先導化合物結構優化策略 (一)改變代謝途徑提高代謝穩定性

先導化合物結構優化策略 (一)改變代謝途徑提高代謝穩定性

Lead compound optimization strategy (1) —— changing metabolic pathways and optimizing metabolism stability

作者

王江, 柳紅

中國科學院上海藥物研究所, 新葯研究國家重點實驗室

摘要

先導化合物結構優化是新葯研發的關鍵環節。通過改變先導化合物的代謝途徑可以改善化合物的葯代動力學特性, 延長藥物在體內的作用時間, 增強代謝穩定性, 提高生物利用度。

本文主要綜述了通過改變代謝途徑提高代謝穩定性的先導化合物結構優化策略, 包括封閉代謝位點、降低脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前葯等。

正文

新葯研發包括苗頭化合物的發現、先導化合物的結構優化、候選藥物的臨床評價等一系列藥物研究開發過程。在藥物發現過程中, 經常遇到先導化合物類藥性差、藥物代謝動力學特性不佳、毒副作用等問題, 為了提高先導化合物的成藥性, 加速新葯研發的進程, 對先導化合物進行結構優化已經成為目前新葯研發的關鍵環節。

代謝穩定性一般用來描述化合物代謝的速度和程度, 是決定藥物小分子生物利用度的一個重要因素, 是影響葯代動力學性質的主要因素之一。據上世紀90 年代的統計數據表明, 新葯研發失敗的40% 是由於化合物的葯代動力學性質不良造成的。

代謝穩定性差是藥物發現過程中經常遇到的問題, 有效提高先導化合物的代謝穩定性具有重要的研究意義。通過對先導化合物進行結構優化,改變其主要的代謝途徑能夠有效地提高化合物的代謝穩定性、延長藥物在體內的作用時間、增加體內的暴露量、降低化合物的清除率、提高生物利用度, 進而優化其藥物代謝動力學特性。

本文主要綜述了通過改變主要代謝途徑提高代謝穩定性的先導化合物結構優化策略, 包括: 封閉代謝位點、降低化合物的脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前葯修飾等。通過這些先導化合物的結構修飾策略, 能夠顯著地提高先導化合物的代謝穩定性, 為開發I 類新葯提供理論指導和實踐經驗。

I 相代謝與II 相代謝

1.1 藥物的I 相代謝與II 相代謝

藥物從體內消除主要有兩種方式, 即代謝和排泄。代謝是大部分藥物從體內消除的主要方式。藥物代謝反應分為兩相代謝: I 相 (Phase I) 代謝是對化合物分子結構的代謝反應, 包括氧化反應、水解反應和還原反應; II 相 (Phase II) 代謝是化合物或其代謝物與極性基團進行結合反應, 包括谷胱甘肽結合反應、磺酸化反應、乙醯化反應和葡萄糖醛酸化反應等(圖1)。

化合物通過I 相代謝和II 相代謝, 將脂溶性的化合物轉化為極性更強、水溶性更好的化合物, 通過膽汁和尿排出體外。

1.2 針對I 相代謝與II 相代謝的結構優化策略

通過預測先導化合物的代謝位點, 改變其代謝途徑進而優化葯代動力學特性, 已經成為目前先導化合物結構優化的重要研究策略。

I 相代謝反應包括兩個重要特點: ① 化合物與代謝酶的結合; ② 化合物分子中特定結構的反應活性。通過改變與代謝酶活性位點結合的活性片段以及規避易與I 相代謝酶發生活化反應的結構片段, 能夠有效地降低化合物的I 相代謝活性, 增強其代謝穩定性。

主要包括: 引入氟原子、氯原子以及其他基團封閉代謝位點、降低脂溶性、改變環的大小、成環修飾、骨架遷越、生物電子等排和前葯修飾。

除此之外, 通過引入吸電子基團和空間位阻、生物電子等排、前葯修飾等結構優化策略, 也能有效地降低化合物與極性基團進行結合反應, 從而阻斷II 相代謝, 提高先導化合物的代謝穩定。

化學修飾在提高代謝穩定性中的應用

為了提高化合物I 相代謝和II 相代謝的代謝穩定性, 針對其代謝特點, 開發出一系列通過改變主要代謝途徑的先導化合物結構優化策略, 主要包括: 封閉代謝位點、降低化合物的脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前葯修飾等。

2.1 封閉代謝位點

根據葯代動力學的研究結果, 封閉藥物代謝位點可以延緩藥物的消除速率。如在苯環引入氟原子取代基, 可以封閉苯環羥基化的代謝位點、阻斷羥基代謝產物的生成、改變化合物的代謝途徑, 延長藥物在體內的作用時間。

