药物代谢研究在新药开发中的作用
药物代谢研究在新药开发中的作用 赵冬梅* , 李.. 燕, 卢业竑1
( 中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所, 北京100050; 1 美国新泽西州立大学药学院肿瘤研究室, 新泽西州, 美国) .. .. 新药研究的过程一般可分为药物设计和新药开
发两个阶段。药物设计包括: ( 1) 针对某一特定治疗
靶点设计先导化合物, ( 2) 根据先导化合物的药理、
毒理及代谢等特性进行结构改造以获得新的候选
物; 在药物开发阶段主要对候选物进行药效及毒性
评估。药物代谢研究在这两个阶段都发挥着重要作
用。在新药设计阶段, 可针对先导化合物代谢过快
或生成毒性代谢物的特性进行结构改造以获得安全
稳定的候选物, 使之有更大的开发价值, 也可合成有
效代谢物或模拟有效代谢物的结构以获得新的候选
物; 而在新药开发阶段, 利用各种体外模型对候选物
的代谢特性( 如药酶诱导、抑制, 参与代谢的药酶种
类, 活性代谢物的生成等) 可进行高通量筛选, 以便
在研究开发早期确定药物是否有继续开发的价值,
并可用实验动物进行体内代谢研究, 以推断药物在
人体内的生物转化模式。美国最近一项报告指出,
药物研究过程中只有10% 的新药候选物可进入市
场[ 1] , 而大约40%的药物是由于无体内活性或药代
动力学参数不佳而遭淘汰。因此, 在药物设计及新
药开发早期进行药物代谢研究将有助于获得安全、
有效的治疗药物, 降低候选药物的淘汰率。本文从
新药设计、临床前及临床研究、药物不良反应3 方面 阐述药物代谢在新药开发中的重要性。
药物代谢研究与新药设计
许多体外高活性的化合物由于其不良的药代动
力学参数在体内无效( 如药物代谢速度过快导致药
物作用时间过短或吸收不良) , 或由于活性代谢物产
生毒性而失去开发价值。因此, 合理的药物设计应
考虑到药物代谢途径及相关代谢特征, 找出先导化
合物的代谢.. hot..spot , 对其结构进行改造, 降低毒
性或增加代谢稳定性[ 2] 。
收稿日期: 1999..04..20
* Tel : ( 010) 63165185, Fax: ( 010) 63017757,
E..mail: Zhaodm@ imm. ac. cn
1 .. 对先导药物进行化学改造, 改善药理作用, 降低
毒性
通过对先导化合物进行结构改造, 可使获得的
新药候选物按照已知的代谢途径失活或不代谢而由
原形排出体外, 提高药物的安全性, 也可防止药物失
活, 增加药效。
1. 1 .. 在体内不代谢或仅经水解酶代谢的药物设计
.. 对先导药物进行结构改造可得到在体内不代谢或
仅经水解酶代谢的候选物。由于这类药物可不经
P450 酶系统进行生物转化, 避免了活性代谢物的产
生而降低了药物毒性[ 2] 。如目前临床使用的骨吸
收抑
制剂双磷酸盐( bisphosphonates) 是由焦磷酸盐 经结构改造获得的。焦磷酸盐在体外可与磷酸钙牢
固结合, 抑制磷酸钙晶体的生成和溶解, 但由于焦磷
酸在体内到达病变位置前已被水解, 因此体内无抑
制骨吸收作用。对焦磷酸进行结构改造时发现当以
P- C- P 键代替焦磷酸的P- O- P 键时可得到双
磷酸盐, 它与焦磷酸有相似的活性, 但在动物或人体
内都不经代谢, 唯一的消除途径是肾排泄[ 3] 。又如
remifentanil( 商品名Ult iva) , 一个新开发的短效....
阿片受体激动剂, 其结构是一种甲基酯。约90% 以
上的药物在体内经酯酶水解代谢为无活性的酸性代
谢物经尿液排出[ 4] 。通常, 这类药物都非常安全,
无显著的系统毒性, 在新药设计中很受欢迎。但由
于药物代谢酶种类繁多, 作用底物广泛, 因此这类化
合物很难得到, 迄今仅有有限几例可供参考。
1. 2 .. 对药物分子进行结构修饰, 防止其失活.. 大部
分药物进入体内经转化后活力减弱甚至消失。若对
药物分子进行化学修饰防止其快速失活, 则可增加
药物的作用。如临床常用的6..巯基嘌呤( 6..
