對于口服小分子藥物，藥物化學(xué)家的首要任務(wù)是提高其生物利用度（F%），以達(dá)到臨床上可預(yù)測、穩(wěn)健的暴露。通常影響F%的主要因素有腸上皮的滲透性、溶解度、溶解速率、首過代謝、胃腸道代謝以及化學(xué)降解等，其中腸上皮的滲透是影響F的關(guān)鍵因素。
藥物化學(xué)家通過調(diào)節(jié)化合物的類藥性質(zhì)來調(diào)控藥物的代謝動力學(xué)，進(jìn)而影響其口服生物利用度。藥物類藥性質(zhì)和生物利用度之間的關(guān)系最早由經(jīng)典的Lipinski的五原則（Ro5)來確立，后續(xù)不同頭部公司都進(jìn)行了擴(kuò)展和衍生。隨著藥物性質(zhì)的變化以及對藥物和機(jī)體作用機(jī)理的理解，Ro5中一些的限定已經(jīng)變得不那么重要了，比如Ro5中的分子量參數(shù)對于預(yù)測藥物的溶解度和滲透性方面并沒有LogD和芳環(huán)數(shù)更重要。
為了尋找最新的影響口服藥物滲透和生物利用度的分子特性趨勢，拜耳公司科學(xué)家從自己公司中挑出2000多種具有大鼠口服F%數(shù)據(jù)的化合物，以及20000多種具有Caco-2滲透性數(shù)據(jù)的化合物進(jìn)行總結(jié)分析，以促進(jìn)口服藥物F%和滲透性的優(yōu)化，特別是那些超越Ro5規(guī)則之外的（bRo5）化合物-比如大分子量的PROTAC-提供設(shè)計參考。
影響口服生物利用度的關(guān)鍵參數(shù)
總共篩選出2237個分子的大鼠口服生物利用度數(shù)據(jù)，關(guān)注溶解度、滲透性和肝臟代謝三種參數(shù)對生物利用度的影響。
溶解度在藥物吸收中起到重要作用，因?yàn)樗幬锓肿颖仨毾热芙庵蟛庞锌赡鼙晃?，首先考察了動力學(xué)溶解度和F%的相關(guān)性，得到的結(jié)論是：沒有相關(guān)性。
因?yàn)閯恿W(xué)溶解度只是熱力學(xué)溶解度的近似值，而且早期在研究F%時，通常是使用溶解處方給藥，導(dǎo)致溶解度的影響被大大降低。
Caco-2滲透性數(shù)據(jù)和肝細(xì)胞清除率和F%有著一定的相關(guān)性。滲透性增加，以及大鼠肝細(xì)胞穩(wěn)定的化合物，F(xiàn)%通常較高。這表明腸滲透性和首過代謝對F%影響較大，同時如果其中一個參數(shù)（比如滲透性）很差，即使另一個參數(shù)（比如代謝穩(wěn)定性）很好，也很難總體提高F。外排轉(zhuǎn)運(yùn)體對滲透性的影響包括在上述數(shù)據(jù)中（Papp A-B)，通過對外排比的計算發(fā)現(xiàn)，外排比較低的分子F也較高。
腸道滲透性和外排是影響F%最關(guān)鍵的參數(shù)之一。在拜耳計劃推進(jìn)的口服PCC分子中沒有一例是滲透性差的分子。
結(jié)構(gòu)特性與肝臟代謝
肝臟代謝也是影響F的主要因素，在常用的分子特性中，親脂性被認(rèn)為是和肝臟代謝最相關(guān)的參數(shù)，分子的親脂性強(qiáng)就會通過疏水相互作用和肝臟的代謝酶更強(qiáng)結(jié)合，代謝效率更高。其他相關(guān)的參數(shù)有可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)（rotBonds)，飽和碳占比（F(sp3))，拓?fù)錁O性表面積（TPSA）等也會不同程度影響肝臟代謝。
8種變量對化合物肝臟代謝的相對重要程度
不過需要注意的是這些參數(shù)并不是嚴(yán)格的完全獨(dú)立，有些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，比如飽和碳占比較高的分子通常親脂性也較高。
結(jié)構(gòu)特性與滲透性
