藥物傳遞：第二章

有關口服藥物傳遞的生理、生物化學以及化學屏障講解人：彭青青

前言

這一章將集中講解在口服給藥中這類藥物分子要到達作用靶位所必須通過的各種屏障。

阻礙口服藥物遞送的屏障可以分為生理、生化和化學屏障三種。腸粘膜屬于生理屏障，其次，藥物必須通過由各種能降解它的酶組成的生化屏障。藥物分子還必須得優(yōu)化它的理化性質(zhì)以便能滲透過那些屏障。因此在為提高藥物吸收特性時，我們需要考慮這些不同的屏障。

2.2

藥物遞送的生理屏障

2.2.1

細胞旁路通道轉運

2.2.1.1

緊密連接

2.2.1.2黏附連接

2.2.1.3

細胞橋粒2.2.2

細胞通道轉運圖2.1。藥物穿越腸粘膜屏障的路徑圖。路徑A是細胞通道轉運,藥物被動地滲透過細胞膜。路徑B是細胞旁路途徑;藥物通過被動擴散胞間連接處。C通路是藥物轉運子主動運輸?shù)穆肪€。路徑D通過外排泵進行藥物滲透。2.2.1細胞旁路通道轉運

在兩個相鄰細胞之間，胞間連接形成了一個長約80nm位于細胞整個側面的通道，即細胞旁路通道轉運。它可以選擇性地讓分子和細胞通過。細胞間連接：細胞表面可與其他細胞或細胞外基質(zhì)結合的特化區(qū)，可分為以下三種:

(1)緊密連接

(2)粘附連接

(3)橋粒。

2.2.1.1緊密連接

在細胞的最頂端，緊密連接使得兩個相鄰的細胞形成緊密的排列。這種功能被稱之為緊密連接。圖2.2描畫了胞間連接的組成成份。這些并列區(qū)域被稱為“吻”，他們形成了能限制細胞的分支纖維，這種情況可以通過冷凍斷裂后的電子纖維鏡觀察到。

緊密連接能夠使得細胞表面極化，從而使得脂質(zhì)和蛋白質(zhì)不能由細胞膜頂端轉運到基底一側。因此，藥物經(jīng)細胞旁路通道轉運通過胞間連接的作用，主要取決于胞間連接的孔隙大小。

在緊密連接中發(fā)現(xiàn)而來的咬合蛋白和水閘蛋白，它們具有門和柵欄的作用。這兩種蛋白質(zhì)都有四個跨膜域和兩個位于細胞外的環(huán)域，以及位于胞漿內(nèi)的羧基尾。細胞外的環(huán)域在細胞-細胞接觸方面起著關鍵作用。

緊密連接的完整性具有鈣依賴性，去除Ca離子后會引起緊密連接蛋白的重排，還可能會使得E-鈣粘蛋白相互之間的作用發(fā)生紊亂。許多細胞因子和生長因子能夠減少緊密連接的屏障作用。

2.2.1.2黏附連接

緊接著細胞連接下面的區(qū)域，是負責細胞-細胞間粘附的黏附連接。研究人員已經(jīng)證明在這個區(qū)域鈣黏蛋白相互作用的優(yōu)先形式，將決定緊密連接的方式。

位于粘附連接的細胞之間的粘連受到E-鈣粘蛋白的控制。E-鈣粘蛋白是一個120kd的糖蛋白，具有鈣依賴性的分子，同型間可以相互作用，由以下三個領域構成：一個細胞外域，一個單一的膜域以及胞質(zhì)域。

細胞外域由110個氨基酸構成，稱為EC1-EC5。E-鈣粘蛋白的高度同源的胞質(zhì)域?qū)τ谡尺B是非常必要的。胞漿域與連接鈣粘蛋白和肌動蛋白骨架的a-連環(huán)蛋白和b-連環(huán)蛋白相互作用。

2.2.1.3細胞橋粒

橋粒是細胞旁路通道轉運的最后一個區(qū)域，緊接著腸上皮細胞的基底側的膜表面上。研究表明:中間纖維通過不溶性血小板連接到橋粒上，橋粒糖蛋白是位于這個區(qū)域主要的橋粒鈣蛋白。橋粒膠蛋白是第二種橋粒鈣粘蛋白。這一區(qū)域?qū)毎月返牡呢暙I弱于緊密連接和粘附連接。2.3藥物遞送的生物化學屏障

