一、藥物代謝發(fā)展簡史

1、浙江大學藥學院 曾蘇 Metabolism 在生物系統(tǒng)中外源物在生物系統(tǒng)中外源物 (xenobiotics) 的的命運和與內源性分子的相互作用一直被人命運和與內源性分子的相互作用一直被人們所關注。盡管現(xiàn)代研究大多集中在人和們所關注。盡管現(xiàn)代研究大多集中在人和動物中藥物的命運，但是在植物，動物和動物中藥物的命運，但是在植物，動物和微生物中有機化合物的命運也有廣泛的研微生物中有機化合物的命運也有廣泛的研究。究。 藥物代謝發(fā)展簡史藥物代謝發(fā)展簡史 藥物大多是外來分子，進入人體后生物體藥物大多是外來分子，進入人體后生物體的防御系統(tǒng)必然對這些外源物有所反應。一些的防御系統(tǒng)必然對這些外源物有所反應。一些藥

2、物以原形從人體排泄，然而大多數(shù)藥物為了藥物以原形從人體排泄，然而大多數(shù)藥物為了易于排泄需要進行結構修飾。這些結構修飾的易于排泄需要進行結構修飾。這些結構修飾的過程稱為過程稱為“藥物代謝藥物代謝”（drug metabolism）, 也稱為也稱為“生物轉化生物轉化”（biotransformation）。）。1841年年Alexander Ure博士進行了第一個人體藥物代謝博士進行了第一個人體藥物代謝實驗，確證口服苯甲酸在人體內轉化為馬尿酸，并且實驗，確證口服苯甲酸在人體內轉化為馬尿酸，并且提出使用苯甲酸治療痛風。提出使用苯甲酸治療痛風。In the evening, shortly befor

3、e going to bed, I ingested 2 grams of benzoic acid in a sugar syrup. During the night I started sweating, which could be an effect of this acid, since I otherwise very rarely sweat profusely. I experienced no other obvious effect, even over the course of the following days when I took the same dose,

4、 and neither did the sweating reoccurFIn the urine eliminated the next morning was found to be unusually acidic, even after being allowed to stand 12 hours after evaporation .after the residue was mixed with hydrochloric acid and allowed to stand, a large amount of long prismatic brown crystals was

5、formed, which did look like benzoic acid. FAnother portion, which had been concentrated to a syrupy thickness, formed a magma乳漿狀乳漿狀of crystalline plates after being mixed with hydrochloric acid. .Long, colorless prismatic crystals were then isolated . These crystals consisted of pure hippuric acid.

6、. FAs long as I continued to ingest benzoic acid, I could very easily continue to produce quantities of hippuric acid, without any apparent unhealthy effects, so it would be quite easy to produce in such a way great quantities of hippuric acid. .1947年年R. T. Williams出版了劃時代的專著出版了劃時代的專著Detoxication Mec

7、hanism,1959年又進行了修訂。該書系統(tǒng)地總結了年又進行了修訂。該書系統(tǒng)地總結了藥物代謝途徑和許多化合物的代謝研究，并發(fā)展了導致藥藥物代謝途徑和許多化合物的代謝研究，并發(fā)展了導致藥物在體內代謝的是生物化學反應的理論。最重要的是明確物在體內代謝的是生物化學反應的理論。最重要的是明確提出藥物代謝包括兩個階段：氧化、還原、水解為第一個提出藥物代謝包括兩個階段：氧化、還原、水解為第一個階段（階段（I相代謝，相代謝，Phase I），結合反應為第二個階段（），結合反應為第二個階段（I I相代謝相代謝Phase II）。）。藥物代謝酶的發(fā)現(xiàn)藥物代謝酶的發(fā)現(xiàn) 盡管盡管19001900年前就提出了酶參與

