成药性相关小知识(3):溶解度

  • 概要溶解度化合物在一定溶液条件下的最大溶解浓度。
  • 溶解度是药物肠道吸收和口服生物利用度的决定因素之一。
  • 增加可电离基团、减小Log P和分子量,可以提高溶解度。
  • 成盐可以提高溶出速度。

溶解度是药物发现中最重要的性质之一。低溶解度的化合物会产生许多负面影响,其中包括∶

  • 口服药物后,吸收和生物利用度差。
  • 溶解度低,不能制成静脉注射剂型。
  • 人为造成生物测定活性值低。
  • 测定结果错误(生物学试验和性质试验)。
  • 药物开发困难(制剂昂贵且开发时间延长)。
  • 加重患者负担(频繁地高剂量用药)。

在药物发现阶段,研究者为了提高化合物与靶蛋白强结合的需要,往往在化合物结构上添加亲脂性基团,这些做法在帮助满足活性化合物发现的同时,也降低了其溶解度,并对其他发现和开发目标产生了不利影响。在时间期限较短、期望较高的情况下,药物发现科学家可能会犯的错误是,过多地依赖先进的制剂和输送技术来改善不溶性化合物的药动学和生物利用度。这种依赖可能导致发现项目团队的临床候选物无法达到有效治疗所需的足够高的吸收剂量。在发现阶段,通过结构修饰方法解决溶解度不足的问题是明智的选择。

1溶解度的基本原理

1.1 溶解度随结构和物理条件变化溶解度是化合物在与其固相处于平衡状态时在溶剂介质中所能达到的最高浓度。
化合物并没有单一的溶解度值,溶解度取决于许多因素∶

  • 化合物结构
  • 溶液中引入化合物的物理状态
    - 固态∶无定形、晶体、多晶型
    - 液态∶预溶于溶剂中,例如DMSO
  • 溶剂的组成和物理状态
    - 溶剂的种类
    - 助溶剂的含量(%)
    - 溶液成分(例如盐、离子、蛋白质、脂类、表面活性剂)
    - pH
    - 温度
  • 测量方法
    - 平衡时间
    - 分离技术(例如过滤、离心)
    - 检测手段(例如紫外、质谱、浊度)

例如,化合物的溶解度在 pH 7.4的缓冲液、模拟肠液、血液和含1% DMSO的生物测定介质中可能有很大差异。因此,为了正确使用溶解度数据,必须确定化合物条件及溶剂条件。在药物发现阶段,为了更好地模拟体外和体内的实际条件,需进行各种溶解度实验以评估不同体系中溶解度的影响。

1.2 结构特征影响溶解度

溶解度受理化性质的影响,这种影响可通过体外试验或软件计算来评价。这些都取决于化合物的基本结构特征。

  • 亲脂性∶取决于范德华力、偶极矩、氢键、离子相互作用
  • 分子大小∶ 分子量、分子形状
  • pKa∶取决于官能团的电离能力
  • 晶格能∶ 由晶体堆积和熔点决定

药物化学家有能力通过修饰影响化合物理化性质的结构来改变溶解度。本文后面部分将讨论影响极性、氢键、分子大小、电离度以及晶体堆积的结构修饰。晶型则可通过结晶条件和成盐方式来修饰。
亲脂性和晶格能对溶解度的影响可通过Yalkowsky和 Banerjee[1]一般溶解度方程进行经验计算,根据化合物可测量或可计算的特征估算其在水中的溶解度∶

Log S=0.8-Log Pow-0.01(MP-25)

此处S为溶解度,Log P。系正辛醇/水分配系数,MP为熔点(晶格能量度)。这种关系表明,若溶解度降低 10 倍,则应满足∶

  • Log P提高一个单位
  • MP 增加100℃

由于化合物的带电形式比中性形式更易溶解,所以 pKa和溶液 pH都很重要。在特定 pH下,分子以中性和离子化状态分布。因此,化合物在特定pH下的溶解度是溶液中的中性分子的固有溶解度(中性化合物的溶解度)与溶液中离子化分子的溶解度总和。这对于药物发现阶段各种生理体液和不同 pH 溶液中的化合物溶解度有重要意义。

