Characteristics of drug metabolic enzymes

作者

楊然，馬曉慧，郭嘉華，柳文媛

中國藥科大學藥物分析教研室

天士力制藥集團股份有限公司研究院藥理毒理研究所

摘要

藥物多用于預(yù)防、診斷和治療疾病，進入機體的藥物可在體內(nèi)各種代謝酶的作用下進行生物轉(zhuǎn)化從而排出體外，因此代謝酶在機體內(nèi)源和外源性物質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化中起著至關(guān)重要的作用。

本文參考了近年來國、內(nèi)外涉及藥物代謝酶研究的文獻，對其進行歸納和總結(jié)，重點對一些常見的藥物代謝酶如細胞色素P450超家族(Cytochrome P450 proteins，CYP450)、藥物水解酶等的體內(nèi)分布、反應(yīng)類型、種屬差異及遺傳多態(tài)性等方面進行總結(jié)，擬為藥物代謝酶的研究和新藥的開發(fā)提供一定的參考。

藥物代謝是指藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄的過程，貫穿藥物研發(fā)的整個階段，代謝過程通常由一系列酶促反應(yīng)來完成，其結(jié)果是將外源性物質(zhì)( 包括藥物和毒物) 進行化學反應(yīng)處理，使其失活排出體外。

近年來隨著對于藥物相互作用產(chǎn)生不良反應(yīng)的報道增多，以及藥物代謝直接制約新藥研發(fā)成本的問題的產(chǎn)生，使得對藥物代謝酶的酶學基礎(chǔ)、分布及反應(yīng)特性等方面的研究變得必不可少。

《FDA關(guān)于藥物相互作用研究指南》中指出: 在新藥開發(fā)階段，新藥的代謝特征及其與其他藥物的相互作用應(yīng)該盡可能早地提出與探討，這些數(shù)據(jù)將成為評價新藥安全性和有效性的參考。

因此本文通過查閱國內(nèi)、外文獻，對藥酶的一些代謝特性進行了系統(tǒng)化梳理，希望可以提供藥物代謝酶的一些知識參考，從而為藥物研發(fā)、臨床研究中對藥物代謝的研究提供有用的信息。

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藥物代謝酶及代謝特征

根據(jù)代謝反應(yīng)的特點，藥酶常分為Ⅰ相和Ⅱ相酶，主要存在于肝臟、血漿和其他組織中，表1 和表2 分別對Ⅰ相和Ⅱ相酶的特點進行了介紹。

1.CYP450 酶系

CYP450 是Ⅰ相代謝的主要酶系，該酶廣泛存在于哺乳動物、植物、昆蟲、真菌和細菌中，作為終端氧化酶參與了臨床約90%藥物的代謝。

2.黃素單加氧酶( FMO)

黃素單加氧 ( flavoprotein monooxygenases FMO) 與CYP450 酶具有相同的單加氧藥物和異物代謝功能。

人體具有藥物代謝功能的FMO 有5 種( FMO1 ～ FMO5) ，在成人肝組織中主要形式是FMO3 和FMO5，其中FMO3的表達量相當于肝中CYP3A 表達量的60%，這2種形式的FMO 的表達可能決定了FMO 對藥物代謝的貢獻程度。

3.單胺氧化酶( MAO)

單胺氧化酶( monoamine oxidase，MAO) 酶是一種黃素酶，主要代謝生物體內(nèi)內(nèi)源性和外源性單胺類物質(zhì)。

MAO 有兩個亞型，MAO-A 和MAO-B，MAO-A 主要代謝含有羥基的胺類和兒茶酚胺類，如酪胺、5-HT 等，MAO-B 主要代謝不含羥基的胺類，如苯甲胺、苯乙胺。

MAO 多存在于生物體神經(jīng)組織中，目前，該類酶的抑制藥被廣泛應(yīng)用于抑郁癥和帕金森病的治療中。

臨床上MAO-A 抑制劑用于治療神經(jīng)衰弱等疾病，MAO-B 抑制劑用于治療帕金森病和阿爾茨海默病。

雙胺氧化酶( diamine oxidase，DAO) 能夠反映腸道物理性屏障的完整性和損傷程度，臨床上其敏感性可用于評價腸損傷程度，為腸功能病變的治療提供參考。

DAO 能分解由氨基酸脫羧所生成的胺，在腸粘膜中起著解毒作用。

還原酶參與還原反應(yīng)的酶包括醛、酮還原酶，羰基還原酶，醌還原酶，脫氫酶和消化道細菌產(chǎn)生的還原酶，廣泛分布于生物體的肝、腸、腎等組織中。

還原反應(yīng)主要有兩種反應(yīng)機制，一種需要還原型黃素腺嘌呤二核苷酸的參與，另一種則是由CYP還原酶介導(dǎo)。

機體大部分酶系都可以催化還原反應(yīng)，而且不同酶系的反應(yīng)底物沒有明確的界限。

水解反應(yīng)也是藥物消除的一個重要反應(yīng)，常見的水解酶有羧酸酯酶、磷酸酯酶、酰胺水解酶、環(huán)氧化物水解酶等，血漿內(nèi)的水解反應(yīng)通常用于前藥和軟藥的開發(fā)。

臨床約40% ～ 70% 的藥物是通過Ⅱ相代謝反應(yīng)進行清除，生成的代謝物通常沒有活性( 也有例外，如嗎啡生成的是活性產(chǎn)物)且極性較大而易于排出體外。

參與代謝的酶主要有葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶( UDP-glucuronosyltransferases，UGTs) 、甲基化轉(zhuǎn)移酶( transmethylase，MT) 、N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶( N-acetyltransferase，NAT) 、磺基轉(zhuǎn)移酶和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶。

