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新药研发前药的设计复习过程
新药研发-前药的设计
前药设计原理与应用实例
张世平制药工程2111107010
摘要本文主要总结了前药设计的基本原理和在新药发现中的应用，并列举了几个相关的前药设计的应用实例。
关键词：
前药设计，应用实例，药理学和药动学
Theprincipleofpro-drugdesignandAppliedCases
ABSTRACT:
thebasicprinciplesforpro-drugdesignandtheirapplicationsinnewdrugdiscoveryaresummarizedinthepaper,andsomerelativecasesaboutpro-drugdesignwerelisted.
Keywords:
pro-drugdesign;appliedcases；pharmacologyandPharmacokinetics
1前药概述
前药是指在口服后经体内化学或酶代谢，能释放出有药效活性的代谢物或原药的化合物。
它是将原药与一种载体经化学键连接，形成暂时的化学结合物或覆盖物，从而改变或修饰了原药的理化性质，随后在体内降解成原药而发挥其药效作用[1]。
前药设计在克服药物用药障碍、增强化学及代谢稳定性、提高水溶性或脂溶性、增加口服或者局部给药的吸收度、增强血脑屏障渗透性、延长作用时间、提高生物利用度，以及减轻不良反应等应用中，已经成为一种有效策略而广为接受。
前药是一类由于结构修饰后分子中的活性基团被封闭了起来而本身没有活性,但在体内可代谢成为具有生物活性的药物。
在体内,尤其是作用部位经酶或非酶作用,如水解或氧化还原反应,前药的修饰性基团被除去,恢复成原药而发挥药效。
这种利用在体内逐渐转变为有效药物而把有生物活性的原药潜伏化的道理,称之为前药原理[2]。
前体药物的研究不仅可以在新药研发中作为一种解决药物缺陷的手段，同时也是一种“me-too”或“me-better”新药开发模式。
即在别人专利药物的基础上，对化学结构加以修饰和改造，研究出自己的专利药物。
其实，无论在药物发现还是发展阶段，前药策略都已经成为改善药理活性化合物的物理化学、生物药剂学、药代动力学性质的一种重要工具。
在已经批准的药物中，约5％～7％可以归为前药，而且前药策略在药物发现早期阶段的应用呈上升趋势[3]。
由此可见，前药设计原理在新药研发的道路上还是有莫大的潜力的。
2.前体药物在体内转化为母体药物的三种途径
1．直接在胃肠道内转化为母体药物，以母体药物的形式吸收进入体内。
例如前体药物奥沙拉嗪是两个5-氨基水杨酸分子通过伯胺即连接形成的一个二聚体，它能在结肠处被此处特异性的偶氮还原酶降解为两分子的5-氨基水杨酸，发挥局部抗炎作用，从而降低在胃肠道其它各处的副反应[4]；
2．在胃肠内以前体药物的形式被吸收进入血液循环，然后在肝脏或血液中酶的作用下转化为母体药物在全身发挥药效；
3．以前体药物的形式进入血液循环，然后通过血液循环到达靶器官，靶组织或者靶细胞，然后在该处特异性酶的作用下转化为母体药物发挥药效。
例如已知肾脏组织具有较高活性的谷氨酸转移酶和芳香氨基酸脱羧酶，利用这些生化特性使左旋多巴被谷氨酸酰化，谷氨酰左旋多巴可特异性地在肾脏裂解去谷氨酸并脱羧，产生多巴胺，从而选择性地扩张肾脏血管[5]。
3.前药策略的应用[3,7]
（1）提高药物的吸收度：
导致一个潜力药物的口服吸收度不好的原因有很多，包括水溶性差、渗透能力低、是P糖蛋白的底物、在肝脏代谢过于迅速等等。
常用的提高口服药物吸收度的前药策略，包括提高药物的水溶性、脂溶性以及利用载体介导的吸收。
●提高药物的水溶性。
