一、药物代谢发展简史.ppt
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浙江大学药学院曾苏Metabolism2/11/20242/11/2024112/11/20242/11/202422在生物系统中外源物在生物系统中外源物(xenobiotics)的命运和与内源性分子的相互作用一直被的命运和与内源性分子的相互作用一直被人们所关注。
尽管现代研究大多集中在人人们所关注。
尽管现代研究大多集中在人和动物中药物的命运,但是在植物,动物和动物中药物的命运,但是在植物,动物和微生物中有机化合物的命运也有广泛的和微生物中有机化合物的命运也有广泛的研究。
研究。
药物代谢发展简史药物代谢发展简史2/11/20242/11/202433药物大多是外来分子,进入人体后生物体药物大多是外来分子,进入人体后生物体的防御系统必然对这些外源物有所反应。
一些的防御系统必然对这些外源物有所反应。
一些药物以原形从人体排泄,然而大多数药物为了药物以原形从人体排泄,然而大多数药物为了易于排泄需要进行结构修饰。
这些结构修饰的易于排泄需要进行结构修饰。
这些结构修饰的过程称为过程称为“药物代谢药物代谢”(drugmetabolism),也称为也称为“生物转化生物转化”(biotransformation)。
)。
2/11/20242/11/2024441841年年AlexanderUre博士进行了第一个人体药物代谢博士进行了第一个人体药物代谢实验,确证口服苯甲酸在人体内转化为马尿酸,并且实验,确证口服苯甲酸在人体内转化为马尿酸,并且提出使用苯甲酸治疗痛风。
提出使用苯甲酸治疗痛风。
2/11/20242/11/202455Intheevening,shortlybeforegoingtobed,Iingested2gramsofbenzoicacidinasugarsyrup.DuringthenightIstartedsweating,whichcouldbeaneffectofthisacid,sinceIotherwiseveryrarelysweatprofusely.Iexperiencednootherobviouseffect,evenoverthecourseofthefollowingdayswhenItookthesamedose,andneitherdidthesweatingreoccur2/11/20242/11/202466FIntheurineeliminatedthenextmorningwasfoundtobeunusuallyacidic,evenafterbeingallowedtostand12hoursafterevaporation.aftertheresiduewasmixedwithhydrochloricacidandallowedtostand,alargeamountoflongprismaticbrowncrystalswasformed,whichdidlooklikebenzoicacid.2/11/20242/11/202477FAnotherportion,whichhadbeenconcentratedtoasyrupythickness,formedamagma乳浆状乳浆状ofcrystallineplatesafterbeingmixedwithhydrochloricacid.Long,colorlessprismaticcrystalswerethenisolated.Thesecrystalsconsistedofpurehippuricacid.2/11/20242/11/202488FAslongasIcontinuedtoingestbenzoicacid,Icouldveryeasilycontinuetoproducequantitiesofhippuricacid,withoutanyapparentunhealthyeffects,soitwouldbequiteeasytoproduceinsuchawaygreatquantitiesofhippuricacid.2/11/20242/11/2024991947年年R.T.Williams出版了划时代的专著出版了划时代的专著DetoxicationMechanism,1959年又进行了修订。
该书系统地总结了年又进行了修订。
该书系统地总结了药物代谢途径和许多化合物的代谢研究,并发展了导致药药物代谢途径和许多化合物的代谢研究,并发展了导致药物在体内代谢的是生物化学反应的理论。
最重要的是明确物在体内代谢的是生物化学反应的理论。