mercaptopurine) 在体内易被氧化脱硫而失去药效,
经结构改造保护巯基后, 可得到巯唑嘌呤
( azathioprin) 。
2 .. 合成有效代谢物或模拟有效代谢物结构, 以获得
新的候选物
某些药物通过生物转化形成的代谢物仍有药理
! 156 ! 药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160
活性, 由于这些代谢物通常与II 相酶结合排出体
外, 与原型药物相比可能安全性更高, 因此可作为候
选药物的一个来源。如扑热息痛( paracetamol) 是非
那西丁( phenacetin) 的O..脱乙基代谢物, 但扑热息
痛较非那西丁镇痛作用更强, 且不导致高铁血红蛋
白血症及溶血性贫血。扑热息痛在体内主要发生葡
糖醛酸化和硫酸化, 在临床规定的用量范围内是很
安全的[ 5] 。除I 相酶的氧化- 还原反应外, 通过II
相酶的共价结合反应也可产生有生物活性的代谢
物。如吗啡..6..葡糖醛酸( morphine 6..glucuronide) 是
比吗啡( morphine) 本身强的....阿片受体激动剂[ 6] 。
此外米诺地尔( minoxidil) 也是通过硫酸结合物在体
内产生治疗作用。
由于需要进行代谢研究的新药一般都是已明确
有一定生物活性的化合物, 因此通过代谢研究发现
的新药大多不是完全新类型的化合物, 而多是通过
对先导化合物进行结构改造以增加疗效或改善克服
不良反应, 这在新药开发工作中是一个不可忽视的
途径。有时新药存在的某些缺点能否克服是决定该
药是否有实用价值的重要因素[ 2] 。
药物代谢与临床前及临床研究
新药开发阶段首先用各种体外模型对候选物的
代谢特性进行筛
选以确定药物是否有继续开发的价 值, 随后进行动物的体内代谢研究以及人体的体外
代谢研究, 以推断药物在人体内可能的代谢途径及
是否安全有效。
1 .. 药物代谢的体外研究
在新药开发各阶段, 体外模型由于简单可行而
得到越来越广泛的应用。通过体外实验可以推断药
物代谢途径及参与代谢的相关酶系, 同时可以判断
药物是否由于竞争P450 酶系统而发生相互反应。
1. 1 .. 药物的体外高通量代谢筛选.. 进入90 年代以
来, 基因组计划及组合化学技术越来越广泛地用于
药物的设计过程, 为得到大量化合物提供新的途径,
同时高通量筛选方法的出现加快了对化合物生物学
活性进行评估的速度。因此, 大量化合物作为候选
物进入药物开发领域。为了加快新药开发的速度,
药物的高通量代谢研究也日趋成熟。关于药物代谢
酶的深入研究已使多种体外吸收# 代谢( AM) 模型
可在临床前研究中对药物的代谢特性进行体外高通
量筛选[ 7]
( 表1) 。
表1 .. 临床前药物代谢研究中用于人和动物的体外
模型
.. 可发现的代谢特征.. 可用模型
对药酶的诱导肝细胞原代培养
HepG2 细胞
肝切片
代谢不稳定肝细胞悬液
肝切片
亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
对药酶的抑制亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
肝细胞悬液
药物吸收差Caco..2 细胞
HT29..18..C1 细胞
是否由具有多态性的酶代谢c..DNA 表达的代谢酶
亚细胞结构( 如微粒体)
活性代谢物的生成亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
肝切片
肝细胞悬液/ 分离培养肝细胞
1. 2 .. 确定药物代谢途径及相关酶.. 在药物代谢过
程中, 一种酶可催化药物的多种代谢反应; 而多种同
工酶或不同酶系统可能催化同一代谢反应。如抗组
胺药特非那定( terfenadine) 在人体内的N..脱烷基化
和C..羟化反应都由CYP3A4 催化[ 8]
, 而米帕明
( mipramine) 在人肝微粒体中的脱甲基化反应则由
CYP1A2 和CYP3A4 两种同工酶共同完成[ 9] 。药
物代谢反应的这种复杂性是由药物代谢酶系统的多
样性造成的。同样, 多数手性药物的代谢有立体选
择性, 这也可能是由于不同的同工酶参与了不同对
映体的代谢。如大鼠中R 和S..美芬妥英
( mepheny toin) 的4..羟基化反应是立体选择性的, S..
和R..美芬妥英的4..羟基化分别由CYP2C11 和
CYP3A1/ 2 催化[ 10] 。
药物由体外模型得到的代谢特征通常可一定程
度地反映体内的代谢特性, 因此, 可在新药开发的早
期阶段用人体体外实验进行药物代谢的有关研究以
确定药物在人体内可能的代谢特征。如体外实验常
用肝切片系统, 既保留了生理状态下药物进行生物
转化时I 相和II
相反应所需的酶和辅助因子, 而且 与体内的代谢环境较为相似[ 11] 。除肝切片外, 分离
培养的肝细胞及高表达的代谢酶也经常用来进行体
外药物代谢研究。
1. 3 .. 确定药物间相互反应.. 生物转化过程是许多
药物消除的主要途径, 因此当两种或多种药物经同
一代谢酶代谢时, 药物间则可能由于对药酶的竞争
药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160 ! 157 !
而发生相互作用。如当奥美拉唑( omeprazole) 与地
西泮( diazepam) 合用时, 由于二药皆由CYP2C19 代
谢且与酶的亲和力不同, 因此在高代谢( ex tensive
metabolizers, EM) 人群中可见地西泮的血药浓度显
著增加, 导致严重的不良反应[ 12] 。近年来由于分子
生物学技术的进步, 药物代谢的体外研究在技术上
已取得巨大进步, 如今可利用体外系统协助进行药
物间相互作用的研究。
2 .. 动物的体内实验
在临床前研究过程中, 不仅要对药物的体外代
谢、药效、及机制等方面进行研究, 同时要选定合适
的动物种类进行体内实验。在新药报批时, 药政管
理机构需要生产厂家提供在动物身上对母体药物及
代谢物进行药理、毒理及代谢等研究的数据, 并要确
定人体应用的安全范围。因此, 在体内实验过程中
一定要选择与人有相似代谢特征的动物。
2. 1 .. 体内代谢产物的收集.. 代谢产物的收集与研
究是药物代谢研究中最经典、同时也是十分有效的
方法之一。由于药物最终会通过与母核相关的一种
或多种代谢物排出体外, 因此, 分离鉴定代谢产物可
在一定程度上了解药物的代谢途径。近年来,
HPLC 及GC..MS..MS, LC..MS..MS, LC..NMR 及LC..
