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Drug-like Properties (I) 精选

已有 4157 次阅读 2016-4-21 11:55 |系统分类:科研笔记

Drug-like Properties (I): Introductory Concepts

早晨上班的路上,Lilly问我能否帮助她查阅一些资料,关于LogP和LogD。我当然爽快的答应了,我最喜欢和这种能“提出问题”的人交流,暂且不管问题大小,有欲望,才有学习的动力,这也是我会为之倾其所有的原因。接下来的几篇科研杂记写给这位最亲爱的同事和“领导”,彼此相互熟悉一下手里的工作,也可以静下心来琢磨一番“工作为什么要这么做?药物为何要这样设计和筛选?”。主要内容参考自:

Drug-likeProperties: Concepts, Structure Design and Methods: from ADME to Toxicity Optimization

(By Edward H.Kerns and Li Di)

这本电子书来自一位年轻的朋友,当时我们彼此分享了手里的资料,这种感觉很好,相互学习,共享资源,在此对他表示感谢!

谈到药物,我们都很熟悉;谈到如何设计药物,就不好回答了,case-by-case;谈到手里的工作是为什么而作,感觉是一件容易回答的问题,其实不然,很多人不知道其中缘由,只是工作而已,其中也包括我自己。我是带着许多疑问搜索一些自己需要的消息,临床的研究暂且放在一边,若是能在今年8月份之前能搞清楚临床前的药物研究,也不愧于在Pharmaron工作两年。关于ADEMT,公司有大把的专家,小弟在此班门弄斧了,还请阅读此文的同事指正。

——写在故事之前

 

曾有人在公司内报告过关于Drug-like的故事,现在没有多少印象,多半是因为当时很多知识并不了解,无法真正体会其中含义,要么就是药物的研发的领域实在是过于庞大,一般需要了解一个化合物的诸多特性才可进入临床试验:如结构的特征,包括分子量、氢键结合、极性、构型、亲脂性、pKa等;物理化学特征,包括溶解性、渗透能力、稳定性等;生化特征,包括代谢过程(I相和II相)、蛋白结合能力、转运(吸收和排出)等;PK(Pharmacokinetics,可以理解成化合物在动物体内的表现)和毒性特征,包括清除率、半衰期、生物活性,药物间相互作用(DDI, drug-drug interaction)、LD50等。这里面的每一项都有很多故事,有许多细节先保留,日后有需要的地方再做解释。


Overview of drug research anddevelopment stages and their major activities.

对于一个新的小分子化合物,简单说需要药物研发(Discovery)和临床药物开发(Clinical Development)两大部分,获得FDA批准后再进入临床应用(Clinical Application)阶段,而我们的工作主要集中在Discovery部分。再早期的药物研究中,临床前的研究并不是很深入,规则也缺乏合理性,这就造成了许多化合物进入临床后多有疗效不佳、副作用明显等问题,最终只能提前终止临床试验或者后期被撤回。1988年有篇paper描述了药物失败的原因,有39%左右的化合物失败主要由于他们的生物制药学特性不够好(主要是PK和生物活性,bioavailability)。(Prentis,R. et al., (1988). British Journal ofClinical Pharmacology, 25, 387–396)渐渐的人们意识到临床前研究的重要性,不仅能节约成本,还能加快药物的研发速度。ADMET(absorption, distribution, metabolism,excretion and toxicity)就是在这样的背景下成为了如今药物研发过程中重要的模块之一。相关实验获得了诸多的实验数据,也就绘出了一个化合物的特性(Drug Properties)。也是由于该领域的快速发展,使得药物失败的比率降在2000年降低到10%。(Kola, I. and Landis, J. (2004). NatureReviews Drug Discovery, 3, 711–716),现今更是加快了药物研发的速度和准确率。


Stages of drug discovery, primarygoals, and major activities.