接下來從Caco-2實(shí)驗(yàn)中的滲透性數(shù)據(jù)分析影響滲透的因素，首先排除了回收率＜65%的分子，一些分子的低溶解度可能是造成回收率較低的一個原因。
1：分子量、親脂性對滲透性的影響
8種變量對化合物A-B方向表觀滲透率的相對重要程度
將化合物分為低 (≤400)、中等 (400 < x ≤ 600) 和高 (x > 600) 分子量范圍，從下圖可以看出一個趨勢，低分子量范圍滲透性更好，在更低 (cLogD7.5 < 0.5) 和更高高親脂性 (cLogD7.5 > 5) 的極端情況下，平均滲透率接近于零。不過在高親脂性的條件下偶爾會出現(xiàn)一些高滲透分子的特例。
不同分子量級別都是在clogD7.5=3.25附近的化合物具有最佳的滲透性，和Ro5規(guī)則中類似。
右圖中也顯示，分子量較低的化合物外排比通常較低，不過隨著分子量的趨勢增加，出現(xiàn)最大外排比的LogD7.5值也相應(yīng)增加，比如低分子量的最大外排比出現(xiàn)在1.25，高分子量化合物出現(xiàn)在2.25。因此設(shè)計分子時需要兼顧最佳滲透性和最小外排比之間的平衡。
在極端的高LogD的化合物如果想得到高滲透性，必須分子量較??；在LogD7.5=3.25的最優(yōu)質(zhì)值附近的化合物可以保持良好的滲透性，直到分子量大于700。
通常會有人疑惑，為什么更高的親脂性化合物滲透性反而降低了？主要原因可能是高親脂化合物和細(xì)胞膜中的脂質(zhì)部分疏水結(jié)合力較強(qiáng)，無法穿透細(xì)胞膜進(jìn)入水相，因此化合物親脂性過高也會影響其滲透。
2：分子量、pKa對滲透性的影響
堿性化合物（pKa＞6，在生理pH=7.4條件下部分或者全部電離）在分子量小于500時具有良好的滲透性，超過500，平均滲透性開始變差，不過即便分子量達(dá)到700，也會存在具有良好滲透性的堿性化合物。
更強(qiáng)堿性化合物（pKa=9-10）只有在分子量小于400才具有良好的平均滲透性，可能高分子量加上質(zhì)子化后的電離狀態(tài)對分子通過疏水膜難度更大。
非堿性化合物（pKa≤6）在分子量小于700的范圍內(nèi)均表現(xiàn)出中等至優(yōu)良的滲透性，分子量也超過了Ro5規(guī)則中500分子量的限制。
強(qiáng)酸性化合物（pKa＜4）和強(qiáng)堿性化合物類似，在分子量小于400時表現(xiàn)出良好的滲透性，也是由于其在生理環(huán)境的電離限制了其穿越膜的親脂部分。
不過分子量、pKa和外排比之間的關(guān)系有些混亂，無法提供明顯的趨勢指導(dǎo)，因此通過設(shè)計分子的分子量和pKa可以調(diào)整其滲透性，但是無法克服外排比的問題（當(dāng)然運(yùn)氣好的時候除外）。
總結(jié)出pKa、分子量具有良好滲透性的范圍，上圖為超過50%的化合物具有良好滲透性的pKa、分子量范圍。
3：其他參數(shù)對滲透性的影響
HBD（氫鍵供體）從0-5，平均滲透性逐漸降低，超過該范圍，滲透性接近最小值；
HBA（氫鍵受體）從1-10，平均滲透性逐漸降低，超過該范圍，滲透性接近最小值；
TPSA（拓?fù)錁O性表面積）從0-250，平均滲透性急劇下降，超過該范圍，滲透性接近最小值；
可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)增加，A-B滲透性逐漸降低，直到超過12-16旋轉(zhuǎn)鍵，滲透性接近最小值；
芳環(huán)數(shù)目增加，A-B滲透性逐漸降低，直到7個芳環(huán)時，滲透性接近最小值；
F(SP3)飽和鍵占比對滲透性以及外排比沒有明確的相關(guān)性。
對于以上幾個參數(shù)，檢測了B-A滲透性基本也符合上述趨勢。
上述幾個特性在外排比上卻表現(xiàn)出相反的趨勢：隨著HBD/HBA/TPSA/可旋轉(zhuǎn)鍵、芳環(huán)數(shù)的增加，外排比（藍(lán)色線）也增加，不過在超過某一界限時，外排比會逐漸下降，比如HBD從0-5，外排比逐漸增加，在超過5時，外排比開始下降。
