手性药物（Stereoisomeric Drugs）是指分子结构中含有手性中心或不对称中心的药物，它包括单一的对映异构体、2个或2个以上对映异构体的混合物。这些对映异构体的理化性质基本相似，仅仅是旋光性有所差别。研究表明，约60%的常用药物中具有1个或1个以上手性中心，而美国药典所列出的2000多种常用药物中约50%是属于手性药物。手性药物市场还在逐年扩大，手性药物已经成为新分子实体研究开发的重要方向。在人体环境中，很多内源性大分子物质，如酶、载体、受体、血浆蛋白等都具有手性特征。手性药物与体内大分子物质相互识别、相互作用，发生立体选择性导致对映体的药理活性和毒理活性表现出多样性。其药理学及毒理学的多样性大致可分为以下几种情况：两对映体活性及程度相同；两对映体中，一个有活性，另一个没有活性甚至有严重毒副作用；两对映体具有完全不同甚至相反的药理活性；两对映体有相同的药理活性，但活性程度不同；两对映体的药理活性不同，但合并用药有利。基于以上手性药物的特点，评估手性药物单个对映体的药代动力学特征和生物体内可能的手性反转是十分必要的 图1 两种手性对映异构体
1.手性药物的开发策略
目前，手性药物临床用量日益上升，市场份额逐年扩大。世界医药领域对手性药物的研发之势愈来愈烈，并已有大量新品种面世。在手性药物的开发过程中，由于很多结构相似的手性对映异构体在生物体内作用有大的差异，故单一对映异构体的获取显得非常重要。对于医药公司的研发团队而言，单一对映异构体的获取主要可分为两种情况：（1）通过手性转换方法从已有的外消旋药物转换为该种药物的两种对映异构体之一，即所谓的优性异构体（Eutomer）；（2）从头开发单一对映体纯药物。对于第一种情况，在药物开发过程中一定要考虑手性转换过程。为了与外消旋前体药物相比较，埃索美拉唑、左旋西替利嗪和右兰索拉唑上市前向FDA提供了几项预批准的随机对照补充试验（RCT）。这种情况占了在2001~2011年FDA批准的优性异构体药物的三分之一。手性转换的优势包括：（1）通过提高药效，降低毒性以及更好的选择性来改善药物的治疗指数；（2）药物起效更快；（3）降低药物-药物间的相互作用；（4）降低患者药物的暴露剂量。对于从头开发对单一映体纯药物而言，主要有3种途径：（1）从天然产物（手性池）的纯对映体开始；（2）分离通过非立体选择性合成所获得的外消旋体（手性拆分）；（3）采用立体选择性合成方法（包括酶促反应和生物学手段）。在这两种单一对映异构体的开发过程中，研发团队必须提供最终产品的详细规格，从立体化学的角度确保产品的特性、质量和纯度。
 
2.手性药物的药代动力学特征
在人体的手性环境中，手性药物对映体与生物大分子间相互识别、相互作用的立体选择性导致了手性药物的药理学差异，即药理学立体选择性。药理学立体选择性分为药效学立体选择性（Stereo-selectivity in pharmacodynamics）和药代动力学立体选择性（Stereo-selectivity in pharmacokinetics）。药效学立体选择性是指手性药物对映体间的药效学作用及其机制存在着差异。药代动力学立体选择性是指手性药物对映体在吸收、分布、代谢和消除过程中具有差异。临床常用的手性药物中90%以外消旋体给药，而其药理学立体选择性可能导致药效学和/或药代动力学性质的差异，因此评估外消旋体中单个对映异构体在体内的吸收、分布、代谢、排泄和毒性是非常有必要的。基于此，手性药物药代动力学研究的相关问题也引起了越来越广泛的关注和重视。 图2 手性药物药代动力学研究
对于手性化合物的药代动力学研究，可先进行体外转化的研究，尽可能多地了解化合物在各种生物基质和环境下的转换状态，再评估其在体内的药代和转换特性。如果没有先行的体外实验的研究，在手性化合物的初步药代动力学动物体内实验中，也可以采用手性的方法对样品进行各时间点的监测，从而直接了解化合物的转换和代谢特性。
2.1吸收
多数药物的吸收都是被动扩散的过程，其吸收的速度和程度取决于药物的脂溶性。由于两个手性对映体的脂溶性和水溶性并无明显的差别，因此通过生物膜被动扩散的吸收不存在立体选择性。而手性药物在经过主动转运或易化转运方式进行吸收时，由于细胞膜载体或酶可识别药物的空间结构，则会出现立体选择性，造成对映体在吸收上的差异。当手性药物在胃肠道经主动转运进行吸收时，两个对映体的吸收特性有可能存在着显著差别，而且许多手性药物在发生首过消除反应时会呈现出立体选择性。天然的亚叶酸为左旋体，口服后100％吸收，而右旋体口服后只有20％吸收^[1]
