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前药策略一直以来是药物化学家用来修饰活性分子，优化其药代动力学性质或减轻其毒副作用的关键工具【1】。其中，协同前药（Mutual Prodrugs）是前药策略中的重要组成，由两个或更多的活性分子共价连接构成。给药后，协同前药分子在同一位置（靶组织）释放多种活性药物，利用各自不同的作用机制，协同提升原药疗效，该策略在递送特殊形式的药物，特别是在递送气体分子时具有得天独厚的优势。现阶段的研究表明，生理浓度下的硫化氢（H2S）能有效发挥抗炎作用，如作用于胃肠道时能保护胃黏膜并促进胃溃疡的愈合、调节上皮分泌并减轻结肠炎的炎症反应等【2】，同时硫化氢与非甾体抗炎药（nonsteroidal anti-inflammatory drugs，NSAIDs）能够产生协同作用减少NSAIDs在肝脏、肾脏和胃肠道等器官的副作用【3】。这些发现极大地推动了硫化氢供体与NSAIDs的偶联改造【4】。然而，常见的硫化氢供体结构较为复杂，会显著增加NSAIDs原药的分子量，同时在释放硫化氢时会产生额外的代谢产物引发新的安全性问题，这极大地限制了硫化氢供体与NSAIDs的协同前药的开发与应用。 中国药科大学的郑月钦教授课题组针对这一问题，利用NSAIDs中常见的羧基结构，结合生物电子等排原理，运用劳森试剂将羧基中的一个氧原子替换为硫原子生成硫代酸衍生物（图1），这些全新的协同前药在不增加原药结构复杂性的同时仅代谢生成NSAID原药以及硫化氢。近日，该项研究工作发表在美国化学会出版的药物化学核心期刊Journal of
Medicinal Chemistry上（J. Med. Chem. 2024, ASAP）【5】。![]()
图1、传统与新型硫化氢供体的结构差异
研究人员首先运用劳森试剂将羧酸在甲苯中回流，使羧基中的羟基被替换为巯基从而制备硫代酸，随后将其制备为钠盐。这些钠盐产物具有良好的水溶性（5 mM）。研究人员随后使用猪肝酯酶（porcine liver esterase，PLE）作为模型酯酶检测硫化物的释放动力学，分别基于UPLC与亚甲蓝法定量检测代谢生成的原药与硫化氢。结果表明，前药的结构特征对半衰期影响显著，这些全新的协同前药具有最短5.8分钟（ZYSA07），最长267分钟（ZYSH02）不等的激活半衰期，并初步得出了电子缺陷型（ZYSA07）和较少屏蔽型（ZYSA03）硫醇盐更容易发生水解的构效关系。同时代谢过程能被蛋白酶抑制剂PMSF所抑制，表明该代谢过程是由酯酶介导的（图2）。![]()
图2、硫代酸的体外药代动力学
研究人员进一步地在大鼠血浆中评估了前药的代谢动力学，这些前药均表现出与PLE中近似的半衰期性质，表明协同前药在体内外均可通过酶促水解来释放出 H2S 及其各自的母体药物。同时在尾静脉注射的大鼠模型中，ZYSA01也表现类似的酯酶介导的水解现象。随后研究人员构建了大脑动脉闭塞模型并通过尾静脉给药100 μmol/kg的ZYSA01进行药效学评估。结果表明，ZYSA01的原药苯甲酸不能抑制脑梗的发生，而ZYSA01则表现出与Na2S相当的治疗活性，并显著降低了脑组织中毒性代谢物丙二醛（malondialdehyde，MDA）的含量，同时避免了Na2S过快释放硫化氢带来的LDH释放量增加的细胞毒性反应。综合来看，能够持续释放硫化氢的ZYSA0在脑缺血模型表现出更强的抗氧化应激能力与保护效果，表明该供体策略能最大化硫化氢的生理与药理活性（图3）。![]()
图3、ZYSA01的体内药代动力学性质与药效
最后，在胶原诱导的关节炎模型中，研究人员探究了前药分子ZYSH21与其原药双氯芬酸钠的药效与毒副作用差异。以33.7 μmol/kg的剂量分别灌胃给药后，ZYSH21与其原药表现出近似的口服生物利用度与疗效。然而ZYSH21给药组小鼠以8%的体重增长率显著地优于双氯芬酸钠组10%的体重下降率，表明ZYSH21与原药相比，不良反应显著减少。此外，HE染色结果表明原药组小鼠出现胃粘膜下层水肿和炎性细胞浸润和浅层粘膜坏死、脱落和出血性损伤，ZYSH21组则没有造成任何明显的损伤，并且保留了粘膜完整性。同时前药组抗氧化酶活性较好，显示出其对氧化应激的保护作用。与原药组相比，ZYSH21在降低肝肾毒性方面也更具优势。此外，ZYSH21减少了NSAIDs引起的肠道损伤，在保留肠道组织的完整性、抑制细胞凋亡、维持隐窝增殖、维持肠道菌群稳态等方面均表现良好，同时对粪便中的短链脂肪酸水平无显著影响，表现出更好的安全性（图4）。另外，病理分析表明，ZYSH21显著降低了NSAIDs带来的心脏毒性并减少心肌损伤，促进了心肌细胞的存活。![]()
图4、ZYSH21 和 双氯芬酸钠的肠道毒性评价
小结：传统的硫化氢供体协同前药设计具有对原药分子改动大、分子量大、代谢产物增多的弊端。作者基于生物电子等排原理，运用劳森试剂将NSAIDs中普遍存在的羧基制备为硫代酸，最小程度地将原药改造为能够同步释放硫化氢的协同前药。其中ZYSH21表现出与原药双氯芬酸钠相似的药效活性同时显著降低了NSAIDs带来的毒副作用尤其是心脏毒性。该研究不仅为硫化氢供体设计提供了全新思路，同时也对一些潜在心脏毒性靶点如MCL-1的抑制剂改造提供了思路。
参考文献
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Intagliata, S. Mutual Prodrugs of 5-Fluorouracil: From a Classic
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【2】 Wallace, J. L.; Caliendo, G.;
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NLM.
【3】Bindu, S.; Mazumder, S.;
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【4】Zheng, Y.; Yu, B.; Ji, K.; Pan, Z.;
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【5】Peng, W.; Qin, L.; Wang, T.; Sun,
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Atom-Efficient Prodrug Approach to Generate Synergy between H2S and
Nonsteroidal Anti-inflammatory Drugs and Improve Safety. Journal of Medicinal Chemistry 2024.
DOI: 10.1021/acs.jmedchem.4c01254.
