頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)研究-抗生素質(zhì)量控制

1、發(fā)布日期 20071129 欄目 化藥藥物評價(jià)>>化藥質(zhì)量控制 標(biāo)題 頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)研究抗生素質(zhì)量控制 作者 蔣煜馬磊 張哲峰 張星一 部門 正文內(nèi)容                                審評三部蔣煜馬磊  張哲峰  張星一摘要：有關(guān)物質(zhì)是

2、藥物質(zhì)量控制的重要項(xiàng)目。與發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)申請人對頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)的研究顯得比較薄弱。本文對該類抗生素有關(guān)物質(zhì)的產(chǎn)生途徑和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以期引起申請人注意，并進(jìn)一步重視對該類抗生素有關(guān)物質(zhì)的研究工作，不斷提高有關(guān)物質(zhì)研究和控制水平。我們將繼續(xù)對各具體品種以及各國對該類抗生素有關(guān)物質(zhì)控制的情況進(jìn)行介紹和分析。關(guān)鍵詞：頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)質(zhì)量控制一、概述-內(nèi)酰胺抗生素為一類結(jié)構(gòu)中含四元環(huán)內(nèi)酰胺的抗生素，從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分類，主要包括青霉素類、頭孢類等典型的-內(nèi)酰胺和非典型內(nèi)酰胺如青霉烯、氧頭孢、碳頭孢、單環(huán)內(nèi)酰胺等。其中，頭孢菌素是該類抗生素中最大的一個(gè)分支。自1964年，美國E.Lilly開發(fā)成功頭

3、孢噻吩以來，四十年間，目前全球已上市了包括第一代到第四代的頭孢菌素品種約56種。據(jù)日本厚生省統(tǒng)計(jì)，日本抗生素市場中頭孢菌素占49.34%，口服頭孢菌素占口服抗生素的45.2%，注射用頭孢菌素占注射用抗生素的53.9%（統(tǒng)計(jì)年限不清）。據(jù)2004年全國醫(yī)院用藥商情(IMS)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2004年國內(nèi)銷售的頭孢菌素類品種多達(dá)36種，銷售額達(dá)160億元以上，上億元的品種有21個(gè)，其中十億元以上的有五個(gè)，而實(shí)際未統(tǒng)計(jì)在內(nèi)的銷售額遠(yuǎn)不止于此。另一方面，頭孢菌素目前的申報(bào)數(shù)量在整個(gè)抗生素中也占有相當(dāng)大的比例。多個(gè)廠家申報(bào)同一個(gè)品種的現(xiàn)象非常普遍。例如，第二代頭孢菌素頭孢替坦二鈉及其制劑即有三十來家申請人。與

4、目前的臨床應(yīng)用量相比，以及與某些醫(yī)藥研發(fā)發(fā)達(dá)國家相比，目前國內(nèi)申請人對于頭孢菌素的質(zhì)量研究，特別是有關(guān)物質(zhì)研究，尚存在一定差距。以納入中國藥典的頭孢呋辛鈉為例，國外對有關(guān)物質(zhì)研究過程非常細(xì)致，并且在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對已知雜質(zhì)FMA-HACA、反式-CURO、FMA-HACA內(nèi)酯，以及未明確結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)1、雜質(zhì)2分別進(jìn)行了單獨(dú)控制，在此基礎(chǔ)之上對于其他單個(gè)雜質(zhì)以及總雜質(zhì)進(jìn)行了單獨(dú)控制。而國內(nèi)申請人則研究較為簡單，多數(shù)參照中國藥典列出的色譜條件進(jìn)行研究，對已知雜質(zhì)不做分析，在標(biāo)準(zhǔn)中也僅對單個(gè)雜質(zhì)以及總雜質(zhì)進(jìn)行質(zhì)控。本文擬結(jié)合頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)可能的引入形式、雜質(zhì)種類，以及控制方法等進(jìn)行分析，以期申請人進(jìn)一步

