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