最重要的是明确提出药物代谢包括两个阶段:
氧化、还原、水解为第一个提出药物代谢包括两个阶段:
氧化、还原、水解为第一个阶段(阶段(I相代谢,相代谢,PhaseI),),结合反应为第二个阶段(结合反应为第二个阶段(II相代谢相代谢PhaseII)。
)。
2/11/20242/11/20241010药物代谢酶的发现药物代谢酶的发现尽管尽管19001900年前就提出了酶参与吗啡代年前就提出了酶参与吗啡代谢的假设,但是直到谢的假设,但是直到1909-19101909-1910年才首年才首先由先由BattelliBattelliandSternandStern在研究乙醇氧在研究乙醇氧化时表征了现在称为乙醇脱氢酶的代谢化时表征了现在称为乙醇脱氢酶的代谢酶。
酶。
19451945年年HandlerHandler和和PerlzweigPerlzweig在在Ann.Ann.Rev.Rev.BiochemBiochem发表的药物代谢综述中第发表的药物代谢综述中第一次明确讨论了药物代谢酶。
一次明确讨论了药物代谢酶。
2/11/20242/11/202411111947年Williams在他的专著DetoxicationMechanisms中对酶的叙述如下:
“毫无疑问解毒毫无疑问解毒机制的大多数反应都是由酶或酶系统介导的。
机制的大多数反应都是由酶或酶系统介导的。
.然而,解毒机制的酶学研究实际上是一尚未触及的然而,解毒机制的酶学研究实际上是一尚未触及的领域。
领域。
.当外来有机物进入生物体就会与体内正当外来有机物进入生物体就会与体内正常状态的一些生化系统,主要是酶接触,这些酶进常状态的一些生化系统,主要是酶接触,这些酶进行氧化、还原、水解、合成等反应。
行氧化、还原、水解、合成等反应。
”突破性的工作是在1950s由B.B.Brodie和他的同事们完成。
1958他们发表了Enzymaticmetabolismofdrugsandotherforeigncompounds.2/11/20242/11/20241212早期研究显示肝脏是修饰进入体内物质早期研究显示肝脏是修饰进入体内物质的主要器官,它位于肠道和系统循环之间,的主要器官,它位于肠道和系统循环之间,是理想的药物代谢部位是理想的药物代谢部位(图图1)。
1936年年Potter和和Elvehjem建立了匀浆法,体外测定肝脏的建立了匀浆法,体外测定肝脏的代谢作用;代谢作用;细胞色素细胞色素P450P4502/11/20242/11/20241313图图1.人体药物代谢部位示意图人体药物代谢部位示意图肝脏微粒体酶(氧化、结合)肝外微粒体酶(氧化、结合)肝脏非微粒体酶(乙酰化、硫酸化、GSH,GSH,水解、水解、氧化/还原、还原、醇醇/醛脱氢酶醛脱氢酶)2/11/20242/11/20241414F药物代谢主要在肝脏,催化药物代谢的酶大部分存在于肝细胞的微粒体部分,部分存在于线粒体和可溶性部分。
F亚细胞器示意图溶酶体溶酶体线粒体线粒体核仁核仁核核内质网内质网2/11/20242/11/20241515肝微粒体的制备F肝微粒体是肝细胞经破碎得到的内质网(Endoplasmicreticulum)碎片,主要由脂类及蛋白质构成,可分为粗内质网和平滑内质网。
内质网中的主要酶有:
F胆固醇合成酶,甾体水解酶,药物代谢药物代谢酶酶,葡萄糖-6-磷酸酶,腺苷三磷酸酶,细胞色素b5还原酶,核苷二磷酸酶,-D-葡糖苷酸酶等和蛋白质合成。
2/11/20242/11/20241616肝脏匀浆肝脏匀浆离心,离心,9000g20min上清液上清液沉淀沉淀离心,离心,100000g55min上清液上清液沉淀沉淀离心,19000g15min核核,细胞壁,红血球细胞壁,红血球线粒体,溶酶体线粒体,溶酶体微粒体微粒体pH7.4Tris-蔗糖溶液,匀浆蔗糖溶液,匀浆-30C保存保存可溶可溶部位部位弃去弃去沉淀沉淀上清液上清液2/11/20242/11/20241717PREPARATIONOFMICROSOMES2/11/20242/11/20241818肝微粒体蛋白质浓度测定(Lowry法)F试管编号试管编号0123456F标准蛋白质标准蛋白质(ml)00.10.20.30.40.5/F微粒体溶液(微粒体溶液(ml)0.1F0.9%NaCl(ml)0.50.40.30.20.100.4FD试剂试剂(ml)4.04.04.04.04.04.04.0混匀,混匀,37C水浴放置水浴放置10min,分别加酚试剂分别加酚试剂0.4ml,混匀混匀37C水浴放置水浴放置10min,700nm处比色测处比色测定定2/11/20242/11/20241919GeraldMueller和和ElizabethMiller应用这些技术研究二应用这些技术研究二甲基氨基偶氮苯甲基氨基偶氮苯(dimethylaminoazobenzene)代谢,该代谢,该反应需要氧和还原剂反应需要氧和还原剂NADPH。