5、重視對有關(guān)物質(zhì)的研究。二、頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)的引入途徑以及存在形式與其他合成藥物類似，頭孢菌素有關(guān)物質(zhì)的引入形式包括：1、在合成過程中引入（由起始原料、中間體引入，副反應(yīng)引入）；2、在制劑生產(chǎn)以及保存過程中降解產(chǎn)生（水解、聚合，異構(gòu)）等。需要注意的是，部分有關(guān)物質(zhì)即可能是在合成反應(yīng)過程中引入，也可能是在保存中降解產(chǎn)生，還有可能在體內(nèi)分解產(chǎn)生。如：去乙酰頭孢噻肟可同時(shí)為頭孢噻肟的代謝物和降解產(chǎn)物。2.1合成過程中引入2.1.1  起始原料以及中間體因素    圖17-ACA結(jié)構(gòu)2.1.1.1頭孢母核由于合成以及精制不完全的原因，部分起始原料可能混入最終產(chǎn)品中

6、。主要包括：頭孢菌素的幾種主要起始原料7-ACA、7-ADCA，以及將7-ACA碳3位上的乙酰氧甲基用其他側(cè)鏈取代得到的一系列高級中間體，如GCLE、7-TMCA、7-TDA等。2.1.1.2  C-3位和C-7位的側(cè)鏈包括用于合成頭孢噻肟、頭孢曲松、頭孢地嗪、頭孢他美酯等的氨噻肟酸系列中間體，包括氨噻肟酸、AE-活性酯、氨噻肟酸乙酯，去甲氨噻肟酸乙酯等；合成頭孢氨芐和頭孢羥氨芐的苯甘氨酸以及對羥基苯甘氨酸。研究顯示，用于合成頭孢哌酮、頭孢孟多、頭孢替坦、頭孢甲肟、頭孢替安等的N-甲基硫四唑(MTT)，可能與人血液凝固疾病及戒酒硫樣反應(yīng)有關(guān)聯(lián)。圖2N-甲基硫四唑(MTT)對于第一代頭

7、孢菌素，如：頭孢氨芐、頭孢羥氨芐、頭孢克洛，頭孢拉定等，在C-7位側(cè)鏈引入芐氨基，由后者引入一個(gè)新的手性碳原子，芐氨基的純度直接影響了終產(chǎn)品的純度。2.1.1.3各步反應(yīng)產(chǎn)生的中間體，由于反應(yīng)不完全或者精制方法等因素而可能引入最終產(chǎn)品中。例如：頭孢西丁鈉，采用7-ACA縮合得到頭孢噻吩酸，然后在7-位引入甲氧基，水解除去保護(hù)基后得到頭孢西丁。頭孢噻吩酸可能混入最終產(chǎn)物中。2.1.1.4在起始原料以及中間體生產(chǎn)過程中混入的有關(guān)物質(zhì)，也可能隨反應(yīng)引入最終產(chǎn)品中。如混入7-ADCA中的3異構(gòu)體可能隨反應(yīng)混入最終產(chǎn)物中。  1：7-ADCA3異構(gòu)體；2：7-ADCA2異構(gòu)體；  3

8、：頭孢氨芐3異構(gòu)體；4：頭孢氨芐2異構(gòu)體     圖3  頭孢氨芐可能含有的雜質(zhì)2.1.2副反應(yīng)引入副反應(yīng)是引入雜質(zhì)的一個(gè)重要因素。例如頭孢呋辛鈉的合成中，可采用氯磺酰異氰酸酯（CSI）對3位羥甲基進(jìn)行氨甲酰反應(yīng)。研究顯示加入CSI的時(shí)間和溫度對于7位側(cè)鏈中肟基構(gòu)型影響較大，如果滴加時(shí)間過程較長，則反式異構(gòu)體的生成量顯著增加。         圖4  頭孢呋辛鈉合成過程中氨甲酰反應(yīng)另外，對于部分C-3位含季銨雜環(huán)的第三代或第四代頭孢菌素，引入季銨雜環(huán)的工藝

