成藥性相關(guān)小知識(shí)(4):滲透性

滲透性

• 滲透性指分子通過(guò)某個(gè)膜屏障的速度。

• 滲透性是腸道吸收和口服生物利用度的決定因素之一。

• 優(yōu)化被動(dòng)擴(kuò)散性質(zhì)是卓有成效的，因?yàn)楸粍?dòng)擴(kuò)散是大多上市藥物的主要吸收機(jī)制。

• 去除可電離基團(tuán)、增大 Log P、縮小分子和降低極性，將使?jié)B透性提高。

滲透性指藥物分子通過(guò)某個(gè)生物膜屏障的速度，它是藥物小腸吸收、通過(guò)血液-器官屏障、通透進(jìn)入含治療靶標(biāo)的細(xì)胞以及肝和腎清除的必要過(guò)程。由于化合物必須透過(guò)細(xì)胞膜才能到達(dá)胞內(nèi)的治療靶標(biāo)，所以滲透性對(duì)于藥物發(fā)現(xiàn)階段基于細(xì)胞的生物測(cè)定也是很重要的。體外滲透性的預(yù)測(cè)可以擴(kuò)展藥物發(fā)現(xiàn)階段的許多研究?jī)?nèi)容，有助于理解基于細(xì)胞的生物測(cè)定，也可以輔助預(yù)測(cè)和解釋體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)的結(jié)果。

1滲透性的基本原理

藥物分子在生命系統(tǒng)中會(huì)遇到多種不同的膜屏障，包括胃腸道(GI)上皮細(xì)胞、毛細(xì)血管壁、肝細(xì)胞膜、腎小球、限制性器官屏障[如血腦屏障（BBB）]和靶標(biāo)細(xì)胞膜。

一個(gè)化合物的滲透性因膜而異，該差異來(lái)源于細(xì)胞膜脂質(zhì)體系（被動(dòng)擴(kuò)散）、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)（主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)）或細(xì)胞連接緊密度（細(xì)胞旁路）的差異。

化合物的膜通透包含不同機(jī)制，包括被動(dòng)擴(kuò)散、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)、胞吞、外排和細(xì)胞旁路（圖1），這些滲透機(jī)制在此不一 一介紹。

圖1 主要的膜通透機(jī)制

一個(gè)化合物的滲透性是上述所有對(duì)其可行的滲透機(jī)制的綜合。人們常使用"吸收轉(zhuǎn)運(yùn)"（absorptive transport）一詞來(lái)表示化合物從胃腸道到血流的通透。如圖2所示，吸收轉(zhuǎn)運(yùn)是被動(dòng)擴(kuò)散（濃度梯度和pH效應(yīng)驅(qū)動(dòng)）、主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（轉(zhuǎn)運(yùn)體親和力驅(qū)動(dòng)）和細(xì)胞旁路滲透（分子大小、極性和濃度梯度驅(qū)動(dòng)）共同作用的結(jié)果。相對(duì)地，"分泌轉(zhuǎn)運(yùn)"（secretory transport）一詞常用來(lái)表示化合物向胃腸道方向的通透，它是被動(dòng)擴(kuò)散和外排共同作用的結(jié)果。

圖2 特定化合物的綜合滲透性是其所在部位各項(xiàng)條件動(dòng)態(tài)相互作用，以及它們影響各種滲透機(jī)制的結(jié)果，這些條件包括濃度梯度、pH梯度、轉(zhuǎn)運(yùn)體親和力、分子大小和極性。

化合物的通透受其濃度影響。例如，口服給藥后，藥物在胃腸道中的高濃度使轉(zhuǎn)運(yùn)體達(dá)到飽和，高濃度梯度驅(qū)動(dòng)被動(dòng)擴(kuò)散，因此被動(dòng)擴(kuò)散成為化合物吸收的主要途徑。相反，在血腦屏障處，循環(huán)系統(tǒng)中的藥物濃度要低得多，通常達(dá)不到使轉(zhuǎn)運(yùn)體飽和的程度。在后一種情況下，若化合物是轉(zhuǎn)運(yùn)體的底物，則不管是攝取還是外排，主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制都將對(duì)總滲透性產(chǎn)生大得多的影響。

化合物在不同組織中的總滲透性存在差異，其影響因素主要包括：所在部位的濃度梯度、跨膜 pH差別、轉(zhuǎn)運(yùn)體表達(dá)量、轉(zhuǎn)運(yùn)體的Km值、細(xì)胞兩側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)體分布（即頂膜側(cè)或基底側(cè)）、化合物對(duì)各種轉(zhuǎn)運(yùn)體的親和力，以及形成膜屏障的細(xì)胞間孔隙的大小。各種滲透性機(jī)制會(huì)根據(jù)上述條件發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2滲透性的影響

滲透性影響許多因素，這些因素決定了化合物在生物體內(nèi)和體外發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的藥理學(xué)性質(zhì)。其中兩種因素是生物利用度和基于細(xì)胞的生物活性測(cè)定。

