开环膦酸核苷类药物前药的研究进展

摘要：开环膦酸核苷类化合物（ANPs）是近年抗病毒药物研究的热点。但由于其膦酸基团带有负电荷，细胞通透性差，口服生物利用度较低，因此，多将其开发为前药以掩饰其负电荷。ANPs药物前药是以ANPs为母体，通过引入亲脂或亲水性载体基团进行结构修饰而得到的一类前体药物。现对ANPs药物前药的研究现状作一综述。

关键词：药物化学；药物设计；开环膦酸核苷类药物；前药

中图分类号：R987.7文献标识码：A文章编号：1672-979X(2008)03-0060-04

Progress in Prodrugs of Acyclic Nucleoside Phosphonates

YANG Kang-hui, WANG Ju-tao, LI Qian-bin,XU Wen-fang

(School of Pharmaceutical Sciences, Shandong University, Jinan 250012, China)

Abstract：Acyclic nucleoside phosphonates (ANPs) is a hot spot in the recent studies on nucleotide analogs with broad spectrum of antiviral activity. Unfortunately, the pharmacokinetic properties of ANPs are poor because of the negative charges on the phosphonic acid moiety and poor cell permeability, which results in the low oral bioavailability. Recently, a series of ANPs prodrugs containing lipophilic or hydrophilic groups has been reported. These ANPs prodrugs can mask the negative charges and enhance the oral bioavailability and membrane permeation. This review briefly introduces the ANPs prodrugs with the prospects of further investigation also presented.

Key words：medicinal chemistry; drug design; acyclic nucleoside phosphonates; prodrug

开环膦酸核苷类化合物（ANPs）作为核苷类抗病毒药物的重要一族，具有低毒、低耐受性和广谱抗DNA病毒活性，对耐药菌株有强烈的杀伤作用，在抗病毒治疗领域占有重要地位，是近年研究的热点[1]。目前，以西多福韦[cidofovir，(S)-HPMPC，图1（1）]、替诺福韦[tenofovir，(R)-PMPA，图1（2）]、阿德福韦 [adefovir，PMEA，图1（3）]为代表的第一代ANPs已被广泛用于治疗所有DNA病毒和逆转录病毒的感染。西多福韦（Vistide）被FDA批准用于治疗细胞巨化病毒引起的AIDS患者视网膜炎，利用前药原理设计的替诺福韦酯延胡索酸盐（Viread）和阿德福韦二匹伏酯（Hepsera）也于2001年和2002年相继批准上市，分别用于治疗人类免疫缺陷病毒（HIV）和乙型肝炎病毒（HBV）感染[2]。

当前此类药物的研究方向主要是，（1）基于原药结构基础上的改造正在研究的第二代ANPs，以开环ANPs化合物4[图1（4）]为代表，其结构是在可以看作是第一代ANPs分子中咪唑环开环的电子等排体，具有比第一代闭环系列更强的抗病毒活性。构效关系研究结果表明，若嘧啶碱的5-位上用氯、溴甲基或氰基取代，活性可进一步增强[3]；（2）将药物设计成前药ANPs结构中含有膦酸基团，pKa值较低，在生理pH值条件下都为二价阴离子，导致细胞通透性和口服生物利用度低，严重影响了药物的治疗作用。运用前药原理，掩饰膦酸功能基的负电荷，可提高药物稳定性，增加口服生物利用度，还能提高靶向选择性，减少药物的毒性。针对ANPs的结构修饰基本上都集中在母体药物膦酸基团的“”羟基上。现分别从酯化、酰胺化、酯酰胺化，以及2分子脱水缩合成双前药4个方面对目前设计成为前药的开环膦酸核苷类化合物作一综述。