MS..NMR 等高速、高效、高灵敏度的分析方法已用
于代谢产物的分析, 可在检测出极微量代谢产物的
同时鉴定代谢产物的结构。
2. 2 .. 体内生化研究.. 近年来在分子水平对药物代
谢酶已进行了越来越深入的研究, 促使药物的体内
代谢研究不仅局限于对代谢产物的分离鉴定, 而且
参与药物代谢的酶学特征及相关基因分子生物学特
征。
在体内药物代谢研究的过程中可观察到, 同一
药物在不同种属、个体或性别动物体内其代谢、药效
及毒性可能存在很大的差别, 这是由于其药物代谢
酶水平和组成的差异所致。以P450 酶系统为例,
目前, 在哺乳动物中已鉴别出14 个P450 基因家
族[ 13] 。除P450 酶系统外, 尿苷二磷酸葡糖醛酸转
移酶( UDPGTs) 和羧酸酯酶也都是由不同的同工酶
构成的大家族, 各同工酶的代谢活性有明显的种属
差异。
同工酶学说可解释药物代谢过程中的种属差异
及立体选择性代谢等现象。如洛沙坦( losartan) 在
大鼠和猴子体内分别经氧化及葡糖醛酸化反
应进行
代谢, 而在人体内则产生几乎相等的氧化和葡糖醛
酸化代谢物[ 14] 。同样, 多数手性药物的立体选择性
代谢也属此例。如口服抗凝药华法林( w arfarin) , 临
床以消旋体用药, 但其代谢是立体选择性的。S..华
法林在体内主要由CYP2C9 催化代谢为S..7..OH 华
法林及一小部分S..6..OH 华法林; 而R..华法林在体
内则由CYP1A2 和CYP2C19 催化, 主要代谢为R..
6..OH 华法林及一小部分R..7..OH 华法林[ 15] 。药物
代谢过程中的性别多态性现象也可由同工酶学说来
解释。
3 .. 预测人体内的代谢特征
在进入临床实验前, 根据药物代谢的体外及动
物体内特性可初步推断出药物在人体的代谢途径,
并可定量( 或半定量) 估计药物各代谢途径的清除
率。这时还应注意由于种族及环境等因素, 不同人
群中药物代谢酶的基因构成可能有很大差异, 即药
物代谢酶的基因多态性。当药物主要由这类酶代谢
时, 不同患者对同一药物的代谢速率可能有显著差
异[ 16] 。
关于人药物代谢酶的基因多态性研究较为广泛
的两个酶是CYP2D6 和CYP2C19。按照CYP2D6
的基因多态性可将人群分为超快代谢型( ultra..rapid
metabolizers, UM ) 、高代谢型( extensive metaboli..
zers, EM) 和低代谢型( poor metabolizers, PM) 3 个
表现型。在高加索人群中, 约有5% ~ 10% 的人为
PM 表现型, 而在亚洲人群中, 只有1% ~ 2%的人为
PM 表现型。迄今已发现包括抗抑郁药、抗精神病
药以及心血管系统药物等至少50 种药物主要是通
过CYP2D6 代谢的[ 17] 。同样, 按照CYP2C19 的基
因多态性也可将人群分为EM 和PM 两个表现型。
在高加索人群中, 大约有2% ~ 6% 的人为PM 表现
型, 而在亚洲人群中, 约有14% ~ 22% 的人为PM
表现型。
4 .. 临床研究
新药准备进入临床研究前一定要了解药物的代
谢图谱, 只有这样才能确定药物在人体内不会产生
未知物, 避免人体由于暴露于未知化合物而可能产
生的毒性; 通常适当的人体体外实验可以避免这种
意外的发生。可是如果进入临床后在人体内发现有
大量未知代谢物的生成, 通常要暂停开发, 直到合成
出该未知代谢物并通过动物实验确定无毒后才能继
续。此外, 清楚药物的代谢途径还可以确定药物是
否通过P450 酶系统介导的氧化- 结合反应进行消
除, 如否, 则可简化药物间相互作用的研究[ 16] 。
通过以上一系列研究, 在临床药理研究的最后
阶段, 关于药物的代谢途径、活性代谢物的存在、代
! 158 ! 药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160
谢的种属差异以及药物对代谢酶的诱导及抑制等特
征都已清楚, 这些数据在临床针对不同情况、不同特
异质及特殊人群的用药有很重要的理论意
义和实用
价值。
药物代谢与药物不良反应
为保证药物临床应用的安全性, 在开发过程中
一定要对新药进行全面细致的安全评价, 并要充分
预测在人体内可能产生的毒性。药物代谢过程中的
氧化结合反应、对药酶的诱导和抑制以及药物的立
体选择性代谢、参与药物代谢的酶的基因多态性等
都与药物毒性的产生相关。虽然药物代谢有种属特
异性, 药物诱导产生的毒性也有种属依赖性, 但一般
仍可用动物实验预测药物的安全性。
1 .. 氧化和结合反应与药物毒性
药物通过氧化反应产生的活性代谢物可能是药
物产生毒性的重要因素, 如临床常用的扑热息痛大
剂量时产生的肝毒性即是由于被P450 酶系统氧化
生成大量的N..乙酰..对..苯醌亚胺( NAPQI ) 致肝内
GSH 被耗竭, 而后NAPQI 与肝细胞蛋白质进行共
价结合所导致。除氧化反应外, 葡糖醛酸化、硫酸化
及GSH 结合等II 相反应也与药物产生的毒性有
关, 如某些杂环芳胺类化合物可在肝脏中转化为N..
