前藥設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用

1、前藥設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用 前藥是藥物分子的生物可逆的衍生物，在體內(nèi)經(jīng)酶或化學(xué)作用釋放具有活性的原藥，從而發(fā)揮預(yù)期的藥理作用。在藥物的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展過(guò)程中，前藥已經(jīng)成為一種確切的改善原藥理化性質(zhì)、生物 藥劑學(xué)性質(zhì)及藥物代謝動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的手段。目前在世界范圍內(nèi)批準(zhǔn)上市的藥品中有5%7%可以歸類為前藥，并且在新藥研究的早期前藥這一理念也越來(lái)越受到重視。 前藥是一類通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾將原來(lái)藥物分子中的活性基 團(tuán)封閉起來(lái)而導(dǎo)致本身沒(méi)有活性，但在體內(nèi)可代謝成為具有 生物活性的藥物1。前藥原理在藥物設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛,不僅可對(duì)經(jīng)典的含羧基、羥基、氨基藥物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾制成酯、羧酸酯、氨基酸酯、酰胺、磷酸酯等類型的前藥,還可制成偶氮

2、型前藥、曼尼希堿型前藥、一氧化氮型前藥及開(kāi)環(huán)、閉環(huán)等新型結(jié)構(gòu)的前藥,既保持或增強(qiáng)了原藥的藥效,又克服了原藥的某些缺點(diǎn)。1. 前藥設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)修飾類型1.1 酯類前藥 含有羧基、羥基和巰基的藥物成酯在前藥的應(yīng)用中是最廣泛的，將近49%的上市藥物在體內(nèi)是通過(guò)酶的水解來(lái)激活的。酯類前藥主要是用來(lái)提高藥物的脂溶性和被動(dòng)的膜滲透能力，通常通過(guò)掩蔽水溶性藥物的極性基團(tuán)來(lái) 達(dá)到的。在體內(nèi)，酯鍵可以很容易的被血液、肝臟以及其他器官和組織中普遍存在的酯酶水解掉。 目前臨床上有許多烷基或芳基酯類前藥在應(yīng)用，其中- 內(nèi)酰胺類抗生素匹氨西林（Pivampicillin）就是一個(gè)成功的例子2。氨芐青霉素是耐酸、廣譜、半合

3、成青霉素,可以口服, 但是口服吸收差, 血藥濃度只有注射給藥的20%40% 。分析結(jié)構(gòu)表明, 氨卡青霉素分子中的 C2 羧基與 C6 側(cè)鏈氨基在胃內(nèi)pH 情況下解離為兩性離子，將羧基形成簡(jiǎn)單的脂肪。芳香酯類不夠活潑, 在體內(nèi)酶促分解成原藥的速度很慢, 將其設(shè)計(jì)成雙酯型前藥, 末端酯鍵位阻較小, 易于發(fā)生酶促斷裂, 生成的羥甲酯不穩(wěn)定, 自動(dòng)分解, 釋放出甲醛和氨芐青霉素, 產(chǎn)生藥效, 生物利用度提高 35 倍, 口服幾乎定量吸收(98% 99% )。1.2 磷酸酯 / 磷酸鹽類前藥 含有羥基和氨基的藥物磷酸酯類前藥主要是針對(duì)含有羥基和氨基的水溶性差的藥物而設(shè)計(jì)的，目的是提高它們的水溶性來(lái)得到更

4、好的口服給藥效果。磷酸酯類前藥表現(xiàn)出很好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)在體內(nèi)可以通過(guò)小腸和肝臟中的磷酸酯酶快速的轉(zhuǎn)化為原藥3。 磷苯妥英鈉（fosphenytoin sodium 為抗癲癇藥苯妥英（phenytoin）的胃腸外使用的有效前藥, 其水溶性和穩(wěn)定性較原藥都有很大提高。由于苯妥英的水溶性很低(24 g·mL- 1 ) ,很難有效給藥，因此開(kāi)發(fā)了其前藥磷苯妥英鈉。該藥可在血紅細(xì)胞、肝和許多其他組織中的堿性磷酸酯酶的作用下，迅速而完全的轉(zhuǎn)變?yōu)楸酵子?。由于該藥極性增加, 使其水溶性增 加( 140 mg·mL- 1 )，可制成 50 mg·mL- 1穩(wěn)定的混合水溶液通過(guò)靜

