在藥物研發(fā)過程中，化合物在體內(nèi)ADME處置過程是其成藥性的重要指標(biāo)之一，在藥物設(shè)計(jì)及新藥開發(fā)的早期就開展藥物代謝研究，有利于提高新藥研發(fā)的成功率。近年來，人們已經(jīng)深入研究了細(xì)胞色素P450（CYP450）介導(dǎo)的代謝，開發(fā)出的新型高效的計(jì)算機(jī)和體外篩選模型將新藥臨床研究的失敗率降低10％。在所有非CYP代謝酶中，醛氧化酶（AO）是一種在人肝中表達(dá)的胞質(zhì)藥物代謝酶，與CYPs相似，有助于新化學(xué)實(shí)體的氧化，作為AO底物的藥物通常表現(xiàn)出較高的代謝清除率，從而導(dǎo)致低暴露量，因此降低了對人體的藥效，因此關(guān)注這些藥物代謝酶對藥物設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，最近，Manevski教授在《Journal of Medicinal Chemistry》上發(fā)表了關(guān)于醛基氧化酶的研究進(jìn)展文章[1]。
AO是一種參與胞嘧啶生物轉(zhuǎn)化的胞質(zhì)含鉬代謝酶，雖然在結(jié)構(gòu)上與黃嘌呤氧化還原酶（XO）相似，但是AO具有廣泛底物的選擇性，XO主要局限于嘌呤分解代謝中的次黃嘌呤和黃嘌呤的氧化，AO主要催化四種不同的反應(yīng)類型：氮雜雜環(huán)的氧化反應(yīng)，醛基氧化反應(yīng)，酰胺水解反應(yīng)和多種還原反應(yīng)。
AO通過其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、分布和底物選擇性在藥物代謝中起著重要作用。迄今為止，在所有物種（包括人類）中的肝臟是AO表達(dá)最高的臟器，而AO介導(dǎo)的藥物代謝主要由基于肝臟的AO活性決定，AO在其他組織中的分布高度依賴于物種，例如，在小鼠中，肺組織中的AO活性比在大鼠中更明顯。在人類中，除了肝臟外，還在排泄器官如肺，胃腸道和腎臟中檢測到AO活性，在胃腸道中，AO主要在小腸和大腸中高表達(dá)；在呼吸系統(tǒng)中，AO在氣管和支氣管上皮細(xì)胞以及肺泡細(xì)胞中表達(dá)豐富；此外，腎臟的近端小管，遠(yuǎn)端小管和集合管均顯示高水平的AO活性[2,3]。
1. 含氮雜環(huán)的氧化反應(yīng)
AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)通常發(fā)生在缺電子的芳香含氮雜環(huán)毗鄰氮的sp2雜化碳(?CH=N?基團(tuán)) 或非芳香帶電氮雜環(huán)。大量的芳香偶氮雜環(huán)和其融合的雜芳體系被AO氧化，通常產(chǎn)生類吡啶代謝物。盡管沒有對AO介導(dǎo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)化合物進(jìn)行全面的統(tǒng)計(jì)分析，但是輝瑞56%靶向于激酶的小分子化合物和ChEMBL數(shù)據(jù)庫中36%的藥物被預(yù)測是AO潛在的底物。雖然AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)位點(diǎn)主要是氮相鄰碳原子，但是也有文獻(xiàn)表明在喹啉，噠嗪，噌啉、吖啶和甲基喹叨啉遠(yuǎn)處的碳也能發(fā)生AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)。此外，AO對底物氧化的敏感性一般隨氮的數(shù)量增加而增加，特別是位于兩個氮之間的碳，例如，嘧啶氧化比吡啶氧化更常見；相反，對于苯基衍生物或者沒有氮原子的雜環(huán)的氧化，即使靠近吸電子基團(tuán)的缺電子碳也未見類似含氮雜環(huán)氧化的文獻(xiàn)報(bào)道，一些常見的雜環(huán)，如嘧啶、喹啉、嘌呤等可能是AO底物，提示此類化學(xué)結(jié)構(gòu)的候選藥物應(yīng)關(guān)注AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)。
