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前言

 

研發(fā)新藥往往需要新穎的化學結構，而新穎的化學結構需要新穎的結構片段。近幾十年來，新興化學元素——硼逐漸步入大眾視野，科學家們通過在藥物分子中引入硼（B）元素獲得新穎的分子結構。目前含硼藥物在抗炎、抗菌、抗腫瘤等方面已取得了一系列令人矚目的成果。迄今為止，全球已有5個含硼藥物被批準上市，處于臨床試驗階段的含硼藥物也不在少數(shù)，同時不斷有新的含硼化合物在相關研究中被發(fā)現(xiàn)，擴展了硼在藥物研發(fā)領域的應用，為新藥研發(fā)帶來了新的思路和希望。本文將介紹硼元素的特性、硼在藥物設計和新藥研發(fā)中的應用以及研發(fā)過程中需要關注的部分。

 

圖1. PubMed中有關“含硼藥物”的文獻數(shù)量

 

含硼藥物的研究進展

 

2003年第一個含硼藥物硼替佐米的成功上市，極大地激發(fā)了研究人員對硼元素在新藥研發(fā)中的信心及興趣。迄今為止，全球已有5款含硼藥物獲批上市（圖2）。

 

圖2. 已上市的含硼藥物

 

除了已上市的含硼藥物，還有許多處于臨床、臨床前或生物活性研究階段的含硼藥物。這些藥物在多種疾病的治療領域，特別是抗癌、抗病毒、抗菌等方面表現(xiàn)出巨大的潛力（表1）。

 

表1. 截至2023年全球處于臨床研究階段的部分含硼藥物[1]

 

 

 

硼和含硼基團獨特的理化性質

 

硼元素在藥物設計中的應用與其獨特的物理、化學性質密切相關。硼的原子序數(shù)為5，價電子軌道為2s22p1，擁有一個空的p軌道，具有較強的親電性。這一親電特性使硼原子易與蛋白、酶等生物分子的巰基、羥基和氨基結合。同時，硼原子可以在平面三角sp2和四面體sp3雜化狀態(tài)之間相互轉換，因此有機硼化合物可與靶標分子形成多種作用模式（圖3）[2]。利用該性質，硼在可逆共價抑制劑開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。

 

圖3. 有機硼化合物與生物靶點的相互作用模式[2]

 

硼酸基（R-B(OH)2）是硼在有機分子中最常見的形式，下面以硼酸基為例介紹含硼基團的特性。多項研究表明硼酸基是羧酸、磷酸等多種基團的生物電子等排體。硼酸pKa較高，通常在7-9之間。在生理pH下，硼酸基處于非電離的狀態(tài)（圖4）?；谶@些特性，利用硼酸基對藥物分子進行官能團替換或結構修飾，可有效改善藥物性質。

 

圖4. 硼酸在水溶液中的電離狀態(tài)

 

硼在藥物分子設計中的優(yōu)勢和應用

 

硼在藥物分子設計中的優(yōu)勢

 

由于硼和硼酸基團具有獨特的理化性質，硼在藥物分子設計中表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，其已經(jīng)被廣泛應用于藥物化學領域[3]。

 

1、提高藥物活性和選擇性

 

在第一個含硼藥物硼替佐米（Bortezomib）的研發(fā)路程中，科學家們首先開發(fā)了醛基多肽類蛋白酶體抑制劑，然而由于其抑制活性較差，選擇性不高，生物利用度較低等缺陷，需要對其進行結構優(yōu)化?？茖W家們用硼酸基替換分子中的醛基，發(fā)現(xiàn)了抑制活性顯著提高的化合物——硼替佐米。

 

當硼替佐米與20S蛋白酶體結合時，分子中的硼原子與附近殘基Thr1的羥基形成可逆的共價鍵，同時硼酸基游離的兩個羥基分別與Thr1和Gly47的氨基形成氫鍵，幫助穩(wěn)定了蛋白與化合物形成的復合物（圖5）。與先導化合物相比，硼酸基的引入顯著提高了化合物的抑制活性。同時，硼不易與半胱氨酸蛋白酶如組織蛋白酶B的巰基發(fā)生結合，這也使硼替佐米對蛋白酶體有了獨特的選擇性。最終，硼替佐米從多個待選化合物中脫穎而出，成功上市。

 

圖5. 硼替佐米（棕色）與20S蛋白酶體（藍色）的結合模式（PDB：5LF3）[1]

 

2、改善藥物藥代動力學性質

 

除提高藥效外，科學家還通過引入含硼基團改變化合物logP和logD，改善藥物的藥代動力學性質。Yali Kong等人[4]用硼酸基取代酚羥基，提高了化合物的溶解度；Harald等人[5]在化合物中用將羧基替換為硼酸基，提高了化合物的細胞膜穿透性，增強了化合物的抗病毒活性。

