手性藥物（Stereoisomeric Drugs）是指分子結構中含有手性中心或不對稱中心的藥物，它包括單一的對映異構體、2個或2個以上對映異構體的混合物。這些對映異構體的理化性質基本相似，僅僅是旋光性有所差別。研究表明，約60%的常用藥物中具有1個或1個以上手性中心，而美國藥典所列出的2000多種常用藥物中約50%是屬于手性藥物。手性藥物市場還在逐年擴大，手性藥物已經成為新分子實體研究開發的重要方向。在人體環境中，很多內源性大分子物質，如酶、載體、受體、血漿蛋白等都具有手性特征。手性藥物與體內大分子物質相互識別、相互作用，發生立體選擇性導致對映體的藥理活性和毒理活性表現出多樣性。其藥理學及毒理學的多樣性大致可分為以下幾種情況：兩對映體活性及程度相同；兩對映體中，一個有活性，另一個沒有活性甚至有嚴重毒副作用；兩對映體具有完全不同甚至相反的藥理活性；兩對映體有相同的藥理活性，但活性程度不同；兩對映體的藥理活性不同，但合并用藥有利。基于以上手性藥物的特點，評估手性藥物單個對映體的藥代動力學特征和生物體內可能的手性反轉是十分必要的
圖1 兩種手性對映異構體
1.手性藥物的開發策略
目前，手性藥物臨床用量日益上升，市場份額逐年擴大。世界醫藥領域對手性藥物的研發之勢愈來愈烈，并已有大量新品種面世。在手性藥物的開發過程中，由于很多結構相似的手性對映異構體在生物體內作用有大的差異，故單一對映異構體的獲取顯得非常重要。對于醫藥公司的研發團隊而言，單一對映異構體的獲取主要可分為兩種情況：（1）通過手性轉換方法從已有的外消旋藥物轉換為該種藥物的兩種對映異構體之一，即所謂的優性異構體（Eutomer）；（2）從頭開發單一對映體純藥物。對于第一種情況，在藥物開發過程中一定要考慮手性轉換過程。為了與外消旋前體藥物相比較，埃索美拉唑、左旋西替利嗪和右蘭索拉唑上市前向FDA提供了幾項預批準的隨機對照補充試驗（RCT）。這種情況占了在2001~2011年FDA批準的優性異構體藥物的三分之一。手性轉換的優勢包括：（1）通過提高藥效，降低毒性以及更好的選擇性來改善藥物的治療指數；（2）藥物起效更快；（3）降低藥物-藥物間的相互作用；（4）降低患者藥物的暴露劑量。對于從頭開發對單一映體純藥物而言，主要有3種途徑：（1）從天然產物（手性池）的純對映體開始；（2）分離通過非立體選擇性合成所獲得的外消旋體（手性拆分）；（3）采用立體選擇性合成方法（包括酶促反應和生物學手段）。在這兩種單一對映異構體的開發過程中，研發團隊必須提供最終產品的詳細規格，從立體化學的角度確保產品的特性、質量和純度。
2.手性藥物的藥代動力學特征
在人體的手性環境中，手性藥物對映體與生物大分子間相互識別、相互作用的立體選擇性導致了手性藥物的藥理學差異，即藥理學立體選擇性。藥理學立體選擇性分為藥效學立體選擇性（Stereo-selectivity in pharmacodynamics）和藥代動力學立體選擇性（Stereo-selectivity in pharmacokinetics）。藥效學立體選擇性是指手性藥物對映體間的藥效學作用及其機制存在著差異。藥代動力學立體選擇性是指手性藥物對映體在吸收、分布、代謝和消除過程中具有差異。臨床常用的手性藥物中90%以外消旋體給藥，而其藥理學立體選擇性可能導致藥效學和/或藥代動力學性質的差異，因此評估外消旋體中單個對映異構體在體內的吸收、分布、代謝、排泄和毒性是非常有必要的。基于此，手性藥物藥代動力學研究的相關問題也引起了越來越廣泛的關注和重視。
圖2 手性藥物藥代動力學研究
對于手性化合物的藥代動力學研究，可先進行體外轉化的研究，盡可能多地了解化合物在各種生物基質和環境下的轉換狀態，再評估其在體內的藥代和轉換特性。如果沒有先行的體外實驗的研究，在手性化合物的初步藥代動力學動物體內實驗中，也可以采用手性的方法對樣品進行各時間點的監測，從而直接了解化合物的轉換和代謝特性。
2.1吸收
多數藥物的吸收都是被動擴散的過程，其吸收的速度和程度取決于藥物的脂溶性。由于兩個手性對映體的脂溶性和水溶性并無明顯的差別，因此通過生物膜被動擴散的吸收不存在立體選擇性。而手性藥物在經過主動轉運或易化轉運方式進行吸收時，由于細胞膜載體或酶可識別藥物的空間結構，則會出現立體選擇性，造成對映體在吸收上的差異。當手性藥物在胃腸道經主動轉運進行吸收時，兩個對映體的吸收特性有可能存在著顯著差別，而且許多手性藥物在發生首過消除反應時會呈現出立體選擇性。天然的亞葉酸為左旋體，口服后100％吸收，而右旋體口服后只有20％吸收
