药物传递：第二章

有关口服药物传递的生理、生物化学以及化学屏障讲解人：彭青青

前言

这一章将集中讲解在口服给药中这类药物分子要到达作用靶位所必须通过的各种屏障。

阻碍口服药物递送的屏障可以分为生理、生化和化学屏障三种。肠粘膜属于生理屏障，其次，药物必须通过由各种能降解它的酶组成的生化屏障。药物分子还必须得优化它的理化性质以便能渗透过那些屏障。因此在为提高药物吸收特性时，我们需要考虑这些不同的屏障。

2.2

药物递送的生理屏障

2.2.1

细胞旁路通道转运

2.2.1.1

紧密连接

2.2.1.2黏附连接

2.2.1.3

细胞桥粒2.2.2

细胞通道转运图2.1。药物穿越肠粘膜屏障的路径图。路径A是细胞通道转运,药物被动地渗透过细胞膜。路径B是细胞旁路途径;药物通过被动扩散胞间连接处。C通路是药物转运子主动运输的路线。路径D通过外排泵进行药物渗透。2.2.1细胞旁路通道转运

在两个相邻细胞之间，胞间连接形成了一个长约80nm位于细胞整个侧面的通道，即细胞旁路通道转运。它可以选择性地让分子和细胞通过。细胞间连接：细胞表面可与其他细胞或细胞外基质结合的特化区，可分为以下三种:

(1)紧密连接

(2)粘附连接

(3)桥粒。

2.2.1.1紧密连接

在细胞的最顶端，紧密连接使得两个相邻的细胞形成紧密的排列。这种功能被称之为紧密连接。图2.2描画了胞间连接的组成成份。这些并列区域被称为“吻”，他们形成了能限制细胞的分支纤维，这种情况可以通过冷冻断裂后的电子纤维镜观察到。

紧密连接能够使得细胞表面极化，从而使得脂质和蛋白质不能由细胞膜顶端转运到基底一侧。因此，药物经细胞旁路通道转运通过胞间连接的作用，主要取决于胞间连接的孔隙大小。

在紧密连接中发现而来的咬合蛋白和水闸蛋白，它们具有门和栅栏的作用。这两种蛋白质都有四个跨膜域和两个位于细胞外的环域，以及位于胞浆内的羧基尾。细胞外的环域在细胞-细胞接触方面起着关键作用。

紧密连接的完整性具有钙依赖性，去除Ca离子后会引起紧密连接蛋白的重排，还可能会使得E-钙粘蛋白相互之间的作用发生紊乱。许多细胞因子和生长因子能够减少紧密连接的屏障作用。

2.2.1.2黏附连接

紧接着细胞连接下面的区域，是负责细胞-细胞间粘附的黏附连接。研究人员已经证明在这个区域钙黏蛋白相互作用的优先形式，将决定紧密连接的方式。

位于粘附连接的细胞之间的粘连受到E-钙粘蛋白的控制。E-钙粘蛋白是一个120kd的糖蛋白，具有钙依赖性的分子，同型间可以相互作用，由以下三个领域构成：一个细胞外域，一个单一的膜域以及胞质域。

细胞外域由110个氨基酸构成，称为EC1-EC5。E-钙粘蛋白的高度同源的胞质域对于粘连是非常必要的。胞浆域与连接钙粘蛋白和肌动蛋白骨架的a-连环蛋白和b-连环蛋白相互作用。

2.2.1.3细胞桥粒

桥粒是细胞旁路通道转运的最后一个区域，紧接着肠上皮细胞的基底侧的膜表面上。研究表明:中间纤维通过不溶性血小板连接到桥粒上，桥粒糖蛋白是位于这个区域主要的桥粒钙蛋白。桥粒胶蛋白是第二种桥粒钙粘蛋白。这一区域对细胞旁路的的贡献弱于紧密连接和粘附连接。2.3药物递送的生物化学屏障