5、脈注射或肌內(nèi)注射途徑給藥, 克服了苯妥英臨床應(yīng)用帶來(lái)的不良反應(yīng)并消除了苯妥英的藥物相互作用4。1.3 碳酸酯類與氨基甲酸酯類前藥 含有羧基、羥基和氨基的藥物碳酸酯與氨基甲酸酯類化合物與對(duì)應(yīng)的酯相比對(duì) 酶的穩(wěn)定性更好，碳酸酯是羧基與醇基的衍生物，氨基甲酸酯是羧基與氨基的衍生物。大部分碳酸酯類和氨基甲酸酯類前藥需要酯酶的參與來(lái)釋放原藥。 伊立替康（Irinotecan，CPT- 11）是親脂性抗腫瘤藥物拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制劑喜樹堿的水溶性氨基甲酸酯類前藥，它代表了一類能夠增加水溶性的可電離的藥物前體5。在分子中，二哌啶基通過(guò)氨基酸甲酯與喜樹堿的酚羥基相連，主要通過(guò)羧 酸酯酶在肝臟內(nèi)轉(zhuǎn)化為喜樹堿。二者均在

6、體內(nèi)以兩種形式存在 - - 內(nèi)酯環(huán)和羧酸酯（內(nèi)酯環(huán)開(kāi)環(huán)），其中內(nèi)酯環(huán)為活性形式，該兩種形式處于pH 依賴的平衡中。靜脈注射伊立替康，喜樹堿 Tmax 可以達(dá)到 2.3h，且前藥的毒性劑量范圍沒(méi)有改變。1.4 酰胺類前藥 含有羧基和氨基的藥物酰胺是羧基與氨基的衍生物，但是，酰胺類前藥的應(yīng)用十分有限，主要是因?yàn)槠湓隗w內(nèi)具有相對(duì)較高的酶穩(wěn)定性。酰胺鍵可以被體內(nèi)的羧 酸酯酶、多肽酶和蛋白酶水解。引入酰胺鍵通常是為了提高口服吸收度，這主要是通過(guò)合成小腸攝取轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 desglymidodrine(DMAE)是治療體位性低血壓的選擇性的1 受體激動(dòng)劑，DMAE的生物利用度只有50%。在DMA

7、E的氨基上引入甘氨酸基團(tuán)制成它的前藥米多君 （midodrine），由于米多君是hPEPT1的底物，經(jīng)由hPEPT1介導(dǎo)的轉(zhuǎn)運(yùn)可以提高生物利用度達(dá)到93%。前藥米多君經(jīng)吸收后主要在肝臟以及體循環(huán)中由未知的多肽酶轉(zhuǎn)化為活性藥物6。1.5 肟類前藥 含有羰基、脒基和胍基的藥物肟（例如酮 肟、氨肟和胍肟）是羰基、脒基和胍基的衍生物，這就為缺少羥基、氨基或者羧基的化合物修飾提供了機(jī)會(huì)。肟可以被微粒體中的細(xì)胞色素P450 酶水解。肟，尤其是強(qiáng)堿性的脒基和胍基的肟，可以提高原藥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劑，但由于它是一個(gè)兩性離子，口服生物利用度只有

8、3%7%， 因此研制出他的雙重前藥 Ximelagatran，在美拉加群羧基末端添加一個(gè)乙基酯，脒基末端生成一個(gè)肟基 26。釋放原藥美拉加群需要兩步代謝反應(yīng)，大部分氮肟在肝臟內(nèi)被細(xì)胞色素P450 還原為脒，還有一部分發(fā)生在小腸。乙基酯在在肝臟內(nèi)由羧酸酯酶水解為自由的羧基。imelagatran 的口服生物利用 度比美拉加群提高了20%7。2. 前藥策略的應(yīng)用2.1 提高藥物的吸收度 導(dǎo)致一個(gè)潛力藥物的口服吸收度不 好的原因有很多，包括水溶性差、滲透能力低、是P糖蛋白的底物、在肝臟代謝過(guò)于迅速等等。這里主要討論一些常用的 提高口服藥物吸收度的前藥策略，包括提高藥物的水溶性、脂溶性以及利用載體介導(dǎo)