bRo5化合物的F%和滲透性
通過以上分析發(fā)現(xiàn)大多數(shù)情況都是符合Ro5范圍，不過唯一例外的是分子量，Ro5的上限是500，但是對于很多分子-特別是中性分子，分子量擴(kuò)展到700依舊存在很好的滲透性。
不過在分子量大于700后，大多數(shù)分子都表現(xiàn)出很低的滲透性，只有大約6%的高分子量分子表現(xiàn)出中高等滲透性。對于這些表現(xiàn)較好分子分析了其主要特性：
1：分子中含有大環(huán)結(jié)構(gòu)：大環(huán)結(jié)構(gòu)的折疊掩蓋了分子表面的一些特性（比如裸露的極性基團(tuán)）同時降低了其柔性，這些有助于其穿透細(xì)胞膜。
2：存在linker結(jié)構(gòu)：linker如啞鈴的連接臂，廣泛應(yīng)用于PROTAC中，設(shè)計良好的linker可以使大分子類似大環(huán)一樣折疊，掩蔽極性基團(tuán)和降低旋轉(zhuǎn)。
這種在水和非極性環(huán)境中可以變換折疊構(gòu)象的性質(zhì)被稱為變色龍效應(yīng)，通過利用該性質(zhì)可以提高大分子量分子的滲透性。
另外Abbive科學(xué)家建議使用AB-MPS來指導(dǎo)F%優(yōu)化。
AB-MPS定義為違反＞1項(xiàng)Ro5規(guī)則且分子量大于500。AB-MPS=（abs(cLogD7.4-3）+芳環(huán)數(shù)+可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)），AB-MPS大于14在大鼠中表現(xiàn)出較差的F%。
總結(jié)優(yōu)化F%和滲透性的準(zhǔn)則
口服生物利用度主要取決于滲透性和代謝穩(wěn)定性，優(yōu)先從該兩個參數(shù)優(yōu)化提升F%。
當(dāng)代謝穩(wěn)定性較差時可以通過降低分子的親脂性來獲益，通過代謝物結(jié)構(gòu)識別減少代謝軟點(diǎn)。
動力學(xué)溶解度對優(yōu)化F%的指導(dǎo)意義有限，有價值的是熱力學(xué)溶解度，但是在前期很難獲得熱力學(xué)溶解度。
滲透性差的化合物影響最大的是LogD、分子量和HBD，將LogD7.5優(yōu)化到3.25附近，同時盡量降低分子量和HBD。
此外，降低HBA、TPSA、可旋轉(zhuǎn)鍵和芳環(huán)數(shù)也可以提高滲透性。飽和碳占比沒有指導(dǎo)意義。
酸堿化合物將pKa優(yōu)化到接近中性可以提高滲透性，不過如果是因?yàn)橥馀诺脑驅(qū)е聺B透性變差，不建議繼續(xù)將pKa優(yōu)化到中性。
酸pKa＞4；堿pKa＜9；在分子量大于700的情況下有可能實(shí)現(xiàn)高滲透，pKa不在此范圍需要降低分子量到500以下實(shí)現(xiàn)高滲透。兩性離子，堿性中心的 pKa <9，酸性中心的 pKa >4，則高滲透性是可能的。
對于分子量大于700的化合物實(shí)現(xiàn)高滲透有很大難度，但是通過環(huán)化和形成分子內(nèi)氫鍵可能有益，另外對于這類分子Caco2實(shí)驗(yàn)不能提供可靠的滲透性數(shù)據(jù)，需要通過EPSA(實(shí)驗(yàn)極性表面積）分析手段來實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
Trends in Molecular Properties, Bioavailability, and Permeability across the Bayer Compound Collection
DOI：10.1021/acs.jmedchem.2c01577
京公網(wǎng)安備11010802046783號
