氘在药物化学中的应用------转载自公众号“精准药物”
前言
氘是氢的同位素，通常称为“重氢”。近年来，氢原子的氘代在药物化学中得到了广泛应用，已成为重要的药物设计策略之一。2019年Armando A. Genazzani等在JMC上发表综述，总结了氘在药物化学中的应用。
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氘的介绍
图：氘代
氘(Deuterium, D)是一种稀有的、稳定的、非放射性的氢同位素，其在地球上的天然丰度为0.0156%。
与氢(Hydrogen, H)相比，氘的摩尔体积更小(每原子0.140cm3/mol)，亲脂性更低(ΔlogPoct=-0.006)，两者在pKa上可能具有细微差异。此外，C-D键长更短(0.005Å)，有时对氧化环境更稳定。氘含有一个中子，质量是H的两倍，导致C-D键的振动伸缩频率比C-H减小，因此具有更低的基态能量。因此，C-D键断裂所需的活化能要高于C-H键，反应速率也更慢(速率常数kH＞kD)。
尽管存在着上述差异，氘取代氢仍是电子等排策略中最保守的例子。氘保持着与氢相似的几何结构以及空间上的可变性。因此，氘修饰的化合物通常能保持生物化学上的活性和选择性。
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氘在药物化学中的应用
药物中氢原子的氘代可能给药物分子带来意想不到的性质，在药物化学中得到了广泛应用，已成为重要的药物设计策略之一。
图：氘代在药物化学中的应用
氘代改善药代动力学性质
研究表明氘代可以改善药物的PK参数。通常来说，药物分子氘代成功后，药物的AUC增加，清除率减少，Cmax和t1/2通常会增加，而Tmax受影响较小，此外，生物利用度可能也会受到影响(当存在首过效应时)。
氘代对药物PK的影响有时难以预测，因为多种不同的竞争效应可能抵消甚至逆转氘代的给分子带来的影响。例如在雄性大鼠中，10 mg/kg剂量口服给药后，d5-罗非昔布(d5-Rofecoxib,1)的Cmax为4181 μg/L，而非氘代化合物的Cmax为2416 μg/L，但是两个化合物的半衰期几乎相同(4.29 h和4.18 h)。
相反，GABAA受体α6亚基的选择性配体(2)易发生O-去甲基化代谢，氘代后其半衰期的则显著增加，在人和小鼠肝脏微粒体中，半衰期分别为8.7h和10.5h，而非氘代化合物仅为3h，氘代化合物的代谢稳定性增加了近3倍。此外，大鼠脑最大药物浓度增加了两倍左右，但全身性Cmax没有发生明显变化。
氘代对药物PK的影响在不同的物种间可能会有不同的结果。d3-伊马替尼(d3-Imatinib, 3)在与人肝微粒体中，N-去甲基化的敏感性显著降低，但与母体药物相比，当大鼠静脉注射给药时，暴露量并没有增加，这是因为相比于人类，大鼠体内伊马替尼的N-去甲基化程度较低。具有咪唑并[1,2-a]吡嗪结构母核的Aurora激酶抑制剂(4)也表现出同样的特点，同时用两个氘和两个氟原子替换先导化合物的两个已知易代谢位点的氢，使得该化合物能够口服，在大鼠、小鼠、狗、猴子四种不同物种中药物暴露都有所增加，但在数值上有较大的差异。
氘代对药物PK的影响有时难以预测的原因之一是药物可能经历代谢转换过程，例如在一个部位引入氘成功地减少了该部位的代谢，但同时增加了另一个部位的代谢。马拉韦罗是一种用于治疗HIV感染的CCR5的负变构调节剂，分子中甲基氘代后将代谢转换为N-脱烷基代谢，反常地增加了体外微粒体的清除，t1/2从97.2min降低为45.5 min。因此，在特殊情况下在两个代谢位点同时氘代是必要的，由此策略得到的d5-马拉韦罗(d5-Maraviroc, 5)，微粒体清除显著下降，t1/2增高为145.5min。