8、嗎啡代年前就提出了酶參與嗎啡代謝的假設，但是直到謝的假設，但是直到1909-19101909-1910年才首年才首先由先由BattelliBattelli and Stern and Stern在研究乙醇氧在研究乙醇氧化時表征了現(xiàn)在稱為乙醇脫氫酶的代謝化時表征了現(xiàn)在稱為乙醇脫氫酶的代謝酶。酶。1945 1945 年年 HandlerHandler和和PerlzweigPerlzweig在在Ann. Ann. Rev. BiochemRev. Biochem發(fā)表的藥物代謝綜述中第發(fā)表的藥物代謝綜述中第一次明確討論了藥物代謝酶。一次明確討論了藥物代謝酶。 1947年Williams在他的專著Det

9、oxication Mechanisms中對酶的敘述如下：“毫無疑問解毒毫無疑問解毒機制的大多數(shù)反應都是由酶或酶系統(tǒng)介導的。機制的大多數(shù)反應都是由酶或酶系統(tǒng)介導的。. . . . .然而，解毒機制的酶學研究實際上是一尚未觸及的然而，解毒機制的酶學研究實際上是一尚未觸及的領域。領域。. . . . .當外來有機物進入生物體就會與體內當外來有機物進入生物體就會與體內正常狀態(tài)的一些生化系統(tǒng)，主要是酶接觸，這些酶正常狀態(tài)的一些生化系統(tǒng)，主要是酶接觸，這些酶進行氧化、還原、水解、合成等反應。進行氧化、還原、水解、合成等反應?！?突破性的工作是在1950s由B. B. Brodie和他的同事們完成。195

10、8他們發(fā)表了Enzymatic metabolism of drugs and other foreign compounds. 早期研究顯示肝臟是修飾進入體內物質早期研究顯示肝臟是修飾進入體內物質的主要器官，它位于腸道和系統(tǒng)循環(huán)之間，的主要器官，它位于腸道和系統(tǒng)循環(huán)之間，是理想的藥物代謝部位是理想的藥物代謝部位(圖圖1)。1936年年Potter和和Elvehjem建立了勻漿法，體外測定肝臟的建立了勻漿法，體外測定肝臟的代謝作用；代謝作用；細胞色素細胞色素P450 P450 圖圖1. 人體藥物代謝部位示意圖人體藥物代謝部位示意圖肝臟微粒體酶（氧化、結合）肝外微粒體酶（氧化、結合）肝臟非微粒體

11、酶（乙?；?、硫酸化、氧化F 藥物代謝主要在肝臟，催化藥物代謝的酶大部分存在于肝細胞的微粒體部分，部分存在于線粒體和可溶性部分。F亞細胞器示意圖溶酶體溶酶體線粒體線粒體核仁核仁核核內質網內質網肝微粒體的制備F肝微粒體是肝細胞經破碎得到的內質網（Endoplasmic reticulum）碎片，主要由脂類及蛋白質構成，可分為粗內質網和平滑內質網 。內質網中的主要酶有：F膽固醇合成酶，甾體水解酶，藥物代謝藥物代謝酶酶，葡萄糖-6-磷酸酶，腺苷三磷酸酶，細胞色素b5還原酶，核苷二磷酸酶，-D-葡糖苷酸酶等和蛋白質合成。肝臟勻漿肝臟勻漿離心，離心，9000g20min上清液上清液沉淀沉淀離心，離心，10

12、0000g55min上清液上清液沉淀沉淀離心，19000g15min核核,細胞壁，紅血球細胞壁，紅血球線粒體，溶酶體線粒體，溶酶體微粒體微粒體pH7.4Tris-蔗糖溶液，勻漿蔗糖溶液，勻漿-30 C保存保存可溶可溶部位部位棄去棄去沉淀沉淀上清液上清液PREPARATION OF MICROSOMES 肝微粒體蛋白質濃度測定（Lowry法）F試管編號試管編號 0 1 2 3 4 5 6 F標準蛋白質（標準蛋白質（ml） 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 / F微粒體溶液（微粒體溶液（ml） 0.1F0.9%NaCl（ml） 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.4FD試劑試

