前药及其活化策略在改善药物性质中的应用

前药（Prodrug）又称前体药物，一般是指一类本身没有活性或者活性很弱，在生物体内转化以后，生成具有药理活性或药理活性显著增强的代谢物或原药（Parent drug）的化合物。前药的设计和开发是药物筛选和先导化合物优化过程中比较常见和有效的策略，通常是在原药分子中最适宜的基团上进行修饰或通过共价键连接上新的基团或载体分子，以改善原药的理化特性，克服吸收、分布、代谢、排泄和毒性反应等不良性质。

目前全球大约10%的上市药物可以被归类为前药，预计未来会有更多的前药进入药物市场。本文将根据以往的研究案例，重点总结前药及其活化策略在改善药物性质中的应用，主要从以下几个方面进行介绍：1. 不同类型的前药及相应的生物活化；2. 前药设计对药物理化特性及药代动力学性质的影响；3. 前药临床前研究需要重点关注的内容。

表1. 由FDA批准上市的部分前药信息一览^[1,2]

注：虚线框内为载体基团

一、不同类型的前药及相应的生物活化

大多数情况下，前药可根据已知的生物转化，在原药基础上经化学修饰或者衍生化进行相应的结构设计，经酶或非酶介导的活化作用释放原药发挥药效。根据前药结构及活化机制的不同，可以把前药分为两类：载体前药和生物前药，其概念示意图如下：

图1. 载体前药和生物前药概念示意图^[3]

载体前药含有无毒的载体基团或前体基团，其载体基团通过共价键与原药分子连接。原药分子中一些常见的官能团包括羟基、氨基、羧基、巯基和醛基等，与载体基团连接以后形成酯键、碳酸盐、酰胺、磷酸盐和氨基甲酸酯等官能团结构（图2）。

图2. 载体前药结构设计中常用的官能团^[4]

成酯是载体前药设计中最广泛的一类应用，酯类药物占据已上市前药的50%以上。酯键可以被血液、肝脏和其他器官或组织中广泛存在的酯酶所水解，将药物从其前体药物分子中释放出来。乙酯、芳基酯、二元醇酯、环碳酸酯和内酯等是比较常见的酯类前药。色氨酸羟化酶抑制剂特罗司他依替酯（Telotristat etiprate）就是酯类前药中的一种（图3），人体口服给药以后，其结构中乙酯官能团在体内羧酸酯酶作用下水解，快速转化为特罗司他（Telotristat）活性药物，体循环中仅发现极低的特罗司他前药暴露。

图3. 酯类前药特罗司他依替酯水解活化^[5]

磷苯妥英的上市，使磷酸酯型前药获得广泛关注。磷苯妥英（Fosphenytoin）在胃肠道内被碱性磷酸酯酶水解，产生羟甲胺中间体和无机磷酸盐。该中间体不稳定，迅速分解为胺基原药（苯妥英）和等当量的甲醛，胺基原药穿过胃肠道粘膜，被吸收进入体循环（图4）。磷酸酯前药较多应用于胃肠外给药的药物，除了肠胃液以外，血浆和肝组织中也存在丰富的磷酸酯酶，可以将活性药物从磷酸酯前药中释放出来。

图4. 磷酸酯前药磷苯妥英生物活化^[6]

虽然前药首选简单酯类，但某些简单烷基酯或芳基酯类的生物转化不能由酯酶介导或酯酶水解效率低，导致系统暴露量不足。此时，通过引入双酯基团，使前药分子通过第二个酯酶位点更容易被识别活化。（图5）双酯前药艾沙康唑硫酸酯（Isavuconazonium sulfate）静脉给药后，在肌氨酸酯键位点（红色标识）迅速被血浆酯酶完全水解，与此同时，游离出来的羟基进攻分子内另一个酯键位点（蓝色标识），发生分子内环化，生成活性药物艾沙康唑（Isavuconazole）、无活性的环状副产物（BAL8728）以及乙醛。在静脉输注1h后的0.25h内，血浆中基本检测不到前药，前体药物的暴露量小于活性药物的1%。艾沙康唑双酯前药策略显示出了极高的原药转化率。

图5. 双酯前药艾沙康唑硫酸酯水解活化^[1]

相比于酯类前药，酰胺在体内具有一定的酶稳定性，不利于活性药物的完全释放，使得酰胺在前药应用中受到一定的限制，然而，酰胺可以被设计为增强口服吸收和靶向转运的前药，并被体内蛋白酶或肽酶水解释放活性药物。氨基酸前药LY544344（图6），利用分子内的丙氨酸基团与肠上皮细胞寡肽转运蛋白PepT1较高的亲和性，转运进入细胞，经肽酶水解成LY35470后被动扩散进入血液。对于胺官能团为特征的前药，还包括磺酰胺以及氨甲酸酯类，可被酯酶或酰胺酶水解，均为有效的前药。

