一個創(chuàng)新藥物的塑造過程.doc

.一個創(chuàng)新藥物的塑造過程星期四, 六月 30, 201610:59 下午一個創(chuàng)新藥物的塑造過程 原創(chuàng) 2016-06-30 TJ 藥渡 寫在故事之前早晨上班的路上，Lilly問我能否幫助她查閱一些資料，關于LogP和LogD。我當然爽快的答應了，我最喜歡和這種能“提出問題”的人交流，暫且不管問題大小，有欲望，才有學習的動力，這也是我會為之傾其所有的原因。接下來的幾篇科研雜記寫給這位最親愛的同事和“領導”，彼此相互熟悉一下手里的工作，也可以靜下心來琢磨一番“工作為什么要這么做？藥物為何要這樣設計和篩選？”。主要內(nèi)容參考自： Drug-likeProperties: Concepts,Structure Design and Methods:from ADME to Toxicity Optimization(ByEdward H.Kerns and Li Di)這本電子書來自一位年輕的朋友，當時我們彼此分享了手里的資料，這種感覺很好，相互學習，共享資源，在此對他表示感謝！談到藥物，我們都很熟悉；談到如何設計藥物，就不好回答了，case-by-case；談到手里的工作是為什么而作，感覺是一件容易回答的問題，其實不然，很多人不知道其中緣由，只是工作而已，其中也包括我自己。我是帶著許多疑問搜索一些自己需要的消息，臨床的研究暫且放在一邊，若是能在今年8月份之前能搞清楚臨床前的藥物研究，也不愧于在Pharmaron工作兩年。關于ADEMT，公司有大把的專家，小弟在此班門弄斧了，還請閱讀此文的同事指正。一，概念介紹曾有人在公司內(nèi)報告過關于Drug-like的故事，現(xiàn)在沒有多少印象，多半是因為當時很多知識并不了解，無法真正體會其中含義，要么就是藥物研發(fā)領域?qū)嵲谑沁^于龐大，一般需要了解一個化合物的諸多特性才可進入臨床試驗：如結(jié)構(gòu)的特征，包括分子量、氫鍵結(jié)合、極性、構(gòu)型、親脂性、pKa等；物理化學特征，包括溶解性、滲透能力、穩(wěn)定性等；生化特征，包括代謝過程(I相和II相)、蛋白結(jié)合能力、轉(zhuǎn)運(吸收和排出)等；PK(Pharmacokinetics，可以理解成化合物在動物體內(nèi)的表現(xiàn))和毒性特征，包括清除率、半衰期、生物活性，藥物間相互作用(DDI, drug-drug interaction)、LD50等。這里面的每一項都有很多故事，有許多細節(jié)先保留，日后有需要的地方再做解釋。Overviewof drug research anddevelopment stages and their major activities.對于一個新的小分子化合物，簡單說需要藥物研發(fā)(Discovery)和臨床藥物開發(fā)(Clinical Development)兩大部分，獲得FDA批準后再進入臨床應用(Clinical Application)階段，而我們的工作主要集中在Discovery部分。在早期的藥物研究中，臨床前的研究并不是很深入，規(guī)則也缺乏合理性，這就造成了許多化合物進入臨床后多有療效不佳、副作用明顯等問題，最終只能提前終止臨床試驗或者后期被撤回。1988年有篇paper描述了藥物失敗的原因，有39%左右的化合物失敗主要由于他們的生物制藥學特性不夠好(主要是PK和生物活性,bioavailability)。(Prentis,R.et al.,(1988). British Journal of Clinical Pharmacology, 25, 387396)漸漸的人們意識到臨床前研究的重要性，不僅能節(jié)約成本，還能加快藥物的研發(fā)速度。ADMET(absorption, distribution, metabolism,excretion and toxicity)就是在這樣的背景下成為了如今藥物研發(fā)過程中重要的模塊之一。