作者: 湯姆貓
在過去的近十多年裡， 核苷類抗病毒藥物取得了長足的發展， 目前已有二十多個此類上市藥物， 廣泛應用於各類病毒感染的治療， 如HIV、HBV、HCV等， 取得非常好的臨床效果。 時至今日， 核苷類抗病毒藥物仍然是各大製藥企業的研發熱點， 不時有重磅新藥問世， 而其中不少成功的案例都採用了前藥化設計理念。
圖一 核苷類似物的活化
核苷類似物的抗病毒機制很早之前就已經被闡明， 具體可分為兩類， 第一類：鏈終止劑；由於其特殊的結構， 在被病毒DNA/RNA聚合酶編入核酸後， 抑制後續的鏈增長， 從而達到抑制病毒複製的目的。
核苷類似物存在著與生俱來的缺陷。 主要有兩個方面， 第一：成藥性不佳；核苷類似物通常含有多個羥基、氨基以及醯胺等化學基團， 溶解性差、透膜效率低、穩定性欠缺， 因而口服生物利用度低。 第二：和其他藥物相比， 一個成功的核苷類似物既要能夠被核苷激酶(磷酸化)識別， 又要保證能被聚合酶識別， 因此對其結構的修飾有很高的要求， 因而， 前藥設計是核苷類藥物的重要方向。
圖二 前藥的分類
根據母體藥物釋放原理的不同， 前藥可分為兩類， 第一類：母體藥物與載體通過共價鍵相連， 在體內經生物降解後發揮藥效。 載體通常是親脂性的， 可以是小分子化合物， 如脂肪鏈、聚乙二醇等， 也可以是大分子化合物， 如白蛋白和抗體等。 第二類：生物前體前藥， 它是對有效成分進行化學修飾， 在生物體內經過一系列酶轉化後， 釋放母體藥物， 進而發揮藥效。
對於核苷類抗病毒藥物來說， 絕大多數採用了第二種設計策略， 即生物前體方案。 由於核苷類似物含有多個官能團， 如氨基、羥基、羧酸等， 結合核苷類藥物在體內的代謝特徵， 如脫氨化、磷酸化、氧化還原等代謝過程， 其前藥設計策略眾多， 較為龐雜， 以下以糖基修飾、堿基修飾和單磷酸酯三個方面做一簡要介紹。
糖基部分設計
圖三
糖基部分的前藥設計策略主要是在羥基上引入羧基， 形成羧酸酯、氨基羧酸酯、碳酸酯等， 值得一提的是與氨基酸成酯的方法， 比較經典的例子如纈更昔洛韋與伐昔洛韋(圖三)， 它們分別是更昔洛韋和阿昔洛韋的L-纈氨酸前藥， 經過此前藥化設計後， 其口服生物利用度比母體藥物提高了一個數量級之多！側鏈上的L-纈氨酸酯， 一方面改善了藥物的物理、化學性質， 另外一方面， 由於纈氨酸的存在， 能夠被腸道中的多肽轉移酶PEPT1和PEPT2所識別， 促進了藥物的吸收。 另外一個比較典型的例子是對抗HIV藥齊多夫定的改進， 通過對糖基羥甲基進行異亮氨酸酯化(化合物1)，
圖四 其他糖基前藥設計
除了上述提及的氨基酸化外， 也有文獻報導如“三甲基鎖定”的設計策略， 通過引入特殊的酚酯側鏈(化合物2)， 在體內水解後釋放母體藥物， 機理如圖四所示。 雙乙酸酯化後的幹昔洛韋3， 相比母體藥物表現出更佳的生物利用度和溶解性。 除此之外， 親脂性的酯類， 如油酸、棕櫚酸等， 由於其含有大的親脂性烷基鏈， 能夠大大改善藥物的透膜效率和溶解性， 因而常常被引入到一些脂水分佈係數較差的藥物中， 如化合物6。 其他設計策略， 諸如雙前藥設計(化合物4)、碳酸酯化設計(化合物5)都能明顯的改善藥物的生物利用度， 部分設計還能降低母體藥物的毒性， 增強選擇性。
堿基部分設計
圖五 卡巴韋及其類似物前藥設計
與糖基部分的前藥設計方案不同的是， 堿基部分的前藥在體內需要經過氧化還原的過程才能釋放母體藥物， 而糖基前藥的活化主要只涉及到水解酶。 比較經典的堿基前藥設計如阿巴卡韋。 它的母體藥是卡巴韋。 阿巴卡韋在進入細胞內後， 首先被腺苷磷酸酶單磷酸化， 然後在胞內脫氨酶作用下轉變成單磷酸卡巴韋， 也有極少部分的阿巴卡韋可以直接在腺苷脫氨酶作用下轉化為卡巴韋， 但只有不到2%的阿巴卡韋可以直接發生這一轉化。 總的來說， 阿巴卡韋在血漿中的脫氨化效率太低， 主要發生在胞內， 受到阿巴卡韋的啟發， 許多類似的化合物被開發出來， 如化合物8和化合物9，都是化合物7的堿基前藥。