圖1. 芳香族氮雜環(huán)被AO氧化的例子，紅色星號表示AO氧化的位點(diǎn)[2]
含氮芳香雜環(huán)的大小對AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)也有很大的影響，尤其是在非稠合環(huán)體系中，六元環(huán)比五元環(huán)更易于被AO介導(dǎo)的氧化，以6,6和6,5排列的各種含氮稠合芳雜環(huán)化合物也容易發(fā)生AO介導(dǎo)的氧化反應(yīng)，但是在此類環(huán)系統(tǒng)中，AO氧化的位置很難預(yù)測，通常發(fā)生在六元和五元環(huán)上與氮相鄰的碳上。底物對AO氧化的敏感性可以通過環(huán)取代來調(diào)節(jié)，根據(jù)親核催化機(jī)理和文獻(xiàn)中的SAR分析，認(rèn)為吸電子基團(tuán)（EWG）和給電子基（EDG）取代通常分別增強(qiáng)和降低底物對AO氧化的敏感性。然而，一些EDG環(huán)取代基的先導(dǎo)化合物可以促進(jìn)底物與酶的結(jié)合來增強(qiáng)AO介導(dǎo)的氧化作用。
除了AO介導(dǎo)的含氮芳香雜環(huán)化合物的氧化反應(yīng)外，其還能參與非芳香雜環(huán)化合物的氧化反應(yīng)，但是通常需要單胺類藥物代謝酶（單胺氧化酶B (MAO-B)和CYPs）進(jìn)行初始氧化形成亞胺離子。FLT3激酶抑制劑KW-2249結(jié)構(gòu)中的哌嗪環(huán)在MAO-B氧化下形成亞胺離子中間體，隨后經(jīng)AO介導(dǎo)的氧化形成哌嗪酮代謝物。強(qiáng)效的選擇性口服JAK1、JAK2和ACVR1抑制劑Momelotinib嗎啉環(huán)在體內(nèi)首先被CYPs氧化成亞胺離子，然后被AO氧化成相應(yīng)的嗎啉-3-酮代謝物。在AO的底物中，環(huán)氨基被CYP450或MAO代謝環(huán)亞胺（例如吡咯烷、哌啶、哌嗪、N-取代哌嗪或嗎啉），后者在體內(nèi)可通過AO進(jìn)一步氧化為環(huán)狀內(nèi)酰胺，包括尼古丁、震顫堿和脯氨酸。
圖2. AO介導(dǎo)氧化非芳香氮雜環(huán)化合物的實(shí)例，通常與其他藥物氧化代謝酶結(jié)合[2]
2. 醛的氧化反應(yīng)
醛被氧化為羧酸需要通過幾種具有重疊底物的酶協(xié)同催化完成，最著名的是醛脫氫酶（ALDH），AO和XO。盡管醛基在藥物結(jié)構(gòu)中很少出現(xiàn)，但是甲基，羥甲基等基團(tuán)在藥物結(jié)構(gòu)中很常見，伯醇[通過醇脫氫酶（ADH）]或末端甲基（通過CYPs）可以在體內(nèi)氧化后作為代謝中間體形成醛基。艾瑞昔布是一種COX-2抑制劑，具有一個苯基甲基基團(tuán)，該基團(tuán)被氧化成羧酸（人體血漿中的主要代謝物），體外研究顯示，CYP3A4和CYP2D6催化氧化成羥甲基和醛，隨后被AO介導(dǎo)氧化成羧酸。LuAA21004是一種新型的抗重性抑郁藥，其在體內(nèi)首先被CYP2D6氧化為芐醇，然后經(jīng)ADH，ALDH和AO氧化為苯甲酸。其他通過AO介導(dǎo)的中間體醛氧化的例子還包括5-羥色胺，西酞普蘭，他莫昔芬和環(huán)磷酰胺等。
圖3. AO介導(dǎo)醛基氧化的實(shí)例，通常與其他藥物氧化代謝酶結(jié)合[3]
3. 酰胺水解反應(yīng)
AO介導(dǎo)酰胺水解反應(yīng)引起人們的高度關(guān)注，酰胺鍵在藥物分子中普遍存在且藥物在體內(nèi)代謝清除率高，而且芳香胺（苯胺）作為芳香族酰胺經(jīng)AO介導(dǎo)酰胺水解反應(yīng)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物具有潛在的重大遺傳毒性風(fēng)險。
