药物代谢及其动力学与新药开发

1、药物代谢及其动力学与新药开发 新药必须具备以下基本条件满足临床预防、治疗、诊断需要； 通过改善效应强度、选择性或新的作用机制，使安全性或有效性优于目前治疗药物或治疗方案；具有良好的药代动力学或药物代谢特征，给药更方便、更少药物相互作用。 新药研究得益于新技术 的开展和广泛应用分子生物学技术; 重组水蛭素、超氧化物歧化酶；高通量筛选技术（high throughput screening techniques）;药物合成化学技术（synthetic organic chemistry）。巨大挑战、巨大风险、巨大投入激烈的市场竞争；昂贵的现代技术；更加严格的注册管理和规范要求；极高的失败率。300

2、million$美元，历时10年 新药开发的过程到12张 新药开发的过程Discovery：利用作用靶点资料信息，通过合成、合理药物设计，发现新的化学单体（chemical entities）新药开发的过程HTS：寻找高浓度时具有期望效应的前导药物（lead drugs）新药开发的过程理化性质：确定前导药物的溶解度、脂溶性及稳定性一有助于预测药物的蛋白结合、组织分布、经肠道吸收特性;新药开发的过程前导药物鉴别(Lead identification)：通过化学合成或组合药物设计寻找一定浓度时对靶器官(部位细胞)有期望活性的具有良好理化性质的候选药物(drug candidates)。新药开发的

3、过程In vitro：微粒体、肝细胞、组织切片-鉴别代谢物，评价代谢途径和代谢速率；Caco.2细胞株-评价透细胞吸收；器官特异性细胞株-获取细胞毒性数据。新药开发的过程前导药物的优化（Lead optionization）：寻找活性强、安全的前导药物，确定毒理研究与人类最接近的、种属的动物。 必须重申：体外有活性并不表明体有活性；必须制成合适的制制；良好药代动力学特征；理想作用持续时间。1 药物代谢及其动力学与药物设计传统方法：根据已知活性与结构的关系，在一定结构范围内寻找具有理想活性的药物。 体外活性很强的化合物，体内无活性，或有很强毒性； 毒性产生则可能源于毒性代谢物生成。现代方法：综合

4、考虑药物代谢及其动力学性质，参考分子生物学、药理学和毒理学数据，寻找有效、安全、方便的药物。 代谢与药物设计 1.hard drug 理想药物应该安全；体内代谢过程已知；不被代谢。 无活性中间产物或活性代谢物引起的毒性；经胆汁或肾脏排泄，药代动力学过程简单； 可根据肾功能预测动物与人药代动力学性质的差异。 2.Soft drug 具有药理活性，代谢过程可预知、可调控，代谢物无无活性。 设计原则：尽可能避免氧化代谢；并利用水解酶达到可预知、可调控的代谢。 阿曲溴铵含季铵功能基团和酯结构，于体内经Hofmann降解生成能胺和烯烃，或在酯酶作用下水解。 雷米芬太尼含甲酯结构,经酯酶广泛代谢（90%)

5、 为无活性的酸性产物后经尿液排泄。代谢与药物设计 1.1 代谢与药物设计更少不良反应 生物转化为灭活过程； 许多药物代谢为具有药理活性的代谢产物； 多数代谢物经历相除，更安全。 a dozen of metabolites by o-deethylation, N-deacethylation and hydroxylation processes 乙酰氨基酚：非那西汀的O-去乙基代谢物，止痛作用更强；而无少高缺血红蛋白血症，溶血性贫血发生。N-羟基非那西汀与非那西汀的不良反应有关。 羟基保太松：保太松对羟基活性代谢产物,有更好消炎止痛作用；更少胃肠道反应。 吗啡:吗啡-6-糖醛酸络合物比原形

