01 药物开发中的药物代谢和药物代谢动力学.docx
《01 药物开发中的药物代谢和药物代谢动力学.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《01 药物开发中的药物代谢和药物代谢动力学.docx（11页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
01药物开发中的药物代谢和药物代谢动力学
药物开发中的药物代谢和药物代谢动力学：
生物分析化学家的primer，partⅠ
摘要：
面对先进的组合合成和高通量筛选技术，药物开发过程继续发展。
临床药物代谢和药物代谢动力学研究在先导确定和优化中起了关键作用。
这一快节奏的开发过程给分析化学家施加了巨大的压力，设计更快和更敏感的分析技术来辅助药物发现和开发。
这篇文章，两个系列中的第一部分向分析化学家介绍药物代谢原理。
第二部分将讨论药物代谢动力学方面以及药物代谢数据怎样用以预测药代动力学参数。
正文：
技术创新和竞争压力引发了药物发现过程的巨大变化。
分子生物学和人类基因组工程的进步在确定新的治疗靶标的进步中卓越的贡献。
由于靶标确定中的技术发展、自动化的组合化学合成和高通量筛选，药物发现过程快速的发展。
鉴于这种发展，提高化合物在人体中目标药理活性的优化效率，而降低对动物研究的依赖已经成为一个挑战。
新的化学实体（NCEs）通过组合合成和用靶标的作用信息来设计先导化合物的理性药物设计进入药物开发流程。
HTS有助于确定先导化合物在高浓度下提供的所需效用。
在次级筛选阶段，理化性质如溶解度、脂溶性和稳定性通过测定脂水分配系数和pKa来确定。
这些参数在预测蛋白结合、组织分布和胃肠吸收过程非常有用。
在先导化合物的优化过程中，筛选出的先导化合物使用体外试验进一步筛选。
先导优化的目标是选择在人体中有所需药理活性的化合物。
相关药代动力学参数如组织渗透、稳定性、肠吸收、代谢和清除通过体外系统获得。
这些体外体系包括微粒体、肝细胞、用以确定代谢和评价代谢路径和速率的组织切片、评价细胞转运吸收的caco-2细胞系。
毒性数据可以通过器官特异性细胞系获得。
早期先导化合物的潜在毒性知识和它们的可能代谢产物对成功的药物开发很关键。
大多数的药物候选化合物在这一阶段失败，只有少数被定为足够安全和有效，进入下一步的开发。
体内、外研究在活性候选化合物上都被进行。
这些临床前研究的目标不仅仅是确定最有效的且有最合适的安全谱图的先导化合物，而且能选择最接近人类的的动物物种来进行毒理研究。
了解所选化合物的药代动力学和代谢特征对设计合适的人类临床试验时必须的。
药物开发各阶段如F1所示。
不管是体内还是体外，要满足药物代谢研究的目的需要处理很大数量的样本来决定药物候选化合物和代谢物。
同样做很多结构化学来确定代谢物。
对于分析化学家，了解绝大部分化合物将不会变成药物这一点很重要。
Oftenelegancemustbetradedforspeedearlyintheprocess.以后，在临床试验中，一个特定化合物的样本数量将以指数方式增加，仔细的经过验证的方法不仅必须而且合理。