由于抑制、誘導、遺傳多樣性、甚至疾病狀態(tài)所帶來的酶活性的差異，會使得在眾多的個體反應中的藥物代謝也有所差異。腸內(nèi)酶有兩個來源，哺乳動物和相關細菌。哺乳動物的酶主要位于消化道腔和腸上細胞中?；啬c和結腸內(nèi)有來源于微生物的酶，本章所講述的主要是關于哺乳動物的酶降解。2.3藥物遞送的生物化學屏障 2.3.1代謝酶 2.3.2轉運蛋白和外排泵2.3.3對腸內(nèi)代謝活性的影響2.3.1代謝酶（1）在胃腔內(nèi)，多肽藥物會遇到第一道屏障，即鹽酸和胃蛋白酶的混合物。酸性蛋白的水解反應發(fā)生在2~5pH值，這是帶有天冬氨酸殘留基的多肽類特有的性質(zhì)，大分子蛋白質(zhì)很容易受到胃蛋白水解酶的影響,而較小的蛋白質(zhì)則不會。（2）位于十二指腸，胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰肽酶E以及羧肽酶A和B，PH值為8時這些酶的活性最高。十二指腸內(nèi)的這些酶在10min內(nèi)能將30%-40%的大蛋白降解成小肽。而小肽對胰蛋白酶比較穩(wěn)定。（3）小腸近端的表面積很大，且腸酶和轉運蛋白很多，其代謝活性也最強。主要為I相酶（I相酶屬于CYP超家族，即P450酶）和II相酶（耦合酶），胃腸道內(nèi)各酶的活性不同。

a、P450酶在胃腸道近端活性最強，在遠端活性降低?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)P450酶在腸上和腸中間靠下部分的絨毛頂端濃度最大。

P450酶在肝臟中也有，雖然腸內(nèi)P450酶濃度比肝大約低20倍，但藥物代謝活性與肝相近。

腸的P450酶比肝中相應的酶更易被誘導。這是因為雖然腸的血流量低于肝，但絨毛頂端表面積很大，酶易和底物接觸，并且廣泛進行代謝。腸內(nèi)P450酶的亞屬：CYP1、CYP2、CYP3，主要參與外源化合物代謝，且每個亞屬的不同同工酶有專屬藥物底物。人體分離得到的有CYP1A1、CYP2C、CYP2D6和CYP3A4。CYP2D6有很多變形體，其特性很難掌握。CYP3A4是腸內(nèi)最多的P450酶，占腸CYP的70%多。

文獻表明腸和肝臟CYP酶結構相似，但彼此不受干擾。已證明食物可調(diào)節(jié)腸內(nèi)CYP酶活性。葡萄柚汁能抑制CYP3A，而烤肉和熏制食物可誘導CYP1A1活性。這些酶存在的個體差異造成肽類藥物不同的降解。b、在腸內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了耦合酶，又為II相代謝因子。葡萄糖醛酸酶、N-乙酰化酶、磺?；负凸入赘孰?S-轉移酶都有較高的腸II相酶活性。

（4）酶代謝活性

酶屏障主要在刷狀邊緣和腸上皮細胞胞漿中，其中都有肽酶。它們可降解二肽到四肽。刷狀邊緣內(nèi)肽酶活性從十二指腸上端到回腸下端有所增加。其底物首選三肽，而胞漿蛋白酶的底物是二肽。

有證據(jù)證明代謝酶活性沿著小腸到結腸逐漸降低，直至最后活性幾乎可忽略。不過結腸上皮細胞仍保持一定滲透性。這為肽類藥物通過靶向結腸，繞過腸內(nèi)屏障阻止腸內(nèi)降解，并為其進行吸收提供了可能。2.3.2轉運子和外排泵（1）a、

大多數(shù)轉運子位于頂端細胞膜內(nèi)，但研究人員隨后發(fā)現(xiàn)有些轉運子只存在基底端膜。

PepT1，一種頂端H+/二肽轉運子，在絨毛頂端數(shù)量最多，且濃度從十二指腸到回腸逐漸增加，饑餓條件下此轉運子表達增強。

PepT2，作為一種底端H+/二肽轉運子使底物離開腸上皮細胞。b、主動轉運子特性：它的底物一般為二肽或三肽。后者以載體接導和PH值依賴的方式穿過刷狀邊緣膜。逆濃度梯度將肽轉運到細胞內(nèi)需要能量，且載體可被飽和。

（2）外排泵：P-糖蛋白（P-gp），被認為是一種多藥耐藥相關蛋白，其外排泵功能已經(jīng)為人們所知。

P-gp位于腸絨毛頂端刷狀邊緣，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)遍布小腸和大腸。P-gp濃度從胃到結腸逐漸增加。P-gp底物范圍很廣，并且在不同腸部位的親和性不同。底物的共同特點是疏水性，外排泵通過將藥物反排到腸腔內(nèi)，使代謝酶再次作用于藥物，同時通過清除已形成的主要代謝物防止產(chǎn)物抑制作用。2.3.3對腸內(nèi)代謝活性的影響藥物在腸內(nèi)的代謝活性有路徑依賴性，其中口服給藥的代謝高于靜脈注射給藥。因此腸代謝在藥物吸收透過腸屏障時就開始，并且當吸收的藥物再次到腸時，代謝水平較低。