从前人们更关注化合物对靶点的结合和功能,也就是活性(Activity),经常寻找SAR(structure-activity relationships),合成大量的化合物分子,希望从HTS中获得IC50为μM级的降低到nM级。其实物极必反,如果规则过于单一,筛出来的不一定是“优秀的人才”(这也是多年多年以前上头提出的素质教育的原因嘛,容易理解)。例如水溶性太高,可能通过不血脑屏障(blood–brain barrier,BBB),无法达到位于CNS(中枢神经系统central nervous system,not Cell, Nature and Science)的靶点,溶解性太低可能不易被小肠吸收等,所以现在人们更倾向于兼顾特性(Properties),为了达到某种平衡,以获得更好的疗效。如今有一种新型的筛选方式为SPR(structure-property relationships),算作对SAR的补充:一方面利用SAR(一种structure-based design)设计出高亲和力的化合物,再利用SRP(一种property-based design)的方式得到能顺利通过各种屏障、达到靶点的化合物。


Pharmaceuticals balance activity andproperties

(From Kerns (2002). Current Topics in MedicinalChemistry, 2, 87–98)

现在来说说化合物达到靶点位置需要翻过哪些大山、经历哪些磨练。简而言之,对于口服的药物入口之后,若停留时间够长,会有稍许通过粘膜吸收。大部分药物入胃,需要停留0.5~1h并且要耐得住pH=1.4~2.1的酸性条件,到小肠后需要尽量被吸收(之前的两个项目涉及的是non-systemic drug,就是作用在小肠吸收的位置,不需要被吸收进入血液循环),之后开始随着血液在体内开始循环,这就好比药物真的离开了“乡村”进入了“都市”,这里面会发生很多故事,有许多地方是他们无法预料的。比如药物会通过肝部代谢,有很多酶在哪里等着药物,经过这番洗礼后药物还要进入靶点,到达那里的时候不知有多少药物兄弟已经丢失。下面可简单介绍几个屏障:

GI Tract

食物离开胃以后进入小肠,先后经十二指肠(Duodenum)、空肠(Jejunum)和回肠(Ileum),此“路段”的pH值成逐渐升高的趋势,由4.4渐渐升高到7.4~8,这里涉及到pH的梯度,估计也是后面需要计算LogP和LogD的原因,因为后者是随着pH值而变化的。这里药物的溶解性(solubility)就是一大关键,因为酸性和碱性的化合物的pKa和环境中的pH值会对其有很大影响,这可以直接用化学的酸碱电离的理论解释。食物进入小肠的过程中也会伴有胆汁的存在,胆汁来自胆囊,其中的胆酸有利于亲脂性化合的溶解和吸收;在回肠阶段胰液会带来许多酶类(如淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶),会对一些药物进行水解反应。食物和药物在小肠内部存留的时间较长(2~4h),其内壁千回百转,主要是更好完成吸收营养的过程,这个过程需要透过小肠绒毛、两次穿越小肠壁细胞膜,到达毛细血管,参加血液循环。在这里,就会遇到我尝尝听说的化合物穿越细胞的几种方式:自由扩散(passive diffusion)、内吞(endocytosis)、细胞间转运(paracellular transport)、吸收转运(uptaketransport)和外排转运(efflux transport,主要依赖Pgp, P-glycoprotein)。


Diagram of the GI tract

Bloodstream

跟着感觉走,在血液中应该是化合物扩散的最好方式,只是这里有些细节不可忽略:酶的水解反应、血浆蛋白的结合和红细胞的结合。这里的每个过程都会影响自由不带电荷的药物,降低他们渗透到组织的量。

血液里有着大量的酶,比如胆碱酯酶(Cholinesterase)、磷酸酶、醛酸酶、葡萄糖醛酸酶、脱氢酶等等,设计化合物时要考虑到他们在血液中的稳定性,这里主要的反应依然是水解;PPB(plasma protein binding),曾经听到一个报告好像提到他们有新的算法,显示PPB已经不是太关键的问题。之所以要考虑到化合物和蛋白的结合,因为血浆中约6~8%的成分是蛋白质,若是相对较小的分子“粘”在了这些蛋白质上,将会损耗相当一部分有效剂量。平常主要考虑到的几个蛋白包括清蛋白(albumin)、α1-酸性糖蛋白(α1-acidglycoprotein)和脂蛋白(lipoproteins);与红细胞的结合主要靠化合物和细胞膜的亲脂作用。