图6. 氨基酸类前药LY544344水解活化^[7]

除了酶介导活化以外，还存在一些特定生理条件下非酶介导活化的载体前药，例如腙（hydrozone）类前药和N-曼尼希碱（N-Mannich base）类前药等。腙类前药在系统循环正常pH值范围能够稳定存在，而在偏酸的组织环境或细胞隔室内发生裂解释放原药。抗癌药物阿霉素前药（Aldoxorubicin）肽偶联物，靶向肿瘤细胞以后，在酸性肿瘤细胞区室内体（pH 5.5-6.2）和溶酶体（pH 4.5-5.0）中裂解释放细胞毒素阿霉素。这种特殊微环境下的腙键裂解靶向释放原药，可以减少细胞毒素对正常细胞的损伤。而N-曼尼希碱在中性和碱性环境中分解，随着pH值升高触发原药释放，例如高水溶性的罗四环素（Rolitetracycline），在pH = 7.4下向原药四环素转化。

图7. pH依赖的载体前药示例^[2,6]

与载体前药不同的是，生物前药不包含载体基团，仅在生物转化酶代谢以后（包括氧化、还原和二相结合等，图8）产生活性化合物，或者可以将生物前药理解为酶的底物，在体内代谢生成预期的活性产物，如抗炎药物舒林酸（Sulindac）在代谢酶作用下可逆还原为硫化物（图9a），其硫化物是活性物质；抗高血压药氯沙坦（Losartan）也可以认为是一种生物前药，在体内被氧化成羧酸活性代谢物发挥药效（图9b）。

图8. 基于活化机制的生物前药分类^[8]

图9. 生物前药舒林酸（a）和氯沙坦（b）代谢活化^[3]

二、前药设计对药物理化特性及药代动力学性质的影响

前药的设计思路是在原药分子结构的基础上进行基团修饰或引入新的官能团，以产生新的化学实体，这种新化学实体的产生常常会伴随药物性质的改变，特别是当原药存在药代动力学性质缺陷，如药物脂溶性或水溶性差引起的生物利用度低，代谢过快导致的药效不明显，再或是靶向性不足带来的药物毒性等。通过前药设计和优化可以很好的解决这些问题，并对药物的缺陷进行改善或规避。

改善药物水溶性

药物吸收的前提是要求它为溶解状态，水溶性差不利于药物在体内的吸收和转运。利用前药策略在药物结构中引入极性官能团如氨基酸酯、聚乙二醇、糖类或是磷酸酯等可以明显增加药物的溶解度。

Degoey等设计了洛匹那韦（Lopinavir）磷酸盐前药，其水溶性比游离的洛匹那韦增加了700多倍，且药代动力学研究表明，经口给药以后，在血浆中由磷酸盐前药水解释放出来的活性药物浓度水平较高。Lobo等合成了双氯芬酸（Diclofenac）酯前体药物，在大鼠体外血浆实验中，可由酯酶迅速水解为双氯芬酸，其酯前体药物比游离的双氯芬酸有更好的溶解度和更好的透皮性能。

图10. 洛匹那韦磷酸盐和双氯芬酸甘油酯^[9]

影响药物膜渗透性

药物穿过细胞膜的能力和该药物的亲酯性以及膜蛋白上的转运蛋白识别有关。通过掩蔽极性基团或引入亲脂性基团增加药物脂溶性，或通过引入转运蛋白可识别的基团以改善药物穿透细胞膜的能力。

神经氨酸酶抑制剂奥司他韦（Oseltamivir）是RO-64-0802的乙酯前药，酯官能团的引入掩盖了分子中极性羧酸基团。与RO-64-0802相比，奥司他韦脂溶性增加，其生物利用度也从5%增加到80%。对于另一种神经氨酸酶抑制剂扎那米韦（Zanamivir）（图11a），由于其极性结构，口服生物利用度非常低，而其氨基酸偶联酰氧基酯前药能够被肠腔细胞PepT1转运蛋白识别，表现出更好的肠道膜通透性和生物利用度。FDA批准的首款新冠肺炎治疗药物瑞德西韦（Remdesivir）（图11b），结构中采用了磷酰氨基酯前药设计，芳基酯、丙氨酸及烷氧基酯的引入使瑞德西韦具有较好的细胞膜穿透性，经细胞内代谢转化为三磷酸化产物（活性药物），在细胞内富集并干扰病毒RNA转录。

图11. （a）扎那米韦的氨基酸偶联酰氧基酯前药在肠上皮细胞内转运过程^[8];（b）磷酰胺基酯前药瑞德西韦细胞内代谢活化过程^[2]

