先导化合物结构优化策略（八）——药物转运体及其相关药物设计策略
来源
药学学报.10作者
宋晓翰，王江，柳红中国科学院上海药物研究所,新药研究国家重点实验室中国科学院大学摘要
转运体会对药物在人体中的转移和分布产生极大的影响。一方面可溶性载体转运体可以将药物转运进入组织器官，从而提升药物生物利用度以及改变药物的组织分布；另一方面，细胞上的ATP结合盒转运体会将某些药物排出细胞，从而降低细胞内药物浓度，产生耐药性。本文总结了人体中几种重要的药物转运体的底物特征以及针对药物转运体进行药物设计的策略，包括前药修饰提高生物利用度、引入酸性基团改善肝脏选择性、改善化合物极性降低外排比等。关键词
转运体；药物设计；先导化合物_正文_在药物研发过程中，先导化合物的药代动力学性质优化是先导化合物成药性优化的重要部分。药物的药代动力学性质一方面受药物自身理化性质的影响，另一方面，人体中的代谢酶以及转运体也极大地影响了药物的药代动力学特性，代谢酶可将药物代谢生成水溶性更强的代谢产物，从而加速药物排出体外，而膜转运体则通过对部分药物的选择性转运影响药物的体内分布。通常情况下，脂溶性较强的药物以被动扩散的方式在体内进行跨膜转运，因此该类药物在各器官组织分布较为均一；但是亲水性的药物一般透膜性较差，部分药物需要膜上的转运体参与进行跨膜转运，由此导致药物的吸收转运受到转运体的类型和组织分布的影响，进而引起药物在各个器官和组织之间的浓度水平产生较大差异，同时也会导致血药浓度难以反映药物在靶器官或者靶细胞内的真实浓度水平。另一方面，当两种药物竞争同一种转运体或者转运体活性被药物抑制时，药物的药代动力学特性会发生极大改变，导致药物-药物相互作用（drug-druginteraction，DDI）的发生。此外，转运体还与肿瘤细胞耐药性的产生相关，部分肿瘤细胞可以通过高表达外排转运体降低细胞内的药物浓度，从而降低药物效能[1,2]。因此，了解各类转运体的性质与功能对于药物研发具有重要的指导意义。人体中与药物相关的转运体可按照功能分为两大类（表1）：一类是介导药物吸收进入细胞的可溶性载体（solutecarrier，SLC）超家族，其广泛分布于人体各个组织器官，利用细胞膜两侧的离子浓度梯度作为动力进行底物的跨膜运输。大多数SLC转运体含有7～14个跨膜螺旋，并且有一个胞内或胞外的柔性结构域，它可以协助跨膜螺旋形成跨膜通道[3]。目前已发现和鉴定多种SLC转运体，分为65个亚家族，其中与药物转运相关的SLC转运体主要包括：寡肽转运体(peptidetransporters,PEPTs)、有机阴离子转运体(organicaniontransporters,OATs)、有机阴离子多肽转运体(organicaniontransportingpolypeptide，OATP)、有机阳离子转运体(organiccationtransporters，OCTs)。另一类转运体是ATP结合盒转运体（ATP-bindingcassette,ABC）超家族，ABC转运体可以通过水解ATP提供能量将药物转运出细胞。人类基因组中一共含有49个编码ABC转运体的基因，按照进化差异分为A~G共7个亚家族。在结构上，ATP结合盒转运体一般由跨膜区(transmembranedomains，TMDs)和核苷酸结合区（nucleotide-bindingdomains，NBDs）组成，其中TMDs由多个跨膜螺旋组成，它们形成了跨膜通道并且可以识别结合底物，而NBDs则可以水解ATP提供能量，从而引起构象改变将药物分子排出细胞[4,5]。