“五规则”前后的口服小分子药物研发趋势

“五规则”（Rule of five）的提出为小分子药物设计的提供了有效的指导，但时至今日亦有不少上市的药物打破了“五规则”。今天分享一篇来自欧美多国学者联合发表在Drug Discov Today上的文章，题为“Trends in oral small-molecule drug discovery and product development based on product launches before and after the Rule of Five”，该文分析了“五规则”提出前后批准上市的药物分子，总结了口服小分子药物开发的趋势。

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背景

由于组合化学的技术同时伴随着高通量筛选技术的出现，药物的研发过程得到了一定的加速，但又受到新化学实体（new chemical entities, NCEs）水溶性差等问题的掣肘。

1997年辉瑞公司Lipinski等药物化学家通过分析比对20世纪末的化学分子库，得到了有潜力成药的小分子化合物应具有的化学特性，由于每个规则都是5的倍数，所以称为“五规则”，即Rule of five（Ro5），具体为：（1）分子量MW≤500；（2）氢键受体数（HBA）≤10；（3）氢键供体数（HBD）≤5；（4）脂水分配系数clogP≤5；（5）可旋转键数≤10。

Ro5的提出使NCEs的溶解性问题成为药物研发关注的焦点，同时也引起了药学界对Ro5适用性的争论。但不论药学界对Ro5的认可如何，大量的候选化合物因为没有较差的溶解性而被迫中止开发是既定的事实。

基于以上背景，作者总结了Ro5提出的前后（1994-1997年段和2013-2019年段）口服小分子药物开发的趋势并进行实例分析，以深入了解制药行业采取解决药物溶解性和生物利用度问题的方法措施。

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整体总览

1994-1997年共有64个口服的NCEs获批上市，其中有14个（21.9%）分子违背了一条或多条Ro5；与之相比，2013-2019年共有154个口服的NCEs获批上市，其中有60个（39.9%）分子违背了至少一条Ro5。两个阶段的NCEs各性质之间比较发现，从1994-1997年（以下称4年段）到2013-2019（以下称7年段）时间段获批的NCEs的平均MW和clogP有所增加，HBA和HBD没有显著增加（图1）。

图1. 4年段和7年段获批的NCEs各项性质均值

在4年段的64个获批的NCEs中，有14个分子违背了至少一条Ro5，其中有10个分子的MW>500，4个分子clogP>5，4个分子的HBA超过了10个，1个分子的HBD超过了5个（表1）。

表1. 1994-1997年度获批的有至少1项不符合Ro5的NCEs（灰底色标注）

 *BCS：生物制药分类系统，系根据活性药物成分的水溶性与肠壁渗透性，对药物进行分类，其中I类为高溶解性、高渗透性，II类为低溶解性、高渗透性，III类为高溶解性、低渗透性，IV为低溶解性、低渗透性

在7年段的154个获批的NCEs中，有60个分子违背了至少一条Ro5，其中有52个分子的MW>500，23个分子clogP>5，4个分子的HBA超过了10个，4个分子的HBD超过了5个（表2）。

表2. 2013-2019年度获批的有至少1项不符合Ro5的NCEs（灰底色标注）

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实例分析

1.同时违背MW和clogP规则的NCEs

Netupitant是一种BCS II类化合物，具有相对较差的溶解性，开发方式为其片剂与另一种药物palonosetron软胶囊填充成硬胶囊剂型，采用湿法制粒保持其溶出度并达到60%的生物利用度；Avatromboopag的马来酸盐在酸性到弱碱性的水溶液中几乎不溶，需要在制造过程中通过混合、研磨、混合、干粒化、上浆、润滑、压片和涂层来保持特定的晶型；Velpatasvir是一种BCS IV类化合物，在pH=1.2时可溶，在pH>5时几乎不溶，在制剂生产中通过喷雾干燥技术使其以无定型形式存在，再与sofosbuvir制成组合产品；Siponimod是BCS II类化合物，其产品通过直接压缩工艺制造，绝对生物利用度能达到84%；Pibrentasvir分子量超过1000，生物利用度也较低，其与另一种抗病毒药glecaprevir组成复方制剂，通过该方法使前者的生物利用度提高了3倍。

