大约40%的药物分子在几个关键理化参数上（如溶解度，渗透性和稳定性等）有着令人不满意的表现。药物共晶是药物分子和配体之间通过非共价键作用形成的具有固定计量比的多组分晶体。由于共晶可以在不改变化合物结构的基础上改变其理化性质，且具有专利属性，因此近些年针对共晶的研究也越来越热门。

       提到共晶，则必须提到配体。共晶配体的选择对于共晶的形成以及药物性质的改善有至关重要的作用。作为共晶筛选中常会用到的一类配体——氨基酸，正受到科学家们越来越多的关注，而氨基酸配体中报道最常见的则是脯氨酸。本文主要聚焦于以脯氨酸作为共晶配体对于药物性质的改善。

       氨基酸背景

       在自然界中有300多种氨基酸，是同时含有氨基和羧基的有机化合物。这些化合物在一般情况下是稳定的，具有高熔点（通常高于200 ℃），且可溶于水，其中溶解度最大的是脯氨酸，最小的是酪氨酸。由于侧链的不同，不同氨基酸具有不同的生化功能。主要的功能包括：合成蛋白质，代谢通路调控，调节基因表达，激素分泌和细胞信号等。这其中只有20多种氨基酸被用来构成蛋白质，根据人体是否能够自身合成，可以将氨基酸分为必需氨基酸和非必需氨基酸。氨基酸具体结构如图1所示。

       由于氨基酸同时存在羧基和氨基，因此可以作为酸贡献质子或者作为碱接受质子。氨基酸的电荷状态取决于所处环境的pH值，调节pH值可以使氨基酸带正电荷或负电荷，也可使它处于正负电荷数相等，即净电荷为零的两性离子状态，这时对应溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。所有氨基酸除甘氨酸外都具有光学活性。

       在安全性方面，具体如表1所示，法规状态都属于GRAS或REG。这也使得氨基酸成为共晶筛选的理想配体。氨基酸中最常见的共晶配体是脯氨酸，与其他大多数氨基酸相比，脯氨酸是一种结构受限的、刚性较好的化合物。其具有的五元环“侧链”在氨基酸中是一种非典型的结构。在共晶形成过程中，相比于其他更具有柔性的配体而言，这种刚性结构可以认为具有一定的熵的优势。除此之外，其良好的水溶性（130 g/100 mL）也使得脯氨酸成为更受青睐的共晶配体。

       图1 20种氨基酸的名称，分子量，亲水性，蛋白质中出现概率，和水溶性(g/100 mL, 25 ℃) [2]

       表1 一些重要氨基酸的法规状态[3]

       注：FL/ADJ:与香料一起使用；FS:允许在标准化食品中作为可选成分；MISC:多种用途；NUTR:营养物质；DS:膳食补充剂；REG:已申请并颁布法规的食品添加剂；GRAS:通常被认为是安全的

       相关案例

       1提高药物稳定性

       Suglat?于2014年1月获日本医药品医疗器械综合机构批准上市，其主要活性成分为伊格列净-L脯氨酸共晶。该药是一种钠-葡萄糖协同转运蛋白2 (SGLT2) 抑制剂，主要用于治疗Ⅱ型糖尿病。这个共晶药物的上市是晶体工程用于改善药物性质的一个经典的案例。

       伊格列净原料本身会受到环境湿度影响从无水合物可逆转变为非化学计量比的水合物。如图2所示，伊格列净在大约30% RH时会吸水形成水合物，水合物在低于30% RH时又会转变为无水合物。由于转化的湿度点与环境湿度接近，如果不加以干涉，将会导致药物生产和储存过程中出现水合物转化的问题。

       针对上述问题，研究者首先进行了晶型筛选，尝试了大量溶剂，但仅仅只得到了溶剂合物，没有得到理想的无水晶型。且由于伊格列净本身结构中不含有酸碱基团，因此成盐也不是合适的策略。针对这种中性化合物，毫无疑问，共晶是值得尝试的手段。最终研究者通过和氨基酸配体的共晶筛选，将伊格列净和等摩尔的L-脯氨酸在甲醇中加热搅拌，缓慢冷却后成功得到了共晶。共晶的水分吸附图如图3所示，结果表明共晶成功解决了原料吸湿性的问题。

       图2 伊格列净的水分吸附和解吸附图[4]

       图3 伊格列净-L脯氨酸的水分吸附和解吸附图[4]