参与药物转运的ABC转运体主要包括P糖蛋白（P-glycoprotein,P-gp）、乳腺癌耐药蛋白（breastcancerresistanceprotein,BCRP）、多药耐药相关蛋白(Multidrugresistanceprotein,MRP)等。小肠、肾脏、肝脏以及血脑屏障中含有多种转运体(图1)，在药物的体内转运中发挥重要作用。小肠上的转运体主要负责吸收食物中的营养物质，排出药物及其代谢物[6]；而肾近曲小管上的转运体可以从尿液中重吸收营养物质，并介导部分药物从尿液排出[7]；肝细胞上的转运体负责将药物从血液中转运至肝脏，促进药物分子的代谢和排出[8]。血脑屏障是由紧密连接的血管内皮细胞和神经胶质细胞构成的一道屏障，作用于脑内靶标的药物一般需要具有较高的脂溶性以及较小的分子质量（小于Da）[9,10]，从而可以通过被动扩散的方式透过血脑屏障入脑发挥药效。此外，血脑屏障上含有多种转运体，其中OATP转运体可以将部分阴离子型化合物转运进入大脑，但其在血脑屏障中表达量较低，转运的通量不高；而表达P-gp、BCRP以及MRP则具有广泛的底物范围，可以将多种药物泵出血脑屏障[11-13]，因此部分药物尽管具有较好的脂溶性却难以入脑，目前可采用针对P-gp进行结构改造的策略促进药物透过血脑屏障[14,15]。鉴于转运体对于药物的药代动力学特性具有重要影响，研究人员需要考察药物是否是某种转运体的底物或者抑制剂，进而推测其可能产生的不良反应或者相关的药物-药物相互作用；此外，近年来，研究人员也试图通过将药物分子进行结构改造或前药修饰，使其成为摄取转运体的底物或者避免被外排转运体排出，从而增加药物的口服吸收，使药物富集于靶器官增强药物疗效。本文旨在介绍人体中常见的药物相关转运体的研究进展，以及针对转运体进行的药物改造和设计策略，以期为转运体相关的药物设计提供新的研究思路。1
可溶性载体超家族
1.1寡肽转运体(peptidetransporters,PEPTs)PEPTs是一种质子耦合的转运蛋白，人体的PEPTs分为两种亚型：PEPT1和PEPT2，二者具有不同的动力学性质以及组织分布。PEPT1对底物的容量高、底物范围广，但亲和力低，主要分布于小肠上皮细胞，用于转运膳食蛋白分解成的二肽以及三肽；而PEPT2对底物的亲和力高，但容量低、底物范围相对较窄，对多肽的侧链具有一定的选择性，主要在肾脏、脑和肺中表达，可以从肾小球滤液中重吸收肽，在生物体中分布较广[16-19]。PEPTs在药物转运过程中发挥重要作用，小肠中的PEPT1含量丰富，可以将底物从肠道中转运进入上皮细胞，促进底物吸收。PEPTs的底物一般具有以下特点：①PEPTs的底物大多含有肽键或者类似肽键的结构片段（亚甲基酮、硫代羰基等）[20]；②含有α-氨基的化合物能够与PEPTs中保守的组氨酸残基形成氢键相互作用，是该类转运体的常见底物[21,22]；③PEPTs可以转运二肽以及三肽，多肽氨基端和羧基端的距离为～pm，但PEPTs无法转运游离氨基酸以及四肽[23,24]。研究结果表明，多种类型的上市药物均是PEPTs的底物（图2），例如β-内酰胺类抗生素头孢氨苄（cefalexin1），该类药物存在脂溶性低、透膜性差的问题，但它是PEPT1的转运底物，可在肠道中被转运吸收，具有较高的口服生物利用度[25]。因此，利用PEPT1的底物特点，可以拓宽药物设计思路，使某些透膜性较差药物以口服方式给药成为可能。