2.同时违背MW和HBA规则的NCEs

Fostamatinib是一种分子量为580的前药，在肠道中迅速转化为其活性代谢物R406 (tamatinib, MW=470)，该前药通过标准湿法制粒工艺生产，通过碳酸氢钠调节pH并作为发泡剂增加离子浓度，防止凝胶形成；Naloxegol是一种聚乙二醇化萘普生衍生物，在pH1-7.5时具有较好的水溶性，由于聚乙二醇化导致其具有较低的肠通透性，使其BCS分类为III类，也造就其缓慢吸收的特性；

3.同时违背MW和HBD规则的NCEs

Omadacycline通过被动扩散方式吸收，口服生物利用度为34%，但一些高脂肪饮食和二价阳离子对其生物利用度有负面影响，服用前后应禁食，所以虽然Omadacycline为BCS I类化合物，但也有注射剂型存在。

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研发趋势

1.药物研发工具与平台

进入21世纪以来，不同的药物发现平台/技术涌现用于加速产生先导化合物，除了高通量筛选（HTS）外，还出现了基于片段的先导生成（FBLG）、基于结构的药物设计（SBDD）、知识图谱技术、DNA编码文库筛选（DEL）等技术，以及各种集成的in silico工具。以上新兴技术应用在各个药物研发阶段与场景，例如通过3D工程细胞构建形成类器官结构，使得基于表型的筛选方法得到进一步的优化与改进；基于微流体的2D与3D筛选平台也为传统HTS提供了额外的优势；此外，药物发现、先导生成、合成与测试的自动化程度也得到了提升，大大减少了所需先导化合物的数量，从而产生更合理与更适配的分子设计方法。因此，通过额外的筛选工具来改进药物设计、类药性质和优选先导化合物，药物发现和先导改造的过程得到了加速与赋能。

2.药物理化性质描述符

尽管从各种药物发现平台得到的先导NCEs的基本结构与性质没有大的变化，但Ro5的提出却使更多的药物化学家考虑药物分子的理化性质与关注先导的优化。当前药物研发的重点是利用进步的技术更好地设计可药或类药的NCEs，这就需要药物化学家们重点关注额外的化学特性，使得NCEs达到具有能够获批成为“药物”的药动学、药效学、安全性和质量等要求。

GSK（葛兰素史克）的药学家评价了GSK早期1100多种药物分子，并建议药物的MW可通过新化合物的可旋转键数（NROT）和拓扑极性表面积（TPSA）进一步确定，药物分子少于10个NROTs以及TPSA小于140Å2在大鼠模型中表现出良好的生物利用度，此外他们还验证了其他化学特征和参数的可预测性，例如对于口服药物来说，pH为7.4时的分布系数是生理pH下分子亲脂性的另一个有价值的描述符。

越来越多的证据表明，对于某些分子结构其理化性质特征取决于它们所处的环境（被称为变色龙分子），这类分子虽然分子量较大，但在溶解度和渗透性之间存在着良好的平衡关系。此类变色龙分子的性质是由分子内氢键相互作用和不同环境下对空间构象的分子内效应驱动的，有利于溶解或渗透。

3.类药性预测

类药分子的预测模型建立（特别是基于结构的溶解度预测），在过去的二十年里一直是研究的热点，预测模型的范围从经验热力学模型、状态方程、统计和机器学习模型到高保真分子动力学模拟。已经建立的模型包括Yalkowsky的一般溶解度方程（GSE）、ABSOLV模块、随机森林模型等。在溶解度预测的结构参数方面，有研究表明结合分子灵活性参数（NROTB）和HBA的模型可以对大部分类药分子产生更好的预测，甚至优于基于随机森林的模型，该模型已被开发同时用于预测药代动力学性质和AMDET等药物发现和先导优化阶段。

