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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-06-13 20:36
前言
研發(fā)新藥往往需要新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而新穎的化學(xué)結(jié)構(gòu)需要新穎的結(jié)構(gòu)片段。近幾十年來(lái)，新興化學(xué)元素——硼逐漸步入大眾視野，科學(xué)家們通過(guò)在藥物分子中引入硼（B）元素獲得新穎的分子結(jié)構(gòu)。目前含硼藥物在抗炎、抗菌、抗腫瘤等方面已取得了一系列令人矚目的成果。迄今為止，全球已有5個(gè)含硼藥物被批準(zhǔn)上市，處于臨床試驗(yàn)階段的含硼藥物也不在少數(shù)，同時(shí)不斷有新的含硼化合物在相關(guān)研究中被發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)展了硼在藥物研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用，為新藥研發(fā)帶來(lái)了新的思路和希望。本文將介紹硼元素的特性、硼在藥物設(shè)計(jì)和新藥研發(fā)中的應(yīng)用以及研發(fā)過(guò)程中需要關(guān)注的部分。
圖1. PubMed中有關(guān)“含硼藥物”的文獻(xiàn)數(shù)量
含硼藥物的研究進(jìn)展
2003年第一個(gè)含硼藥物硼替佐米的成功上市，極大地激發(fā)了研究人員對(duì)硼元素在新藥研發(fā)中的信心及興趣。迄今為止，全球已有5款含硼藥物獲批上市（圖2）。
圖2. 已上市的含硼藥物
除了已上市的含硼藥物，還有許多處于臨床、臨床前或生物活性研究階段的含硼藥物。這些藥物在多種疾病的治療領(lǐng)域，特別是抗癌、抗病毒、抗菌等方面表現(xiàn)出巨大的潛力（表1）。
表1. 截至2023年全球處于臨床研究階段的部分含硼藥物[1]
硼和含硼基團(tuán)獨(dú)特的理化性質(zhì)
硼元素在藥物設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與其獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。硼的原子序數(shù)為5，價(jià)電子軌道為2s22p1，擁有一個(gè)空的p軌道，具有較強(qiáng)的親電性。這一親電特性使硼原子易與蛋白、酶等生物分子的巰基、羥基和氨基結(jié)合。同時(shí)，硼原子可以在平面三角sp2和四面體sp3雜化狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換，因此有機(jī)硼化合物可與靶標(biāo)分子形成多種作用模式（圖3）[2]。利用該性質(zhì)，硼在可逆共價(jià)抑制劑開(kāi)發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。
圖3. 有機(jī)硼化合物與生物靶點(diǎn)的相互作用模式[2]
硼酸基（R-B(OH)2）是硼在有機(jī)分子中最常見(jiàn)的形式，下面以硼酸基為例介紹含硼基團(tuán)的特性。多項(xiàng)研究表明硼酸基是羧酸、磷酸等多種基團(tuán)的生物電子等排體。硼酸pKa較高，通常在7-9之間。在生理pH下，硼酸基處于非電離的狀態(tài)（圖4）。基于這些特性，利用硼酸基對(duì)藥物分子進(jìn)行官能團(tuán)替換或結(jié)構(gòu)修飾，可有效改善藥物性質(zhì)。
圖4. 硼酸在水溶液中的電離狀態(tài)
硼在藥物分子設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
