成药性相关小知识(4):渗透性

概要

  • 渗透性指分子通过某个膜屏障的速度。
  • 渗透性是肠道吸收和口服生物利用度的决定因素之一。
  • 优化被动扩散性质是卓有成效的,因为被动扩散是大多上市药物的主要吸收机制。
  • 去除可电离基团、增大 Log P、缩小分子和降低极性,将使渗透性提高。

渗透性指药物分子通过某个生物膜屏障的速度,它是药物小肠吸收、通过血液-器官屏障、通透进入含治疗靶标的细胞以及肝和肾清除的必要过程。由于化合物必须透过细胞膜才能到达胞内的治疗靶标,所以渗透性对于药物发现阶段基于细胞的生物测定也是很重要的。体外渗透性的预测可以扩展药物发现阶段的许多研究内容,有助于理解基于细胞的生物测定,也可以辅助预测和解释体内药动学的结果。

1、渗透性的基本原理

药物分子在生命系统中会遇到多种不同的膜屏障,包括胃肠道(GI)上皮细胞、毛细血管壁、肝细胞膜、肾小球、限制性器官屏障[如血脑屏障(BBB)]和靶标细胞膜。

一个化合物的渗透性因膜而异,该差异来源于细胞膜脂质体系(被动扩散)、膜转运蛋白表达(主动转运)或细胞连接紧密度(细胞旁路)的差异。

化合物的膜通透包含不同机制,包括被动扩散、主动转运、胞吞、外排和细胞旁路(图1),这些渗透机制在此不一 一介绍。

成药性相关小知识(4):渗透性

图1 主要的膜通透机制

一个化合物的渗透性是上述所有对其可行的渗透机制的综合。人们常使用"吸收转运"(absorptive transport)一词来表示化合物从胃肠道到血流的通透。如图2所示,吸收转运是被动扩散(浓度梯度和pH效应驱动)、主动转运(转运体亲和力驱动)和细胞旁路渗透(分子大小、极性和浓度梯度驱动)共同作用的结果。相对地,"分泌转运"(secretory transport)一词常用来表示化合物向胃肠道方向的通透,它是被动扩散和外排共同作用的结果。

成药性相关小知识(4):渗透性

图2 特定化合物的综合渗透性是其所在部位各项条件动态相互作用,以及它们影响各种渗透机制的结果,这些条件包括浓度梯度、pH梯度、转运体亲和力、分子大小和极性。

化合物的通透受其浓度影响。例如,口服给药后,药物在胃肠道中的高浓度使转运体达到饱和,高浓度梯度驱动被动扩散,因此被动扩散成为化合物吸收的主要途径。相反,在血脑屏障处,循环系统中的药物浓度要低得多,通常达不到使转运体饱和的程度。在后一种情况下,若化合物是转运体的底物,则不管是摄取还是外排,主动转运机制都将对总渗透性产生大得多的影响。

化合物在不同组织中的总渗透性存在差异,其影响因素主要包括:所在部位的浓度梯度、跨膜 pH差别、转运体表达量、转运体的Km值、细胞两侧的转运体分布(即顶膜侧或基底侧)、化合物对各种转运体的亲和力,以及形成膜屏障的细胞间孔隙的大小。各种渗透性机制会根据上述条件发生动态调整。

2、渗透性的影响

渗透性影响许多因素,这些因素决定了化合物在生物体内和体外发现实验中的药理学性质。其中两种因素是生物利用度和基于细胞的生物活性测定。

2.1 渗透性对生物利用度的影响

口服给药后,药物在胃肠道中的吸收很大程度上由渗透性决定,低渗透性的化合物往往生物利用度低。表1 给出了一个效价高、高度离子化酸性化合物的例子。其生物利用度小于1%,采用平行人工膜被动扩散渗透性测定法可得其渗透值低(0.1×10-6cm/s);而其前药的渗透值(7×10-6cm/s)和生物利用度(18%)则高得多。在此例中,高度离子化酸性化合物(pKa=4.5)的被动扩散受到限制。

成药性相关小知识(4):渗透性

表1 渗透性对一个酸性化合物口服生物利用度的影响

注:该化合物具有良好的效价(Ki=7nmol/L),但渗透性和生物利用度很低;它的前药有良好的渗透性和生物利用度。

2.2 渗透性对细胞活性试验的影响

渗透性可以限制化合物在细胞试验中的活性。若治疗靶标位于细胞内,化合物必须穿过细胞膜才能产生活性,因此当发现项目团队从非细胞试验(如酶、受体)推进到细胞试验时,会发现有些化合物的活性大幅度下降。如果这是由未识别的细胞膜屏障引起的,而非其固有活性,项目团队可能会错过这一化合物。更好的方法是明确渗透性是否可能限制该化合物的细胞活性。可以合成一系列渗透性得到改善的结构类似物,并对其进行活性测定。如果导致低生物活性的性质(此处是渗透性)可以被识别并通过结构修饰得以克服,那么放弃这个活性先导物是非常可惜的。