改善药物代谢稳定性

代谢不稳定大多归因于药物结构中存在易代谢位点，在肝脏或胃肠道等部位发生快速而广泛的代谢。这种不稳定性会降低进入体循环的活性药物总量，不利于药效发挥。利用前药策略通过修饰相应的官能团以掩蔽易代谢位点，可以提高药物代谢稳定性，保护活性药物免受系统前代谢的影响。

支气管扩张剂班布特罗（Bambuterol）为特布他林（Terbutaline）的二甲氨基甲酸酯前药（图12），由于药物结构中易受代谢影响的酚羟基被保护，其首过代谢效应明显减弱。班布特罗主要通过非特异性丁酰胆碱酯酶缓慢代谢活化为特布他林。由于其释放较慢且作用时间较长，相比于特布他林每日三次给药，班布特罗可以实现每日一次给药，且具有较低的不良反应发生率。

图12. 氨基甲酸酯前药班布特罗代谢活化^[1]

提高药物靶向性

药物能否转运到靶器官是药物发挥药效的基础，对药物结构靶向性修饰以实现选择性组织递送，能提高药物的治疗活性并减少副作用。前药的靶向性设计往往通过将靶向组织或细胞的结构单元与细胞毒素分子偶联实现，例如肽-药物偶联的载体前药通过不同的连接子将肽共价连接到药物上形成靶向肿瘤细胞的多功能PDCs，可在肿瘤细胞中选择性蓄积，半衰期延长且疗效增强。抗体-药物偶联的载体前药利用单克隆抗体对肿瘤细胞表面抗原蛋白的高亲和性，通过受体介导的内吞，靶向肿瘤细胞释放活性药物。此外，利用叶酸或DNA适体链等与活性药物偶联的抗癌药设计也是前药靶向性应用中成功的案例。

图13. 具有肿瘤细胞靶向递送功能的前药设计^[10]

三、前药临床前研究需要重点关注的内容

前药在体内通过转化为原药的方式发挥治疗作用，其作为一个新的化学实体，不能简单的以原药的特性来推测前药的药效和药代。前药的研究需要对原药的理化性质和生物学性质有充分的理解，在此基础上优化原药的不足之处，同时又不会降低治疗作用。因此，对于前药的研究，同样需对其理化性质、药理作用、药代动力学性质和药效作用以及可能产生的毒性反应进行全面的评估^[11]。

前药稳定性考察：对于前药的设计，需要保证其能在适当的时间和适当的部位分解和释放原药，这就要求所设计的前药有合适的化学稳定性和酶稳定性，既不能在到达靶位点之前降解，也不能在进入靶位点后迟迟不降解而仍以前药形式存在，否则均无法发挥药效。

根据给药途径及可能的转化途径，选择合适的体外转化实验考察前药的稳定性：

1. 在不同pH条件下的体外转化实验，如进行人工肠液或胃液稳定性实验，测定不同pH条件下前药的转化速率和转化程度。

2. 在不同酶条件下的体外转化实验，如酯酶或肽酶水解稳定性实验，测定前药水解成原药的转化速率和转化程度。

3. 在不同生物基质条件下的转化实验，如肝匀浆、血浆、肝微粒体、肝细胞、肠微粒体和肠S9等稳定性实验，选用适当的基质测定前药的转化速率及可能的转化部位。

与原药的比较：对于不同给药方式的前药，在整体动物水平上，尽可能同时进行血管内给予原药的实验，考察前药给药后体内原药的绝对生物利用度。此外，尽可能在等摩尔剂量给药条件下，提供原药对照组的药代动力学参数，与前药给药后原药在体内的相应参数进行比较，以考察前药对原药在药效或药代动力学性质等方面的优化效果。

前药可能的毒性问题：前药在化学结构上有别于原药，这很可能为前药带来新的毒性。一方面，可能是前药在分解释放原药之前发生代谢作用，形成非预期代谢物；另一方面，可能是由于前药裂解产生的惰性载体转化为毒性代谢物，如甲醛和乙醛等。某些情况下，前药在其活化阶段可能消耗重要的细胞成分，如谷胱甘肽，从而导致毒性。对于前药可能带来的新的毒性，予以重点关注。

结语

前药方法是克服药学和药代动力学问题及优化活性药物分子治疗效果的成熟策略之一，是药物开发过程中筛选和优化化合物结构不可或缺的一部分。考虑到前药与原药结构不同，应把前药作为一个新的化学实体进行考察和评估，特别是对前药的理化性质、药物-药物相互作用及前药的在体内的吸收、分布、代谢和排泄情况等的研究。药明康德药性评价部具有多年丰富的前药研究经验，依托部门完善的体内外药代动力学研究平台，能够为客户提供定制化的研究服务，助力新药研发进程。

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作者：王慧娟，李瑞兴，曹卫群

编辑：方健，钱卉娟

设计：倪德伟，张莹莹