代谢是酶对化合物的修饰，可使其清除率提高。
代谢决定了化合物的口服生物利用度、清除率和体内半衰期。
代谢主要发生在肝脏，某些代谢可能发生在小肠。
提高代谢稳定性的结构修饰包括∶封闭代谢位点或对代谢位点造成空间位阻， 以及引入吸电子基团。
药物代谢常被称为生物转化(biotransformation)。代谢反应被分为两相: I 相(phase I)反应是对化合物分子结构本身的修饰，例如氧化或去烷基;II 相(phase II)反应是将极性基团结合(conjugation)到分子结构中。它们有时被认为是相继发生的∶首先添加一个附着点(例如羟基)，接着加合一个大的极性基团(例如葡萄糖醛酸)。但如果化合物本身已经带有易于发生结合反应的基团，则其发生二相反应之前不需发生一相反应。两种类型的反应都得到极性更强、水溶性更好的产物，因此它们更易通过胆汁和尿被排泄出体外。代谢提高了化合物的清除率并降低其暴露量，这也是化合物生物利用度低的一个主要原因。与不发生代谢相比，其结果是治疗靶标的药物浓度低。药物化学家常常必须对先导化合物进行结构修饰，以减少代谢。
药物在进入系统循环之前就可能发生代谢，这叫做系统前代谢或首过代谢。吸收后的药物在未进入系统循环之前，即可被首过代谢清除。它既可以在肠道发生，也可以在肝脏发生。首过代谢把外源性化合物（如药物）部分排除在血流之外;然后，血液循环中的药物每一次流经肝脏时，就有一部分被代谢，药物浓度进一步降低。因此，代谢稳定性是影响化合物暴露量和生物利用度的根本性质之一。
代谢在种属间存在差异，不同种属的代谢模式差异体现在代谢物结构和产率上。
代谢稳定性影响药动学(PK)，如图11.7所示[3]。代谢稳定性与清除率(Cl)呈负相关，代谢稳定性降低导致清除率升高。Cl 和分布容积(Vd)直接影响 PK半衰期(t1/2—0.693×Va/Cl )，它决定了给药频率。药物清除率和吸收是由肠渗透性和溶解度决定的，直接影响口服生物利用度(%F)，%F决定了给药剂量。 图1 代谢稳定性对药动学的影响 表1列举了一个药物发现项目中的先导化合物系列，体外代谢稳定性低的化合物的体内清除率高，且口服生物利用度（%F）低。 具有同样母核的同系物可以具有不同的代谢稳定性，如表 11.2 所示[4]。R1、R2和R3的结构差异对代谢稳定性具有显著影响。此外，随着代谢的比例下降，生物利用度提高。
表 11.2 结构、体外代谢稳定性和口服生物利用度的关系 针对 I 相代谢与 II 相代谢的结构优化策略
通过预测先导化合物的代谢位点, 改变其代谢 途径进而优化药代动力学特性, 已经成为目前先导 化合物结构优化的重要研究策略。I 相代谢反应包括两个重要特点: ① 化合物与代谢酶的结合; ② 化合物分子中特定结构的反应活性。通过改变与代谢酶活性位点结合的活性片段以及规避易与I相代谢酶发生活化反应的结构片段, 能够有效地降低化合物的 I 相 代谢活性, 增强其代谢稳定性。主要包括: 引入氟原 子、氯原子以及其他基团封闭代谢位点、降低脂溶性、 改变环的大小、成环修饰、骨架迁越、生物电子等排 和前药修饰。除此之外, 通过引入吸电子基团和空间 位阻、生物电子等排、前药修饰等结构优化策略, 也能有效地降低化合物与极性基团进行结合反应, 从而阻断 II 相代谢, 提高先导化合物的代谢稳定。
3.1 封闭代谢位点