硼在藥物分子設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)
由于硼和硼酸基團(tuán)具有獨(dú)特的理化性質(zhì)，硼在藥物分子設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于藥物化學(xué)領(lǐng)域[3]。
1、提高藥物活性和選擇性
在第一個(gè)含硼藥物硼替佐米（Bortezomib）的研發(fā)路程中，科學(xué)家們首先開(kāi)發(fā)了醛基多肽類蛋白酶體抑制劑，然而由于其抑制活性較差，選擇性不高，生物利用度較低等缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。科學(xué)家們用硼酸基替換分子中的醛基，發(fā)現(xiàn)了抑制活性顯著提高的化合物——硼替佐米。
當(dāng)硼替佐米與20S蛋白酶體結(jié)合時(shí)，分子中的硼原子與附近殘基Thr1的羥基形成可逆的共價(jià)鍵，同時(shí)硼酸基游離的兩個(gè)羥基分別與Thr1和Gly47的氨基形成氫鍵，幫助穩(wěn)定了蛋白與化合物形成的復(fù)合物（圖5）。與先導(dǎo)化合物相比，硼酸基的引入顯著提高了化合物的抑制活性。同時(shí)，硼不易與半胱氨酸蛋白酶如組織蛋白酶B的巰基發(fā)生結(jié)合，這也使硼替佐米對(duì)蛋白酶體有了獨(dú)特的選擇性。最終，硼替佐米從多個(gè)待選化合物中脫穎而出，成功上市。
圖5. 硼替佐米（棕色）與20S蛋白酶體（藍(lán)色）的結(jié)合模式（PDB：5LF3）[1]
2、改善藥物藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)
除提高藥效外，科學(xué)家還通過(guò)引入含硼基團(tuán)改變化合物logP和logD，改善藥物的藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。Yali Kong等人[4]用硼酸基取代酚羥基，提高了化合物的溶解度；Harald等人[5]在化合物中用將羧基替換為硼酸基，提高了化合物的細(xì)胞膜穿透性，增強(qiáng)了化合物的抗病毒活性。
除此之外，還可以在代謝軟點(diǎn)上引入硼或者含硼基團(tuán)，提高化合物血漿暴露量。氟維司群（Fulvestrant）是FDA唯一批準(zhǔn)的選擇性雌激素受體下調(diào)劑，其臨床上重要的一個(gè)缺陷就是血漿暴露量極低。研究表明，給藥后，氟維司群的3’酚羥基在體內(nèi)會(huì)快速與葡萄糖醛酸和硫酸結(jié)合，生成極性大的二相代謝產(chǎn)物，迅速地排出體外。Liu等人[6]用硼酸取代了酚羥基合成了ZB716（圖6）。ZB716不僅很大程度保留了氟維司群的藥理學(xué)活性，同時(shí)由于阻斷了葡萄糖醛酸和硫酸的結(jié)合位點(diǎn)，提高化合物的代謝穩(wěn)定性，顯著提高了藥物血漿暴露量。且ZB716在體內(nèi)可氧化代謝生成氟維司群，硼酸的引入還可以降低氟維司群的清除速度。目前ZB716正處于臨床前開(kāi)發(fā)階段[7]。
圖6. 氟維司群及其衍生物ZB716結(jié)構(gòu)
硼在藥物研發(fā)中的主要應(yīng)用
隨著硼的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大和科學(xué)家對(duì)硼認(rèn)識(shí)的加深，近些年硼在藥物化學(xué)、藥物輸送、生物材料等方面均受到關(guān)注。接下來(lái)本文將介紹硼在藥物研發(fā)中的主要應(yīng)用。
1、可逆共價(jià)抑制劑
硼原子易與生物分子形成可逆的共價(jià)結(jié)合，因此硼也常用于共價(jià)可逆抑制劑的開(kāi)發(fā)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，已經(jīng)上市的硼替佐米、伊沙佐米和處于臨床研究階段的VNRX-5133（Taniborbactam）等藥物均是含硼原子的共價(jià)可逆抑制劑。
