成药性相关小知识(5):血脑屏障通透性

随着社会老龄化和竞争压力的增大, 中枢神经系统 (central nervous system, CNS) 疾病已成为继心血管疾病之后的第二大疾病^[1]。然而, 中枢神经系统 药物研发的成功率却很低, 与心血管疾病药物 20% 的成功率相比, 中枢药物的成功率只有 8%^[1]。影响中枢药物研发成功的一个主要因素就是血脑屏障(blood-brain barrier, BBB), 几乎阻挡了 100%的大分 子药物及大于 98%的小分子药物^[2]。因此, 除了需要 具有较好的活性和代谢性质及较低的毒性等性质 之外, 中枢神经系统药物还需要克服血脑屏障, 在中枢系统达到足够的暴露量, 这是中枢药物研发成功的关键前提。

血脑屏障由脑毛细血管内皮及其细胞间的紧密 连接、基底膜、周细胞以及星形胶质细胞等围成的神经胶质膜构成, 其中内皮细胞是血脑屏障的主要结 构, 中枢药物必须透过内皮细胞才能进入脑细胞。除内皮细胞与星形胶质细胞等形成的物理屏障外, 血 脑屏障还包括各种酶与转运体形成的生化屏障^[3]。

血脑屏障通透机制包括被动扩散、主动转运和 外排转运等。被动扩散是小分子药物进入大脑的主 要方式。在正常情况下, 脑毛细血管内皮细胞的有效 孔径为 1.4～1.8 nm, 直径小于 1.8 nm 的小分子可由 被动扩散透过血脑屏障。主动转运是一类需要能量 和载体蛋白参与的逆浓度差、逆电化学梯度的特殊 转运方式。而外排转运系统主要通过 P-糖蛋白 (P-glycoprotein, P-gp) 主动将毒性代谢物和异源性物质 排出, 以维持大脑正常的生理功能^[4](图 1)。

常用评价血脑屏障透过性质的实验参数包括:   脑与血浆中全药浓度的比值 (B/P)、表观渗透系数 (P_app)、外排率 (ER)、游离药物在脑与血浆中比值 (Kp,uu)、游离药物在血浆和脑及脑脊液中的浓度 (Cp,u、Cb,u、CCSF) 等^[1](表 2)。

表 2 常用衡量血脑屏障通透性的实验参数. CNS+表示可进 入中枢的化合物, CNS−表示不可进入中枢的化合物

综合考虑中枢药物的特征及药物进出血脑屏障的特点，通过结构优化可以有效地改善化合物透过 血脑屏障的能力。常用的优化策略包括: 针对被动扩散的改造——增加脂溶性、减少氢键供体、简化分子、 增加刚性、降低极性表面积、剔除羧基以及前药策略 等; 针对主动运输的改造——将化合物修饰为主动转运体的底物; 针对外排率较高的化合物——规避易被外排转运体识别的基团。

3.1.1 增加脂溶性

研究表明, 脂溶性高的化合物更易透过血脑屏障, 且能较快地达到分布平衡。因此,   在改善血脑屏障透过性质时, 可以通过引入脂溶性 基团 (如氟、氯)、替换大极性基团等策略增加化合物的脂溶性。

如化合物 4 (AZD3839) 是 AstraZeneca 公司^[8]报道的用于阿尔兹海默症治疗的 BACE1 抑制剂。研发过程中, 通过引入氟、甲基、二氟甲基等脂溶性基团增加化合物血脑屏障透过能力。在吲哚环引入氟 后, 嘧啶环 2、6 位分别引入一个甲基得到化合物 2, 其 eLogD 由 0.7 增加到 1.4, 同时, Papp由 3.4×10−6 cm·s−1 提升至 1.9×10−5 cm·s−1 ; 当嘧啶环 2 位引入甲氧基取 代后 (3), 化合物 eLogD 增加到 2.0, 同时 Papp提升至 2.1×10−5 cm·s−1 , 但该化合物甲氧基的存在使得其代 谢稳定性较差; 当嘧啶环 2 位引入二氟甲基后 (4), 其 eLogD 由 0.7 提高至 2.0, 同时 Papp 由 3.4×10−6 cm·s−1 提升至 3.4×10−5 cm·s−1 , 大大增加了化合物的透膜性 质。AstraZeneca 公司通过对化合物活性、Caco-2 细 胞透膜性质、代谢稳定性、hERG 毒性等性质综合衡 量后, 选择了化合物 4 作为临床候选药物, 目前该化合物处于临床 I 期研究中 (图 2)。

