美國SustGreen Tech公司（Sustainable Green Technologies），成立于2015年，公司專業(yè)經(jīng)營化學及生命科學領域的穩(wěn)定同位素標定產(chǎn)品。SustGreen Tech所生產(chǎn)的產(chǎn)品也在世界范圍內(nèi)得到了各大知名醫(yī)藥中間體公司及同位素標定產(chǎn)品公司，如Sigma-   Aldrich, VWR, Cambridge Isotope Laboratories, CDN Isotopes, Santa Cruz Biothechnology, Medical Isotopes 及IsoSciences等的青睞并與這些公司保持著密切的合作關系。南京昊綠生物科技有限公司主要負責其美國母公司SustGreen Tech的同位素標定化學品的研發(fā)及規(guī)?；a(chǎn)業(yè)務。同時，南京昊綠正逐步提高國內(nèi)同位素標定小分子市場的占有率，擬打造成為具有世界領先水平的國際化公司

專業(yè)人事已從事同位素特別是氘同位素標記藥物研究多年，致力于氘同位素標記藥物的開發(fā)[88]，其認為目前國內(nèi)氘代物合成技術落后，大部分氘代試劑依靠進口，這是限制國內(nèi)氘代藥研發(fā)的主要瓶頸。國內(nèi)制藥公司和科研單位應該重視氘代物合成技術開發(fā)，推動常用氘代試劑特別是氘代水的工業(yè)化生產(chǎn)，以相對低廉易得的氘代水為氘源制備氘代藥是成功的關鍵之一。

氘代藥物也稱為重藥、重氫藥或含氘藥，就是把藥物分子上處于特定代謝部位的一個或多個碳氫鍵（CH）用碳氘鍵（C D）替代所獲得的藥物，以延長藥物代謝循環(huán)、減少有毒代謝物的產(chǎn)生和藥物間的相互作用，從而降低給藥劑量、提高安全性以及獲得更佳的療效。在藥物分子上某特定代謝部位用氘取代氫會影響其代謝的現(xiàn)象早已被科學家們所認識[1-2]，但直到近十多年才用于新藥創(chuàng)制。目前，氘代藥物正在成為新藥研發(fā)的熱點領域，已有十多個氘代藥物進入臨床試驗，并向美國專利和商標局（PTO）提交數(shù)百個氘代藥物的專利申請。近年來氘代藥物臨床試驗結果令人鼓舞，加之一些大型制藥公司花重金加盟氘代藥研發(fā)，從而引起了國內(nèi)外醫(yī)藥行業(yè)的廣泛關注。特別是2009年一家小型生物制藥公司Concert 和大型制藥公司葛蘭素史克（GlaxoSmithKline）的數(shù)百萬美元研發(fā)合同，被視為是制藥行業(yè)的變革。之后，Concert 又與多家制藥公司（如Jazz、Avanir 及Celgene 等）進一步合作開發(fā)氘代藥物。Auspex 與Concert 一樣，是以研發(fā)氘代藥起家的小型生物制藥公司，2015 年被梯瓦（Teva）收購，他們共同開發(fā)的氘代藥—— 氘代丁苯那嗪（商品名：Austedo）于2017 年4 月獲得FDA 批準，成為世界上首個氘代藥物。目前已有多家以氘代化為核心來開發(fā)新藥的公司成立，并有多個氘代新藥轉(zhuǎn)讓成交金額達上億到十幾億美元，全球前十的跨國藥企如輝瑞、JNJ、諾華、默克、阿斯利康、羅氏、禮來及百時美施貴寶等也開始應用氘代技術來研發(fā)新藥。這足以證明氘代藥的吸引力和氘同位素及其氘代化合物在新藥研發(fā)中的應用趨于成熟[3-5]。在國內(nèi)，蘇州澤璟生物制藥是開發(fā)氘代新藥起步較早的制藥公司，他們的氘代藥物甲苯磺酸多納非尼專利被授權，目前蘇州澤璟委托多家CRO 開展一類新藥甲苯磺酸多納非尼片用于結直腸癌（CRC）和肝細胞癌（HCC）的Ⅲ期臨床研究，有望成為國內(nèi)個上市的氘代藥物。

本綜述重點介紹氘代化策略在氘代藥物研發(fā)中的進展與未來前景。

1 氫- 氘的動力學同位素效應

同位素是具有非常相似的理化性質(zhì)、僅因其原子核中的中子數(shù)不同而導致質(zhì)量有差異的一類原子。氫有3 種同位素：氕（1H）、氘（2H，D）和氚（3H）。其中氘是最廣泛使用的穩(wěn)定同位素之一，它是自然界中存在的氫（氕）的一種穩(wěn)定同位素，無放射性。氘在自然界中的含量大約為0.015%，目前大量的氘元素是從水中以氘代水的形式分離出來。氘代水又叫重水，是眾多氘代化學試劑及氘代合成中間體的直接或間接氘源。氘和氫表現(xiàn)出幾乎完全相同的物理性質(zhì)，因此，通常情況下，母體化合物與它的氘代衍生物具有幾乎相同的理化特性，包括溶解度、熔點和靶受體蛋白親和力等。

當化合物中的氫被氘取代后，化學反應的速率發(fā)生了變化，這種氘同位素效應（KDIE）是由于打破碳氘共價鍵比碳氫鍵需要更大的能量而引發(fā)的結果。如果反應過渡態(tài)涉及到碳氫鍵的對稱斷裂，那么碳氫鍵上的氫被氘取代后，可以減慢反應速度85% 左右。