圖六 地達諾新的活化
抗HIV藥地達諾新(Didanosine)也可以視作為前藥。從化學本質上來說，Didanosine屬於次黃嘌呤，並不能發揮抗病毒效果，需要經過一系列的活化，其歷程如下：首先，在體內單磷酸化，然後在腺苷琥珀酸合成酶作用下得到腺苷琥珀酸，隨後經由腺苷琥珀酸裂解酶催化裂解，得到單磷酸腺苷類似物，最後三磷酸化，得到抗病毒活性成分雙去氧三磷酸腺苷。
圖七 鹵代及疊氮化設計
很多核苷類似物由於脂溶性較差，難以透過血腦屏障，因此不能對中樞神經系統的病毒複製起到有效的抑制作用，對此，通過在嘌呤6位引入一些親脂性基團，如鹵素、疊氮以及烷氧基等，改善脂水分佈係數，提高血腦屏障透過率，增強治療效果。此類前藥的活化歷程如圖七所示，鹵代及烷氧基取代物在腺苷脫氨酶作用下得到鳥苷或次黃嘌呤類似物，而次黃嘌呤再通過腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶作用，生成腺苷。疊氮化取代則經由P450 NADPH還原酶系統，將疊氮還原為氨基。
圖八 黃嘌呤氧化酶活化方式
嘌呤6位元除了脫氨酶、腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶、P450還原酶活化外，還可經由黃嘌呤氧化酶活化，如Desiciclovir，在黃嘌呤氧化酶作用下，將其轉化成為鳥苷類似物。對於一些單純的堿基或糖基前藥設計仍然不能取得較好效果的化合物，可採用堿基-糖基雙前藥設計策略，如泛昔洛韋，其母體藥物為噴昔洛韋，在體內經由酯酶-黃嘌呤氧化酶活化，經此改進，大大提高了藥物的中樞神經系統透過性。
對於堿基部分的前藥修飾主要集中對嘌呤堿基上，而且主要是針對嘌呤6位進行，嘧啶堿基的前藥化設計相對比較少，在此不展開討論。
單磷酸前藥設計
圖九 常見單磷酸前藥基團
單磷酸化前藥設計是核苷類抗病毒藥物非常重要的一種手段，因為核苷類似物需要經過磷酸化後才能發揮藥效，對於那些不能被核苷激酶識別或轉化效率低的核苷類似物，單磷酸化前藥設計往往能有效改善藥物的活性以及生物利用度。常見的單磷酸化前藥基團如圖九所示。
圖十 氨基磷酸酯前藥
在眾多單磷酸化前藥設計策略中，最有潛力的非氨基磷酸酯莫屬，目前有多個已上市化合物和備選藥物採用這一設計策略，最成功的應用實例如索非布韋，其母體藥物PSI-6130因為不能被胞苷激酶識別，所以無明顯生物活性，採用單磷酸化前藥設計方案後，一方面能夠改善藥物的物理性質，另外一方面，也成功解決了不能被單磷酸化的問題，採用類似策略開發的抗HBV新藥Vemlidy目前也已獲得FDA批准。氨基磷酸酯類前藥的活化如圖十所示，首先在酯酶水解下釋放游離羧酸，然後自發的分子內酯交換，得到的五元環氨基磷酸酯水解開環，最終在磷醯胺酶的作用下釋放單磷酸化的核苷類似物。
圖十一
除了氨基磷酸之外，POM和POC前藥基團也被成功應用於核苷類似物前藥的設計中，最典型的例子如阿德福韋以及替諾福韋，目前作為抗HBV的一線用藥，在臨床應用中取得非常好的效果。
單磷酸酯前藥設計是目前核苷類抗病毒藥物中非常有希望的方向，除了上述已經獲得FDA批准的藥物外，還有如GS-9131、Stampidine、PSI-353661等處於臨床研究階段的新藥都採用了這一開發策略，鑒於核苷類藥物特殊的作用形式，單磷酸酯化的前藥設計方案前景值得期待。
結語
前藥化設計是核苷類藥物的重要方向，與其他類型的抗病毒藥物相比，前藥化設計能夠極大的改善核苷類似物的物理性質和代謝特徵，從而提高生物利用度和降低毒副作用，在新藥開發日趨困難的背景下，從已有的分子實體中進行前藥化設計，從而獲取更佳品質的新藥，也不失為一種好的開發策略。