                         图 2 增加脂溶性提高 BACE1 抑制剂的表观渗透系数

化合物 (S)-8 (RG1678) 是 Roche 公司^[9]报道的第一个选择性 GlyT1抑制剂, 用于精神分裂症的治疗。向化合物5引入氟后, 化合物 6的脂溶性及脑通透性均有一定的提高, 其 cLogP 由 3.92 提高至 4.13,   B/P 由 1.10 提升至 1.15。引入极性的吡啶环时, 化合物7的脂溶性下降, cLogP 由 3.92 降为 2.82, B/P 由 1.10 降低至 0.2; 然而, 再次引入脂溶性的氟原子, 获得了活性和脑通透性质均更好的化合物 8。目前, 化合物 (S)-8 已经进入临床 II 期研究, 用于精神分裂症的治疗(表 6)。

                                 表 6 脂溶性对 GlyT1 抑制剂 B/P 的影响

化合物 12 是喹哌嗪类 5-HT3 激动剂, 可调节中 枢的乙酰胆碱释放, 用于神经变性和失调疾病的治 疗^{[4, 10]}。然而大鼠静脉给药后，化合物 12 血脑屏障通透性较差, 其 B/P 值仅为 0.1。通过引入极性较小的 羟甲基后，化合物13的脂溶性大大提高，cLogP 由0.19升高至2.3, B/P 达到20.3。化合物12具有羧基,   在生理条件下, 易在体内以离子状态存在, 难以透过血脑屏障, 通过羟甲基替代羧基, 不仅使化合物的脂溶性有了较大的提高，同时避免了羧酸基团，极大地改善了化合物的血脑屏障通透性 (图 3)。

                             图 3 增加脂溶性对 5-HT3 激动剂 B/P 的影响

增加化合物的脂溶性可以有效的改善血脑屏障通透性, 然而也可能对血脑屏障通透性带来负面效应。按照“药动学规则”^[5] , 增加化合物的脂溶性往往会增加其在脑中的非特异性结合, 这将会降低脑细胞外液中游离化合物的浓度, 从而降低化合物的活性。因此, 进行脂溶性的结构改造时要注意平衡各项参数, 既要优化化合物的通透性, 又要减少与脑蛋 白的非特异性结合, 提高脑内的药物浓度。

3.1.2 减少氢键供体

中枢药物普遍具有更少的氢键供体数目, 且许多具有裸露 NH 的化合物具有较为明显的P-糖蛋白外排, 故减少化合物氢键供体是中枢药物优化的重要改造策略之一。常用减少氢键供体 的方法包括: 封闭氢键供体、生物电子等排替换氢键 供体及形成分子内氢键等。化合物 14 是GlaxoSmithKline 公司^[11]报道的 CB2 激动剂先导化合物, 在急性疼痛模型中有较好活 性 (EC50=11 nmol·L−1 ), 但该化合物结构中的吲哚环 含有裸露的 NH, 为 P-糖蛋白底物, 存在较为显著的 外排 (ER = 74), 所以在大鼠脑中的通透性较差, B/P 小于 0.05。直接对吲哚环裸露的 NH 进行 N-甲基化 得到的化合物活性有了较为明显的降低 (EC50 = 654   nmol·L−1)。通过对化合物骨架的修饰, 引入了含有 5-氮杂吲哚环的异构体, 并通过 N-甲基化封闭吲哚 的氢键供体, 得到衍生物 15, 其外排率降低为 2.9,   B/P 升高至 1.04, 同时保持了较好的 CB2 激动活性 (EC50=8 nmol·L−1 ) (图 4)

图 4 减少氢键供体对 CB2 激动剂 B/P 的影响

化合物 16 是 Lundbeck 公司与中国科学院上海药物研究所^[12]通过高通量筛选获得的 GPR139 激动剂,   该化合物 B/P 仅为 0.03。采用生物电子等排策略, 引入亚甲基替换胺基, 减少氢键供体数目, 同时规避了易被P-糖蛋白识别的脲结构，得到衍生物17, 其 B/P 值升高到 2.8，是化合物16的93 倍 (图 5)。