由于氘和氫的原子質(zhì)量相差顯著，碳和氘形成的鍵會在較低的頻率上振動，其零點基礎能量比相應的碳氫鍵能量要低，而它們的過渡態(tài)活化能是相近的，所以使碳氘鍵斷裂比使碳氫鍵斷裂需要更多的能量。理論上，如果碳氫鍵的斷裂涉及新陳代謝途徑的速率決定步驟，那么氫被氘取代后，其氘代化合物在生物體內(nèi)由代謝酶，如細胞色素P450、單胺氧化酶和醛氧化酶等所催化的代謝過程就會減慢或者中止。當然，影響生物系統(tǒng)的因素很多，實際觀察到的氘同位素效應往往會低于理倫值，有些情況甚至無同位素效應顯現(xiàn)。

大量的藥物代謝研究表明，氘同位素效應適用于許多酶催化的代謝反應研究，包括細胞色素P450[6]、單胺氧化酶（MAO）[7]、醛氧化酶（AO）[8] 及其他氧化脫氫酶[9]。其中細胞色素P450 氧化酶（CYP）是最重要的，它是絕大多數(shù)藥物的笫一階段代謝酶。CYP通過催化脂肪族和芳香族碳上羥基化、氮/硫上的氧化和氮/氧/硫上脫烷基化以及烯烴環(huán)氧化等反應，將外來化合物降解，從而使其易于排出體外，同時，它也可能導致產(chǎn)生毒素和致癌致畸的代謝物。

2 氘代藥物的安全性與藥理學

氘對生物體系的毒性是極低的，對健康動物的影響小到無法衡量甚至可以忽略不計。人體也可以耐受高濃度的氘，人體在4 個月內(nèi)持續(xù)含有0.5% 的氘元素，沒有發(fā)現(xiàn)任何毒性反應；在人體液中含有高達23% 的重水（D2O）時，短期內(nèi)未見毒副作用[10]。

含氘藥物與含氕藥物一樣均按常見的代謝途徑失活或被激活，只是含氘藥物的代謝有可能減少或減慢[11]。到目前為止還未發(fā)現(xiàn)含氘藥物通過某些特殊的代謝途徑被代謝的。同位素效應的結果會導致生物代謝的改變，這種改變可以是微不可測的、也可以是十分明顯的。這主要取決于酶催化反應與氘代藥物的取代位置。由于碳上氘代化引起碳氫鍵變強，從而對藥物的吸收、分布、代謝、排泄產(chǎn)生影響，有些影響會帶來許多臨床益處。概括起來主要有以下3 種效應[12]：1）氘代化可引起生物體系的藥物消除速度減低，其結果是延長藥物在體內(nèi)的半衰期、有利于減少藥物劑量并能長時間保持藥物在體內(nèi)的有效濃度。而且有可能減低其副作用；2）氘代化導致藥物在進入血液前代謝降低，在腸道或在肝臟的代謝速度降低，會讓大量未代謝的藥物進入血液循環(huán)，在許多情況下，這種效應并不改變其系統(tǒng)的總清除率，其結果會有利于減少藥物劑量需求和減低體內(nèi)代謝負擔。對于某些藥物，引起腸道刺激與藥物的劑量有關，而與血液中藥物濃度無關，這種效應會有利于增加患者對藥物的耐受性；3）氘代化導致藥物代謝物的轉(zhuǎn)變，大多數(shù)藥物的代謝方式比較復雜，有時會產(chǎn)生高活性的代謝產(chǎn)物。氘代化引起的同位素效應有可能減少有毒代謝物的產(chǎn)生或增加有用活性代謝物的生成，從而有可能改善治療范圍。

3 氘代化結構修飾對藥理作用的改善

早在20 世紀60 年代，藥物化學家們就對氘代藥物可能具有不同于原藥的藥理作用產(chǎn)生興趣，但并沒有進入到臨床階段。加州大學伯克利分校的化學家們試圖用氘代化來阻止嗎啡（morphine，1）的酶促氧化[13]。他們發(fā)現(xiàn)氘代嗎啡（2）的有效生物活性顯著降低，其原因是生物活性代謝產(chǎn)物N-去甲基嗎啡（3）形成減少（見圖1）。類似的例子還有氘代的抗驚厥藥地西泮（diazepam）[2]。

早期也有報道氘代后的藥物在動物體內(nèi)的藥理作用時間延長（見表1）。有些氘代藥體外代謝穩(wěn)定性試驗也表明同位素效應較明顯，但其體內(nèi)同位素效應并不顯著[14-17]。

早期氘代藥研發(fā)的失敗[15,17-18]使得藥物化學家們曾一度失去了用氘代化設計新藥的興趣。然而，近年來，以Concert、Auspex、Deuteria 和Zelgen 為代表的小型生物技術制藥公司又重新開始考慮和評價氘代化設計新藥的方法，并取得令人鼓舞的成績。

3.1 減慢藥物代謝失活以及改善藥動學

早期開發(fā)的上市藥物常常存在一些缺點，如易于代謝、藥動學參數(shù)不理想以及存在藥物間相互作用等[19]。時常需要一天服用多次或較大劑量來保持有效血藥濃度，由此帶來諸多毒副作用?？茖W家們應用一些結構修飾手段，如用氟或甲基取代氫、或研制成前藥來克服一些藥物的缺限，這些策略常常成功率較低，不能快速、低成本地實現(xiàn)這一目標。然而，利用氘同位素動力學效應，將氘引入到某特定的代謝部位，成功地提高了某些藥物代謝穩(wěn)定性、改善了藥動學特性。小型生物公司專注于改造現(xiàn)有藥物，降低風險以及提高成功率，而大型公司主要基于臨床前數(shù)據(jù)，利用氘代化策略來改進開發(fā)中出現(xiàn)問題的藥物。