这篇文章将指导生物分析化学家药物开发中的药物代谢和药代动力学方面。
这篇文章的第一部分包含了药物代谢的基础。
第二部分将讨论动力学和药物代谢以及动力学数据和某个药物的药物代谢动力学关系。
Pathofadrug
通过任意途径给药，药物将会按照F2所示到达血液。
这个过程叫做吸收。
血液中的药物在血浆和血细胞中快速分布。
大部分药物快速到达每个器官的胞外液体。
脂溶性药物穿过细胞膜，分布到不同组织的胞内液体。
药物从血液到不同组织的转运过程称为分布。
药物不是直接地通过排泄途径，如尿、胆汁，这称作清除；就是间接的通过肝脏的酶促或者生物化学转化。
清除的后一个途径叫做代谢。
按F3所示研究药物吸收、分布、代谢和清除的整个过程就叫做ADME研究。
DrugMetabolism
对药物或者外源化合物的兴趣可以追溯到19世纪早期。
代谢在那时被认为一个解毒机制。
1930s晚期，随着合成的偶氮磺胺在体内代谢成抗菌试剂磺胺，研究代谢已经成为一个重要的前提。
BAS和ISSX创作了一个历史日历，庆祝许多对有机化合物代谢的原创贡献。
代谢是从肌体清除外源的、不需要的化合物的机制，也调控需要的化合物如维他命在体内的水平。
因为药物的代谢信息在选择和进一步特性描述药物中起重要作用，深度研究药物代谢机制是值得的。
人体中，代谢的主要为点是肝脏。
肝脏中的代谢发生在两个阶段：
Ⅰ相发生在肝微粒体，药物被功能化；Ⅱ相发生在肝细胞中，药物及其Ⅰ相代谢物发生结合。
肝脏微粒体是肝细胞的内质网。
微粒体中的Ⅰ相反应被一组称为细胞色素P450的酶催化，P450酶在药物代谢中起重要作用。
参与Ⅰ相的化学反应有芳香环羟基化、氧化的N端脱烷基化，氧化的O端脱烷基化、S氧化、还原和水解反应。
通常这些简单的反应可以使药物水溶性增加，易通过肾脏清除。
在Ⅱ相通过糖苷化、硫化、氨基酸结合、乙酰化、甲基化、谷胱甘肽结合发生进一步结合。
CytochromeP450system
Cyp450酶系统，一个非常大的酶家族，由P450基因超家族编码，是药物开发中广泛研究的酶之一。
CYPs是一类分子量为50kD的膜结合蛋白，并包含血红素半族。
CYPs和其它混合功能的加氧酶主要存在于肝脏的内质网上。
CYPs的单加氧功能涉及很多步，但最后的反应是把一个氧原子转移到有一个氧化位点的基团R上。
Geneticpolymorphism
CYP450酶以结构相似性分组成家族和亚家族。
家族包括有40%氨基酸序列同源的CYP，在CYP后之指定一个数字。
亚家族是有60%氨基酸序列同源的CYP，在CYP后的数字后指定一个字母。
例如CYP3A4是细胞色素P450没酶，属于家族3，亚家族A。
最后的数字4指的是发现的顺序。
几个药物代谢酶，如CYP2家族，是多态性（含有1个以上多态基因）。
虽然CYP同工酶有相似的功能性质，每一个都不同并扮演不同的角色。
这种多态形式是形成药物治疗中、药物副作用以及毒性和外源物致癌作用的个体间差异的基础。
有大约30个人p450酶，其中只有6个：
CYP1A2、CYP2c9、CYP2C19、CYP2D6、CYP2E!
