前 言
共价药物通过分子中特定的反应弹头与靶蛋白活性位点的亲核氨基酸残基形成共价键,从而产生高效且持久的药理活性。目前全球已有近130种共价药物获批上市,覆盖抗生素、肿瘤、心血管/代谢疾病等多个治疗领域(图1)[1] 。
共价药物的“识别-锁定”双重作用模式可显著延长药物-靶标复合物的半衰期,实现持续的药理效应并有效延缓耐药性产生;并能靶向传统药物难以靶向的结合位点,极大拓展了可成药靶点的范围。然而,共价药物的高效共价结合能力是一把“双刃剑”。在复杂的生物体内环境中,除与预期靶标结合外,共价药物还可能与非靶蛋白(如血液蛋白、组织蛋白等)及内源性小分子(如谷胱甘肽)发生共价结合,不仅增加了潜在脱靶毒性的风险,还为药物研发和生物分析带来了严峻挑战。
本文将系统阐述共价药物的作用机制及特点,并重点探讨基于LC-MS/MS技术平台对共价抑制剂进行生物分析时面临的关键挑战与解决方案。
图1. 已批准共价药物在不同治疗领域的分布[1]
共价结合的机理及特点
1
共价结合机理
共价抑制剂的结合通常包含两个步骤(图2):
可逆识别与结合
共价抑制剂与靶蛋白特定的结合口袋发生可逆非共价结合,形成不稳定的中间复合物(E·I)。在此过程中,抑制剂分子中的亲电弹头在空间上精准定位,接近靶蛋白中特定的亲核氨基酸残基。
共价键形成
中间体E·I中的亲电弹头与靶蛋白亲核氨基酸残基发生化学反应,通过加成、取代、氧化等机制形成共价键,生成稳定的共价复合物E-I[2]。
图2. 共价结合示意
(E代表靶蛋白,I代表共价抑制剂;K1:非共价生成速率常数;K-1: 非共价解离速率常数;K2: 共价生成速率常数;K-2: 共价解离速率常数)
根据药物分子中亲电弹头的化学特性(图3),共价抑制剂可分为两类:
不可逆共价抑制剂
共价键形成后基本不发生解离(K-2=0),如α, β-不饱和羰基、环氧基团、卤代甲基酮和磺酰氟等[3]倾向于形成稳定持久的共价键。
可逆共价抑制剂
共价键在一定条件下可发生可逆解离(K-2≠0),如羰基、腈基和硼酸基等,能够形成动态可逆的共价键。
图3. 药物分子中常见的弹头
a为部分可逆弹头;b为部分不可逆弹头
2
共价结合特点
共价结合的紧密程度受多种因素影响,包括动物种属、孵育时间、孵育温度以及体系pH等,这些因素共同决定了药物的结合效率与稳定性。下面以血浆和人血清白蛋白举例说明共价结合的特点。
种属差异性
共价药物与血浆蛋白的结合存在显著的种属差异。研究显示,八种共价药物分别与小鼠、大鼠、兔、犬、猴和人的血浆在37℃下孵育6小时后,其结合程度存在明显区别[4] (表1)。例如,奥希替尼和来那替尼在人血浆中的剩余量远低于其他种属;伏美替尼和AST5902在大鼠血浆中结合程度最为显著;而奥莫替尼则在犬血浆中表现出最高的结合程度。
这种差异可能源于不同种属白蛋白氨基酸序列的差异。犬、大鼠和小鼠血清白蛋白与人血清白蛋白的序列同源性分别为80%、73%和72%[5]。因此,在将临床前动物实验数据外推至人体时,必须充分考虑共价结合行为的种属差异。
表1. 八种共价药物与小鼠、大鼠、兔、犬、猴、人血浆在37℃孵育6 h后的剩余量(%)
时间依赖性
共价药物表现出显著的时间依赖性结合特征,其共价结合程度随孵育时间的延长而逐步增强。以来那替尼为例,其在人血浆和人血清白蛋白(HSA)中的剩余量随孵育时间(0、2、4、6小时)的延长而持续下降[6],结果如图4所示。表明其共价结合比例随时间延长而持续增加。
图4. 来那替尼在人血浆和HSA中孵育不同时间后的剩余量
温度的影响
温度对共价药物的结合程度具有显著调控作用。研究显示,来那替尼在人血浆和HSA中孵育6小时后,其剩余量随孵育温度升高(4°C、22°C、37°C和45°C)呈梯度下降趋势[6](图5),表明温度升高显著促进了共价结合的发生。
图5. 在不同温度下孵育6小时后,来那替尼在人血浆和HSA中的剩余量
pH的影响