由于抑制、诱导、遗传多样性、甚至疾病状态所带来的酶活性的差异，会使得在众多的个体反应中的药物代谢也有所差异。肠内酶有两个来源，哺乳动物和相关细菌。哺乳动物的酶主要位于消化道腔和肠上细胞中。回肠和结肠内有来源于微生物的酶，本章所讲述的主要是关于哺乳动物的酶降解。2.3药物递送的生物化学屏障 2.3.1代谢酶 2.3.2转运蛋白和外排泵2.3.3对肠内代谢活性的影响2.3.1代谢酶（1）在胃腔内，多肽药物会遇到第一道屏障，即盐酸和胃蛋白酶的混合物。酸性蛋白的水解反应发生在2~5pH值，这是带有天冬氨酸残留基的多肽类特有的性质，大分子蛋白质很容易受到胃蛋白水解酶的影响,而较小的蛋白质则不会。（2）位于十二指肠，胰蛋白酶、糜蛋白酶、胰肽酶E以及羧肽酶A和B，PH值为8时这些酶的活性最高。十二指肠内的这些酶在10min内能将30%-40%的大蛋白降解成小肽。而小肽对胰蛋白酶比较稳定。（3）小肠近端的表面积很大，且肠酶和转运蛋白很多，其代谢活性也最强。主要为I相酶（I相酶属于CYP超家族，即P450酶）和II相酶（耦合酶），胃肠道内各酶的活性不同。

a、P450酶在胃肠道近端活性最强，在远端活性降低。现已发现P450酶在肠上和肠中间靠下部分的绒毛顶端浓度最大。

P450酶在肝脏中也有，虽然肠内P450酶浓度比肝大约低20倍，但药物代谢活性与肝相近。

肠的P450酶比肝中相应的酶更易被诱导。这是因为虽然肠的血流量低于肝，但绒毛顶端表面积很大，酶易和底物接触，并且广泛进行代谢。肠内P450酶的亚属：CYP1、CYP2、CYP3，主要参与外源化合物代谢，且每个亚属的不同同工酶有专属药物底物。人体分离得到的有CYP1A1、CYP2C、CYP2D6和CYP3A4。CYP2D6有很多变形体，其特性很难掌握。CYP3A4是肠内最多的P450酶，占肠CYP的70%多。

文献表明肠和肝脏CYP酶结构相似，但彼此不受干扰。已证明食物可调节肠内CYP酶活性。葡萄柚汁能抑制CYP3A，而烤肉和熏制食物可诱导CYP1A1活性。这些酶存在的个体差异造成肽类药物不同的降解。b、在肠内也发现了耦合酶，又为II相代谢因子。葡萄糖醛酸酶、N-乙酰化酶、磺酰化酶和谷胱甘肽-S-转移酶都有较高的肠II相酶活性。

（4）酶代谢活性

酶屏障主要在刷状边缘和肠上皮细胞胞浆中，其中都有肽酶。它们可降解二肽到四肽。刷状边缘内肽酶活性从十二指肠上端到回肠下端有所增加。其底物首选三肽，而胞浆蛋白酶的底物是二肽。

有证据证明代谢酶活性沿着小肠到结肠逐渐降低，直至最后活性几乎可忽略。不过结肠上皮细胞仍保持一定渗透性。这为肽类药物通过靶向结肠，绕过肠内屏障阻止肠内降解，并为其进行吸收提供了可能。2.3.2转运子和外排泵（1）a、

大多数转运子位于顶端细胞膜内，但研究人员随后发现有些转运子只存在基底端膜。

PepT1，一种顶端H+/二肽转运子，在绒毛顶端数量最多，且浓度从十二指肠到回肠逐渐增加，饥饿条件下此转运子表达增强。

PepT2，作为一种底端H+/二肽转运子使底物离开肠上皮细胞。b、主动转运子特性：它的底物一般为二肽或三肽。后者以载体接导和PH值依赖的方式穿过刷状边缘膜。逆浓度梯度将肽转运到细胞内需要能量，且载体可被饱和。

（2）外排泵：P-糖蛋白（P-gp），被认为是一种多药耐药相关蛋白，其外排泵功能已经为人们所知。

P-gp位于肠绒毛顶端刷状边缘，并且已经发现遍布小肠和大肠。P-gp浓度从胃到结肠逐渐增加。P-gp底物范围很广，并且在不同肠部位的亲和性不同。底物的共同特点是疏水性，外排泵通过将药物反排到肠腔内，使代谢酶再次作用于药物，同时通过清除已形成的主要代谢物防止产物抑制作用。2.3.3对肠内代谢活性的影响药物在肠内的代谢活性有路径依赖性，其中口服给药的代谢高于静脉注射给药。因此肠代谢在药物吸收透过肠屏障时就开始，并且当吸收的药物再次到肠时，代谢水平较低。

