新冠口服药物研发中的药代动力学研究策略解析

自2019年新冠疫情爆发以来，全球累计超过5亿人确诊新冠肺炎^[1]。2021年底，新型变异毒株奥密克戎肆虐全球。

2021年12月下旬，有两款新冠口服药获FDA紧急使用授权 (Emergency Use Authorization, EUA)，分别是辉瑞的Paxlovid以及由默沙东和Ridgeback合作开发的Molnupiravir。值得一提的是，目前已有文章在体外人支气管细胞中验证了Molnupiravir及Paxlovid对奥密克戎变异毒株具有抗病毒活性^[2]。这些令人振奋的结果在全球受到广泛关注。2022年2月11日，中国国家药监局应急附条件批准辉瑞Paxlovid进口注册。2022年3月17日，辉瑞Paxlovid从上海外高桥保税区进关，被火速分配到抗疫一线。

表1. 全球外新冠口服药研发进展（截至2022年4月20日）

全球新冠口服药的研发仍在如火如荼的进行当中（表1）。新冠口服药大部分为小分子化合物，作用机理主要分为两种：1.通过干扰病毒RNA依赖RNA聚合酶 （RdRp）或在病毒RNA中掺入核苷酸类似物，干扰病毒RNA的复制；2.抑制病毒3CL protease功能，阻止病毒功能性蛋白的加工过程，来实现抗病毒的效果（图1）。本文从Paxlovid和Molnupiravir的抗病毒机理出发，结合两个药物的药理特点，以一探新冠口服药DMPK评价注意点。

图1. 新冠药物作用机理^[3]

一、Paxlovid的药代动力学研究

1.1 Paxlovid的抗病毒机理

Paxlovid是Nirmatrelvir（PF-07321332）与Ritonavir的组合药物，主要具有抗病毒活性的化合物是Nirmatrelvir。Nirmatrelvir本质是小分子共价抑制剂，通过可逆的共价结合抑制病毒3CL protease功能。Nirmatrelvir具有强效的抗新冠病毒活性，其对SARS-CoV-2 M^pro的抑制常数K_i为3.11 nM，在Vero E6细胞中显示出对SARS-CoV-2 的抗病毒活性EC₅₀为74.5 nM（表2）。值得注意的是，Nirmatrelvir为外排转运体P-gp底物，而药效细胞模型Vero E6高表达P-gp，所以在研究体外药效时研究人员加入了P-gp外排抑制剂 CP-100356。表达ACE2 的人腺癌肺泡基底上皮细胞A549和分化的人支气管上皮细胞的药效细胞模型不存在表达外排转运体的问题，这点在选择体外药效模型时需要考虑^[4]。

表2. Nirmatrelvir（PF-07321332）体外药效及药代动力学参数^[4]

1.2  Paxlovid药代动力学研究

Nirmatrelvir为什么要与Ritonavir联合给药呢？从Nirmatrelvir的药代动力学特点来说，Nirmatrelvir在人肝微粒体中CL_int为24.5 μL/min/mg，具有中度肝固有清除率（表2）。在人的药代动力学研究中，单次口服给药150 mg Nirmatrelvir后，Nirmatrelvir血浆浓度快速降低，2小时左右血浆浓度已低于EC₉₀（图2，黑色虚线为Nirmatrelvir对SARS-COV-2的EC₉₀，为292 ng/mL）。对于小分子抑制剂类抗病毒药物，EC₉₀以上的浓度可以有效实现抗病毒的效果，因此如何提高Nirmatrelvir的C_max并维持血药浓度大于EC₉₀是关键的问题。研究发现，Nirmatrelvir主要通过CYP 3A4酶进行代谢，通过减缓药物代谢，可以达到提升药物PK性质的效果。Ritonavir就是一个经典的强效CYP 3A4酶抑制剂。Nirmatrelvir与Ritonavir联合给药后，Nirmatrelvir代谢变慢，C_max显著提高，半衰期延长，12小时血浆浓度仍能达到EC₉₀（图2）^[4]，这也为临床用药能够实现每日两次的用药频率打下了基础。另外，Ritonavir本身也是一个抗病毒药物，对新冠病毒也有一定的抗病毒效果。

图2. 健康成年人口服给药Nirmatrelvir（PF-07321332）后的PK曲线^[4]

