以脯氨酸作為共晶配體改善藥物性質

       大約40%的藥物分子在幾個關鍵理化參數(shù)上（如溶解度，滲透性和穩(wěn)定性等）有著令人不滿意的表現(xiàn)。藥物共晶是藥物分子和配體之間通過非共價鍵作用形成的具有固定計量比的多組分晶體。由于共晶可以在不改變化合物結構的基礎上改變其理化性質，且具有專利屬性，因此近些年針對共晶的研究也越來越熱門。

       提到共晶，則必須提到配體。共晶配體的選擇對于共晶的形成以及藥物性質的改善有至關重要的作用。作為共晶篩選中常會用到的一類配體——氨基酸，正受到科學家們越來越多的關注，而氨基酸配體中報道最常見的則是脯氨酸。本文主要聚焦于以脯氨酸作為共晶配體對于藥物性質的改善。

       氨基酸背景

       在自然界中有300多種氨基酸，是同時含有氨基和羧基的有機化合物。這些化合物在一般情況下是穩(wěn)定的，具有高熔點（通常高于200 ℃），且可溶于水，其中溶解度最大的是脯氨酸，最小的是酪氨酸。由于側鏈的不同，不同氨基酸具有不同的生化功能。主要的功能包括：合成蛋白質，代謝通路調控，調節(jié)基因表達，激素分泌和細胞信號等。這其中只有20多種氨基酸被用來構成蛋白質，根據(jù)人體是否能夠自身合成，可以將氨基酸分為必需氨基酸和非必需氨基酸。氨基酸具體結構如圖1所示。

       由于氨基酸同時存在羧基和氨基，因此可以作為酸貢獻質子或者作為堿接受質子。氨基酸的電荷狀態(tài)取決于所處環(huán)境的pH值，調節(jié)pH值可以使氨基酸帶正電荷或負電荷，也可使它處于正負電荷數(shù)相等，即凈電荷為零的兩性離子狀態(tài)，這時對應溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。所有氨基酸除甘氨酸外都具有光學活性。

       在安全性方面，具體如表1所示，法規(guī)狀態(tài)都屬于GRAS或REG。這也使得氨基酸成為共晶篩選的理想配體。氨基酸中最常見的共晶配體是脯氨酸，與其他大多數(shù)氨基酸相比，脯氨酸是一種結構受限的、剛性較好的化合物。其具有的五元環(huán)“側鏈”在氨基酸中是一種非典型的結構。在共晶形成過程中，相比于其他更具有柔性的配體而言，這種剛性結構可以認為具有一定的熵的優(yōu)勢。除此之外，其良好的水溶性（130 g/100 mL）也使得脯氨酸成為更受青睞的共晶配體。

       圖1 20種氨基酸的名稱，分子量，親水性，蛋白質中出現(xiàn)概率，和水溶性(g/100 mL, 25 ℃) [2]

       表1 一些重要氨基酸的法規(guī)狀態(tài)[3]

       注：FL/ADJ:與香料一起使用；FS:允許在標準化食品中作為可選成分；MISC:多種用途；NUTR:營養(yǎng)物質；DS:膳食補充劑；REG:已申請并頒布法規(guī)的食品添加劑；GRAS:通常被認為是安全的

       相關案例

       1提高藥物穩(wěn)定性

       Suglat?于2014年1月獲日本醫(yī)藥品醫(yī)療器械綜合機構批準上市，其主要活性成分為伊格列凈-L脯氨酸共晶。該藥是一種鈉-葡萄糖協(xié)同轉運蛋白2 (SGLT2) 抑制劑，主要用于治療Ⅱ型糖尿病。這個共晶藥物的上市是晶體工程用于改善藥物性質的一個經典的案例。

       伊格列凈原料本身會受到環(huán)境濕度影響從無水合物可逆轉變?yōu)榉腔瘜W計量比的水合物。如圖2所示，伊格列凈在大約30% RH時會吸水形成水合物，水合物在低于30% RH時又會轉變?yōu)闊o水合物。由于轉化的濕度點與環(huán)境濕度接近，如果不加以干涉，將會導致藥物生產和儲存過程中出現(xiàn)水合物轉化的問題。

       針對上述問題，研究者首先進行了晶型篩選，嘗試了大量溶劑，但僅僅只得到了溶劑合物，沒有得到理想的無水晶型。且由于伊格列凈本身結構中不含有酸堿基團，因此成鹽也不是合適的策略。針對這種中性化合物，毫無疑問，共晶是值得嘗試的手段。最終研究者通過和氨基酸配體的共晶篩選，將伊格列凈和等摩爾的L-脯氨酸在甲醇中加熱攪拌，緩慢冷卻后成功得到了共晶。共晶的水分吸附圖如圖3所示，結果表明共晶成功解決了原料吸濕性的問題。

       圖2 伊格列凈的水分吸附和解吸附圖[4]