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研究代謝酶的意義

1.研究代謝酶的種屬及性別差異，選擇合適的實驗?zāi)Ｐ?/span>

藥物研發(fā)的早期階段都會利用動物模型來鑒別其代謝途徑。

對大多數(shù)藥物，不同種屬的動物可能會有不同的代謝途徑。

例如，苯丙胺在小鼠體內(nèi)主要發(fā)生羥化反應(yīng)，而在狗和人體內(nèi)則主要發(fā)生脫氨反應(yīng)。

很多情況下，由于動物的種屬不同，雖然生物轉(zhuǎn)化途徑相同，代謝速度也可能不同。

此外，某個特定種屬還可能缺少某種特殊途徑。

如Taniguchi-Takizawa 等使用芐達明N-雙氧化物作為指標，表明在大鼠，狗，猴和人肝微粒體中CYP450 酶和FMO 的代謝產(chǎn)物存在明顯的種屬差異; Zielinski等證明睪酮在人、犬和馬肝微粒體的代謝途徑不同。

同時，大量研究結(jié)果表明，代謝酶在物種之間的性別差異也會影響藥物的代謝過程。

對于治療指數(shù)大的藥物，性別差異對于藥物代謝的影響可能不太明顯，但對于治療指數(shù)小的藥物，性別差異應(yīng)受到重視，以便最大限度地提高藥物的安全、有效性。

表3 列舉了部分代謝酶的種屬和性別差異，擬為動物模型的選擇提供參考。

2.研究代謝酶的遺傳多態(tài)性，為臨床個體化用藥提供科學依據(jù)

研究代謝酶的遺傳多態(tài)性，為臨床個體化用藥提供科學依據(jù)近年來，隨著醫(yī)療系統(tǒng)的逐漸完善，臨床用藥的個體化越來越受到重視，藥物在體內(nèi)代謝過程中會涉及多種蛋白酶，若表達蛋白酶的基因發(fā)生了突變，就會造成同一藥物對不同個體產(chǎn)生不同的效應(yīng)，即表現(xiàn)出了藥物的遺傳學差異( 表4) 。

如Weber 等研究證明羅馬人和匈牙利人對一些藥物的代謝差異是CYP2B6 及CYP2D6 酶量的不同造成的，因此藥物代謝酶的遺傳多態(tài)性是藥物作用個體差異的分子基礎(chǔ)，闡明酶在個體和種族的差異將有利于指導(dǎo)臨床合理用藥，做到個體化給藥，提高藥物療效，減少不良反應(yīng)。

在新藥研發(fā)過程中，有研究發(fā)現(xiàn)生物體酶的異常表達常會造成機體表現(xiàn)不同的生理病理狀態(tài)，因此研究酶與藥物的關(guān)系，開發(fā)針對特定代謝酶的新型藥物，可實現(xiàn)對疾病的治療。

如對腫瘤組織中CYP450 酶系的研究證明部分CYP450 酶在腫瘤組織中過表達或特異性表達，因此基于CYP450 的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和底物特性可開發(fā)由該酶代謝的抗腫瘤新藥。

另外如Pazin 等指出，組蛋白去乙?；? HDAc) 的活性與癌癥的發(fā)生有關(guān)，因此可將HDAc 作為開發(fā)抗癌藥的新靶點。

此外，在藥物體內(nèi)代謝的基礎(chǔ)上，從化合物的成藥性和相關(guān)代謝酶活性的角度上開發(fā)前藥，也是一種值得推廣的新藥研究方法。

如2013 年上市的治療丙肝( HCV) 的索非布韋便是一個成功的例子。

索非布韋首先通過肝細胞中的組氨酸三元體核苷結(jié)合蛋白( HINT1) 催化水解磷酰胺鍵，接著在肝細胞內(nèi)進行磷酸化，成為活化形式，進而抑制HCV 的RNA 聚合酶活化，從而提高了治療的選擇性，減小了不良反應(yīng)。

利用藥物代謝的原理設(shè)計前藥，不僅能改善藥物的動力學特征，提高藥物生物利用度，還可增加藥物的代謝穩(wěn)定性，延長藥物作用時間，提高患者的可接受性等。

同時，藥酶的研究可提示藥物與藥物的相互作用，目前發(fā)現(xiàn)CYP450 介導(dǎo)的藥物代謝性相互作用發(fā)生率最高，如奧美拉唑由于抑制CYP2C19 酶的活性干擾了氯吡格雷的活化。

因此，研究藥酶的特性可以為醫(yī)師開具處方和藥師審核處方提供更可靠的依據(jù)，減少聯(lián)合用藥不良反應(yīng)的發(fā)生。

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結(jié)語

在藥物研發(fā)過程中，對藥酶的性質(zhì)及其參與的代謝反應(yīng)的研究和探討是選擇和決定藥物研發(fā)方式的基礎(chǔ)，也是藥物代謝動力學、藥理毒理學研究領(lǐng)域的重要方向。

目前關(guān)于藥物代謝酶還存在很多問題值得研究，尤其是指在現(xiàn)代藥物研發(fā)中，對新候選藥物進行代謝產(chǎn)物、代謝酶確定及酶誘導(dǎo)和抑制活性的早期篩查，目標是希望藥物候選物僅有有限的酶抑制和誘導(dǎo)活性，且代謝產(chǎn)物具有低毒和高效的藥理特性。

這些問題的研究將對藥物代謝過程和新藥開發(fā)起指導(dǎo)性作用，也將為臨床藥物的合理、安全及有效性應(yīng)用提供有效的依托。