Drug-like Properties (I): Physicochemical Properties

从前只是大概知道药物需要有适当的亲水性和亲脂性，合成药物有化学部分，筛选药物通过ADMET标准化的方法就行，其实这和不知道没什么区别。想知道一些行业的规则、手段，不得不去研究一下细节。还是试着探探水深，扒开皮看看里面都有什么货色。曾经我问过AZ的一位PI，想知道了解一个化合物的属性，先从哪里入手？在评价体系中是否有先后顺序？如何筛选？接下来让我先从最重要、最想知道的地方开始，（只能说简单的）介绍一下亲脂性、溶解性和渗透能力，从现在开始我们可以假设在人工造一个“特务军队（大量的小分子化合物）”，要将他武装起来，送到人体内的靶点处。

人们总结了过去多年来的药物合成和筛选经验，总结若干个规则，最为流行的应属Lipinski Rules（Lipinski, C. A., et al.,Advanced Drug Delivery Reviews, 23, 3–25）她在Pfizer内部应用几年后才公之于众，如今也称为“5规则”，因为这些可参考的指标统一并简化了人们评价化合物的方法，简易、有效、意义非凡。主要描述了吸收和渗透能力较差的化合物所具有的通性：>5个氢键供体（OHs，NHs），MW>500，Log P>5（或者MLogP>4.15），>10个氢键受体（Ns，Os），生物学中的转运蛋白的底物例外。我对化学不敏感，不太了解如何快速的通过这几个指标衡量一个有结构的化合物，既然是广泛的经验，暂且先学会接受并使用吧，毕竟超过这些规则的化合物要么不容易被吸收，要么水溶性不好，要么太大不利于渗透等等。其实这只是几个最基本条件，满足此类条件的化合物如星星般是数不清的；另一个较为流行的规则是Veber Rules（Veber, D. F., et al., Journal of Medicinal Chemistry,45, 2615–2623.），主要通过结构分析了大鼠中口服药与生物利用度相关的特性，比如可转动的键≤10、极性表面积（polar surface area, PSA）≤140 Å ²或氢键总数≤12等；此外还有很多其他规则，针对不同的特殊情结有了个别的经验，比如怎样应对血脑屏障（BBB）、还有“Lead-like Rules”、如何设计更potent的化合物等等，很有趣。如何应用我想多半是Chemists的事情，我就不多献丑了。

Lipophilicity

这里才是Lilly最开始想问我的Log P和Log D应该出现的地方，亲脂性对药物的ADMET特征比较关键，直接影响药物在体内的生物利用度。评价的方法就是分析一个化合物在极性溶剂和非极性溶剂间的分布，通俗些讲有点像看看化合物是喜欢在“油”里还是喜欢在“水”里，进入身体后是喜欢待在“脂肪（酸）”还是更喜欢进入“血液”，是否能穿过细胞膜等。Hansh和Leo阐述了一个简单的方法，可以计算药物的亲脂能力。（Hansch, C., et al., (1995).Exploring QSAR. Fundamentals and applications in chemistry and biology）选用辛醇（Octanol）作为非极性相，水溶液（aqueous buffer）作为极性相，化合物进入这两相的混合之后会趋于一个平衡，通过测量各相中化合物的浓度，用如下方式分析：

Log P=log[Cpd_(o)]/[Cpd_(aq)], pH保证化合物呈中性（未发生电离，估计和pKa有关）.P=partition coefficient

Log D=log[Cpd_(o)]/[Cpd_(aq)], pHx. D=distribution coefficient

二者在已知pH的情况下是可以转换的，Log P对于一个化合物而言是常数，在0~3之间的化合物为好。现在知道他们是做什么的了，也知道如何计算了，也能猜出他们的值随着pH的变化，也就知道口服的药物在GI tract内的梯度pH的环境下可能会如何分布和溶解了。进入体内后若是知道各个器官、组织、障碍的结构，多半也能预测到化合物倾向于分布在什么地方，是否能通过特殊的障碍等（瞬间觉得人们是真聪明！）。一般而言，影响Log P的主要与有化合物的分子体积、偶极性、氢键的酸碱性等有关。

pK_a

最近才意识到，K相关的量对于一个化合物而言都是一定的，怎么从前没有意识到呢？pK_a用来表示电离能力，是评价溶解性和渗透性的主要参数。当pH=pK_a时，化合物的中性状态和电离态的浓度相等（如果能理解水的电离和pH的计算就很好理解了）。一般情况下，处于电离态的化合物更容易溶解于水相，在衡量化合物的溶解性时也会考虑到中性情况下的溶解能力（主要的溶解方式还是电离后的化合物）；与此对应，电离后的化合物渗透能力不高，因为需要透过细胞膜，这和亲脂性成正相关。这个时候就要结合靶点和给药方式折中选择一个化合物的pK_a了，任何一面达到至善，另一方面就不会过关（是不是有点像量子力学中的不确定性原理？是否有中庸的影子？）

Solubility

每次溶解和稀释新的化合物时，我们都会先看看是否好溶，因为易溶的相比，溶解度低或粘度高的化合物很容易被发现，不仅在体内这样的化合物不是首选，在做体外实验时也经常让人头疼。溶解性是指一个化合物在指定溶剂中的最大溶解浓度，一般决定化合物在小肠的吸收和生物活度，一般会随着离子化的程度而升高，与Log P和MW成反相关，一般盐的形式会提高溶解性。可想而知，溶解性低的化合物不仅不利于吸收，静脉注射的效率也会很低，在体外的实验活性不高且数据不稳定，这样的化合物一般不适合推向临床试验。Lipinski等人认为一个化合物的溶解性要比渗透能力更为重要。和溶解性相关的因素比较多，一方面来自化合物本身的化学特性，一方面和溶液条件（体内环境）有关。如今许多化合物可以依据其结构信息（如亲脂性、大小、pKa、晶格能等）分析预测其溶解能力[Log S=0.8-Log P-0.01(MP-25)]，MP=meltingpoint，根据此公式可算出当Log P增加1个单位，MP提升100ºC，溶解性S会下降10倍（在Chemist手里有很多办法可以提升化合物的溶解性）。