如化合物8和化合物9，都是化合物7的堿基前藥。圖六 地達諾新的活化
抗HIV藥地達諾新(Didanosine)也可以視作為前藥。從化學本質上來說，Didanosine屬於次黃嘌呤，並不能發揮抗病毒效果，需要經過一系列的活化，其歷程如下：首先，在體內單磷酸化，然後在腺苷琥珀酸合成酶作用下得到腺苷琥珀酸，隨後經由腺苷琥珀酸裂解酶催化裂解，得到單磷酸腺苷類似物，最後三磷酸化，得到抗病毒活性成分雙去氧三磷酸腺苷。
圖七 鹵代及疊氮化設計
很多核苷類似物由於脂溶性較差，難以透過血腦屏障，因此不能對中樞神經系統的病毒複製起到有效的抑制作用，對此，通過在嘌呤6位引入一些親脂性基團，如鹵素、疊氮以及烷氧基等，改善脂水分佈係數，提高血腦屏障透過率，增強治療效果。此類前藥的活化歷程如圖七所示，鹵代及烷氧基取代物在腺苷脫氨酶作用下得到鳥苷或次黃嘌呤類似物，而次黃嘌呤再通過腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶作用，生成腺苷。疊氮化取代則經由P450 NADPH還原酶系統，將疊氮還原為氨基。
圖八 黃嘌呤氧化酶活化方式
嘌呤6位元除了脫氨酶、腺苷琥珀酸合成酶/裂解酶、P450還原酶活化外，還可經由黃嘌呤氧化酶活化，如Desiciclovir，在黃嘌呤氧化酶作用下，將其轉化成為鳥苷類似物。對於一些單純的堿基或糖基前藥設計仍然不能取得較好效果的化合物，可採用堿基-糖基雙前藥設計策略，如泛昔洛韋，其母體藥物為噴昔洛韋，在體內經由酯酶-黃嘌呤氧化酶活化，經此改進，大大提高了藥物的中樞神經系統透過性。
對於堿基部分的前藥修飾主要集中對嘌呤堿基上，而且主要是針對嘌呤6位進行，嘧啶堿基的前藥化設計相對比較少，在此不展開討論。
單磷酸前藥設計
圖九 常見單磷酸前藥基團
單磷酸化前藥設計是核苷類抗病毒藥物非常重要的一種手段，因為核苷類似物需要經過磷酸化後才能發揮藥效，對於那些不能被核苷激酶識別或轉化效率低的核苷類似物，單磷酸化前藥設計往往能有效改善藥物的活性以及生物利用度。常見的單磷酸化前藥基團如圖九所示。
圖十 氨基磷酸酯前藥
在眾多單磷酸化前藥設計策略中，最有潛力的非氨基磷酸酯莫屬，目前有多個已上市化合物和備選藥物採用這一設計策略，最成功的應用實例如索非布韋，其母體藥物PSI-6130因為不能被胞苷激酶識別，所以無明顯生物活性，採用單磷酸化前藥設計方案後，一方面能夠改善藥物的物理性質，另外一方面，也成功解決了不能被單磷酸化的問題，採用類似策略開發的抗HBV新藥Vemlidy目前也已獲得FDA批准。氨基磷酸酯類前藥的活化如圖十所示，首先在酯酶水解下釋放游離羧酸，然後自發的分子內酯交換，得到的五元環氨基磷酸酯水解開環，最終在磷醯胺酶的作用下釋放單磷酸化的核苷類似物。
圖十一
除了氨基磷酸之外，POM和POC前藥基團也被成功應用於核苷類似物前藥的設計中，最典型的例子如阿德福韋以及替諾福韋，目前作為抗HBV的一線用藥，在臨床應用中取得非常好的效果。
單磷酸酯前藥設計是目前核苷類抗病毒藥物中非常有希望的方向，除了上述已經獲得FDA批准的藥物外，還有如GS-9131、Stampidine、PSI-353661等處於臨床研究階段的新藥都採用了這一開發策略，鑒於核苷類藥物特殊的作用形式，單磷酸酯化的前藥設計方案前景值得期待。
結語
前藥化設計是核苷類藥物的重要方向，與其他類型的抗病毒藥物相比，前藥化設計能夠極大的改善核苷類似物的物理性質和代謝特徵，從而提高生物利用度和降低毒副作用，在新藥開發日趨困難的背景下，從已有的分子實體中進行前藥化設計，從而獲取更佳品質的新藥，也不失為一種好的開發策略。