图：氘代药物改善药代动力学
然而，对于具有多个可氧化位点的分子，并不是实现氘代的位点越多越好。达格列净是一种用于治疗2型糖尿病的SGLT2抑制剂，考虑到代谢产物甲基苯醌化合物可能会导致肝毒性，设想对达格列净乙氧基进行氘代以提高代谢稳定性，减少毒性代谢物的生成。实际上，尽管存在其他易代谢位点，达格列净中的-OCH2CH3代谢位点用-OCD3单取代得到的化合物6就足以显著改善 PK 参数并减少毒性代谢物生成。但当进一步氘代时，PK性质并没有进一步的改善，例如，d3取代化合物(6)的t1/2为6.34 h，而d5取代化合物(7)的t1/2反而为 5.66 h。
图：氘代改善达格列净PK参数
一些化合物与CYP酶抑制剂联用可以延长其全身暴露时间。情绪失禁治疗药Nuedexta是右美沙芬和奎尼丁的组合药物，其中奎尼丁是CYP酶抑制剂，能够减少右美沙芬的O-脱甲基化代谢进而降低其首过代谢，延长血浆半衰期，但奎尼丁存在较严重的心肌副作用。因此将右美沙芬的甲氧基和甲氨基上的氢进行氘代，得到d6-右美沙芬(d6-Dextromethorphan,8)。目前d6-右美沙芬和奎尼丁的固定组合(AVP-786)用于治疗阿尔茨海默病引起的躁动处于III期临床试验。只需较低剂量的奎尼丁便可提高d6-右美沙芬的半衰期，因此可以很好避免奎尼丁的不良反应。
氘代降低化合物毒性
氘代一个易代谢位点以减少不必要代谢物的形成，同时增加活性代谢物的形成的过程称为代谢分流(Metabolic shunting)。氘介导的代谢分流可以改善非氘代药物的副作用，如与奈韦拉平相比，d3-奈韦拉平的皮疹副作用发生率和严重程度降低；d1-依非韦伦的大鼠肾毒性减弱；[d5-乙基]-他莫昔芬的遗传毒性低于他莫昔芬。
在异环磷酰胺的α和α’碳上引入氘得到d4-异环磷酰胺(d4-Ifosfamide,9)，与非氘代化合物相比，增强了4 '位的羟基化，同时降低了N-脱氯代谢。此外，代谢分流更倾向于4-羟基化而不是N-脱氯，因为后者会生成毒性更大和效果更差的代谢物，如代谢物氯乙醛(12)导致异环磷酰胺特异性的肾毒性。因此氘诱导的代谢分流可能提高该化疗药物的治疗指标。
图：氘诱导d4-异环磷酰胺的代谢分流
JNJ38877605是一种c-Met抑制剂，其经醛脱氢酶(AO)催化的代谢物溶解度较差，会导致肾毒性，因此临床研究终止。为了降低AO驱动的代谢，采用了两种策略，一是用咪唑并[1,2-a]吡啶取代喹啉结构，得到沃利替尼(Volitinib,14)，目前处于临床试验中；另一种氘降低肾毒性的方法是在喹啉环的2位引入氘原子，得到的d1-JNJ38877605(15)保留了生物活性，对AO的稳定性有所提高，血浆中两种毒性代谢物也减少了(16和17)。与非氘代化合物相比，口服暴露增加(AUC为1.88倍，Cmax为1.56倍)。
图：氘代降低JNJ38877605的肾毒性
氘代增强生物活性
氯吡格雷是一种抗血栓前药，其生物活性形式需要CYP450介导的噻吩2位活化。其产生的临床易变性和耐药性与氯吡格雷的低生物活化率有关，而低生物活化率又归因于广泛的代谢，其中包括非活化的哌啶基氧化。当哌啶部分的氢全部用氘替环时，体外激活效率增强。在大鼠模型中，d6-氯吡格雷(d6-Clopidogrel,20)的生物活化率为19.3%，而氯吡格雷(Clopidogrel,19)仅为14.5%，且氘代化合物对ADP诱导的血小板聚集具有更高的抑制活性。因此，氘代前药中的竞争性易代谢位点可能是增加其生物活性的一种可行策略。
图：氘代增加氯吡格雷生物活性
氘代稳定化学不稳定的立体异构体