JuliusAxelrod应用兔肝切片研究安非他明的快速代谢和应用兔肝切片研究安非他明的快速代谢和BertLaDu在研究氨基比林去甲基代谢实验中都证实需在研究氨基比林去甲基代谢实验中都证实需要要NADPH。
Axelrod还测定了肝代谢活性的亚细胞定位。
这种微粒还测定了肝代谢活性的亚细胞定位。
这种微粒体氧化酶后来被定义为细胞色素体氧化酶后来被定义为细胞色素P4502/11/20242/11/20242020细细胞胞色色素素P450P450是是最最大大的的药药物物代代谢谢酶酶蛋蛋白白超超家家族族之之一一,主主要要催催化化药药物物的的氧氧化化反反应应,最最早早是是在在19551955年年由由日日本本O.O.HayaishiHayaishi博博士士和和美美国国H.S.H.S.MasonMason博博士士表表征征。
这这种种氧氧化化酶酶既既需需要要氧氧化化剂剂(分分子子氧氧)也也需需要要还还原原剂剂(还还原原型型辅辅酶酶II,NADPHII,NADPH),因因此此也也被被称称为为“混混合合功功能能氧氧化化酶酶”(mixed-functionmixed-functionoxidasesoxidases,MFO,MFO)。
)。
R-H+OR-H+O22+NADPHROH+H+NADPHROH+H22O+NADPO+NADP+MFOMFO2/11/20242/11/2024212119551955年年G.G.R.R.WilliamsWilliams应应用用能能测测定定高高混混浊浊样样品品的的分分光光光光度度计计,发发现现一一种种奇奇特特的的光光学学现现象象,当当将将一一氧氧化化碳碳鼓鼓泡泡通通过过由由联联二二硫硫酸酸钠钠所所还还原原的的鼠鼠肝肝微微粒粒体体悬悬浮浮液液时时,在在该该悬悬浮浮液液的的差差示示光光谱谱中中可可出出现现一一个个峰峰值值在在450nm450nm的的强强吸吸收收峰峰。
该该吸吸收收峰峰的的位位置置与与其其它它血血红红蛋蛋白白/一一氧氧化化碳碳结结合合物物的的吸吸收收峰峰位位置置不不同同,后后者者的的峰峰位位均均在在420nm420nm左左右右,但是这一观察结果没有发表。
但是这一观察结果没有发表。
2/11/20242/11/2024222219581958年年GarfinkelGarfinkel和和KlingenbergKlingenberg分分别别发发表表了了对对这这一一奇奇特特色色素素的的研研究究结结果果和和肝肝脏脏药药物物氧氧化化代代谢谢反反应应的的生生化化特特性性。
这这种种色色素素由由OmuraOmura和和SatoSato表表征征为为细细胞胞色色素素,并并正正式式命命名名为为P450,P450,意意即即一一种种在在450nm450nm处处有有最最大大吸吸收收峰峰的的细细胞胞色色素素(PP是是PigmentPigment的的缩缩写写)。
OmuraOmura和和SatoSato认认为为细细胞胞色色素素P450P450是是一一种种与与磷磷脂脂膜膜紧紧密密结结合合的的水水不不溶溶性性酶酶蛋蛋白白。
通通过过使使用用清清洁洁剂剂溶溶解解微微粒粒体体和和与与异异氰氰酸酸盐盐配配体体相相互互作作用用,最最大大吸吸收收波波长长位位移移到到420nm420nm(细细胞胞色色素素P420P420)。
P420P420具具有有典典型型的的aa、bb和和索雷(索雷(SoretSoret)吸收带。
吸收带。
2/11/20242/11/20242323自从细胞色素自从细胞色素P450被鉴定为氧化反应的最终组分后的被鉴定为氧化反应的最终组分后的35年里,药物代谢这个领域已经从仅仅是药物代谢科学家感兴年里,药物代谢这个领域已经从仅仅是药物代谢科学家感兴趣,扩展到分子生物学家、药理学家、生化学家和医生都感趣,扩展到分子生物学家、药理学家、生化学家和医生都感兴趣的主要研究领域。
从兴趣的主要研究领域。
从1969年年Lu和和Coon首先分离膜结合首先分离膜结合P450到到99年年EricJonson等首次结晶哺乳类等首次结晶哺乳类P450,确立了确立了P450在控制药物和其它外源物体内代谢过程中发挥重要作用。
在控制药物和其它外源物体内代谢过程中发挥重要作用。
2/11/20242/11/20242424第一个报道的糖结合物是染料第一个报道的糖结合物是染料印第安黄的主要成分优印第安黄的主要成分优黄酸。
印黄酸。