羟基..N..葡糖醛酸代谢物, 随胆汁进入肠道后在细
菌....葡糖醛酸酶的作用下释放出致癌的羟胺类化合
物而导致结肠癌的发生[ 18] 。
2 .. 药酶的诱导和抑制与药物毒性
对药酶的诱导与抑制除了改变药物解毒的速率
外, 对活性代谢物的生成亦有重要影响。对药酶的
诱导可通过加速活性代谢物的生成而增加药物的毒
性, 如CYP1A 可催化苯并芘生成具有强致癌性的
中间物, 而有CYP1A 诱导作用的药物可加速这种
活性代谢物的生成。由于药酶的抑制引发的药物间
相互作用也可导致非常严重的不良反应。如特非那
定( terfenadine ) 主要由CYP3A 代谢, 而酮康唑
( ketoconazole) 是CYP3A 的强抑制剂, 因此当特非
那定和酮康唑同时应用时, 可导致特非那定的血药
浓度升高, 引起严重的心脏毒性, 甚至危及生命[ 19] 。 3 .. 立体选择性毒性
从药效学的角度分析, 药物产生药效及毒性多
是由药物分子与特殊的酶或受体的相互作用决定
的, 因此手性药物的对映体之间在药效及毒性上可
能有很大差别。如在世界范围内引起巨大反响的镇
静催眠药反应停( thalidomide) 在60 年代是以消旋
体的形式上市的。后来的研究者在对大鼠及小鼠的
研究中发现, 反应停的S..对映体有致畸性, 而R..对
映体则无致畸性。而当S..和R..反应停分别给予兔
时, 却都有致畸性, 而且消旋体似有更大的致畸性。
很明显, 反应停的毒性有立体选择性, 且这种立体选
择性毒性是有种属特异性的。如果在反应停进入临
床前仔细对其种属特异的立体选择性毒性进行实
验, 则反应停造成的悲剧就可能避免。
4 .. 药物代谢酶的基因多态性与药物毒性
某些
药物代谢酶具有基因多态性并可依此将人 群分为EM 及PM 等表现型, 对于主要由这类酶代
谢且治疗范围比较窄的药物来说, 在不同表现型人
群中产生的药理作用可能有很大差别, 因而更易产
生毒性的差别。临床已证实经CYP2D6 代谢的药
物在PM 表现型的患者身上更易产生不良反应。如
普罗帕酮( propafenone) 是主要由CYP2D6 代谢的药
物, Siddow ay 等人[ 20] 在28 位慢性室性心率不齐病
人( 22EM 和6PM) 中的研究表明, 普罗帕酮在PM
病人体内的血浆稳态血药浓度要高于EM 病人。这
使PMs 发生中枢神经系统副作用的比率( 67%) 要
明显高于EMs 病人( 14%) 。
研究展望
药物代谢过程是药物在体内产生药效及毒性的
主要过程, 因此, 为更好地设计新药, 保证临床用药
的安全性及有效性, 降低药物研究过程中的高淘汰
率, 需要加强药物代谢酶及代谢过程的基础研究。
目前, 关于药物代谢酶仍有一些问题尚未完全解决,
如一些药物代谢酶的三维结构仍不完全清楚; P450
酶系统如何产生活性中间体, 其结构如何, 怎样氧化
底物等; 此外, 如何通过临床前的实验结果预测新药
候选物是否对P450 酶系统有诱导作用, 如何预测
活性代谢物介导的毒性, 某些P450 酶系统家族的
定位及功能等问题仍未完全解决[ 16] 。这些问题的
解决将对药物研究将具有指导性作用。在药物设计
上, 对酶分子结构的深入研究将指导新药的开发过
程。如Szklarz 等人[ 21] 在最近的研究中采用定点突
变的方法对CYP3A4 和CYP2B1 底物特异性的分
子机制进行了研究, 将有助于了解酶诱导及抑制的
分子机制, 进而可指导靶向药物的分子结构设计。
同时由于对化合物的生物学活性进行快速评估的高
通量筛选方法的出现, 使得大量候选药物进入开发
药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160 ! 159 !