相關實驗獲得了諸多的實驗數(shù)據(jù)，也就繪出了一個化合物的特性(Drug Properties)。也是由于該領域的快速發(fā)展，使得藥物研發(fā)失敗的比率在2000年降低到10%。(Kola, I. and Landis, J. (2004).NatureReviews Drug Discovery, 3, 711716)，現(xiàn)今更是加快了藥物研發(fā)的速度和準確率。Stages of drug discovery,primarygoals, and major activities.從前人們更關注化合物對靶點的結(jié)合和功能，也就是活性(Activity)，經(jīng)常尋找SAR(structure-activity relationships)，合成大量的化合物分子，希望從HTS中獲得IC50為M級甚至nM級的化合物。其實物極必反，如果規(guī)則過于單一，篩出來的不一定是“優(yōu)秀的人才”(這也是多年以前上頭提出的素質(zhì)教育的原因嘛，容易理解)。例如水溶性太高，可能通不過血腦屏障(bloodbrain barrier，BBB)，無法達到位于CNS(中樞神經(jīng)系統(tǒng)central nervous system，not Cell, Nature and Science)的靶點，溶解性太低可能不易被小腸吸收等，所以現(xiàn)在人們更傾向于兼顧特性(Properties)，為了達到某種平衡，以獲得更好的療效。如今有一種新型的篩選方式為SPR(structure-property relationships)，算作對SAR的補充：一方面利用SAR(一種structure-based design)設計出高親和力的化合物，再利用SRP(一種property-based design)的方式得到能順利通過各種屏障、達到靶點的化合物。Pharmaceuticals balance activityandproperties(From Kerns (2002). Current Topicsin MedicinalChemistry, 2, 8798)現(xiàn)在來說說化合物達到靶點位置需要翻過哪些大山、經(jīng)歷哪些磨練。簡而言之，對于口服的藥物入口之后，若停留時間夠長，會有稍許通過粘膜吸收。大部分藥物入胃，需要停留0.51h并且要耐得住pH=1.42.1的酸性條件，到小腸后需要盡量被吸收(之前的兩個項目涉及的是non-systemic drug，就是作用在小腸吸收的位置，不需要被吸收進入血液循環(huán))，之后開始隨著血液在體內(nèi)開始循環(huán)，這就好比藥物真的離開了“鄉(xiāng)村”進入了“都市”，這里面會發(fā)生很多故事，有許多地方是他們無法預料的。比如藥物會通過肝部代謝，有很多酶在哪里等著藥物，經(jīng)過這番洗禮后藥物還要進入靶點，到達那里的時候不知有多少藥物兄弟已經(jīng)丟失。下面可簡單介紹幾個屏障：GI Tract食物離開胃以后進入小腸，先后經(jīng)十二指腸(Duodenum)、空腸(Jejunum)和回腸(Ileum)，此“路段”的pH值成逐漸升高的趨勢，由4.4漸漸升高到7.48，這里涉及到pH的梯度，估計也是后面需要計算LogP和LogD的原因，因為后者是隨著pH值而變化的。這里藥物的溶解性(solubility)就是一大關鍵，因為酸性和堿性化合物的pKa和環(huán)境中的pH值會對其有很大影響，這可以直接用化學的酸堿電離的理論解釋。食物進入小腸的過程中也會伴有膽汁的存在，膽汁來自膽囊，其中的膽酸有利于親脂性化合的溶解和吸收；在回腸階段胰液會帶來許多酶類(如淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶)，會對一些藥物進行水解反應。