2.1 滲透性對(duì)生物利用度的影響

口服給藥后，藥物在胃腸道中的吸收很大程度上由滲透性決定，低滲透性的化合物往往生物利用度低。表1 給出了一個(gè)效價(jià)高、高度離子化酸性化合物的例子。其生物利用度小于1%，采用平行人工膜被動(dòng)擴(kuò)散滲透性測(cè)定法可得其滲透值低（0.1×10-6cm/s）;而其前藥的滲透值（7×10-6cm/s）和生物利用度（18%）則高得多。在此例中，高度離子化酸性化合物（pKa=4.5）的被動(dòng)擴(kuò)散受到限制。

表1 滲透性對(duì)一個(gè)酸性化合物口服生物利用度的影響

注：該化合物具有良好的效價(jià)(Ki=7nmol/L)，但滲透性和生物利用度很低；它的前藥有良好的滲透性和生物利用度。

2.2 滲透性對(duì)細(xì)胞活性試驗(yàn)的影響

滲透性可以限制化合物在細(xì)胞試驗(yàn)中的活性。若治療靶標(biāo)位于細(xì)胞內(nèi)，化合物必須穿過(guò)細(xì)胞膜才能產(chǎn)生活性，因此當(dāng)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從非細(xì)胞試驗(yàn)（如酶、受體）推進(jìn)到細(xì)胞試驗(yàn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些化合物的活性大幅度下降。如果這是由未識(shí)別的細(xì)胞膜屏障引起的，而非其固有活性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)可能會(huì)錯(cuò)過(guò)這一化合物。更好的方法是明確滲透性是否可能限制該化合物的細(xì)胞活性?？梢院铣梢幌盗袧B透性得到改善的結(jié)構(gòu)類似物，并對(duì)其進(jìn)行活性測(cè)定。如果導(dǎo)致低生物活性的性質(zhì)（此處是滲透性）可以被識(shí)別并通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾得以克服，那么放棄這個(gè)活性先導(dǎo)物是非?？上У?。

表2 給出了一個(gè)滲透性對(duì)細(xì)胞活性試驗(yàn)產(chǎn)生影響的例子。要在細(xì)胞活性試驗(yàn)中表現(xiàn)出高生物活性，要求化合物兼有良好的藥理活性和滲透性。有時(shí)，在酶試驗(yàn)中僅有中等活性的化合物，可能在細(xì)胞試驗(yàn)中表現(xiàn)出同類化合物中最強(qiáng)的活性，這是因?yàn)闈B透性限制了酶試驗(yàn)中活性更高化合物的胞內(nèi)暴露量（如表3所示）。

表2 滲透性對(duì)細(xì)胞活性試驗(yàn)的影響示例

表3 兩類化合物在細(xì)胞試驗(yàn)和酶試驗(yàn)中表現(xiàn)出活性差異

3改善滲透性的結(jié)構(gòu)修飾策略

改善滲透性的最好辦法是進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾。滲透性難以通過(guò)公式計(jì)算獲得，因此在起始階段進(jìn)行滲透性評(píng)估、建立改善滲透性的合成計(jì)劃是很重要的。這一措施將挽救那些有巨大潛力的化合物系列，同時(shí)也將改進(jìn)它們?cè)趧?dòng)物藥理學(xué)和藥動(dòng)學(xué)研究中的暴露量。

以下列舉了幾種改善滲透性的策略，這些策略建立在減小電離度、增加親脂性、降低極性、減少氫鍵供體或受體等幾種基本概念的基礎(chǔ)上。

• 離子化基團(tuán)變?yōu)榉请x子化基團(tuán)

• 增加親脂性

• 極性基團(tuán)的等排取代

• 羧酸酯化

• 減少氫鍵和降低極性

• 縮小分子

• 引入非極性側(cè)鏈

• 前藥

3.1 離子化基團(tuán)變?yōu)榉请x子化基團(tuán)

滲透性會(huì)影響口服吸收。如圖3所示，當(dāng)R基團(tuán)為 CO2H時(shí)，體外Caco-2 滲透性低，且體內(nèi)口服生物利用度（%F）也低（4%); 而當(dāng)R基團(tuán)為較弱極性和非離子化的 CH2OH時(shí)，體外Caco-2滲透性提高30倍，且體內(nèi)口服生物利用度也提高了很多（66%）[4]。

圖3 滲透性對(duì)口服生物利用度的影響

3.2 增加親脂性

圖4顯示了另一個(gè)生物利用度的例子[5]。當(dāng)R基團(tuán)為CH2NHCH3時(shí)，化合物在體外Caco-2 試驗(yàn)中表現(xiàn)出中等的滲透性，這一結(jié)果與體內(nèi)的中等口服生物利用度（24%）一致;而當(dāng)R為親脂性更強(qiáng)的CH2N(CH3)2時(shí)，則體外滲透性高得多，導(dǎo)致體內(nèi)口服生物利用度高達(dá) 84%。