13、劑 （ml） 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 4.0 混勻，混勻，37C水浴放置水浴放置10min， 分別加酚試劑分別加酚試劑0.4ml，混勻，混勻37C水浴放置水浴放置10min，700nm處比色處比色測定測定 Gerald Mueller和和Elizabeth Miller應用這些技術研究二應用這些技術研究二甲基氨基偶氮苯甲基氨基偶氮苯(dimethylaminoazobenzene)代謝，該反代謝，該反應需要氧和還原劑應需要氧和還原劑NADPH。Julius Axelrod應用兔肝切片研究安非他明的快速代謝和應用兔肝切片研究安非他明的快速代謝和Bert LaDu在研究氨基

14、比林去甲基代謝實驗中都證實需在研究氨基比林去甲基代謝實驗中都證實需要要NADPH。Axelrod還測定了肝代謝活性的亞細胞定位。這種微粒還測定了肝代謝活性的亞細胞定位。這種微粒體氧化酶后來被定義為細胞色素體氧化酶后來被定義為細胞色素P450 細胞色素細胞色素P450P450是最大的藥物代謝酶蛋白超家族之一，是最大的藥物代謝酶蛋白超家族之一，主要催化藥物的氧化反應，最早是在主要催化藥物的氧化反應，最早是在19551955年由日本年由日本O. O. HayaishiHayaishi博士和美國博士和美國H.S. MasonH.S. Mason博士表征。這種氧化酶博士表征。這種氧化酶既需要氧化劑（分子

15、氧）也需要還原劑（還原型輔酶既需要氧化劑（分子氧）也需要還原劑（還原型輔酶II,NADPHII,NADPH），因此也被稱為），因此也被稱為“混合功能氧化酶混合功能氧化酶”（mixed-function oxidasesmixed-function oxidases, MFO, MFO）。）。R-H + OR-H + O2 2 + NADPH ROH + H + NADPH ROH + H2 2O + NADPO + NADP+ + MFO MFO19551955年年G. R. WilliamsG. R. Williams應用能測定高混濁樣品的分光應用能測定高混濁樣品的分光光度計，發(fā)現(xiàn)一種奇特的

16、光學現(xiàn)象，當將一氧化碳鼓光度計，發(fā)現(xiàn)一種奇特的光學現(xiàn)象，當將一氧化碳鼓泡通過由聯(lián)二硫酸鈉所還原的鼠肝微粒體懸浮液時，泡通過由聯(lián)二硫酸鈉所還原的鼠肝微粒體懸浮液時，在該懸浮液的差示光譜中可出現(xiàn)一個峰值在在該懸浮液的差示光譜中可出現(xiàn)一個峰值在450nm450nm的強的強吸收峰。該吸收峰的位置與其它血紅蛋白吸收峰。該吸收峰的位置與其它血紅蛋白/ /一氧化碳結一氧化碳結合物的吸收峰位置不同，后者的峰位均在合物的吸收峰位置不同，后者的峰位均在420nm420nm左右，左右，但是這一觀察結果沒有發(fā)表。但是這一觀察結果沒有發(fā)表。 19581958年年GarfinkelGarfinkel 和和Klingenb

17、ergKlingenberg分別發(fā)表了對分別發(fā)表了對這一奇特色素的研究結果和肝臟藥物氧化代謝反應這一奇特色素的研究結果和肝臟藥物氧化代謝反應的生化特性。這種色素由的生化特性。這種色素由OmuraOmura 和和SatoSato表征為細胞表征為細胞色素，并正式命名為色素，并正式命名為P450,P450,意即一種在意即一種在450nm450nm處有最處有最大吸收峰的細胞色素（大吸收峰的細胞色素（P P是是PigmentPigment的縮寫）。的縮寫）。OmuraOmura 和和SatoSato認為細胞色素認為細胞色素P450P450是一種與磷脂膜緊密結合是一種與磷脂膜緊密結合的水不溶性酶蛋白。通過