根据药代动力学的研究结果, 封闭药物代谢位点可以延缓药物的消除速率。如在苯环引入氟原子取代基, 可以封闭苯环羟基化的代谢位点、阻断羟基代谢产物的生成、改变化合物的代谢途径, 延长药物在体内的作用时间。封闭代谢位点是提高先导化合物代谢稳定性最重要的结构改造策略之一。亲脂性化合物苯环对位的氢原子易被肝脏中的 P450 酶氧化得到 4-羟基代谢 产物, 该产物随即与体内的葡萄糖醛酸结合转化为极性更强、水溶性更好的化合物, 通过胆汁和尿排出 体外, 是大多数化合物的主要代谢途径。通过在苯环的对位引入氟、氯、氰基等基团封闭此代谢位点, 改变该类化合物的主要代谢途径, 能够有效地提高先导化合物的代谢稳定性 (图 2)。
图 2 封闭代谢位点策略
如胆固醇吸收酶抑制剂依泽替米贝 (ezetimibe, 1) 的研究发现, 依泽替米贝的前体药物 SCH48461含有多个氧化和去甲基化代 谢位点，具有代谢消除速率快、生物利用度低等缺点, 通过在先导化合物的苯环上引入氟原子, 封闭氧化代谢位点, 在提高活性的同时增强药物的代谢稳定 性[6]; 又如将 COX-2 抑制剂塞来昔布 (celecoxib, 2) 的甲基替换为氟原子, 封闭代谢位点, 延长了药物在 体内的作用时间 (图 3)[7]。
图 3 封闭代谢位点代表药物
3.1.1 引入氟原子封闭代谢位点
由于 C-F 键的键能 (487 kJ·mol−1 ) 比C-H 键的键能(420 kJ·mol−1) 高, 因此, 氟原子是最常用的封闭基团。在药物设计中, 通常在小分子化合物中引入氟原子取代, 对易氧化代谢的位点进行封闭, 选择性地阻止氧化代谢的发生, 进而提高化合物的代谢稳定性, 延长药物在体 内的作用时间[8]。丁螺环酮 (buspirone, 3) 是 5-HT1A 受体激动剂 (EC50 = 0.025 μmol·L−1 ), 具有抗焦虑作用[9]。CYP3A4 是其主要代谢酶, 该化合物的主要代谢途径包括嘧啶环5-位的芳香羟基化以及哌嗪环右侧亚甲基的N-去烷基化 (图 4)。
图 4 丁螺环酮 CYP3A4 代谢位点
由于嘧啶环5-位可被 CYP3A4 氧化羟基化, 因此, 该化合物在体外与CYP3A4 酶孵化的半衰期较短 (t1/2= 4.6 min), 通过在嘧啶环的 5-位引入氟原子, 在占据其代谢位点的同时降低了嘧啶环的电子云密度, 使化合物 4 和 6 在体外与 CYP3A4 酶孵化的半衰期分别提高了10 倍和 3.8 倍, 延长到 52.3 和 14.8 min, 其5-HT1A 受体激动活性基本保持 (4, EC50 = 0.063 μmol·L−1 和 6, EC50 = 0.046 μmol·L−1) [10] (表 1)。
表 1 丁螺环酮及其衍生物的 5-HT1A受体激动活性和 CYP3A4 酶孵化的半衰期
3.1.2 引入氯原子封闭代谢位点
除了在易代谢位 点引入氟原子之外, 研究人员还引入氯原子作为封闭 基团, 提高代谢稳定性。甲苯磺丁脲(tolbutamide, 7) 是目前广泛使用的磺酰脲类抗糖尿病药物[11]，但是该化合物半衰期短，只有 5.9 h, 每天需要服用 3 次, 降低了糖尿病患者服药的依从性。将甲苯磺丁脲的甲基替换为氯原子, 得到氯磺丙脲 (chlorpropamide, 8), 降低了该化合物的清除率, 其半衰期延长到 33 h, 每 天仅需给药 1 次, 大大改善了糖尿病患者服药的依从 性 (图 5)[12]。
图 5 引入氯原子提高甲苯磺丁脲的代谢稳定性
3.1.3 引入其他基团封闭代谢位点
除了引入氟原 子和氯原子, 还可以引入其他基团封闭代谢位点, 提 高化合物的代谢稳定性。化合物 9 具有较强的 CCR5 拮抗活性 (Ki=66 nmol·L−1 ), 但是该化合物的苄亚甲 基易发生氧化代谢, 因此, 该化合物在大鼠体内暴露 量 (AUC) 较低, 仅为 0.04 h·μg·mL−1。为了有效地提 高化合物 9 的代谢稳定性, 在亚甲基位点引入次甲 基结构 (化合物 10), 其 CCR5 拮抗活性提高了 8 倍 (Ki = 8 nmol·L−1 )，体内暴露量增加了近 15 倍; 当引入肟类结构片段时 (化合物 11)，其 CCR5 拮抗活性 (Ki =11 nmol·L−1) 提高的同时, 体内暴露量提高50 倍, 达到2.1 h·μg·mL−1[13] (图 6)。
