β-内酰胺水合物晶体药物_胡昌勤.pdf

.241.文章编号：1001-8689(2023)03-0241-09收稿日期：2022-11-14作者简介：胡昌勤，男，生于1958年，研究员，从事抗生素质量分析与评价，E-mail:-内酰胺水合物晶体药物胡昌勤(中国食品药品检定研究院，北京 102629)摘要：-内酰胺抗生素水合物作为一类重要的晶体药物在药物研发中被广泛关注。在-内酰胺水合物晶体药物中，结构相似的药物具有相似的分子构型，但其可以和水分子相互作用组成不同的晶胞结构，形成不同的水合物晶体。晶体中的水分子与药物分子通过氢键、配位键等形成较强的相互作用，表现为典型的化学计量特征，通常在维系晶格的稳定性中起关键作用；而与药物分子作用相对较弱的结晶水，表现为非化学计量特征，通常主要作用是维系水合物晶体的稳定性。选择适宜的结晶工艺、优化过程控制条件是得到稳定晶体药物的关键。关键词：-内酰胺抗生素；晶体药物；药物水合物；特性中图分类号：R978.1 文献标志码：ACrystal drugs of-lactam hydratesHu Chang-qin(National Institutes for Food and Drug Control,Beijing 102629)Abstract Asanimportantpartofcrystallinedrugs,the-lactamantibiotichydratehasdrawnmuchattentionindrugresearchanddevelopment.Amongthecrystallinedrugsof-lactamhydrate,the-lactamswithsimilarstructuremayhavesimilarmolecularconfigurations,buttheycaninteractwithwatermoleculestoformdifferentcrystalcellssothattoformdifferenthydratecrystals.Partsofthewatermoleculesincrystalsdemonstratestronginteractionswithdrugmoleculesthroughhydrogenbondsandcoordinationbonds,whichshowtypicalstoichiometriccharacteristics,andusuallyplayamajorroleinkeepingthestabilityofthelattice.Theotherpartsofthewatermolecules,whichusuallyarenon-stoichiometrichydrateswithrelativelyweakinteractiontodrugmolecules,playtheroleinmaintainingthestabilityofhydratecrystals.Inordertocontinuallygetstablecrystallinedrugsinmanufacture,anappropriatecrystallization process and good controlled conditions are important.Key words-lactamantibiotics;Crystallinedrugs;Drughydrates;Characteristicss第一作者：胡昌勤，汉族，研究员，博士生导师，中国食品药品检定研究院化学药品检定前首席专家，抗生素室主任兼任微生物检测室主任。现任第十一届国家药典委员会执行委员，微生物专业委员会主任委员。获得国家科技进步二等奖、上海市科技进步二等奖、吴阶平-保罗杨森药学奖三等奖。出版专著8部，发表论文500余篇，其中SCI论文90余篇。授权国家发明专利14项。指导博士、硕士研究生50余人。专 论中国抗生素杂志2023年3月第48卷第3期DOI:10.13461/ki.cja.007476.242.-内酰胺水合物晶体药物 胡昌勤水合/脱水转变压力是温度的函数。非化学计量水合物(non-stoichiometric hydrates)是指晶格结构中的水分子在一定范围内可连续变化但晶体结构无明显变化的水合物；伴随着水分子的变化，非化学计量水合物晶格的各向异性(anisotropy)也会发生一些改变；当晶格中所有的水分子均解吸附后，其水合物晶体的结晶度通常会降低。非化学计量水合物晶体的等温吸附曲线可以分为I、或V型(图1)。对含有多个结晶水的-内酰胺水合物晶体，其中，可能部分结晶水表现出化学计量特征，另一部分结晶水则表现为非化学计量特征。如头孢唑林钠五水合物，单晶X射线衍射分析揭示3-4，在晶态下一个不对称单位中含有2个构型相同的头孢唑林分子、5.410个水分子(10个位置)和1个钠离子；头孢唑林分子排列形成一个隧道式空腔，水分子和钠离子存在于空腔之内；钠离子分别与2个头孢唑林分子中的N5(N5)及OW1,OW2,OW2a和OW3 4个水分子形成6配位的六角双锥体，水分子具有明显的化学计量特征，并在维持水合物晶体的稳定性中起关键作用；其余的水分子则存在位置无序，实际晶体中水分子在每个位点的占有率在0.90.1之间波动，呈典型的非化学计量特征，这部分水分子对维系水合物晶体的稳定性作用相对较弱。2-内酰胺抗生素水合物中水分子的特性水合物中的水分子与氧原子和氮原子形成氢键是最常存在形式。对剑桥结构数据库中3315种水合物晶体的分析表明，水合物中按氢键形成的方式，可分为8种不同的配位方式(图2)：最简单的形式是一个水分子仅形成一个氢键，水分子的氢原子作为质子供体(方式1)或氧原子作为质子受体(方式3)；最复杂的形式是水分子和相邻的分子之间形成4个氢键-内酰胺抗生素常以多晶型晶体药物的形式存在，而-内酰胺抗生素水合物作为其中的一类重要的结构，在药物的研发中被广泛关注。