阶段[ 7, 22] , 这也需要加强对药物代谢酶的基础研
究, 以便获得更好的药物高通量代谢研究模型。
关键词.. 药物代谢; 新药开发; 新药设计; 安全性和不良
反应
参考文献
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THE ROLE OF DRUGMETABOLISM IN NEW DRUG DEVELOPMENT
Zhao Dongmei, Li Yan and Lu Yehong
( Inst itute of Mater ia Medi ca , Chinese Academy of Medical Sciences and
Peking Union Medical Coll ege, Beij ing 100050 ; Laboratory f or Cancer Research, Dep t of Chemi cl Biology , Col lege of Pharmacy , Pi scataw ay , USA )
KEYWORDS.. drug metabolism; new drug development; drug design; safety and side ef fect
! 160 ! 药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160
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药物代谢研究在新药开发中的作用 赵冬梅* , 李.. 燕, 卢业竑1
( 中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所, 北京100050; 1 美国新泽西州立大学药学院肿瘤研究室, 新泽西州, 美国) .. .. 新药研究的过程一般可分为药物设计和新药开
发两个阶段。药物设计包括: ( 1) 针对某一特定治疗
靶点设计先导化合物, ( 2) 根据先导化合物的药理、
毒理及代谢等特性进行结构改造以获得新的候选
物; 在药物开发阶段主要对候选物进行药效及毒性
评估。药物代谢研究在这两个阶段都发挥着重要作
用。在新药设计阶段, 可针对先导化合物代谢过快
或生成毒性代谢物的特性进行结构改造以获得安全
稳定的候选物, 使之有更大的开发价值, 也可合成有
效代谢物或模拟有效代谢物的结构以获得新的候选
物; 而在新药开发阶段, 利用各种体外模型对候选物
的代谢特性( 如药酶诱导、抑制, 参与代谢的药酶种
类, 活性代谢物的生成等) 可进行高通量筛选, 以便
在研究开发早期确定药物是否有继续开发的价值,
并可用实验动物进行体内代谢研究, 以推断药物在
人体内的生物转化模式。美国最近一项报告指出,
药物研究过程中只有10% 的新药候选物可进入市
场[ 1] , 而大约40%的药物是由于无体内活性或药代
动力学参数不佳而遭淘汰。因此, 在药物设计及新
药开发早期进行药物代谢研究将有助于获得安全、
有效的治疗药物, 降低候选药物的淘汰率。本文从
新药设计、临床前及临床研究、药物不良反应3 方面 阐述药物代谢在新药开发中的重要性。
药物代谢研究与新药设计
许多体外高活性的化合物由于其不良的药代动
力学参数在体内无效( 如药物代谢速度过快导致药
物作用时间过短或吸收不良) , 或由于活性代谢物产
生毒性而失去开发价值。因此, 合理的药物设计应
考虑到药物代谢途径及相关代谢特征, 找出先导化
合物的代谢.. hot..spot , 对其结构进行改造, 降低毒
性或增加代谢稳定性[ 2] 。
收稿日期: 1999..04..20
* Tel : ( 010) 63165185, Fax: ( 010) 63017757,
E..mail: Zhaodm@ imm. ac. cn
1 .. 对先导药物进行化学改造, 改善药理作用, 降低
毒性
通过对先导化合物进行结构改造, 可使获得的
新药候选物按照已知的代谢途径失活或不代谢而由
原形排出体外, 提高药物的安全性, 也可防止药物失
活, 增加药效。
1. 1 .. 在体内不代谢或仅经水解酶代谢的药物设计
.. 对先导药物进行结构改造可得到在体内不代谢或
仅经水解酶代谢的候选物。由于这类药物可不经
P450 酶系统进行生物转化, 避免了活性代谢物的产
生而降低了药物毒性[ 2] 。如目前临床使用的骨吸
收抑
制剂双磷酸盐( bisphosphonates) 是由焦磷酸盐 经结构改造获得的。焦磷酸盐在体外可与磷酸钙牢
固结合, 抑制磷酸钙晶体的生成和溶解, 但由于焦磷
酸在体内到达病变位置前已被水解, 因此体内无抑
制骨吸收作用。对焦磷酸进行结构改造时发现当以
P- C- P 键代替焦磷酸的P- O- P 键时可得到双
磷酸盐, 它与焦磷酸有相似的活性, 但在动物或人体
内都不经代谢, 唯一的消除途径是肾排泄[ 3] 。又如
remifentanil( 商品名Ult iva) , 一个新开发的短效....
阿片受体激动剂, 其结构是一种甲基酯。约90% 以
上的药物在体内经酯酶水解代谢为无活性的酸性代
谢物经尿液排出[ 4] 。通常, 这类药物都非常安全,
无显著的系统毒性, 在新药设计中很受欢迎。但由
于药物代谢酶种类繁多, 作用底物广泛, 因此这类化
合物很难得到, 迄今仅有有限几例可供参考。
1. 2 .. 对药物分子进行结构修饰, 防止其失活.. 大部
分药物进入体内经转化后活力减弱甚至消失。若对
药物分子进行化学修饰防止其快速失活, 则可增加
药物的作用。如临床常用的6..巯基嘌呤( 6..
