手性药物药代动力学特征及研究策略

2024-01-18

抗体药物偶联物

前言手性化学自1848年首次发现以来[1,2]，科学家逐渐发现手性现象不仅在动植物生命中起重要作用，在制药、农业和其它化学工业中也起关键作用。在制药工业中，目前使用药物中约56%是手性药物[3]。手性药物因其异构体在体内特殊的药理学、毒理学及药代动力学等差异，备受药物监管机构及药物研发者的关注。本文旨在总结手性药物药代动力学（DMPK）特征及其临床前研究考量和策略。手性药物介绍有机化学中异构体有不同的分类方式，图1[4]展示了一种分类方式。其中对映异构体如人的左右手一样，称为具有“手性”，通常使用代表手性的R/S符号和代表旋光性的+/-符号对两个对映异构体进行区分。含有两个互为对映异构体的化合物称为手性化合物，其中仅含一个对映体的化合物称为单一对映体（Single enantiomer），左手性和右手性对映异构体组成的等摩尔混合物称为外消旋体（Racemate）。外消旋体和单一对映体是常见的手性药物形式，也是本文讨论的重点。图1. 异构体分类为什么很多药物具有特定的手性？除细菌等生物外，生物大分子蛋白质由左旋的L-氨基酸组成，多糖和核酸中的糖则是右旋的D-构型，它们在生物体内形成手性环境，某些药物进入体内后必须保持手性结构才能发挥良好药效。手性药物药代动力学特征超过50%的上市药物具有一个或一个以上手性中心，手性药物中不同对映体可能具有不同的药效或毒性已多有报道，其在药物吸收、分布、代谢、排泄和药物相互作用等方面也可能具有对映体选择性，从而表现出不同的药代动力学特征。吸收药物吸收可能是被动运输，也可能是转运体或载体参与的主动运输。前者和药物构型无关，吸收速率仅与药物浓度有关；后者由于细胞膜载体或酶可识别药物的空间结构，则会出现立体选择性，造成对映体在吸收上的差异。一些常见转运体如BCRP、MRP、P-gp转运体底物识别都发现有立体选择性。一对对映体与特定药物转运体的相互作用可能表现出相反的立体选择性。为了评估H1抗组胺药物西替利嗪（Cetirizine）两对映体的肠道吸收和外排机制，以单层Caco-2细胞为模型，研究两种对映体的转运特性。在左西替利嗪（Levocetirizine）的存在下，P-gp底物罗丹明-123（Rhodamine-123）和MRP底物阿霉素（Doxorubicin）的外排比分别提高了48%和67%；当右西替利嗪（Dextrocetirizine）存在时，这两种底物的外排比分别降低了47%和87%[5]。图2. 西替利嗪两对映体的吸收立体选择性[5]左西替利嗪（R-对映体）和右西替利嗪（S-对映体）对罗丹明-123（A）和阿霉素（B）跨Caco-2细胞单层转运的影响。在左西替利嗪或右西替利嗪（100.0 µM）存在的情况下，加入罗丹明-123 （5.0 µM）和阿霉素（30.0 µM）。AP：顶侧；BL：基底侧。分布药物分布是药物从血浆可逆转移至组织的药代动力学过程，该过程经历两个连续阶段，吸收的药物先到达血浆，然后再分布至外周组织中。药物的分布程度取决于药物的脂溶性和药物与血浆蛋白、组织蛋白的结合能力。对映体与不同血液成分（如血细胞和血浆蛋白）的结合有对映体选择性。人类血浆中存在三种重要蛋白质: 白蛋白（HAS）、酸性糖蛋白（AGP）和脂蛋白。酸性药物倾向于与白蛋白结合，碱性药物倾向于与酸性糖蛋白结合。手性对映体与这些血浆蛋白结合能力的不同，导致血浆蛋白结合的差异。Profens类药物的R-对映体与HAS键结合强于S-对映体[6]。手性药物组织分布的立体选择性除与血浆蛋白中药物的游离分数有关外，还与药物和组织结合、跨膜转运等特性有关。非诺洛芬（Fenoprofen）在关节炎患者的关节腔膜液中，有活性的S-对映体AUC大约是R-对映体的10倍[7]。一些药物分布有种属差异。抗心律失常药普罗帕酮（Propafenone）在人血浆中的游离分数比(+):(-)为0.64，而在大鼠血浆中则为1.31，在这两个种属的血浆及红细胞中也发现了其它有趣的差异[8]。