經(jīng)研究表明芳族酰胺更容易發(fā)生AO介導(dǎo)的水解反應(yīng)，酰胺鍵的胺部分（苯胺部分）的結(jié)構(gòu)對水解速率的影響更大，在苯胺上進(jìn)行EDG和EWG基團(tuán)間位取代分別增加和減少AO介導(dǎo)酰胺水解的傾向。在苯胺鄰位或/和對位引入EDG或EWG取代通常都會減少酰胺水解反應(yīng)的傾向。在苯胺或脂肪胺上引入大位阻的叔胺基團(tuán)和剛性基團(tuán)一般使酰胺相對穩(wěn)定。與苯胺部分相反，?；糠值慕Y(jié)構(gòu)通常對水解速率的影響較小：呋喃，吲哚，2-亞甲基吲哚，（3-氟苯基）丙烷，環(huán)己烷，吡嗪和吡啶?；?/span>均為AO介導(dǎo)酰胺水解的底物，雙脂族酰胺通常不是底物。
圖4. AO介導(dǎo)酰胺水解的實(shí)例以及構(gòu)效關(guān)系[3]
4. 還原反應(yīng)
AO不僅可以催化氧化代謝反應(yīng)，而且還可以催化硝基，N-氧化物，亞砜，異惡唑，異噻唑，亞硝酸鹽和異羥肟酸進(jìn)行還原代謝反應(yīng)。與氧化代謝相反，由AO催化的還原反應(yīng)需要電子供體，通常是2-羥基嘧啶，N-甲基煙堿，苯甲醛或還原型輔酶Ⅱ（NADPH）發(fā)生在FAD結(jié)合位點(diǎn)。
5. 還原硝基化合物
與酰胺水解相比，硝基的還原代謝反應(yīng)導(dǎo)致羥胺和伯胺的形成，這些代謝物可能會導(dǎo)致一系列藥物不良反應(yīng)。在厭氧條件和電子供體存在下，對兔肝細(xì)胞溶質(zhì)和純化的兔AO可以將致癌的2-硝基芴，4-硝基聯(lián)苯，1-硝基萘和1-硝基吡啶還原為相應(yīng)的羥胺和/或胺，類似地，含氮苯并二氮雜催眠藥硝西泮在有氧條件下主要通過AO還原為7-氨基-硝西泮，在人肝細(xì)胞溶質(zhì)中硝基還原作用更為明顯，加入NADPH后其含量降低了50%。非甾體類抗炎藥尼美舒利被大鼠和人AO還原為氨基尼美舒利，后者進(jìn)一步經(jīng)歷CYP氧化和GSH結(jié)合，產(chǎn)生肝毒性。在有氧條件下和電子供體存在的情況下，AO也會催化丹曲林（骨骼肌松弛劑）的硝基還原代謝（ NADPH或N1-甲基煙酰胺）形成氨基丹曲林（一種代謝產(chǎn)物），后者進(jìn)一步被乙?；?/span>或N-羥基化，導(dǎo)致肝損傷。
通過對已上市的含有硝基芳香族化合物在HLC中還原代謝為芳基胺的研究表明，人AO可以明顯還原6種藥物（氯硝西泮，氟尼西泮，氟他酰胺，尼魯米特，尼美舒利和尼美他西）的硝基，對3種藥物（阿茲尼地平，硝苯地平和尼莫地平）的硝基還原代謝活性較弱，不能催化2種藥物（甲硝唑和托卡朋）的硝基還原代謝，作者認(rèn)為芳香硝基被AO介導(dǎo)還原代謝趨勢受藥物分子的電子效應(yīng)影響，相對于缺電子的硝基，富電子的硝基更容易還原。
圖5. AO介導(dǎo)硝基還原的實(shí)例[3]
6. 還原氮氧化物
在厭氧條件下，兔、大鼠、小鼠、倉鼠和豬的肝細(xì)胞溶液將亞丙胺N-氧化物和煙酰胺N-氧化物分別還原為亞胺丙胺和煙酰胺。幾種喹喔啉-1,4-二-N-氧化物（甲喹喔啉和喹賽多），在厭氧條件下，被豬醛基氧化酶還原為相應(yīng)的1-脫氧類似物。
圖6. AO介導(dǎo)氮氧化合物還原的實(shí)例[3]
7. 異惡唑和異噻唑環(huán)還原開環(huán)
唑尼沙胺是一種含異惡唑的抗驚厥藥，用于治療癲癇和帕金森氏病，在兔子、倉鼠、小鼠、大鼠或豚鼠肝臟AO催化下異惡唑環(huán)被還原開環(huán)，該AO介導(dǎo)還原代謝反應(yīng)在厭氧條件下進(jìn)行，電子供體（2-羥基嘧啶或NADPH）被甲萘醌抑制。齊拉西酮是一種含有異噻唑環(huán)的非典型抗精神病藥，有氧條件下，在人肝細(xì)胞溶質(zhì)中異噻唑環(huán)被AO介導(dǎo)&
