用于改善递送和疗效的亲脂性前药设计

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概述

基于递送方法的前体药物已被广泛用于改善亲水性药物的药代动力学、药理学和理化性质。前药通常通过化学修饰母体药物中的一个或多个基团而产生。在大多数情况下，这些化合物不具有生物活性，需要在体内通过化学和/或酶的生物转化产生所需药理学反应的母体药物。一般情况下，前体药物设计和开发主要原则是优化药物的药代动力学特性，提高药物的特异性和选择性，进而促进药物的生物利用度以及最大限度地减少不可接受的药物相关毒性。在2000-2008年期间，前体药物约占经批准小分子药物的20%。因此，本文将提供近几年发展的一些靶向性和非靶向性亲脂性前药实例。本文将从非靶向和靶向性亲脂性前药进行分类介绍。

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非靶向亲脂性前药

2.1、抗病毒药

Ravetti等人合成的几个抗病毒亲脂性前药，用于改善母体药物的药代动力学和疗效。如开发了一系列的5’-O-碳酸酯衍生物(图-1)，它是由不同链长度的脂肪醇结合到拉米夫定 [3TC] 上^[1]。这一系列衍生物中部分亲脂性前药产生了相当或优异于3TC的抗-HIV活性。特别是3TC-Penta (IC50 = 0.065±0.006 μM)，产生了相对3TC (IC50 = 0.200±0.060 μM)约3倍的抗病毒活性，但3TC- Metha (IC50 = 0.967±0.001 μM)和3TC-2Pro (IC50 = 1.270±0.060 μM)展现出显著较低的抗病毒活性。Gualdesi等人研究还发现3TC-Etha和3TC-Buta的渗透率相对3TC高出2倍和10倍。当然，这些前体药物对酶介导的水解高度敏感，能够再生更高浓度的3TC。此外，还对结合聚-L-精氨酸和脂肪酸的阿洛夫定(FLT)、3TC和恩曲他滨(FTC)前体药物进行了抗-HIV疗效研究，这些前体药物都获得了较高的抗-HIV活性，可进一步优化提高治疗效果。因此，碳酸酯前体药物的策略可能是一种提高现有治疗药物(如3TC)抗-HIV活性的可行方法。

图-1 3TC和5’-O-碳酸酯前体药物结构

一系列的d4T二磷酸脂肪酸前体药物(图-2)也被开发，并在体外进行了抗病毒疗效研究^[2]。大部分的前体药物对HIV-1和HIV-2产生了略低于未修饰d4T (A)的抗病毒效果。然而，其中的一个前体药物(D)在野生型CEM/0感染细胞中，显示相对d4T对HIV-1 (EC50 = 0.080±0.042.vs. 0.86±0.45 μM)和HIV-2 (EC50 = 0.32±0.12 .vs. 2.3±2.4 μM)的抗病毒活性约10倍和7倍。有趣的是，该化合物(EC50 = 0.11±0.04 μM)在TK缺失的CEM细胞中对HIV-2抗病毒活性约是d4T (EC50 = 173±70 μM)的1570倍。基于这些结果，类似的前体药物方法可以应用于其它核苷类似物中，以提高其递送和抗病毒疗效。更有研究人员观察到腺嘌呤核苷前体药物的抗病毒活性相对于其它核苷前体药物具有显著性的提升。因此，对拥有腺嘌呤核心的前体药物进一步优化和研究，以期获得优异的抗艾滋病病毒化合物。

图-2 d4T二磷酸脂肪酸前体药物结构

拉尼米韦是一种新型强效神经氨酸酶抑制剂，它的亲脂性前药拉尼米韦辛酸酯(CS-8958，图-3)能显著延长拉尼米韦的抗病毒疗效。研究发现该化合物通过鼻内给药就能显著增加被感染流感病毒(500 PFU，0h)小鼠的存活率。在拉尼米韦和尼米韦辛酸酯组中观察到超过20天的存活率分别为20%和100%。此外，尼米韦辛酸酯对A/California/04/09的H1N1病毒株产生很高的抗病毒疗效；该前体药物在呼吸组织改善了拉尼米韦的停留时间^[3]；同时该前体药通过鼻内给药24h后在气管和肺以再生的拉尼米韦形式存在。目前，尼米韦辛酸酯已在动物以及健康志愿者中进行了广泛的药代动力学、药物分布、安全性、耐受性、抗病毒活性等研究。

