT1和PEPT2所识别,促进了药物的吸收。另外一个比较典型的例子是对抗HIV药齐多夫定的改进,通过对糖基羟甲基进行异亮氨酸酯化(化合物1),大大提高了其血脑屏障透过率。

图四 其他糖基前药设计

除了上述提及的氨基酸化外,也有文献报道如“三甲基锁定”的设计策略,通过引入特殊的酚酯侧链(化合物2),在体内水解后释放母体药物,机理如图四所示。双乙酸酯化后的干昔洛韦3,相比母体药物表现出更佳的生物利用度和溶解性。除此之外,亲脂性的酯类,如油酸、棕榈酸等,由于其含有大的亲脂性烷基链,能够大大改善药物的透膜效率和溶解性,因而常常被引入到一些脂水分布系数较差的药物中,如化合物6。其他设计策略,诸如双前药设计(化合物4)、碳酸酯化设计(化合物5)都能明显的改善药物的生物利用度,部分设计还能降低母体药物的毒性,增强选择性。

碱基部分设计

图五 卡巴韦及其类似物前药设计

与糖基部分的前药设计方案不同的是,碱基部分的前药在体内需要经过氧化还原的过程才能释放母体药物,而糖基前药的活化主要只涉及到水解酶。比较经典的碱基前药设计如阿巴卡韦。它的母体药是卡巴韦。阿巴卡韦在进入细胞内后,首先被腺苷磷酸酶单磷酸化,然后在胞内脱氨酶作用下转变成单磷酸卡巴韦,也有极少部分的阿巴卡韦可以直接在腺苷脱氨酶作用下转化为卡巴韦,但只有不到2%的阿巴卡韦可以直接发生这一转化。总的来说,阿巴卡韦在血浆中的脱氨化效率太低,主要发生在胞内,受到阿巴卡韦的启发,许多类似的化合物被开发出来,如化合物8和化合物9,都是化合物7的碱基前药。

图六 地达诺新的活化

抗HIV药地达诺新(Didanosine)也可以视作为前药。从化学本质上来说,Didanosine属于次黄嘌呤,并不能发挥抗病毒效果,需要经过一系列的活化,其历程如下:首先,在体内单磷酸化,然后在腺苷琥珀酸合成酶作用下得到腺苷琥珀酸,随后经由腺苷琥珀酸裂解酶催化裂解,得到单磷酸腺苷类似物,最后三磷酸化,得到抗病毒活性成分双去氧三磷酸腺苷。

图七 卤代及叠氮化设计

很多核苷类似物由于脂溶性较差,难以透过血脑屏障,因此不能对中枢神经系统的病毒复制起到有效的抑制作用,对此,通过在嘌呤6位引入一些亲脂性基团,如卤素、叠氮以及烷氧基等,改善脂水分布系数,提高血脑屏障透过率,增强治疗效果。此类前药的活化历程如图七所示,卤代及烷氧基取代物在腺苷脱氨酶作用下得到鸟苷或次黄嘌呤类似物,而次黄嘌呤再通过腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶作用,生成腺苷。叠氮化取代则经由P450 NADPH还原酶系统,将叠氮还原为氨基。

图八 黄嘌呤氧化酶活化方式

嘌呤6位除了脱氨酶、腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶、P450还原酶活化外,还可经由黄嘌呤氧化酶活化,如Desiciclovir,在黄嘌呤氧化酶作用下,将其转化成为鸟苷类似物。对于一些单纯的碱基或糖基前药设计仍然不能取得较好效果的化合物,可采用碱基-糖基双前药设计策略,如泛昔洛韦,其母体药物为喷昔洛韦,在体内经由酯酶-黄嘌呤氧化酶活化,经此改进,大大提高了药物的中枢神经系统透过性。

对于碱基部分的前药修饰主要集中对嘌呤碱基上,而且主要是针对嘌呤6位进行,嘧啶碱基的前药化设计相对比较少,在此不展开讨论。

单磷酸前药设计

图九 常见单磷酸前药基团

单磷酸化前药设计是核苷类抗病毒药物非常重要的一种手段,因为核苷类似物需要经过磷酸化后才能发挥药效,对于那些不能被核苷激酶识别或转化效率低的核苷类似物,单磷酸化前药设计往往能有效改善药物的活性以及生物利用度。常见的单磷酸化前药基团如图九所示。

图十 氨基磷酸酯前药

在众多单磷酸化前药设计策略中,最有潜力的非氨基磷酸酯莫属,目前有多个已上市化合物和备选药物采用这一设计策略,最成功的应用实例如索非布韦,其母体药物PSI-6130因为不能被胞苷激酶识别,所以无明显生物活性,采用单磷酸化前药设计方案后,一方面能够改善药物的物理性质,另外一方面,也成功解决了不能被单磷酸化的问题,采用类似策略开发的抗HBV新药Vemlidy目前也已获得FDA批准。氨基磷酸酯类前药的活化如图十所示,首先在酯酶水解下释放游离羧酸,然后自发的分子内酯交换,得到的五元环氨基磷酸酯水解开环,最终在磷酰胺酶的作用下释放单磷酸化的核苷类似物。

图十一

除了氨基磷酸之外,POM和POC前药基团也被成功应用于核苷类似物前药的设计中,最典型的例子如阿德福韦以及替诺福韦,目前作为抗HBV的一线用药,在临床应用中取得非常好的效果。

单磷酸酯前药设计是目前核苷类抗病毒药物中非常有希望的方向,除了上述已经获得FDA批准的药物外,还有如GS-9131、Stampidine、PSI-353661等处于临床研究阶段的新药都采用了这一开发策略,鉴于核苷类药物特殊的作用形式,单磷酸酯化的前药设计方案前景值得期待。

结语

前药化设计是核苷类药物的重要方向,与其他类型的抗病毒药物相比,前药化设计能够极大的改善核苷类似物的物理性质和代谢特征,从而提高生物利用度和降低毒副作用,在新药开发日趋困难的背景下,从已有的分子实体中进行前药化设计,从而获取更佳质量的新药,也不失为一种好的开发策略。

参考文献

1、Mackman R L, Cihlar T. Prodrug Strategies in theDesign of Nucleoside and Nucleotide Antiviral Therapeutics[J]. Annual Reportsin Medicinal Chemistry, 2004: 305-321.

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