这种现象也可用下面的数学式表达。药物根据如下反应而电离∶
HA+H2O= H3O+A- (酸)
B+ H2O= OH-+ HB+ (碱)

处于平衡状态时,一元酸或一元碱的溶解度可由下式计算∶
S=[HA]+[A-] (酸)
S=[B]十[HB+] (碱)
此处 S为溶解度。

由 Henderson-Hasselbach方程式衍生而来的如下数学等式提出了对溶解度的见解∶
S=S0(1+10(pH-pKa))(酸)
S=S0(1+10(pKa-pH)) (碱)

此处,S0为固有溶解度(中性化合物的溶解度)。溶解度与 S0呈线性关系,与 pH和pKa的差值呈指数关系。固有溶解度和酸性药物 pKa对溶解度影响的例子见表7.1。巴比妥和异戊巴比妥具有相同的pKa(7.9,弱酸),但是巴比妥的固有溶解度比异戊巴比妥高(分别为7.0mg/mL和1.2 mg/mL)。因此,巴比妥在任何pH下的总溶解度都比异戊巴比妥高(在 pH=9时,两者的溶解度分别为 95 mg/mL和15 mg/mL)。萘普生和苯妥英有相似的固有溶解度,但 pKa不同,这导致这两种物质在 pH=9的溶液中溶解度差异十分明显。由于溶解度随着 pH与 pKa的差值呈指数增长,且萘普生(pKa=4.6)的酸性强于苯妥英(pKa=8.3),故萘普生的溶解度远大于苯妥英。该例子表明,引入离子化中心对提高溶解度是有效的结构修饰策略。

表1. 给定 pH 条件下的化合物溶解度是分子中性部分固有溶解度与分子解离部分溶解度的函数[2]
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2.溶解度效应

2.1 低溶解度限制药物吸收并降低口服生物利用度
为使口服给药后的化合物得以在肠道吸收,固体或悬浮液剂型在进入体内循环前必须崩解、溶解并扩散至小肠上皮细胞表面。随着化合物浓度因溶解而升高,更多的药物分子扩散到上皮细胞表面,使得其单位时间、单位表面积可吸收更多量的药物(流量)。溶解度对吸收的重要性就在于此。不溶性化合物吸收不完全,因此口服生物利用度低。
药物研发阶段的目标之一是优化口服生物利用度,包括肠道吸收程度(由溶解度和渗透性决定)和首过效应(见图 1)。
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图1 口服给药后的溶解度、渗透性以及代谢稳定性影响药物的吸收

不溶性化合物口服生物利用度较低。例如化合物YH439(见图 2),因其水溶性较差而导致较低的口服生物利用度(在大鼠体内为 0.9%~4.0%)。若将该化合物制成混合微胶束配方,则其口服生物利用度将增加到 21%。制剂配方有助于改善化合物的溶解度,从而提高其吸收和口服生物利用度。当进行化合物的剂量递增毒性研究时,剂量由100mg/kg(AUC=32μg·min/mL)增加到500mg/kg(AUC=37 μg·min/mL),曲线下面积AUC0-t保持不变,提示溶解度可限制其吸收[3]。溶解度较低的化合物阻碍高剂量的毒性研究。
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图2 化合物YH439的结构

溶解度影响生物利用度的另一实例见图3所示的两种蛋白酶抑制剂[4]。早期先导化合物L-685,434在体外基于酶和细胞的生物测定中均有良好效价,但口服后却因溶解度较差而在体内完全无活性。通过引入可离子化中心修饰该化合物,可提高其溶解度。修饰后的化合物(茚地那韦)溶解度高得多,同时保持了良好的效价,其人体口服生物利用度达 60%。
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图 3 溶解度对口服生物利用度的影响。

2.2 溶解度的接受标准和分类
药物化学家常问的一个问题是∶"化合物所需要的最低溶解度是多少?"这实际上取决于化合物的渗透性和剂量。
最大吸收剂量(MAD)是指某药物在特定剂量时能够被吸收的最大量,其定义如下[5]∶
MAD=S·Ka· SIWV· SITT
S为溶解度(mg/mL,pH 6.5)
Ka为小肠吸收速率常数(min-1;大鼠小肠灌流实验的渗透率,定量上类似于人的Ka)
SIWV为小肠水容量(约为 250 mL)
SITT为小肠经过时间(min;约为 270 min)