6、吗啡有更强u-阿片受体拮抗作用,有更好止痛作用；而无吗啡引起的恶心、呕吐等不良反应。 有更好药动学性质 许多苯二氮卓类药物可生成具有与原形相似药理活性，但比原形有更好药动学性质的代谢物。 去甲羟基安定为利眼宁、三氟甲安定等的活性代谢物，其葡萄醛酸化作用代谢产物较前体现药物半衰期短，从而具有速效催眠镇静作用。1.2 药代动力学与药物设计 药物应该安全、有效，但不是唯一条件，还应有良好的药代动力学性质 半衰期太长、太短，广泛首过代谢、生物利用度低； 40%（77/198）胎死腹中，半途而废。 1.2 药代动力学与药物设计 1.吸收 生理、物理、化学因素影响药物吸收的速度和程度。 平衡脂溶性与透膜作

7、用。膜透过性增加，清除率增加，首过代谢广泛，生物利用度低。脂溶性通过增加药物与酶的亲合力影响代谢清除率。1.2 药代动力学与药物设计塞康唑外用治疗皮肤、阴道霉菌感染，口服无效。 原因：口服存在广泛首过代谢，血浆蛋白结合高，生物利用度低。 对策：降低脂溶性及蛋白结合，增加代谢稳定性。 化学修饰：用1,2,4-三氮唑（triazole）取代依咪唑（imidazole）脂溶性降低，吸收及药动学性质良好，但有严重肝毒性，与2,4-二氯苯（dichlorophenyl）有关。引入fluorine 终成氟康唑，即有良好药动学性质，较少肝毒性。 1.2 药代动力学与药物设计 2.前药（prodrug） 目的

8、：改善吸收，定位释放 改善吸收：巴氨西林、氨苄青霉素肽酯、匹氨西林）为氨苄青霉素的前药，生物利用度由50%提高到98%-99% 依那普利为依那普利拉的前药，生物利用度由10%增至60% 定位释放： r-谷氨酰多巴可特异性释放L-多巴。L-dopa为多巴胺信使，作用于中枢神经系统,亦作用于肾脏受体，具有扩血管作用。大鼠腹腔注射r-谷氨酰多巴，在富集于肾脏的r -谷胺酰胺转肽酶和L-芳胺酸脱羧酶的作用下，使肾脏多巴胺的量5倍于给予相同剂量的L-多巴。r -谷胺酰多巴可用于肾血流不佳患者。1.2 药代动力学与药物设计1.2 药代动力学与药物设计 3.分布 药物的亲酯性越强，蛋白结合率越高，分布越广泛

9、。 甾类激素血脑屏障透过率与氢键数密切相关，氢键数越多，透过率越低。 亲脂性是影响大脑透过率的重要因素，但仅在一定范围内相关。1.2 药代动力学与药物设计 4.半衰期 半衰期是确定给药间隔，频率的重要参数。增加药物分布容积或降低清除率可延长半衰期。 制成缓控释制剂或进行化学修饰可降低清除率，延长半衰期。 缓、控释制剂: Modified, control, slow-release preparations1.2 药代动力学与药物设计 化学修饰:尼非地平经历广泛首过代谢,半衰期短,需频繁给药。在二氢吡啶二甲基侧链连接烷氨基侧链,形成新的化合物阿莫地平，口服生物利用度增加,半衰期延长,而抗高血压

10、活性不变。 联合用药：同服抑制药代酶的药物，如环包霉素A+氟康唑;同服抑制某药排泄的药物,如丙磺舒+青霉素;制成复方制剂,primaxin（亚胺硫霉素+西司他汀），sinemet（L-dopa + carbidopa）。 1.2 药代动力学与药物设计 立体异构物存在药动学和药效学量和质的差异。 Levo-dopa 、左氧氟沙星等单体用于临床，仍有500种以消旋体方式用于临床。 发生有利的手性转化外消旋体布洛芬于体内发生手性转化，由无活性的R型转化为有活性的S-型。 增加治疗作用 吲哒克酮为（+）和（-）型异构体混合物（9：1），二者均有促尿酸排泄作用，但（-）型有更强利尿作用。1.2 药代动力