将药物制成磷酸酯/盐的形式可以提高很多水溶性较差的药物的口服生物利用度，尤其适合需要大剂量服用但其吸收又受溶出度限制的候选药物。
几乎所有的磷酸酯类前药都是利用小肠细胞表面的内源性碱性磷酸酯酶水解快速释放原药，从而导致了系统循环中的前药浓度较低。
●提高药物的脂溶性。
某些药物分子含有极性或者可电离的基团，这势必会影响到其口服生物利用度。
此时可以利用前药策略对这些基团进行修饰增加药物的脂溶性，从而提高膜穿透能力以及口服吸收度。
●载体介导的吸收。
一类前药是以特殊的膜转运体为靶点，其设计原理是在原药上接上特定结构的基团，使其能够被小肠上皮组织上的内源性转运体识。
（2）靶向给药：
给药的最终极目的就是能够做到靶向性，前药策略就可以做到。
靶向选择性主要是通过4种途径实现的：
在器官内的被动富集；转运体介导给药；酶的选择性代谢激活；抗原靶向作用。
●中枢神经系统靶向给药。
在临床上由于血脑屏障（BBB）的存在使得中枢神经系统（CNS）给药变得十分困难，但是通过了解血脑屏障的转运机制以及酶活性，可以实现CNS的大量给药（相对其他部位）。
●肿瘤靶向给药。
为了降低正常细胞接触细胞毒类药物5-氟尿嘧啶（5-FU）的概率，人们开发研制了一种经由肿瘤选择性酶激活的前药-卡陪他滨（Capecitabine）。
卡陪他滨是5-FU的氨基甲酸酯，经口服给药吸收，该前药需要3种酶的级联反应来转化为活性母体药物。
完整的卡陪他滨在小肠被吸收，在肿瘤组织中经历生物转化，因此可以避免全身毒性。
●口服结肠靶向给药（OCDDS）。
使用丁二酸作为隔离基的地塞米松-葡聚糖前药进入直肠后，先被葡聚糖苷酶酶解成小分子低聚糖，然后被直肠酯酸酶解，释放出有活性的药物。
葡聚糖骨架可保护药物免受酶的进攻，可使药物在盲肠和直肠区域释放。
●肝脏靶向给药。
用于治疗高胆固醇血症的辛伐他汀和洛伐他汀是3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶抑制剂的生物前体药物。
（3）延长药物的作用时间。
将许多类固醇（例如睾酮，19-去甲睾酮）和安定药（例如氟奋乃静，三氟噻醇，氟哌啶醇）制成其高亲脂性前药，肌肉注射后可以缓慢释放到体循环中从而延长了药物作用时间。
4.前药设计原理的应用实例
前药设计就是在原药最适宜的功能基上键合载体分子，这个键合过程既要求在实验室能简便完成和高效制备，在体内又可以完全的逆转释放出原药，并且在体内前药与载体都不能有明显的生物活性[6]。
因此，前药载体的研究与设计就显得至关重要。
下面列举几种常见的前药设计实例。
★匹氨西林（Pivampicillin）：
匹氨西林是β-内酰胺类抗生素药物，为氨苄西林的三甲基甲酯衍生物，口服后在肠道分解出氨苄西林。
图1匹氨西林的结构式
图2氨苄西林的结构式
药理及临床应用：
本品为半合成青霉素类抗生素，药物作用机理同氨苄西林，能渗透革兰氏阳性菌及部份革兰氏阴性菌，经由结合在细菌细胞壁上的青霉素结合蛋白（penicillin-bindingproteins，PBPs），阻碍细菌合成细胞壁的第三及最后阶段，最终引致细胞裂解。
对铜绿假单胞菌、大肠埃希菌、肺炎杆菌、变形杆菌、肠杆菌属、枸橼酸杆菌、沙雷菌属、不动杆菌属以及对青霉素敏感的革兰阳性球菌均有抑菌作用，大剂量有杀菌作用。
本品耐酸，口服吸收完全，在体内为酯酶水解，释放出氨苄西林而发挥作用。
口服或注射后，迅速被组织和血浆中各种酯酶水解成氨苄西林，药浓度比氨苄西林高2～3倍，而且持久，半衰期为1.46h。
对酸稳定，食物不影响其吸收，尿中浓度高。
原药的缺陷：
氨苄青霉素是耐酸、广谱、半合成青霉素,可以口服,但是口服吸收差,血药浓度只有注射给药的20%～40%,分析结构表明,氨卡青霉素分子中C2羧基与C6侧链氨基,在胃内pH情况下解离为两性离子,极性大是影响口服吸收的关键[8]。