封閉代謝位點是提高先導化合物代謝穩定性最重要的結構改造策略之一。親脂性化合物苯環對位的氫原子易被肝臟中的P450 酶氧化得到4-羥基代謝產物, 該產物隨即與體內的葡萄糖醛酸結合轉化為極性更強、水溶性更好的化合物, 通過膽汁和尿排出體外, 是大多數化合物的主要代謝途徑。

通過在苯環的對位引入氟、氯、氰基等基團封閉此代謝位點, 改變該類化合物的主要代謝途徑, 能夠有效地提高先導化合物的代謝穩定性 (圖2)。

如膽固醇吸收酶抑製劑依澤替米貝 (ezetimibe, 1) 的研究發現, 依澤替米貝的前體藥物SCH48461 含有多個氧化和去甲基化代謝位點, 具有代謝消除速率快、生物利用度低等缺點,通過在先導化合物的苯環上引入氟原子, 封閉氧化代謝位點, 在提高活性的同時增強藥物的代謝穩定性; 又如將COX-2 抑製劑塞來昔布 (celecoxib, 2)的甲基替換為氟原子, 封閉代謝位點, 延長了藥物在體內的作用時間 (圖3)。

2.1.1 引入氟原子封閉代謝位點

由於 C-F 鍵的鍵能 (487 kJ·mol^-1) 比C-H 鍵的鍵能 (420 kJ·mol高, 因此, 氟原子是最常用的封閉基團。在藥物設計中, 通常在小分子化合物中引入氟原子取代, 對易氧化代謝的位點進行封閉, 選擇性地阻止氧化代謝的發生, 進而提高化合物的代謝穩定性, 延長藥物在體內的作用時間。₅₀= 0.025 μmol·L), 具有抗焦慮作用。CYP3A4 是其主要代謝酶, 該化合物的主要代謝途徑包括嘧啶環5-位的芳香羥基化以及呱嗪環右側亞甲基的N-去烷基化 (圖4)。

由於嘧啶環5-位可被CYP3A4 氧化羥基化, 因此, 該化合物在體外與CYP3A4 酶孵化的半衰期較短 (t_1/2= 4.6 min), 通過在嘧啶環的5-位引入氟原子, 在佔據其代謝位點的同時降低了嘧啶環的電子雲密度, 使化合物4 和6 在體外與CYP3A4 酶孵化的半衰期分別提高了10 倍和3.8 倍, 延長到52.3 和14.8 min, 其5-HT_1A受體激動₅₀= 0.063 μmol·L^-1和6, EC0.046 μmol·L^-1) (表1)。

2.1.2 引入氯原子封閉代謝位點

除了在易代謝位點引入氟原子之外, 研究人員還引入氯原子作為封閉基團, 提高代謝穩定性。甲苯磺丁脲 (tolbutamide, 7)是目前廣泛使用的磺醯脲類抗糖尿病藥物,但是該化合物半衰期短, 只有5.9 h, 每天需要服用3 次,降低了糖尿病患者服藥的依從性。

將甲苯磺丁脲的甲基替換為氯原子, 得到氯磺丙脲 (chlorpropamide, 8),降低了該化合物的清除率, 其半衰期延長到33 h, 每天僅需給葯1 次, 大大改善了糖尿病患者服藥的依從性 (圖5)。

2.1.3 引入其他基團封閉代謝位點

除了引入氟原子和氯原子, 還可以引入其他基團封閉代謝位點, 提高化合物的代謝穩定性。化合物9 具有較強的CCR5拮抗活性 (K_i= 66 nmol·L^-1), 但是該化合物的苄亞甲量 (AUC) 較低, 僅為0.04 h·μg·mL為了有效地提高化合物9 的代謝穩定性, 在亞甲基位點引入次甲基結構 (化合物10), 其CCR5 拮抗活性提高了8 倍(K= 8 nmol·L^-1), 體內暴露量增加了近15 倍; 當引入肟類結構片段時 (化合物11), 其CCR5 拮抗活性(Ki = 11 nmol·L^-1) 提高的同時, 體內暴露量提高50倍, 達到2.1 h·μg·mL^-1(圖6)。

在酚羥基的鄰位引入氰基, 也將減少化合物與葡萄糖醛酸的結合, 增強代謝穩定性。胰高血糖素受體拮抗劑是近年來糖尿病治療藥物研究的熱點之一。輝瑞公司研發的醯肼類胰高血糖素受體拮抗劑(化合物12) 具有較強的受體結合活性 (230 nmol·L^-1),得該類化合物代謝清除率高 (225 pmol·min^-1·mg^-1)。

