在药物研发过程中，化合物在体内ADME处置过程是其成药性的重要指标之一，在药物设计及新药开发的早期就开展药物代谢研究，有利于提高新药研发的成功率。近年来，人们已经深入研究了细胞色素P450（CYP450）介导的代谢，开发出的新型高效的计算机和体外筛选模型将新药临床研究的失败率降低10％。在所有非CYP代谢酶中，醛氧化酶（AO）是一种在人肝中表达的胞质药物代谢酶，与CYPs相似，有助于新化学实体的氧化，作为AO底物的药物通常表现出较高的代谢清除率，从而导致低暴露量，因此降低了对人体的药效，因此关注这些药物代谢酶对药物设计具有指导意义，最近，Manevski教授在《Journal of Medicinal Chemistry》上发表了关于醛基氧化酶的研究进展文章^[1]。

<section style="white-space: normal; max-width: 100%; box-sizing: border-box; letter-spacing: 0.544px; border-color: initial; border-style: none; border-width: 0px; overflow-wrap: break-word !important;">

AO是一种参与胞嘧啶生物转化的胞质含钼代谢酶，虽然在结构上与黄嘌呤氧化还原酶（XO）相似，但是AO具有广泛底物的选择性，XO主要局限于嘌呤分解代谢中的次黄嘌呤和黄嘌呤的氧化，AO主要催化四种不同的反应类型：氮杂杂环的氧化反应，醛基氧化反应，酰胺水解反应和多种{attr}3168{/attr}。

AO通过其独特的结构、分布和底物选择性在药物代谢中起着重要作用。迄今为止，在所有物种（包括人类）中的肝脏是AO表达最高的脏器，而AO介导的药物代谢主要由基于肝脏的AO活性决定，AO在其他组织中的分布高度依赖于物种，例如，在小鼠中，肺组织中的AO活性比在大鼠中更明显。在人类中，除了肝脏外，还在排泄器官如肺，胃肠道和肾脏中检测到AO活性，在胃肠道中，AO主要在小肠和大肠中高表达；在呼吸系统中，AO在气管和支气管上皮细胞以及肺泡细胞中表达丰富；此外，肾脏的近端小管，远端小管和集合管均显示高水平的AO活性^[2,3]。

1. 含氮杂环的氧化反应

AO介导的氧化反应通常发生在缺电子的芳香含氮杂环毗邻氮的sp2杂化碳(−CH=N−基团) 或非芳香带电氮杂环。大量的芳香偶氮杂环和其融合的杂芳体系被AO氧化，通常产生类吡啶代谢物。尽管没有对AO介导的结构响应化合物进行全面的统计分析，但是辉瑞56%靶向于激酶的小分子化合物和ChEMBL数据库中36%的药物被预测是AO潜在的底物。虽然AO介导的氧化反应位点主要是氮相邻碳原子，但是也有文献表明在喹啉，哒嗪，噌啉、吖啶和甲基喹叨啉远处的碳也能发生AO介导的氧化反应。此外，AO对底物氧化的敏感性一般随氮的数量增加而增加，特别是位于两个氮之间的碳，例如，嘧啶氧化比吡啶氧化更常见；相反，对于苯基衍生物或者没有氮原子的杂环的氧化，即使靠近吸电子基团的缺电子碳也未见类似含氮杂环氧化的文献报道，一些常见的杂环，如嘧啶、喹啉、嘌呤等可能是AO底物，提示此类{attr}3237{/attr}的候选药物应关注AO介导的氧化反应。

图1. 芳香族氮杂环被AO氧化的例子，红色星号表示AO氧化的位点^[2]

含氮芳香杂环的大小对AO介导的氧化反应也有很大的影响，尤其是在非稠合环体系中，六元环比五元环更易于被AO介导的氧化，以6,6和6,5排列的各种含氮稠合芳杂环化合物也容易发生AO介导的氧化反应，但是在此类环系统中，AO氧化的位置很难预测，通常发生在六元和五元环上与氮相邻的碳上。底物对AO氧化的敏感性可以通过环取代来调节，根据亲核催化机理和文献中的SAR分析，认为吸电子基团（EWG）和给电子基（EDG）取代通常分别增强和降低底物对AO氧化的敏感性。然而，一些EDG环取代基的先导化合物可以促进底物与酶的结合来增强AO介导的氧化作用。