自1992年以来，越来越多最初是外消旋体的化合物已被分离、评估，并发展为单一的优势对映体用于临床，即优势对映体。对于一些化合物，由于立体异构体在体外和/或体内的快速相互转换，分离出单一立体异构体存在很大困难，在这种情况下，用氘取代单个立体异构体的手性中心的酸性质子可能会降低原子的抽提率(the rate of atom abstraction)，以稳定化学不稳定的立体异构体。
在S构型的d1-特拉匹韦(d1-Telaprevir, 21)中，靠近α-酮酰胺的手性中心容易在碱性pH下通过烯醇互变异构体进行质子交换而发生差向异构化，由此产生的R构型非对映异构体对HCV蛋白酶的活性降低约30倍。在手性中心选择性引入氘可以降低差向异构化的速率，增强体外pH和血浆稳定性，并且在临床前模型中减少差向异构化。
图：氘代药物稳定化学异构体
同样，沙利度胺有一个带有可交换氢的手性中心，其不良的致畸作用主要与(S)-对映体有关。但即使是(R)-对映体单独给药也不能避免这种毒副作用，这是由于在生理条件下大部分药物会迅速地差向异构化，不可避免地产生(S)-对映体。氘代手性中心的氢得到的(R)-d1-沙利度胺在不同缓冲溶液中对差向异构化的稳定性是(R)-沙利度胺的5倍，但没有进一步的生物实验验证。CC-122是一种沙利度胺衍生物，同样地，氘代的d1-CC-122(22)手性构型也更加稳定。且(-)-氘化对映体是优势立体异构体，具有良好的体外抗炎和体内抗肿瘤作用。
氘代化合物作为阐明机理的实验策略
氘代也可以作为一种手段以阐明药物的作用机理，例如，测试代谢物对特定药物作用的贡献。氯胺酮(Ketamine, KET, 23)因其短暂的麻醉效果而闻名，但有研究提出氯胺酮的单次致幻剂量可导致快速的抗抑郁效果，静脉给药后4小时起效，可持续1-2周，且女性的抗抑郁活性似乎比男性更明显。为了验证抗抑郁活性的机制，监控雌性和雄性啮齿动物的大脑氯胺酮及其代谢物的含量，如(2S,6S;2R,6R)-hydroxyketamine(HK, 24)，norketamine(norKET, 25)和(2S,6S;2R,6R)-hydroxynorketamine(HNK, 26)。分析发现女性大脑中HNK的水平是男性的3倍，表明这种代谢物可能是抗抑郁活性的原因。d2-KET(27)并不影响大脑中氯胺酮的总体水平，但会显著降低HNK的水平，而没有抗抑郁作用。
图：氘代阐明氯胺酮抗抑郁作用机理
PET示踪剂
PET示踪剂由于其结构中存在放射性核素(通常为18F或11C)，具有检测疾病相关生化指标变化和作为药物开发过程中生物标志物的巨大潜力。PET示踪剂的开发是具有挑战性的，既需要快速清除，但也不能过快，氘代是实现最佳清除速率的可行方案，可以改善放射性配体的体内行为。
转运蛋白(TSPO)在缺血性脑损伤和退行性脑疾病中过表达，是神经炎症的一个生物标志物。目前开发的TSPO选择性放射示踪剂中，[18F]-氟甲基-PBR28在体外生物学特性方面表现出良好的前景，但由于脱氟作用，其代谢稳定性较差。相应的氘代类似物d2-[18F]-氟甲基-PBR28 (28)，在体外保持相同的生物学特性的同时，显示出更高的器官吸收(颅骨除外)，增强了体内稳定性。
图：氘代化合物作为PET示踪剂
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已上市的氘代药物
丁苯那嗪(Deutetrabenazine, 29)是全球首个上市的氘代药物。2017年丁苯那嗪被FDA批准用于治疗与亨廷顿症相关的舞蹈病和迟发性运动障碍，与已上市的母体药物四苯喹嗪的适应症相同，氘代后的药物能显著减慢代谢过程，从而降低用药频率，丁苯那嗪的上市是该领域的一个里程碑。