9、的吸收。2.1.1 提高藥物的水溶性 通過(guò)組合篩選得到的候選藥物中有將近 40%的藥物水溶性很差，低于10M。有時(shí)利用常規(guī)的制劑技術(shù)，比如說(shuō)成鹽、粒子粉碎、添加增溶劑、生成絡(luò)合物等，也不能得到令人滿意的效果。這時(shí)前藥策略就為水溶性差的藥物提供了一個(gè)可選擇的方案。2.1.2 提高藥物的脂溶性 某些藥物分子含有極性或者可電離的基團(tuán)，這勢(shì)必會(huì)影響到其口服生物利用度。此時(shí)可以利用前藥策略對(duì)這些基團(tuán)進(jìn)行修飾增加藥物的脂溶性，從而提高膜穿透能力以及口服吸收度。2.1.3 載體介導(dǎo)的吸收 一類前藥是以特殊的膜轉(zhuǎn)運(yùn)體為靶點(diǎn)，其設(shè)計(jì)原理是在原藥上接上特定結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，使其能夠被小腸上皮組織上的內(nèi)源性轉(zhuǎn)運(yùn)體識(shí)8。此

10、類前藥設(shè)計(jì)對(duì)于含 極性基團(tuán)或者帶電荷的藥物是十分重要的。對(duì)于這一類前藥設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，多肽轉(zhuǎn)運(yùn)體是個(gè)理想的靶點(diǎn)：小腸中分布廣泛，轉(zhuǎn) 運(yùn)能力足夠高以及底物特異性的選擇余地大。伐昔洛韋 (valacyclovir)和纈更昔洛韋(valganciclovir)就是兩個(gè)很好的例子。將他們制成氨基酸類前藥，其小腸透過(guò)能力提高了310 倍；而且其轉(zhuǎn)運(yùn)基本上是由小腸上皮細(xì)胞表達(dá)的二肽和三肽轉(zhuǎn)運(yùn)體（hPEPT1）來(lái)介導(dǎo)的9?？缒まD(zhuǎn)運(yùn)之后，兩個(gè)前藥都很快的通過(guò)小腸內(nèi)的水解作用分別轉(zhuǎn)化為前藥。2.2 靶向給藥 給藥的最終極目的就是能夠做到靶向性，前藥策略就可以做到。靶向選擇性主要是通過(guò)4種途徑實(shí)現(xiàn)的：在器官內(nèi)的被動(dòng)富集

11、；轉(zhuǎn)運(yùn)體介導(dǎo)給藥；酶得選擇性代謝激活；抗原靶向作用10。2.2.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）靶向給藥 在臨床上由于血腦屏障 blood- brain barrier (BBB)的存在使得CNS給藥變得十分困難，但是通過(guò)了解血腦屏障的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制以及酶活性，可以實(shí)現(xiàn)CNS的大量給藥（相對(duì)其他部位）。多巴胺的前藥左旋多巴是BBB上中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體（LAT1）的底物11，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入腦組織后立刻轉(zhuǎn)化為親水性的原藥多巴胺，因此不能跨越BBB，增加了腦內(nèi)藥物濃度提高了藥效。2.2.3 肝臟靶向給藥 在所有的器官中，肝臟是最具有靶向給藥潛力的 - - 作為代謝器官，肝臟具有多種肝臟特異性代謝酶。用于治療高膽固醇