代谢的路径依赖性主要和药物在肠上皮细胞内滞留时间有关。滞留时间随着药物在胞浆内被结合，外排泵作用小和血流量减少而延长。另一方面，通过基底端的清除和转运蛋白作用，作用时间减少。2.4药物递送的化学屏障

药物化学结构决定其溶解性和渗透性，药物吸收速率和吸收程度取决于肠腔中药物浓度和药物的肠粘膜渗透性。限制肽和肽类似物口服吸收的主要因素是其不合适的物理化学性质。本节将讨论，影响肽渗透的结构因素。2.4药物递送的化学屏障 2.4.1氢键的形成能力 2.4.2物化性质 2.4.1氢键的形成能力

氢键的的形成能力是影响渗透的重要因素。体内研究及血脑屏障和肠粘膜的各种细胞培养模型研究表明，去溶剂化作用或者氢键形成能力可调节肽渗透性。肽分子中极性的酰胺基团去溶剂化，能使肽进入并跨越细胞膜。这一过程需要能量参与，也是氢键形成能力的根本提现。2.4.2物化性质

肽的物理性质化学性质也是药物通过细胞旁路的决定因素。如分子大小、亲水性和电荷会影响细胞旁渗透。

当分子半径大于1.1nm，则不能从紧密连接处渗透,Caco-2细胞研究证明药物的细胞旁路渗透性依赖于分子大小。

这也是细胞连接过滤功能的体现。

肽的亲水性发生变话可能改变其渗透路径。如肽亲水性降低，亲脂性增加，则使肽渗透从细胞旁路转变成跨越细胞途径;

尽管已知细胞旁路呈负电性，但电荷对细胞旁路渗透的影响仍不十分清楚。一项研究表明带净正电荷的肽的细胞旁渗透最好，而另一项研究却表明细胞旁转运时-1价或-2价最有效。同时该文献表明随肽分子尺度增大，电荷的影响可以忽略。2.5增强药物跨生物屏障转运的药物修饰

已有几种方法可增强药物通过生物屏障的渗透。一种方法是药物结构修饰的化学修饰，如前药和肽拟似物；另一种是设计能增强药物生物屏障渗透的处方。2.5增强药物跨生物屏障转运的药物修饰2.5.1前体药物和构型的修饰2.5.2处方2.5.1前体药物和构型的修饰

前药作为药物优化方法早已有应用。前药本身是无药理活性的化学衍生物，但能在体内转化为活性药物。最近已有将前药靶向于膜转运蛋白或酶的靶向前药设计。这种方法可增强口服药物吸收或组织特异性药物传递。在对目标转运子的靶向研究之前，还需了解其结构、生物屏障内的分布及底物特异性。

另外环状前药的亲脂性增加，其转运从细胞旁路变为跨细胞途径。据报道，环状肽对氨基和羧基肽酶的敏感性比线性肽分子低，因为前者的氨基和羧基因被保护而不受到这些酶的进攻。

前药方法对于小分子很成功；但应用作为肽前药还较少。已证明制备环状肽的前药方法能提高膜渗透性。该方法将肽N端和C端通过一个连接基形成环状肽。此连接基能被酯酶水解而释放肽。环状前药的形成，增强了分子内氢键并降低了水分子作为溶剂时的氢键结合能力。

用结构修饰方法提高肽的膜渗透性已有应用。口服吸收途径中各区域均可能发生肽类药物代谢，因此抑制降解有利于提高药物传递。将肽转化形成肽拟似物可提高酶稳定性，其中肽键被转化成对蛋白水解酶稳定的生物电子等排体。其他提高膜渗透性的结构修饰方法包括：脂质衍生化、糖基化、阳离子化和聚合物耦合。2.5.2处方

设计和优化处方可提高肽吸收，具体方法包括添加紧密连接扰乱剂如细胞骨架剂、氧化剂、激素、钙螯合剂和细胞毒素的处方也能提高药物渗透。有一种新型传递系统，应用