一项技术产出多款重磅炸弹药品,ProTide凭什么?


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新药研发,依赖多学科、多技术、多平台的共同发力,尤其是技术上的突破,往往会带来里程碑式的进展。倘若在一项技术的背景下,可以诞生多款重磅炸弹药物,那就更可以说明这项技术的伟大之处。比如今天笔者要说的ProTide技术,其映射了多款重磅炸弹药物,是革命性的技术突破。那么,ProTide到底是怎样的技术?解决了哪些成药问题?还有多少开发潜力?请看下文。


ProTide发展历程及重磅炸弹品种


ProTide(prodrug nucleotide)属于前药的设计策略,最早可追溯到上世纪90年代,其核心是将核苷单磷酸根改造为N-氨基酸酯(如L-丙氨酸)和酚氧基取代的磷酰胺或膦酰胺,统称为ProTide。


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图1  ProTide药物结构特征


自该技术被提出至今,已有多款ProTide药物应用于HCV、HBV、HIV,以及近年来肆虐全球的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)等病毒感染的临床治疗;如由吉利德公司开发影响了一代药物发展的丙肝领域重磅炸弹药物索非布韦、乙肝领域重磅药物替诺福韦艾拉酚胺,以及近年来在全球疫情氛围下脱颖上市的“人民的希望”瑞德西韦。


此外,这项技术还被扩展至多种非核苷类药物的设计中,临床适应症也被瞄准至自身免疫性疾病、细菌感染、神经系统病变等。


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图2 已上市的三款ProTide重磅炸弹药物


ProTide技术特点

将核苷单磷酸根改造为N-氨基酸酯和酚氧基取代的磷酰胺或膦酰胺,是ProTide的核心结构特征。


在体内,ProTide分子透过细胞膜后,羧肽酶可催化其酯基水解,生成相应的羧酸,继而发生分子内亲核取代和自发水解,生成磷酸阴离子。在磷酰胺酶催化下,再次水解,生成磷酸/磷酸阴离子,最后经历两步磷酸化,生成核苷三磷酸。


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图3  ProTide的体内代谢活化机制


ProTide前药策略的主要目的有以下:

1)改善药物理化特性,提高传输速率和选择性;

2)提高生物利用度;

3)提高部分药物的水溶性;

4)通过改变给药方式,延长起效时间;

5)降低药物毒性。


而除了上述药效药代方面的特征外,还有其他需要了解的ProTide技术如下:1)磷原子的绝对构型会严重影响代谢活化效率,进而影响药效活性的发挥;2)光学纯P前体的合成制备途径仍较有限,为重要技术难点。


已上市的3大重磅炸弹药物


索非布韦(Sofosbuvir)

开发公司为吉利德,从ProTide技术角度来看,索非布韦是光学纯的(Sp)异构体,其体外抗HCV活性是(Rp)异构体的18倍,保留了酚氧基、L-丙氨酸异丙酯。


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图4  索非布韦的细胞内代谢激活途径


作为一种有效的口服HCVNS5B聚合酶抑制剂,索非布韦对丙肝病毒有很强抑制作用,是治疗慢性丙型肝炎抗病毒联合药物治疗的重要组分之一,丙肝患者治愈率高达90%;2013年12月,美国FDA批准索非布韦上市申请,上市第一年其全球销售额便超过100亿美元,成为名副其实的“重磅炸弹”药物。


表1  索非布韦高阶段临床试验(中国)

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替诺福韦艾拉酚胺(tenofovir alafenamide)

开发公司仍为吉利德,从ProTide技术角度来看,体外活性是其(Sp)异构体的10倍,同样保留了酚氧基、L-丙氨酸异丙酯的结构。


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图5 替诺福韦艾拉酚胺代谢活化机制


作为靶向性替诺福韦(Tenofovir)磷酰胺酯前药,与替诺福韦酯相比,剂量大大降低,安全性显著提高,具有更大的血浆稳定性,可更有效地将替诺福韦递送到肝细胞,临床可以使用更低的给药剂量治疗慢性乙型肝炎。2016年11月获得FDA批准上市,用于慢性乙型肝炎成人感染者的治疗;2016年12月获得PMDA批准上市,2017年1月获得EMA批准上市,并成为欧洲地区近10年来获准上市的首个乙肝药物。