隨著共價(jià)抑制劑在藥物研發(fā)領(lǐng)域中蓬勃發(fā)展，相信硼在這類新藥研發(fā)中可以獲得更大發(fā)揮的平臺(tái)。
圖7. 含硼藥物與靶標(biāo)形成的可逆性結(jié)合[8]
2、ROS選擇性激活前藥
含硼藥物中的硼原子有一個(gè)空的p軌道，對(duì)活性氧（ROS）敏感，容易受到親核物質(zhì)如H2O2的進(jìn)攻。正常情況下，細(xì)胞中ROS保持在較低水平；但在一些特殊環(huán)境如腫瘤、炎癥細(xì)胞中，由于病理因素導(dǎo)致ROS濃度會(huì)顯著提高。科研人員利用硼原子對(duì)ROS敏感的特性，設(shè)計(jì)了能被ROS選擇性激活的含有硼基團(tuán)的前藥，靶向地將藥物遞送到相應(yīng)部位發(fā)揮藥效。
SN-38（圖8）——喜樹(shù)堿（CPT）的衍生物，是拓?fù)洚悩?gòu)酶I抑制劑，對(duì)多種惡性腫瘤有療效，如HER2陽(yáng)性乳腺癌和三陰性轉(zhuǎn)移性乳腺癌等。Lei Wang等人[9]用硼酸基替換了SN-38分子中的藥效基團(tuán)酚羥基，設(shè)計(jì)ROS選擇性激活前藥B1。前藥B1成功在腫瘤細(xì)胞系MCF-7、U251及HT-29中釋放出活性分子SN-38，并且其釋放水平與H2O2呈現(xiàn)濃度依賴性。除此之外，在體內(nèi)抗腫瘤實(shí)驗(yàn)中，前藥B1在小鼠體內(nèi)同樣表現(xiàn)出很好的抗腫瘤活性，與陽(yáng)性藥（伊立替康）組相比，療效相當(dāng)并且未觀察到明顯的毒性及過(guò)敏反應(yīng)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于硼設(shè)計(jì)的前藥B1不僅具有較好的藥效，還具有更高的安全性。
圖8. ROS選擇性激活前體藥物B1釋放活性分子SN-38[9]
3、硼修飾多肽靶向藥物
隨著研究的深入，除了在常規(guī)小分子中的應(yīng)用之外，近些年硼也被證明在多肽類藥物研發(fā)中具有巨大潛力。在一些多肽類藥物分子中引入硼原子，可提高其與靶標(biāo)的親和力和選擇性，從而提高藥物的療效。硼元素可成為多肽類藥物研發(fā)中的一種重要工具和策略，有望為多肽類藥物的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供新的思路和方法。
圖9. 硼酸修飾多肽對(duì)絲氨酸蛋白酶的抑制機(jī)制[10]
含硼藥物的藥代動(dòng)力學(xué)（DMPK）特征及其代謝研究考量
前文已經(jīng)介紹了硼的性質(zhì)，基于硼的特性硼在新藥研發(fā)中得到廣泛地應(yīng)用，但同樣因?yàn)檫@些特性也使含硼藥物在安全性和藥代動(dòng)力學(xué)方面存在一些未知和挑戰(zhàn)。接下來(lái)本文將介紹含硼藥物DMPK特征及其代謝考量。
1、DMPK特征
由于硼酸基或含硼基團(tuán)具有較高的pKa，硼修飾的藥物可改變化合物的膜穿透性，改善藥物吸收，因此常開(kāi)發(fā)為口服藥物。目前多個(gè)處于臨床研究階段的含硼藥物如度格列汀、阿考硼羅、GSK3036656等均表現(xiàn)出較好的口服生物利用度。大部分已上市或處于臨床研究階段的含硼藥物具有較大的分布容積。硼易與生物分子結(jié)合，含硼藥物進(jìn)入體內(nèi)后可能會(huì)與其他內(nèi)源性親核靶標(biāo)發(fā)生非特異性反應(yīng)，產(chǎn)生脫靶效應(yīng)，引起藥物的不良反應(yīng)。這也使對(duì)于新的含硼化合物研究人員需要特別關(guān)注藥物體內(nèi)的分布情況。在代謝方面，含硼藥物在體內(nèi)主要通過(guò)細(xì)胞色素P450酶系發(fā)生代謝，主要代謝途徑是氧化脫硼反應(yīng)[11]。值得注意的是含硼基團(tuán)對(duì)ROS敏感，部分含硼藥物在體內(nèi)會(huì)與ROS反應(yīng)，并且這種反應(yīng)與ROS濃度相關(guān)。在排泄方面，含硼藥物主要通過(guò)原型藥或代謝產(chǎn)物經(jīng)腎排出體外。