与代谢酶抑制剂联用以提高药物PK性质，是药代动力学的经典策略。FDA网站上根据抑制程度强弱对各种临床上使用的代谢酶抑制剂进行了分类^[5]。由于Ritonavir属于强效CYP 3A4酶抑制剂，而CYP3A 酶是大多数药物的代谢酶，因此Paxlovid（Nirmatrelvir & Ritonavir）与许多药物可能存在药物相互作用，研究人员对临床上的药物共服进行非常广泛的评估。首先，Paxlovid不能再与通过CYP3A代谢的药物进行联用，否则会导致被联用药物血药浓度升高，产生严重副作用，这类药物包括：洛伐他汀、辛伐他汀（降血脂药），阿夫唑嗪（高血压药），哌替啶（镇痛药），秋水仙碱（抗痛风药）等。其次，Paxlovid不能与诱导表达CYP3A的药物进行联用，否则会抵消Ritonavir的作用，降低Paxlovid药效，这类药物包括：阿帕鲁胺（前列腺癌药物），苯巴比妥（安眠药）等^[6]。总之，对于代谢酶抑制剂参与的药物联用，应全面仔细地考察药物相互作用。

药物代谢被抑制之后，药物清除方式也发生改变。经研究，联合给药后Nirmatrelvir主要是通过尿液和粪便清除，尿液清除占35.3%，这也涉及到肾功能损伤人群是否能使用Paxlovid。研究表明，联合给药后，肾功能中度及重度受损人群无法正常清除Nirmatrelvir，肾受损患者的Nirmatrelvir全身暴露量随着肾受损严重程度的增加而增加，中度肾功能损伤患者需降低剂量，重度肾功能损伤患者暂不建议使用Paxlovid^[6]。可见，需要谨慎评估药物排泄器官功能受损的特殊人群的合理用药。

二、Molnupiravir的药代动力学特点

2.1 Molnupiravir的抗病毒机理

Molnupiravir是核苷类似物，其碱基部分和天然胞嘧啶相似，通过参与病毒RNA的复制，导致病毒基因组积累错误，超过病毒耐受阈值后病毒会死亡。由于母药NHC的羟基容易被代谢，在非人灵长类动物中口服生物利用度低，所以研究人员合成了前药形式的Molnupiravir，用酯基修饰保护代谢软点，实现了口服生物利用度从5.7%至32.5%的显著提升^[7-8]。核苷类药物是抗病毒药物的常见类型，前药修饰是这类药物提高口服生物利用度等药代动力学性质的常用方法。Molnupiravir经口服给药吸收后，在血浆中羧酸酯酶的水解下快速生成母药NHC，NHC再进一步磷酸化得到三磷酸核苷NHC-TP（图3）^[7]。

图3. Molnupiravir体内转换过程^[7]

2.2  Molnupiravir药代动力学研究

对于前药形式的核苷类药物，代谢产物鉴定工作尤为重要。清晰准确的药物转换过程能够帮助药物研发人员明确关键的研究对象。简单来说，前药形式的核苷类药物通常先转化为母药，母药在细胞内经过磷酸激酶的作用形成最终具有药效活性的三磷酸核苷，但实际过程可能更复杂一些。且由于中间产物的不稳定性，磷酸化产物极性较大等问题，代谢产物的分析具有一定的难度和挑战性。

在药代动力学性质考察时，需要对前药和母药都进行评估。在药物相互作用方面，Molnupiravir和NHC都不是主要CYP代谢酶和转运体的底物和抑制剂。药物代谢方面，Molnupiravir在血浆中很快就被代谢为母药，NHC的代谢途径则和内源性嘧啶一样，代谢成尿苷或胞啶^[9]。

另外要重点关注转化生成的三磷酸核苷的药效药代情况，比如三磷酸核苷的抗病毒有效浓度，转换生成速率，肺部浓度，肺组织结合率等。例如在研究NHC体内外PK/PD时，在原代支气管上皮细胞中（HBTECs）和小鼠肺组织中都监测了NHC和NHC-TP的浓度变化。在HBTECs中，NHC能够快速转化成单磷酸NHC（NHC-MP），并进一步快速转化为NHC-TP，4小时左右NHC-TP浓度达到平台。在小鼠PK实验中，NHC系统暴露量及肺部暴露量呈剂量依赖，肺部NHC-TP C_max在剂量为150mg/kg时达到饱和浓度，反映出体内存在合成代谢瓶颈（图4）^[10]。