图1开环膦酸核苷类化合物的结构

1酯化前药

将膦酸基掩蔽基团如烷基、烷氧烷基、S-酰基-2-乙硫醇（SATE）等连接到母药形成一酯或二酯前药，是设计ANPs前药的重要手段。替诺福韦几乎不经胃肠道吸收，酯化后得到的替诺福韦双异丙酰氧基甲酯[tenofovir disoproxil，图2（5）]，能口服给药，进入体内后半衰期约为10 h，从而可以1天给药1次。阿德福韦二匹伏酯[adefovir dipivoxil，图2（6）]是阿德福韦的一种前体药物，口服后可被酯酶迅速水解，释放游离的阿德福韦。临床实验表明，前药的生物利用度比母药提高15倍[4]。

Valeant制药公司开发了一种新的阿德福韦前药甲磺酸瑞莫夫韦[remofovir，图2（7）]，在肝脏细胞色素P450的作用下，特异性活化成阿德福韦而起作用。它可促进阿德福韦与肝细胞的靶向结合，增加药物的疗效并减少不良反应[5]。

图2替诺福韦和阿德福韦酯化前药的结构

Annaert等[6]合成了阿德福韦SATE类前药（图3，8a~8d）。前药显著增强了极化Caco单层细胞的转运，体外抗病毒活性和稳定性有较大提高。其中，8a的口服生物利用度为（0.4±0.1）%，亲脂性更强的8d为（15.3±0.9）%。构效关系研究表明，改变R基部分可调节前药在体内的转运，特别是R为叔丁基的化合物8c。

图3阿德福韦SATE类前药的结构

环水杨醇ANPs类前药结构中有一个邻羟苯甲醇掩饰基团，可在特定的pH值条件下转运并释放母药。Meier[7]等合成了阿德福韦的环水杨醇类前药（图4，9a~9d）。药理实验结果表明，前药能够穿透细胞膜，在细胞内释放出母药，其抗HIV-1和HIV-2病毒活性显著提高（EC50为3.5~5.3 μmol/L）。由于这类化合物有良好的口服生物利用度和药代动力学性质，其临床用药的安全性得到保障。

图4 阿德福韦环水杨醇类前药的结构

James[8]研究小组以西多福韦和环化西多福韦为母药，羟基酯化连接上长链的脂肪酸，设计合成了前药（图5，10b~10d，11b~11d）。前药提高了脂溶性和化学稳定性，前期的细胞研究发现这些化合物抗人巨细胞病毒（HCMV）和1-型单纯疱疹病毒（HSV-1）的活性比原药显著增强。

图5西多福韦和环化西多福韦前药的结构

2酰胺化前药

酰胺化前药与酯类前药有相似的酯溶性，而且膦酰胺键在生理条件下是稳定的，通常需要在酰胺酶的作用下转化成母药。某些特定细胞，如肝病变细胞含更高浓度的酰胺酶，所以又能达到肝靶向的目的。为此有些学者把目光转向了膦酰胺类前药的研究。

Starrett等[9]研究合成了阿德福韦的二酰胺类前药12和13（图6），口服生物利用度和抗病毒活性有一定增加。然而，前药在生理条件下水解稳定性很低，有待进一步研究开发有良好前景的前药。

图6阿德福韦二酰胺类前药的结构

阿德福韦自身没有抗正痘病毒的活性，研究报道，其酰胺化产物14和15（图7）与母药相比稳定性增加，对牛痘病毒和常见正痘病毒显示了很强的抑制活性。这为发掘阿德福韦新的治疗作用带来了希望。

图7阿德福韦二酰胺类前药的结构

目前，通过乙二胺为连接桥与膦酸基成膦酰胺键，进一步连接受体能识别的载体，以达到靶向给药的目的[10]。阿德福韦前药16a和16b（图8）能特异性地结合肝实质细胞中的唾液酸糖蛋白受体（ASGP-R），有纳摩尔级的亲和力。肝细胞对前药的摄取水平比母药高出10倍以上。药理研究表明，前药体外的抗病毒活性比母药分别增加了5倍和52倍，预计其体内活性也会有所增加。Vrueh等[11]以胆石酸-α-油酸酯为载体共价偶联得到亲脂性前药，与经乳糖酰化后的人工合成重组高密度脂蛋白形成复合物，亦能被ASGP-R识别，表现出很高的肝细胞亲和力。