研發人員在苯環3-位引入F、Cl、氰基等取代基對該類化合物進行結構修飾, 均能有效地降低酚羥基與葡萄糖醛酸結合, 減緩該類化合物的代謝清除率, 提高與受體的結合活性(圖6)。

採用氘封閉代謝位點, 也是提高化合物代謝穩定性的重要結構改造策略之一。氘是氫的一種穩定形態同位素, 由於C-D 鍵比C-H 鍵穩定6～10 倍, 使得C-D鍵難以斷裂, 這種現象被稱為動力學同位素效應(kinetic isotope effect, KIE)。利用氘的動力學同位素效應, 可以有效地阻斷小分子的代謝位點, 延長藥物在體內的作用時間, 增加其代謝穩定性。

帕羅西汀(paroxetine, 19) 是一種選擇性血清素再吸收抑製劑(SSRI) 型的抗抑鬱葯, 臨床上常用於抑鬱症和強迫症的治療。但是該藥物在體內經CYP2D6 氧化代謝得到的代謝產物與CYP2D6 形成不可逆複合物, 具有潛在的藥物?藥物相互作用。

將帕羅西汀的活性代謝位點亞甲基採用氘代的結構改造策略, 得到化合物CTP-347 (20), 該化合物目前處於臨床I 期研究階段, 用於治療絕經期潮紅。氘原子的引入, 封閉了帕羅西汀的代謝位點, 改變了帕羅西汀的代謝途徑, 減少了活性代謝產物的生成, 降低了對CYP2D6 的抑製作用, 增強了其在體內的代謝穩定性 (圖6)。

2.2 降低脂溶性

體內的大多數代謝酶都具有與親脂性基團相結合的活性口袋, 通過降低化合物的親脂性能減弱化合物與代謝酶的結合活性, 延緩化合物的體內代謝,改善代謝穩定性。

化合物21 具有較強的醛固酮合成酶抑製活性,但是該化合物中的異丁基結構片段在體內代謝酶的作用下會迅速代謝失活, 其人肝微粒體中的半衰期僅為6 min。

對異丁基進行結構改造, 降低化合物21 的脂溶性, 引入氧雜環丁基團得到化合物22, 其脂溶性降低了一個log 部門, 代謝穩定性提高10 倍;將氧雜環丁基替換為極性更強的叔羥基結構片段(化合物23), 脂溶性進一步降低, 代謝穩定性提高,其人肝微粒體中的半衰期大於300 min (表2)。

₅₀= 28 nmol·L^-1),雖然該化合物具有較強的生物活性, 但是在人肝微粒體中的消除率極高, 達到91.2% (表3)。

將七元內醯胺環替換為六元 (25) 和五元 (26) 內醯胺環,脂溶性降低, 活性提高, 消除率下降; 當R 基團替換為六元環脲基團時, 得到的化合物TAK-442 (27) 抑製活性最強, 代謝穩定性最好, 目前處於臨床II 期研究階段。通過降低脂溶性, 增強了抗凝血酶因子Xa 抑製劑的代謝穩定性。

2.3 骨架修飾

骨架修飾也是改變代謝途徑提高代謝穩定性的重要化學結構改造策略之一。骨架修飾包括改變環的大小、成環修飾以及骨架遷越, 通過骨架修飾可以改變化合物的母核, 調節化合物的理化性質, 進而提高代謝穩定性。採用代謝穩定的環繫結構替代不穩定的結構片段, 進而改變整個化合物的代謝途徑, 提高代謝穩定性。

2.3.1 改變環的大小

5-HT_2C激動劑28 具有較強₅₀= 14 nmol·L^-1肝微粒體中的清除速率較高 (36 μL·min^-1·mg^-1)。通過改變中間連接片段吡咯環對該類化合物進行結構修飾, 將吡咯環分別替換為六元的呱啶環 (29) 和四元的氮雜環丁烷 (30), 在保持了5-HT_2C激動活性的同時, 有效地提高了該類化合物的人肝微粒體穩定性,清除速率分別下降為17 和9 μL·min^-1·mg^-1(圖7)。 19 nmol·L^-1), 但是該化合物的N-甲基呱嗪片段在大鼠肝微粒體中迅速發生N-去甲基化反應, 代謝穩定性較差。為了提高該類化合物的代謝穩定性, 將N-甲基呱嗪取代基通過擴環和縮環兩種方式進行結構優化,得到化合物32～36 (表4)。