2.2分布
药物的分布程度取决于药物的脂溶性和药物与血浆蛋白、组织的结合能力。药物透膜的分配系数通常不受手性影响，但药物对映体的蛋白结合率可能有很大差异。其立体选择性主要体现在与血浆蛋白或组织结合的过程中。在血浆中，与游离药物结合的血浆蛋白主要有白蛋白（albumin）和β-酸性糖蛋白（β-acid glycoprotein），前者通常与酸性药物结合，而后者主要与碱性药物结合。手性对映体与这两类蛋白结合能力的不同，导致血浆蛋白结合的差异。手性药物在组织中的分布也同样存在着立体选择性，这种选择性除与血浆蛋白中药物的游离分数有关外，还和药物与组织结合、跨膜转运等特性有关。在人体内，选择性强的去甲肾上腺素再摄取抑制剂瑞波西汀的(+)-与(-)-对映体的AUC比值为0.15，这是因为活性更显著的(+)-对映体的蛋白质结合率较低，且从体内清除相对较快^[2]。布洛芬（ibuprofen）在关节炎病人腔膜液中，活性体S-型的浓度总高于R-型^[3]。 图3 R-布洛芬（左图）和S-布洛芬（右图）在血浆浓度（P）、腔膜液（SF）和水泡液（B）中的浓度-时间曲线，上、下图表示两位不同患者
2.3代谢
手性药物的代谢途径主要包括对映体代谢途径和对映体之间的相互转化。在已研究的手性药物中，绝大多数药物代谢表现出不同程度的底物立体选择性，有关该方面的研究主要集中在CYP450酶系所参与的氧化还原反应里。一种药物不同代谢途径的立体选择方向的差异，与受不同的CYP450同工酶催化密切相关。另一方面，有些对映异构体尽管是由相同的代谢酶催化代谢，但是由于同一种酶对异构体的亲和力不同，或者参与对映体药物代谢的几种代谢酶的比例不同，都将导致两者在体内代谢速度和代谢量的差异。手性转化是指对映异构体在代谢过程中发生构型转化，从而使手性药物的代谢和动力学研究变得复杂化。对映体发生手性转化的器官主要是肝脏，其次是肾和胃肠道。研究对映体在体内的相互转化，可了解对映体是否通过转化为另一对映体而减慢另一对映体的消除而产生蓄积。反应停沙利度胺就是因其在体内发生快速的消旋化，其S异构体的致畸作用产生了数万名的海豹胎，成为人类历史上的灾难性的药物毒性反应^4]。 图4 沙利度胺的分子结构及相互转化
2.4排泄
肾脏是药物排泄的主要器官，肾排泄涉及肾小球滤过、肾小管主动转运及肾代谢等过程，后两个过程涉及肾的主动转运和代谢，因此对手性对映体的清除可能存在着立体选择性。胆汁排泄是药物及其代谢产物的主要排泄途径之一。手性药物及其代谢产物在胆汁中排泄涉及主动过程和被动过程。已知胆管存在着三种转运系统，即有机酸、有机碱和中性化合物转运系统。这些转运系统介导的药物转运，往往存在着立体选择性。具有消炎镇痛作用的2-芳基丙酸类药物（NSAID）排泄呈立体依赖型，R-型比S-型更易通过胆汁排泄，如：萘普生、布洛芬、酮洛芬^[5]。 图5 2-芳基丙酸类药物（NSAID）结构，2-芳基丙酸（1）、萘普生（2）、布洛芬（3）、酮洛芬（4）
3.手性药物分物分析策略
1992年美国食品与药品监督管理局（FDA）的药物评价与研发中心（CDER）公布了手性药物的发展纲要，要求在新药的使用说明中必须明确量化每一种对映异构体的药效和毒理作用，并且当两种异构体有明显的药效和毒理作用差异时,必须以光学纯的药品形式上市。2006年中国国家食品药品监督管理总局也颁布了《手性药物质量控制研究技术指导原则》，要求选择手性分离的方法检测对映异构体。因此，手性药物分离分析技术对于药物的研究与发展具有重要意义。手性药物的理化性质基本相似，仅仅是旋光性有所差别，手性药物的分离分析一直是药物分析领域的难点。目前主要有非色谱法和色谱法两大类，非色谱法灵敏度低，很难进行微量的分离与测定；色谱法灵敏度和重现性高，在手性药物的分离测定中得到了广泛的应用，特别是液相色谱法，已经成为手性药物分离测定的首选方法。对手性药物进行临床前安全性评价时，手性药物在体内是否发生旋光性转化是手性药物成药性的关键，因此生物样本中手性药物的分析贯穿临床前研究的始终。