2、含硼藥物代謝研究考量
在藥物早期發(fā)現(xiàn)階段，常用體外代謝實(shí)驗(yàn)評(píng)估藥物代謝情況。而在常規(guī)的體外代謝模型如肝微粒體、肝細(xì)胞中ROS水平較低，利用這些體外代謝體系的結(jié)果不能較全面地預(yù)測(cè)含硼藥物在體內(nèi)，特別是患者體內(nèi)的代謝情況。因此為更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)含硼藥物代謝，預(yù)測(cè)藥物體內(nèi)代謝情況，可建立特殊的體外研究模型。
含ROS的緩沖液體系
將含硼化合物與不同濃度的ROS緩沖液反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)后的溶液中含硼化合物的產(chǎn)物進(jìn)行定性及定量分析，可有效評(píng)價(jià)ROS對(duì)相應(yīng)含硼藥物的代謝影響。
以硼替佐米為例，將硼替佐米置于含H2O2緩沖液孵育4h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10A。在H2O2的作用下，硼替佐米會(huì)發(fā)生氧化脫硼酸反應(yīng)，生成產(chǎn)物M1和M3，并且隨著H2O2濃度的增加，硼替佐米含量不斷減少，相應(yīng)產(chǎn)物含量也不斷增加，產(chǎn)物含量與H2O2呈現(xiàn)濃度依賴性。
硼替佐米在人肝微粒體孵育樣品中，除母藥硼替佐米外，可以檢測(cè)到代謝產(chǎn)物M1/M2（非對(duì)映異構(gòu)體），以及一系列相關(guān)次級(jí)代謝物。與微粒體結(jié)果相比，在H2O2作用下硼替佐米發(fā)生氧化脫硼酸，也可生成M1和M3，且M1和M3的相對(duì)豐度總和超過(guò)70%，這一結(jié)果表明ROS介導(dǎo)的氧化脫硼反應(yīng)在含硼替佐米代謝過(guò)程中發(fā)揮著不可忽視的作用。基于人肝微粒體和H2O2緩沖液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，硼替佐米的代謝途徑如圖10B。
圖10.（A）硼替佐米及其產(chǎn)物在不同基質(zhì)樣品中的LC-UV（λ=240-340 nm）圖；（B）硼替佐米代謝途徑
腫瘤細(xì)胞體系
將含硼化合物加入高ROS表達(dá)的腫瘤細(xì)胞（如MCF-7細(xì)胞系）體系中孵育，對(duì)其代謝產(chǎn)物進(jìn)行鑒定分析，可對(duì)高ROS水平細(xì)胞中含硼藥物（特別是基于硼設(shè)計(jì)的前藥）的代謝情況進(jìn)行評(píng)估。
結(jié)語(yǔ)
本文主要介紹了硼和含硼基團(tuán)的性質(zhì)、硼在藥物設(shè)計(jì)和藥物研發(fā)中的潛力以及含硼藥物DMPK特征及代謝研究考量。雖然目前已上市含硼藥物的數(shù)量不多，但其特殊的理化性質(zhì)吸引著越來(lái)越多的藥物研發(fā)人員進(jìn)入相關(guān)研究，近些年越來(lái)越多與含硼化合物相關(guān)研究也證明這類藥物的優(yōu)勢(shì)。在含硼藥物研發(fā)過(guò)程中，需要特別關(guān)注其給藥后在體內(nèi)的分布情況；在對(duì)含硼化合物代謝進(jìn)行評(píng)估時(shí)，不可忽視ROS對(duì)含硼藥物代謝的影響。除常規(guī)的體外代謝模型外，可采取本文中提到的一些特殊體外代謝模型以更全面預(yù)測(cè)藥物體內(nèi)代謝情況，助力含硼藥物研究。
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來(lái)源：藥明康德