       圖3 伊格列凈-L脯氨酸的水分吸附和解吸附圖[4]

       2提高藥物溶出和吸收

       楊梅素具有多種藥理活性，例如抗癌、抗糖尿病和肝 臟保護等。但由于水溶性差，楊梅素在大鼠中的口服生物利用度極低（<10%）。為了克服這個問題，研究者通過在乙醇中混懸的方法成功制備了楊梅素與脯氨酸的1:2的共晶體。

       從粉末溶出結果（圖4）可以看出，共晶在40分鐘時達到峰濃度7.25 μg/mL，大約是楊梅素原料本身最大溶解度的8倍，并且是物理混合組的3倍。說明楊梅素與脯氨酸形成共晶后確實極大改善了溶出情況。

       從大鼠體內PK（圖5）來看，形成共晶后，楊梅素的Cmax提高至3.45倍，AUC也有明顯提高，共晶的生物利用度約是原料組的3倍，而Tmax也從原料組的4 h縮短至共晶組的2.6 h。同時可以發(fā)現(xiàn)共晶組和原料組的T1/2并沒有發(fā)生變化，說明形成共晶后并沒有改變楊梅素在大鼠體內的消除行為。

       圖4 楊梅素，楊梅素共晶以及物理混合組的粉末溶出（pH 4.5）[5]

       圖5 楊梅素及楊梅素共晶在大鼠體內的血藥濃度曲線[5]

       3提高藥物滲透性

       吲哚美辛是一種眾所周知的非甾體抗炎藥，被廣泛用于患有中度至重度風濕性關節(jié)炎、強直性脊柱炎、骨關節(jié)炎和急性痛風性關節(jié)炎的患者。吲哚美辛本身存在有七種多晶型，商用形式為form γ，然而其理化性質仍不理想，因此研究者希望通過將吲哚美辛和脯氨酸制備成共晶來進一步改善性質。

       為了獲得預期的共晶，研究者嘗試了吲哚美辛和脯氨酸不同的研磨比例，以及多種結晶溶劑，如甲醇、丙酮、乙醇、乙酸乙酯、四氫呋喃、氯仿和乙腈等。最終將吲哚美辛和脯氨酸以等摩爾比加乙醇研磨30分鐘后，干燥研磨產物，并將其加到乙醇和乙腈（體積比2:5）的混合溶劑中，混懸3小時得到了吲哚美辛-脯氨酸共晶。根據(jù)其單晶結構圖6，晶體中含有一分子的水，作為API和配體分子間氫鍵的橋接。

       接下來研究者使用Franz擴散池來比較了共晶和原料的滲透性。根據(jù)圖7a所示，在前1 h，共晶隨時間的滲透速率最高，隨后在1-3 h內滲透速率稍有下降，最后到達平臺期。根據(jù)圖7b，共晶在第9 h時的滲透量 (0.2006 mg/cm2 ) 大約是原料本身 (0.1210 mg/cm2 )的1.66倍。這個例子說明吲哚美辛-脯氨酸共晶能提高藥物本身的滲透性。

       圖6 吲哚美辛-脯氨酸共晶單晶結構[6]

       圖7 吲哚美辛原料和共晶的滲透性圖[6]

       小結

       脯氨酸由于其良好的安全性和水溶性，是共晶篩選過程中使用頻率較高的配體之一。通過案例分析發(fā)現(xiàn)，藥物與脯氨酸形成共晶后在穩(wěn)定性，溶出和吸收，以及滲透性方面都有相應的改善。而在2022年5月，恒瑞醫(yī)藥的脯氨酸恒格列凈片的成功上市，也提示我們在共晶篩選過程中可以多嘗試一下氨基酸類配體特別是脯氨酸。

       參考文獻：

       [1] Nugrahani, I.; Jessica, M.A. Amino Acids as the Potential Co-Former for Co-Crystal Development: A Review.

       [2] Ana?lle Tilborg, Bernadette Norberg, Johan Wouters. Pharmaceutical salts and cocrystals involving amino acids: A brief structural overview of the state-of-art.

       [3] Agustina Bongioanni, Maria Soledad Bueno, Belén Alejandra Mezzano, Marcela Raquel Longhi, Claudia Garnero. Amino acids and its pharmaceutical applications: A mini review.

       [4] Patent: Cocrystal of C-glycoside derivative and L-proline.

       [5] Mingyu Liu, Chao Hong, Yashu Yao, Hongyi Shen, Guang Ji, Guowen Li, Yan Xie.

       Development of a pharmaceutical cocrystal with solution crystallization technology: Preparation, characterization, and evaluation of myricetin-proline cocrystals.

       [6] Ling-Yang Wang, Yue-Ming Yu, Fu-Bin Jiang, Yan-Tuan Li, Zhi-Yong Wua and Cui-Wei Yan. The first zwitterionic cocrystal of indomethacin with amino acid showing optimized physicochemical properties as well as accelerated absorption and slowed elimination in vivo.