除了AO介导的含氮芳香杂环化合物的氧化反应外，其还能参与非芳香杂环化合物的氧化反应，但是通常需要单胺类药物代谢酶（单胺氧化酶B (MAO-B)和CYPs）进行初始氧化形成亚胺离子。FLT3激酶抑制剂KW-2249结构中的哌嗪环在MAO-B氧化下形成亚胺离子中间体，随后经AO介导的氧化形成哌嗪酮代谢物。强效的选择性口服JAK1、JAK2和ACVR1抑制剂Momelotinib吗啉环在体内首先被CYPs氧化成亚胺离子，然后被AO氧化成相应的吗啉-3-酮代谢物。在AO的底物中，环氨基被CYP450或MAO代谢环亚胺（例如吡咯烷、哌啶、哌嗪、N-取代哌嗪或吗啉），后者在体内可通过AO进一步氧化为环状内酰胺，包括尼古丁、震颤碱和脯氨酸。

图2. AO介导氧化非芳香氮杂环化合物的实例，通常与其他药物氧化代谢酶结合^[2]

2. 醛的氧化反应  

醛被氧化为羧酸需要通过几种具有重叠底物的酶协同催化完成，最著名的是醛脱氢酶（ALDH），AO和XO。尽管醛基在药物结构中很少出现，但是甲基，羟甲基等基团在药物结构中很常见，伯醇[通过醇脱氢酶（ADH）]或末端甲基（通过CYPs）可以在体内氧化后作为代谢中间体形成醛基。艾瑞昔布是一种COX-2抑制剂，具有一个苯基甲基基团，该基团被氧化成羧酸（人体血浆中的主要代谢物），体外研究显示，CYP3A4和CYP2D6催化氧化成羟甲基和醛，随后被AO介导氧化成羧酸。LuAA21004是一种新型的抗重性抑郁药，其在体内首先被CYP2D6氧化为苄醇，然后经ADH，ALDH和AO氧化为苯甲酸。其他通过AO介导的中间体醛氧化的例子还包括5-羟色胺，西酞普兰，他莫昔芬和环磷酰胺等。

图3. AO介导醛基氧化的实例，通常与其他药物氧化代谢酶结合^[3]

3. 酰胺水解反应

AO介导酰胺水解反应引起人们的高度关注，酰胺键在药物分子中普遍存在且药物在体内代谢清除率高，而且芳香胺（苯胺）作为芳香族酰胺经AO介导酰胺水解反应产生的代谢产物具有潜在的重大遗传毒性风险。

经研究表明芳族酰胺更容易发生AO介导的水解反应，酰胺键的胺部分（苯胺部分）的结构对水解速率的影响更大，在苯胺上进行EDG和EWG基团间位取代分别增加和减少AO介导酰胺水解的倾向。在苯胺邻位或/和对位引入EDG或EWG取代通常都会减少酰胺水解反应的倾向。在苯胺或脂肪胺上引入大位阻的叔胺基团和刚性基团一般使酰胺相对稳定。与苯胺部分相反，酰基部分的结构通常对水解速率的影响较小：呋喃，吲哚，2-亚甲基吲哚，（3-氟苯基）丙烷，环己烷，吡嗪和吡啶酰基均为AO介导酰胺水解的底物，双脂族酰胺通常不是底物。

图4. AO介导酰胺水解的实例以及构效关系^[3]

4. 还原反应

AO不仅可以催化氧化代谢反应，而且还可以催化硝基，N-氧化物，亚砜，异恶唑，异噻唑，亚硝酸盐和异羟肟酸进行还原代谢反应。与氧化代谢相反，由AO催化的还原反应需要电子供体，通常是2-羟基嘧啶，N-甲基烟碱，苯甲醛或还原型辅酶Ⅱ（NADPH）发生在FAD结合位点。