mercaptopurine) 在体内易被氧化脱硫而失去药效,
经结构改造保护巯基后, 可得到巯唑嘌呤
( azathioprin) 。
2 .. 合成有效代谢物或模拟有效代谢物结构, 以获得
新的候选物
某些药物通过生物转化形成的代谢物仍有药理
! 156 ! 药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160
活性, 由于这些代谢物通常与II 相酶结合排出体
外, 与原型药物相比可能安全性更高, 因此可作为候
选药物的一个来源。如扑热息痛( paracetamol) 是非
那西丁( phenacetin) 的O..脱乙基代谢物, 但扑热息
痛较非那西丁镇痛作用更强, 且不导致高铁血红蛋
白血症及溶血性贫血。扑热息痛在体内主要发生葡
糖醛酸化和硫酸化, 在临床规定的用量范围内是很
安全的[ 5] 。除I 相酶的氧化- 还原反应外, 通过II
相酶的共价结合反应也可产生有生物活性的代谢
物。如吗啡..6..葡糖醛酸( morphine 6..glucuronide) 是
比吗啡( morphine) 本身强的....阿片受体激动剂[ 6] 。
此外米诺地尔( minoxidil) 也是通过硫酸结合物在体
内产生治疗作用。
由于需要进行代谢研究的新药一般都是已明确
有一定生物活性的化合物, 因此通过代谢研究发现
的新药大多不是完全新类型的化合物, 而多是通过
对先导化合物进行结构改造以增加疗效或改善克服
不良反应, 这在新药开发工作中是一个不可忽视的
途径。有时新药存在的某些缺点能否克服是决定该
药是否有实用价值的重要因素[ 2] 。
药物代谢与临床前及临床研究
新药开发阶段首先用各种体外模型对候选物的
代谢特性进行筛
选以确定药物是否有继续开发的价 值, 随后进行动物的体内代谢研究以及人体的体外
代谢研究, 以推断药物在人体内可能的代谢途径及
是否安全有效。
1 .. 药物代谢的体外研究
在新药开发各阶段, 体外模型由于简单可行而
得到越来越广泛的应用。通过体外实验可以推断药
物代谢途径及参与代谢的相关酶系, 同时可以判断
药物是否由于竞争P450 酶系统而发生相互反应。
1. 1 .. 药物的体外高通量代谢筛选.. 进入90 年代以
来, 基因组计划及组合化学技术越来越广泛地用于
药物的设计过程, 为得到大量化合物提供新的途径,
同时高通量筛选方法的出现加快了对化合物生物学
活性进行评估的速度。因此, 大量化合物作为候选
物进入药物开发领域。为了加快新药开发的速度,
药物的高通量代谢研究也日趋成熟。关于药物代谢
酶的深入研究已使多种体外吸收# 代谢( AM) 模型
可在临床前研究中对药物的代谢特性进行体外高通
量筛选[ 7]
( 表1) 。
表1 .. 临床前药物代谢研究中用于人和动物的体外
模型
.. 可发现的代谢特征.. 可用模型
对药酶的诱导肝细胞原代培养
HepG2 细胞
肝切片
代谢不稳定肝细胞悬液
肝切片
亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
对药酶的抑制亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
肝细胞悬液
药物吸收差Caco..2 细胞
HT29..18..C1 细胞
是否由具有多态性的酶代谢c..DNA 表达的代谢酶
亚细胞结构( 如微粒体)
活性代谢物的生成亚细胞结构( 如微粒体)
c..DNA 表达的代谢酶
肝切片
肝细胞悬液/ 分离培养肝细胞
1. 2 .. 确定药物代谢途径及相关酶.. 在药物代谢过
程中, 一种酶可催化药物的多种代谢反应; 而多种同
工酶或不同酶系统可能催化同一代谢反应。如抗组
胺药特非那定( terfenadine) 在人体内的N..脱烷基化
和C..羟化反应都由CYP3A4 催化[ 8]
, 而米帕明
( mipramine) 在人肝微粒体中的脱甲基化反应则由
CYP1A2 和CYP3A4 两种同工酶共同完成[ 9] 。药
物代谢反应的这种复杂性是由药物代谢酶系统的多
样性造成的。同样, 多数手性药物的代谢有立体选
择性, 这也可能是由于不同的同工酶参与了不同对
映体的代谢。如大鼠中R 和S..美芬妥英
( mepheny toin) 的4..羟基化反应是立体选择性的, S..
和R..美芬妥英的4..羟基化分别由CYP2C11 和
CYP3A1/ 2 催化[ 10] 。
药物由体外模型得到的代谢特征通常可一定程
度地反映体内的代谢特性, 因此, 可在新药开发的早
期阶段用人体体外实验进行药物代谢的有关研究以
确定药物在人体内可能的代谢特征。如体外实验常
用肝切片系统, 既保留了生理状态下药物进行生物
转化时I 相和II
相反应所需的酶和辅助因子, 而且 与体内的代谢环境较为相似[ 11] 。除肝切片外, 分离
培养的肝细胞及高表达的代谢酶也经常用来进行体
外药物代谢研究。
1. 3 .. 确定药物间相互反应.. 生物转化过程是许多
药物消除的主要途径, 因此当两种或多种药物经同
一代谢酶代谢时, 药物间则可能由于对药酶的竞争
药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160 ! 157 !
而发生相互作用。如当奥美拉唑( omeprazole) 与地
西泮( diazepam) 合用时, 由于二药皆由CYP2C19 代
谢且与酶的亲和力不同, 因此在高代谢( ex tensive
metabolizers, EM) 人群中可见地西泮的血药浓度显
著增加, 导致严重的不良反应[ 12] 。近年来由于分子
生物学技术的进步, 药物代谢的体外研究在技术上
已取得巨大进步, 如今可利用体外系统协助进行药
物间相互作用的研究。
2 .. 动物的体内实验
在临床前研究过程中, 不仅要对药物的体外代
谢、药效、及机制等方面进行研究, 同时要选定合适
的动物种类进行体内实验。在新药报批时, 药政管
理机构需要生产厂家提供在动物身上对母体药物及
代谢物进行药理、毒理及代谢等研究的数据, 并要确
定人体应用的安全范围。因此, 在体内实验过程中
一定要选择与人有相似代谢特征的动物。
2. 1 .. 体内代谢产物的收集.. 代谢产物的收集与研
究是药物代谢研究中最经典、同时也是十分有效的
方法之一。由于药物最终会通过与母核相关的一种
或多种代谢物排出体外, 因此, 分离鉴定代谢产物可
在一定程度上了解药物的代谢途径。近年来,
HPLC 及GC..MS..MS, LC..MS..MS, LC..NMR 及LC..