歷來研發(fā)經(jīng)驗表明，選擇正確的目標藥物是氘代藥物成功的關鍵。而早期的失敗就在于未能堅持和找到開發(fā)氘代藥的關鍵。目前藥物化學家們的主要研究對象是：1）會產(chǎn)生不利代謝物的藥物；2）在血液中很快被清除的藥物；3）在進入血液循環(huán)之前在腸道或肝臟中被過早代謝清除的藥物；4）會產(chǎn)生藥物之間相互作用的藥物。

3.1.1 改善已上市的藥物

Concert 公司研發(fā)的正處于臨床前研究的氘代藥包括C-20081（4）、C-21191、C-21359及D-Praziquantel 等。其中C-20081 是唑烷酮類抗生素利奈唑胺（linezolid）的氘代衍生物[20]，口服和靜脈給藥的臨床前研究結果表明，與原研藥相比，C-20081可提高其血漿半衰期43%，可能使臨床用藥總劑量減少，從而改善耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）和耐藥結核菌所致耐藥性問題。吡喹酮由于廣泛的笫一階段代謝，只有少量進入全身循環(huán)，其半衰期為0.8 ~ 1.5 h，而代謝產(chǎn)物半衰期達4 ~ 5 h，可使肝功能受損，而且其是通過CYP3A4 代謝失活，若與誘導或抑制CYP3A4酶的藥物如苯妥英鈉、利福平、唑類抗真菌藥聯(lián)用，可產(chǎn)生藥物間相互作用。Concert 公司認為氘代化吡喹酮（5）有可能克服上述缺點[21]。

Auspex制藥公司是另一家從事氘代藥研發(fā)的公司，目前已申請了超過150 項涉及氘代藥物的專利，并取得了部分授權。處于臨床前研究的的氘代藥包括SD-970（6）和SD-900（7）等。SD-970 是阿斯利康公司的抗血小板藥替卡格雷的氘代類似物，用于急性冠脈綜合征的治療。該藥物在肝臟中通過CYP3A4 代謝產(chǎn)生去羥乙基代謝物，會引起肝和顱內(nèi)出血以及肝功能降低[22]，而SD-970 采用每天1次的給藥方案，有望減少這些缺陷而成為同類藥物中選擇。SD-900 則是輝瑞公司開發(fā)的、用于治療類風濕性關節(jié)炎的JAK3 抑制劑tofacitinib 的氘代藥。原研藥每天2 次口服給藥，治療安全窗窄[23]。Auspex 將氘引入到tofacitinib 分子的某些易被代謝的部位，得到SD-900。預測其結果會在保持原研藥療效的基礎上，改善該藥的代謝特性，從而有可能降低用藥劑量、減弱其毒副作用[24]。

Concert 公司臨床在研的氘代藥包括CTP-298、CTP-786（8）、CTP-499（9）、CTP-656（C-10355，10）， 以及具體氘代位置或結構未公開的氘代藥CTP-518（ 抗HIV 藥）、CTP-543（ 氘代魯索替尼，ruxolitinib）、CTP-730 （ 阿普斯特，apremilast），JZP-386（ 氘代羥丁酸鈉，sodium oxybate）。Auspex公司除了一個已經(jīng)獲得FDA 上市批準的氘代藥氘代丁苯那嗪（SD809，11）外，還有幾個處于臨床研究階段如SD-254（12）、SD-560（13）。表2 中列出了一些目前國外臨床在研的氘代藥，有望改善原研藥的代謝穩(wěn)定性，預期在其療效、安全性及適應證方面會優(yōu)于原藥。

值得一提的是國內(nèi)也有多家制藥公司和研究機構報道了研發(fā)氘代藥的結果，其中蘇州澤璟生物制藥有限公司研制的氘代索拉非尼（14，甲苯磺酸多納非尼）已進入Ⅲ期臨床試驗。將索拉非尼分子苯甲酰胺上的甲基取代為氘代甲基，可見明顯的藥代動力學優(yōu)勢，從索拉非尼每次400 mg 劑量降至在肝癌Ⅲ期臨床研究所用劑量為每次200 mg、在結直腸癌Ⅲ期臨床研究中的劑量為300 mg。2017 年在CSCO年會報道了Ⅱ期臨床結果，其治療肝癌的總生存期比索拉非尼試驗的結果將近翻了一番，而且突破了其母體化合物甲苯磺酸索拉非尼的專利[33]。蘇州澤璟第2 個氘代藥物鹽酸杰克替尼（15）也于2016年底獲得臨床試驗批準，目前正在進行Ⅰ期臨床試驗。最近進入Ⅰ期臨床試驗的一類新藥還有正大天晴藥業(yè)集團股份有限公司的TQA-3326 和成都海創(chuàng)藥業(yè)有限公司的HC-1119，分別是在上市的抗丙肝藥物達卡他韋和抗前列腺癌藥物恩雜魯胺基礎上開發(fā)的氘代藥。重慶文理學院的一類新藥DDCI-01 臨床申請剛剛被CDE 受理，該藥是在上市藥物他達拉非（治療勃起功能障礙）的基礎上研發(fā)的氘代藥（16）[34]。