表2  替诺福韦艾拉酚胺高阶段临床试验(中国)

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瑞德西韦(Remdesivir)

开发公司还是吉利德,从ProTide技术角度来看,高活性构型为(Sp),同时保留了酚氧基,并使用了L-丙氨酸-2-乙基丁基酯。


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图6  瑞德西韦的代谢过程


该品种最早是用于治疗埃博拉病毒病和马尔堡病毒等病毒感染,后也被发现显示出合理的抗病毒活性,对抗更多的与远亲相关的病毒,如呼吸道合胞病毒,Junin病毒,拉沙热病毒,和MERS-冠状病毒。2016年6月,美国国家过敏和传染病研究所计划在美国和利比里亚实施Ⅱ期的埃博拉病毒感染试验。2020年7月,欧盟委员会授予了remdesivir有条件销售许可,用于治疗需要补充氧气的12岁以下肺炎成人和青少年的COVID-2019感染。


表3  瑞德西韦全球高阶段临床试验(NCT)

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 “前浪”~传统的磷酸酯类核苷类药物


之所以Protide技术具备显著的效果,主要是其解决了传统核苷磷酸酯类药物成药方面的部分不足。


首先,核苷类药物在肿瘤、感染性疾病等领域应用广泛,作用靶点多为DNA聚合酶或RNA逆转录酶,核苷类药物一般模拟天然核苷的结构,竞争性地作用于酶活性中心,嵌入正在合成的DNA或RNA链中,干扰核酸代谢影响细胞增殖、分裂等。


而早期设计的磷酸或磷酸酯衍生物因其磷-氧键稳定性较差,极性大,难以通过细胞膜等而限制了应用;但整体上还是通过前药手段提升了药物的成药性;而Protide技术引领的磷酰胺类结构又进一步的提升了成药功能。


PS:传统核苷磷酸酯类代表药物有阿德福韦酯、替诺福韦酯;还有一些品种虽然属于磷酸酯,但在结构上是在末端甩出了一个磷酸基团,再加以成盐,如磷酸米泼昔芬、福沙那韦钙、雌二醇氮芥磷脂、泼尼松龙磷酸钠、磷酸氟达拉滨、磷苯妥英钠、福司康唑钠、丙泊酚磷酸钠等。


小结&展望

至今,Protide技术的应用还在持续着,且将原药的优化目标更大的扩展至更多不同的结构,适应症也进一步的进行同步扩展,尤其是在火热的肿瘤领域。技术方面,除了分子本身的特性外,磷酰胺的绝对光学构型至今仍为合成界的难题之一。但,无论是从合成技术方面,还是专门针对于Protide这项技术,均有创新型公司为之努力,临床阶段也同样有品种正在进行当中,未来再培育出下一个重磅炸弹药物,还是很有希望的。


参考:

1. 药智数据

2. Remdesivir: From Ebola to COVID-19.Biochemical and Biophysical Research Communications 538 (2021) 145-150.https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2020.11.043

3. Tenofovir alafenamide: A novel prodrug of tenofovir for the treatment of Human Immunodeficiency Virus.Antiviral Research 125 (2016) 63-70.http://dx.doi.org/10.1016/j.antiviral.2015.11.009

4. Challenges and stepwise fit-for-purpose optimization for bioanalyses of remdesivir metabolites nucleotide monophosphate and triphosphate in mouse tissues using LC–MS/MS.Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 194 (2021) 113806.https://doi.org/10.1016/j.jpba.2020.113806

5. Remdesivir and its antiviral activity against COVID-19: A systematic review.Clinical Epidemiology and Global Health 9 (2021) 123–127.https://doi.org/10.1016/j.cegh.2020.07.011.

6. Species differences in liver accumulation and metabolism ofnucleotide prodrug sofosbuvir.Drug Metabolism and Pharmacokinetics.https://doi.org/10.1016/j.dmpk.2020.04.333

7. Chin. J. Org. Chem. 2020, 40, 3237~3248.

8. Univ. Chem. 2020, 35 (12), 35–43

9. Chin. J. Org. Chem. 2017, 37, 2818~2840 



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