[1]
2.2分布
藥物的分布程度取決于藥物的脂溶性和藥物與血漿蛋白、組織的結合能力。藥物透膜的分配系數通常不受手性影響，但藥物對映體的蛋白結合率可能有很大差異。其立體選擇性主要體現在與血漿蛋白或組織結合的過程中。在血漿中，與游離藥物結合的血漿蛋白主要有白蛋白（albumin）和β-酸性糖蛋白（β-acid glycoprotein），前者通常與酸性藥物結合，而后者主要與堿性藥物結合。手性對映體與這兩類蛋白結合能力的不同，導致血漿蛋白結合的差異。手性藥物在組織中的分布也同樣存在著立體選擇性，這種選擇性除與血漿蛋白中藥物的游離分數有關外，還和藥物與組織結合、跨膜轉運等特性有關。在人體內，選擇性強的去甲腎上腺素再攝取抑制劑瑞波西汀的(+)-與(-)-對映體的AUC比值為0.15，這是因為活性更顯著的(+)-對映體的蛋白質結合率較低，且從體內清除相對較快
[2]。布洛芬（ibuprofen）在關節炎病人腔膜液中，活性體S-型的濃度總高于R-型
[3]。
圖3 R-布洛芬（左圖）和S-布洛芬（右圖）在血漿濃度（P）、腔膜液（SF）和水泡液（B）中的濃度-時間曲線，上、下圖表示兩位不同患者
2.3代謝
手性藥物的代謝途徑主要包括對映體代謝途徑和對映體之間的相互轉化。在已研究的手性藥物中，絕大多數藥物代謝表現出不同程度的底物立體選擇性，有關該方面的研究主要集中在CYP450酶系所參與的氧化還原反應里。一種藥物不同代謝途徑的立體選擇方向的差異，與受不同的CYP450同工酶催化密切相關。另一方面，有些對映異構體盡管是由相同的代謝酶催化代謝，但是由于同一種酶對異構體的親和力不同，或者參與對映體藥物代謝的幾種代謝酶的比例不同，都將導致兩者在體內代謝速度和代謝量的差異。手性轉化是指對映異構體在代謝過程中發生構型轉化，從而使手性藥物的代謝和動力學研究變得復雜化。對映體發生手性轉化的器官主要是肝臟，其次是腎和胃腸道。研究對映體在體內的相互轉化，可了解對映體是否通過轉化為另一對映體而減慢另一對映體的消除而產生蓄積。反應停沙利度胺就是因其在體內發生快速的消旋化，其S異構體的致畸作用產生了數萬名的海豹胎，成為人類歷史上的災難性的藥物毒性反應
4]。
圖4 沙利度胺的分子結構及相互轉化
2.4排泄
腎臟是藥物排泄的主要器官，腎排泄涉及腎小球濾過、腎小管主動轉運及腎代謝等過程，后兩個過程涉及腎的主動轉運和代謝，因此對手性對映體的清除可能存在著立體選擇性。膽汁排泄是藥物及其代謝產物的主要排泄途徑之一。手性藥物及其代謝產物在膽汁中排泄涉及主動過程和被動過程。已知膽管存在著三種轉運系統，即有機酸、有機堿和中性化合物轉運系統。這些轉運系統介導的藥物轉運，往往存在著立體選擇性。具有消炎鎮痛作用的2-芳基丙酸類藥物（NSAID）排泄呈立體依賴型，R-型比S-型更易通過膽汁排泄，如：萘普生、布洛芬、酮洛芬
[5]。
圖5 2-芳基丙酸類藥物（NSAID）結構，2-芳基丙酸（1）、萘普生（2）、布洛芬（3）、酮洛芬（4）
3.手性藥物分物分析策略
1992年美國食品與藥品監督管理局（FDA）的藥物評價與研發中心（CDER）公布了手性藥物的發展綱要，要求在新藥的使用說明中必須明確量化每一種對映異構體的藥效和毒理作用，并且當兩種異構體有明顯的藥效和毒理作用差異時,必須以光學純的藥品形式上市。2006年中國國家食品藥品監督管理總局也頒布了《手性藥物質量控制研究技術指導原則》，要求選擇手性分離的方法檢測對映異構體。因此，手性藥物分離分析技術對于藥物的研究與發展具有重要意義。手性藥物的理化性質基本相似，僅僅是旋光性有所差別，手性藥物的分離分析一直是藥物分析領域的難點。目前主要有非色譜法和色譜法兩大類，非色譜法靈敏度低，很難進行微量的分離與測定；色譜法靈敏度和重現性高，在手性藥物的分離測定中得到了廣泛的應用，特別是液相色譜法，已經成為手性藥物分離測定的首選方法。對手性藥物進行臨床前安全性評價時，手性藥物在體內是否發生旋光性轉化是手性藥物成藥性的關鍵，因此生物樣本中手性藥物的分析貫穿臨床前研究的始終。