印第安黄通常是从喂以芒果叶后的第安黄通常是从喂以芒果叶后的牛尿中分离牛尿中分离,能被酸水解产生苷元能被酸水解产生苷元.尿苷二磷酸葡醛酸转移酶尿苷二磷酸葡醛酸转移酶Schmiedeberg和和Meyer继续继续早期樟脑代谢研究和从给予早期樟脑代谢研究和从给予樟脑的狗尿中分离出樟脑结樟脑的狗尿中分离出樟脑结合物。
他们将糖基分离和表合物。
他们将糖基分离和表征为葡萄糖醛酸。
征为葡萄糖醛酸。
2/11/20242/11/202425251953年年Dutton和和Storey发现尿苷二磷酸葡醛酸发现尿苷二磷酸葡醛酸(uridinediphosphoglucuronicacid,UDPGA)和和确定确定UDPGA这种辅因子在葡醛酸苷形成中的作用。
这种辅因子在葡醛酸苷形成中的作用。
催化上述反应的酶也就被命名为尿苷二磷酸葡醛催化上述反应的酶也就被命名为尿苷二磷酸葡醛酸转移酶(酸转移酶(UGT)。
)。
UGT与其它结合反应的酶,与其它结合反应的酶,如硫酸转移酶等相比,具有低亲和力和高结合能如硫酸转移酶等相比,具有低亲和力和高结合能力的特征,并且是与脂膜结合的二相结合反应药力的特征,并且是与脂膜结合的二相结合反应药物代谢酶。
物代谢酶。
2/11/20242/11/20242626纵观整个药物代谢的历史,显然,其研究的重大进展纵观整个药物代谢的历史,显然,其研究的重大进展总是与分析技术的发展密不可分。
分析测试技术的发展极总是与分析技术的发展密不可分。
分析测试技术的发展极大地推动了药物代谢研究,甚至发挥关键作用。
大地推动了药物代谢研究,甚至发挥关键作用。
分光光度法、同位素法、色谱法、酶法、细胞化学法、元分光光度法、同位素法、色谱法、酶法、细胞化学法、元素分析、高通量筛选和测定、超灵敏分析技术和计算机模素分析、高通量筛选和测定、超灵敏分析技术和计算机模型。
型。
CYP的发现:
的发现:
1。
同位素。
同位素18O2采用质谱仪研究氧代谢、采用质谱仪研究氧代谢、2。
双光束能快速扫描的分光光度计,可以用于线粒体和微粒双光束能快速扫描的分光光度计,可以用于线粒体和微粒体等细胞微粒的浑浊样品、体等细胞微粒的浑浊样品、3。
“氧电极氧电极”。
这种测量氧利。
这种测量氧利用率的简单极谱法,用于测定氧消耗量、底物代谢量和由用率的简单极谱法,用于测定氧消耗量、底物代谢量和由P450反应所利用的减少量。
反应所利用的减少量。
先进分析技术对药物代谢学的贡献先进分析技术对药物代谢学的贡献2/11/20242/11/20242727可可以以说说,由由于于现现代代科科学学技技术术逐逐步步介介入入,导导致致了了“药药物物代代谢谢”学学科科的的诞诞生生。
随随着着组组合合化化学学和和高高通通量量生生物物筛筛选选的的快快速速发发展展,发发现现了了大大量量新新化化学学实实体体(NewNewChemicalChemicalEntities,NCEEntities,NCE),因因此此迫迫切切需需要要测测定定这这些些化化学学实实体体的的ADMEADME特特性性,以以选选择择“理理想想”的的药药物物侯侯选选物物进进一一步步研研发发。
为为了了满满足足这这些些日日益益增增长长的的需需要要,药药物物代代谢谢科科学学家家又又建建立立了了新新方方法法,包包括括:
体体外外“人人源源化化”细细胞胞模模型型、高高通通量量筛筛选选和和测测定定、超超灵灵敏敏分分析析技技术术和和计计算算机机模模型型等等,以以加加速速测定化学实体的测定化学实体的ADMEADME特性。
特性。
2/11/20242/11/2024282819世纪初,药物代谢反应逐步被发现,世纪初,药物代谢反应逐步被发现,20世纪基本的生物转化世纪基本的生物转化-氧化、还原、水结和氧化、还原、水结和合成都已被阐明,但是它们相关的应用尚未完合成都已被阐明,但是它们相关的应用尚未完全清楚。
全清楚。
20世纪世纪80年代关键酶的的年代关键酶的的X-射线结构还未被揭射线结构还未被揭示,分子生物学开始探讨药物代谢酶蛋白质的示,分子生物学开始探讨药物代谢酶蛋白质的表达和合成。
药物治疗中药酶基因多态性的作表达和合成。
药物治疗中药酶基因多态性的作用日益明显。
用日益明显。
从上世纪从上世纪50年代早期和整个年代早期和整个60年代,开始研究年代,开始研究实际的药物代谢酶及其细胞定位。
实际的药物代谢酶及其细胞定位。
药物代谢研究展望药物代谢研究展望2/11/20242/11/20242929左:
左:
CYP2C9晶体结构图,晶体结构图,右:
右:
