美国SustGreen Tech公司（Sustainable Green Technologies），成立于2015年，公司专业经营化学及生命科学领域的稳定同位素标定产品。SustGreen Tech所生产的产品也在世界范围内得到了各大知名医药中间体公司及同位素标定产品公司，如Sigma- Aldrich, VWR, Cambridge Isotope Laboratories, CDN Isotopes, Santa Cruz Biothechnology, Medical Isotopes 及IsoSciences等的青睐并与这些公司保持着密切的合作关系。南京昊绿生物科技有限公司主要负责其美国母公司SustGreen Tech的同位素标定化学品的研发及规模化生产业务。同时，南京昊绿正逐步提高国内同位素标定小分子市场的占有率，拟打造成为具有世界领先水平的国际化公司
专业人事已从事同位素特别是氘同位素标记药物研究多年，致力于氘同位素标记药物的开发[88]，其认为目前国内氘代物合成技术落后，大部分氘代试剂依靠进口，这是限制国内氘代药研发的主要瓶颈。国内制药公司和科研单位应该重视氘代物合成技术开发，推动常用氘代试剂特别是氘代水的工业化生产，以相对低廉易得的氘代水为氘源制备氘代药是成功的关键之一。
氘代药物也称为重药、重氢药或含氘药，就是把药物分子上处于特定代谢部位的一个或多个碳氢键（CH）用碳氘键（C D）替代所获得的药物，以延长药物代谢循环、减少有毒代谢物的产生和药物间的相互作用，从而降低给药剂量、提高安全性以及获得更佳的疗效。在药物分子上某特定代谢部位用氘取代氢会影响其代谢的现象早已被科学家们所认识[1-2]，但直到近十多年才用于新药创制。目前，氘代药物正在成为新药研发的热点领域，已有十多个氘代药物进入临床试验，并向美国专利和商标局（PTO）提交数百个氘代药物的专利申请。近年来氘代药物临床试验结果令人鼓舞，加之一些大型制药公司花重金加盟氘代药研发，从而引起了国内外医药行业的广泛关注。特别是2009年一家小型生物制药公司Concert 和大型制药公司葛兰素史克（GlaxoSmithKline）的数百万美元研发合同，被视为是制药行业的变革。之后，Concert 又与多家制药公司（如Jazz、Avanir 及Celgene 等）进一步合作开发氘代药物。Auspex 与Concert 一样，是以研发氘代药起家的小型生物制药公司，2015 年被梯瓦（Teva）收购，他们共同开发的氘代药—— 氘代丁苯那嗪（商品名：Austedo）于2017 年4 月获得FDA 批准，成为世界上首个氘代药物。目前已有多家以氘代化为核心来开发新药的公司成立，并有多个氘代新药转让成交金额达上亿到十几亿美元，全球前十的跨国药企如辉瑞、JNJ、诺华、默克、阿斯利康、罗氏、礼来及百时美施贵宝等也开始应用氘代技术来研发新药。这足以证明氘代药的吸引力和氘同位素及其氘代化合物在新药研发中的应用趋于成熟[3-5]。在国内，苏州泽璟生物制药是开发氘代新药起步较早的制药公司，他们的氘代药物甲苯磺酸多纳非尼专利被授权，目前苏州泽璟委托多家CRO 开展一类新药甲苯磺酸多纳非尼片用于结直肠癌（CRC）和肝细胞癌（HCC）的Ⅲ期临床研究，有望成为国内个上市的氘代药物。
本综述重点介绍氘代化策略在氘代药物研发中的进展与未来前景。
1 氢- 氘的动力学同位素效应
同位素是具有非常相似的理化性质、仅因其原子核中的中子数不同而导致质量有差异的一类原子。氢有3 种同位素：氕（1H）、氘（2H，D）和氚（3H）。其中氘是最广泛使用的稳定同位素之一，它是自然界中存在的氢（氕）的一种稳定同位素，无放射性。氘在自然界中的含量大约为0.015%，目前大量的氘元素是从水中以氘代水的形式分离出来。氘代水又叫重水，是众多氘代化学试剂及氘代合成中间体的直接或间接氘源。氘和氢表现出几乎完全相同的物理性质，因此，通常情况下，母体化合物与它的氘代衍生物具有几乎相同的理化特性，包括溶解度、熔点和靶受体蛋白亲和力等。
当化合物中的氢被氘取代后，化学反应的速率发生了变化，这种氘同位素效应（KDIE）是由于打破碳氘共价键比碳氢键需要更大的能量而引发的结果。如果反应过渡态涉及到碳氢键的对称断裂，那么碳氢键上的氢被氘取代后，可以减慢反应速度85% 左右。
由于氘和氢的原子质量相差显著，碳和氘形成的键会在较低的频率上振动，其零点基础能量比相应的碳氢键能量要低，而它们的过渡态活化能是相近的，所以使碳氘键断裂比使碳氢键断裂需要更多的能量。理论上，如果碳氢键的断裂涉及新陈代谢途径的速率决定步骤，那么氢被氘取代后，其氘代化合物在生物体内由代谢酶，如细胞色素P450、单胺氧化酶和醛氧化酶等所催化的代谢过程就会减慢或者中止。当然，影响生物系统的因素很多，实际观察到的氘同位素效应往往会低于理伦值，有些情况甚至无同位素效应显现。