11、学与药物设计 开发新药的依据 特定组织内某种受体亚型存在手性优势，从而可作为新药开发的依据。 人体存在两种-肾上腺素受体，1-受体主要分布于心、肺，2-受体主要分布于眼。 塞吗心安两种异构体均有1和2活性，但1受体立体选择性R:S比却高于2受体。 阻断荷兰猪心房、气管-受体,R:S为1:80-1：90，阻断兔眼-受体，R:S为1：3S型主要用于高血压，R型主要用于青光眼。 2 代谢与药物毒性动物与人类存在差异，结果有一定欺骗性，不能外推于人类。动物的药物代谢及动力学差异，有助于解释毒性的种属差异。伦理限制，毒性研究必须先进行动物实验。2.1 药物代谢的种属差异 所有哺乳动物起源于同一祖先，种属

12、间存在相似性、差异性； 细胞色素P450源于亿年前的原始基因，已发现存在14个家族。 所有P450家族有高度完整的氨基酸序列，但各种属间有很大改变。 氨基酸序列微小改变可引起底物特异性的显著差异。 异构酶存在种族差异，药物代谢速率及模式因动物种类不同而异；而酶结构的不同，不同种属动物对诱导剂、抑制剂和激素的反应不同。2.1 药物代谢的种属差异 1.氧化作用和络合作用的种属差异 氯沙坦代谢存在种属差异 鼠:发生氧化反应，生成单羟基化或氧化代谢产物; 猴:发生葡萄醛酸络合反应，生成葡萄醛酸络合物; 人:以某一途径为主，同时生成氧化和醛酸化产物. 葡萄糖醛酸化和硫酸化代谢与药物性质和动物有关鼠：以葡

13、萄糖醛酸化作用为主，硫酸化作用次之；狗、人：则以硫酸化作用为主； 2.1 药物代谢的种属差异 竞争酶活性中心； 与酶发生非竞争性抑制作用； 酶结构自身破坏； 同似物的竞争作用。 以竞争抑制作用最普遍。竞争力取决于底物Km值；抑制剂解离常数；酶周围抑制剂浓度。2.1 药物代谢的种属差异 3.性别双态性 生长激素的性别双态性分泌调节肝细胞色素P450的表达。 与性别有关的药物代谢差异存在于鼠、狗、人、猴等。氯氮卓的清除率男性高于女性，地西泮和去甲地西泮则相反。 与性别有关的药物代谢的差异与月经周期性激素及口服避孕药有关。 种属与组织特异性 1.种属特异性毒性 乙酰氨基酚毒性与活性代谢物数量及肝脏G

14、SH数量有关。但乙酰氨基酚 rats体内半衰期比mice长2-3倍。200-300mg/kg可引起mice肝毒性，rats则要 1500mg/kg。 血浆乙酰氨基酚及其葡萄糖醛酸、硫酸络合物浓度与毒性缺乏相关性。 给予苯巴比妥，rats、mice半衰期很小改变，但肝毒性增加。 种属与组织特异性正常代谢能力：乙酰氨基酚治疗剂量时，主要代谢产物与葡糖醛酸形成络合物，很少被微粒体混合功能氧化酶代谢，耐受性良好；过量时(单剂10-15g)，超过其正常代谢能力，N-OH代谢物不可逆地使肝细胞蛋白质发生乙酰化、芳香化和酰化作用。GSH解毒能力：毒性代谢物由细胞内GSH解毒，过量时GSH储备耗竭，解毒功能饱

15、和。饮酒或接受苯巴比妥治疗者，毒性代谢物生成增加。 2.2 种属与组织特异性2.部位特异性毒性 2-萘胺、4-氨基联苯膀胱癌的主要诱因. 2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑（4，5，6）吡啶于肝内转化为N-OH-N-糖苷代谢物，经胆汁排泄进入小肠后在细菌-糖苷酶作用下释出致癌物羟胺，引起结肠癌。 肾脏富含r-谷胺酰转肽酶。溴苯2-溴-（2-glutathion-S-yl）氢醌 2-溴-(2- cystein-S-yl) 氢醌肾毒性。立体选择性和毒性 药效动力学，由特异性酶或受体间的相互作用决定； 药代动力学，由作用部位药物浓度决定。 对映体存在药效和药动学差异，而存在立体选择性毒性。 环磷酰胺：