 

除此之外，還可以在代謝軟點上引入硼或者含硼基團，提高化合物血漿暴露量。氟維司群（Fulvestrant）是FDA唯一批準的選擇性雌激素受體下調劑，其臨床上重要的一個缺陷就是血漿暴露量極低。研究表明，給藥后，氟維司群的3’酚羥基在體內會快速與葡萄糖醛酸和硫酸結合，生成極性大的二相代謝產(chǎn)物，迅速地排出體外。Liu等人[6]用硼酸取代了酚羥基合成了ZB716（圖6）。ZB716不僅很大程度保留了氟維司群的藥理學活性，同時由于阻斷了葡萄糖醛酸和硫酸的結合位點，提高化合物的代謝穩(wěn)定性，顯著提高了藥物血漿暴露量。且ZB716在體內可氧化代謝生成氟維司群，硼酸的引入還可以降低氟維司群的清除速度。目前ZB716正處于臨床前開發(fā)階段[7]。

 

圖6. 氟維司群及其衍生物ZB716結構

 

硼在藥物研發(fā)中的主要應用

 

隨著硼的應用范圍不斷擴大和科學家對硼認識的加深，近些年硼在藥物化學、藥物輸送、生物材料等方面均受到關注。接下來本文將介紹硼在藥物研發(fā)中的主要應用。

 

1、可逆共價抑制劑

 

硼原子易與生物分子形成可逆的共價結合，因此硼也常用于共價可逆抑制劑的開發(fā)。嚴格來說，已經(jīng)上市的硼替佐米、伊沙佐米和處于臨床研究階段的VNRX-5133（Taniborbactam）等藥物均是含硼原子的共價可逆抑制劑。

 

隨著共價抑制劑在藥物研發(fā)領域中蓬勃發(fā)展，相信硼在這類新藥研發(fā)中可以獲得更大發(fā)揮的平臺。

 

 

圖7. 含硼藥物與靶標形成的可逆性結合[8]

 

2、ROS選擇性激活前藥

 

含硼藥物中的硼原子有一個空的p軌道，對活性氧（ROS）敏感，容易受到親核物質如H2O2的進攻。正常情況下，細胞中ROS保持在較低水平；但在一些特殊環(huán)境如腫瘤、炎癥細胞中，由于病理因素導致ROS濃度會顯著提高?？蒲腥藛T利用硼原子對ROS敏感的特性，設計了能被ROS選擇性激活的含有硼基團的前藥，靶向地將藥物遞送到相應部位發(fā)揮藥效。

 

SN-38（圖8）——喜樹堿（CPT）的衍生物，是拓撲異構酶I抑制劑，對多種惡性腫瘤有療效，如HER2陽性乳腺癌和三陰性轉移性乳腺癌等。Lei Wang等人[9]用硼酸基替換了SN-38分子中的藥效基團酚羥基，設計ROS選擇性激活前藥B1。前藥B1成功在腫瘤細胞系MCF-7、U251及HT-29中釋放出活性分子SN-38，并且其釋放水平與H2O2呈現(xiàn)濃度依賴性。除此之外，在體內抗腫瘤實驗中，前藥B1在小鼠體內同樣表現(xiàn)出很好的抗腫瘤活性，與陽性藥（伊立替康）組相比，療效相當并且未觀察到明顯的毒性及過敏反應。這些實驗結果表明基于硼設計的前藥B1不僅具有較好的藥效，還具有更高的安全性。

圖8. ROS選擇性激活前體藥物B1釋放活性分子SN-38[9]

 

3、硼修飾多肽靶向藥物

 

隨著研究的深入，除了在常規(guī)小分子中的應用之外，近些年硼也被證明在多肽類藥物研發(fā)中具有巨大潛力。在一些多肽類藥物分子中引入硼原子，可提高其與靶標的親和力和選擇性，從而提高藥物的療效。硼元素可成為多肽類藥物研發(fā)中的一種重要工具和策略，有望為多肽類藥物的開發(fā)和應用提供新的思路和方法。

 

圖9. 硼酸修飾多肽對絲氨酸蛋白酶的抑制機制[10]

 

含硼藥物的藥代動力學（DMPK）特征及其代謝研究考量

 

前文已經(jīng)介紹了硼的性質，基于硼的特性硼在新藥研發(fā)中得到廣泛地應用，但同樣因為這些特性也使含硼藥物在安全性和藥代動力學方面存在一些未知和挑戰(zhàn)。接下來本文將介紹含硼藥物DMPK特征及其代謝考量。