CYP2C9与华法令形成的复物与华法令形成的复物2/11/20242/11/20243030药物代谢研究展望药物代谢研究展望药物代谢在理解个体对药物和化学环境的反应药物代谢在理解个体对药物和化学环境的反应中发挥重要作用,药物治疗中药酶基因多态性的作中发挥重要作用,药物治疗中药酶基因多态性的作用日益明显,病人基因缺陷和表达程度的信息与疾用日益明显,病人基因缺陷和表达程度的信息与疾病信息在制定合理治疗方案中同等重要。
弄清楚微病信息在制定合理治疗方案中同等重要。
弄清楚微小的基因变化是怎样改变个体对环境的响应,将构小的基因变化是怎样改变个体对环境的响应,将构筑控制人类对药物反应的数据库。
筑控制人类对药物反应的数据库。
2/11/20242/11/20243131进进入入2121世世纪纪,人人们们发发现现药药物物代代谢谢在在在在理理解解个个体体对对药药物和化学环境的反应中发挥重要作用。
物和化学环境的反应中发挥重要作用。
病病人人基基因因缺缺陷陷和和表表达达程程度度的的信信息息与与疾疾病病信信息息在在制制定定合合理治疗方案中同等重要。
理治疗方案中同等重要。
了了解解微微小小的的基基因因改改变变是是怎怎样样改改变变个个体体对对环环境境的的响响应应,将构筑控制人类对药物反应的数据库。
将构筑控制人类对药物反应的数据库。
基基因因组组、蛋蛋白白质质组组和和强强有有力力的的分分析析技技术术的的联联合合应应用用,将是我们在分子水平探索人类对药物的响应。
将是我们在分子水平探索人类对药物的响应。
2/11/20242/11/20243232使用大功率计算机程序,使得我们可使用大功率计算机程序,使得我们可以组装分子数据,预测个体生物对环以组装分子数据,预测个体生物对环境的响应。
境的响应。
2/11/20242/11/2024333320世纪世纪50年代后。
药物代谢作为药理学和生物化学的分支年代后。
药物代谢作为药理学和生物化学的分支学科迅速发展。
药物代谢已经明显的对药动学、药效学、毒理学科迅速发展。
药物代谢已经明显的对药动学、药效学、毒理学以及其它生物医学科学产生了显著地影响。
药物代谢研究资学以及其它生物医学科学产生了显著地影响。
药物代谢研究资料已成为世界范围新药申请注册的必备条件。
在该领域已发展料已成为世界范围新药申请注册的必备条件。
在该领域已发展了一批学术团体。
如,了一批学术团体。
如,1981年年BruceMigdalof博士、博士、FredDiCarlo、JohnBaer和和InaSnow发起成立了国际外源物研究发起成立了国际外源物研究协会(协会(InternationalSocietyfortheStudyofXenobiotics,ISSX)。
)。
主要研讨生物系统药物和化学品代谢与处置。
主要研讨生物系统药物和化学品代谢与处置。
也有也有专业的学术刊物,如专业的学术刊物,如DrugMetabolismandDisposition,CurrentDrugMetabolism,2/11/20242/11/20243434DepartmentofHealthandHumanServicesU.S.FoodandDrugAdministrationCenterforDrugEvaluationandResearchCenterForBiologicsEvaluationandResearchGuidanceforIndustry1。
DrugMetabolism/DrugInteractionStudiesintheDrugDevelopmentProcess:
StudiesInVitro2。
InVivoDrugMetabolism/DrugInteractionStudies-StudyDesign,DataAnalysis,andRecommendationsforDosingandLabeling2/11/20242/11/20243535FDrugInteractionStudiesStudyDesign,DataAnalysis,andImplicationsforDosingandLabeling,September2006FSFDA,化学药物非临床药代动力学研究化学药物非临床药代动力学研究技术指导原则技术指导原则,20052/11/20242/11/20243636药物在生物体内的处置包括吸收、分布、药物在生物体内的处置包括吸收、分布、代谢和排泄(代谢和排泄(ADMEADME),是药物在体内产生药是药物在体内产生药效及毒性的主要过程。
大约效及毒性的主要过程。
大约40%40%的药物候选的药物候选物是由于药代特性不佳而遭淘汰。
物是由于药代特性不佳而遭淘汰。
药物代谢毒性缺少活性商业原因人类副作用其他2/11/20242/11/202
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