许多药物并不具有PEPT底物的结构特征，但可以通过设计成前药形式使其被PEPT识别和转运，增强口服生物利用度（图3）[26,27]。氨基酸酯化是靶向PEPT1前药设计的首选方法，因为药物的α-氨基酸酯在结构上类似于多肽，容易被PEPT1所识别，并且在肠道pH值范围中展现出良好的化学稳定性；其次，引入氨基酸后，分子中会多出一个游离的的氨基，可以增加化合物的水溶性；此外，L-型氨基酸类前药在被吸收进入人体后，可在酯酶的催化下水解，释放出原型药物，所以一般选用L-型氨基酸制备前药[27,28]。抗病毒药阿昔洛韦（acyclovirr5）的口服生物利用度仅为10%～20%，研究人员将其结构中的末端羟基与缬氨酸通过酯键连接，得到前药伐昔洛韦（valaciclovir4）。体外实验表明伐昔洛韦主要经PEPT1转运吸收，人体内的口服生物利用度是阿昔洛韦的3～5倍，且其被吸收进入人体后，可以在伐昔洛韦水解酶的催化下，水解生成阿昔洛韦，发挥药效（图4a）[29]。此外，也有部分药物以自身氨基通过酰胺键与氨基酸相连设计获得前药，例如抗精神疾病类药物LY通过分子上的游离的氨基与丙氨酸形成酰胺键，得到前药LY，该前药分子对PEPT展现出了高亲和力[30]，在大鼠体内的口服生物利用度达到了85%，且给药30min后前药全部水解转化为LY（图4b）[31]。最近，He课题组[32]同样利用该种前药策略对抗肝炎药物JBP进行结构改造，JBP是一种环状二肽分子，它可以被PEPT所识别，但亲和力较低，在大鼠体内的生物利用度仅有21%。研究人员尝试在分子中的游离的羟基上引入多种类型的L-氨基酸，将分子设计成前药，从而增强化合物对PEPT1的亲和力。结果表明在R1位置引入氨基酸酯可以有效提升化合物的口服生物利用度，并且L-缬氨酸酯（J3V）的提升效果最强（表2）。进一步实验结果表明，优选前药J3V在大鼠体内可以迅速水解成原型药物JBP，其暴露量相比原型药物提升了近10倍（图5）。1.2有机阴离子转运体(organicaniontransporters,OATs)OATs主要负责转运人体中带负电荷的内源性代谢物，目前已经发现了20多种OAT亚型，其中OAT1、OAT2和OAT3负责将底物从血液中转运进入肾小管上皮细胞，在药物分子的清除排泄过程中发挥重要作用[33,34]。OAT1、OAT2和OAT3的底物范围均十分广泛，转运底物主要是相对分子质量小于的亲水性阴离子化合物（图6）[33]，例如非甾体抗炎药以及β-内酰胺类抗生素等。此外，当多种药物竞争同一种OAT或者OAT转运活性被药物抑制时会导致DDI的发生，例如苯扎贝特（bezafibrate,14）和咪唑立滨（mizoribine,15）都是OAT1/3的底物，当二者同时服用时会导致苯扎贝特的清除率降低，药物暴露量增加，极有可能导致横纹肌溶解等不良反应的发生[35,36]。因此，在药物研发过程中需要明确化合物是否是OATs的底物，避免DDI所介导的不良反应。OATs可以促进其底物进入肾脏，介导其从尿排出，从而导致底物的肾脏清除率增加。OATs的底物一般极性较大，因此可以通过对底物中的极性基团进行封闭和替换的策略来改善其清除率。PF-是强效AMPK激动剂，其AMPK激动活性为7nmol·L-1（表2），但该分子是OAT3的底物并且在肾脏的清除率较高（大鼠体内CLrenal=7.6mL·min-1·kg-1），限制了其进一步开发[37]。OATs的底物通常是极性较大的离子型化合物，因此，辉瑞公司研究人员[38]设想通过替换分子中的极性基团来降低化合物对OAT3的亲和力。