核苷类药物在肿瘤、感染性疾病(病毒如HSV、HIV、HBV、HCV或真菌感染)等领域应用广泛。其作用靶点多为DNA聚合酶或RNA逆转录酶，核苷类药物一般模拟天然核苷的结构，竞争性地作用于酶活性中心，嵌入正在合成的DNA或RNA链中，干扰核酸代谢。
核苷类药物进入细胞后在酶的作用下经三步磷酸化，得到具有生物活性的三磷酸衍生物而发挥药效，其中单磷酸化是限速步骤，因此通常在核苷类药物中直接引入单磷酸或磷酸酯基团。早期设计的磷酸或磷酸酯衍生物因其极性大难以通过细胞膜，磷-氧键代谢稳定性较差等限制了应用。为解决类药性问题在该类药物设计中，前药策略被广泛采用。
ProTide前药技术是核苷类药物领域应用最成功的前药技术之一。其设计原理是将核苷膦酸/磷酸类药物分别通过磷酯键/磷酰胺键(芳基模块/氨基酸酯基模块)与极性基团连接形成磷酯/磷酰胺前药，通过掩蔽极性基团来降低分子极性增加透膜性，当前药吸收进入体内后再经特定酶水解释放原型药物。FDA已批准两个ProTide前药：替诺福韦艾拉酚胺(Tenefovir Alafenamide，TAF)和索非布韦(Sofosbuvir)。
01
ProTide前药技术的诞生和演化
ProTide技术最早可追溯到20世纪80年代，旨在将磷酸极性基团隐蔽使药物在生理PH条件下呈中性，进而增加药物吸收。20多年的发展可按结构特征分为如下表所示六个阶段，从简单地引入烷基形成磷酸酯逐渐演变为引入芳基和氨基酸酯的ProTide技术。
02
ProTide前药的合成
ProTides合成有三种不同的策略：
(1)核苷与二芳基亚膦酸酯偶联随后氧化胺化；
(2)核苷与磷酰氯反应；
(3)核苷磷酸芳酯与氨基酸缩合。
方案(2)是最常见的合成方法，该方法常用叔丁基氯化镁(tBuMgCl)或N-甲基咪唑(NMI)做碱(碱性tBuMgCl>NMI)，反应起始底物不同所用碱有所差异；此外反应产生的是非对映异构体混合物，一些情况下非对应异构体具有相似的活性无需分离；也有一些情况非对应异构体代谢速率有所差别，但非对应异构体的分离是巨大挑战。
以核苷单磷酸/单磷酸酯为底物制备ProTide也有三种方法：①将核苷磷酸转化为二氯磷酸酯，随后加入1:1的苯酚和氨基酸酯；②核苷磷酸与苯酚在DCC条件下缩合后产物转化为氯磷酸酯，最后加入氨基酸酯；③已核苷磷酸二苯酯做起始底物，先水解一个苯酯，随后与氨基酸酯缩合。
03
ProTide前药的代谢
ProTide前药在体内释放原药的机制：前药进入体内后，主要经组织蛋白酶A (cathepsin A)将氨基酸酯水解为氨基酸，在生理PH条件下氨基酸中的羧基负离子进攻磷原子同时芳基离去形成五元环，水分子使五元环中间体进一步开环，开环产物在磷酯酶/磷酰胺酶作用下氨基酸水解释放单磷酸原药，后经两步磷酸化得到具有生物活性的三磷酸化衍生物。
04
ProTide前药技术在药物研发中的应用
除了已上市的2个ProTide前药，目前还有10余个药物处于临床研究阶段。
*ProTide前药技术发明人McGuigan教授于2015年加盟NuCana Biomed公司担任首席科学家，致力打造抗肿瘤药物领域的Gilead，不过遗憾的是2016年3月McGuigan教授因癌症不治英年早逝。
05
小结与展望
ProTide技术鼻祖McGuigan教授及其课题组经过多年的研究，优化磷酸掩蔽基团使ProTide技术日趋成熟，该技术促进了多种核苷单磷酸药物或类似物的发现和临床应用。ProTide技术已经被成功用于开发核苷类抗病毒 药物和抗癌药物，近年来应用领域逐渐扩展至帕金森等疾病领域。此外ProTide技术还被用作非核苷类单磷酸化合物(如葡糖胺、S1P等)的细胞内传递手段。从这些例子我们可以看到ProTide技术应用广泛，在核苷/非核苷类磷酸/磷酸酯前药开发中均表现出极大潜力，是助力药物研发和高效的细胞内传递的强大技术。
参考文献：
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.
