药化lesson 3-ADME与新药开发课件

1、化合物ADME与药物开发1What happens after you take a pill . . .AbsorptionDistributionMetabolismExcretion2What is ADME? ADME Absorption (How much? How fast?) Distribution (How extensive? How fast? Where is the drug distributed?) Metabolism (How fast? What mechanism/route ?What metabolites? Are they active? Are

2、 they toxic?) Excretion (How fast? Which route?) Measure and understand ADME and you can predict pharmacokinetics These measurements are key applications for Drug development and discovery3Drug Discovery & Development4 不良ADME 问题至少和缺乏药效同样严重 在临床研究中被淘汰的候选化合物大约 30%是由于在人体内无活性， 40%是由于药代动力学特性差 如药物代谢速度过快导致药

3、物作用时间过短或吸收不良 11%产生了毒性产物。 失败的原因 ADME 性质的研究仅仅在药物开发阶段进行。 人和动物，人和人之间存在着明显的ADME 的差异。 没有适宜的体外研究模型。 Why ADME SFDA指出： “非临床药代动力学研究在新药研发和评价过程中起着重要的桥梁作用，为药效学和毒理学评价提供了药物或活性代谢物浓度数据，是产生、决定或阐明药效或毒性大小的基础，是提供药效或毒性靶器官的依据，也是药物制剂学研究的主要依据和工具，并为设计和优化临床研究给药方案提供有关依据”5一. 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

4、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。米索前列醇前列地尔OH 由C1移到C16, 并引入甲基，叔醇不易受酶影响而氧化。代谢失活不易发生，作用时间长，口服有效72.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。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阿曲溴铵经酯酶广泛代谢（90%) 代谢物无活性经尿液排泄。雷米芬太尼83.代谢物比原形更少不良反应 生物转化为灭活过程； 许多药物代谢为具有药理活性的

5、代谢产物； 多数代谢物经历相除，更安全。 止痛作用更强；无/少高缺血红蛋白血症，溶血性贫血发生。有更好消炎止痛作用；更少胃肠道反应。 非那西汀乙酰氨基酚羟基保太松保太松104. 活性代谢物比原形有更好药动学性质 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。去甲羟基安定具有速效催眠镇静作用其葡萄醛酸化作用代谢产物较前体现药物半衰期短，适用于老年人及肝肾功能不良者1112阿司咪唑诺阿司咪唑H1-受体的选择性比前者强，而且活性是代谢前的40倍。药物的活性代谢物直接作为药物，可减轻体内代谢的负担，有些药物更适合老年人使用。目前预测药物肠吸收的模型主要有: 动物体内

6、实验：由于种间差异性,不能很好地反映人体内情况体外细胞实验：使用人造细胞膜、细胞系及肠组织的. Caco-2 模型实验模型CaCo-2 细胞源于人体结肠癌细胞, 其结构和生化作用都类似于人小肠上皮细胞。含有与刷状缘上皮细胞相关的酶系,如-谷氨酰胺转肽酶、碱性磷酸酶、谷胱甘肽S-转移酶、磺基转移酶，P450细胞色素同功酶。与小肠主动转运相关的12 种转运系统 也都在CaCo-2 细胞内表达。Caco-2 能较好地模拟药物经不同途径的转运,其中模拟最好的是跨细胞膜被动转运.Caco-2 渗透性实验14 Artificial membrane is made using lipids and/or

7、oil and spotted in a filter Compound is added to the lower chamber The rate of appearance of the compound in the upper chamber is measured by mass spec or UVPAMPA (Parallel artificial membrane permeation assay)PAMPA plate浙江工业大学学报, 2010, 38, 61715前药（Prodrug） 目的：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

8、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% 17定位释放： -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-谷氨酰多巴，在富集于肾脏的 -谷胺酰胺转肽酶(1)和 L-芳胺酸脱羧酶(2)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。 -谷胺酰多巴可用于肾血流不佳患者。182.分布 药物的亲酯性越强，蛋白结合率越高，分布越广泛。 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

9、。192.1 药物与血清蛋白结合模型平衡透析法：采用半透膜将药物（通常是小分子 ）和蛋白（大分子）分在两个小室内 ,只有小分子可以透膜 ,达到平衡后测量两室内药物的浓度;超滤法：采用超滤膜 ,将离心管隔开 ,药物与蛋白混合液加在上室内开始离心 ,蛋白分子不能透膜 ,与蛋白结合的药物分子也不会被离心到下室 ,只有游离的药物分子能进入下室;凝胶过滤：是通过凝胶渗透层析将蛋白与小分子药物分离开。光谱法：是通过蛋白与药物结合后的光吸收改变来测定与蛋白结合的药物的量 ,这种方法只在特殊的情况下才能使用。平衡透析、超滤和凝胶过滤的特点都是将与蛋白结合的药物与未结合的药物分开 ,从而便于衡量药物与蛋白的结合

10、率。光学生物传感器：使用表面等离子体共振技术 ,主要用于探测生物分子间的相互作用 ,因而可用于药物开发的许多过程中。该技术可筛选针对某一靶位点的先导化合物 ,也可检测药物与蛋白包括酶的结合能力。体外研究方法主要有: 202.2 药物向各组织分布的模型目前在这方面没有有效的体外模型，主要是因为各组织的生物膜组分不同， 同时生物膜上的蛋白受体不可能很好模拟。2.3 透血脑屏障模型药物要透过血脑屏障才能进入脑组织。模拟血脑屏障的模型 ,主要是采用脑血管内皮细胞和神经胶质细胞的共培养物。内皮细胞和神经胶质细胞共培养物模型采用 transwell 培养板的方法 ,先在下层小池底部接种神经胶质细胞 ,培养