18、使用清潔劑溶解微粒體和的水不溶性酶蛋白。通過使用清潔劑溶解微粒體和與異氰酸鹽配體相互作用，最大吸收波長位移到與異氰酸鹽配體相互作用，最大吸收波長位移到420nm420nm（細胞色素（細胞色素P420P420）。）。P420P420具有典型的具有典型的a a 、b b和和 索雷（索雷（SoretSoret）吸收帶。）吸收帶。 自從細胞色素自從細胞色素P450被鑒定為氧化反應的最終組分后的被鑒定為氧化反應的最終組分后的35年里，藥物代謝這個領域已經從僅僅是藥物代謝科學家感興年里，藥物代謝這個領域已經從僅僅是藥物代謝科學家感興趣，擴展到分子生物學家、藥理學家、生化學家和醫(yī)生都感趣，擴展到分子生物學家

19、、藥理學家、生化學家和醫(yī)生都感興趣的主要研究領域。從興趣的主要研究領域。從1969年年Lu和和Coon首先分離膜結合首先分離膜結合P450到到99年年Eric Jonson等首次結晶哺乳類等首次結晶哺乳類P450，確立了，確立了P450 在控制藥物和其它外源物體內代謝過程中發(fā)揮重要作用。在控制藥物和其它外源物體內代謝過程中發(fā)揮重要作用。 第一個報道的糖結合物是染料第一個報道的糖結合物是染料印第安黃的主要成分優(yōu)印第安黃的主要成分優(yōu) 黃酸。印黃酸。印第安黃通常是從喂以芒果葉后的第安黃通常是從喂以芒果葉后的牛尿中分離牛尿中分離,能被酸水解產生苷元能被酸水解產生苷元 . 尿苷二磷酸葡醛酸轉移酶尿苷二磷

20、酸葡醛酸轉移酶Schmiedeberg和和Meyer繼續(xù)繼續(xù)早期樟腦代謝研究和從給予早期樟腦代謝研究和從給予樟腦的狗尿中分離出樟腦結樟腦的狗尿中分離出樟腦結合物。他們將糖基分離和表合物。他們將糖基分離和表征為葡萄糖醛酸。征為葡萄糖醛酸。 1953年年Dutton 和和Storey發(fā)現(xiàn)尿苷二磷酸葡醛發(fā)現(xiàn)尿苷二磷酸葡醛酸酸(uridine diphosphoglucuronic acid ，UDPGA)和確定和確定UDPGA這種輔因子在葡醛酸苷形成中的作這種輔因子在葡醛酸苷形成中的作用。催化上述反應的酶也就被命名為尿苷二磷酸用。催化上述反應的酶也就被命名為尿苷二磷酸葡醛酸轉移酶（葡醛酸轉移酶（UG

21、T）。）。UGT與其它結合反應的與其它結合反應的酶，如硫酸轉移酶等相比，具有低親和力和高結酶，如硫酸轉移酶等相比，具有低親和力和高結合能力的特征，并且是與脂膜結合的二相結合反合能力的特征，并且是與脂膜結合的二相結合反應藥物代謝酶。應藥物代謝酶。 縱觀整個藥物代謝的歷史，顯然，其研究的重大進展縱觀整個藥物代謝的歷史，顯然，其研究的重大進展總是與分析技術的發(fā)展密不可分。分析測試技術的發(fā)展極總是與分析技術的發(fā)展密不可分。分析測試技術的發(fā)展極大地推動了藥物代謝研究，甚至發(fā)揮關鍵作用。大地推動了藥物代謝研究，甚至發(fā)揮關鍵作用。分光光度法、同位素法、色譜法、酶法、細胞化學法、元分光光度法、同位素法、色譜法

22、、酶法、細胞化學法、元素分析、高通量篩選和測定、超靈敏分析技術和計算機模素分析、高通量篩選和測定、超靈敏分析技術和計算機模型。型。CYP的發(fā)現(xiàn)：的發(fā)現(xiàn)：1。同位素。同位素18 O2采用質譜儀研究氧代謝、采用質譜儀研究氧代謝、2。雙光束能快速掃描的分光光度計，可以用于線粒體和微粒雙光束能快速掃描的分光光度計，可以用于線粒體和微粒體等細胞微粒的渾濁樣品、體等細胞微粒的渾濁樣品、3?！把蹼姌O氧電極”。這種測量氧利。這種測量氧利用率的簡單極譜法，用于測定氧消耗量、底物代謝量和由用率的簡單極譜法，用于測定氧消耗量、底物代謝量和由P450反應所利用的減少量。反應所利用的減少量。先進分析技術對藥物代謝學的貢