9、步驟可產(chǎn)生副反應(yīng)產(chǎn)物異構(gòu)體。文獻(xiàn)顯示終產(chǎn)物中異構(gòu)體含量與合成路線以及合成工藝明顯相關(guān)。例如在合成頭孢吡肟的過程中（如下圖所示），母環(huán)引入N-甲基吡咯烷的反應(yīng)可以同時(shí)生成3/2異構(gòu)體，其中3異構(gòu)體的含量與合成路線是先3位取代后7位酰化或先7位酰化后3位取代、以及反應(yīng)的具體工藝條件如反應(yīng)溶劑，反應(yīng)溫度等密切相關(guān)。 圖5  頭孢吡肟合成過程中產(chǎn)生異構(gòu)體的可能機(jī)制2.2保存以及制劑生產(chǎn)過程中引入2.2.1C-3位水解在酸性、堿性和中性溶液狀態(tài)下，C-3位側(cè)鏈的水解是頭孢菌素的主要降解途徑之一。在pH 值小于4 時(shí)，這類C-3位降解衍生物迅速分子內(nèi)環(huán)化，生成內(nèi)酯化合物。當(dāng)C-3位基團(tuán)

10、為乙烯基時(shí)，如頭孢地尼、頭孢美唑等，也會(huì)與C-4位羧基進(jìn)行分子內(nèi)環(huán)合，形成五元環(huán)內(nèi)酯。其降解的途徑如下：              圖6 C-3位水解機(jī)理3位側(cè)鏈上的雜環(huán)取代基脫落后可形成兩部分有關(guān)物質(zhì)：脫取代基頭孢殘基以及小分子降解物。頭孢他啶和頭孢匹羅，水解分別產(chǎn)生吡啶和2,3-環(huán)戊烯吡啶，這些C-3位降解物現(xiàn)已引起越來越多的關(guān)注。在頭孢他啶質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對吡啶進(jìn)行了單獨(dú)控制。當(dāng)R2為N-甲基硫四唑(MTT) 基團(tuán)時(shí)，會(huì)水解產(chǎn)生MTT，給藥后體內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)少量MTT

11、的代謝物，如頭孢孟多、頭孢替坦、頭孢甲肟、頭孢哌酮、頭孢替安等。如2.1.1.2所述，MTT也是上述頭孢菌素的合成起始原料。當(dāng)R2為乙酰氧甲基、氨基甲?；蝾愃平Y(jié)構(gòu)時(shí)，水解均可導(dǎo)致乙酰基氧(硫)鍵斷裂，生成脫乙?；苌?，如頭孢乙腈、頭孢匹林、頭孢噻吩、頭孢噻肟、頭孢來星、頭孢呋辛、頭孢曲松、頭孢噻呋等，如下圖所示。Indelicato等用同位素H218O標(biāo)記的方法，提出在酸性條件下的C-3位水解斷裂，不單單存在乙?；?硫)鍵斷裂，其中，約55%63%的反應(yīng)是可逆的烷基-氧鍵斷裂，如上圖所示。        

12、60;  圖7頭孢呋辛鈉的降解過程2.2.2開環(huán)降解2.2.2.1一般水解過程雖然與青霉素相比，頭孢菌素-內(nèi)酰胺環(huán)中N原子上的未公用電子對與氫化噻嗪環(huán)的雙鍵具有共軛體系，增加了穩(wěn)定性。但是由于其母核上C-3位乙酰氧基是一個(gè)較好的離去基團(tuán)，在固態(tài)或者溶液狀態(tài)下，受酸、堿和酶的催化，容易接受親核試劑對內(nèi)酰胺羰基的進(jìn)攻使C-3位乙酰氧基帶負(fù)電離去。導(dǎo)致頭孢類藥物-內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)而失活，發(fā)生降解后可引起pH值的降低。如果C-3位連有強(qiáng)吸電子基團(tuán)或者C-7位側(cè)鏈酰胺鍵連接有供電子基團(tuán)時(shí)，可增強(qiáng)內(nèi)酰胺環(huán)受親核攻擊的敏感性。如果C-7位側(cè)鏈酰胺鍵連接有吸電子基團(tuán)，則反應(yīng)敏感度降低。