其他國內(nèi)制藥公司和研究單位也申請了一些氘代藥發(fā)明專利。如中科院上海有機化學研究所申請的氘代芳腈基噻唑衍生物專利[35]，系對非布索坦（febuxostat，新型的非嘌呤類XO 抑制劑，用于高尿酸血癥及其引發(fā)的痛風）進行氘代修飾（即化合物17）。大鼠藥代動力學研究表明其具有較優(yōu)的生物利用度。朱孝云等[36]申請的2-（2，4，5-取代苯胺）嘧啶衍生物及其用途的專利，是對剛上市的抗腫瘤藥osimertinib分子氮、氧上的甲基進行氘代化修飾所得到的藥物（18），使其在保持動物體內(nèi)活性的同時，體外半衰期比原藥提高1 倍。蘇州東南藥業(yè)股份有限公司將抗丙肝病毒藥ombitasvir分子末端的甲基用氘代甲基取代，獲得化合物19，大鼠藥代動力學研究表明其具有比原藥更優(yōu)的藥動學性質(zhì)[37]。

3.1.2改善臨床前或臨床中有缺陷的試驗性藥物

氘代化不僅被用于改進在藥代動力學與代謝方面有缺陷的已上市藥物，而且已經(jīng)被用作藥物化學中設計新藥的結構修飾手段。

默克公司開發(fā)的一種強效Aurora激酶抑制劑（20），可用于多種腫瘤的治療[38]。該公司發(fā)現(xiàn)堿性側(cè)鏈胺基是保持生物活性所必需的，但可快速地去烷基化失活、而且口服吸收較差。通過合成一系列前藥來改善口服藥動學性質(zhì)都未成功。研究人員先將化合物20 的鏈狀胺基團變?yōu)榄h(huán)狀胺基團，得到化合物21，然后通過對異噻唑上3 位亞甲基進行氘代化，獲得氘代衍生物（22）（見圖2）。與原藥相比，氘代衍生物可降低猴類動物經(jīng)口給藥清除率3 倍左右。經(jīng)口使用該氘代藥物在動物模型中顯示較強的療效[39]，有望進一步開發(fā)進入臨床試驗。

最近，Concert公司又通過氘代化方法把一個被默克公司放棄的化合物（L-838417，23）改造成新藥（C-21191，CTP-354，24）?；衔?3 是由默克公司研制的亞型選擇性A 型γ-氨基丁酸受體（GABAA）激動劑，由于其藥代動力學方面的缺點，未能進入臨床試驗。Concert公司在其分子的叔丁烷基上引入9 個氘獲得氘代物C-21191，其代謝穩(wěn)定性提高、在腫痛模型試驗中的作用時間延長，而且能提高癲癇模型的有效治療指數(shù)。該氘代藥已獲得FDA 批準在臨床上進一步研發(fā)，2016 年已完成Ⅰ期臨床試驗[40]?；衔?5 是諾華研發(fā)的高效CDK4/6 抑制劑，具有開發(fā)成廣譜抗腫瘤藥物的潛力，但臨床前動物試驗顯示該化合物的藥動學存在一些問題。近來，該公司應用氘代化改造，發(fā)現(xiàn)氘代衍生物26 能明顯提高口服生物利用度近2 倍，且能減少一些不利代謝產(chǎn)物的生成[41]。

上海復旦大學針對鈉-葡萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運蛋白2（SGLT2）抑制劑dapagliflozin（27）易被CYP 通過氧上脫乙基化代謝、原型藥的形式存在較少以及其代謝產(chǎn)物有可能引起安全問題的缺陷，設計了化合物28，大鼠藥動學研究表明其血藥濃度達峰時間（Tmax）和半衰期均有增加，并有87% 以原型藥形式排泄。預測有可能開發(fā)為長效抗糖尿病藥物[42]。上海醫(yī)藥集團股份有限公司申請了一項專利，應用氘代化設計新藥方法對博舒替尼（29）分子多個位點進行了氘代化修飾，同時也對部分結構進行了改變。動物試驗表明，氘代物30 與博舒替尼相比，在血藥濃度、半衰期、清除率、微粒體穩(wěn)定性、生物利用度或者酶抑制等性質(zhì)上具有明顯的改進[43]。

3.2 減少有毒活性代謝產(chǎn)物

藥物或外來的化合物通常要在體內(nèi)被代謝降解后再排出體外。有時，代謝后會產(chǎn)生有毒的產(chǎn)物，有2 種類型的藥物毒性反應：一種是與劑量有關，可根據(jù)該藥的藥理學來預測，并可通過減少劑量或停藥來避免嚴重毒性損害；而另一種是與劑量幾乎無關、不可預測。這類毒性反應通常是由于產(chǎn)生具有親電反應活性的代謝物引發(fā)的，這些代謝物可與蛋白質(zhì)或核酸分子中的親核基團結合而破壞了它們的正常功能，從而引發(fā)致癌、致畸以及免疫介導的毒性。據(jù)美國FDA 統(tǒng)計，在美國每年超過200 萬的嚴重藥品不良反應發(fā)生，導致超過10 萬人死亡。每年都有許多上市藥物被停止在臨床上使用，其中50% 是由于毒副作用太大而不得不終止使用；還有60% 的候選藥由于其代謝或毒理學方面的問題而被迫停止進一步研發(fā)[44]。使用氘代藥物的方法，來減少有毒活性代謝產(chǎn)物，已經(jīng)越來越受到藥物化學家們的廣泛重視（見表3）。