图-3 拉尼米韦(A)和拉尼米韦辛酸酯(B)的结构

美国Chimerix公司的Brincidofovir(之前称CMX001)是抗病毒药物西多福韦(图-4)的前药。西多福韦对巨细胞病毒、单纯疱疹病毒、带状疱疹病毒、腺病毒、以及埃博拉病毒等表现良好的抑制活性，但其生物利用度差，且只能静注，尤其还有较严重的不可逆肾毒性，这限制了其广泛使用。Brincidofovir作为西多福韦的前药，旨在通过引入亲脂性基团以便在细胞内降解释放有效活性成分西多福韦，既提高了西多福韦对双链DNA的抑制又提高了口服生物利用度。与西多福韦相比，Brincidofovir具有口服、对肾脏伤害较小等优势。在动物实验中，Brincidofovir对巨细胞病毒、腺病毒、BK病毒、天花和单纯疱疹病毒等表现良好的疗效。尽管埃博拉病毒不是双链DNA病毒，但体外实验证明Brincidofovir对埃博拉病毒表现较好的抑制活性。

图-4 西多福韦(A)和CMX001(B)的结构

此外，美国ContraVir公司在2016年10月也公布了其在研抗乙型肝炎病毒(HBV)新药CMX157的积极中期数据，它是替诺福韦(Tenofovir)的前药(图-5)。CMX157的新型肝靶向分子结构可以达到低水平的替诺福韦体内循环，降低全身暴露程度，从而减少肾副作用。公布的中期数据来自10名HBV感染患者，完成了每日一次口服25mg CMX157治疗14天的周期，其中两名HBV患者也口服300mg标准治疗方案剂量达14天。与基线水平相比，接受CMX157治疗的患者HBV病毒载量平均降低高达99％。因此CMX157具备有效治疗HBV感染的巨大潜力。目前该公司正在积极的推进CMX157临床研究。

图-5 替诺福韦(A)和CMX157(B)的结构

2.2、抗肿瘤药

亲脂性前药物已被广泛用于改善抗癌药物的递送和疗效。其中抗癌药物5-氟尿嘧啶(5-Fu(A)，图-6)与吉西他滨(CP-4126(A)，图-7)为开发的代表，已被用于合成了一系列脂质衍生物^[4]。图-6中系列的5-氟尿嘧啶亲脂性前药稳定性为D>E>C>B。此外，研究人员还发现，5-氟尿嘧啶亲脂性前药可以很容易制成亲脂性制剂。这一系列的前药在人类乳腺淋巴瘤细胞中具有良好的抑制肿瘤活性(IC50 = ~1 μM)。为了克服吉西他滨较差的吸收和稳定性，研究者开发了吉西他滨反油酸脂肪酸前体药物(CP-4126) ^[5]。该前体药物在BCLO细胞中的抗癌活性约是吉西他滨的2倍以上。

图-6 5-氟尿嘧啶(A)以及亲脂性前药(B,C,D,E)结构

图-7 吉西他滨(A)和CP-4126(B)结构

此外，另一抗癌药物阿糖胞苷也被用于亲脂性前药设计。如CP-4055(图-8)用于克服核苷转运蛋白介导的耐药性。I期临床研究已表明CP-4055在实体瘤患者中静脉滴注具有良好的安全性和耐受性。其中一例患者表现出约17个月的部分应答。最近的一项I-II期临床研究在耐药性或铂基抗癌药物难治性的卵巢癌患者中开展，确定在患者中静脉滴注CP-4055的疗效。以上结果清晰的表明：亲脂性前药方法是改善药代动力学及抗癌疗效的优异策略。

