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这个结构用起来真的没问题吗?〜药物研发领域里的坏蛋们〜

本文来自Chem-Station日文版 その構造、使って大丈夫ですか? 〜創薬におけるアブナいヤツら〜   DAICHAN

翻译投稿 炸鸡 校对 白菜猪肉馅

这家伙碰不得!警报结构

在新药研发的初级阶段通常会对化合物进行各种官能团置换以获得活性相关结构。

读者们脑海里能想出几种官能团呢?甲基,羟基,氨基,硝基,羰基……。特别是羰基,羰基可以变换成好几种官能团。酰基卤化物和酸酐是合成中不可缺少的有用的羰基衍生物。但是由于它们反应性高,因此不能放在药物的分子结构中。

酰基卤化物和酸酐等反应性高的官能团在新药开发中被称为“警报结构(structural alerts)”,要避免使用这些官能团。

最初发现的警报结构大多是与这些高反应活性的基团相关。在大学里学过有机化学的同学们应该不难想到是哪些官能团。

但是最近我发现有许多含“警报结构”的化合物被相继报道出来。也许是药物研发人员不知不觉地合成出来的?这种警报结构引起的毒性表达与生物体内的药物代谢酶密切相关。

 小样儿还有两副面孔呢…。 危险的“反应代谢物”

生物体内有许多酶,能代谢和解毒外来物质。比如我们熟知的细胞色素P450(CYP)。解毒代谢酶大致可分为I相解毒代谢酶(如CYP)和II相解毒代谢酶(如结合酶),I相解毒代谢酶通过底物的氧化提高外来物质水溶性,II相解毒代谢酶通过在底物上添加葡萄糖醛酸和硫酸基团进一步提高外来物质的水溶性,促进排泄。

CYP是一种底物特异性很低的酶,它的各种亚型(CYP1A1,2C9,2C19,2E1,3A4…)负责各种底物的代谢。但是由于底物特异性低,CYP介导的药物经常会出现相互作用的问题。例如CYP3A4的酶抑制剂有硝苯地平、维拉帕米、华法林、三唑仑、环孢素和斯波莱沙特等。大环内酯类抗生素克拉霉素对CYP3A4有很强的抑制作用,所以切记一定不要将克拉霉素和CYP3A4的酶抑制剂合用(因为会出现药效过强的现象)。CYP的问题不仅仅只有药物相互作用。有些化合物的取代基被CYP氧化后,化合物会变成比原来更加不稳定的反应代谢物 (Reactive Metabolite)。图1是有名的镇痛药对乙酰氨基酚的代谢机制。

图1. 对乙酰氨基酚的代谢机制

对乙酰氨基酚通常与葡萄糖醛酸结合,然后安全地排出体外(图1左上→左下),也有一部分对乙酰氨基酚被CYP2E1氧化,成为醌亚胺型(醌类)的N-乙酰基-对苯醌亚胺(NAPQI)(图1左上→中间)。NAPQI很容易与硫醇反应,大部分NAPQI通常与大量存在的谷胱甘肽(GSH)结合,与葡萄糖醛酸结合物一同安全地排出体外(图1中央→右上)。但是如果 CYP2E1的酶诱导剂乙醇摄入过多的话,大量的对乙酰氨基酚会优先被CYP氧化生成NAPQI。当体内的GSH耗尽,无法捕捉醌类化合物(即NAPQI)时,来自各种蛋白质的硫醇基团就会与NAPQI不可逆地结合,从而阻碍其原有的功能,从而显现出毒性(图1中央→右下)。

作为母体化合物的对乙酰氨基酚的酚羟基和乙酰胺基位于对位关系,具有pro-quinoidal(醌类前体)结构。像这样通过代谢生成反应活性高的警报结构”的例子非常的多即使母体化合物本身是稳定的,但是由于生物体内特有的反应,也经常会变成危险的物质(代谢活性化) 

找不同?巧妙的回避警报结构

再讲一个有关“警报结构”和反应性代谢物的案例。关于“警报结构”避免肝毒性有关。非甾体抗炎药物有一类叫做Oxicam。其中Meloxicam(即美洛昔康,莫比克®)是继洛索洛芬和双氯芬酸之后被广泛使用的药物。而Sudoxicam类药物因为会引起严重的肝损伤问题而被停止生产。图2分别展示了Meloxicam和Sudoxicam的分子结构。那么,这两个化合物到底有什么区别呢?