許多化合物或藥物結構中含有一些易被代謝氧化的部分，經(jīng)代謝易產(chǎn)生有毒的代謝物，如含鹵素的烷烴類、苯胺、酚類[45]，苯芐胺類[ 如procarbazine（31）][46]，烯丙基類[ 如tamoxifen（33）]，炔丙基類[ 如efavirenz（35）] [47-48] 等。而在這些化合物的代謝部位引入氘，則其毒性明顯降低。

表3 中，氘代物32、34 和36 都能降低藥物毒性，但都停留在動物體內(nèi)研究階段，沒有進一步開發(fā)成氘代藥。

而首個真正應用氘代策略研發(fā)新藥的是默克公司，早在約30 年前，默克曾開發(fā)氘代藥（fludalanine，2-氘化-3-氟-D-丙氨酸，39），試作為廣譜、高效的抗菌劑[18]。對非氘代的原藥37的臨床前研究表明，它會產(chǎn)生一種有毒的代謝物3-氟乳酸（38），引起腦空泡毒性[49]。階段Ⅰ期臨床研究確實證明fludalanine 會減少在健康受試者中的有毒代謝產(chǎn)物。不過，在對受試者研究中發(fā)現(xiàn)有毒代謝產(chǎn)物減少并不十分顯著，從而終止了進一步的開發(fā)。這是早期氘代藥被開發(fā)到Ⅱ期臨床的唯一實例。

CTP-347（42）是帕羅西?。?0）的氘代類似物，它作為一個非甾體類藥物在臨床上用于治療潮熱。使用帕羅西汀減少潮熱時，患者不能同時服用某些其他藥物，否則會產(chǎn)生藥物相互作用，引起嚴重的不良事件[50]。例如，乳腺癌的治療藥物他莫昔芬在體內(nèi)也同樣被CYP2D6代謝。同時服用帕羅西汀和他莫昔芬治療的患者導致死亡的風險增加24% ~ 91%。藥物代謝研究顯示，帕羅西汀結構上的亞甲二氧基被CYP2D6脫氫代謝成卡賓游離基（41），這種游離基具有極大的反應活性，會不可逆地結合到CYP2D6 的血紅素鐵的活性部位，使酶完全失活[51]。Concert 公司用氘更換亞甲二氧基上的氫所合成的CTP-347極大地減少了卡賓游離基的形成，從而保持CYP2D6 正常代謝功能。Concert 最近報道了CTP-347 的Ⅰ期臨床研究結果，證實其能克服與其他藥物間的相互作用，可以與其他藥物同時服用，從而擴大臨床上的應用，減少不良反應。

許多的常見老年化疾病：癌癥、帕金森病、心血管疾病、阿爾茨海默病、關節(jié)炎和糖尿病都是與某種形式的氧化反應有關[52-53]。例如，帕金森病起源于脂肪酸的代謝氧化，而某些癌癥轉(zhuǎn)移涉及到賴氨酸的氧化[54]。在體內(nèi)，脂肪酸酯（43）可發(fā)生過氧化代謝，生成活性氧化物（44 ~ 46），從而引起機體老化。Retrotope公司試圖通過引入氘或其他同位素到那些需要在飲食中攝取的必需脂肪酸（如47 和49）和氨基酸的分子上，來減慢這些生物分子在體內(nèi)生成活性氧化物的速度，從而延長人體的老化過程（見圖3）。Retrotope 公司研究表明[55]，氘代亞油酸（[D2]linoleicacid，RT-001，48）和氘代亞麻酸（[D4]linolenicacid，50）可減少自由基的產(chǎn)生，從而能積極搶救弗里德（Friedreich）共濟失調(diào)患者氧化破損的細胞。他們認為口服這些氘代多不飽和脂肪酸（PUFA）可能對氧化應激和脂質(zhì)過氧化引起的弗里德共濟失調(diào)等疾病有療效[56]，目前氘代亞油酸已進入Ⅰ/Ⅱ期臨床研究階段。

賴氨酰氧化酶（LOX）與幾種細胞外基質(zhì)相關的疾病有關，如肝纖維化和癌癥。Pestov 等[57] 報道用[6，6-D2] 賴氨酸來調(diào)節(jié)LOX 生物活性，研究表明氘代賴氨酸的同位素效應可達4 倍以上。賴氨酸是一種必需的營養(yǎng)素，因此從飲食中攝取氘代賴氨酸，或可成為一種減輕LOX-相關疾病的全新方式。

3.3 氘代化結構修飾引起的其他生物效應

3.3.1 引起代謝部位轉(zhuǎn)換

當一個藥物有2 種或以上的代謝途徑時，在主要代謝部位引入氘，有可能導致其代謝轉(zhuǎn)換（metabolic switch），即一種代謝途徑減弱、而另一種代謝途徑增強。代謝轉(zhuǎn)換的概念最早由Horning 等[58]提出，之后出現(xiàn)許多有關這方面的研究報道[59]。

例如反式-1-甲基-2-苯基環(huán)丙烷（51）可作為一個超快自由基時鐘探針，它可被由苯巴比妥誘導的大鼠肝微粒體酶氧化[2]。這種細胞色素P450 把1 位的甲基氧化成羥甲基，生成化合物52，而氘代甲基的類似物（53）不會被酶氧化成羥甲基類產(chǎn)物，轉(zhuǎn)變成苯環(huán)上氧化產(chǎn)物（54）為主。安替比林（55）的主要代謝是3 位上的甲基被氧化成羥甲基（56），只有少量的N-脫甲基代謝物；而3 位上甲基被氘代甲基取代后（57），發(fā)生N-脫甲基代謝生成化合物58 成為主要途徑，3 位甲基氧化的產(chǎn)物變成次要代謝產(chǎn)物[2]（見圖4）。