表2 给出了一个渗透性对细胞活性试验产生影响的例子。要在细胞活性试验中表现出高生物活性,要求化合物兼有良好的药理活性和渗透性。有时,在酶试验中仅有中等活性的化合物,可能在细胞试验中表现出同类化合物中最强的活性,这是因为渗透性限制了酶试验中活性更高化合物的胞内暴露量(如表3所示)。

成药性相关小知识(4):渗透性

表2 渗透性对细胞活性试验的影响示例

成药性相关小知识(4):渗透性

表3 两类化合物在细胞试验和酶试验中表现出活性差异

3、改善渗透性的结构修饰策略

改善渗透性的最好办法是进行结构修饰。渗透性难以通过公式计算获得,因此在起始阶段进行渗透性评估、建立改善渗透性的合成计划是很重要的。这一措施将挽救那些有巨大潜力的化合物系列,同时也将改进它们在动物药理学和药动学研究中的暴露量。

以下列举了几种改善渗透性的策略,这些策略建立在减小电离度、增加亲脂性、降低极性、减少氢键供体或受体等几种基本概念的基础上。

  • 离子化基团变为非离子化基团
  • 增加亲脂性
  • 极性基团的等排取代
  • 羧酸酯化
  • 减少氢键和降低极性
  • 缩小分子
  • 引入非极性侧链
  • 前药

3.1 离子化基团变为非离子化基团

渗透性会影响口服吸收。如图3所示,当R基团为 CO2H时,体外Caco-2 渗透性低,且体内口服生物利用度(%F)也低(4%); 而当R基团为较弱极性和非离子化的 CH2OH时,体外Caco-2渗透性提高30倍,且体内口服生物利用度也提高了很多(66%)[4]。

成药性相关小知识(4):渗透性

图3 渗透性对口服生物利用度的影响

3.2 增加亲脂性

图4显示了另一个生物利用度的例子[5]。当R基团为CH2NHCH3时,化合物在体外Caco-2 试验中表现出中等的渗透性,这一结果与体内的中等口服生物利用度(24%)一致;而当R为亲脂性更强的CH2N(CH3)2时,则体外渗透性高得多,导致体内口服生物利用度高达 84%。

成药性相关小知识(4):渗透性

图4 将Xa因子抑制剂的R取代基从CH2NHCH3变为CH2N(CH3)2后,Caco-2渗透性和生物利用度均增加。

3.3 极性基团的等排取代

当羧基被四氮唑等排取代后[6],Caco-2 渗透性提高(图5),而 PTP1B酶活性(Ki=2μmol/L)保持不变。羧酸在体外无细胞活性,而四氮唑取代物则表现出细胞活性

成药性相关小知识(4):渗透性

图5 羧酸被四氮唑取代后,酶活性保持不变,而渗透性提高,导致其具有细胞活性。

3.4 羧酸酯化

图 6中的 PTP1B先导化合物是一个二元羧酸,它在体外酶试验中表现出效价和选择性[7]。该化合物在细胞模型中的活性低,这与体外 MDCK 细胞单层渗透性试验显示的低渗透性结果是一致的。合成的二乙酯前药的渗透性和细胞试验活性均大幅度改善。

成药性相关小知识(4):渗透性

图6 渗透性对PTP1B先导化合物细胞活性的影响

3.5 减少氢键和降低极性

氢键与极性对被动扩散渗透性的不良影响如图7所示。Cl变为F后,极性增加,被动扩散渗透性降低;CH3变为OCH3后,增加了一个氢键受体,渗透性降低。

成药性相关小知识(4):渗透性

图7 极性或氢键增加导致被动扩散渗透性降低的例子。(PAMPA试验的渗透性单位为10-6cm/s)

3.6 缩小分子

图8[8]和图9[9]显示了分子结构与渗透性的关系。通过固定一个R基团,变化另一个R基团,可以观察到分子大小和极性对渗透性的影响。增大分子(如甲基、乙基、丁基、苯基)将降低 Caco-2渗透性或药物吸收百分率;增加极性(如CH3变成 CF3,或 CH2CH3变成 CF2CF3)也会使渗透性降低。由于所有这些化合物活性都相似,所以可根据它们的性质进行排序,即增加生物利用度和穿过渗透屏障接近治疗靶标的能力。