、CYP3A4是主要的催化酶。
CYP3A是最大量，临床应用最重要的同工酶。
他催化接近50%的临床药物。
T1显示了主要的CYPs参与的已知药物的代谢。
从表中可以看出，一些药物被一种以上的同工酶代谢。
这种多底物代谢是引起DDIs的代谢基础。
一些药物可能是一些特异性同工酶的诱导剂和抑制剂，但不是必须地底物。
酶诱导剂通过调节基因表达来增加特异性酶的水平。
一些药物诱导P450酶，但并不参与到它们的代谢。
例如，奥美拉唑诱导CYP1A2但是却被CYP2C19和CYP3A4代谢。
奥美拉唑的给药可以降低药物正常情况下被CYP1A2代谢的效应，如对乙酰氨基酚。
酶抑制剂从不同方式行使功能。
竞争性抑制剂与底物竞争活性位点，如佛伏沙明和咖啡因竞争CYP1A2。
非竞争性抑制剂结合到酶-底物复合体或者血红素基团上，如酮康唑。
第三种类型，不可逆的竞争性抑制剂通过结合血红素或者结合蛋白使酶失活。
酶抑制可能导致更高药物的全身水平，引起作用加强或者毒性。
当多药物同时给药时，或者非处方、食品附随处方药给药时，这一点应当被考虑。
当几个酶代谢一种药物，酶抑制剂给药将不会产生很大影响，因为药物有一个可替换的路径。
T2显示了一些CYPs的诱导剂和抑制剂。
在个体、物种和群体间，不同同工酶的表达、活性和浓度有很大差异。
这些酶的表达或者激活受物种特异性、基因多态性、性别-荷尔蒙、年龄、疾病和内源诱导剂等因素调控。
个体中P450酶的差异导致不同个体给某种药物时的反应有很大不同。
P450酶的基因多态性按群体分成三种：
a）强代谢者（EM）：
正常群体
b）弱代谢者（PM）：
遗传两个失活的等位基因，表现为酶的活性完全缺失
c）超强代谢者（UEM）：
带有一个等位基因和一个扩增的等位基因，表现为酶的表达加强。
超强代谢可能引起治疗失败，由于减少生物利用度或者缺少药物活性；而弱代谢肯能引起药物毒性和死亡。
为了优化药物治疗，处方医师应当有病人CYP酶的遗传图谱信息。
Outcomeofdrugmetabolism
药物代谢的不同结果显示在F4中。
细胞色素P450反应使底物亲水性更强，从而更容易通过肾脏清除。
虽然这些经常导致药物失活，一些化合物形成活性代谢产物。
这些激活的代谢物能加强、修饰或抑制需要的药物活性。
有时，活性代谢产物启动药理活性。
这个功能常用来设计前药。
前药定义为本身无活性，但在酶的催化下能转换成有活性的形式的化合物。
当活性形式不稳定或者水溶性低是成药挑战性大时，前药作用很大。
口服给药后，降压药依那普利经过乙醚水解形成活性药物enalaprilate。
一些药物治疗潜力小，但是能形成一个药理活性很强的代谢产物。
如可待因本身止痛活性低。
被CYP2D6催化后形成活性强的吗啡。
CYP2D6的弱代谢或者服用CYP2D6抑制剂的病人，则不能使可待因产生止痛作用。
在一些情况下，代谢物显示出和母药相同的药理活性，并毒性低于母药。
如抗组胺剂药物非索非那定是特非那定的代谢产物。
特非那定从市场撤回是因为它在病人体内和红霉素和酮康唑的相互作用。
也有许多例子，母药和代谢产物有相同的药理活性，一些代谢产物与母药显示不同的药理活性。
这也能导致新药的发现。
罗沙丁是经过广泛代谢的安定药。
N端去甲基化代谢产物，阿莫沙平却有抗镇静活性，按这一特征开处方。
代谢也能导致毒性代谢产物。
代谢中间产物的形成是产生毒性的原因之一。
氧化成亲电子中间体或者还原成亲质子（亲核）基团能攻击DNA或者RNA，诱发癌变，这是两个主要的毒性反应。
虽然在药物开发早期很多前导化合物因为形成毒性代谢产物而被淘汰，但是由于其它因素可能使毒性代谢产物致毒或者脱毒，所以有毒的代谢产物不一定产生毒性。