pH是影响共价药物结合行为的关键参数。研究发现,随着pH从7.0升高至8.5,来那替尼在血浆和HSA中37°C孵育6小时后的剩余量均显著降低[6](图6),充分证明pH对共价结合的调控作用。进一步机制研究表明,延长孵育时间或升高温度会促进基质中二氧化碳的逸出,导致pH升高,从而增强共价结合效率[7]。
图6. 37℃下孵育6小时后,不同pH下来那替尼在人血浆和HSA中的剩余量
综上,共价药物的结合行为受到种属、时间、温度与pH等因素的系统性调控,在药物研发与评价过程中需综合考量这些变量的影响,以准确评估其药效与安全性。
共价药物在生物分析中的挑战
体内游离共价药物的低浓度可能影响AUC的准确测定,进而影响吸收、分布、代谢和排泄参数的评估;且共价药物因为PK/PD脱钩导致游离药物浓度难以直接反映药效强度[8]。在药物早期筛选阶段,共价结合药物的生物分析通常检测总药物(结合和游离)浓度以快速评估暴露量:对于不可逆共价药物,总药物浓度更能准确地反映体内药物总量,避免因仅测游离药物误判药效或毒性风险;对于可逆共价药物,其动态平衡体系中结合态药物持续解离,仅测游离浓度会忽略这部分潜在有效成分,导致有效浓度被低估。总药物浓度能更全面地反映药物在体内的真实情况,帮助更准确地评估暴露量和安全性。
共价药物的结合特性受种属差异、孵育条件与pH等多因素的共同调控,其与生物体内复杂的生理环境相互作用,使得药物在体内的真实结合情况极为复杂,这为药代动力学研究和生物分析带来了独特的技术挑战。
提取回收率低
在生物样品分析中,药物与蛋白(包括白蛋白、α1-酸性糖蛋白、球蛋白和脂蛋白等)形成的共价键难以通过常规蛋白沉淀法解离。这导致药物-蛋白复合物在沉淀步骤中发生共沉淀而损失,目标药物无法充分释放和提取,最终造成提取回收率显著偏低。值得注意的是,由于不同样品间存在pH微小差异、储存时间不一致等变量,各样本中的共价结合程度存在差异,进一步加剧了回收率结果的波动性。
定量下限优化受限
提取回收率的降低直接导致上清液中目标化合物量减少,质谱检测量减少,分析物的质谱响应信号降低,导致定量下限无法达到预期要求,使得低浓度样品的准确检测面临更大挑战。
基质中表观“不稳定性”
共价结合的时间依赖性特征使得随着孵育时间的延长,血浆中游离药物的浓度呈现下降趋势。这种表观上的浓度变化容易被误判为药物自身的稳定性问题,从而误导研究人员对现象本质的认知和研究方向。
上清液“不稳定性”
蛋白沉淀处理后,可逆共价结合的药物可能从沉淀相向上清液中持续释放。这种缓慢的动态平衡过程导致上清液中药物的浓度处于不断变化状态,不仅增加了定量分析的难度,还容易让分析人员误判为上清液稳定性问题,进而影响分析方法的准确性和可靠性。
标准曲线拟合不佳
提取回收率的降低及其时间依赖性变化,使得不同浓度点的实际提取效率存在显著差异。这种不一致性导致难以建立稳定、可重复的标准曲线,最终影响分析方法的准确性和可靠性。
这些挑战共同构成了共价药物生物分析中的核心难点,需要在方法开发和验证过程中给予特别关注,并采取相应的技术对策以确保分析结果的准确可靠。
共价药物生物分析案例解析
案例1
分别选取市售BTK、EGFR、KRAS类三个共价抑制剂进行系统考察,明确揭示了共价药物在生物分析中面临的关键技术挑战,并提出了有效的解决方案。
分析挑战的确认
实验表明,当使用ACN作为蛋白沉淀剂时,三种抑制剂在血液基质中的提取回收率均不足10%,且随着孵育时间的延长(0、5、30分钟),各化合物的剩余量均呈现明显下降趋势(图7),这种时间依赖性特征易被误判为药物自身的不稳定性。进一步研究发现,若蛋白沉淀后未及时分离上清液,药物响应值会随时间延长呈持续上升趋势。例如,未分离上清样品静置24小时后,三种化合物的响应值增幅达到7-8倍,而立即分离上清的样品则保持稳定,这一现象揭示药物分子能够从蛋白沉淀相中持续释放,形成动态平衡。
机制解析