MS..NMR 等高速、高效、高灵敏度的分析方法已用
于代谢产物的分析, 可在检测出极微量代谢产物的
同时鉴定代谢产物的结构。
2. 2 .. 体内生化研究.. 近年来在分子水平对药物代
谢酶已进行了越来越深入的研究, 促使药物的体内
代谢研究不仅局限于对代谢产物的分离鉴定, 而且
参与药物代谢的酶学特征及相关基因分子生物学特
征。
在体内药物代谢研究的过程中可观察到, 同一
药物在不同种属、个体或性别动物体内其代谢、药效
及毒性可能存在很大的差别, 这是由于其药物代谢
酶水平和组成的差异所致。以P450 酶系统为例,
目前, 在哺乳动物中已鉴别出14 个P450 基因家
族[ 13] 。除P450 酶系统外, 尿苷二磷酸葡糖醛酸转
移酶( UDPGTs) 和羧酸酯酶也都是由不同的同工酶
构成的大家族, 各同工酶的代谢活性有明显的种属
差异。
同工酶学说可解释药物代谢过程中的种属差异
及立体选择性代谢等现象。如洛沙坦( losartan) 在
大鼠和猴子体内分别经氧化及葡糖醛酸化反
应进行
代谢, 而在人体内则产生几乎相等的氧化和葡糖醛
酸化代谢物[ 14] 。同样, 多数手性药物的立体选择性
代谢也属此例。如口服抗凝药华法林( w arfarin) , 临
床以消旋体用药, 但其代谢是立体选择性的。S..华
法林在体内主要由CYP2C9 催化代谢为S..7..OH 华
法林及一小部分S..6..OH 华法林; 而R..华法林在体
内则由CYP1A2 和CYP2C19 催化, 主要代谢为R..
6..OH 华法林及一小部分R..7..OH 华法林[ 15] 。药物
代谢过程中的性别多态性现象也可由同工酶学说来
解释。
3 .. 预测人体内的代谢特征
在进入临床实验前, 根据药物代谢的体外及动
物体内特性可初步推断出药物在人体的代谢途径,
并可定量( 或半定量) 估计药物各代谢途径的清除
率。这时还应注意由于种族及环境等因素, 不同人
群中药物代谢酶的基因构成可能有很大差异, 即药
物代谢酶的基因多态性。当药物主要由这类酶代谢
时, 不同患者对同一药物的代谢速率可能有显著差
异[ 16] 。
关于人药物代谢酶的基因多态性研究较为广泛
的两个酶是CYP2D6 和CYP2C19。按照CYP2D6
的基因多态性可将人群分为超快代谢型( ultra..rapid
metabolizers, UM ) 、高代谢型( extensive metaboli..
zers, EM) 和低代谢型( poor metabolizers, PM) 3 个
表现型。在高加索人群中, 约有5% ~ 10% 的人为
PM 表现型, 而在亚洲人群中, 只有1% ~ 2%的人为
PM 表现型。迄今已发现包括抗抑郁药、抗精神病
药以及心血管系统药物等至少50 种药物主要是通
过CYP2D6 代谢的[ 17] 。同样, 按照CYP2C19 的基
因多态性也可将人群分为EM 和PM 两个表现型。
在高加索人群中, 大约有2% ~ 6% 的人为PM 表现
型, 而在亚洲人群中, 约有14% ~ 22% 的人为PM
表现型。
4 .. 临床研究
新药准备进入临床研究前一定要了解药物的代
谢图谱, 只有这样才能确定药物在人体内不会产生
未知物, 避免人体由于暴露于未知化合物而可能产
生的毒性; 通常适当的人体体外实验可以避免这种
意外的发生。可是如果进入临床后在人体内发现有
大量未知代谢物的生成, 通常要暂停开发, 直到合成
出该未知代谢物并通过动物实验确定无毒后才能继
续。此外, 清楚药物的代谢途径还可以确定药物是
否通过P450 酶系统介导的氧化- 结合反应进行消
除, 如否, 则可简化药物间相互作用的研究[ 16] 。
通过以上一系列研究, 在临床药理研究的最后
阶段, 关于药物的代谢途径、活性代谢物的存在、代
! 158 ! 药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160
谢的种属差异以及药物对代谢酶的诱导及抑制等特
征都已清楚, 这些数据在临床针对不同情况、不同特
异质及特殊人群的用药有很重要的理论意
义和实用
价值。
药物代谢与药物不良反应
为保证药物临床应用的安全性, 在开发过程中
一定要对新药进行全面细致的安全评价, 并要充分
预测在人体内可能产生的毒性。药物代谢过程中的
氧化结合反应、对药酶的诱导和抑制以及药物的立
体选择性代谢、参与药物代谢的酶的基因多态性等
都与药物毒性的产生相关。虽然药物代谢有种属特
异性, 药物诱导产生的毒性也有种属依赖性, 但一般
仍可用动物实验预测药物的安全性。
1 .. 氧化和结合反应与药物毒性
药物通过氧化反应产生的活性代谢物可能是药
物产生毒性的重要因素, 如临床常用的扑热息痛大
剂量时产生的肝毒性即是由于被P450 酶系统氧化
生成大量的N..乙酰..对..苯醌亚胺( NAPQI ) 致肝内
GSH 被耗竭, 而后NAPQI 与肝细胞蛋白质进行共
价结合所导致。除氧化反应外, 葡糖醛酸化、硫酸化
及GSH 结合等II 相反应也与药物产生的毒性有
关, 如某些杂环芳胺类化合物可在肝脏中转化为N..