16、磷原子上有一个手性中心，临床以外消旋体应用。 R- （-）型对鼠ADJ/PC6细胞治疗指数为S- （+）型的2倍。 巴比妥类：后效应从轻度震颤到癫痫发作。S-（+）引起广泛震颤, R-（-）型较少震颤作用，主要用于麻醉前给药。 3 药物代谢及药代动力学与药物开发药物代谢的离体研究药物吸收的离体研究蛋白结合的离体研究3.1 药物代谢的离体研究目的：确定代谢途径；鉴别药代酶；发现药物相互 作用方法：利用动物、人体组织、器官、细胞及生物分 析、分子生物学技术优点：在某种程度上可反映活体药物代谢模式；有 助于预测某些相互作用；有助于选择进行毒 理研究的种属动物。不足：有一定局限性；肝脏切片，介质与细胞

17、接触 不充分；细胞分离、培养过程中酶活性发生 改变。药物代谢的离体研究 1.确定代谢途径 研究方法 酮体酚：鼠肝细胞氧化作用；兔肝细胞氧化作用，葡萄糖醛酸化作用，硫酸化作用；人肝细胞还原作用，葡萄糖醛酸化作用，硫酸化作用。 联苯：人、狗，而非鼠，肝细胞研究氧化作用和络合作用比肝切片研究低。肝细胞在培养24h内，细胞色素P450酶含量丢失明显。药物代谢的离体研究 药物或底物浓度 药物（底物）浓度不同，代谢途径可能发生改变。 安定：治疗浓度（2-4uM）N-甲基化作用为主要代谢途径； 高于100uM，3-羟基化作用为主要代谢途径。药物代谢的离体研究 分子生物学技术及抗体、探针底物的开发利用，使药代

18、酶实现了分子水平的研究，使体内、体外特异同功酶的分离、纯化、鉴别成为可能。 研究方法：运用微粒体选择性抑制剂； 阐述以cDNA矢量系统为基础的催化活性； 酶标志物与某种活性的相关性； 微粒体催化活性的免疫抑制作用； 纯化酶异构体的催化活性。 药物代谢的离体研究 药物代谢存在立体选择性 华法林：6-17-羟基代谢具有立体选择性。 人：S-型CYP2C9 S-7-羟基华法林（大 量）+ S-6-羟基华法林（少量）； R-型 CYP1A2和CYP2C19R-6-羟基华法林 + R-7-羟基华法林； 美芬妥因：4-羟基化作用有立体选择性. 鼠：R-型4-羟基化速率为S-型的2-3倍。 S-型 CYP2

19、C11，R-型 CYP3A1/2 人：S-型 CYP2C9药物代谢的离体研究 抑制剂浓度影响药物代谢 奎尼丁 CYP2D6抑制剂，2-10uM浓度时，对丁呋心安1-羟基化有最大抑制作用。 大于20uM，对CYP3A4产生抑制作用，抑制睾酮（testosterone）的6-羟基化作用。 药物代谢的离体研究 相互作用的基础：代谢为大多数药物的主要消除途径，许多药物竞争同一酶系。 危险药物：抗凝剂、抗抑郁剂、心血管药物小治疗指数的药物。 特非那定经CYP3A4代谢；酮康唑为CYP3A4强抑制剂，合用可引起致命性室性心律失常。 预测原则：联合用药的可能性；治疗窗的大小；多种药物竞争同一酶/酶系，而该酶

20、/酶系参与的代谢反应为主要消除途径。药物代谢的离体研究 抑制剂和底物浓度决定抑制速率Vmax最大速率；Km常数；S底物浓度；I抑制剂浓度药物代谢的离体研究 一般情况下，治疗剂量范围内代谢反应符合线性动力学，S/Km可忽略，但抗病毒，抗肿瘤药物S/Km比I/Ki更相关。药物代谢的离体研究 华法林+依诺沙星华法林以对映体形式存在，S-型比R-型作用强； S-型 CYP2C9 S-7-羟基华法林； R-型 CYP1A2和CYP2C19 R-6-羟基华法 林；依诺沙星使R-型消除降低，但不影响S-型；不影响华法林的低凝血酶原效应 药物代谢的离体研究4.预测清除率（in vivo） 利用离体研究数据、信