Boceprevir（59）是治療丙型肝炎病毒的蛋白酶抑制劑，已獲得美國FDA 和歐盟委員會的批準。Concert利用其氘化學實體平臺技術（DCE 平臺™），把分子分成五區(qū)域P1、P2、P3、P′ 以及Cap，合成了一系列氘代boceprevir 衍生物，試圖解決原藥的代謝穩(wěn)定性問題。在人肝微粒體中進行的代謝半衰期研究顯示：P2區(qū)是原藥的主要代謝部位，但R3 用CD3 取代后所得氘代物幾乎沒有改善代謝半衰期。研究者認為這可能是由于同位素動力學（KIE）掩蔽代謝的結果，即藥物代謝部位P2 發(fā)生轉(zhuǎn)移。只有將P1、P2、P3 以及Cap 區(qū)都引入氘所合成的氘代物（60），可延長代謝半衰期1倍（見圖5）。上述結果表明，有時候藥物的代謝具有“彌漫性”，在這種情況下，要充分發(fā)揮氘代優(yōu)化作用，必須對藥物的多個區(qū)域進行氘代化研究[60]。這也說明氘代化藥物設計手段并非易事，正是這種不可預測性決定了它的創(chuàng)新價值。

3.3.2 引起生物活性的改變

當氘引入到一個分子中，其多方面的理化性質(zhì)與原分子基本相似。由于組成該分子的原子的電子決定了該分子的空間形狀，氘代后的化合物就其形狀和大小與未氘代的化合物幾乎沒有區(qū)別。在大多數(shù)情況下，氘代化不改變其生物活性。而可測試到的由氘代化引起的一些性質(zhì)的微小變化包括疏水性減弱[61-62]、酸與酚類化合物的酸度降低[63] 及胺類化合物的堿性增加[64]。在某些特殊情況下，上述微小的變化有可能導致化合物與蛋白受體之間的結合力改變，從而使生物活性發(fā)生變化。目前已報道的實例較少也無規(guī)律可循。

Sildenatil（61）為cGMP 磷酸二酯酶Ⅴ抑制劑，研究表明在該分子的某些特殊部位引入氘同位素能提高其抑制活性和選擇性2 ~ 5 倍。Sildenatil氘代物62 和63 抑制磷酸二酯酶V 的活性比原藥提高2 ~ 3 倍，化合物62 的選擇性也提高2 倍左右[65]。

最近，Maehr 等[66] 也報道了引入氘代烷基對1α，25-雙羥基維生素D3 及其類似物Gemini的生物活性的影響。他們用氘代甲基取代側(cè)鏈末端甲基，合成了相應的氘代類似物64 和65，顯著提高了原藥的生物活性。由于末端C26/C27甲基不是代謝酶的作用部位，筆者認為這種由氘代引起的活性改變與正常的氘同位素效應不同。氘同位素的引入有時會改善生物分子之間非共價健的相互作用，更具體地說，在某些特殊情況下，經(jīng)過同位素修飾的配體有可能會影響其與蛋白受體間結合力。如果氘代的位置剛好能穩(wěn)定或去穩(wěn)定配體-受體結合，那么由氘代引起這一類化合物生物活性改變屬第二動力學氘代效應。

還有研究報道氘代化會引起藥物的轉(zhuǎn)運與穿透能力的改變。Wenzel [67]研究表明，氘代苯丙胺衍生物66~ 67 比原藥更易進入小鼠和大鼠的腦部。但引入更多的氘所得化合物68 并沒有進一步提高在腦部的濃度。Vree 等[68] 曾報道在苯丙胺α-位引入氘可增加其堿性，并減少脂溶性。由于非離子化的胺利于進入大腦，氘代類似物引起堿度提高，有可能是氘代藥進入大腦循環(huán)的速度和量均有改善的原因。

3.3.3阻止藥物異構化失活

藥物分子上某些部位的氫比較活潑，可能會發(fā)生手性中心S 和R 構型轉(zhuǎn)化、烯醇互變構型轉(zhuǎn)化，用氘取代活潑氫可減慢或阻止這些藥物異構化，從而可延長其生物活性。早在40 年前Pitman等[69] 就合成了氘代氫化可的松（69），其在需氧和厭氧條件下均比原藥穩(wěn)定得多。

DeuteRx是2012 年從Deuteria獨立出來的研發(fā)氘代藥的小型公司。與其他研發(fā)氘代藥的公司不同，DeuteRx開發(fā)氘代藥的出發(fā)點不是使用氘控制代謝和藥動學性質(zhì)，而是使用氘來穩(wěn)定藥物分子的手性中心。研究人員驚喜地發(fā)現(xiàn)氘代吡格列酮的R 異構體（DRX-065，70）和S 異構體（71）具有不同的生物活性[70]。S 異構體具有激活過氧化物酶體增殖物激活受體-γ（PPAR-γ）的作用，而R 異構體有線粒體功能調(diào)節(jié)作用和抗炎活性。該公司計劃盡快推進DRX-065用于腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的臨床試驗。