此外，手性药物分布还存在对映体取代现象，即药物在血浆蛋白结合时，可能会出现对映体竞争或取代，导致单一对映体给药和消旋体给药有不同的药动学特征[9]。代谢代谢是大多数药物发生对映体选择性的主要药代动力学阶段，因为在这个阶段，大量代谢酶的存在使其具有区分对映体的能力。由于底物的三维性质和代谢酶的手性识别，药物代谢可能为血浆浓度的立体选择性提供了许多可能的途径。手性药物代谢具有种属差异和代谢途径差异。种属之间代谢酶差异可导致代谢种属差异，代谢途径差异以质子泵抑制剂奥美拉唑（Omeprazole）为例。奥美拉唑是S-和R-对映体的外消旋体，埃索美拉唑（Esomeprazole）是奥美拉唑的S-异构体，其药效优于R-奥美拉唑，可能依赖于它们不同的代谢途径（图3）。奥美拉唑可经CYP2C19、CYP3A4及其它CYP酶代谢，主要代谢酶为CYP2C19。CYP2C19酶将R-奥美拉唑代谢为亲水性的羟基奥美拉唑，易于排出体外，CYP3A4将S-奥美拉唑代谢为亲脂性的奥美拉唑砜，从体内排出速度相对较慢。代谢研究表明，与R-奥美拉唑相比，S-奥美拉唑被CYP2C19代谢的程度较低。与羟基化途径相比，CYP3A4酶氧化代谢S-奥美拉唑对其从人体排出的贡献较小。因此，S-奥美拉唑作为单一对映体上市，与外消旋体奥美拉唑相比，具有更高的生物利用度、更少的胃内pH变异性，在控制胃酸分泌方面更有效[10]。图3. 奥美拉唑CYP酶代谢途径差异[10](a) (S)-奥美拉唑分别被CYP3A4和CYP2C19代谢为奥美拉唑砜（Omeprazole sulfone）和5-O-去甲基奥美拉唑(5-O-desmethylomeprazole)；(b) CYP2C19将(R)-奥美拉唑代谢为羟基奥美拉唑（Hydroxyomeprazole）。还有以下因素可影响手性药物代谢：肠道或肝脏首过效应的立体选择性。口服生物利用度的差异可能与肠道或肝脏药物代谢差异有关。立体选择性首过效应，特别是对于具有高肝提取比的药物，可能导致口服后AUC的立体选择性差异大于静脉给药。药物代谢的多态性。在人体中，CYP2D6弱代谢者服用抗抑郁药物氟西汀，S:R的AUC比值比CYP2D6强代谢者高3.8倍[11]。血浆蛋白结合。它不仅影响分布，还影响代谢。对于低或中等提取率的药物，血浆蛋白结合通过影响药物进入代谢器官而影响总清除率。即使一对对映体在体外有相同Vmax 和 Km，其血浆蛋白结合的差异也会导致清除率的立体选择性。此外，有的手性药物可在体内或体外发生手性反转（Chiral inversion），即构型转换或手性转化。手性反转可以是单向或双向，酶促（生物）或非酶促，是较常见的代谢途径，但并非所有手性药物都能发生手性反转，与药物本身的化学结构相关[12]。布洛芬在人和动物体内可发生显著的单向手性反转，使非活性R转化为活性S对映体。单向手性反转的发生及程度具有种属特异性，如酮洛芬（Ketoprofen）在大鼠体内有明显的R→S转换，但在小鼠体内不明显，且在CD-1小鼠中，酮洛芬的手性反转是双向的；氟比洛芬（Flurbiprofen）在人和大鼠体内无手性转换，但在马体内会手性反转[13]。排泄肾排泄主要包括肾小球滤过、肾小管分泌和重吸收。肾脏排泄的立体选择性主要体现在肾小管主动分泌和重吸收方面。虽然肾小球滤过没有立体选择性，但对映体血浆蛋白结合的差异会导致肾小球滤过的差异。参与胆汁排泄过程的P-gp和MRP等转运体或蛋白结合的立体选择性，也会引起胆汁排泄的立体选择性。药物通常经多种途径共同影响排泄。一种排泄途径中观察到对映体差异，并不代表一定是该排泄途径具有立体选择性，也可能是由结合、代谢等其它项的立体选择性引起的。药物相互作用对映体在吸收或代谢方面存在竞争性抑制，如果转运体或代谢酶的结合位点没有立体选择性，则对映体之间也可能产生竞争效应。药物间的相互作用可能存在构型选择，如Cimetidine可增加R-warfarin的暴露量，但对S-warfarin的暴露量无影响[14]。