前期研究结果表明，分子中游离的羟基对于维持激动活性并不是必须的，而羧基和吲哚则会和靶点中的赖氨酸残基形成关键的氢键相互作用，所以研究人员选择对环丁醇片段进行封闭和替换，尝试在保持化合物激动活性的基础上，改善其肾脏清除率。研究人员首先将环丁醇替换为乙二醇，以便进行后续改造，所得化合物19极性增大且对OAT3的亲和力提升，进一步将末端羟基封闭得到化合物20，其hOAT3的摄取比例显著降低，而在末端引入极性较大的吗啉环则会提升化合物对OAT3的亲和力(表3)。研究人员将R3基团替换为极性较小且脂溶性强的四氢吡喃环，得到兼有较好AMPK激动活性和较低hOAT3亲和力的化合物22，在此基础上，他们又通过替换R1和R2基团进一步提升化合物的渗透性，最终得到化合物24(PF-)，其在大鼠体内肾脏清除率仅为0.03mL·min-1·kg-1，改善了该类化合物的成药性。1.3有机阴离子多肽转运体(organicaniontransportingpolypeptides，OATPs)OATPs在结构上与OATs相似但转运底物略有不同，OATPs的底物主要是分子量较大的疏水阴离子而OAT则转运分子量较小的亲水阴离子（图7）[33]。OATPs有多种亚型，其中OATP1B1和OATP1B3主要分布于肝细胞基侧膜，是肝脏中含量最丰富的转运体，在许多药物肝摄取过程中发挥重要作用，因此OATP1B1/1B3被竞争性或非竞争性抑制时，可能会导致DDI的发生。另一方面，某些药物的靶标存在于肝内，设计肝脏选择性的药物可以降低不良反应以及提高疗效，所以利用OATP1B1/1B3转运药物进入肝细胞也就成为了一种新型的药物设计策略。葡萄糖激酶（glucokinase,GK）激动剂可以增强葡萄糖激酶的催化活性，促进葡萄糖转化为6-磷酸葡萄糖，从而降低血糖，是一种新型的抗II型糖尿病药物。但研究表明该类药物会在较低血糖水平下激活胰腺中的GK，从而引起胰岛素释放，造成低血糖，因此，开发肝脏选择性的GK激动剂则有望避免低血糖风险[39]。化合物29是一种葡萄糖激酶激动剂，辉瑞公司研究人员[40]设想通过结构改造将其变为OATP1B1/1B3的底物，使其能够被OATP1B1/1B3转运进入肝细胞，从而选择性的在肝中富集，以避免不良反应的产生。OATPs的底物大部分是疏水性阴离子，而且很多是含有羧基结构的化合物，因此研究人员设想在化合物29的结构中引入羧基，同时羧基也可以降低分子的渗透性，避免化合物的被动扩散。通过对晶体复合物结构进行分析(图8a)，研究人员发现化合物29中的咪唑环和环戊烷伸向口袋内部，而吡啶环上的甲基暴露在溶剂区中，是一个合适的改造位点。由此所得到的化合物30既保持了GK的激动活性，同时也成为了OATP1B1和OATP1B3的底物(图8b)。大鼠体内实验结果表明，化合物30经口服进入大鼠体内后主要富集于肝内，且在胰腺内的含量极低，对肝脏展现出了良好的选择性(图8c)。此外，研究人员进行了后续的结构改造，结果表明将羧基替换为磺酸、草胺酸以及四氮唑均可维持其对转运体的亲和力，但是所得化合物的GK激动活性不高[40]。硬脂酰-CoA去饱和酶-1（stearoyl-CoAdesaturase-1，SCD1）抑制剂是一种新型的糖尿病和血脂异常治疗药物，但临床前实验表明抑制皮肤和眼组织中的SCD会导致严重的不良反应，因此开发肝脏选择性的SCD1抑制剂十分必要。