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1、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，part 摘要：面对先进的组合合成 定义及特点：组合化学是一门将化学合成、组合理论、计算机辅助设计及机械手结合一体,并在短时间内将不同构建模块用巧妙构思,根据组合原理,系统反复连接,从而产生大批的分子多样性群体,形成化合物库(compound library),然后,运用组合原理,以巧妙的手段对库成分进行筛选优化,得到可能的有目标性能的化合物结构的科学。组合化学与传统合成有显著的不同。传统合成方法每次只合成一个化合物；组合合成用一个构建模块的n个单元与另一个构建模块的n个单元同时进行一步反应，得到nn个化合物；若进行m步反应，
2、则得到（nn）m个化合物。组合化学合成包括化合物库的制备、库成分的检测及目标化合物的筛选三个步骤。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
3、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 脂水分配系数：（lipo-hydro partition coefficient）为化合物在脂相和水相间达到平衡时的浓度比值，通常是以化合物在有机相中的浓度为分子，在水相中的浓度为分母。脂水分配系数越大，越易溶于脂，反之则越易溶于水。
4、易溶于脂的物质在机体内呈现亲脂性或疏水性，而易溶于水的现象称为亲水性。公式：脂水分配系数以P表示，化合物在有机相中浓度Co，在水相的浓度Cw。P=Co/Cw和pKa 酸的电离常数Ka，取负对数，即，-lgKa。可以说明酸的电离程度，即酸性强弱，酸越弱，Ka越小，pKa越大。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
5、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
6、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。Often elegance must be traded for speed early in the process.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。Path of a drug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
7、在血浆 血浆的主要作用是运载血细胞，运输维持人体生命活动所需的物质和体内产生的废物等。血浆是血液的重要组成部分，呈淡黄色液体（因含有胆红素）。血浆的化学成分中，水分占9092%，其他10%以溶质血浆蛋白为主，并含有电解质、营养素、酶、激素类、胆固醇和其他重要组成部分。血浆蛋白是多种蛋白质的总称，用盐析法可将其分为白蛋白、球蛋白和纤维蛋白原三类。和血细胞 血细胞又称“血球”，是存在于血液中的细胞，能随血液的流动遍及全身。以哺乳动物来说，血球细胞主要含下列三个部分： 红细胞：主要的功能是运送氧。 白细胞：主要扮演了免疫的角色。当病菌侵入人体时，白细胞能穿过毛细血管壁，集中到病菌入侵部位，将病菌包围
8、，吞噬。 血小板：止血过程中起着重要作用。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。Drug Metabolism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
9、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：相发生在肝微粒体 微粒体是细胞被匀浆破碎时, 内膜系统的膜结构破裂后自己重新封闭起来的小囊泡(主要是内质网和高尔基体), 这些小囊泡的直径大约100 nm左右, 是异质性的集合体, 将它们称为微粒体。 在体外实验中,具有蛋白质合成、蛋白质糖基化和脂类合成等内质网的基本功能。 微粒体在细胞生物学中定义为从内质网的碎片所得到的
10、小型囊泡。必须将肝脏或其他组织磨碎 (均质化)之后，才能得到微粒体。微粒体含有细胞色素P450 (CYP)酵素，与氧化代谢有关。，药物被功能化；相发生在肝细胞中，药物及其相代谢物发生结合。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。Cytochrome P 450 systemCyp450 酶系统，
11、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。Genetic polymorphism 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
12、。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
13、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
14、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
15、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。Outcome of drug metabolism 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
16、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