图2 Oxicam类抗炎药Meloxicam和Sudoxicam的结构

答案很明显,差别就在于末端噻唑环上有没有甲基。虽然只是个小小的甲基,但是对代谢和毒性却有很大的影响。

Meloxicam和Sudoxicam都有“警报结构”——2-氨基噻唑结构。在2-氨基噻唑环上没有甲基的Sudoxicam会被CYP催化为环氧化物最后代谢为酰基硫脲(图3)。酰基硫脲反应性高,因此Sudoxicam表现出了严重的肝毒性。而Meloxicam因为2-氨基噻唑环上有甲基所以不会被环氧化,甲基会被氢氧化变为羟甲基,然后被氧化为羧酸或是和其他物质结合被安全排出体外(图3)。虽然日本早在20年前就在Meloxicam的使用说明书上的注意栏上标注“有可能产生肝损害”,但到现在为止全球100多个国家都没有出现过患者服用Meloxicam后有肝损伤的事情。小小的一个甲基竟能使两种药物有天差地别的两种命运。

图3 Sudoxicam和Meloxicam的“警报结构”及其代谢途径[1]

这些也是“警报结构”

吲哚是新药研发领域中一类常见的重要机构。人体必需氨基酸之一的色氨酸就具有吲哚骨架,因此可以说吲哚与生命化学密切相关。然而,3-烷基吲哚跟色氨酸相似,却含有“警报结构”。如图4所示,3-烷基吲哚经代谢会生成亚胺和环氧化物,亚胺和环氧化物容易与生物分子结合形成共价键。

图4 3-烷基吲哚的代谢路径

苯并二氧戊环也是药物中经常出现的结构,但也属于能通过代谢生成反应性代谢物的“警报结构”。苯并二氧戊环通过CYP代谢,形成卡宾和邻苯醌等高反应性中间体,这些中间体会不可逆地与生物分子结合(图5)。例如抗抑郁药帕罗西汀(帕西尔®,图5 inset),其结构中含有苯并二氧戊环,能不可逆的抑制CYP2D6。作为CYP2D6的底物的抗精神病药匹莫齐特,当与帕罗西汀合用时人体内血药浓度会增加,会引起延长症等致死性的副作用。所以帕罗西汀和匹莫齐特不能合用。

图5 苯并二氧戊环的代谢路径

其他与新陈代谢相关的“警报结构”包括噻吩、呋喃、硝基苯、苯胺和肼。如果有读者想深入了解请查阅参考文献 [2] ,里面不光有噻吩、呋喃、硝基苯、苯胺和肼相关具体案例还包含了3-烷基吲哚和苯并二氧戊环的案例。

结束语

大多数制药企业都是独立建立一个“警报结构”筛选库。这是为了防止药物研发途中做无用功或是药物上市后被召回,这是一种规避药物副作用和经济损失的非常重要的策略。但是同时也会错过很多有用的药物结构。比方说为了维持有些药物的活性,不得不保留“警报结构”,通过修饰或是改变其他地方的官能团来提高药效,这样一来药物的服用量就会减少,反应性代谢物的生成量也会减少,有的药物产生的反应性代谢物量对生物体造成的伤害甚至可以忽略不计(除去包括概率因素在内的致癌性·变异原性等)。另外,通过活用生物电子等排体,也可以避免“警报结构”。降低电子密度和改变代谢部位(使其他部位更容易代谢)也可以回避“警报结构”[3]

作为新药研发人员,我觉得有必要要把“警报结构”时刻铭记于心,我们要用我们的专业知识巧妙利用这些“警报结构”,避免研发的药物中出现“警报结构”。

参考文献

  1. Kalgutkar, A. M. ACS Cent. Sci. 2015, 1, 163. DOI: 1021/acscentsci.5b00231
  2. 長野哲雄 編、創薬化学 –メディシナルケミストへの道-、2018
  3. Limban,C.; Nuţă, D. C.; Chiriţă, C.;  Negreș, S. Arsene, A. L.: Goumenou M.;  Karakitsios, S. P.; Tsatsakis, A.M.; Sarigiannise, D. A.,  Rep. 2018, 5, 943. DOI: 10.1016/j.toxrep.2018.08.017

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