食物和藥物在小腸內(nèi)部存留的時間較長(24h)，其內(nèi)壁千回百轉(zhuǎn)，主要是更好完成吸收營養(yǎng)的過程，這個過程需要透過小腸絨毛、兩次穿越小腸壁細胞膜，到達毛細血管，參加血液循環(huán)。在這里，就會遇到我常常聽說的化合物穿越細胞的幾種方式：自由擴散(passive diffusion)、內(nèi)吞(endocytosis)、細胞間轉(zhuǎn)運(paracellular transport)、吸收轉(zhuǎn)運(uptaketransport)和外排轉(zhuǎn)運(efflux transport，主要依賴Pgp, P-glycoprotein)。Diagram of the GI tractBloodstream跟著感覺走，在血液中應該是化合物擴散的最好方式，只是這里有些細節(jié)不可忽略：酶的水解反應、血漿蛋白的結(jié)合和紅細胞的結(jié)合。這里的每個過程都會影響自身不帶電荷的藥物，降低他們滲透到組織的量。血液里有著大量的酶，比如膽堿酯酶(Cholinesterase)、磷酸酶、醛酸酶、葡萄糖醛酸酶、脫氫酶等等，設計化合物時要考慮到他們在血液中的穩(wěn)定性，這里主要的反應依然是水解。PPB(plasma protein binding)，曾經(jīng)聽到一個報告好像提到他們有新的算法，顯示PPB已經(jīng)不是太關鍵的問題。之所以要考慮到化合物和蛋白的結(jié)合，因為血漿中約68%的成分是蛋白質(zhì)，若是相對較小的分子“粘”在了這些蛋白質(zhì)上，將會損耗相當一部分有效劑量。平常主要考慮到的幾個蛋白包括清蛋白(albumin)、1-酸性糖蛋白(1-acidglycoprotein)和脂蛋白(lipoproteins)；與紅細胞的結(jié)合主要靠化合物和細胞膜的親脂作用。Liver肝臟是要去清除藥物最主要的兩大器官之一，在這里的兩大阻礙主要有：代謝和膽汁萃取(biliary extraction)。藥物從肝門靜脈進入肝臟后，就走進了“迷宮”，這里都有密密麻麻、非常細的血管，之后藥物會達到靜候已久的肝細胞手里，在這充斥著成“陣列”狀的代謝酶，會對藥物進行多種修飾和改造，比如氧化、還原、水解等。這種改變化合物結(jié)構(gòu)的過程稱為 I 相代謝，主要是氧化反應。之后會轉(zhuǎn)移一些極性基團或其他底物到氧化的位點，稱之為 II 相代謝(這就是Lilly主要的工作，她所要分析的就是藥物在肝細胞或其亞細胞組分中的代謝情況)，會影響到化合物的生物活性；肝細胞附近靜靜的流動著膽汁，一些親脂性較高的藥物會隨之而去，還有一些藥物經(jīng)膽小管表面的P-gp轉(zhuǎn)運蛋白主動運走，再經(jīng)膽囊一同排到小腸內(nèi)，最終跟著糞便排到體外，這些藥物就是“可惜的一代”，未能到達目的地(這與藥物的特性有關，比如轉(zhuǎn)運蛋白親和力、穩(wěn)定性等)。Kidney另一個主要清除藥物的器官，經(jīng)過此地的藥物和一些代謝產(chǎn)物會滲透到尿液中排除體外，腎單位(nephron)是主要的作用單元，在腎中有成千上萬的成員。第一步清除是過濾，約有10%的腎血流量會穿越腎小球(glomerulus，內(nèi)部有大量的毛細血管)?？粗@個過程都會覺得生命就是一種奇跡，怎么會有如此復雜、高效的部件？這里的腎小球囊(Bowmans capsule)、近端小管(proximal tubule)和遠端小管(distal tubule)同時扮演著一種排泄和回收的作用，就好比一種工具擺在那，就可以行使過濾的功能，他們會幫助機體選擇性回收有用的物質(zhì)，比如葡萄糖、蛋白質(zhì)和一些K、Na離子等，清除體內(nèi)的代謝產(chǎn)物、毒物和廢物等。一般來說，血液中的代謝產(chǎn)物要比原藥更容易被排出，因為他們具有更高的極性，更容易經(jīng)尿管、膀胱排出體外。Diagram of drug extraction in thekidneynephronsBlood-to-Tissue、Tissue and others經(jīng)過以上幾個地方的篩選之后，能到達組織的化合物已經(jīng)算的上“人才”了，只是距離“精英”還有一墻之隔。