其它因素患者特定因素，如年龄、生活方式、疾病状态等可能引起药代动力学参数对映体比例的变化。布洛芬活性S对映体在老年患者中的暴露增加，这可能使该药物对老年患者更有效[15]。手性药物临床前药代动力学研究考量和参考策略开发消旋体还是单一对映体？外消旋体和单一对映体是手性药物上市的两种主要形式，药物研发开始时以何种手性药物形式推进药物研究？以下来自指导原则的几点建议可作为其考虑因素[16]。★ 申办方决定是否开发单一对映异构体、外消旋体或非外消旋混合物（除外消旋体以外的对映异构体混合物），该决定是基于一些科学数据，包含质量、安全性、疗效以及最终拟定使用条件下药物的风险/获益评估。★ 外消旋体的开发可能是合理的，包括但不限于以下情况：(1)对映体在体外构型不稳定或在体内发生外消旋化；(2)对映体具有相似的药代动力学、药效学和毒理学特性；(3)分离足够数量和（或）质量的对映异构体在技术上是不可行的。★ 开发非外消旋混合物可能是合理的情况，包括特定对映体比例预期可改善疗效。上世纪60年代“反应停”事件引起人们对外消旋体药物弊端的关注。自20世纪80年代以来，随着化学合成及分析技术的发展，大多数制药公司和研究机构在确定手性候选药物时，呈现倾向于开发单一对映体的趋势。近10年批准手性药物中，单一对映体药物数量高于外消旋体药物[17]。图4. 2010-2020年FDA批准的手性药物和非手性药物数量[17]手性药物临床前药代动力学研究基本思路和考量手性药物具有相同的物理和化学性质，但在体内环境中（如人体），其反应可能显著不同。正是基于这种复杂性，各国监管机构针对这类药物出台了相应的指导原则或发表了相关资料[18-23]，以加强手性药物监管。对于不同的手性药物，开展临床前DMPK研究特别是申报研究时的基本思路和考量简要概括如下（图5）。图5. 手性药物临床前DMPK研究基本思路和考量手性药物临床前药代动力学研究策略手性药物是一类特殊的分子，其研发策略一般会基于技术、商业和战略等综合考虑，如成本和时间等，以尽早获得监管部门的批准。手性药物研发早期，研究者会结合手性化合物结构、药效及其它成药性结果对其进行综合评价，开展DMPK申报研究时手性药物形式大多已基本确定。结合指导原则及经验，手性化合物DMPK申报研究参考策略见图6和图7。手性化合物DMPK申报研究内容基本同常规小分子，包括药物吸收、分布、代谢、排泄及药物相互作用，其中一个重要考虑点为是否需要使用手性分析方法。对于单一对映体，如前期无任何生物基质内的评价研究，可先在申报预实验中用手性分析方法判断对映体转化情况，依结果决定申报时是否使用手性分析方法。对于消旋体，临床前建议使用手性分析方法表征每个对映体药代动力学特征，特别是在代谢实验和体内动物血浆样品中。如果两对映体的药代动力学特征相同或在目标人群中证实了对映体血浆水平之间的固定比例，则非手性分析法或监测其中一个对映体的测定法应足以用于后续评价。药明康德DMPK开发了超高效合相色谱串联质谱（UPCC-MS/MS）与超高效液相色谱串联质谱（UPLC-MS/MS）等平台用于手性药物的分离和分析，详细的方法策略请见：基于UPCC-MSMS & UPLC-MSMS双分析技术平台的手性药物DMPK研究策略。图6. 手性药物临床前DMPK研究参考决策树图7. 手性药物DMPK申报研究参考策略结语手性药物对映体在体内的药代动力学行为可能存在差异，影响药效甚至引发毒性。因其在体内的复杂性，应在临床前尽早使用手性分析方法对其DMPK特点进行全面研究。各对映体的药代动力学差异评估是建立在手性分析方法的前提下，一些药代动力学过程中的立体选择性可能因为使用非手性分析方法而被忽视，所以在手性药物研发早期开发合适的手性分析方法并对手性药物进行性质判断很重要。药明康德药性评价（DMPK）部门拥有完善的手性分析平台，丰富的手性药物研究及申报经验，助力提高手性药物研发效率。参考文献：[1] Challener CA. 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