生物样本中手性药物检测首先要实现手性药物分离，色谱技术是目前手性药物分离的主要方法，常用的色谱技术包括高效液相色谱法（HPLC）、薄层色谱法（TLC）、气相色谱（GC）、高效毛细管电泳（HPCE）、超临界流体色谱（SPF）等。以上几种方法均具有明显的优缺点：HPLC的优势是应用最广泛，不需要高温，减少异构化，但是通常是正相模式分离，流动相通常为正己烷和异丙醇或其它正相溶剂，不兼容质谱；TLC的应用范围与HPLC相似，但灵敏度不及HPLC；GC和HPCE均具有高效和高灵敏度的优点，但是适用范围窄；SFC兼具GC和HPCE高分离效率和HPLC适用范围广的优点，但需在高压下操作，对设备和技术要求高。虽然超高效液相色谱质谱联用（UPLC-MS/MS）通过使用手性色谱柱能实现生物样品中手性药物的定量检测。但是手性色谱柱具有市场上品种少、筛选合用的手性色谱柱难度大，手性色谱柱价格昂贵、与HPLC可兼容使用的少、勉强兼用易损坏等缺点 图6 手性药物的主要分析方法
 
超高效合相色谱（UPCC）集SFC技术和UPLC技术为一体的仪器，本研究院创新性地将UPCC与质谱联用应用于生物样品中手性药物检测，已完成多个手性药物在复杂生物基质中药物浓度检测，与UPLC-MS/MS检测方法比较，UPCC-MS/MS的检测方法具有大大缩短方法开发时间、分离时间短、分析方法的重现性和耐用性好、降低检测成本以及流动相为CO₂，无污染等优点 图7 UPLC-MS/MS仪
 
4.案例分享
PTR口服制剂是最常用的第一代质子泵抑制剂（PPIs），被用于治疗各种胃酸相关疾病，且有多项研究表明，S-PTR对胃酸分泌的抑制作用显著强于R-PTR。本研究建立了UPCC-MS/MS测定SD大鼠血浆中手性药物PTR的定量分析方法，利用乙腈沉淀蛋白制备血浆样品，采用Acquity UPCC Trefoil^TM CEL2色谱柱进行对映体分离，以CO₂/甲醇（v/v，81:19）为流动相进行等密度洗脱。通过Xevo TQD三重四极杆质谱仪，采用电喷雾电离多反应监测模式对PTR对映体进行检测。该方法成功地实现了S-和R-PTR的完全分离，二者在10~5000ng/mL浓度范围内均呈线性，且方法学验证结果符合接受标准。
SD大鼠灌胃给药后，于药前（0h）和给药后15min、0.5h、1h、1.5h、2h、4h、8h、12h、24h采集血样。通过建立的UPCC-MS/MS检测方法测定血浆中S-和R-PTR的药物浓度，大鼠血浆中S-和R-PTR的代表性色谱图如图5所示。药物的平均血药浓度-时间曲线图见图6，结果提示，口服给予200mg/kg的S-PTR后，可在24h内检测到S-PTR和少量的R-PTR。并且，口服200mg/kg的R-PTR后也可在24h内观察到类似的情况。这一结果表明，大鼠血浆中S-和R-PTR存在双向手性反转。根据AUC_0−t值，可得到给予200 mg/kg的R-PTR后其向S-PTR转换的手性反转率为13.35±3.17%，而给予同等的S-PTR后转化为R-PTR的手性反转率为5.02±3.80%。R-PTR的转化比明显高于S-PTR（P＜0.05），说明R-PTR转化为S-PTR相对容易，而S-PTR转化为R-PTR相对困难。这也可以解释SD大鼠口服R-PTR后，S-PTR的血浆浓度高于R-PTR的变化趋势。 图8 大鼠血浆中S-和R-PTRS和非那西丁(内标)的代表性色谱图：（A）空白血浆样品；（B）空白血浆基质中LLOQ水平（10 ng/mL）下的S-和R-PTRS（IS，10 μg/mL）；（C）单次口服R-PTRS（200mg/kg）后0.25小时采集的血浆样本。 图9 SD大鼠单次给药S-和R-PTRS平均血药浓度-时间曲线图
5.结语
随着对手性药物认识的不断深入，不对称合成技术、拆分技术的飞速发展以及手性药物监管政策的日益完善，手性药物已成为新化学实体研发的重要方向。手性药物的开发是极具个性化的，外消旋体药物的手性转换无论在医药行业还是临床治疗中都是十分必要的。在对消旋体和单对映体作用进行长期临床前及临床评估之后，单一异构体药物才能够被开发。本研究院具有手性药物非临床药效药代毒理研究全过程的丰富经验，致力于攻克检测过程中的技术难点，可根据药物的立题依据，结合药物自身的特点，进行全面、综合的评价。
 
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