化合物32 和33 通過引入橋環結構增加位阻效應, 有效地提高了大鼠中的代謝穩定性。呱嗪環替換為N-甲基吡咯 (35) 和N-甲基氮雜環丁烷 (36) 時, 代謝穩定性進一步提高。

2.3.2 成環修飾

聚 ADP-核糖聚合酶-1 (PARP-1) 是治療神經退行性疾病和帕金森病的重要靶標之一。2-取代喹唑啉酮 (37) 雖具有較強的PARP-1 抑製活性, 但是該化合物中間的柔性側鏈易發生氧化代謝,在人肝微粒體中的代謝清除率較高。剛性的環戊烯基取代柔性的烷基鏈得到化合物38, 增加了分子的剛性和代謝穩定性 (圖8), 提高了對PARP-1 的抑製活性, 同時口服後中樞與血漿中的濃度比值也提高了3 倍。

受體拮抗劑39 具有較高的生物活性, 但是該化合物在人肝微粒體中的半衰期很短, 為了增強該化合物的代謝穩定性, 將易代謝的苯甲醯胺基團替換為六元環酮結構 (化合物40), 在保持了NK₂受體拮抗活性的同時提高了代謝穩定性(圖8)。

2.3.3 骨架遷越

₁₁receptor) 拮抗劑可降低炎症介質引起的疼痛, 因而是治療慢性炎症和鎮痛藥物的潛在靶標。Wood 等發現化合物41 對緩激肽B 受體具有強效抑製活性(K= 11.8 nmol·L^-1率較高, 達到35 mL·min^-1·kg^-1採用骨架遷越的結構修飾策略, 將二氨基吡啶環替換為氨基醯胺結構(42), 對緩激肽B₁受體的活性大大降低, 但是有效地延長了化合物的半衰期, 提高了生物利用度, 改善了葯代動力學特性。受體的活性大大提高, 對其進一步結構改造, 得到高活性的化合物45, 同時改善了該類化合物的代謝穩定性 (表5)。

2.4 生物電子等排

許多化合物含有易代謝基團, 採用生物電子等排原理, 用穩定的生物電子等排體替換易代謝基團,是改變代謝途徑提高代謝穩定性的重要策略。

阿斯利康公司研發的β 受體阻斷劑美托洛爾(metoprolol, 46) 在體內發生首過效應, 甲氧基在體內CYP2D6 酶的催化作用下發生氧化脫甲基反應, 半衰期較短 (t_1/2= 3.5～6 h), 生物利用度較低。賽諾菲公司採用環丙基甲基取代甲基得到倍他索洛爾 (betaxolol,47), 環丙基甲基的位阻效應提高了化合物的代謝穩定性和生物利用度, 延長了半衰期 (圖9)。

化合物48 具有抗結核桿菌Mycobacterium tuberculosis 的活性 (MIC = 0.9 μmol·L^-1), 該化合物在體內易被CYP 催化氧化斷鍵以及發生酯水解反應而失去活性。為了有效地降低該化合物的氧化代謝速率, 對喹啉與異噁唑之間的連接基團進行結構優化,其中反式雙鍵連接的化合物49, 不僅提高了抗菌活性而且主要的葯代性質得到了顯著改善 (圖10)。

₅受體阻斷劑ecopipam (SCH 39166, 50), 曾用於精神病和肥胖病的治療, 該化合物對D₁₅受體的結合活性分別為1.2 和2.0 nmol·L^-1, 但其暴露量 (AUC)和口服生物利用度 (F) 很低, 僅為0.16 μg·h·mL^-1和0.6%。分析其原因, 是由於酚羥基發生葡萄糖醛酸化以及N-去甲基化等首過效應。羥基作為氫鍵給體是與D₁₅₁₅受體的結合活性略有下降, 但是葯代性質明顯改善, 化合物51 的口服生物利用度提高到87% (表6)。

作用於病毒衣殼環節的活性化合物恩韋拉登(enviradene, 53) 為治療感冒的候選藥物, 活性雖高₅₀= 0.06 μg·mL^-1), 但是生物利用度低。主要於連接兩個芳環的丙烯基易發生氧化代謝, 該化合物在人肝微粒體代謝率為73%, 將甲基替換為乙炔基得到化合物54, 增加了代謝穩定性 (C_max= 70～300 ng·mL^-1), 但是該化合物的生物利用度仍很低,僅為9%。對化合物54 繼續進行結構改造, 將苯環的4-位引入氟原子, 得到化合物55, 在保持病毒抑製活性的同時進一步改善了葯代性質, 在人肝微粒體代謝率降低為12%, 生物利用度提高到23% (表7)。