在一些器官中存在特有的緊密結(jié)構(gòu)，阻擋血液中的物質(zhì)混進來，比如大腦、胚胎、睪丸等對機體有特殊作用的器官。所謂的障礙，無外乎也是由細胞構(gòu)成，只是細胞的緊密程度不同個，細胞的選擇吸收各異，這里的自由擴散現(xiàn)象較少，多數(shù)是主動運輸；還有一種更悲催的事件就是化合物到達了非靶點的組織，這不僅整體稀釋了化合物的工作濃度，而且會造成諸多“off-target”的副作用。一般說來依據(jù)化合物本身的特性可初步預測其在組織內(nèi)的分布情況，比如親脂性的藥物多會停留到脂肪組織、酸性的化合物積累在肌肉（pH6）。Overviewof in vivo barriers一個化合物入口后要經(jīng)過如此復雜的步驟才能達到靶點，如此簡單的圖，若是沒有大量的實驗支撐是難以繪制的。如何在體外分析化合物的特性？如何篩選？如何優(yōu)化？我不是很喜歡關注工作外實驗技術(shù)的細節(jié)，以為不從事具體的工作還不至于如此下力的去深究，為了她還是再看一看吧，畢竟這里面也不乏有趣的故事。我比較關心的是人們?nèi)绾问侨绾伟l(fā)現(xiàn)這些細節(jié)？有時如何建立體外的評估體系？這么多年有怎樣的變化？對于門外漢講總是喜歡從簡入手。二，理化性質(zhì)從前只是大概知道藥物需要有適當?shù)挠H水性和親脂性，合成藥物有化學部分，篩選藥物通過ADMET標準化的方法就行，其實這和不知道沒什么區(qū)別。想知道一些行業(yè)的規(guī)則、手段，不得不去研究一下細節(jié)。還是試著探探水深，扒開皮看看里面都有什么貨色。曾經(jīng)我問過AZ的一位PI，想知道了解一個化合物的屬性，先從哪里入手？在評價體系中是否有先后順序？如何篩選？接下來讓我先從最重要、最想知道的地方開始，(只能說簡單的)介紹一下親脂性、溶解性和滲透能力，從現(xiàn)在開始我們可以假設在人工制造一個“特務軍隊(大量的小分子化合物)”，要將他武裝起來，送到人體內(nèi)的靶點處。人們總結(jié)了過去多年來的藥物合成和篩選經(jīng)驗，總結(jié)若干個規(guī)則，最為流行的應屬Lipinski Rules(Lipinski, C. A.,etal.,Advanced Drug Delivery Reviews, 23, 325)。她在Pfizer內(nèi)部應用幾年后才公之于眾，如今也稱為“5規(guī)則”，因為這些可參考的指標統(tǒng)一并簡化了人們評價化合物的方法，簡易、有效、意義非凡。主要描述了吸收和滲透能力較差的化合物所具有的通性：5個氫鍵供體(OHs，NHs)，MW500，Log P5(或者MLogP4.15)，10個氫鍵受體(Ns，Os)，生物學中的轉(zhuǎn)運蛋白的底物例外。我對化學不敏感，不太了解如何快速的通過這幾個指標衡量一個有結(jié)構(gòu)的化合物，既然是廣泛的經(jīng)驗，暫且先學會接受并使用吧，畢竟超過這些規(guī)則的化合物要么不容易被吸收，要么水溶性不好，要么太大不利于滲透等等。其實這只是幾個最基本條件，滿足此類條件的化合物如星星般是數(shù)不清的。另一個較為流行的規(guī)則是Veber Rules(Veber, D. F.,et al.,Journal of Medicinal Chemistry,45, 26152623.)，主要通過結(jié)構(gòu)分析了大鼠中口服藥與生物利用度相關的特性，比如可轉(zhuǎn)動的鍵10、極性表面積(polar surface area, PSA)140平方或氫鍵總數(shù)12等。此外還有很多其他規(guī)則，針對不同的特殊情結(jié)有了個別的經(jīng)驗，比如怎樣應對血腦屏障(BBB)、還有“Lead-like Rules”、如何設計更potent的化合物等等，很有趣。