图 5 减少氢键供体对 GPR139 激动剂 B/P 的影响

化合物18是 Valerie 等^[13]设计的选择性NK1受体拮抗剂, 可用于镇痛药物的研发。该化合物具有极好的活性和药代动力学性质 (IC50=1.05 nmol·L⁻¹ , F= 50%～60%, t1/2>6 h), 但其血脑屏障通透性较低, B/P 仅为 0.6。化合物19 通过引入N, N-二甲氨基与邻近 的两个酰胺键的 NH 形成了分子内氢键, 提高了血脑 屏障通透性, B/P 达到 6.0, 是 18 的 10 倍, 同时活性 得到保持 (IC50=0.46 nmol·L⁻¹ , 图 6)。

                                    图 6 分子内氢键对 NK1 受体拮抗剂 B/P 的影响

3.1.3 简化结构

对化合物结构进行简化, 从而减 小体积和降低相对分子质量, 可以有效改善化合物 的脑通透性, 增加中枢的药物浓度。mGlu4 受体正向 变构调节剂是帕金森症的潜在治疗药物, 但是报道的大部分 mGlu4 受体正向变构调节剂具有类药性、 药代动力学性质或血脑屏障通透性差的不足, 如化 合物 20 具有较好的 mGlu4 受体正向变构调节活性,   但是其脑通透性较差, B/P 不足 0.1; 而结构简化的化 合物 21 和 22 的脑通透性则大大提高, 尤其是化合物 22 的 B/P 值可达到 4.1, 有效地改善了化合物的脑通 透性。Jones 等^[14]通过进一步的结构修饰, 最终获得

活性和脑通透性均适中的化合物 23 (ML182), 用作 mGlu4 受体正向变构调节剂工具分子, 在氟哌啶醇 介导的肌肉僵直模型中表现出较好的疗效 (图 7)。

化合物 24～27 是 Johnson & Johnson 公司^[15]报道 的 γ-分泌酶调控剂。在对其进行 SAR 研究时, 发现 化合物脑通透性呈现较为明显的随分子减小而增大 的趋势。如将 R1 中的三氟甲基苯基简化为苯基时, 化合物 B/P 值提升至 0.34; 去掉 R 取代基, 化合物 B/P 值进一步提高; 将 R1 位的苯基替换为甲基时, 化合物 的 B/P 值达到 0.88, 获得了更好的脑通透性 (表 8)。

                                       表 8 分子大小对 γ-分泌酶调制剂 B/P 的影响

3.1.4 增加刚性

中枢神经系统药物普遍含有更低的分子柔性, 因此通过成环等手段增加分子刚性也 是改善化合物血脑屏障通透性的策略之一。化合物 31 (SB-271046) 是第一个进入临床 I 期的 5-HT6 受体 选择性拮抗剂, 但因其血脑屏障通透性较差(B/P = 0.05) 被中止研发。GlaxoSmithKline 公司^[16]通过对 其骨架进行修饰形成骈环, 增加了分子刚性, 成环后 化合物 32～34 的 B/P 值均有较为明显的提升, 分别 达到 3.0、2.6 和 0.7, 明显改善了化合物的脑通透性 (图 9)。

图 9 增加分子刚性对 5-HT6 受体选择性拮抗剂 B/P 值的影响

化合物 35 是 Wyeth 公司^[17]研发的胍类BACE1抑制剂, 其脑通透性较低, B/P仅为0.04。将酰胍基替换为 2-氨基吡啶, 增加了分子刚性, 有效地增加了化合物的脑通透性, 化合物36的B/P值升高至 1.7, 是 化合物35 的42 倍 (图 10)。