13、0;      圖8親核試劑導(dǎo)致-內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)機(jī)理     圖9頭孢唑林的開環(huán)過程以及可能產(chǎn)生的有關(guān)物質(zhì)2.2.2.2側(cè)鏈參與開環(huán)降解反應(yīng)頭孢菌素C-7位碳上R1位酰胺鍵能夠發(fā)生斷裂。C-7位側(cè)鏈上含-氨基的頭孢菌素，如頭孢氨芐、頭孢羥氨芐、頭孢克洛等能降解生成哌嗪二酮類降解產(chǎn)物。在堿性環(huán)境下（pH8），其水解速率是側(cè)鏈中無-氨基的1020倍，提示可能存在分子內(nèi)氨基親核反應(yīng)機(jī)制，開環(huán)后經(jīng)分子內(nèi)環(huán)合，產(chǎn)生2,5-哌嗪二酮衍生物圖10分子內(nèi)氨基親核反應(yīng)機(jī)理   圖112,5-二酮哌嗪衍生物

14、生成示意圖具有苯甘氨酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)的頭孢菌素，如頭孢克洛、氯碳頭孢等。在水溶液狀態(tài)以及固態(tài)下，C-7位側(cè)鏈的氨基攻擊C-6位水解后，形成苯基氨基乙酰-乙醛，然后通過復(fù)雜的分子內(nèi)環(huán)化、氧化及羥醛縮合形成2-羥基-3-苯基吡嗪衍生物。        圖12頭孢克洛降解形成2-羥基-3-苯基吡嗪衍生物途徑另外，頭孢菌素開環(huán)后，可進(jìn)一步縮合形成噻唑結(jié)構(gòu)。如頭孢克洛，在酸性水溶液中，內(nèi)酰胺環(huán)開環(huán)，分子內(nèi)硫原子可對C-3位C進(jìn)行跨環(huán)攻擊，導(dǎo)致C-3位氯原子離去，形成了環(huán)硫中間體，再而丟失一個(gè)質(zhì)子生成噻唑結(jié)構(gòu)中間體，最終形成了噻唑衍生物。&#

15、160;           圖13頭孢克洛降解形成噻唑衍生物途徑2.2.3側(cè)鏈的其他降解反應(yīng)頭孢克洛、頭孢哌酮鈉在C-7位側(cè)鏈引入手性碳原子后，可形成R或S異構(gòu)體，其中S異構(gòu)體的抗菌活性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)弱于R異構(gòu)體，BP在頭孢哌酮鈉雜質(zhì)欄中列出了S異構(gòu)體結(jié)構(gòu)，中國藥典在頭孢哌酮鈉含量測定時(shí)采用S異構(gòu)體對照品進(jìn)行了系統(tǒng)適用性試驗(yàn)。文獻(xiàn)還顯示，頭孢哌酮常有一未知雜質(zhì)容易被誤為認(rèn)為是S異構(gòu)體，但是其UV吸收與S異構(gòu)體不同，可采用二極管陣列檢測器進(jìn)行鑒別或者控制。頭孢孟多酯鈉C-7位側(cè)鏈為甲酰氧基-2-苯乙酰氨