如何應用我想多半是Chemists的事情，我就不多獻丑了。Lipophilicity這里才是Lilly最開始想問我的Log P和Log D應該出現(xiàn)的地方，親脂性對藥物的ADMET特征比較關鍵，直接影響藥物在體內(nèi)的生物利用度。評價的方法就是分析一個化合物在極性溶劑和非極性溶劑間的分布，通俗些講有點像看看化合物是喜歡在“油”里還是喜歡在“水”里，進入身體后是喜歡待在“脂肪（酸）”還是更喜歡進入“血液”，是否能穿過細胞膜等。Hansh和Leo闡述了一個簡單的方法，可以計算藥物的親脂能力。(Hansch, C.,et al., (1995).Exploring QSAR. Fundamentalsand applications in chemistry and biology)選用辛醇(Octanol)作為非極性相，水溶液(aqueous buffer)作為極性相，化合物進入這兩相的混合之后會趨于一個平衡，通過測量各相中化合物的濃度，用如下方式分析： Log P=logCpd(o)/Cpd(aq),pH保證化合物呈中性(未發(fā)生電離，估計和pKa有關).P=partition coefficient Log D=logCpd(o)/Cpd(aq),pHx. D=distribution coefficient二者在已知pH的情況下是可以轉(zhuǎn)換的，Log P對于一個化合物而言是常數(shù)，在03之間的化合物為好?，F(xiàn)在知道他們是做什么的了，也知道如何計算了，也能猜出他們的值隨著pH的變化，也就知道口服的藥物在GI tract內(nèi)的梯度pH的環(huán)境下可能會如何分布和溶解了。進入體內(nèi)后若是知道各個器官、組織、障礙的結(jié)構(gòu)，多半也能預測到化合物傾向于分布在什么地方，是否能通過特殊的障礙等(瞬間覺得人們是真聰明！)。一般而言，Log P主要與有化合物的分子體積、偶極性、氫鍵的酸堿性等有關。pKa最近才意識到，K相關的量對于一個化合物而言都是一定的，怎么從前沒有意識到呢？pKa用來表示電離能力，是評價溶解性和滲透性的主要參數(shù)。當pH=pKa時，化合物的中性狀態(tài)和電離態(tài)的濃度相等(如果能理解水的電離和pH的計算就很好理解了)。一般情況下，處于電離態(tài)的化合物更容易溶解于水相，在衡量化合物的溶解性時也會考慮到中性情況下的溶解能力(主要的溶解方式還是電離后的化合物)；與此對應，電離后的化合物滲透能力不高，因為需要透過細胞膜，這和親脂性成正相關。這個時候就要結(jié)合靶點和給藥方式折中選擇一個化合物的pKa了，任何一面達到至善，另一方面就不會過關(是不是有點像量子力學中的不確定性原理？是否有中庸的影子？)Solubility每次溶解和稀釋新的化合物時，我們都會先看看是否好溶，與易溶的化合物相比，溶解度低或粘度高的化合物很容易被發(fā)現(xiàn)，不僅在體內(nèi)這樣的化合物不是首選，在做體外實驗時也經(jīng)常讓人頭疼。溶解性是指一個化合物在指定溶劑中的最大溶解濃度，一般決定化合物在小腸的吸收和生物活度，會隨著離子化的程度而升高，與Log P和MW成反相關，一般鹽的形式會提高溶解性?？上攵?，溶解性低的化合物不僅不利于吸收，靜脈注射的效率也會很低，在體外的實驗中活性不高且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，這樣的化合物一般不適合推向臨床試驗。Lipinski等人認為一個化合物的溶解性要比滲透能力更為重要。和溶解性相關的因素比較多，一方面來自化合物本身的化學特性，一方面和溶液條件(體內(nèi)環(huán)境)有關。如今許多化合物可以依據(jù)其結(jié)構(gòu)信息(如親脂性、大小、pKa、晶格能等)分析預測其溶解能力Log S=0.8-LogP-0.01(MP-25)，MP=meltingpoint，根據(jù)此公式可算出當Log P增加1個單位，MP提升100C，溶解性S會下降10倍(在Chemist手里有很多辦法可以提升化合物的溶解性)。