圖4 將Xa因子抑制劑的R取代基從CH2NHCH3變?yōu)镃H2N(CH3)2后，Caco-2滲透性和生物利用度均增加。

3.3 極性基團(tuán)的等排取代

當(dāng)羧基被四氮唑等排取代后[6]，Caco-2 滲透性提高（圖5），而 PTP1B酶活性（Ki=2μmol/L）保持不變。羧酸在體外無(wú)細(xì)胞活性，而四氮唑取代物則表現(xiàn)出細(xì)胞活性。

圖5?羧酸被四氮唑取代后，酶活性保持不變，而滲透性提高，導(dǎo)致其具有細(xì)胞活性。

3.4 羧酸酯化

圖 6中的 PTP1B先導(dǎo)化合物是一個(gè)二元羧酸，它在體外酶試驗(yàn)中表現(xiàn)出效價(jià)和選擇性[7]。該化合物在細(xì)胞模型中的活性低，這與體外 MDCK 細(xì)胞單層滲透性試驗(yàn)顯示的低滲透性結(jié)果是一致的。合成的二乙酯前藥的滲透性和細(xì)胞試驗(yàn)活性均大幅度改善。

圖6 滲透性對(duì)PTP1B先導(dǎo)化合物細(xì)胞活性的影響

3.5 減少氫鍵和降低極性

氫鍵與極性對(duì)被動(dòng)擴(kuò)散滲透性的不良影響如圖7所示。Cl變?yōu)镕后，極性增加，被動(dòng)擴(kuò)散滲透性降低；CH3變?yōu)镺CH3后，增加了一個(gè)氫鍵受體，滲透性降低。

圖7 極性或氫鍵增加導(dǎo)致被動(dòng)擴(kuò)散滲透性降低的例子。

PAMPA試驗(yàn)的滲透性單位為10-6cm/s

3.6 縮小分子

圖8[8]和圖9[9]顯示了分子結(jié)構(gòu)與滲透性的關(guān)系。通過(guò)固定一個(gè)R基團(tuán)，變化另一個(gè)R基團(tuán)，可以觀察到分子大小和極性對(duì)滲透性的影響。增大分子（如甲基、乙基、丁基、苯基）將降低 Caco-2滲透性或藥物吸收百分率；增加極性（如CH3變成 CF3，或 CH2CH3變成 CF2CF3）也會(huì)使?jié)B透性降低。由于所有這些化合物活性都相似，所以可根據(jù)它們的性質(zhì)進(jìn)行排序，即增加生物利用度和穿過(guò)滲透屏障接近治療靶標(biāo)的能力。

圖8 不同取代基對(duì)滲透性的影響

圖9?不同取代基對(duì)滲透性的影響

3.7 引入非極性側(cè)鏈

圖10給出了一個(gè)環(huán)肽通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾，滲透性得到提高的例子。引入非極性側(cè)鏈后，親脂性增加，從而使?jié)B透性得以改善。

圖10 在環(huán)肽上引入非極性側(cè)鏈改善滲透性

圖11給出了一系列通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾引入親脂性側(cè)鏈的苯丙氨酸二肽類化合物，隨著引入基團(tuán)親脂性的增加，其Caco-2滲透性越來(lái)越高。

圖11 苯丙氨酸二肽類化合物的Caco-2滲透性隨親脂性增加而改善

3.8 前藥

前藥已被用于提高滲透性。圖12給出了一些為了提高滲透性而設(shè)計(jì)的前藥。

圖12 被動(dòng)擴(kuò)散滲透性得以改善的前藥，圈出的為前藥基團(tuán)

5ACD/Percepta軟件的滲透性預(yù)測(cè)

滲透性比脂溶性過(guò)程更為復(fù)雜，目前可以作為建立預(yù)測(cè)腸道吸收數(shù)學(xué)模型的測(cè)量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)比脂溶性的數(shù)據(jù)少，預(yù)測(cè)結(jié)果可能較適于系列內(nèi)化合物的相對(duì)比較。當(dāng)計(jì)劃合成化合物時(shí)，藥物化學(xué)家可應(yīng)用滲透性預(yù)測(cè)工具，研究同一母體結(jié)構(gòu)上不同取代基對(duì)胃腸道吸收的潛在影響。

ACD/Percepta軟件提供了800多個(gè)化合物的吸收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)供用戶查詢，并且可基于化合物的結(jié)構(gòu)式預(yù)測(cè)細(xì)胞膜滲透性(空腸通透性和Caco-2細(xì)胞膜通透性)和人口服吸收程度(HIA，Human intestinal Absorption，不考慮代謝作用)。在HIA的預(yù)測(cè)結(jié)果上，軟件同時(shí)預(yù)測(cè)該化合物進(jìn)行膜通透的途徑比例，并且提供后臺(tái)結(jié)構(gòu)相似的三個(gè)化合物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供用戶參考。化合物的脂溶性和電離性質(zhì)是滲透性的兩個(gè)主要決定參數(shù)，軟件默認(rèn)基于預(yù)測(cè)的logP、logD和pKa值對(duì)滲透性進(jìn)行預(yù)測(cè)，用戶也可輸入對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行再預(yù)測(cè)。軟件的預(yù)測(cè)結(jié)果如下圖：

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