23、獻先進分析技術對藥物代謝學的貢獻 可以說，由于現(xiàn)代科學技術逐步介入，導致了可以說，由于現(xiàn)代科學技術逐步介入，導致了“藥物代謝藥物代謝”學科的誕生。隨著組合化學和高通學科的誕生。隨著組合化學和高通量生物篩選的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了大量新化學實體量生物篩選的快速發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了大量新化學實體（New Chemical Entities,NCENew Chemical Entities,NCE），因此迫切需），因此迫切需要測定這些化學實體的要測定這些化學實體的ADMEADME特性，以選擇特性，以選擇“理想理想”的藥物侯選物進一步研發(fā)。為了滿足這些日益增的藥物侯選物進一步研發(fā)。為了滿足這些日益增長的需要，藥物代

24、謝科學家又建立了新方法，包長的需要，藥物代謝科學家又建立了新方法，包括：體外括：體外“人源化人源化”細胞模型、高通量篩選和測細胞模型、高通量篩選和測定、超靈敏分析技術和計算機模型等，以加速測定、超靈敏分析技術和計算機模型等，以加速測定化學實體的定化學實體的ADMEADME特性。特性。 19世紀初，藥物代謝反應逐步被發(fā)現(xiàn)，世紀初，藥物代謝反應逐步被發(fā)現(xiàn)， 20世紀基本的生物轉化世紀基本的生物轉化-氧化、還原、水結和合氧化、還原、水結和合成都已被闡明，但是它們相關的應用尚未完全成都已被闡明，但是它們相關的應用尚未完全清楚。清楚。20世紀世紀80年代關鍵酶的的年代關鍵酶的的X-射線結構還未被揭射線結

25、構還未被揭示，分子生物學開始探討藥物代謝酶蛋白質的示，分子生物學開始探討藥物代謝酶蛋白質的表達和合成。藥物治療中藥酶基因多態(tài)性的作表達和合成。藥物治療中藥酶基因多態(tài)性的作用日益明顯。用日益明顯。從上世紀從上世紀50年代早期和整個年代早期和整個60年代，開始研究年代，開始研究實際的藥物代謝酶及其細胞定位。實際的藥物代謝酶及其細胞定位。 藥物代謝研究展望藥物代謝研究展望左：左：CYP2C9晶體結構圖，晶體結構圖，右：右：CYP2C9與華法令形成的復物與華法令形成的復物藥物代謝研究展望藥物代謝研究展望 藥物代謝在理解個體對藥物和化學環(huán)境的反應藥物代謝在理解個體對藥物和化學環(huán)境的反應中發(fā)揮重要作用，藥

26、物治療中藥酶基因多態(tài)性的作中發(fā)揮重要作用，藥物治療中藥酶基因多態(tài)性的作用日益明顯，病人基因缺陷和表達程度的信息與疾用日益明顯，病人基因缺陷和表達程度的信息與疾病信息在制定合理治療方案中同等重要。弄清楚微病信息在制定合理治療方案中同等重要。弄清楚微小的基因變化是怎樣改變個體對環(huán)境的響應，將構小的基因變化是怎樣改變個體對環(huán)境的響應，將構筑控制人類對藥物反應的數(shù)據(jù)庫。筑控制人類對藥物反應的數(shù)據(jù)庫。 進入進入2121世紀，人們發(fā)現(xiàn)藥物代謝在在理解個體對藥世紀，人們發(fā)現(xiàn)藥物代謝在在理解個體對藥物和化學環(huán)境的反應中發(fā)揮重要作用。物和化學環(huán)境的反應中發(fā)揮重要作用。病人基因缺陷和表達程度的信息與疾病信息在制定