21、息预测活体代谢困难、存在争议，但有效、常用。 乙氧基苯甲酰胺水杨酰胺 Vmax Km鼠肝微粒体二室模型（vivo） 3.2 药物吸收的离体研究侯选药的主要标准之一；采用动物或离体系统；定量、定性吸收过程 1离体研究吸收数据外延 经肠吸收方式：1）透细胞作用：药物以被动和主动转运方式经壁细胞进入循环为主要途径。2）细胞旁路作用：药物经壁细胞间隙进入循环受分子大小，立体构型影响。二磷酸盐生物利用度低（阿仑磷酸盐0.7%，帕米磷酸盐0.3%，clodranate 1-2%）。脂溶性低，透细胞作用差，主要经细胞旁路途径吸收 药物吸收的离体研究.动物吸收数据外延 影响因素：通透性：与药物亲脂性，分子大小

22、，pKa有关较小种属差异，生物膜相似。 胃肠道转运时间； 肠肝代谢； 首过代谢：吲哚那韦 狗、猴、鼠生物利用度分别为72%、19%和24%。与猴、鼠广泛代谢有关。蛋白结合的离体研究 药物作用强度与持续时间，与作用部位游离药物的浓度有关。 1离体/活体蛋白结合研究 平衡透析法、动力透析法、超滤法、超离心法、筛析色谱法 CSF/血清比值可用于预测活体药物蛋白结合率。3.3 蛋白结合的离体研究 苯妥英钠 去甲氯丙咪嗪 In vitro CSF/血清 药物穿过血脑屏障作用非主动转运,例外。 Enprofylline Theophylline 代谢物与蛋白结合且与原形有竞争作用时,例外。 多唑胺存在于红

23、细胞，90%以上代谢物为N-去甲基代谢物，与原形有相同活性，均与红细胞结合。 in vitro:全血含30M多唑胺，红细胞/血浆浓度比为200。大鼠25mg/Kg iv，红细胞/血浆浓度比低于10%。 蛋白结合的离体研究2血浆和组织蛋白结合 Vp血浆体积;Vt组织体积;fp血浆游离分数;ft组织游离分数; Vd与fp成正比，与ft成反比。 蛋白结合的离体研究 Vt远大于Vp，故ft对Vf的影响大于fp组织：完整器官，组织切片，组织匀浆 优点：直接 不足：处理过程改变结合特性3.3 蛋白结合的离体研究 3蛋白结合置换作用 人血浆含60种蛋白，白蛋白与大多数药物结合，含量为650M，1酸性糖蛋白为

24、10-30M。 高药物浓度、低蛋白浓度in vitro 结合率高，活体不然。 消炎痛：in vitro 100M显著降低华法林蛋白结合，in vivo 0.08-1.0M，无临床意义4 个体变异从市场角度，对大多数患者有效的剂量为理想剂量。注意：大多数而不是全部。 药代动力学变异吸收、分布、代谢、排泄过程的变异 1吸收变异 生物利用度高，变异程度低，反之则高。与剂型、胃肠道生理状态及首过代谢有关 ； 与胃排空时间，肠蠕动性有关；影响速率、吸收程度 药代动力学变异 与饮食有关；成分：高蛋白、低碳水化合物饮食增加茶碱和氨基比林代谢。数量：阿莫西林,250ml水送服生物利用度增加。与药物理化性质有关:高脂肪饮食增加亲脂性药物吸收。 * 健康志愿者标准饮食所得吸收数据； * 疾病则使吸收过程更复杂。 心得安 游离血浓度肝病22ng/ml,健康人体，生物利用度肝病54%，健康人体35%