图8阿德福韦膦酰胺前药的结构

3酯酰胺化前药

酯化前药能提高口服利用度，但体内水解代谢不稳定性影响了抗病毒活性的发挥；酰胺类前药增加了稳定性，提高了抗病毒活性，但随着活性增强，通常毒性也增强。因此，有学者结合上述两种化学修饰的方法，合成酯酰胺前药。

Ballatore等[12]用不同的氨基酸酯作为掩蔽基团来合成阿德福韦和替诺福韦的前药，并对它们体外生物活性作了评价，化合物17，18（图9）与母药相比，有更强的抗HIV病毒活性。构效关系表明，芳基取代基的空间大小与抗病毒活性呈负相关，还发现氨基酸酯部分是前药细胞内转运和抗病毒活性的决定因素，特别是L型氨基酸甲酯、丙氨酸甲酯最佳。此外，Lee等[13]以丙氨酸异丙醇酯和苯酚为掩饰基团合成了替诺福韦前药，对MT-2细胞中人免疫缺陷症病毒的EC50为0.005 μmol/L，前药的EC50是5μmol/L。

图9ANPs酯酰胺化前药的结构

Meier等[7]用氨基水杨醇为掩蔽基团合成了前药19（图9），掩蔽基中氮原子与化合物9中掩蔽基的氧原子有较低的电负性，使磷原子的亲电性降低, 从而增加了其水解稳定性，同时其毒性降低（EC50 20~29 μmol/L）。环化西多福韦的结构修饰得到化合物20（图9），体内外抗病毒活性的结果显示，它比母药西多福韦的活性高出5~6倍。毒理实验显示，所有前药都显示低毒性或无毒性。以上这些研究为合理设计药物提供了理论上的指导。

4协同前药（双前药）

在ANPs双前药研究中，将一个ANPs药物与另一分子或与其它作用机制不同的药物骈合后，在生理介质中通过细胞酶类降解为2个活性成分，有提高生物利用度，降低交叉耐药性，发挥协同作用等效果。

图10ANPs协同前药的结构

有报道通过2个膦酸脱水缩合得到的阿德福韦双前药（bis-PMEA，图10，21），在感染HIV-1和HSV-1的巨噬细胞中，前药分解成2分子的活性代谢产物发挥作用，提高了治疗效率。Rossi等[14]合成的替诺福韦双前药（AZTpPMPA，图10，22）在巨噬细胞中的活性很低，缘于其易受ATP抑制的影响，但与体内的红细胞结合后，能完全抑制病毒的复制。化合物22在细胞内酶的作用下，能缓慢的转化成替诺福韦，叠氮胸苷（AZT）和单磷酸叠氮胸苷（AZT-MP），37 ℃下的半衰期是36 h，能有效的克服替诺福韦低渗透性和AZT低膦酸化活性的缺陷。此外，Franchetti等[15]合成的另一种替诺福韦双前药，在体内分解成的阿昔洛维 （ACV）和替诺福韦。前药在体外巨噬细胞实验中，显示出有效抗疱疹病毒和抗逆转录病毒活性。由于巨噬细胞最易感染HSV-1和HIV-1 2种病毒，因此，这类替诺福韦双前药有良好的开发价值。

5展望

ANPs在核苷类抗病毒衍生物中的地位日益重要，近年对ANPs前药的研究异常活跃。随着前药载体分子的不断发展，药物靶向性的深入研究，以及人们对药物作用机制、生理作用影响药效和药动学的深入认识和了解，将会有更多高效低毒、高选择性和满足临床需要，特别是针对丙型肝炎病毒（HCV）和HIV感染的ANPs前药上市。

参考文献

[1]Tuske S, Sarafianos S G, Clark A D Jr. Structures of HIV-1 RT-DNA complexes before and after incorporation of the anti-AIDS drug tenofovir[J]. Nature Struct Mol Biol, 2004, 11(5): 469-474.