 

1、DMPK特征

 

由于硼酸基或含硼基團具有較高的pKa，硼修飾的藥物可改變化合物的膜穿透性，改善藥物吸收，因此常開發(fā)為口服藥物。目前多個處于臨床研究階段的含硼藥物如度格列汀、阿考硼羅、GSK3036656等均表現(xiàn)出較好的口服生物利用度。大部分已上市或處于臨床研究階段的含硼藥物具有較大的分布容積。硼易與生物分子結合，含硼藥物進入體內后可能會與其他內源性親核靶標發(fā)生非特異性反應，產(chǎn)生脫靶效應，引起藥物的不良反應。這也使對于新的含硼化合物研究人員需要特別關注藥物體內的分布情況。在代謝方面，含硼藥物在體內主要通過細胞色素P450酶系發(fā)生代謝，主要代謝途徑是氧化脫硼反應[11]。值得注意的是含硼基團對ROS敏感，部分含硼藥物在體內會與ROS反應，并且這種反應與ROS濃度相關。在排泄方面，含硼藥物主要通過原型藥或代謝產(chǎn)物經(jīng)腎排出體外。

 

2、含硼藥物代謝研究考量

 

在藥物早期發(fā)現(xiàn)階段，常用體外代謝實驗評估藥物代謝情況。而在常規(guī)的體外代謝模型如肝微粒體、肝細胞中ROS水平較低，利用這些體外代謝體系的結果不能較全面地預測含硼藥物在體內，特別是患者體內的代謝情況。因此為更準確評價含硼藥物代謝，預測藥物體內代謝情況，可建立特殊的體外研究模型。

 

含ROS的緩沖液體系

 

將含硼化合物與不同濃度的ROS緩沖液反應，對反應后的溶液中含硼化合物的產(chǎn)物進行定性及定量分析，可有效評價ROS對相應含硼藥物的代謝影響。

 

以硼替佐米為例，將硼替佐米置于含H2O2緩沖液孵育4h，實驗結果如圖10A。在H2O2的作用下，硼替佐米會發(fā)生氧化脫硼酸反應，生成產(chǎn)物M1和M3，并且隨著H2O2濃度的增加，硼替佐米含量不斷減少，相應產(chǎn)物含量也不斷增加，產(chǎn)物含量與H2O2呈現(xiàn)濃度依賴性。

 

硼替佐米在人肝微粒體孵育樣品中，除母藥硼替佐米外，可以檢測到代謝產(chǎn)物M1/M2（非對映異構體），以及一系列相關次級代謝物。與微粒體結果相比，在H2O2作用下硼替佐米發(fā)生氧化脫硼酸，也可生成M1和M3，且M1和M3的相對豐度總和超過70%，這一結果表明ROS介導的氧化脫硼反應在含硼替佐米代謝過程中發(fā)揮著不可忽視的作用?；谌烁挝⒘ｓw和H2O2緩沖液的實驗結果，硼替佐米的代謝途徑如圖10B。

 

圖10.（A）硼替佐米及其產(chǎn)物在不同基質樣品中的LC-UV（λ=240-340 nm）圖；（B）硼替佐米代謝途徑

 

腫瘤細胞體系

 

將含硼化合物加入高ROS表達的腫瘤細胞（如MCF-7細胞系）體系中孵育，對其代謝產(chǎn)物進行鑒定分析，可對高ROS水平細胞中含硼藥物（特別是基于硼設計的前藥）的代謝情況進行評估。

 

結語  

 

本文主要介紹了硼和含硼基團的性質、硼在藥物設計和藥物研發(fā)中的潛力以及含硼藥物DMPK特征及代謝研究考量。雖然目前已上市含硼藥物的數(shù)量不多，但其特殊的理化性質吸引著越來越多的藥物研發(fā)人員進入相關研究，近些年越來越多與含硼化合物相關研究也證明這類藥物的優(yōu)勢。在含硼藥物研發(fā)過程中，需要特別關注其給藥后在體內的分布情況；在對含硼化合物代謝進行評估時，不可忽視ROS對含硼藥物代謝的影響。除常規(guī)的體外代謝模型外，可采取本文中提到的一些特殊體外代謝模型以更全面預測藥物體內代謝情況，助力含硼藥物研究。

 

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[11] Labutti J, Parsons I, Huang R, Miwa G, Gan LS, Daniels JS. Oxidative deboronation of the peptide boronic acid proteasome inhibitor bortezomib: contributions from reactive oxygen species in this novel cytochrome P450 reaction. Chem Res Toxicol. 2006 Apr;19(4):539-46. doi: 10.1021/tx050313d. PMID: 16608165.