图4. NHC体内外PK/PD^[10]

三、新冠药物药代动力学性质总结及其研究策略

虽然抗病毒药物发展到今天已经有一定积累，但目前针对SARS-COV-2 3CL protease和SARS-COV-2 RdRp靶点的药物可参考的信息还是较为有限。这里总结了Paxlovid和Molnupiravir的药代动力学性质（表3）^{[4, 6, 8-9, 11-12]}，并归纳了一些新冠口服药研发过程中药代动力学评估的注意点。

表3. Paxlovid和Molnupiravir的药代动力学性质^{[4, 6, 8-9, 11-12]}

*H: human; C: cyno; D: dog; R: rat; M: mouse

*a, cyno: IV 1 mg/kg; PO 10 mg/kg Nirmatrelvir。b, rat: IV 1 mg/kg; PO 10 mg/kg Nirmatrelvir。c, 健康人: 300 mg Nirmatrelvir+100 mg Ritonavir, BID,连续3天。d, cyno: IV 10 mg/kg NHC; PO 130mg/kg Molnupiravir。e, mouse: PO 190mg/kg Molnupiravir。f, cyno: IV 10 mg/kg NHC; PO 100mg/kg NHC。g, mouse: PO 150mg/kg NHC。h, 健康人: 800 mg Molnupiravir。

结语

新冠口服药具有给药便利，依从性好，生产容易放大，储存运输方便等优势，被称为“终结疫情的一把利刃”。药代动力学评价是新冠口服药研发中非常重要的一部分工作，本文通过总结文献数据，归纳了新冠口服药物药代动力学特点和策略，希望能够助力新冠口服药的研发。

药明康德DMPK依托在中国（上海、苏州、南京和南通）和美国（新泽西）的研发中心，提供从早期筛选、临床前开发、到临床研究阶段的综合型药代动力学服务，助力您快速推进药物研发流程。拥有上千人的研发团队，服务超1600家全球客户，具有超过十五年的新药申报经验，已成功支持超过1500个新药临床研究申请（IND）。 

点击此处可与我们的专家进行联系。

参考文献：

[1] WHO Coronavirus (COVID-19) Dashboard. https://covid19.who.int/

[2] Li P, Wang Y, Lavrijsen M, et al. Cell Research, 2022: 1-3.

[3] Ohashi, Hirofumi, et al. BioRxiv (2020)

[4] Owen D R, Allerton C M N, Anderson A S, et al. Science, 2021, 374(6575): 1586-1593.

[5] Drug Development and Drug Interactions | Table of Substrates, Inhibitors and Inducers. https://www.fda.gov/drugs/drug-interactions-labeling/drug-development-and-drug-interactions-table-substrates-inhibitors-and-inducers

[6] Food and Drug Administration. Fact Sheet for Healthcare Providers: Emergency Use Authorization for Paxlovid. https://www.fda.gov/media/155050/download.

[7] Lee C C, Hsieh C C, Ko W C. Antibiotics, 2021, 10(11): 1294.

[8] Toots, Mart, et al. Science translational medicine 11.515 (2019)

[9] Food and Drug Administration. Fact Sheet for Healthcare Providers: Emergency Use Authorization for Lagevrio (molnupiravir) capsules.     https://www.fda.gov/media/155054/download

[10] Yoon J J, Toots M, Lee S, et al. Antimicrobial agents and chemotherapy, 2018, 62(8): e00766-18.

[11] Eng H, Dantonio A L, Kadar E P, et al. Drug Metabolism and Disposition, 2022.

[12] A Randomized, Double-blind, Placebo-controlled, First-in-human Study Designed to Evaluate the Safety, Tolerability, and Pharmacokinetics of EIDD-2801 Following Oral Administration to Healthy Volunteers, NCT04392219. https://clinicaltrials.gov/ProvidedDocs/19/NCT04392219/Prot_000.pdf

作者：王宇，潘岩，金晶

编辑：方健，钱卉娟

设计：倪德伟