Liver

肝脏是要去清除药物最主要的两大器官之一,在这里的两大阻碍主要有:代谢和胆汁萃取(biliaryextraction)。药物从肝门静脉进入肝脏后,就走进了“迷宫”,这里都有密密麻麻、非常细的血管,之后药物会达到静候已久的肝细胞手里,在这充斥着成“阵列”状的代谢酶,会对药物进行多种修饰和改造,比如氧化、还原、水解等这种改变化合物结构的I相代谢,主要是氧化反应,之后会转移一些极性基团或其他底物到氧化的位点,称之为II相代谢(这就是Lilly主要的工作地点,她所要分析的就是药物在肝细胞或其亚细胞组分中的代谢情况),会影响到化合物的生物活性;肝细胞附近静静的流动着胆汁,一些亲脂性较高的药物会随之而去,还有一些药物经胆小管表面的P-gp转运蛋白主动运走,再经胆囊一同排到小肠内,最终中跟着粪便排到体外,这些药物就是“可惜的一代”,未能到达目的地(这与药物的特性有关,比如转运蛋白亲和力、稳定性等)。

Kidney

另一个主要清除药物的器官,经过此地的药物和一些代谢产物会渗透到尿液中排除体外,肾单位(nephron)是主要的作用单元,在肾中有成千上万的成员。第一步清除是过滤,约有10%的肾血流量会穿越肾小球(glomerulus,内部有大量的毛细血管)。看着这个过程都会觉得生命就是一种奇迹,怎么会有如此复杂、高效的部件?这里的肾小球囊(Bowman’s capsule)、近端小管(proximal tubule)和远端小管(distal tubule)同时扮演者一种排泄和回收的作用,就好比一种工具摆在那,就可以行使过滤的功能,他们会帮助机体选择性回收有用的物质,比如葡萄糖、蛋白质和一些K、Na离子等,清除体内的代谢产物、毒物和废物等。一般来说,血液中的代谢产物要比原药更容易被排出,因为他们具有更高的极性,更容易经尿管、膀胱排出体外。


Diagram of drug extraction in thekidney nephrons

Blood-to-Tissue、Tissue and others

经过以上几个地方的筛选之后,能到达组织的化合物已经算的上“人才”了,只是距离“精英”还有一墙之隔。在一些器官中存在特有的紧密结构,阻挡血液中的物质混进来,比如大脑、胚胎、睾丸等对机体有特殊作用的器官。所谓的障碍,无外乎也是有细胞构成,只是细胞的紧密程度不同个,细胞的选择吸收各异,这里的自由扩散现象较少,多数是主动运输;还有一种更悲催的事件就是化合物到达了非靶点的组织,这不仅整体稀释了化合物的工作浓度,而且会造成诸多“off-target”的副作用。一般说来依据化合物本身的特性可初步预测其在组织内的分布情况,比如亲脂性的药物多会停留到脂肪组织、酸性的化合物积累在肌肉(pH~6)。

 


Overview of in vivo barriers

一个化合物入口后要经过如此复杂的步骤才能达到靶点,如此简单的图,若是没有大量的实验支撑是难以绘制的。如何在体外分析化合物的特性?如何筛选?如何优化?我不是很喜欢关注工作外实验技术的细节,以为不从事具体的工作还不至于如此下力的去深究,为了她还是再看一看吧,毕竟这里面也不乏有趣的故事。我比较关心的是人们如何是如何发现这些细节?有时如何建立体外的评估体系?这么多年有怎样的变化?对于门外汉讲总是喜欢从简入手。

未完,待续…

TJ Pharmaron

2016年4月21日星期四




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