关于溶解性还有两个概念我感觉很有意思：热力学溶解（thermodynamic solubility）和动力学溶解（kinetic solubility）。前者就是我们通常认为的化合物的溶解达到平衡后的溶解能力，后者一般是将溶解在有机溶剂中的化合物加入到水溶液中再检测溶解性，一般可用HPLC-UV 或LC-MS/MS技术直接测量化合物的溶解度。一个化合物的不同晶体结构的热力学溶解度是不同的（比如非晶形的、晶状的、多晶型、水合物、溶剂型等），高能晶体化合物（较不稳定）的溶解性一般比低能的高，这也就暗示在不同的合成批次和方法中，一个化合物的热溶解性各异；另一种情况说明的是化合物从有机溶剂中加入到水溶液时，有很多情况下并不能快速达到平衡，比如我们常常用DMSO溶解化合物，加入到Assay中的水溶液时，时而发生析出的现象，这些化合物处于一种亚稳定（metastable）晶体形式（通常有不同的晶格结构），了解此过程利于顺利的进行biological和property assays。（可参考Thermodynamicvs. Kinetic Solubility: Knowing Which is Which, Harry G. Brittain, Ph.D. April29, 2014）

Solubility, permeability, andmetabolic stability affect oral absorption and bioavailability

药物的最大吸收剂量（maximum absorbance dose, MAD）指的是药物在一定浓度的情况下被机体吸收的最大剂量，其中与药物的溶解性、渗透能力、在小肠内停留的时间等因素相关。一般说来，10–60 μg/mL的溶解性适宜，两边则偏低或过高。对于不同的给药方式和剂量，对溶解性的要求也会随之而变。

Permeability

指化合物穿过膜结构时的速度，与小肠吸收和生物利用度有关，一般通过优化化合物主动运输特性、提高Log P、降低份子大小和极性来获得更高的渗透能力。化合物在体内有多重步骤需要透过细胞膜才能达到靶点，比如GI的表皮细胞、毛细血管壁、肝细胞膜、肾小球、进入一些有限制性障碍的器官、靶点细胞膜等，这些突显出此特性在药物研发中的重要性，在体外的生物筛选试验中也需要优先考虑。

Major permeability mechanisms.

（From Di, L., 2003, Kerns, European Journal of Medicinal Chemistry,38, 223–232.）

化合物透过细胞的方式有多种，其中最为主要的应属被动扩散（也是自由扩散，就是化学中的布朗运动，在病毒学中曾经以为病毒颗粒的亚组分是自由扩散的，其实不然，人家是由专门的运输机制），这主要与膜内外的浓度差有关，所以在小肠的表皮附近浓度较高的药物会很容易的透过小肠进入血液循环，之后是一个不断被稀释直达整体平衡的过程，这个时候pH和pK_a就是需要考虑的因素了。曾有文章显示有95%的药物主要在GI tract通过这种方式被吸收，有时药物也会结合转运蛋通过小肠壁，只是这种情况也有饱和的时候，效率不必被动运输。在体外评价该过程有个常用的方法，就是PAMPA（parallel artificial membranepermeability assay）；内吞和转运也影响药物的渗透能力，只是有限，适用于少部分药物的研发。去年在公司听过一个报告，好像是在药物的尾巴上加上一个多肽还是二肽，专门利用小肠细胞表面的一个转运受体，能够提升药物的吸收；对于较小的极性分子，也可直接穿越细胞间的空隙被吸收。

与此同时，也存在几种外排转运（efflux transport）的蛋白，常见的有P-gp和BRCP（breastcancer resistance protein），他们主要是降低细胞内药物的浓度。这些蛋白也存在于细胞膜上，比如BBB处外排转运有利于保护脑部存有过量的化合物，在肝细胞中可以清除化合物和代谢产物，在神经元中也有P-gp的身影。于是在考虑药物渗透能力的时候，需要综合衡量进入和外排，在不同的组织、器官也会有所差异，着实为一件很复杂的事情。

有一个分类方法简单又好用，就是BCS（Biopharmaceutics Classification System），根据溶解性和渗透性分成4类：1类化合物具有双“高”，这是最适合口服药的特性；2类是低溶解、高渗透，这类化合物就需要Formulation（不知是否可以译为“制剂”？）来提高溶解性；3类是高溶解、低渗透，这类化合物一般是前药（Pro-drug），需要继续优化；4类被放弃的居多，不太适合投入太多时间和精力。对于药物研发过程来讲，除了以上两方面以外，还需要考虑药物在体内的代谢、清除率、稳定性、PBB、转运等等，需要一遍又一遍的优化，才能拿到几个活性较好的1类化合物。

Biopharmaceutics ClassificationSystem (BCS) for in vitro/in vivo (IVIV) correlation

（右上角的“High Solubility”应该是“Low Solubility”）

到了这里依旧是概况，太多的细节在后面，还有很多故事未曾提及，听着Big Pharma的同事讲述一个药物的研发历程，可以再45min内搞定，只是这个药物或许已经走了十年底历程，风风雨雨，起起落落，直到最后依然屹立不倒的才能来到大众眼前。我现在还想了解一些关于转运、受体、靶点、机制的信息，一些常见的参数、熟悉的缩写，还有一些现在工作涉及的方法、原理等等。路漫漫，趁着近期还有些时间，再钻进去看看。

未完，待续…

TJ Pharmaron

2016年4月22日星期五