                             图 10 增加分子刚性对 BACE 抑制剂 B/P 的影响

3.1.5 降低极性表面积

近年来, 分子极性表面积(PSA) 引起了人们越来越多的关注^[18] , 中枢药物的分子极性表面积较其他治疗领域药物分子更小。降低化合物的分子极性表面积, 可以有效的增加化合物的血脑屏障通透性。化合物38 (URMC-099) 是Biofocus公司^[19]报道的蛋白激酶3(MLK3) 抑制剂, 可用于帕金森及伴随HIV-1 的认知失调的治疗。在其研发中, 通过降低化合物37的的分子极性表面积获得化合物38 (PSA 从 72 Å2 降低至51Å2 )，有效地增加了化合物的脑通透性, 最大脑浓度 C_max 由 3736μg·kg⁻¹提高至4685 μg·kg⁻¹ , 同时B/P由0.99提高至1.6 (表 9)。

                                    表 9 分子极性表面积对 MLK3 抑制剂 B/P 的影响

3.1.6 剔除羧基

含有羧基的药物在体内 pH 条件 下易以离子形式存在，难以透过血脑屏障而发挥药效。因此, 在中枢药物设计时，应尽量规避羧酸基团。 如 Bristol-Myers Squibb 公司^[20]开发的第一代 γ-分泌 酶抑制剂 39，由于羧基的存在，使得脑通透性较差,   其 B/P 值仅为 0.2，在临床 I 期试验中被终止。他们在其基础上剔除了羧酸基团，研发出第二代 γ-分泌酶抑制剂 40 (BMS-708163), 其 B/P 值获得了较大的突破, 由 0.2 提高至 2.4，且活性也获得一定的提升。目前，该化合物已经进行临床 II 期试验，用于阿尔兹海默症的治疗 (图 11)。

3.1.7 前药策略

通过对化合物进行前药修饰是中枢药物研发的常用策略之一。前药修饰策略通常包括酯化、酰化、酰胺化和拼合等^[21]。经典的前药包括 镇痛药吗啡的乙酰化药物海洛因、神经递质左旋多巴 的酯化药物左旋多巴甲酯和左旋多巴乙酯、赛奥芬的 乙酰化前药乙酰化赛奥芬及酯化前药醋托酚等^[22]。

(略)

外排使得中枢药物研发变得更加复杂。中枢的外排转运体包括 P-糖蛋白 (P-gp) 转运体、多药耐药蛋白 (MRP) 转运体、乳腺癌耐药蛋白 (BCRP)转运体、有机阴离子转运体 (OAT) 和谷氨酸转运体 (EAAT) 等, 其中P-糖蛋白是最主要的外排转运体。为减少化合物的P-糖蛋白外排, 化合物不仅要符合非P-糖蛋白底物的一般理化特征 (如氮氧数目之和 不大于 4, 相对分子质量小于 400, pKa 小于 8 等^[7]),   还应尽量避开易被 P-糖蛋白识别的基团, 如含有NH 的杂环、磺胺基、脲等^[22]。

3.3.1 含有NH 杂环的结构优化

化合物 52 是 Merck 公司^[23]发现的OX1/OX2 双重抑制剂的先导化合物, 用于睡眠失调治疗药物的研发。尽管化合物52具有较好的生物活性 (hOX1 K_i=28nmol·L⁻¹, hOX2   K_i=1nmol·L⁻¹ ), 但是对其 SAR 研究发现化合物52和53都是P-糖蛋白的底物, 其外排率高达 6.8 和 13。他们通过 N-甲基化，封闭了P-糖蛋白的识别的杂环NH，使化合物54和55外排明显下降(ER=2)，提高了脑内化合物含量 (表10)。

表10 N-甲基化对 OX₁/OX₂ 双重抑制剂外排率 (ER) 的影响

3.3.2 磺胺基的结构改造

化合物 56 是 Glaxo Smith   Kline 公司^[24]报道的AMPA受体正向变构调节剂，用于阿尔兹海默症、帕金森症、抑郁症和注意力缺陷多 动症等的治疗。口服后在体内的 B/P 值仅为 0.1。研究发现该化合物是 P-糖蛋白的底物 (ER = 5.8)，通 过对磺胺进行 N-甲基化，化合物 57 的外排率降低至 3.2，其 B/P 由 0.1 提高到 0.4; 引入 2-氟吡啶环后，化 合物不再是 P-糖蛋白底物，外排率降低为 1.1, B/P 升 高至 2.1，有效地提高了脑内药物浓度 (图 16)。

            图 16 规避磺胺基对 AMPA 受体正向变构调节剂 B/P 和 ER 的影响

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