图-8 阿胞糖苷(A)和CP-4055(B)的结构

2.3、抗生素药

亲脂性前药已被作为一种用于改善喹诺酮类抗生素药物吸收及药理活性的可行方法。Azema等人已开发出二聚前体药物来增强左氧氟沙星的抗菌效果^[6]。二聚左氧氟沙星前药中的一个化合物(图-9，A)对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有显著的抑制活性作用，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC分别为1.9μM和小于0.97μM。另外一个熟悉的抗生素药物---诺氟沙星(NFX，B)，也开发出了甘油二酯前体药物(图-9，C)，用于改善其口服生物利用度^[7]。在小鼠中进行口服给药8小时时，NFX的血浆浓度达到最高(54%)。重要的是在肾脓肿老鼠模型中，与NFX和对照组相比，每200mg肾组织中，NFX-DG显著地减少金黄色葡萄球菌落。在等摩尔剂量下，采用NFX-DG治疗感染金黄色葡萄球菌小鼠组，呈现更高的存活率(60%)，而用NFX治疗组以及对照组存活率分别为40%和10%。基于以上结果分析：可认为甘油二酯修饰的氟喹诺酮类前体药物在改善口服生物利用度和抗菌功效方面是非常有前途和希望的。

图-9 二聚左氧氟沙星和NFX-DG(B)前药结构

为改善美罗培南(MEPM)(图-10，A)^[8]的肠吸收，对5元环上的仲氨、羧基两处同时进行修饰，得到相应的亲脂性前体化合物B和C。给小鼠口服后，两个前药能够产生较高的血浆浓度。在小鼠和比格犬中口服化合物B和C后MEPM的AUC相对单独口服MEPM更高。化合物B和C的半衰期相对于MEPM也较长。化合物B(23.4和38.4%)和C (18.2和24.4％)在小鼠和比格犬中的生物利用度也显示出优异性。这些结果清楚地表明MEPM前药能改善肠道吸收，而这种优异的口服吸收可能会进一步提高MEPM抗菌药效。

图-10 MEPM(A)和di-conjugated(B,C)前药结构

此外，一系列吡嗪酸(POA)亲脂性酯和酰胺前药物也被开发，用来改善其抗结核菌活性。所有酯和酰胺前药在亲脂性方面呈现出显著增强，但没有一个酰胺前药物产生比POA更好的活性，而一些酯前体药已经显示出优异的疗效。因此，酯类前药物的方法可能是改善POA抗结核杆菌的可行途径。

2.4、抗帕金森药

帕金森治疗药物---左旋多巴(图-11，A)，是一种亲水性药物，在肠道中吸收较差。尽管有很高的疗效，但口服给药后产生较低的生物利用度。Jiang等人研发了左旋多巴的前体药物AEPD(图-11，B)，旨在提高左旋多巴口服吸收^[9]。口服后，AEPD在血浆中主要以左旋多巴形式观察到。这一结果表明AEPD可能已经历了重要的化学或酶水解以再生左旋多巴。再生左旋多巴的AUC相对于左旋多巴约高2倍。根据这些结果，AEPD前体药是改善左旋多巴肠道吸收和治疗浓度的一种可行方法。

此外，一系列的左旋多巴酰胺衍生物也被开发，评估显示相对于左旋多巴产生更高药理活性。在等摩尔剂量下，一种二乙酰基前药(图-11，C)产生更高的药理活性。口服给药后，在血浆中该化合物也产生治疗水平的左旋多巴。二乙酰基前药产生左旋多巴AUC(0-4h)为245μg* min/mL。近期，一些咪唑啉基环状前药也被开发，用以改善左旋多巴的口服递送和治疗疗效。这些前药中的两个前药(图-11，D和E)相对于母体药物具有更高的亲脂性，在人体血浆中半衰期时间约45分钟。此外，给小鼠服用这些前体药物后产生了更高的基底纹状体多巴胺浓度，这表明具有更优异的药效活性。