羟基..N..葡糖醛酸代谢物, 随胆汁进入肠道后在细
菌....葡糖醛酸酶的作用下释放出致癌的羟胺类化合
物而导致结肠癌的发生[ 18] 。
2 .. 药酶的诱导和抑制与药物毒性
对药酶的诱导与抑制除了改变药物解毒的速率
外, 对活性代谢物的生成亦有重要影响。对药酶的
诱导可通过加速活性代谢物的生成而增加药物的毒
性, 如CYP1A 可催化苯并芘生成具有强致癌性的
中间物, 而有CYP1A 诱导作用的药物可加速这种
活性代谢物的生成。由于药酶的抑制引发的药物间
相互作用也可导致非常严重的不良反应。如特非那
定( terfenadine ) 主要由CYP3A 代谢, 而酮康唑
( ketoconazole) 是CYP3A 的强抑制剂, 因此当特非
那定和酮康唑同时应用时, 可导致特非那定的血药
浓度升高, 引起严重的心脏毒性, 甚至危及生命[ 19] 。 3 .. 立体选择性毒性
从药效学的角度分析, 药物产生药效及毒性多
是由药物分子与特殊的酶或受体的相互作用决定
的, 因此手性药物的对映体之间在药效及毒性上可
能有很大差别。如在世界范围内引起巨大反响的镇
静催眠药反应停( thalidomide) 在60 年代是以消旋
体的形式上市的。后来的研究者在对大鼠及小鼠的
研究中发现, 反应停的S..对映体有致畸性, 而R..对
映体则无致畸性。而当S..和R..反应停分别给予兔
时, 却都有致畸性, 而且消旋体似有更大的致畸性。
很明显, 反应停的毒性有立体选择性, 且这种立体选
择性毒性是有种属特异性的。如果在反应停进入临
床前仔细对其种属特异的立体选择性毒性进行实
验, 则反应停造成的悲剧就可能避免。
4 .. 药物代谢酶的基因多态性与药物毒性
某些
药物代谢酶具有基因多态性并可依此将人 群分为EM 及PM 等表现型, 对于主要由这类酶代
谢且治疗范围比较窄的药物来说, 在不同表现型人
群中产生的药理作用可能有很大差别, 因而更易产
生毒性的差别。临床已证实经CYP2D6 代谢的药
物在PM 表现型的患者身上更易产生不良反应。如
普罗帕酮( propafenone) 是主要由CYP2D6 代谢的药
物, Siddow ay 等人[ 20] 在28 位慢性室性心率不齐病
人( 22EM 和6PM) 中的研究表明, 普罗帕酮在PM
病人体内的血浆稳态血药浓度要高于EM 病人。这
使PMs 发生中枢神经系统副作用的比率( 67%) 要
明显高于EMs 病人( 14%) 。
研究展望
药物代谢过程是药物在体内产生药效及毒性的
主要过程, 因此, 为更好地设计新药, 保证临床用药
的安全性及有效性, 降低药物研究过程中的高淘汰
率, 需要加强药物代谢酶及代谢过程的基础研究。
目前, 关于药物代谢酶仍有一些问题尚未完全解决,
如一些药物代谢酶的三维结构仍不完全清楚; P450
酶系统如何产生活性中间体, 其结构如何, 怎样氧化
底物等; 此外, 如何通过临床前的实验结果预测新药
候选物是否对P450 酶系统有诱导作用, 如何预测
活性代谢物介导的毒性, 某些P450 酶系统家族的
定位及功能等问题仍未完全解决[ 16] 。这些问题的
解决将对药物研究将具有指导性作用。在药物设计
上, 对酶分子结构的深入研究将指导新药的开发过
程。如Szklarz 等人[ 21] 在最近的研究中采用定点突
变的方法对CYP3A4 和CYP2B1 底物特异性的分
子机制进行了研究, 将有助于了解酶诱导及抑制的
分子机制, 进而可指导靶向药物的分子结构设计。
同时由于对化合物的生物学活性进行快速评估的高
通量筛选方法的出现, 使得大量候选药物进入开发
药学学报Acta Pharmaceutica Sinica 2000, 35( 2).156~ 160 ! 159 !
阶段[ 7, 22] , 这也需要加强对药物代谢酶的基础研
究, 以便获得更好的药物高通量代谢研究模型。
关键词.. 药物代谢; 新药开发; 新药设计; 安全性和不良
反应
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KEYWORDS.. drug metabolism; new drug development; drug design; safety and side ef fect
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