代謝的路徑依賴性主要和藥物在腸上皮細胞內(nèi)滯留時間有關。滯留時間隨著藥物在胞漿內(nèi)被結合，外排泵作用小和血流量減少而延長。另一方面，通過基底端的清除和轉運蛋白作用，作用時間減少。2.4藥物遞送的化學屏障

藥物化學結構決定其溶解性和滲透性，藥物吸收速率和吸收程度取決于腸腔中藥物濃度和藥物的腸粘膜滲透性。限制肽和肽類似物口服吸收的主要因素是其不合適的物理化學性質(zhì)。本節(jié)將討論，影響肽滲透的結構因素。2.4藥物遞送的化學屏障 2.4.1氫鍵的形成能力 2.4.2物化性質(zhì) 2.4.1氫鍵的形成能力

氫鍵的的形成能力是影響滲透的重要因素。體內(nèi)研究及血腦屏障和腸粘膜的各種細胞培養(yǎng)模型研究表明，去溶劑化作用或者氫鍵形成能力可調(diào)節(jié)肽滲透性。肽分子中極性的酰胺基團去溶劑化，能使肽進入并跨越細胞膜。這一過程需要能量參與，也是氫鍵形成能力的根本提現(xiàn)。2.4.2物化性質(zhì)

肽的物理性質(zhì)化學性質(zhì)也是藥物通過細胞旁路的決定因素。如分子大小、親水性和電荷會影響細胞旁滲透。

當分子半徑大于1.1nm，則不能從緊密連接處滲透,Caco-2細胞研究證明藥物的細胞旁路滲透性依賴于分子大小。

這也是細胞連接過濾功能的體現(xiàn)。

肽的親水性發(fā)生變話可能改變其滲透路徑。如肽親水性降低，親脂性增加，則使肽滲透從細胞旁路轉變成跨越細胞途徑;

盡管已知細胞旁路呈負電性，但電荷對細胞旁路滲透的影響仍不十分清楚。一項研究表明帶凈正電荷的肽的細胞旁滲透最好，而另一項研究卻表明細胞旁轉運時-1價或-2價最有效。同時該文獻表明隨肽分子尺度增大，電荷的影響可以忽略。2.5增強藥物跨生物屏障轉運的藥物修飾

已有幾種方法可增強藥物通過生物屏障的滲透。一種方法是藥物結構修飾的化學修飾，如前藥和肽擬似物；另一種是設計能增強藥物生物屏障滲透的處方。2.5增強藥物跨生物屏障轉運的藥物修飾2.5.1前體藥物和構型的修飾2.5.2處方2.5.1前體藥物和構型的修飾

前藥作為藥物優(yōu)化方法早已有應用。前藥本身是無藥理活性的化學衍生物，但能在體內(nèi)轉化為活性藥物。最近已有將前藥靶向于膜轉運蛋白或酶的靶向前藥設計。這種方法可增強口服藥物吸收或組織特異性藥物傳遞。在對目標轉運子的靶向研究之前，還需了解其結構、生物屏障內(nèi)的分布及底物特異性。

另外環(huán)狀前藥的親脂性增加，其轉運從細胞旁路變?yōu)榭缂毎緩健?jù)報道，環(huán)狀肽對氨基和羧基肽酶的敏感性比線性肽分子低，因為前者的氨基和羧基因被保護而不受到這些酶的進攻。

前藥方法對于小分子很成功；但應用作為肽前藥還較少。已證明制備環(huán)狀肽的前藥方法能提高膜滲透性。該方法將肽N端和C端通過一個連接基形成環(huán)狀肽。此連接基能被酯酶水解而釋放肽。環(huán)狀前藥的形成，增強了分子內(nèi)氫鍵并降低了水分子作為溶劑時的氫鍵結合能力。

用結構修飾方法提高肽的膜滲透性已有應用?？诜胀緩街懈鲄^(qū)域均可能發(fā)生肽類藥物代謝，因此抑制降解有利于提高藥物傳遞。將肽轉化形成肽擬似物可提高酶穩(wěn)定性，其中肽鍵被轉化成對蛋白水解酶穩(wěn)定的生物電子等排體。其他提高膜滲透性的結構修飾方法包括：脂質(zhì)衍生化、糖基化、陽離子化和聚合物耦合。2.5.2處方

設計和優(yōu)化處方可提高肽吸收，具體方法包括添加緊密連接擾亂劑如細胞骨架劑、氧化劑、激素、鈣螯合劑和細胞毒素的處方也能提高藥物滲透。有一種新型傳遞系統(tǒng)，應用