前药设计的原理及药效的改善：
将羧基成酯,发现其简单的脂肪/芳香酯类不够活泼,在体内酶促分解成原药的速度很慢,血药浓度达不到峰值,其原因是氨苄青霉素分子中羧基邻位的两个甲基占有较大空间,其屏蔽作用阻碍酯酶水解所致。
而将其设计成双酯型前药,末端酯键位阻较小,易于发生酶促断裂,生成的羟甲酯不稳定,自动分解,释放出甲醛和氨苄青霉素,产生药效,生物利用度提高3～5倍,口服几乎定量吸（98%～99%）。
口服时血浓度较相同剂量的氨苄西林为高（2-3倍），比氨苄西林吸收完全（氨苄西林29%～46%，本品为56%～73%）。
相同剂量血抗菌作用也相应较强。
★一氧化氮载体型前药（NO-ASA）（释放NO型阿司匹林）[8,9,]：
乙酰水杨酸（ASA）通过酯键与芳香间隔基结合，间隔基以共价键连结NO供体基团（-NO2）构成NOASA（ASA-间隔基-NO）。
根据-NO2在芳香间隔基的联结位置，NO-ASA有邻位（ortho-NO-ASA）、间位（meta-NO-ASA）与对位（Para-NO-ASA）三种位置异构体，其中对NO-ASA的间位异构体（meta-NO-ASA）研究的最多[10]。
meta-NOASA也称为NCX4016，如图3所示。
图3阿司匹林（左）和NO-阿司匹林（右）的结构式
药理及临床应用：
meta-NO-ASA属于非甾体抗炎药ASA的NO释放型前药，临床上不仅是治疗风湿性、类风湿性关节炎和骨关节炎的重要药物，而且还可用于防治胃肠道肿瘤。
当药物进入体内后,立即释放NO和ASA,ASA可在体内通过抑制COX的活性继续发挥作用,而NO则供给胃肠道的内皮,通过抑制嗜中性细胞聚集,增加粘膜血流量和粘液分泌,以及减少自由基生成等四个方面的作用。
因此，NOASA克服了ASA的缺点，并且相对于ASA对肿瘤细胞的作用，NO-ASA具有更高的疗效和安全性。
NO-NSAIDs的药理作用依赖NSAID和释放的NO。
NO通过环磷酸鸟苷依赖性或非依赖性机制发挥作用。
NCX4016对凝血酶诱导血小板聚集的抑制作用能被氧合血红蛋白或甲烯蓝逆转，证实NO是NCX-4016的活性部分[11]。
缓慢释放的NO使NSAID的药理活性程度改变，如NO-NSAIDs胃肠道毒性显著降低，抗炎镇痛作用得到改善。
NO-ASA肿瘤防护的机制[10]：
NO-ASA防治肿瘤的机制是复杂的，至今提出的可能作用机制有以下几方面。
NO-ASA降低细胞内谷胱甘肽（GSH）；
NO-ASA诱导生物转化II相反应酶
NO-ASA多靶点多效性作用机制；
NO-ASA影响MAPK信号途径；
NO-ASA下调PPARd表达。
原药ASA的缺陷：
非甾体抗炎药（NSAIDS）是治疗风湿性、类风湿性关节炎和骨关节炎的重要药物,疗效肯定但长期用药易引起胃肠道溃疡、出血、穿孔等,因此患者很难坚持长期用药,这是由于NSAIDS抑制了对胃肠道有保护作用的PGS,使肠道中的粘液、碳酸盐分泌减少,粘膜血流量下降,白细胞向血管内皮处大量聚集而产生的。
另外，大量临床资料表明，阿司匹林有防治人结肠癌的作用，由于其上述毒性而不能长期作为化学预防药品应用[12]。
前药设计原理及药效改善：
NO供体型药物主要是以已知药物或活性化合物的结构为母核，与NO供体通过各种连接基团结合而成的前药，它可在体内经相关酶或非酶作用释放原药和NO。
研究表明，由于释放NO的作用，NO供体型药物的疗效一般优于原药，。
已经有人[10]证实NO-ASA抑制结肠癌细胞生长的作用是阿司匹林的2540~5000倍。
该前药不仅保持了阿司匹林原药的解热镇痛抗炎作用和预防胃肠道肿瘤作用，而且不良反应显著小于原药，从未使得NO-ASA可以作为长期服用药物。