图 6 引入其他基因封闭代谢位点提高代谢稳定性
在酚羟基的邻位引入氰基, 也将减少化合物与葡萄糖醛酸的结合, 增强代谢稳定性[14]。胰高血糖素受体拮抗剂是近年来糖尿病治疗药物研究的热点之一[15]。辉瑞公司研发的酰肼类胰高血糖素受体拮抗剂 (化合物 12) 具有较强的受体结合活性 (230 nmol·L−1 ), 但是由于酚羟基在体内迅速与葡萄糖醛酸结合, 使得该类化合物代谢清除率高 (225 pmol·min−1·mg−1)。 研发人员在苯环 3-位引入 F、Cl、氰基等取代基对该类化合物进行结构修饰, 均能有效地降低酚羟基与葡萄糖醛酸结合, 减缓该类化合物的代谢清除率, 提高与受体的结合活性[16](图 6)。 采用氘封闭代谢位点, 也是提高化合物代谢稳定性的重要结构改造策略之一。氘是氢的一种稳定形 态同位素, 由于C-D 键比C-H 键稳定 6～10 倍, 使得C-D键难以断裂, 这种现象被称为动力学同位素效应 (kinetic isotope effect, KIE)[17]。利用氘的动力学同位素效应, 可以有效地阻断小分子的代谢位点, 延长药 物在体内的作用时间, 增加其代谢稳定性。帕罗西汀 (paroxetine, 19) 是一种选择性血清素再吸收抑制剂 (SSRI) 型的抗抑郁药, 临床上常用于抑郁症和强迫 症的治疗。但是该药物在体内经 CYP2D6 氧化代谢得到的代谢产物与 CYP2D6 形成不可逆复合物, 具有潜在的药物−药物相互作用。将帕罗西汀的活性代 谢位点亚甲基采用氘代的结构改造策略, 得到化合物 CTP-347 (20), 该化合物目前处于临床 I 期研究阶 段, 用于治疗绝经期潮红。氘原子的引入, 封闭了帕罗西汀的代谢位点, 改变了帕罗西汀的代谢途径, 减少了活性代谢产物的生成, 降低了对 CYP2D6 的抑制 作用, 增强了其在体内的代谢稳定性 (图 6)[18, 19]。
3.2 降低脂溶性
体内的大多数代谢酶都具有与亲脂性基团相结 合的活性口袋, 通过降低化合物的亲脂性能减弱化合物与代谢酶的结合活性, 延缓化合物的体内代谢, 改善代谢稳定性[20]。 化合物21具有较强的醛固酮合成酶抑制活性, 但是该化合物中的异丁基结构片段在体内代谢酶的作用下会迅速代谢失活, 其人肝微粒体中的半衰期 仅为 6 min[21]。对异丁基进行结构改造, 降低化合物 21 的脂溶性, 引入氧杂环丁基团得到化合物 22, 其脂溶性降低了一个 log 单位, 代谢稳定性提高 10 倍; 将氧杂环丁基替换为极性更强的叔羟基结构片段 (化合物 23), 脂溶性进一步降低, 代谢稳定性提高, 其人肝微粒体中的半衰期大于 300 min (表 2)。
表 2 醛固酮合成酶抑制剂的脂溶性和代谢稳定性
日本武田公司开发的抗凝血酶因子 Xa 抑制剂 24 具有较强的 FXa 抑制活性 (IC50 = 28 nmol·L−1 ), 虽然该化合物具有较强的生物活性, 但是在人肝微 粒体中的消除率极高, 达到 91.2% (表 3)[22]。将七元 内酰胺环替换为六元 (25) 和五元 (26) 内酰胺环, 脂溶性降低, 活性提高, 消除率下降; 当 R 基团替换 为六元环脲基团时, 得到的化合物 TAK-442 (27) 抑制活性最强, 代谢稳定性最好, 目前处于临床 II 期研究阶段[23]。通过降低脂溶性, 增强了抗凝血酶因子 Xa 抑制剂的代谢稳定性。