16、基，在保存過程中可形成脫甲酰氧基物。2.2.4異構(gòu)化部分在C-2位羧酸根酯化形成前體藥物的口服頭孢菌素，如頭孢泊肟酯、頭孢呋辛酯，頭孢克洛，在保存過程中可能發(fā)生異構(gòu)現(xiàn)象。有文獻(xiàn)認(rèn)為當(dāng)頭孢菌素在C-2位羧基存在吸電子基團(tuán)時(shí)，容易產(chǎn)生異構(gòu)現(xiàn)象，該反應(yīng)受堿催化，在較高的pH值或者高溫條件下更容易發(fā)生，而當(dāng)C-2位為羧酸根時(shí)，在相同條件下則不會(huì)產(chǎn)生異構(gòu)化。有研究利用3-酯頭孢唑林進(jìn)一步對異構(gòu)化的機(jī)理和影響條件進(jìn)行了研究，并探討了可能的降解途徑，如下圖所示。另有文獻(xiàn)討論了幾種口服頭孢菌素前體藥物在口服后在體內(nèi)發(fā)生異構(gòu)化導(dǎo)致生物利用度降低的現(xiàn)象。另外文獻(xiàn)顯示對于頭孢克洛，除6，7位結(jié)構(gòu)外，異構(gòu)體是頭孢克洛

17、在固態(tài)下的主要降解產(chǎn)物。關(guān)于頭孢菌素異構(gòu)化產(chǎn)生以及質(zhì)控的詳細(xì)情況，可見本文作者于2006年在第三屆藥品技術(shù)審評研討會(huì)論壇上的文章-內(nèi)酰胺抗生素異構(gòu)體研究。 2.2.5差向異構(gòu)化頭孢菌素的6,7位碳為6R、7R構(gòu)型，多數(shù)頭孢菌素存在6R、7S型差向異構(gòu)體，有文獻(xiàn)認(rèn)為在堿性條件下更容易產(chǎn)生差向異構(gòu)化。另外，在頭孢地尼中尚產(chǎn)生了6S、7R型差向異構(gòu)體，未發(fā)現(xiàn)其他頭孢菌素存在該類異構(gòu)體。2.2.6順反異構(gòu)化部分第三代、第四代頭孢菌素，具有順式甲氧亞氨基以及類似結(jié)構(gòu)，如頭孢噻肟、頭孢唑肟、頭孢甲肟、頭孢曲松、頭孢唑喃、頭孢他啶、頭孢克肟、頭孢匹羅、頭孢吡肟，頭孢唑蘭，以及單環(huán)類內(nèi)酰胺氨曲南等等

18、。研究顯示該順式甲氧亞氨基結(jié)構(gòu)對于抗菌活性起著重要作用，如頭孢噻肟（順式結(jié)構(gòu)）抗菌活性要比反式結(jié)構(gòu)強(qiáng)40100倍。在某些情況下，可能降解生成反式異構(gòu)體。研究顯示某些順式異構(gòu)體對紫外光敏感，如頭孢噻肟鈉水溶液（2×10-3m），254nm紫外光照射45分鐘有50降解，4小時(shí)后損失95，感光降解產(chǎn)物主要是反式異構(gòu)體。中國藥典納入的頭孢曲松即采用將其在紫外線照射24小時(shí)后產(chǎn)生反式異構(gòu)體進(jìn)行系統(tǒng)適用性試驗(yàn)。             圖15頭孢曲松在紫外線照射后產(chǎn)生反式異構(gòu)體2.2.7酯的水解為適宜于口服，某些頭孢菌素以前藥形式存在，如頭孢呋辛酯，頭孢替安酯、頭孢泊肟酯，頭孢托侖酯等在C-2位羧基形成酯鍵前藥。另外，頭孢孟多酯鈉，在給藥后，藥物受酯酶水解脫去羧基側(cè)鏈形成活性成分。這些前體藥物在某些條件下可水解成為活性成分。2.2.8其他頭孢菌素的降解反應(yīng)還包括5位硫原子氧化為亞砜，C-2位羧基氧化為羰基或者脫落，等等。三、實(shí)例英國