因此,溶解度和渗透性是实现最大吸收的两个主要因素。表2 列出了为达到人体内最大吸收,特定剂量和渗透性下可接受的最低溶解度。各参数的关系如图4 所示。化合物效价(即完全吸收时产生药效的剂量)越高,渗透性越好,达到完全吸收时所需的溶解度就越低。反之,效价越低,渗透性越差的化合物达到完全吸收所需的溶解度就越高。例如,若某化合物渗透率低(0.003 min-1),效价也低(10 mg/kg),则达到其完全吸收时所需的溶解度将为 3.46 mg/mL。在药物发现阶段,溶解度小于 0.1mg/mL的情况常常出现。制剂常有助于提高难溶性化合物的溶解度。因此,溶解度小的化合物要达到最大吸收,需要有高的渗透性和效价。

表2. 在给定剂量和渗透率下,达到人体最大吸收所需要的最低可接受的溶解度
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图4 该图用于估算发现阶段化合物达到目标剂量(mg/kg)时需要的溶解度(μg/mL),这取决于其渗透性(低、中、高 Ka)。

Lipinski[6]已建立了一种说明溶解度、渗透性和剂量关系的图形化表示法(图 5)。
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图5 溶解度、渗透性与最大吸收剂量的关系

例如,若化合物具有中等渗透性(用"中Ka"表示),以及中等效价(完全吸收时为"1.0"mg/kg),则完全吸收需要的最低溶解度为52 μg/mL。若化合物剂量为 10 mg/kg,渗透性中等,且效价低,则溶解度必须增加 10倍(520 μg/mL)。这些估算为在药物发现中优化溶解度提供了有用的指南。在发现项目团队的化合物溶解度评价方面,建议药物化学家使用如下分类等级∶

  •  <10 μg/mL          溶解度低
  • 10~60 μg/mL      溶解度中等
  • >60 μg/mL           溶解度高

上述分类范围试图为解决人体口服吸收过程中的溶解度问题提供一般性的指导原则。然而,这些标准数值对于液体制剂的动物给药显然太低。表3 估算了体内药物发现研究中,以溶液方式给予大鼠时所需的溶解度。这种溶解度要求通常远高于 60μg/mL,而该值在药物发现领域用于预测人体吸收时已被视为"高溶解度"。
表3 对体重 250g大鼠以溶液方式给予理想体积时的目标溶解度
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不同的溶解度分类体系被用于药物发现和开发的不同阶段。建立这些体系旨在提供一般性指导原则,利用溶解度信息指导化合物的选择与推进。

3.改善溶解度的结构修饰策略

近年来,人们已开发了多种前沿技术用于难溶性化合物的制剂,如环糊精络合、脂质体、纳米粒等。在药物发现过程中,药物化学家们更倾向于通过结构修饰改善其溶解度。这些策略包括:

  • 加入可电离基团
  • 降低LogP
  • 加入氢键
  • 加入极性基团
  • 降低分子量
  • 减少晶体堆积的面外取代
  • 构建前药

3.1加入可电离基团
加入可电离基团是提高溶解度的常用方法,也是通过结构修饰提高溶解度最有效的方法之一。通常向结构中引入一个碱性胺基或一个羧基,含可电离官能团的化合物在 pH 缓冲液中带电荷,从而增加溶解度。
以抗疟药物青蒿素的溶解度提高为例(图 6)。其羧酸衍生物的钠盐虽然溶解度高,但不稳定。最终,青蒿素的胺基衍生物获得了更好的溶解度和稳定性,且口服给药也具有活性[23]。
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图6 青蒿素引入一个含羧基或胺基侧链后,溶解度增大

对图 7显示的系列化合物而言,含醚侧链的化合物对肿瘤细胞株系列有良好的活性,但溶解度低。在化合物5或6位引入一个含氨基的侧链,其溶解度大大提高[7]。最后的化合物仅在取代位点(从7位变为5或6位)有所差异,但溶解度降低,推测这可能是晶体堆积不同而造成的。
成药性相关小知识(3):溶解度图7 在不损失活性的条件下,抗肿瘤药物的溶解度提高