本文从药物-水分子的相互作用角度，探讨晶胞中-内酰胺抗生素与结晶水分子的相互作用形式及对其稳定性的影响，从理论上为-内酰胺抗生素水合物晶体药物的开发与评价提供帮助。1 药物水合物分类药物水合物在-内酰胺抗生素晶体药物中广泛存在，多种青霉素如阿莫西林、氨苄西林，头孢菌素如头孢唑林钠、头孢曲松钠、头孢米诺钠等均可形成稳定的水合物晶体。晶体水合物按水分子在晶格中的排列方式可分为3类1。第一类：孤立位点水合物(isolated site hydrates)，即水分子在晶体中分散于化合物分子之间，彼此之间不接触，如头孢拉定二水合物。第二类：通道水合物(channel hydrates)，即水分子位于晶体形成的通道结构中，晶格中水分子沿晶轴方向与相邻单元的水分子相伴，如氨苄西林三水合物。该类水合物根据通道的特点可被进一步分为可扩展通道水合物(expanded-channel hydrates)和平面水合物(planar hydrates)，前者，受环境的影响，晶体发生水合/脱水作用时，可导致晶格结构的扩展或收缩，如色甘酸钠；后者，水分子被定位于二维平面内，如布洛芬钠。第三类：离子水合物(ion-associated hydrates)，即金属离子与水的配位结合，如钙素钙。根据水合物晶体中水分子的稳定性，药物水合物又被分为化学计量水合物和非化学计量水合物2。化学计量水合物(stoichiometric hydrates)是指分子中具有明确水分含量的晶体化合物。化学计量水合物晶体的结构与无水物或其他水合物的晶体结构不同，其等温吸附曲线呈阶梯状，为吸水量；P为水汽分压图1 化学计量水合物晶体(a)或非化学计量水合物晶体(b)和(c)的等温吸附曲线示意图2Fig.1 Schematic shape of the sorption isotherm in a case of a stoichiometric hydrate(a)or a non-stoichiometric hydrate(b)and(c)2(b)(a)(c)P(水汽分压)type Itype Vtype IItype IIIP(水汽分压)(吸水量)(吸水量)(吸水量)P(水汽分压).243.(方式6)；最常见的情况是水分子与相邻的分子形成3个氢键(方式5)5。对剑桥结构数据库中-内酰胺水合物晶体的分析表明，-内酰胺水合物中最常见的氢键形式是方式2(水分子作为质子供体形成两个氢键)、方式5和方式6，在后两种方式中，水分子中的氢原子作为质子供体，氧原子作为质子受体，分别形成3个氢键和4个氢键6。如青霉素V衍生物(编号：TICPEA)7，一个水分子通过两个氢键(S=OH和C=OH)与两分子化合物桥接(图3a)；单环-内酰胺衍生物(编号：OBIVUQ)8，两分子化合物通过2个C=OH氢键与二个水分子桥接，且该水分子的氧原子与相邻的水分子同时形成OHO氢键(图3b)；而阿莫西林三水合物(编号：AMOXCT10)9，一个水分子分别通过图2 水合物晶体中水分子的8种配位方式5Fig.2 Proposed eight environments for water molecules in hydrate crystals5图3-内酰胺水合物中最常见的氢键形式举例6Fig.3 Examples of the most common hydrogen bond forms in-lactam hydrates6(a)(b)(c)中国抗生素杂志2023年3月第48卷第3期.244.两对C=OH和OHO氢键与两分子的阿莫西林和两个水分子通过四个氢键形成网格结构(图3c)。-内酰胺抗生素分子在水溶液中极易被水解，-内酰胺结构与水分子之间存在明显的化学不兼容性，分子在结晶过程中是如何保证水合物晶体具有良好的固态稳定性？对32个-内酰胺水合物晶体的分析表明，26个晶体水合物中的水分子同时作为质子供体和受体，通过多个氢键与化合物分子紧密结合，因而很难与-内酰胺环发生水解反应，而主要发挥稳定晶格之作用6。此外，根据拓扑化学假说，固态反应中，反应分子彼此间的充分接近是触发反应的关键，而少数原子或分子的运动即能触发反应。晶体中相邻分子之间可形成刚性的三维空腔，反应一旦被起始，刚性的三维空腔结构将发生瓦解。水分子对-内酰胺环的反应为亲核(碱性条件)/亲电(酸性条件)攻击反应，水分子与羰基的反应距离通常应小于3A 10。然而，在剑桥结构数据库中，大多数-内酰胺水合物中的水分子与反应中心的距离大于5 A，距离在45 A 之间的水合物晶体有16个，距离在34 A 之间的水合物晶体有20个，仅在头孢羟氨苄一水合物中水分子与-内酰胺环羰基的距离约为3 A，满足水解-内酰胺环的要求(图3)6；即大多数-内酰胺抗生素水合物晶体中的水分子远离反应中心，不利于水解反应的发生。比较头孢羟氨苄一水合物与其无定型产品的固态稳定性，水合物晶体依然较无定型产品更稳定11。对其合理的解释是头孢羟氨苄被水解开环后，由于形成水解产物最稳定构型所需要的原子分布空间大于头孢羟氨苄一水合物的晶格空间，因而水解反应需要获取更大的能量才能发生，而这种物理屏障有利于水解反应向逆反应方向发生(重新形成-内酰胺环)6。即晶体提供的物理屏障作用可能是头孢氨苄一水化物稳定性的一个重要因素。3-内酰胺结构对水合物晶体的影响氨苄西林与阿莫西林的结构相似，二者均可形成不同的水合物晶体，且三水合物均为常见的药用晶型。氨苄西林的多晶型特性如无定型、无水物和三水合物(三水合物还可以分为晶型I和晶型)均已被广泛研究12。单晶分析也已经揭示出氨苄西林无水物、氨苄西林三水物 13和阿莫西林三水合物晶体的基本特征9。氨苄西林和阿莫西林在晶体中均以两性离子的形式存在；在无水物和三水合物晶体中氨苄西林的分子排列完全不同；而阿莫西林三水合物与氨苄西林三水合物的晶体结构非常相似(图4)。头孢氨苄、头孢克洛和头孢拉定的结构相似，它们也均可以形成不同晶型的水合物晶体，如一水合物、二水