默克公司研究人员[41]设想在SCD1抑制剂31上引入酸性基团使其成为OATPs的底物（图9）。初步研究发现，在31的苯环上进行结构改造导致化合物活性丧失（化合物32），而在左侧的杂环上引入酸性基团则可以在保持活性的基础上使化合物成为OATP1B1/1B3的底物（化合物33）。随后，研究人员进一步结构改造，得到活性较强的化合物34。动物实验结果表明，化合物34在恒河猴体内的肝脏/血浆浓度比达到39:1，皮肤组织中的药物浓度极低而眼组织中未能检测到药物，为后续研发奠定基础。OATPs对于其底物也可能产生负面的影响，许多药物的靶标并不仅存在于肝内，在肝内富集即会导致治疗效果下降，也会加速药物的代谢和排泄。化合物35是一种肝脏选择性的AMPK激动剂，对肝中脂代谢具有较好的改善作用，默克公司研究人员[42]试图对其进行结构改造，降低其肝脏选择性，增强其对骨骼肌中AMPK的激动活性，以达到治疗糖尿病的目的。化合物35具有肝脏选择性的原因是它可以被OATP1B1/1B2所转运，并且其极性较大、透膜性差，进入肝脏后难以通过被动扩散离开肝脏。研究人员认为分子中的羧基是化合物维持其对OATP1B1/1B2亲和力的重要基团，用极性较小的电子等排体对其进行替换既可避免化合物被OATP1B1/1B2转运，又可以增加化合物的透膜性。替换后所得到的化合物36的渗透性提高，肝脏选择性显著降低，小鼠体内的肝脏骨骼肌浓度比例降为3，并展示出了良好的降糖活性(图10)[42]。1.4有机阳离子转运体(organiccationtransporters，OCTs)OCT主要分为OCT1、OCT2和OCT3三个亚型。其中OCT1和OCT2分别分布于肝细胞和肾近曲小管细胞，可以介导药物进入肝脏和肾脏，促进药物的代谢和排泄；而OCT3分布广泛，在骨骼肌、小肠、脑、心脏和胎盘等多种组织中均有分布，主要负责单胺类神经递质、激素以及类固醇在人体内的转运[43,44]。许多药物例如顺铂、二甲双胍、拉米夫定等（图11）是OCT1/2的转运底物；当OCT1/2被竞争性或非竞争性抑制时，可能导致DDI的发生。OCT1和OCT2具有较高的同源性，底物主要是阳离子化合物以及在生理环境下带有正电荷的弱碱以及部分不带电荷的化合物，而其抑制剂一般是在生理条件下带有正电荷的亲脂性化合物。此外，Gustavsson等[45]分析了个化合物对OCT1/2的亲和力，总结了OCT1/2底物的一般特征。首先，OCT1/2倾向于转运分子量和体积较小的化合物，所有OCT1/2底物的分子体积均小于?3；其次，化合物的极性表面积（PSA）越小，LogD越高，则越有可能被OCT2转运，但化合物对OCT1的亲和力和PSA以及LogD之间无相关性。与OATP1B1/1B3相类似，OCT1也可通过增加化合物在肝内的浓度从而加强化合物的治疗作用，例如二甲双胍（metformin37）极性较大，透膜性差，但是可以通过OCT1在肝细胞内富集，激活AMPK，抑制葡萄糖的产生[46]；某些抗病毒药物如拉米夫定（lamivudine38）被证明是OCTs的底物，可以经OCTs转运进入肝细胞，抑制乙肝病毒[47]。OCTs也会导致部分药物在肾脏中富集，例如顺铂（cis-platinum39）会被OCT2转运进入肾脏，但肾脏上外排转运体却难以将顺铂转运至尿液，因此顺铂会在肾脏中蓄积，导致肾毒性的发生。而新一代的化疗药物卡铂则不是OCT2的底物，所以肾毒性较轻，安全性比顺铂更高[48]。内容由凡默谷小编查阅文献选取，排版与编辑为原创。如转载，请尊重劳动成果，注明来源于凡默谷