核苷類藥物在腫瘤、感染性疾病(病毒如HSV、HIV、HBV、HCV或真菌感染)等領域應用廣泛。其作用靶點多為DNA聚合酶或RNA逆轉錄酶，核苷類藥物一般模擬天然核苷的結構，競爭性地作用于酶活性中心，嵌入正在合成的DNA或RNA鏈中，干擾核酸代謝。

核苷類藥物進入細胞后在酶的作用下經三步磷酸化，得到具有生物活性的三磷酸衍生物而發揮藥效，其中單磷酸化是限速步驟，因此通常在核苷類藥物中直接引入單磷酸或磷酸酯基團。早期設計的磷酸或磷酸酯衍生物因其極性大難以通過細胞膜，磷-氧鍵代謝穩定性較差等限制了應用。為解決類藥性問題在該類藥物設計中，前藥策略被廣泛采用。

ProTide前藥技術是核苷類藥物領域應用最成功的前藥技術之一。其設計原理是將核苷膦酸/磷酸類藥物分別通過磷酯鍵/磷酰胺鍵(芳基模塊/氨基酸酯基模塊)與極性基團連接形成磷酯/磷酰胺前藥，通過掩蔽極性基團來降低分子極性增加透膜性，當前藥吸收進入體內后再經特定酶水解釋放原型藥物。FDA已批準兩個ProTide前藥：替諾福韋艾拉酚胺(Tenefovir Alafenamide，TAF)和索非布韋(Sofosbuvir)。

圖A：核苷類藥物通過核苷轉運體進入細胞并被酶磷酸化產生三磷酸化活性產物；B：核苷單磷酸藥物極性大，透膜性差，生物利用度低；C：ProTide前藥及上市藥物。

01 ProTide前藥技術的誕生和演化

ProTide技術最早可追溯到20世紀80年代，旨在將磷酸極性基團隱蔽使藥物在生理PH條件下呈中性，進而增加藥物吸收。20多年的發展可按結構特征分為如下表所示六個階段，從簡單地引入烷基形成磷酸酯逐漸演變為引入芳基和氨基酸酯的ProTide技術。

02 ProTide前藥的合成

ProTides合成有三種不同的策略：

(1)核苷與二芳基亞膦酸酯偶聯隨后氧化胺化；

(2)核苷與磷酰氯反應；

(3)核苷磷酸芳酯與氨基酸縮合。

方案(2)是最常見的合成方法，該方法常用叔丁基氯化鎂(tBuMgCl)或N-甲基咪唑(NMI)做堿(堿性tBuMgCl>NMI)，反應起始底物不同所用堿有所差異；此外反應產生的是非對映異構體混合物，一些情況下非對應異構體具有相似的活性無需分離；也有一些情況非對應異構體代謝速率有所差別，但非對應異構體的分離是巨大挑戰。

以核苷單磷酸/單磷酸酯為底物制備ProTide也有三種方法：①將核苷磷酸轉化為二氯磷酸酯，隨后加入1:1的苯酚和氨基酸酯；②核苷磷酸與苯酚在DCC條件下縮合后產物轉化為氯磷酸酯，最后加入氨基酸酯；③已核苷磷酸二苯酯做起始底物，先水解一個苯酯，隨后與氨基酸酯縮合。

圖：ProTide合成方案

03 ProTide前藥的代謝

ProTide前藥在體內釋放原藥的機制：前藥進入體內后，主要經組織蛋白酶A (cathepsin A)將氨基酸酯水解為氨基酸，在生理PH條件下氨基酸中的羧基負離子進攻磷原子同時芳基離去形成五元環，水分子使五元環中間體進一步開環，開環產物在磷酯酶/磷酰胺酶作用下氨基酸水解釋放單磷酸原藥，后經兩步磷酸化得到具有生物活性的三磷酸化衍生物。

圖：ProTide前藥技術體內降解釋放原藥的機制

04 ProTide前藥技術在藥物研發中的應用

除了已上市的2個ProTide前藥，目前還有10余個藥物處于臨床研究階段。

圖：重要的處于臨床階段的ProTide前藥

*ProTide前藥技術發明人McGuigan教授于2015年加盟NuCana Biomed公司擔任首席科學家，致力打造抗腫瘤藥物領域的Gilead，不過遺憾的是2016年3月McGuigan教授因癌癥不治英年早逝。

05 小結與展望

ProTide技術鼻祖McGuigan教授及其課題組經過多年的研究，優化磷酸掩蔽基團使ProTide技術日趨成熟，該技術促進了多種核苷單磷酸藥物或類似物的發現和臨床應用。ProTide技術已經被成功用于開發核苷類抗病毒藥物和抗癌藥物，近年來應用領域逐漸擴展至帕金森等疾病領域。此外ProTide技術還被用作非核苷類單磷酸化合物(如葡糖胺、S1P等)的細胞內傳遞手段。從這些例子我們可以看到ProTide技術應用廣泛，在核苷/非核苷類磷酸/磷酸酯前藥開發中均表現出極大潛力，是助力藥物研發和高效的細胞內傳遞的強大技術。

參考文獻：

The ProTide Prodrug Technology: From the Concept to the Clinic. DOI:10.1021/acs.jmedchem.7b00734.

Nucleoside Phosphate and Phosphonate Prodrug Clinical Candidates. DOI:10.1021/acs.jmedchem.6b00523.

Cathepsin A Is the Major Hydrolase Catalyzing the Intracellular Hydrolysis of theAntiretroviral Nucleotide Phosphonoamidate Prodrugs GS-7340 and GS-9131. DOI: 10.1128/AAC.00968-06.