★靶向前药卡培他滨（capecitabine）：
靶向给药主要将药物靶向到组织、器官或细胞内部,这也是目前前药设计中引人关注的目标。
前药口服后,主要通过被动转运富集于靶组织,靶向肠道特定的内流转运器,靶向到组织或细胞内特异的酶和表面抗体等方法来实现。
卡培他滨由瑞士罗氏（Roche）制药公司开发,于1998年以商品名希罗达（Xeloda）在美国、加拿大和瑞典等国家上市销售。
卡培他滨,化学名为N4-戊基羧酸-5’-脱氧-5-氟胞嘧啶,是一种对肿瘤细胞有选择性活性的口服细胞毒制剂[13]。
图4卡培他滨（左）和5-氟尿嘧啶（右）的结构式
药理及临床应用[13,14]：
卡培他滨是一种新型口服细胞毒类药物。
本品口服后完整地通过胃肠壁,经肝脏羧酸酯酶催化代谢为5’-脱氧-5-氟胞苷（5’-DFCR）,然后经肝脏和肿瘤细胞中的胞苷脱氨酶催化转化为5’-脱氧-氟尿嘧啶（5’-DFUR）,最后经胸苷磷酸化酶（TP,该酶在肿瘤组织中浓度较高）催化转化为FU。
卡培他滨及其代谢产物5’-DFCR和5’-DFUR并不具有细胞杀伤性,此代谢过程最终产生的FU对肿瘤细胞产生选择性细胞毒作用。
卡培他滨是一种对肿瘤细胞有选择性活性的口服细胞毒性制剂。
卡培他滨本身无细胞毒性，但可转化为具有细胞毒性的5-氟尿嘧啶，其结构通过肿瘤相关性血管因子胸苷磷酸化酶在肿瘤所在部位转化而成，从而最大程度的降低了5-氟尿嘧啶对正常人体细胞的损害。
临床上可以作为转移性乳腺癌的联合化疗药物；作为转移性结、直肠癌的一线治疗药物；有人证实，口服卡培他滨是治疗晚期肾细胞癌的有效药物。
希罗达适用于紫杉醇和包括有蒽环类抗生素化疗方案治疗无效的晚期原发性或转移性乳腺癌的进一步治疗。
药动：
本品口服后,以完整的分子穿过肠粘膜而完全迅速地被人体吸收,然后完全转化为5-DFCR及5’-DFUR。
本品吸收迅速,Tmax为0.3～3h,范围较广（≥70%）。
卡培他滨用药约2h后可达到最大浓度（Cmax）,Cmax范围为2.7～4.0mg·L-1。
卡培他滨主要在肝脏和肿瘤组织内首先通过羧酸酯酶催化转化为5’-DFCR,然后再经胞苷脱氨酶催化转化为5’-DFUR,最后在肿瘤细胞内的肿瘤相关性血管因子胸苷磷酸化酶的作用下转化为活性分子FU。
卡培他滨的代谢产物主要由肾脏排除,从尿液中消除的原药为71%,FBAL为其主要代谢产物（占51%～61%）。
原药缺陷：
氟尿嘧啶类抗肿瘤药氟尿嘧啶（FU）作为静脉化疗药,临床用于治疗恶性肿瘤已40多年,且目前在临床仍得到广泛应用,但其不良反应限制了对许多病人的使用[15]。
在接受FU静脉给药治疗的病人中,有大量报道发现中性粒细胞或白细胞显著减少,长时间静脉滴注还会引起口腔炎、手-足综合征以及与静脉导管相关的其他并发症,如感染和静脉血栓。
前药设计原理与药效改善：
卡培他滨（capecitabine）是5-氟尿嘧啶的三级前体药物（图5）,口服后经过3步活化于肿瘤组织中释放出原药[16]。
首先在肝脏中经过羧酸酯酶水解,其次位于肝脏和肿瘤组织中的胞嘧啶核苷（胞苷）脱氨酶氨解,最后在肿瘤细胞内胸腺嘧啶核苷磷酸酶代谢成5-FU，其结构通过肿瘤相关性血管因子胸苷磷酸化酶在肿瘤所在部位才转化而成，从而最大程度的降低了5-氟尿嘧啶对正常人体细胞的损害，避免了一系列的不良反应，因而可以作为长期服用的抗肿瘤药物。
图5卡培他滨的活化过程
图6卡培他滨的在体内的代谢过程示意图
★口服结肠靶向前药奥沙拉秦（Olsalazine）和柳氮磺胺嘧啶（SASP）
炎性肠病（IBD）是慢性非特异性肠道炎症疾病，包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD），其发病机制可能由感染、遗传等因素作用于易感人群，使肠道免疫系统反应紊乱导致肠道炎症病变与结构破坏。