4.先导优化

临床和已上市的NCEs的大量数据集已被用于构建构效关系。此外，越来越多的证据表明，某些关键的化学结构（如苄基C-H、烯丙基甲基以及氧代、氮杂和硫代的甲基）作为CYP450代谢的底物，可通过在其芳香环上引入氟原子或氘代C-H来阻碍其代谢。通过观察2015-2020年6月批准的NCEs的趋势看出，含氮杂环作为药效团被使用的频次逐步增加，还通过合理引入硝基降低细胞毒性，引入硼元素以增强对酶的亲核效应。

近年来，超出Ro5规则口服药物大环柔性分子的空间优化再次得到重视。分子内氢键和酰胺键的N-甲基化等修饰被用作提高细胞渗透性和口服生物利用度的手段。

此外，先导的优化还包括对靶点-受体相互作用和受亲和力的深入了解。在过去的20年里，计算模型和预测模型（如QSAR）逐渐发展成为有力的工具，可以增加药物化学家对NCEs的认知与优化。基于晶体学技术和CADD的其他计算工具可用于优化配体-受体相互作用，配体-受体相互作用的优化导致越来越多的超出Ro5规则的NCEs在口服有效剂量≤50 mg。对于超出Ro5规则的NCEs，立体化学优化也是提高药效和选择性的有效手段，而且还可提高其溶解度。

5.盐型筛选

具有可电离基团的游离酸或碱的药物分子可以制成盐，以提高其溶解度，亦可提高生产时的稳定性和产率。大约三分之一的FDA批准的药物以盐形用于临床，在2015-2019年期间FDA批准的药物中，有61种是盐形式。虽然盐型筛选已被证明对增强药物的生物制药性、稳定性和可加工性等相关属性很重要，但它们也有歧化的固有风险。在这种情况下，研究在Ro5提出的区间和提出之后批准的超出Ro5规则的以盐形式出现的药物的趋势将是有趣的。

6.药物化学与合

与传统的组合化学技术相比，不对称有机催化和连续流动等合成技术的进步使得复杂分子的合成难度降低，可供筛选的分子增多。此外，一些新的合成工具和方法也用于促进复杂的类天然产物及其衍生物的合成，尤其是超出Ro5规则的具有天然产物结构的NCEs。

7.药物递送技术

提高生物利用度的最具商业化的递送技术应用是减小药物颗粒尺寸和将药物转化为非晶态形式。这两种方法都是在20世纪90年代中期开发出来的，并在21世纪初商业化，这与1994年至1996年间的产品上市情况一致。在过去的几十年里，分析技术的应用已经能够对固体分散体进行更深入的表征。这些研究还深入了解了药物与聚合物的相互作用以及组分、混合物和稳定性的物理状态特性。预测模型和过程模拟工具的开发还为过程控制的开发提供了支持，使得制造工艺和设备得到进一步开发和更新。

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总结

作者基于Ro5提出前后获批的NCEs的趋势进行了分析，尽管大部分药物是符合Ro5的，但超出Ro5的新药占比也在逐步增加，在过去的20年里，药理学、分子生物学、药物化学、药剂学、统计学和预测方法等方面的技术水平拥有了巨大的提升，这些技术也增加了药物产品开发的成功率。然而从现在的角度来看，各式新兴的工具在化学领域逐步应用，也开发出了越来越多超出Ro5药物。因此水溶性和生物利用度差的问题日益成为一个跨学科的问题，逐渐扩大了口服药物开发的边界。作者的这一趋势分析和其他已发表的工作可以为从药物发现到具有理想生物利用度的药物的开发方法提供进一步有用的指导，并最终可能引发进一步的跨学科讨论和合作。

参考文献：Stegemann S, Moreton C, Svanbäck S, et al. Trends in oral small-molecule drug discovery and product development based on product launches before and after the Rule of Five. Drug Discov Today. 2022 :103344. doi: 10.1016/j.drudis.2022.103344.

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