       2提高药物溶出和吸收

       杨梅素具有多种药理活性，例如抗癌、抗糖尿病和肝 脏保护等。但由于水溶性差，杨梅素在大鼠中的口服生物利用度极低（<10%）。为了克服这个问题，研究者通过在乙醇中混悬的方法成功制备了杨梅素与脯氨酸的1:2的共晶体。

       从粉末溶出结果（图4）可以看出，共晶在40分钟时达到峰浓度7.25 μg/mL，大约是杨梅素原料本身最大溶解度的8倍，并且是物理混合组的3倍。说明杨梅素与脯氨酸形成共晶后确实极大改善了溶出情况。

       从大鼠体内PK（图5）来看，形成共晶后，杨梅素的Cmax提高至3.45倍，AUC也有明显提高，共晶的生物利用度约是原料组的3倍，而Tmax也从原料组的4 h缩短至共晶组的2.6 h。同时可以发现共晶组和原料组的T1/2并没有发生变化，说明形成共晶后并没有改变杨梅素在大鼠体内的消除行为。

       图4 杨梅素，杨梅素共晶以及物理混合组的粉末溶出（pH 4.5）[5]

       图5 杨梅素及杨梅素共晶在大鼠体内的血药浓度曲线[5]

       3提高药物渗透性

       吲哚美辛是一种众所周知的非甾体抗炎药，被广泛用于患有中度至重度风湿性关节炎、强直性脊柱炎、骨关节炎和急性痛风性关节炎的患者。吲哚美辛本身存在有七种多晶型，商用形式为form γ，然而其理化性质仍不理想，因此研究者希望通过将吲哚美辛和脯氨酸制备成共晶来进一步改善性质。

       为了获得预期的共晶，研究者尝试了吲哚美辛和脯氨酸不同的研磨比例，以及多种结晶溶剂，如甲醇、丙酮、乙醇、乙酸乙酯、四氢呋喃、氯仿和乙腈等。最终将吲哚美辛和脯氨酸以等摩尔比加乙醇研磨30分钟后，干燥研磨产物，并将其加到乙醇和乙腈（体积比2:5）的混合溶剂中，混悬3小时得到了吲哚美辛-脯氨酸共晶。根据其单晶结构图6，晶体中含有一分子的水，作为API和配体分子间氢键的桥接。

       接下来研究者使用Franz扩散池来比较了共晶和原料的渗透性。根据图7a所示，在前1 h，共晶随时间的渗透速率最高，随后在1-3 h内渗透速率稍有下降，最后到达平台期。根据图7b，共晶在第9 h时的渗透量 (0.2006 mg/cm2 ) 大约是原料本身 (0.1210 mg/cm2 )的1.66倍。这个例子说明吲哚美辛-脯氨酸共晶能提高药物本身的渗透性。

       图6 吲哚美辛-脯氨酸共晶单晶结构[6]

       图7 吲哚美辛原料和共晶的渗透性图[6]

       小结

       脯氨酸由于其良好的安全性和水溶性，是共晶筛选过程中使用频率较高的配体之一。通过案例分析发现，药物与脯氨酸形成共晶后在稳定性，溶出和吸收，以及渗透性方面都有相应的改善。而在2022年5月，恒瑞医药的脯氨酸恒格列净片的成功上市，也提示我们在共晶筛选过程中可以多尝试一下氨基酸类配体特别是脯氨酸。

       参考文献：

       [1] Nugrahani, I.; Jessica, M.A. Amino Acids as the Potential Co-Former for Co-Crystal Development: A Review.

       [2] Ana?lle Tilborg, Bernadette Norberg, Johan Wouters. Pharmaceutical salts and cocrystals involving amino acids: A brief structural overview of the state-of-art.

       [3] Agustina Bongioanni, Maria Soledad Bueno, Belén Alejandra Mezzano, Marcela Raquel Longhi, Claudia Garnero. Amino acids and its pharmaceutical applications: A mini review.

       [4] Patent: Cocrystal of C-glycoside derivative and L-proline.

       [5] Mingyu Liu, Chao Hong, Yashu Yao, Hongyi Shen, Guang Ji, Guowen Li, Yan Xie.

       Development of a pharmaceutical cocrystal with solution crystallization technology: Preparation, characterization, and evaluation of myricetin-proline cocrystals.

       [6] Ling-Yang Wang, Yue-Ming Yu, Fu-Bin Jiang, Yan-Tuan Li, Zhi-Yong Wua and Cui-Wei Yan. The first zwitterionic cocrystal of indomethacin with amino acid showing optimized physicochemical properties as well as accelerated absorption and slowed elimination in vivo.