成药性相关小知识(4):渗透性

图8 不同取代基对渗透性的影响

成药性相关小知识(4):渗透性

图9 不同取代基对渗透性的影响

3.7 引入非极性侧链

图10给出了一个环肽通过结构修饰,渗透性得到提高的例子。引入非极性侧链后,亲脂性增加,从而使渗透性得以改善。

成药性相关小知识(4):渗透性

图10 在环肽上引入非极性侧链改善渗透性

图11给出了一系列通过结构修饰引入亲脂性侧链的苯丙氨酸二肽类化合物,随着引入基团亲脂性的增加,其Caco-2渗透性越来越高。

成药性相关小知识(4):渗透性

图11 苯丙氨酸二肽类化合物的Caco-2渗透性随亲脂性增加而改善

3.8 前药

前药已被用于提高渗透性。图12给出了一些为了提高渗透性而设计的前药。

成药性相关小知识(4):渗透性

图12 被动扩散渗透性得以改善的前药,圈出的为前药基团

5、ACD/Percepta软件的渗透性预测

渗透性比脂溶性过程更为复杂,目前可以作为建立预测肠道吸收数学模型的测量数据远比脂溶性的数据少,预测结果可能较适于系列内化合物的相对比较。当计划合成化合物时,药物化学家可应用渗透性预测工具,研究同一母体结构上不同取代基对胃肠道吸收的潜在影响。

ACD/Percepta软件提供了800多个化合物的吸收实验数据库供用户查询,并且可基于化合物的结构式预测细胞膜渗透性(空肠通透性和Caco-2细胞膜通透性)和人口服吸收程度(HIA,Human intestinal Absorption,不考虑代谢作用)。在HIA的预测结果上,软件同时预测该化合物进行膜通透的途径比例,并且提供后台结构相似的三个化合物实验数据供用户参考。化合物的脂溶性和电离性质是渗透性的两个主要决定参数,软件默认基于预测的logPlogDpKa值对渗透性进行预测,用户也可输入对应的实验数据进行再预测。软件的预测结果如下图:

成药性相关小知识(4):渗透性

参考文献

1.Ellens,H.,et al.(1997).In vitro permeability screening for identification of orally bioavailable endothelin receptor antagonists.Advanced Drug Delivery Reviews,23,99-109.

2.Quan,M.L.,et al.(2005).Discovery of 1-(3'-aminobenzisoxazol-5'-yl)-3-rifluoromethyl-N-[2-fluoro-4-[(2'-dimethylaminomethyl)imidazol-1-yl]phenyl]-1H-pyrazole-5- carboxyamide hydrochloride((Razaxaban),a highly potent, selective,and orally bioavailable factor Xa inhibitor. Journal of Medicinal Chemistry, 48,1729-1744.

3.Liljebris. C.,et al.(2002).Investigation of potential bioisosteric replacements for the carboxyl groups of peptidomimetic inhibitors of protein tyrosine phosphataseIB:Identification of a tetrazole-containing inhibitor with clular activity.Journal of Medicinal Chemisry, 45, 1785-1798.

4.Andersen,H.S.,et al.(2002).Discovery and SAR of anovel selective and orallybioavailable nonpeptide classical competitive inhibitor class of protein-tyrosine phosphatase 1B.Jourrnal of Medicinal Chemisry, 45,4443-4459.

5.Palanki,M.S.S.,et al.(2000). Inhibitors of NF-kB and AP-I gene expresson: SAR studies on the pyrimidine portion of 2-chloro-4-trifluoromethylpyrimidine-5-[N-(3',5'- bistrifuoromethylphenylcarboxamide]. Journal of Medicinal Chemisry,43,3995-4004.

6.Cheng,et al.(1999).Design,synthesis,and biological evaluation of matrix metalloproteinase inhibitors derived from a modified proline scaffold.Journal of Medicinal Chemisry.42,5426-5436.

7. 类药性质:概念、结构设计与方法 从ADME到安全性优化,2008,钟大放等译.

8. Drug-Like Properties:Concepts, Structure Design and Methods from ADME to Toxicity Optimization. Second Edition,2016.Li Di and Edward H. Kernsn.

版权声明:菜芽君 发表于 2021年1月10日 上午8:02。
转载请注明:成药性相关小知识(4):渗透性 | 药研导航

相关文章

暂无评论

暂无评论...