一些药物可逆的代谢。
如苏灵大，它是一种非甾体类抗炎药物，它能可逆的代谢成具有抗炎和止痛作用的苏灵大的硫化物，也能不可逆的代谢成有抗肿瘤增殖作用的sulindacsulphone。
Factorsaffectingdrugmetabolism
不同物种间的药物代谢有显著差异。
在药物发现和和以后的临床试验设计中，选择一个最接近人的物种非常关键。
年龄、激素水平、遗传多态性、疾病状态都是影响代谢的内部因素。
例如婴儿缺乏二相代谢酶，而年龄大的病人随着年龄增加代谢和清除都变弱。
虽然没有临床关于性别差异影响代谢的证据，但是有研究表明小鼠的性激素影响生物利用度。
肝病，如肝炎、肝癌或肝硬化影响药物代谢，这是因为功能性肝细胞减少或者改变了肝脏中NADPH/DAD的比例。
如果药物的清除只发生在饭脏，则影响药物代谢可能导致药物过量。
遗传或者基因因素是最重要的药物代谢因素。
个体或者种群间的遗传差异可以导致治疗过度或者延长，或是药量过多。
例如，代谢很多药物的CYP2D6有16个等位基因。
这个酶的活性早不同种族中有很大差别。
1%的阿拉伯人、30%的中国人和7-10%的高加索人是CYP2D6的弱代谢者。
另一个例子是CYP2C19，它能代谢抗焦虑药物。
约14-22%的亚洲人和3-6%的高加索人是CYP2C19的弱代谢者。
给药后在这些人群中提高血浆药物水平能提高药物的镇静作用。
环境因素，如饮食、吸烟、酒和附随的治疗药物也影响药物代谢结果。
吸烟产生芳香烃聚合物（PAH），CYP1A2代谢PAH成肺癌和结肠癌的致癌剂。
葡萄籽油是一个号的饮食上的抑制CYP3A4的例子。
随着营养添加剂和草药的消费突增，增加对药物相互租用可能性的的考虑。
Influenceofdrugmetabolismondrugdevelopment
药物开发中，知道酶对药物候选化合物的代谢非常重要，且在药物设计中越早越好。
代谢路径、代谢稳定性、稳定性、毒性和参与代谢的特异性的同功异构酶的知识都是药物开发早期和计划进行临床研究的重要信息。
代谢速率影响人和临床物种的口服生物利用度和清除。
如刚才所讨论，多态的酶会导致高的个体差异和潜在的DDIs。
遗传信息用来预测病人个体和病人群体对药物的反应，从而选择合适的药物和剂量来满足个体的遗传组成。
代谢图谱对设计前导药物和有药理活性的代谢产物有重要作用，同时对选择合适的动物物种进行毒理研究也很重要。
药物候选化合物的结构修饰能改变代谢。
高亲水或者亲脂性的化合物并不合适，因为它们会导致低的生物利用度和过慢或过快的清除速率。
在这种情况下，用其它非活性基团取代活性基团能得到获得更到的代谢稳定性。
例如，用t-丁基取代甲基可以阻止去甲基化。
同样的，芳环的氧化可以用更强的排斥电子基团所阻止。
临床前药物代谢研究的信息可以反馈到设计者来引进改变物理性质的功能团，来使化合物代谢更稳定。
一个成功的药物的最终选择依赖于药物的代谢研究。
Pre-clinicaldrugmetabolismstudies
在药物开发早期，知道药物的清除方式很重要。
如果药物主要通过代谢清除，需要知道药物的代谢途径和产物。
在进入临床实验前，了解药物的毒性和他的代谢物对于避免以后的失败很关键。
体外和动物的体内研究在临床前阶段被完成。
大多数有前景的化合物通过体外研究和两种动物物种中的体内药代动力学参数获得，通常是猪和鼠的体内动物研究。
本文侧重体外研究和从中获得的信息。
Invitrostudies
临床前筛选阶段的体外研究是低通量系统。
主要的用于体外代谢的有肝酶或组织，用这些系统孵育药物所得的信息可以用来反馈到更安全、代谢更稳定的药物设计，化合物可以根据代谢稳定性归类。