图-11 左旋多巴(A)，AEPD(B)，二乙酰基(C)和咪唑啉环基左旋多巴(D,E) 前药结构

为了改善阿朴吗啡的皮肤吸收，研发人员设计了该药物的两种亲脂性前药(图-12)^[10]。二乙酰(DAA)和二异丁酰基(DIA)阿扑吗啡前药， Log P octanol / water值分别为0.80±0.04和1.60±0.03，相对于母体药物产生更高的渗透性。Liu等人已证明DAA和DIA在血浆和脑中迅速降解以产生阿扑吗啡。因此，在采用适当的给药递送系统如胶囊，可以使循环系统中的这些阿扑吗啡前药物更有效的递送至大脑。

图-12 阿朴吗啡(A)，DAA(B)和DIA(C)前药结构

2.5、抗焦虑药

作为γ-氨基丁酸(GABA) A型受体调节剂的缬草素(VA)，已被开发出一系列的亲脂性前体化合物(图-13)^[11]。主要分为两类：酰胺类亲脂性前体化合物；酯类亲脂性前体化合物。图中VA-A化合物已被一系列的试验证明，对α1β3，α1β2γ2s以及α3β3γ2s受体调节影响显著于化合物VA，在小鼠中VA-A产生了优异于VA的抗焦虑疗效。VA-A的进一步衍生物，如VA-MA(甲酰胺)、VA-EA(乙酰胺)也产生了同样的疗效。VA-MA和VA-EA的疗效与VA相媲美。然而体积较大的烷基取代基以及哌啶、吗啉取代基的酰胺亲脂性前体化合物(分别为VA-DEA/IPA，VA-PIP，VA-MO)都显示出较低的效果。有趣的是VA-乙酯(VA-EE)也显示出较低的效果。其中的一个四氮唑环前药(四氮唑-VA，图-13)在刺激IGABA显示出较高的效力。在1 μM的浓度下，四氮唑-VA展示出调节GABAA受体活性相对于VA超过20倍。基于以上结果认为：1)酰胺衍生物相对酯衍生物可能更有效；2)四氮唑-VA可以作为开发高效GABA受体调节剂的重点候选物。

图-13 VA和酰胺前药结构

2.6、抗糖尿病药

二甲双胍(图-14，A)目前被批准用于治疗2型糖尿病。尽管有很高的疗效，但它在肠道中的吸收仍是一个主要问题。研究人员设计出二甲双胍环己基(图-14，B)和苯基(图-14，C)的亚磺酰胺前药，旨在提高二甲双胍的吸收率^[12]。两前药相对二甲双胍显示出较高的亲脂性。在大鼠中，环己基前药的较高口服吸收导致二甲双胍生物利用度从43%上升到65%。Huttunen等人进一步评估了环己基前药在Caco2细胞中的渗透率，结果表明：在吸收(A-B)方向表观渗透率约为38.8±3.6×10^-9cm/s。为进一步改善二甲双胍的吸收， Huttunen等人继续开发了四种不同碳链长度的脂质前药(图-14，D-G)。辛硫基前体药物在Caco2细胞中产生较高的渗透率，该前体药物的渗透(A-B)率为44.80±7.44×10^-6 cm/s，高于二甲双胍环己基前药1150倍以上。总的来说，二甲双胍长链烷基前体药物可能为改善肠低渗透性、低吸收的潜在候选药物。

图-14 二甲双胍及其前药结构

2.7、免疫抑制剂

国内外广泛应用于预防、治疗移植器官急性排异反应的霉酚酸(MPA)免疫抑制剂药物也被用于亲脂性修饰，主要的亲脂性前体药物如图-15^[13]。在Lymph-Cannulated 大鼠中， MPA-C18E(C)，MPA-C18AM(D)和2- MPA-TG(E)前体药物产生了相对未修饰MPA 药物13，6和80倍的淋巴吸收。而MPA-C8E产生较低的淋巴吸收(剂量的0.07%)。这些结果表明：MPA中等长度基烷链的前体药物可能无法有效提升淋巴吸收，但长链烷基具有较好效果。