關于溶解性還有兩個概念我感覺很有意思：熱力學溶解(thermo dynamic solubility)和動力學溶解(kinetic solubility)。前者就是我們通常認為的化合物的溶解達到平衡后的溶解能力，后者一般是將溶解在有機溶劑中的化合物加入到水溶液中再檢測溶解性，一般可用HPLC-UV 或LC-MS/MS技術(shù)直接測量化合物的溶解度。一個化合物的不同晶體結(jié)構(gòu)的熱力學溶解度是不同的(比如非晶形的、晶狀的、多晶型、水合物、溶劑型等)，高能晶體化合物(較不穩(wěn)定)的溶解性一般比低能的高，這也就暗示在不同的合成批次和方法中，一個化合物的熱溶解性各異；另一種情況說明的是化合物從有機溶劑中加入到水溶液時，有很多情況下并不能快速達到平衡，比如我們常常用DMSO溶解化合物，加入到Assay中的水溶液時，時而發(fā)生析出的現(xiàn)象，這些化合物處于一種亞穩(wěn)定(metastable)晶體形式(通常有不同的晶格結(jié)構(gòu))，了解此過程利于順利的進行biological和property assays。(可參考Thermodynamicvs. KineticSolubility: Knowing Which is Which, Harry G. Brittain, Ph.D. April29, 2014)Solubility,permeability, andmetabolic stability affect oral absorption and bioavailability藥物的最大吸收劑量(maximumabsorbance dose, MAD)指的是藥物在一定濃度的情況下被機體吸收的最大劑量，其中與藥物的溶解性、滲透能力、在小腸內(nèi)停留的時間等因素相關。一般說來，1060 g/mL的溶解性適宜，兩邊則偏低或過高。對于不同的給藥方式和劑量，對溶解性的要求也會隨之而變。Permeability指化合物穿過膜結(jié)構(gòu)時的速度，與小腸吸收和生物利用度有關，一般通過優(yōu)化化合物主動運輸特性、提高Log P、降低分子大小和極性來獲得更高的滲透能力?；衔镌隗w內(nèi)有多重步驟需要透過細胞膜才能達到靶點，比如GI的表皮細胞、毛細血管壁、肝細胞膜、腎小球、進入一些有限制性障礙的器官、靶點細胞膜等，這些突顯出此特性在藥物研發(fā)中的重要性，在體外的生物篩選試驗中也需要優(yōu)先考慮。Major permeability mechanisms.（From Di, L., 2003, Kerns,EuropeanJournal of Medicinal Chemistry,38, 223232.）化合物透過細胞的方式有多種，其中最為主要的應屬被動擴散(也是自由擴散，就是化學中的布朗運動，在病毒學中曾經(jīng)以為病毒顆粒的亞組分是自由擴散的，其實不然，人家是由專門的運輸機制)，這主要與膜內(nèi)外的濃度差有關，所以在小腸的表皮附近濃度較高的藥物會很容易的透過小腸進入血液循環(huán)，之后是一個不斷被稀釋直達整體平衡的過程，這個時候pH和pKa就是需要考慮的因素了。曾有文章顯示有95%的藥物主要在GI tract通過這種方式被吸收，有時藥物也會結(jié)合轉(zhuǎn)運蛋通過小腸壁，只是這種情況也有飽和的時候，效率不比被動運輸。在體外評價該過程有個常用的方法，就是PAMPA (parallel artificial membrane permeability assay)；內(nèi)吞和轉(zhuǎn)運也影響藥物的滲透能力，只是有限，適用于少部分藥物的研發(fā)。去年在公司聽過一個報告，好像是在藥物的尾巴上加上一個多肽還是二肽，專門利用小腸細胞表面的一個轉(zhuǎn)運受體，能夠提升藥物的吸收；對于較小的極性分子，也可直接穿越細胞間的空隙被吸收。