表 3 抗凝血酶因子 Xa 抑制剂的脂溶性和代谢稳定性
3.3 骨架修饰
骨架修饰也是改变代谢途径提高代谢稳定性的 重要化学结构改造策略之一[24]。骨架修饰包括改变环的大小、成环修饰以及骨架迁越, 通过骨架修饰可以改变化合物的母核, 调节化合物的理化性质, 进而 提高代谢稳定性。采用代谢稳定的环系结构替代不稳定的结构片段, 进而改变整个化合物的代谢途径, 提高代谢稳定性。
3.3.1 改变环的大小
5-HT2C 激动剂 28 具有较强的激动活性 (EC50=14 nmol·L−1 ), 但是该化合物在人肝微粒体中的清除速率较高 (36 μL·min−1·mg−1)。通过改变中间连接片段吡咯环对该类化合物进行结构修饰, 将吡咯环分别替换为六元的哌啶环 (29) 和四元的氮杂环丁烷 (30), 在保持了 5-HT2C激动活性的同时, 有效地提高了该类化合物的人肝微粒体稳定性, 清除速率分别下降为17 和 9 μL·min−1·mg−1 (图 7)[25]。
图 7 5-HT2C 激动剂示例
H4 受体拮抗剂31具有较强的拮抗活性 (IC50 =19 nmol·L−1 ), 但是该化合物的N-甲基哌嗪片段在大鼠肝微粒体中迅速发生 N-去甲基化反应, 代谢稳定性较差。为了提高该类化合物的代谢稳定性, 将 N-甲基 哌嗪取代基通过扩环和缩环两种方式进行结构优化, 得到化合物 32～36 (表 4)。化合物 32 和 33 通过引入桥环结构增加位阻效应, 有效地提高了大鼠中的代 谢稳定性。哌嗪环替换为 N-甲基吡咯 (35) 和 N-甲 基氮杂环丁烷 (36) 时, 代谢稳定性进一步提高[26]。
表 4 H4 受体拮抗剂的脂溶性和代谢稳定性
3.3.2 成环修饰 聚 ADP-核糖聚合酶-1 (PARP-1) 是 治疗神经退行性疾病和帕金森病的重要靶标之一[27]。 2-取代喹唑啉酮 (37) 虽具有较强的 PARP-1 抑制活性, 但是该化合物中间的柔性侧链易发生氧化代谢, 在人肝微粒体中的代谢清除率较高。刚性的环戊烯 基取代柔性的烷基链得到化合物38, 增加了分子的刚性和代谢稳定性 (图 8), 提高了对 PARP-1 的抑制 活性, 同时口服后中枢与血浆中的浓度比值也提高 了 3 倍[28]。 辉瑞公司研发的NK2 受体拮抗剂 39 具有较高的生物活性，但是该化合物在人肝微粒体中的半衰期很短，为了增强该化合物的代谢稳定性, 将易代谢的苯甲酰胺基团替换为六元环酮结构 (化合物 40)，在 保持了NK2 受体拮抗活性的同时提高了代谢稳定性 (图 8)[29]。
图 8 成环结构修饰提高代谢稳定性
3.3.3 骨架迁越
缓激肽B1受体 (Bradykinin B1 receptor) 拮抗剂可降低炎症介质引起的疼痛, 因而是治疗慢性炎症和镇痛药物的潜在靶标[30]。Wood 等[31]发现化合物41对缓激肽B1受体具有强效抑制活性 (Ki = 11.8 nmol·L−1 ), 但该化合物在体内的代谢清除率较高,达到35 mL·min−1·kg−1。采用骨架迁越的结构修饰策略, 将二氨基吡啶环替换为氨基酰胺结构 (42), 对缓激肽 B1 受体的活性大大降低, 但是有效地 延长了化合物的半衰期, 提高了生物利用度, 改善了药代动力学特性。将二甲基取代替换为环己基取代 (43), 活性略有提高; 当采用环丙基取代模拟吡啶碳 的sp2杂化态之后 (44), 对缓激肽B1受体的活性大大提高, 对其进一步结构改造, 得到高活性的化合物45, 同时改善了该类化合物的代谢稳定性 (表 5)。