体外活性最高的化合物未必在体内活性也最高。以图8所示的系列化合物为例[8],第一个化合物的 IC50为0.004 nmol/L,然而由于溶解度低,它在体内的活性很弱;第二个化合物的体外活性仅为前者的1/5,但由于溶解度较高,因此在体内具有较高活性。在分子中加入一个碱性氮分子作为离子化中心可以提高溶解度。一个成功的药物在效价和类药性质上具有平衡关系。
成药性相关小知识(3):溶解度图8 溶解性对体内活性的影响

3.2 降低Log P
图9 列举了一系列蛋白酶抑制剂[9]。降低 Log P可增加溶解度,并导致化合物的系统暴露量增加,标志是最大血药浓度 Cmax升高。降低Log P和增大溶解度都可提高体内暴露量。
成药性相关小知识(3):溶解度图9 系列蛋白酶抑制剂随溶解度提高而吸收增加,其中化合物 4 已被开发为市售药物茚地那韦。

3.3 加入氢键
引入氢键供体与受体,例如 OH 和 NH2,能增强化合物的水溶性。两种抗艾滋病化合物结构如图10所示[10]。化合物1水溶性和口服生物利用度较差,限制了其进一步研发。化合物2在分子中引入了羟基,其溶解度和口服生物利用度均获得提高。
成药性相关小知识(3):溶解度图10 氢键对抗艾滋病化合物溶解度的影响

3.4 加入极性基团
加入一个极性基团通常可增加水溶性。图11为一系列环氧化物水解酶抑制剂[11],随着酯基(极性增强)和羧基的引入(极性和电离性增强),其溶解度提高。
成药性相关小知识(3):溶解度图11 环氧化物水解酶抑制剂中引入极性基团和可电离基团提高了水溶性

3.5 降低分子量
降低分子量是提高溶解度的另一种有用方法。CDK2 抑制剂的例子如图 12 所示[12],分子量越低,其溶解度和代谢稳定性就越高,同时可保持体外活性。由于溶解度与稳定性提高,体内效价也得到改善。
成药性相关小知识(3):溶解度图12 CDK2抑制剂的分子量降低导致溶解度增加

3.6 面外取代
图13是面外取代的例子[13]。引入乙基改变了分子的平面性,破坏其晶体堆积,形成高能量的晶体,从而提高了溶解度。
成药性相关小知识(3):溶解度图13 引入乙基改变了分子平面,破坏其晶体堆积,从而提高了溶解度

3.7 构建前药
引入带电荷或极性基团制成前药,可增加药物的水溶性。苯妥英的前药磷苯妥英的结构如图14所示。磷酸基可大幅度提高其溶解度,使其更易制成临床常用制剂。前药在肠道中被酶水解,使苯妥英释放并被吸收。
成药性相关小知识(3):溶解度图14 以苯妥英前药形式制备磷苯妥英,从而提高溶解度

4.ACD/Percepta软件的化合物溶解度计算

目前软件对于溶解度计算方法的训练和确证数据集均使用文献报道的平衡溶解度数据(热力学溶解度),ACD/Percepta软件可计算化合物的在水和DMSO中的溶解度。其中,水溶性的预测提供了三个预测结果:
1、基于GALAS算法的固有溶解度S0预测(中性化合物的溶解度),训练集+测试集的数据大约有7000个,预测界面如图15所示;
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图15 化合物苯妥英的固有溶解度预测界面

2、定性预测化合物可能属于哪个溶解度级别(pH=7.4),预测界面如图16所示:
成药性相关小知识(3):溶解度
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图16 化合物苯妥英的溶解度级别预测界面

3、计算化合物在不同pH条件下的溶解度,软件默认提供了人体不同部位(不同pH环境)的溶解度,包括胃(1.7)、空肠(4.6)、回肠(6.5)、血液(7.4)、结肠(8.0),用户也可根据自己需求设定不同的pH值,预测界面如图17所示:
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图17 化合物苯妥英在不同pH下的溶解度预测

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版权声明:菜芽君 发表于 2021年1月4日 上午9:00。
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