[2]De Clercq E, Holy A. Acyclic nucleoside phosphonates: a key class of antiviral drugs[J]. Nat Rev Drug Discov, 2005, 4(11): 928-940.

[3]Hol?A, Votruba I, Masojkov?M. 6-[2-(Phosphonomethoxy)alkoxy] pyrimidines with antiviral activity[J]. J Med Chem, 2002, 45(9): 1918-1929.

[4]Starrett J J, Tortolani D R, Hitchcock M J, et al. Synthesis and in vitro evaluation of a phosphonate prodrug: bis(pivaloyloxymethyl) 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)adenine[J]. Antiviral Res, 1992, 19(3): 267-273.

[5]Erion M D, van Poelje P D, Mackenna D A, et al. Liver-targeted drug delivery using HepDirect prodrugs[J]. J Pharmacol Exp Ther, 2005, 312(2): 554-560.

[6]Annaert P, Gosselin G, Pompon A, et al. Comparison of the disposition of ester prodrugs of the antiviral agent 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)adenine [PMEA] in Caco-2 monolayers[J]. Pharm Res, 1998, 15(2):239-245.

[7]Meier C, Gorbig U, Muller C, et al. cycloSal-PMEA and cycloAmb-PMEA: potentially new phosphonate prodrugs based on the cyclosal-pronucleotide approach [J]. J Med Chem, 2005, 48(25): 8079-8086.

[8]James R, Caroll H, Kathy A, et al. Alkoxyalkyl esters of cidofovir and cyclic cidofovir exhibit multiple-Log enhancement of antiviral activity against cytomegalovirus and herpesvirus replication n vitro [J]. Antimicrob Agents Chemother, 2002, 46(8):2381-2386.

[9]Starrett J E, Tortolani D R, Russiell J, et al. Synthesis, oral bioavailability determination, and in vitro evaluation of prodrugs of the antiviral agent 9-[2-(phosphonomethoxy)ethyl]adenine (PMEA)[J]. J Med Chem, 1994, 37(12): 1857-1864.

[10] Biessen E A, Valentijn A R, De Vrueh R L, et al. Novel hepatotrophic prodrugs of the antiviral nucleoside 9-(2-phosphonylmethoxyethyl)adenine with improved pharmacokinetics and antiviral activity[J]. FASEB J, 2000, 14(12): 1784-1792.

[11] Vrueh R L, Rump E T, van De Bilt E, et al. Carrier-mediated delivery of 9-(2-phosphonylmethoxyethyl) adenine to parenchymal liver cells: a novel hetrapeutic approach for hepatitis B[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2000, 44(3): 477-483.

[12] Ballatore C, McGuigan C, De Clercq E, et al. Synthesis and evaluation of novel amidate prodrugs of PMEA and PMPA[J]. Bioorg Med Chem Lett, 2001, 11(8): 1053-1056.

[13] Lee W A, , Eisenberg E, et al. Selective intracellular activation of a novel prodrug of the human immunodeficiency virus reverse transcriptase inhibitor tenofovir leads to preferential distribution and accumulation in lymphatic tissue[J]. Antimicrob Agents Chemother, 2005, 49(5): 1898-1906.

[14] Rossi L, Serafini S, Franchetti P, et al. Inhibition of murine AIDS by a heterodinucleotide of azidothymidine and 9-(R)-2-(phosphonomethoxypropyl)adenine[J]. J Antimicrob Chemother, 2002, 50(5): 639-647.

[15] Franchetti P, Sheikha G, Cappellacci L, et al. A new acyclic heterodinucleotide active against human immunodeficiency virus and herpes simplex virus[J]. Antiviral Res, 2000, 47(3): 149-158.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。