11、 23天后 ,再在上层小池底部的膜上接种血管表皮细胞 ,经培养可形成紧密连接的单层细胞。也可将神经胶质细胞接种于上层小池的膜底部。研究药物的穿透能力也是在上层小池内加入药物 ,过一段时间再测外面大池内药物浓度。213. 药物代谢 I相反应 ： 氧化、还原或水解为极性更大的代谢物 。关键酶为 P450酶; II相反应 ： 药物及其代谢物与内源性物质结合。酶较多 , 重要的有葡萄糖醛酸转移酶，谷胱甘肽-S -转移酶， N-乙酰基转移酶等3.1 代谢稳定性 （Metabolic stability ） Scientists are interested in measuring something

12、called “clearance” Conceptually, this is the rate at which the drug is eliminated by the body The metabolic enzymes “clear” the drug from the body by metabolizing it to something else The rate of clearance is very important in determining how much drug gets through the liver and how long a drug will

13、 stay in the body “How big a pill is needed and how often you need to take it”22example24Experimental Approach将微粒体或肝实质细胞与供试药物共同孵育,然后用 LC/MS对药物进行定量分析,可得出药物的代谢率, 还可对一系列结构相关的化合物进行测量,对代谢中间物进行研究。25Gilson 215 liquid handler 系统 可以进行编程控制，并对测试过程中的试剂添加，及反应终止进行自动化操作， 并可进行温度控制。 可与HPLC系统联用，实现自动进样测试。 自动化操作重复性好273

14、.2药物相互作用（Drug-drug interaction）CPY- inhibitor283.2药物相互作用（Drug-drug interaction）CPY-inducer29Experimental ApproachKey Products: BD UltraPool HLM 150, BD Supersomes, CYP Inhibition Kits, Chemicals了解一个药物对协同治疗药物的潜在代谢影响是必要的。可以在 96 孔板上进行人肝细胞长期单层培养 ,研究药物对肝基因表达的影响。当代谢酶表达稳定后 ,加入药物然后检测代谢酶的量 ,就可用mRNA定量方法来衡量基因表

15、达变化 ,也可通过测酶的活性来衡量。mRNA的量基本可以反应出诱导与否 ,因为许多诱导都是通过与特定的上游感应元件相互作用提高转录水平的。qRT -PCR 可以在100 ng 的总 RNA (50 000个细胞) 中检验出 10 个拷贝 ,还可实时测定 mRNA。确定一个孔细胞多基因表达的实现 ,使得同时研究一个药物对所有 CYPs酶的影响成为可能。303.3药物毒性（Drug toxicity）药物毒性很多体现在肝毒性 ,而且药物代谢会改变药物的毒性 ,因此经常使用分离的肝细胞进行毒性试验。其他体外模型如：视觉中毒试验模型,有用于急性试验的人角化细胞和角膜上皮细胞的单层培养物 ,也有用于慢性

16、试验的角膜上皮 3D 模型 ,还有人造的角膜。皮肤模型中 ,包括角化细胞或纤维原细胞的单层培养物和人表皮的3D 模型。肾毒性试验可用近球小管细胞单层培养物也可使用新鲜分离的肾小球囊或肾单元进行 ,但它们的存活期只有几个小时 。人的其他组织如肺、心、肠和淋巴都可用来进行毒性试验 ,不过大都只能进行细胞中毒试验。药物毒性是药物的一个至关重要的性质 ,也是最难加以筛选的性质。药物毒性可能是种属特异性的或组织特异性的 ,也可能是多种其他因子共同作用的结果 ,有时需要长期服用才能体现。31Experimental Approach这些细胞毒性筛选模型基本都是将药物与细胞共同孵育一段时间 ,然后检测细胞的

17、活性 ,或是检测一些其他指标。细胞活性可通过多种方法来检测 ,如基于线粒体活性的 MTT法、中性红染色法、基于细胞膜完整的酶释放测量。其他测试指标还有对分化细胞DNA合成或所有种类细胞的 RNA、蛋白合成检测 ,以及针对自由基毒性的 GSH(谷胱甘肽)检测。生物技术如基因芯片技术通过基因表达能检测出常规方法不能检测到的毒性作用。极其昂贵 。许多其他的检测方法则要依赖于具体试验来确定。321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吸收、分布、代谢、排泄过程的变异与饮食有关；成分：高蛋白、低碳

18、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7.5ng/ml，生物利用度肝病54%，健康人体35%33 药物：蛋白亲和力 个体：蛋白的质和量量：疾病、感染性疾病、心机梗塞、恶性肿瘤、肾病1酸性蛋白含量增加。低蛋白血症：肝硬化、肾衰竭、恶性病变、脓毒症由正常个体的35mg/ml降为10mg/ml。质:结构改变:大剂量乙酰水杨酸使血清蛋白发生乙酰化，从而使结合部位结构改变。氰酸盐，修饰（carbamylate）白蛋白分子精氨酸残基,降低尿毒症患者酸性药物蛋白结合。2. 蛋白结合变