表 5 骨架迁越改善化合物的代谢稳定性
3.4 生物电子等排
许多化合物含有易代谢基团, 采用生物电子等 排原理, 用稳定的生物电子等排体替换易代谢基团, 是改变代谢途径提高代谢稳定性的重要策略[32]。 阿斯利康公司研发的 β 受体阻断剂美托洛尔 (metoprolol, 46) 在体内发生首过效应, 甲氧基在体内 CYP2D6 酶的催化作用下发生氧化脱甲基反应, 半衰期较短 (t1/2=3.5～6 h), 生物利用度较低。赛诺菲公司 采用环丙基甲基取代甲基得到倍他索洛尔 (betaxolol, 47), 环丙基甲基的位阻效应提高了化合物的代谢稳定性和生物利用度, 延长了半衰期 (图 9)[33]。
图 9β 受体阻断剂通过生物电子等排提高代谢稳定性
化合物 48 具 有 抗 结 核 杆 菌 Mycobacterium tuberculosis 的活性 (MIC=0.9 μmol·L−1 ), 该化合物在体内易被 CYP 催化氧化断键以及发生酯水解反应 而失去活性。为了有效地降低该化合物的氧化代谢速率, 对喹啉与异噁唑之间的连接基团进行结构优化, 其中反式双键连接的化合物 49, 不仅提高了抗菌活性 而且主要的药代性质得到了显著改善 (图 10)[34]。
图 10 生物电子等排提高代谢稳定性
先灵葆雅公司研发的苯并氮䓬类 D1/D5 受体阻断剂ecopipam (SCH39166, 50)[35] , 曾用于精神病和肥胖病的治疗[36] , 该化合物对 D1和 D5受体的结合活性分别为 1.2 和 2.0 nmol·L−1 , 但其暴露量(AUC)和口服生物利用度 (F) 很低, 仅为 0.16 μg·h·mL−1和 0.6%。分析其原因, 是由于酚羟基发生葡萄糖醛酸化以及 N-去甲基化等首过效应。羟基作为氢键给体是与 D1/D5 受体结合的必需基团, 用含有 NH 的环脲以及硫脲杂环作为生物电子等排体进行等效置换, 得到化合物51和52, 虽然 D1/D5 受体的结合活性略有下降, 但是药代性质明显改善, 化合物51的口服生物利用度提高到 87% (表 6)[37]。
表 6 将易代谢位点进行生物电子等排改善化合物的代谢特性
作用于病毒衣壳环节的活性化合物恩韦拉登 (enviradene, 53) 为治疗感冒的候选药物, 活性虽高 (IC50 = 0.06 μg·mL−1 ), 但是生物利用度低[38]。主要由于连接两个芳环的丙烯基易发生氧化代谢, 该化合 物在人肝微粒体代谢率为 73%, 将甲基替换为乙炔 基得到化合物 54, 增加了代谢稳定性 (Cmax= 70～ 300 ng·mL−1 ), 但是该化合物的生物利用度仍很低，仅为 9%。对化合物 54 继续进行结构改造, 将苯环的 4-位引入氟原子, 得到化合物 55, 在保持病毒抑制活性的同时进一步改善了药代性质, 在人肝微粒体代谢率降低为 12%, 生物利用度提高到 23% (表 7)[39]。
表 7 替换不稳定基团改善化合物的代谢稳定性和生物利用度
美国辉瑞公司开发的 5-脂氧酶抑制剂 CJ-12, 918 (化合物 56) 具有较强的抑制活性, 其 IC50 达到了 0.06 μmol·L−1 , 但是该化合物代谢稳定性较差, 其 Cmax 仅为 0.24 μg·mL−1 , 对其代谢产物分析, 发现该化合物的甲氧基稳定性差, 在体内迅速代谢。为了提高该化合物的药代动力学性质, 采用 N, N-二甲酰胺基替 换甲氧基得到 CJ-13, 454 (57), 脂溶性降低 (logD = 2.39), 同时改善了代谢稳定性, 其 Cmax 提高 6.5 倍, 达到 1.57 μg·mL−1 (图 11)[40]。