生物樣本中手性藥物檢測首先要實現手性藥物分離，色譜技術是目前手性藥物分離的主要方法，常用的色譜技術包括高效液相色譜法（HPLC）、薄層色譜法（TLC）、氣相色譜（GC）、高效毛細管電泳（HPCE）、超臨界流體色譜（SPF）等。以上幾種方法均具有明顯的優缺點：HPLC的優勢是應用最廣泛，不需要高溫，減少異構化，但是通常是正相模式分離，流動相通常為正己烷和異丙醇或其它正相溶劑，不兼容質譜；TLC的應用范圍與HPLC相似，但靈敏度不及HPLC；GC和HPCE均具有高效和高靈敏度的優點，但是適用范圍窄；SFC兼具GC和HPCE高分離效率和HPLC適用范圍廣的優點，但需在高壓下操作，對設備和技術要求高。雖然超高效液相色譜質譜聯用（UPLC-MS/MS）通過使用手性色譜柱能實現生物樣品中手性藥物的定量檢測。但是手性色譜柱具有市場上品種少、篩選合用的手性色譜柱難度大，手性色譜柱價格昂貴、與HPLC可兼容使用的少、勉強兼用易損壞等缺點
圖6 手性藥物的主要分析方法
超高效合相色譜（UPCC）集SFC技術和UPLC技術為一體的儀器，本研究院創新性地將UPCC與質譜聯用應用于生物樣品中手性藥物檢測，已完成多個手性藥物在復雜生物基質中藥物濃度檢測，與UPLC-MS/MS檢測方法比較，UPCC-MS/MS的檢測方法具有大大縮短方法開發時間、分離時間短、分析方法的重現性和耐用性好、降低檢測成本以及流動相為CO
2，無污染等優點
圖7 UPLC-MS/MS儀
4.案例分享
PTR口服制劑是最常用的第一代質子泵抑制劑（PPIs），被用于治療各種胃酸相關疾病，且有多項研究表明，S-PTR對胃酸分泌的抑制作用顯著強于R-PTR。本研究建立了UPCC-MS/MS測定SD大鼠血漿中手性藥物PTR的定量分析方法，利用乙腈沉淀蛋白制備血漿樣品，采用Acquity UPCC Trefoil
TM CEL2色譜柱進行對映體分離，以CO
2/甲醇（v/v，81:19）為流動相進行等密度洗脫。通過Xevo TQD三重四極桿質譜儀，采用電噴霧電離多反應監測模式對PTR對映體進行檢測。該方法成功地實現了S-和R-PTR的完全分離，二者在10~5000ng/mL濃度范圍內均呈線性，且方法學驗證結果符合接受標準。
SD大鼠灌胃給藥后，于藥前（0h）和給藥后15min、0.5h、1h、1.5h、2h、4h、8h、12h、24h采集血樣。通過建立的UPCC-MS/MS檢測方法測定血漿中S-和R-PTR的藥物濃度，大鼠血漿中S-和R-PTR的代表性色譜圖如圖5所示。藥物的平均血藥濃度-時間曲線圖見圖6，結果提示，口服給予200mg/kg的S-PTR后，可在24h內檢測到S-PTR和少量的R-PTR。并且，口服200mg/kg的R-PTR后也可在24h內觀察到類似的情況。這一結果表明，大鼠血漿中S-和R-PTR存在雙向手性反轉。根據AUC
0−t值，可得到給予200 mg/kg的R-PTR后其向S-PTR轉換的手性反轉率為13.35±3.17%，而給予同等的S-PTR后轉化為R-PTR的手性反轉率為5.02±3.80%。R-PTR的轉化比明顯高于S-PTR（
P＜0.05），說明R-PTR轉化為S-PTR相對容易，而S-PTR轉化為R-PTR相對困難。這也可以解釋SD大鼠口服R-PTR后，S-PTR的血漿濃度高于R-PTR的變化趨勢。
圖8 大鼠血漿中S-和R-PTRS和非那西丁(內標)的代表性色譜圖：（A）空白血漿樣品；（B）空白血漿基質中LLOQ水平（10 ng/mL）下的S-和R-PTRS（IS，10 μg/mL）；（C）單次口服R-PTRS（200mg/kg）后0.25小時采集的血漿樣本。
圖9 SD大鼠單次給藥S-和R-PTRS平均血藥濃度-時間曲線圖
5.結語
隨著對手性藥物認識的不斷深入，不對稱合成技術、拆分技術的飛速發展以及手性藥物監管政策的日益完善，手性藥物已成為新化學實體研發的重要方向。手性藥物的開發是極具個性化的，外消旋體藥物的手性轉換無論在醫藥行業還是臨床治療中都是十分必要的。在對消旋體和單對映體作用進行長期臨床前及臨床評估之后，單一異構體藥物才能夠被開發。本研究院具有手性藥物非臨床藥效藥代毒理研究全過程的豐富經驗，致力于攻克檢測過程中的技術難點，可根據藥物的立題依據，結合藥物自身的特點，進行全面、綜合的評價。
6.參考文獻
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