ProTide前药技术——从概念到临床

作者 Aggiechen

核苷类药物在肿瘤、感染性疾病(病毒如HSV、HIV、HBV、HCV或真菌感染)等领域应用广泛。其作用靶点多为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。核苷类药物进入细胞后在酶的作用下经三步磷酸化，得到具有生物活性的三磷酸衍生物而发挥药效，其中单磷酸化是限速步骤，因此通常在核苷类药物中直接引入单磷酸或磷酸酯基团。早期设计的磷酸或磷酸酯衍生物因其极性大难以通过细胞膜，磷-氧键代谢稳定性较差等限制了应用。为解决类药性问题在该类药物设计中，前药策略被广泛采用。

ProTide前药技术是核苷类药物领域应用最成功的前药技术之一。其设计原理是将核苷膦酸/磷酸类药物分别通过磷酯键/磷酰胺键(芳基模块/氨基酸酯基模块)与极性基团连接形成磷酯/磷酰胺前药，通过掩蔽极性基团来降低分子极性增加透膜性，当前药吸收进入体内后再经特定酶水解释放原型药物。FDA已批准两个ProTide前药：替诺福韦艾拉酚胺(Tenefovir Alafenamide，TAF)和索非布韦(Sofosbuvir)。

图A：核苷类药物通过核苷转运体进入细胞并被酶磷酸化产生三磷酸化活性产物；B：核苷单磷酸药物极性大，透膜性差，生物利用度低；C：ProTide前药及上市药物。

ProTide前药技术的诞生和演化

ProTide技术最早可追溯到20世纪80年代，旨在将磷酸极性基团隐蔽使药物在生理PH条件下呈中性，进而增加药物吸收。20多年的发展可按结构特征分为如下表所示六个阶段，从简单地引入烷基形成磷酸酯逐渐演变为引入芳基和氨基酸酯的ProTide技术。

ProTide前药的合成

ProTides合成有三种不同的策略：

(1)核苷与二芳基亚膦酸酯偶联随后氧化胺化；

(2)核苷与磷酰氯反应；

(3)核苷磷酸芳酯与氨基酸缩合。

方案(2)是最常见的合成方法，该方法常用叔丁基氯化镁(tBuMgCl)或N-甲基咪唑(NMI)做碱(碱性tBuMgCl>NMI)，反应起始底物不同所用碱有所差异；此外反应产生的是非对映异构体混合物，一些情况下非对应异构体具有相似的活性无需分离；也有一些情况非对应异构体代谢速率有所差别，但非对应异构体的分离是巨大挑战。

以核苷单磷酸/单磷酸酯为底物制备ProTide也有三种方法：①将核苷磷酸转化为二氯磷酸酯，随后加入1:1的苯酚和氨基酸酯；②核苷磷酸与苯酚在DCC条件下缩合后产物转化为氯磷酸酯，最后加入氨基酸酯；③已核苷磷酸二苯酯做起始底物，先水解一个苯酯，随后与氨基酸酯缩合。

图：ProTide合成方案

ProTide前药的代谢

ProTide前药在体内释放原药的机制：前药进入体内后，主要经组织蛋白酶A (cathepsin A)将氨基酸酯水解为氨基酸，在生理PH条件下氨基酸中的羧基负离子进攻磷原子同时芳基离去形成五元环，水分子使五元环中间体进一步开环，开环产物在磷酯酶/磷酰胺酶作用下氨基酸水解释放单磷酸原药，后经两步磷酸化得到具有生物活性的三磷酸化衍生物。

图：ProTide前药技术体内降解释放原药的机制

ProTide前药技术在药物研发中的应用

除了已上市的2个ProTide前药，目前还有10余个药物处于临床研究阶段。

图：重要的处于临床阶段的ProTide前药

*ProTide前药技术发明人McGuigan教授于2015年加盟NuCana Biomed公司担任首席科学家，致力打造抗肿瘤药物领域的Gilead，不过遗憾的是2016年3月McGuigan教授因癌症不治英年早逝。

小结与展望

ProTide技术鼻祖McGuigan教授及其课题组经过多年的研究，优化磷酸掩蔽基团使ProTide技术日趋成熟，该技术促进了多种核苷单磷酸药物或类似物的发现和临床应用。ProTide技术已经被成功用于开发核苷类抗病毒药物和抗癌药物，近年来应用领域逐渐扩展至帕金森等疾病领域。此外ProTide技术还被用作非核苷类单磷酸化合物(如葡糖胺、S1P等)的细胞内传递手段。从这些例子我们可以看到ProTide技术应用广泛，在核苷/非核苷类磷酸/磷酸酯前药开发中均表现出极大潜力，是助力药物研发和高效的细胞内传递的强大技术。

参考文献：

The ProTide Prodrug Technology: From the Concept to the Clinic. DOI:10.1021/acs.jmedchem.7b00734.

Nucleoside Phosphate and Phosphonate Prodrug Clinical Candidates. DOI:10.1021/acs.jmedchem.6b00523.

Cathepsin A Is the Major Hydrolase Catalyzing the Intracellular Hydrolysis of theAntiretroviral Nucleotide Phosphonoamidate Prodrugs GS-7340 and GS-9131. DOI: 10.1128/AAC.00968-06.

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