图 11 5-脂氧酶抑制剂的抑制活性和代谢稳定性
3.5 前药修饰 前药是指经过生物体内转化后才具有药理作用 的化合物。前药本身没有生物活性或活性很低, 经过 体内代谢后变为有活性的物质, 前药修饰的主要目 的在于提高药物的代谢稳定性, 延长药物在体内的作用时间、增加药物的生物利用度, 加强靶向性, 降 低药物的毒性和副作用。如万乃洛韦 (valacyclovir, 58) 生物利用度为 67%, 比阿昔洛韦 (aciclovir, 59) 高 3～ 5 倍, 现已成功取代阿昔洛韦成为治疗带状疱疹和生 殖疱疹的一线药物; 抗生素氨苄西林 (ampicillin, 60) 口服生物利用度为 40%, 将其极性羧基酯化后得到 前药匹氨西林 (pivampicillin, 61), 亲脂性增加, 口服生物利用度达到 95%; 又如抗高血压药物依那普利 (enalapril, 62) 为血管紧张素转换酶抑制剂 (ACEI), 口服后在体内水解成依那普利拉 (enalaprilat, 63), 依那普利拉的胃肠道吸收少于 10%, 而依那普利的口服吸收达 60% (图 12)。 血小板聚集抑制剂氯吡格雷 (clopidogrel, 64) 可用于防治心肌梗死、缺血性脑血栓、闭塞性脉管炎 和动脉粥样硬化及血栓栓塞引起的并发症。氯吡格 雷在体内经过 CYP450 酶两步代谢转化得到活性代 谢产物, 进而发挥药效 (图 13)。首先经过 CYP2C19 得到氯吡格雷硫代内酯 (65), 再经过 CYP 酶的氧 化, 得到活性代谢产物 66。 临床研究表明, 对于携带 CYP2C19 2*等位基因的弱代谢患者, 服用氯吡格雷 可产生较低的活性代谢物水平, 减小其对血小板的 抑制作用, 从而导致高于非携带者患者 1～5 倍的死 亡和中风风险, 即所谓的氯吡格雷抵抗[41]。中国药 科大学的孙宏斌教授等人对氯吡格雷代谢中间体的 氯吡格雷硫代内酯采用前药策略进行结构改造, 设计并合成了维卡格雷 (vicagrel, 67), 使该药仅需一 步 CYP450 酶代谢即可转化成活性中间体, 使其克 服氯吡格雷抵抗, 并且不增加相应的出血风险[42]。在 大鼠上对 25 个化合物进行了 ADP 诱导的血小板聚 集抑制活性的测试, 氯吡格雷和普拉格雷为阳性对 照, 在 3 mg·kg−1 的剂量下, 维卡格雷的抑制活性强 于氯吡格雷。对维卡格雷进行体内代谢研究, LC-MS 确证其代谢通路如图 14 所示。维卡格雷在酯水解后, 发生 2-羟基四氢噻吩并吡啶−硫代内酯互变后, 其代 谢通路与氯吡格雷相同, 均进行依赖于 NADPH 的氧 化开环并生成活性代谢物。维卡格雷药代学性质优 良, 其代谢产物硫代内酯中间体的生物利用度比氯吡格雷高 6 倍。 酚羟基能够通过修饰变为前药。避开首过代谢后, 可缓慢水解掉前药基团, 释放出游离酚。班布特罗 (bambuterol, 70) 是特布他林 (terbutaline, 69) 的前药, 通过前药修饰的策略在特布他林的酚羟基引入 两个N, N-二甲酰基基团, 半衰期从2.9 h改善为17h,提高了近6 倍; 将特布他林每天给药3次改善为每天 给药1次, 提高了患者服药的依从性 (图 15)[43, 44]。
图 15 特布他林的前药修饰
本文章内容主要摘自文献：
药学学报 Acta Pharmaceutica Sinica 2013, 48 (10): 1521 −1531先导化合物结构优化策略 (一)—— 改变代谢途径提高代谢稳定性
标签： 成药
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