IBD的传统治疗药物包括氨基水杨酸制剂、糖皮质激素以及免疫抑制药等，其中氨基水杨酸制剂为治疗轻、中型IBD的首选药物，应用广泛［17］。
前药1—柳氮磺胺嘧啶（SASP）：
起初，有人将抗生素磺胺吡啶和5-氨基水杨酸结合制成柳氮磺胺吡啶用于治疗类风湿关节炎和作为抗菌抗炎药物使用时，偶然发现了该药也能使结肠炎得到改善，于是开始用于结肠炎的治疗，并且确定了有效成分是5-氨基水杨酸，磺胺嘧啶只是其载体而已。
但是单纯的口服5-ASA不能到达结肠，在小肠阶段就已经被完全吸收[17]。
图7SASP分子结构式
药理及临床应用：
SASP是一分子5-ASA与一分子磺胺吡啶以偶氮键相结合的化合物，口服后在上消化道一般保持完整，抵达结肠后，连接水杨酸与磺胺吡啶的偶氮键在肠内细菌偶氮键还原酶作用下分裂，释放出的磺胺吡啶大多数在结肠被吸收，进入肝内被乙酰化后，以游离磺胺、乙酰化、羟化或葡萄糖醛酸衍生物等形式从尿排出。
释出的5-ASA为SASP的主要有效成分，大部分（约80%）仍留在结肠，发挥黏膜抗炎作用。
其主要作用机制是抑制炎症免疫反应、抗菌，以及抑制白三烯、白细胞介素-1等炎症介质的释放[18,19]。
原药缺陷：
单纯的口服5-ASA不能到达结肠，在小肠阶段就已经被完全吸收。
前药1对于药效的改善：
磺胺吡啶和5-ASA的偶按化合物在小肠阶段保持完整，到达结肠后才会在相应的酶作用下分解，释放出母药5-ASA。
这样就避免了5-ASA在上消化道阶段被吸收到达不了结肠的缺陷。
前药2—奥沙拉秦（OLZ）：
奥沙拉嗪为2分子5-ASA通过偶氮键连接而成，制成双水杨酸盐化合物，国内称奥柳氮。
图8OLZ的分子结构式
药理及临床应用：
研究证明该药仅有2%被小肠吸收，98%由结肠细菌偶氮键还原酶水解，而提供2分子5-ASA，用药剂量为SASP的一半。
作用于结肠黏膜，抑制前列腺素合成，抑制炎症介质白三烯的形成，降低肠壁细胞膜的通透性，减轻肠黏膜水肿，而发挥抗炎作用。
不能耐受SASP者中的80%患者，一般可耐受奥柳氮或美沙拉嗪。
奥柳氮具有独特的刺激小肠分泌（主要是重碳酸盐）的作用，使肠内液体负荷增加，而可能有软化粪便甚至腹泻的作用。
因此，开始时宜从小剂量开始，一般以2g·d－1为限。
维持剂量为1g·d-1。
前药1的缺陷：
后来的研究表明，SASP在结肠释放出磺胺吡啶，被结肠完全吸收后进入肝脏发生乙酰化。
在口服剂量。
>4g·d-1时，绝大多数不良反应与磺胺吡啶成分的乙酰体表型有关。
表现为恶心、呕吐、厌食、消化不良、头痛、网织红细胞增多、精子减少等。
还可发生皮疹、肝肾毒性、支气管痉挛、白细胞减少、再生障碍性贫血、自身免疫性溶血性贫血、周围神经病变等。
肝毒性及神经毒的反应少见。
骨髓抑制、溶血性贫血及巨幼细胞性贫血、可逆性男性不育症等，均与磺胺吡啶成分有关。
前药2对于药效的改善：
奥沙拉嗪到达结肠时，偶氮键会被相关的酶水解释放出2分子的母药5-氨基水杨酸，发挥药效。
相对于SASP，没有磺胺毒性的发生，药物用量只相当于SASP的一半。
5.总结
综上所述，前药设计已经被广泛应用。
通过给母药连接适合的载体，不仅可以使得原先药效和药动学特征不理想的药物得到改善，使得药物的依从性提高，而且是新药发现中极具潜力的有效途径之一。
前药的发展将是载体研究的发展，随着研究的深入，一些大分子物质如PEG，葡聚糖类，聚丙烯酰胺类[20]等也将在载体的舞台上大展身手。
将来前药设计的应用实例也将会越来越多，并且笔者预测，将来前药设计也会和剂型设计结合起来，共同实现药物的药效和药动以及生物利用度的改善。
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