美國輝瑞公司開發的5-脂氧酶抑製劑CJ-12, 918(化合物56) 具有較強的抑製活性, 其IC0.06 μmol·L^-1, 但是該化合物代謝穩定性較差, 其C_max僅為0.24 μg·mL^-1, 對其代謝產物分析, 發現該化合物的甲氧基穩定性差, 在體內迅速代謝。為了提高該化合物的葯代動力學性質, 採用N, N-二甲醯胺基替換甲氧基得到CJ-13, 454 (57), 脂溶性降低 (logD =2.39), 同時改善了代謝穩定性, 其C_max提高6.5 倍,達到1.57 μg·mL^-1(圖11)。

2.5 前葯修飾

前葯是指經過生物體內轉化後才具有藥理作用的化合物。前葯本身沒有生物活性或活性很低, 經過體內代謝後變為有活性的物質, 前葯修飾的主要目的在於提高藥物的代謝穩定性, 延長藥物在體內的作用時間、增加藥物的生物利用度, 加強靶向性, 降低藥物的毒性和副作用。

如萬乃洛韋 (valacyclovir, 58)生物利用度為67%, 比阿昔洛韋 (aciclovir, 59) 高3～5 倍, 現已成功取代阿昔洛韋成為治療帶狀皰疹和生殖皰疹的一線藥物; 抗生素氨苄西林 (ampicillin, 60)口服生物利用度為40%, 將其極性羧基酯化後得到前葯匹氨西林 (pivampicillin, 61), 親脂性增加, 口服生物利用度達到95%; 又如抗高血壓藥物依那普利(enalapril, 62) 為血管緊張素轉換酶抑製劑 (ACEI),口服後在體內水解成依那普利拉 (enalaprilat, 63), 依那普利拉的胃腸道吸收少於10%, 而依那普利的口服吸收達60% (圖12)。

血小板聚集抑製劑氯吡格雷 (clopidogrel, 64)可用於防治心肌梗死、缺血性腦血栓、閉塞性脈管炎和動脈粥樣硬化及血栓栓塞引起的併發症。氯吡格雷在體內經過CYP450 酶兩步代謝轉化得到活性代謝產物, 進而發揮藥效 (圖13)。

首先經過CYP2C19得到氯吡格雷硫代內酯 (65), 再經過CYP 酶的氧化, 得到活性代謝產物66。臨床研究表明, 對於攜帶CYP2C19 2*等位基因的弱代謝患者, 服用氯吡格雷可產生較低的活性代謝物水準, 減小其對血小板的抑製作用, 從而導致高於非攜帶者患者1～5 倍的死亡和中風風險, 即所謂的氯吡格雷抵抗。

中國藥科大學的孫巨集斌教授等人對氯吡格雷代謝中間體的氯吡格雷硫代內酯採用前葯策略進行結構改造, 設計併合成了維卡格雷 (vicagrel, 67), 使該葯僅需一步CYP450 酶代謝即可轉化成活性中間體, 使其克服氯吡格雷抵抗, 並且不增加相應的出血風險。

照, 在3 mg·kg^-1的劑量下, 維卡格雷的抑製活性強於氯吡格雷。對維卡格雷進行體內代謝研究, LC-MS確證其代謝通路如圖14 所示。

維卡格雷在酯水解後,發生2-羥基四氫噻吩並吡啶?硫代內酯互變後, 其代謝通路與氯吡格雷相同, 均進行依賴於NADPH 的氧化開環並生成活性代謝物。維卡格雷葯代學性質優良, 其代謝產物硫代內酯中間體的生物利用度比氯吡格雷高6 倍。

酚羥基能夠通過修飾變為前葯。避開首過代謝後,可緩慢水解掉前葯基團, 釋放出遊離酚。班布特羅(bambuterol, 70) 是特布他林 (terbutaline, 69) 的前葯, 通過前葯修飾的策略在特布他林的酚羥基引入兩個N, N-二甲醯基基團, 半衰期從2.9 h 改善為17 h,提高了近6 倍; 將特布他林每天給葯3 次改善為每天給葯1 次, 提高了患者服藥的依從性 (圖15)。

結論

先導化合物代謝穩定性差是新葯研發過程中經常遇到的問題之一。因此, 在早期先導化合物結構優化時, 應儘早開展葯代動力學的初步研究, 通過分析預測化合物的代謝產物, 根據主要代謝位點的結構特徵選取最佳的結構優化策略; 將封閉代謝位點、降低脂溶性、骨架修飾、生物電子等排以及前葯修飾這些結構改造策略綜合運用, 提高先導化合物的類藥性, 使其進一步開發成為具有我國自主知識產權的I類新葯。