多纳非尼(Donafenib, 30)是全球第二个上市的氘代药物。2021年NMPA批准多纳非尼上市，用于肝细胞癌患者治疗，多纳非尼将索拉非尼分子的吡啶酰甲胺基上的甲基的氢用氘替换，代谢性能得到优化。
图：已上市的氘代药物
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处于临床研究阶段的氘代药物
氘在药物发现的早期阶段就被引入以优化新药研发过程中的先导化合物。如BMS-986165和VX-984。BMS-986165(31)是一种有效的(Ki=0.02nM)选择性酪氨酸激酶2(Tyk2)抑制剂，在一些临床前模型中已经显示出了它的有效性。VX-984(32)是一种选择性的DNA依赖的蛋白激酶(DNA-PK)抑制剂，已经完成了治疗复发性转移性子宫内膜癌的I期临床。
但目前处于临床研究的氘代活性物质大部分仍是已上市药物或是其相关代谢物的氘代类似物，氘取代可以优化那些在非氘化形式中存在不足的化合物。应用于改进临床试验中或已经上市的不理想的药物。阿扎那韦是蛋白酶抑制剂类的抗逆转录病毒药物，和许多抗逆转录病毒药物一样，阿扎那韦也存在代谢上的问题。d15-阿扎那韦(CTP-518, 33)在灵长类动物中的半衰期平均增加52%，该化合物的I期临床试验已经完成。GABAA调节剂L-838417由于因药代动力学差而未进入临床阶段。它的d9-取代物CTP-354(34)显示出相当的结合亲和力、亚基特异性和药理活性，在啮齿动物身上显示出改善的药代动力学，处于I期临床试验。此外，CTP-656(35)，JPZ-386(36)，CTP-543(37)，CTP-730(38)，CTP-499(39)，SD-1077(40)，CTP-347(41)，PXL065(42), BDD-10103(43), SD-254(44), SD-560(45)，CTP-692(46)均处于不同的临床研究阶段。
图：处于临床阶段的氘代化合物
还有一些处于临床的氘代化合物是营养物质的氘代形式。亚油酸中亚甲基的C-H键较弱，可以被活性氧裂解，从而引发脂质过氧化过程。11,11-d2-亚油酸乙酯(RT001, 47)，是基于双烯丙基亚甲基可以通过双氢-氘取代而稳定的基础上开发的，从而减少脂质过氧化的进程。RT001在一些自由基相关的神经退行性疾病的体外和体内模型中取得了令人鼓舞的结果。最近I/II期试验测试了RT001 的初步疗效、安全性和 PK 特性，结果表明RT001是安全的、耐受性良好的，并且可以改善弗里德希共济失调患者的运动能力。
Stargardt病是一种青少年期发病率最高的遗传性视网膜病变。研究发现，维生素A二聚体可能会促进脂褐素的产生，引起视网膜变性。ALK001(48)是维生素A 的氘代形式，可以减少维生素A二聚体的生物合成。ALK001的II期研究正在进行中，旨在评估ALK001对儿童和成人Stargardt病进展的长期安全性和有效性。
图：营养物质的氘代化合物
总结
随着氘代技术的发展和成熟，用氘代替氢的策略在药物研究中的应用越来越广泛。氘可用于药物的从头设计，但设计和开发成功的氘代药物并没有想象中的简单易行。氘代策略也可以用于改进临床试验中或已经上市的不理想药物，在改善药物的体内代谢、降低药物毒性等方面均已有数据支持。当氟替代不可行时，可以尝试引入氘进行生物电子等排替换，但这种取代能否达到预期的效果还需要进一步的研究。
参考文献
Tracey Pirali, Marta Serafini, et al. Applications of Deuterium in Medicinal Chemistry. J. Med. Chem. 2019, 62, 5276−5297.