5. 还原硝基化合物

与酰胺水解相比，硝基的还原代谢反应导致羟胺和伯胺的形成，这些代谢物可能会导致一系列药物不良反应。在厌氧条件和电子供体存在下，对兔肝细胞溶质和纯化的兔AO可以将致癌的2-硝基芴，4-硝基联苯，1-硝基萘和1-硝基吡啶还原为相应的羟胺和/或胺，类似地，含氮苯并二氮杂催眠药硝西泮在有氧条件下主要通过AO还原为7-氨基-硝西泮，在人肝细胞溶质中硝基还原作用更为明显，加入NADPH后其含量降低了50%。非甾体类抗炎药尼美舒利被大鼠和人AO还原为氨基尼美舒利，后者进一步经历CYP氧化和GSH结合，产生肝毒性。在有氧条件下和电子供体存在的情况下，AO也会催化丹曲林（骨骼肌松弛剂）的硝基还原代谢（ NADPH或N1-甲基烟酰胺）形成氨基丹曲林（一种代谢产物），后者进一步被乙酰化或N-羟基化，导致肝损伤。

通过对已上市的含有硝基芳香族化合物在HLC中还原代谢为芳基胺的研究表明，人AO可以明显还原6种药物（氯硝西泮，氟尼西泮，氟他酰胺，尼鲁米特，尼美舒利和尼美他西）的硝基，对3种药物（阿兹尼地平，硝苯地平和尼莫地平）的硝基还原代谢活性较弱，不能催化2种药物（甲硝唑和托卡朋）的硝基还原代谢，作者认为芳香硝基被AO介导还原代谢趋势受药物分子的电子效应影响，相对于缺电子的硝基，富电子的硝基更容易还原。

图5. AO介导硝基还原的实例^[3]

6. 还原氮氧化物

       在厌氧条件下，兔、大鼠、小鼠、仓鼠和猪的肝细胞溶液将亚丙胺N-氧化物和烟酰胺N-氧化物分别还原为亚胺丙胺和烟酰胺。几种喹喔啉-1,4-二-N-氧化物（甲喹喔啉和喹赛多），在厌氧条件下，被猪醛基氧化酶还原为相应的1-脱氧类似物。

图6. AO介导氮氧化合物还原的实例^[3]

7. 异恶唑和异噻唑环还原开环

       唑尼沙胺是一种含异恶唑的抗惊厥药，用于治疗癫痫和帕金森氏病，在兔子、仓鼠、小鼠、大鼠或豚鼠肝脏AO催化下异恶唑环被还原开环，该AO介导还原代谢反应在厌氧条件下进行，电子供体（2-羟基嘧啶或NADPH）被甲萘醌抑制。齐拉西酮是一种含有异噻唑环的非典型抗精神病药，有氧条件下，在人肝细胞溶质中异噻唑环被AO介导的还原代谢开环。

图7. AO介导异恶唑和异噻唑环还原开环的实例^[3]

8. AO介导还原反应的其他示例

苯乙酮肟在厌氧条件下，2-羟基嘧啶作为电子给体，被兔肝细胞溶质还原为相应的酮亚胺，作者认为形成的酮亚胺经过非酶水解生成酮或醛，并释放等摩尔量的氨；AO在厌氧条件下将异羟肟酸（水杨基异羟肟酸，苯并异羟肟酸，蒽异羟肟酸和烟酰胺异羟肟酸）还原为相应的酰胺；非甾体类抗炎药舒林酸具有亚砜基，在豚鼠醛基氧化酶介导下被还原代谢为相应的硫化物。

图8. AO介导还原反应的其他示例^[3]

AO一直被称为胞质代谢酶，最近人们已经认识到它在药物代谢中起着重要作用，由于药物设计正在努力减少或消除细胞色素P450介导的药物代谢途径，并且含氮杂环化合物（可同时改善药代动力学和药效动力学特性的氮杂杂环化合物）已成为候选药物结构中的流行组成部分，因此AO作为药物代谢酶的重要性已被广泛认可。

参考文献

作者：梅文义