图-15 MPA(A)，MPA-C8E(B)，MPA-C18E(C)，MPA-C18AM(D)和2-MPA-TG(E)结构

2.8、其他前体药物

在非甾体抗炎药中，吲哚美辛在消炎镇痛时常常对胃溃疡产生影响，为了改善这种影响，研究人员设计了系列亲脂类前药(图-16)。在小鼠试验中，除E化合物外，其余的前体药物相对母药具有更低的胃溃疡影响。在角叉菜胶诱导大鼠足肿模型中，一些前体药物展现出了优异的抗炎应答效果。此外，吗啡、曲安奈德等药物也都开展了相应的脂类前体药物研究。

图-16 吲哚美辛前药结构

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靶向脂质前药

前面详细介绍了常见疾病中代表性非靶向亲脂性前药的开发情况，而靶向脂质前药具有特异性好特点，因此成为研究热点，相应的实例较多，本文仅以抗病毒药物列举相应亲脂性实例。

靶向膜转运体或受体的亲脂性前药物提出了一种改善药物输送和特异性的创新方法。Vadlapudi等人开发了一系列阿昔洛韦的钠依赖性多种维生素转运体(SMVT)靶向和非靶向脂质前体药^[14](图-17)。包括生物素-蓖麻油酸-阿昔洛韦(B-R-A)，生物素-12-羟基硬脂酸-阿昔洛韦(B-12HS-A)、蓖麻油酸-阿昔洛韦(R-A)和12-羟基硬脂酸-阿昔洛韦(12-HS-A)。其中蓖麻油酸、12-羟基硬脂酸作为脂筏，生物素选择性靶向SMVT。在MDCK-MDR1细胞中B-R-A与R-A产生了相对母体药物约10倍和4倍的细胞摄取。有趣的是，生物素-阿昔洛韦相对于未修饰的阿昔洛韦产生了高于6倍的细胞摄取。基于这些结果，与脂质筏以及转运体靶向部分相结合的前体药物(B-R-A)相对母体药物(阿昔洛韦)、脂质前药(R-A)和转运体靶向药(B-A)能显著提高细胞内累积。同时实验表明B-R-A和B-12HS-A对SMVT具有较高的亲和力。此外，B-R-A和B-12HS-A的IC50值明显低于B-A。这一结果进一步支持了脂筏与SMVT的结合将更高效。同样，在人体Caco2细胞中，B-A和B-12HS-A产生了相对未修饰阿昔洛韦约10和8倍的细胞摄取。

图-17 阿昔洛韦相关亲脂性前药结构

注：阿昔洛韦(A)，B-A(B)，12-HS-A(C)，R-A(D)，B-12HS-A(E)和B-R-A(F)

此外，研究人员还对另一抗病毒药物西多福韦进行了一系列转运体靶向和非靶向亲脂性前药的设计和开发，旨在提高西多福韦在眼组织中的吸收^[15]。合成的前药如图-18。这些前药相对西多福韦具有高亲脂性。试验中发现E化合物靶向SMVT明显高于C化合物，重要的是，也观察到C，D和E化合物在视网膜-脉络膜组织中明显提高(相对西多福韦)。因此，生物素脂质前体药可显著提高药物递送以及抗病毒疗效，为这类药物开发提高借鉴。

图-18 西多福韦前药结构

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小结

本文只是总结了常见疾病中少部分亲脂性前药开发实例，仅为此类前药的开发提供借鉴。前体药物的方法已被成功的用于改善药代动力学、药理学和理化性质，可有效避免因这些素影响而造成活性原药被遗弃。因此，亲脂性前药的开发有助于提升部分老药递送和疗效，也能为新药提供先导化合物。

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