12、血癥的辛伐他汀（Simvastatin）和洛伐他?。╨ovastatin）是3- 羥基 - 3- 甲基戊二酰輔酶A還原酶抑制劑的生物前體藥物。辛伐他汀和洛伐他汀以疏水的內(nèi)酯形式給藥，在肝臟內(nèi)經(jīng) CYP450 酶轉(zhuǎn)化為活性的羥基形式12。研究發(fā)現(xiàn)，脂溶性的辛伐他汀和洛伐他汀能夠被胃腸道很好的 吸收并通過(guò)一種轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制在肝臟內(nèi)富集。2.3 延長(zhǎng)藥物的作用時(shí)間 將許多類固醇（例如睪酮，19- 去 甲睪酮）和安定藥（例如氟奮乃靜，三氟噻醇，氟哌啶醇）制成其高親脂性前藥，肌肉注射后可以緩慢釋放到體循環(huán)中從而 延長(zhǎng)了藥物作用時(shí)間13，且前藥自注射部位釋放出來(lái)后通?？梢院芸斓霓D(zhuǎn)化為原藥。例如：注射氟奮乃靜的癸

13、酸酯后，通常在 2472h 開(kāi)始起效，藥效平均可以維持34周14。3. 展望 在藥物設(shè)計(jì)中前藥策略已經(jīng)成為一種用途廣泛的有效手段，其范圍可以延伸到許多種母體藥物分子的給藥途徑和給藥形式中。必須指出的是，準(zhǔn)確分析原藥的性質(zhì)以及選擇合適的修飾基團(tuán)對(duì)于成功的前藥策略來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。目前臨床上大部分的前藥是通過(guò)提高原藥的脂溶性來(lái)增強(qiáng)藥物的滲透能力，最近多用來(lái)提高藥物的水溶性。然而對(duì)于前藥人們還是有許多未滿足的需求，例如目前上市的前藥中很少有針對(duì)抗腫瘤藥物的，至于針對(duì)腫瘤靶向給藥減少毒副作用的抗癌藥更是少之又少。 總體來(lái)說(shuō)，隨著被批準(zhǔn)上市的前藥數(shù)目的增長(zhǎng)，前藥策略已經(jīng)成為藥物設(shè)計(jì)以及代謝過(guò)程中不可或缺

14、的一部分。期望各個(gè)學(xué)科的研究團(tuán)隊(duì)可以在藥物發(fā)現(xiàn)的早期合理應(yīng)用前藥策略，這將使我們可以針對(duì)一些類藥性高的候選化合物來(lái)進(jìn)行后續(xù)研究。參考文獻(xiàn)1徐文方.新藥設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā).科學(xué)出版社，2001 : 621.2王淑月, 王洪亮. 前藥原理與新藥設(shè)計(jì). 河 北 工 業(yè) 科 技 ， 2003,70，54-573Heimbach, T, Fleisher D. & Kaddoumi, A. In Prodrugs:Challenges and Rewards. Part 1 (eds. Stella, V. et al.) AAPS Press/Springer, New York, 2007:155-

15、212.4Joan B , Tomas R , Josep D , et al . Synthesis of water -soluble phenytoin prodrugs.Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters, 1999,9:1859-18625Bencharit, S. et al. Structural insights into CPT -11activation by mammalian carboxylesterases. NatureStruct. Biol,2002,9:337-342 .6Steffansen, B. e

16、t al. Intestinal solute carriers: anoverview of trends and strategies for improving oraldrug absorption. Eur. J. Pharm. Sci, 2004,21: 3-16.7Clement, B. & Lopian, K. Characterization of in vitro biotransforma tion of new, orally active, direct thrombin inhibitor ximelagatran, an amidoxime and est

17、er prodrug. Drug Metab. Dispos,2003,31:645 - 651.8Gallant, J. E. & Deresinski, S. Tenofovir disoproxilfumarate. Clin. Infect. Dis,2003,37:944-950.9Sugawara M,et al. Transport of valganciclovir, a ganciclovir pro drug, via peptide transporters PEPT1 and PEPT2. J. Pharm. Sci, 2000,89:781-789.10Ett

18、mayer P,Amidon G. L, Clement B. & Testa B.Lessons learned from marketed and investigational prodrugs. J. Med. Chem, 2004,47:2393-240411Nutt J. G. & Woodward W. R. Levodopa pharmacokinetics and pharmacodynamics in fluctuating parkinsonian patients. Neurolo gy,1986,36:739-744.12Shitara Y. & Sugiyama Y. Pharmacokinetic and pharmacodynamic alte