Telaprevir 是HCV-NS3 蛋白酶抑制劑，分子中的S構型酮酰胺結構在較高pH 條件下，如在人體的血液中，會發(fā)生從S 構型到R 構型的異構化，而R 異構體的活性只有S 異構體的1/30。將手性中心的氫用氘取代后，得到化合物72，其體內(nèi)穩(wěn)定性增加了1 倍[71]。安非他酮（bupropion）為去甲腎上腺素再攝取抑制劑和多巴胺再攝取抑制劑，同樣在人體的血液中會發(fā)生S 構型到R 構型的異構化而使其作用降低。手性中心的氫被氘取代后所得化合物73，其半衰期比原藥延長30 倍[72]。CC-122（74）是由Celgene 研發(fā)的抗腫瘤藥，目前已進入血液腫瘤和實體瘤的Ⅱ期臨床試驗，由于該藥物分子手性中心易發(fā)生異構化，其只能以外消旋體形式用于臨床。DeuteRx 對CC-122 的氘代藥物進行研究后發(fā)現(xiàn)，只有氘代CC-122 的S 異構體（DRX-254，75）具有體內(nèi)外抗炎和抗腫瘤活牲，而氘代CC-122 的R 異構體（DRX-255，76）生物活性非常弱，而且可能有刺激腫瘤生長的不利作用。DeuteRx 公司的研究結果表明，在藥物分子手性中心引入氘可防止手性中心的外消旋化，從而可獲穩(wěn)定的S 異構體DRX-254，將有益的作用和潛在的不利影響順利地分離開[73]。

4 氘代藥物的未來展望

4.1 專利權

截至2016 年，對氘代藥有關的專利申請進行檢索，主要對國外專門從事氘代藥研發(fā)的3 家公司Concert、Auspex 和Protia 公開的?？暾埡蜖顟B(tài)進行分析。可以看出，依據(jù)《美國法典》的第103條（應用氘代化對藥物穩(wěn)定性或代謝方面產(chǎn)生影響的現(xiàn)有技術）拒絕上述公司的專利申請（最終或非最終性）的數(shù)量在逐步増加，那些基于以獲得更好的藥理特性來制備氘代藥物的專利申請被判定無首創(chuàng)性，其依據(jù)都是來自于Dyck 公開發(fā)表的論文[74]。Dyck 的論文指出“氘替代氫似乎是在不顯著改變其基本化學結構的前提下來提高化合物的藥理作用的有用策略”，Dyck 的另2 篇論文[75-76] 也曾被引用過來拒絕這類專利申請。當然也不是僅有Dyck的論文作為拒絕這類專利申請的參考文獻。能夠支持氘代化開發(fā)新藥的顯而易見性還有多個學者的研究論文[77-80]，還有用氘代藥來研究原藥及相關化合物在體內(nèi)如何起作用的研究論文[81-85]。還有一個拒絕這類專利申請的依據(jù)認為本領域的普通技術人員將有動機制備氘代化的藥物并可合理地預期成功。因為人們總想要在無顯著結構修飾的前提下達到改善化合物藥理作用的目的（如由氘代化改進半衰期）或者想要改善藥動學特性。然而，僅靠有限數(shù)量的策略來實現(xiàn)這一需求，氘代化解決方案就被認為是顯而易見的。最后，把上述幾個方面綜合起來考慮，就可認為氘代化本身是改善藥物代謝的公認的方法，從而認定該發(fā)明辦法是顯而易見。因此，在生物效應方面如果氘代后的藥物缺乏新的或意外的發(fā)現(xiàn)，而僅靠改善代謝單方面來取得專利授權是十分因難的。

但是也有挑戰(zhàn)這種“Dyck”式駁回的成功例子。Tung 等最近申請的一個專利曾收到依據(jù)《美國法典》的第103 條的拒絕信（僅依據(jù)Kushner 的論文，以顯而易見為名給予非最終性拒絕）。然而發(fā)明者挑戰(zhàn)這一決定，指出部分氘代化的衍生物（78）其藥代動力學不僅優(yōu)于原藥（77）而且也好于全部氘代化的衍生物（79），這一結果在實驗之前是不可預測的。另一個挑戰(zhàn)這種“Dyck”式駁回的成功案例是Czarnik 完成的，理由是該專利的氘代化效應與拒絕所引用的文獻中情形不同，并非是文獻中提到的CYP 活性降低，而是因為氘代化后的安非他酮的消旋化速率比原藥低約97%，這種較大的同位素效應是由于在消旋化過程中涉及到手性中心碳-氫（碳-氘）的斷裂，氘代化合物消旋化速率較低的不可預測性以及由消旋化速率降低引起藥物消除半衰期延長的重要性這兩點并沒有包括在“Dyck”式駁回所引用文獻中。上述2 個挑戰(zhàn)第103條駁回的成功案例給申請氘化藥物專利提供了啟發(fā)，特別是當實驗結果中有意外發(fā)現(xiàn)時就顯得尤其重要，而氘代已知藥物引起可預測的發(fā)現(xiàn)不會引起人們的興趣。

從美國專利申請數(shù)據(jù)庫可獲得相關公司用氘代化設計新藥的信息，很多大型制藥企業(yè)如輝瑞、默沙東和葛蘭素史克于2009 — 2010 年開始披露這樣的技術，也有一些企業(yè)如拜耳、賽諾菲-安萬特和強生，到2012 或2013年也開始把藥物氘代化的數(shù)據(jù)列入到他們的專利中。因此，如果原研藥發(fā)明專利中沒有列入有關氘代衍生物信息，則不能理所當然地認為氘代衍生物已被該專利保護。

