药物代谢之细胞色素酶CYP450
药物进入体内会在一系列酶的作用下被催化为极性分子，发挥药效或者被正常代谢体系排除天外的过程就是药物代谢，这是机体的一种自我保护方式。药物代谢已经成为药理研究的重要部分。研究药物在体内的代谢过程及其化学变化，对于阐述药理作用、毒性研究、结构修饰等都具有重要意义，而药物代谢的过程最重要的角色便是参与其中的各种酶，包括细胞色素酶P450、还原酶、过氧化物酶、单加氧酶和水解酶。细胞色素 CYP450抑制分析是药物发现过程的重要组成部分，因为药物之间的不利相互作用将导致药物开发计划终止、药物撤市或限制治疗用途。由于需要在药物发现过程的早期淘汰表现不佳的候选药物，使得体外 ADME 分析也需尽早开展。今天我们来讨论下细胞色素酶P450的各个亚型，以及计算机方法在预测药物上的运用。细胞色素酶P450
细胞色素酶P450（cytochrome P450 enzyme system, CYP450）主要存在于肝脏和其他组织的内质网中，是一类血红蛋白偶联单加氧酶，其发挥作用需要辅酶NADPH和分子氧的共同参与，主要参与药物的生物转化中氧化反应，包括失去电子、脱氢反应和氧化反应，CYP450是主要的药物代谢酶系。CPY450通过活化分子氧，使得其中一个氧与有机分子结合，同时将另一个氧原子还原为水，通过这种方式在药物分子中引入氧。CYP450催化的反应类型有烷烃和芳香化合物的氧化反应；烯烃、多核芳烃以及卤代笨的环氧化反应；仲胺、叔胺及醚的脱烷基反应；胺类的脱氨反应；将胺转化为N-氧化物、羟胺及亚硝基化合物以及卤代烃的脱卤反应等。具体参与代谢类型如下：
CYP450是一组酶的总称，有许多同工酶和亚型组成，命名时用CPY代表CYP450,其后加阿拉伯数字表示CPY450的家族成员，例如CYP1、CPY2、CPY3等，在数字后加字母，则代表亚家族，如CYP1A、CYP2C、CYP2D、CYP2E等。CPY450最早发现与20世纪60年代，目前已经报道的CPY基因至少有57个，被分为18个家族和43个亚家族。虽然肝微粒体中有多个CPY450亚型，但参与药物代谢的酶只有少数几个，其中参与度最高的是CPY3A4。下图为CYP3A4与血红素和酮康唑结合结构图：
下表展示了人不同亚型的CYP在药物代谢中的作用
其中，CYP3A4含量在肠道中占CPY总量的70%，在肝脏中占总量CYP的30%，抑制CPY3A4会导致药物在血液浓度的增加可能引起毒副作用，激活CPY3A4则会增强其对药物的代谢，有可能降低药效。有研究表明一些药物是CPY3A4底物的同时，也是P-糖蛋白（P-gp）的底物，一些药物通过被动转运进入肠道上皮细胞，会被CYP3A4代谢，同时又被P-gp外排至肠腔，是的药物在肠道细胞核肠腔之间形成一个连续的反复循环，导致药物减少吸收，限制了药物进入循环系统的量。许多阿片类镇痛药都被 CYP3A4 代谢, 同时又是 P-gp 的底物、抑制剂或诱导剂。在与抗逆转录病毒药物合用时通常会发生由 P-gp 和 CYP3A4 介导的 DDI。美沙酮的血药浓度会受利托那韦影响而明显减少, 因为利托那韦诱导 CYP3A4 使美沙酮的代谢增加, 同时抑制了 P-gp 对它的外排。
计算机预测方法药物代谢
在药物发现早期利用计算机模型预测药物可能参与的代谢，将极大节省药物研发的成本和提高药物发现的成功率。包括预测CPY450底物、抑制剂、代谢位点和代谢产物的预测，下面介绍几种CPY450药物代谢预测的计算机工具：
总结
由于该主题对药物发现的重要性，预计代谢预测软件的势头将在可预见的将来保持下去，但缺乏高质量的数据将不可避免地阻碍其进展，同时算法的精度也有进一步提升的空间。当前，由于CYP代谢与I期药物代谢密切有关，因此重点一直放在CYP代谢上，但其他清除途径有关的酶同样需要倾注更多的注意力，例如谷胱甘肽转移酶和磺基转移酶等。
参考文献
Tyzack J D, Kirchmair J. Computational methods and tools to predict cytochrome P450 metabolism for drug discovery[J]. Chemical biology & drug design, 2019, 93(4): 377-386.
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