综合分析表明,上述现象源于化合物与蛋白的共价结合特性:一方面,常规ACN沉淀法无法有效解离已形成的共价键,导致回收率显著偏低;另一方面,药物在沉淀相与上清液之间存在持续的动态平衡过程,从而造成分析结果的显著波动。
图7. 三个化合物分别在blood中孵育不同时间(0 min、5 min和30 min)后采用ACN蛋白沉淀立刻分离上清的剩余量
解决方案
基于pH值可调控共价结合程度的特性,药明康德DMPK采用新方法优化了前处理:在基质中加入碱性buffer。该策略显著提升了提取效率(表2),三个化合物的回收率均提高至85%以上,且各浓度点的结果保持一致。
更重要的是,该方法从根本上解决了上清液“稳定性”问题,经蛋白沉淀处理的样品,无论是否分离上清液,放置24 h后其响应值保持稳定,并同时验证了药物在血液基质中实际具有良好的稳定性。
表2. 三个化合物在blood中使用不同前处理方式的提取回收率
案例2
用于治疗镰状细胞病的商品化药物Voxelotor是一个典型的可逆共价抑制剂,它利用醛基与血红蛋白的N端缬氨酸反应,形成席夫碱结构(反应如图8),增加血红蛋白与氧的亲和力,抑制血红蛋白聚合从而减少红细胞镰状化[9]。
图8. Voxelotor席夫加成反应
分析挑战的确认
上述作用机制导致Voxelotor在blood基质中,使用传统蛋白沉淀法的提取回收率仅37%,影响分析方法的灵敏度以及样品浓度检测的准确性。
解决方案
席夫加成反应是一个可逆反应,在一定条件下可水解生成原来的伯胺和羰基化合物。通过将Voxelotor蛋白沉淀后进行加热处理可提高提取回收率,并且随着温度升高,提取回收率逐渐升高,在65°C加热3小时提取回收率可达95.4%(图9)。
图9. Voxelotor在blood中蛋白沉淀后不同温度下的提取回收率
结 语
共价药物的生物分析主要面临两大技术瓶颈:
● 共价键难以解离导致的低回收率问题;
● 结合-解离动态平衡引发的表观稳定性误判。
通过精准调控pH、温度等关键实验参数,可有效应对这些挑战。本案例通过系统研究验证了改变前处理策略的可行性,为共价药物的可靠分析提供了重要参考范式。
针对不同共价药物的结合机制,药明康德DMPK通过完整蛋白分析直接监测共价键的形成,确认药物与靶蛋白的结合情况,同时运用LC-HRMS直观地表征药物-蛋白的结合情况、准确判断是否发生结合、定量测定结合比率等关键参数。药明康德DMPK具有一套药代动力学分析体系(详见公众号《高通量筛选共价结合药物:不同分析平台的应用和策略》),为共价药物设计优化和药效评估提供可靠的技术支持。
参考文献:
[1] Dalton S E, Di Pietro O, Hennessy E. A medicinal chemistry perspective on FDA-approved small molecule drugs with a covalent mechanism of action [J]. Journal of Medicinal Chemistry, 2025, 68(3): 2307-2313.
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[6] Chandrasekaran A, Shen L, Lockhead S. Reversible covalent binding of neratinib to human serum albumin in vitro [J]. Drug metabolism letters, 2010, 4(4): 220-227.
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作者:朱晓蝶、高莉、任彦甫、邢丽丽
编辑:富罗娜·克里木、钱卉娟
设计:张莹莹
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