很顯然，能支持將現(xiàn)有藥物研制成氘化衍生物的權利要求的有效方法是提供由氘代化發(fā)揮其意外作用的依據(jù)。鑒于與顯著氘同位素效應關聯(lián)的許多化學反應的存在，通過氘代化改善藥物應用范圍完全有可能超出“Dyck”式駁回所引用的現(xiàn)有技術文獻，同時還有一些非動力學方面的其他氘同位素效應有待發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)專利律師認為這種氘代藥物的專利申請的策略是合法的。只要申請專利的公司證明氘代藥物的發(fā)明不是一件容易的事。目前就氘代藥是否合法的問題還沒有人向法院起訴。當然在未來，獲得這樣的專利權有可能變得更加困難[86]。

4.2 氘代藥物研發(fā)前景

大部分專家認為通過氘代化現(xiàn)有藥物來改善藥動學和/或毒理學性質(zhì)將繼續(xù)顯示它的巨大潛力。這一點可以從大型制藥公司的新專利申請所包含的氘代化新分子實體中得到證實。同時這些大型制藥公司如輝瑞[87]也發(fā)表了不少有關探討氘置換氫后引起藥代動力學和代謝改變的復雜性和不可預測性等出色的論文。無法預測在體內(nèi)的氘效應有下面幾個變量：1）代謝途徑不涉及碳氘鍵斷裂；2）不是通過CYP 代謝而是以其他代謝途徑為主；3）代謝的相對重要性與全身清除率無關。雖然這種不可預知性是有價值的，它可以防止專利申請被以“顯而易見”的理由拒絕，但同時這也意味著化學家要合成一個較大范圍的氘代化合物來評估其代謝和藥代動力學，這將會導致工作量和成本的明顯增加。代謝切換是非常復雜的，不同的動物模型之間、動物模型和人類之間的差異也會導致不同的代謝切換，從而以臨床前研究結果推測臨床階段同樣存在可變性。

國內(nèi)有關氘代藥研發(fā)起步較晩，通過檢索國家知識產(chǎn)權局網(wǎng)站，目前國內(nèi)有20 多家公司和研究單位申請了60 多項氘代藥物的專利，其中以正大天晴藥業(yè)集團股份有限公司、蘇州澤璟生物制藥有限公司、鄭州泰基鴻諾藥物科技有限公司、成都海創(chuàng)藥業(yè)有限公司和深圳塔吉瑞生物醫(yī)藥申請的氘代藥物的專利較多，有部分專利已被授權。大部分專利中所合成的已知藥物的氘代衍生物其藥代動力學改善程度并不顯著，主要原因可能在于被氘代修飾的原研藥其藥代動力學性質(zhì)無明顯缺陷，或者氘代修飾后的原研藥分子的代謝部位發(fā)生位移，也可能氘沒有引入到主要代謝位點上。在我國，以氘代策略來避開專利也許可行，但是僅僅以突破其原研藥專利的這一點研發(fā)氘代藥可能難以獲益，目前氘源（如氘水、氘氣和氘代甲醇等基礎原料）依賴進口，氘代原料藥成本較高，如果與原研藥相比沒有明顯的優(yōu)勢（例如在有效劑量、給藥頻次、適應證范圍、安全性等方面有所改善）則無法獲得市場回報。

研發(fā)氘代藥并非一件易事，既要有先進的氘代物合成技術，又要有能克服原研藥缺限的優(yōu)勢，兩點齊備才能開展工作。目前國內(nèi)領跑氘代藥研發(fā)領域的公司有蘇州澤璟生物制藥有限公司、正大天晴藥業(yè)集團股份有限公司和成都海創(chuàng)藥業(yè)有限公司，它們都已獲得臨床批件并開始臨床研究，還有多個氘代藥處于臨床前研究階段。從國內(nèi)外研發(fā)渠道來看，氘代藥研發(fā)的上升勢頭未減。

4.3 氘代修飾策略在發(fā)現(xiàn)全新化學實體中的應用

氘代修飾策略也為藥物化學家發(fā)現(xiàn)全新化學實體提供了另一種手段。Vertex 于2016 年12 月開展DNA依賴性蛋白激酶（DNA-PK）抑制劑VX-984（80）的Ⅰ期試驗，其為應用氘代修飾策略開發(fā)的創(chuàng)新藥，氘代化已經(jīng)成為Vertex 設計新藥的重要手段之一[89]。

其他公司也在使用氘代修飾策略來優(yōu)化先導化合物。如百時美施貴寶公司已經(jīng)提交了關于BMS-986144（81）治療丙型肝炎病毒的臨床前研究數(shù)據(jù)，BMS-986144 是一個含氘的泛基因型NS3/4A 蛋白酶抑制劑[90]。諾華也已經(jīng)應用氘替代策略去改變一種新型的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子拮抗劑的藥動學特性和毒性，但該項目最終未獲得進一步開展。輝瑞公司的科學家認為是否使用氘替代策略研發(fā)新藥應根據(jù)具體情況而定，氘替代策略主要還是用于改善藥動學和毒理學上的缺陷。氘代藥研究專家Gant 認為氘替代策略不應是藥物早期發(fā)現(xiàn)的工具，相反，當藥物發(fā)現(xiàn)團隊已有10 個候選物時，他們應考慮一下引入氘是否有望獲得更佳的候選物。氘替代策略是十分有用的工具，但必須使用適當。