與此同時，也存在幾種外排轉(zhuǎn)運（effluxtransport）的蛋白，常見的有P-gp和BRCP（breastcancer resistance protein），他們主要是降低細胞內(nèi)藥物的濃度。這些蛋白也存在于細胞膜上，比如BBB處外排轉(zhuǎn)運有利于保護腦部存有過量的化合物，在肝細胞中可以清除化合物和代謝產(chǎn)物，在神經(jīng)元中也有P-gp的身影。于是在考慮藥物滲透能力的時候，需要綜合衡量進入和外排，在不同的組織、器官也會有所差異，著實為一件很復雜的事情。有一個分類方法簡單又好用，就是BCS (Biopharmaceutics Classification System)，根據(jù)溶解性和滲透性分成4類：1. 類化合物具有雙“高”，這是最適合口服藥的特性；2. 類是低溶解、高滲透，這類化合物就需要Formulation(不知是否可以譯為“制劑”？)來提高溶解性；3. 類是高溶解、低滲透，這類化合物一般是前藥(Pro-drug)，需要繼續(xù)優(yōu)化；4. 類被放棄的居多，不太適合投入太多時間和精力。對于藥物研發(fā)過程來講，除了以上兩方面以外，還需要考慮藥物在體內(nèi)的代謝、清除率、穩(wěn)定性、PBB、轉(zhuǎn)運等等，需要一遍又一遍的優(yōu)化，才能拿到幾個活性較好的1類化合物。Biopharmaceutics Classification System (BCS) for in vitro/in vivo (IVIV) correlation（右上角的“High Solubility”應該是“Low Solubility”）到了這里依舊是概況，太多的細節(jié)在后面，還有很多故事未曾提及，聽著Big Pharma的同事講述一個藥物的研發(fā)歷程，可以在45min內(nèi)搞定，只是這個藥物或許已經(jīng)走了十年的歷程，風風雨雨，起起落落，直到最后依然屹立不倒的才能來到大眾眼前。我現(xiàn)在還想了解一些關于轉(zhuǎn)運、受體、靶點、機制的信息，一些常見的參數(shù)、熟悉的縮寫，還有一些現(xiàn)在工作涉及的方法、原理等等。路漫漫，趁著近期還有些時間，再鉆進去看看。三，轉(zhuǎn)運, 代謝及安全性有人問我：工作之余你喜歡做什么？要是細細數(shù)來，工作之余我會做很多事情，如果說喜歡，就是多花一些時間在某個問題上，而不是professional，眼下我喜歡接觸新知識(多半與Science相關)和回味歷史(人物和故事)，也喜歡和懂得討論和分享的人們交流。與其說中午zizz一會，還不如利用這會安靜的時間，接著搜索一些自己感興趣的話題。曾經(jīng)看過一個無聊的電影，但片尾的一句話讓我難以忘記：“拳打千遍，其意自現(xiàn)?！焙芏鄷r候只有真的投入其中，你才會發(fā)現(xiàn)自己是否喜歡一件事，否則喜歡也只能稱其為一時的感覺。下面還是接著看看Drug Discovery的相關概念吧Transporters既然有Trans，就感覺這里的轉(zhuǎn)運有著兩面性：一個是進入(influx)，一個是外排(efflux)，她們與藥物的吸收密切相關，在許多體內(nèi)組織中都有足跡。之前提過藥物被吸收主要是自由擴散的作用，對于一些特別的、稍大的營養(yǎng)物質(zhì)還是需要轉(zhuǎn)運蛋白的輔助，比如向內(nèi)轉(zhuǎn)運寡肽的PEPT1和PEPT2、轉(zhuǎn)運有機離子的、膽酸的(NTCP)、核苷酸的、葡萄糖的(GLU1)的轉(zhuǎn)運蛋白等，外排的如之前提到的P-gp和BCRP。一般說來，轉(zhuǎn)運蛋白的工作需要消耗機體的能量(ATP)，不過這些都是值得的(雖說少部分反應目前看來是累贅，不過我的直覺告訴我機體內(nèi)的生化反應絕大多數(shù)都是值得的，人們需要認識這其中的規(guī)律與意義)?？