质谱作为定量工具来确定代谢产物和代谢位点。
很多不同的体外肝脏代谢系统现在被商业化，用以代谢研究。
下面详细介绍讨论常用的代谢系统。
Expressedenzymes
先进的分子生物学已经确定并描述了很多个体的大量CYP基因。
详细的CYP同工酶的特异性CYPcDNA序列已经被克隆和异源表达。
表达的酶包括人酶，现在已被作为纯的系统而商业化。
因为反应条件如酶浓度、底物和辅助因子可以被仔细控制，酶系统已经变成一个研究药物代谢的有力工具。
在研究动力学、特异性和酶反应机制中，这个系统非常有用。
然而，折叠或后转录修饰和表达的酶的活性可能与天然的酶不同。
Microsome
微粒体可以很容易从冰冻的肝组织中制得。
它们有大多数的氧化型药物代谢酶。
制备容易和稳定时间长（-80℃）使微粒体成为药物代谢研究中最常使用的体外系统。
微粒体通过破坏细胞并在1000000*g离心，从肝细胞中分离。
肝微粒体可以通过诱导或者抑制来使同工酶的活性和水平不同。
表型微粒体极大增加这个系统在确定特异性同工酶功能的能力。
代谢信息如代谢图谱、稳定性、代谢确定和动力学可以从微粒体系统中获得。
微粒体孵育是最常用的获得一相代谢信息的手段。
但是一个缺点是不如从细胞系统中获得的信息全面。
Isolatedhepatocytes
细胞培养或者细胞悬浮系可以用来研究药物代谢、药物跨膜转运、细胞毒、和酶、辅因子共存的正常生理浓度及维持细胞完整下的酶诱导的多个方面。
肝细胞被用来研究一相和二相反应。
细胞可以被初步或者永久培养。
初级细胞系有极小或者无酶活性。
初级细胞系从新鲜的肝脏组织中分离，分离后可立即被使用或者长期培养。
然而，培养或者冷冻保存的细胞会迅速丢失P450酶活性。
所以，肝细胞不能冻存和解冻或者从冷冻肝脏中制备。
因此，很需要提高冷冻保存技术和在初级培养中稳定p450活性的研究。
随着各种商业非盈利机构中获得新鲜人类组织的机会增加，人肝细胞已经变成最广泛使用的体外体系。
Tissueslices
组织切片已经从其他器官中使用，如脑、心脏和肾中被使用，肝是最常用的药物代谢实验组织类型。
组织切片比其他系统有一定优势。
完整的细胞连接、正常的肝细胞保留在组织中。
因为包含完整的药物代谢酶和所有以一定浓度存在的辅因子，可以获得完整的代谢反应。
肝切片可以容易且快速的制备。
另外，肝切片不暴露在可以破坏重要膜受体的蛋白水解酶。
虽然肝切片在药物代谢中的使用增加，，它们也有缺点。
一个缺点是渗透媒介不足。
肝切片不能冷冻保存，它们的使用试验时间收限制。
这些酶体外体统的优劣总结在T4中。
随着人体组织和重组酶更容易获得，临床实验前预测DDIs成为可能。
确定药物的主要代谢途径和代谢产物，探索受试药物对其它药物的影响，反之亦然，是体外研究的两大目标。
体外研究也可以有助于决定某个药物不是某一途径的底物。
者减少或者消除了某个药物通过某一途径对其他药物可能产生抑制的研究需要。
尽管体外分析的进步，体外模型的一般结果对于替代体内研究来说太简单。
体外研究最适合来确定用来分析潜在DDIs的临床实验类型。
FDA指导方针建议首先用体外研究来分析药物对代谢途径的影响，如果结果表明可能有DDIs，进行体内试验。
体外实验的最终目标是预测人体内的体内结果。
体外模型在预测潜人体DDIs和药代动力学的变异性的功效已经在抗精神病药奥氮平中成功的显示。
体外数据缩放来预测体内结果或者体内外相关的方法学正在扩展，因为增加了人体体外模型的可用性。
这篇文章的第二部分将讨论体外酶动力学数据在评价体内药代动力学参数中的意义。
升级会员 