27、合病人基因缺陷和表達程度的信息與疾病信息在制定合理治療方案中同等重要。理治療方案中同等重要。了解微小的基因改變是怎樣改變個體對環(huán)境的響應，了解微小的基因改變是怎樣改變個體對環(huán)境的響應，將構筑控制人類對藥物反應的數(shù)據(jù)庫。將構筑控制人類對藥物反應的數(shù)據(jù)庫?；蚪M、蛋白質組和強有力的分析技術的聯(lián)合應用，基因組、蛋白質組和強有力的分析技術的聯(lián)合應用，將是我們在分子水平探索人類對藥物的響應。將是我們在分子水平探索人類對藥物的響應。使用大功率計算機程序，使得我們可使用大功率計算機程序，使得我們可以組裝分子數(shù)據(jù)，預測個體生物對環(huán)以組裝分子數(shù)據(jù)，預測個體生物對環(huán)境的響應。境的響應。 20世紀世紀50年代后。藥

28、物代謝作為藥理學和生物化學的分支年代后。藥物代謝作為藥理學和生物化學的分支學科迅速發(fā)展。藥物代謝已經明顯的對藥動學、藥效學、毒理學科迅速發(fā)展。藥物代謝已經明顯的對藥動學、藥效學、毒理學以及其它生物醫(yī)學科學產生了顯著地影響。藥物代謝研究資學以及其它生物醫(yī)學科學產生了顯著地影響。藥物代謝研究資料已成為世界范圍新藥申請注冊的必備條件。在該領域已發(fā)展料已成為世界范圍新藥申請注冊的必備條件。在該領域已發(fā)展了一批學術團體。如，了一批學術團體。如， 1981年年Bruce Migdalof博士、博士、Fred DiCarlo、 John Baer和和 Ina Snow發(fā)起成立了國際外源物研究發(fā)起成立了國際外

29、源物研究協(xié)會（協(xié)會（International Society for the Study of Xenobiotics，ISSX）。主要研討生物系統(tǒng)藥物和化學品代謝與處置。）。主要研討生物系統(tǒng)藥物和化學品代謝與處置。 也有也有專業(yè)的學術刊物，如專業(yè)的學術刊物，如Drug Metabolism and Disposition， Current Drug Metabolism, Department of Health and Human ServicesU.S. Food and Drug AdministrationCenter for Drug Evaluation and Researc

30、hCenter For Biologics Evaluation and Research Guidance for Industry1。Drug Metabolism/Drug Interaction Studies in the Drug Development Process: Studies In Vitro2。In Vivo Drug Metabolism/Drug Interaction Studies - Study Design, Data Analysis, and Recommendations for Dosing and Labeling FDrug Interacti

31、on Studies Study Design, Data Analysis, and Implications for Dosing and Labeling，September 2006 FSFDA, 化學藥物非臨床藥代動力學研究化學藥物非臨床藥代動力學研究技術指導原則技術指導原則,2005 藥物在生物體內的處置包括吸收、分布、藥物在生物體內的處置包括吸收、分布、代謝和排泄（代謝和排泄（ADMEADME）, ,是藥物在體內產生藥是藥物在體內產生藥效及毒性的主要過程。大約效及毒性的主要過程。大約40%40%的藥物候選的藥物候選物是由于藥代特性不佳而遭淘汰。物是由于藥代特性不佳而遭淘汰。藥物代謝毒性缺少活性商業(yè)原因人類副作用其他 (1)藥物靶標（受體、酶等）、藥物轉運體（有機藥物靶標（受體、酶等）、藥物轉運體（有機陽離子轉運體、陽離子轉運體、P-糖蛋白，糖蛋白，-1-酸糖蛋白等）和藥酸糖蛋白等）和藥物代謝酶的基因變異物代謝酶的基因變異; (2) 藥物受體、藥物轉運體和藥物受體、藥物轉運體和藥物代謝酶基因變異體的結構與功能藥物代謝酶基因變異體的結構與功能; (3)