紤]到發(fā)生轉(zhuǎn)運的位置不同，比如小腸、肝細胞、腎、BBB等，藥物的主動轉(zhuǎn)運一般會影響體外ADME/Tox和體內(nèi)PK的性征，通常有與天然底物具有相似結(jié)構(gòu)的化合物更容易被轉(zhuǎn)運、與轉(zhuǎn)運蛋白親和力高的機會也更大。若兩種化合物需要利用同一個轉(zhuǎn)運蛋白，還需要考慮DDI (Drug-drug interaction)。此外，細胞表面的轉(zhuǎn)運蛋白的數(shù)量也是有限的，這也就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)運飽和的現(xiàn)象，一個好的化合物會充分利用influx transporter，避開efflux(市面上許多藥物是轉(zhuǎn)運蛋白的底物)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多轉(zhuǎn)運蛋白，新的成員也在逐漸增加，這里面最為重要的應屬“P-gp”。顧名思義，外排作用的轉(zhuǎn)運蛋白主要是將化合物運到細胞外面，他們屬于ATP結(jié)合蛋白(ATP-binding cassette family, ABC)。P-gp，170 KD，1280 aa，12跨膜結(jié)構(gòu)域?；衔锝Y(jié)合到它的結(jié)合區(qū)域時，細胞內(nèi)結(jié)合并水解2個ATP分子，蛋白發(fā)生構(gòu)象變化，化合物即被轉(zhuǎn)運到細胞外側(cè)。早期人們用化療治療癌癥時，發(fā)現(xiàn)許多癌細胞接觸藥物后開始死亡，只是少部分細胞得以存活并擴增。后來人們發(fā)現(xiàn)P-gp在這些癌細胞中過表達，當時人們認為它是癌細胞對多種不同結(jié)構(gòu)的藥物產(chǎn)生抗性的主要原因。經(jīng)過腫瘤學家的數(shù)十年的研究，揭開了該蛋白在藥物研發(fā)中的作用，并發(fā)現(xiàn)它在體內(nèi)多處表達，如BBB、大小腸、肝、腎、腎上腺和子宮等地方，主要起到保護機體的作用，這也是人們在設計此類靶點的藥物時不得不考慮P-gp的作用。Schematic diagram of P-gp可能底物：N+O8, MW400, Acid with pKa4非底物：N+O4, MW400, Base with pKa0.3(也就是有30%的化合物進入腦部)，有時也按照下面算法計算：Metabolicstability代謝的過程也是酶和底物反應的過程，直接影響化合物在體內(nèi)的生物利用度、清除率和半衰期，主要發(fā)生在肝(也有的在小腸)，代謝穩(wěn)定性可通過修飾化合物的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化。記得我剛到Pharmaron的時候，我曾經(jīng)的部門“PK-ADME”舉辦了一次活動，好像叫生物技能實驗大賽，反正是學習，我啥也不懂也跟著報了名，其中一項比賽就是“Met ID”。當時一頭霧水，現(xiàn)在看起來有些眉目了。如今Lilly也在做著微粒體代謝相關的實驗，多少了解到這個過程對任何一個進入血液循環(huán)的化合物而言都是躲不開的。藥物代謝(drug metabolism)也常被稱為生物轉(zhuǎn)化(Biotransformation)，分兩部分：直接修飾化合物本身的Phase I 代謝，如氧化、還原、水解等，和結(jié)合極性基團的Phase II代謝，終極目的是讓化合物更易溶于水再經(jīng)腎臟排出體外。Phase I 中關鍵的酶是單氧酶(Monooxygenase)，主要分cytochrome P450 (CYP 450)家族和flavine monooxygenase (FMO)家族。CYPs的成員多達400余種同工酶(Isozymes)，存在于哺乳動物、昆蟲、植物、酵母和細菌等生物體內(nèi)，主要依靠活性中心的亞鐵血紅素作為媒介傳遞氧氣，NADPH在此過程中提供還原H。一個化合物可能被多種酶催化，這里就存在選擇