大量的药物代谢研究表明，氘同位素效应适用于许多酶催化的代谢反应研究，包括细胞色素P450[6]、单胺氧化酶（MAO）[7]、醛氧化酶（AO）[8] 及其他氧化脱氢酶[9]。其中细胞色素P450 氧化酶（CYP）是最重要的，它是绝大多数药物的笫一阶段代谢酶。CYP通过催化脂肪族和芳香族碳上羟基化、氮/硫上的氧化和氮/氧/硫上脱烷基化以及烯烃环氧化等反应，将外来化合物降解，从而使其易于排出体外，同时，它也可能导致产生毒素和致癌致畸的代谢物。
2 氘代药物的安全性与药理学
氘对生物体系的毒性是极低的，对健康动物的影响小到无法衡量甚至可以忽略不计。人体也可以耐受高浓度的氘，人体在4 个月内持续含有0.5% 的氘元素，没有发现任何毒性反应；在人体液中含有高达23% 的重水（D2O）时，短期内未见毒副作用[10]。
含氘药物与含氕药物一样均按常见的代谢途径失活或被激活，只是含氘药物的代谢有可能减少或减慢[11]。到目前为止还未发现含氘药物通过某些特殊的代谢途径被代谢的。同位素效应的结果会导致生物代谢的改变，这种改变可以是微不可测的、也可以是十分明显的。这主要取决于酶催化反应与氘代药物的取代位置。由于碳上氘代化引起碳氢键变强，从而对药物的吸收、分布、代谢、排泄产生影响，有些影响会带来许多临床益处。概括起来主要有以下3 种效应[12]：1）氘代化可引起生物体系的药物消除速度减低，其结果是延长药物在体内的半衰期、有利于减少药物剂量并能长时间保持药物在体内的有效浓度。而且有可能减低其副作用；2）氘代化导致药物在进入血液前代谢降低，在肠道或在肝脏的代谢速度降低，会让大量未代谢的药物进入血液循环，在许多情况下，这种效应并不改变其系统的总清除率，其结果会有利于减少药物剂量需求和减低体内代谢负担。对于某些药物，引起肠道刺激与药物的剂量有关，而与血液中药物浓度无关，这种效应会有利于增加患者对药物的耐受性；3）氘代化导致药物代谢物的转变，大多数药物的代谢方式比较复杂，有时会产生高活性的代谢产物。氘代化引起的同位素效应有可能减少有毒代谢物的产生或增加有用活性代谢物的生成，从而有可能改善治疗范围。
3 氘代化结构修饰对药理作用的改善
早在20 世纪60 年代，药物化学家们就对氘代药物可能具有不同于原药的药理作用产生兴趣，但并没有进入到临床阶段。加州大学伯克利分校的化学家们试图用氘代化来阻止吗啡（morphine，1）的酶促氧化[13]。他们发现氘代吗啡（2）的有效生物活性显著降低，其原因是生物活性代谢产物N-去甲基吗啡（3）形成减少（见图1）。类似的例子还有氘代的抗惊厥药地西泮（diazepam）[2]。
早期也有报道氘代后的药物在动物体内的药理作用时间延长（见表1）。有些氘代药体外代谢稳定性试验也表明同位素效应较明显，但其体内同位素效应并不显著[14-17]。
早期氘代药研发的失败[15,17-18]使得药物化学家们曾一度失去了用氘代化设计新药的兴趣。然而，近年来，以Concert、Auspex、Deuteria 和Zelgen 为代表的小型生物技术制药公司又重新开始考虑和评价氘代化设计新药的方法，并取得令人鼓舞的成绩。
3.1 减慢药物代谢失活以及改善药动学
早期开发的上市药物常常存在一些缺点，如易于代谢、药动学参数不理想以及存在药物间相互作用等[19]。时常需要一天服用多次或较大剂量来保持有效血药浓度，由此带来诸多毒副作用。科学家们应用一些结构修饰手段，如用氟或甲基取代氢、或研制成前药来克服一些药物的缺限，这些策略常常成功率较低，不能快速、低成本地实现这一目标。然而，利用氘同位素动力学效应，将氘引入到某特定的代谢部位，成功地提高了某些药物代谢稳定性、改善了药动学特性。小型生物公司专注于改造现有药物，降低风险以及提高成功率，而大型公司主要基于临床前数据，利用氘代化策略来改进开发中出现问题的药物。
历来研发经验表明，选择正确的目标药物是氘代药物成功的关键。而早期的失败就在于未能坚持和找到开发氘代药的关键。目前药物化学家们的主要研究对象是：1）会产生不利代谢物的药物；2）在血液中很快被清除的药物；3）在进入血液循环之前在肠道或肝脏中被过早代谢清除的药物；4）会产生药物之间相互作用的药物。
3.1.1 改善已上市的药物
Concert 公司研发的正处于临床前研究的氘代药包括C-20081（4）、C-21191、C-21359及D-Praziquantel 等。其中C-20081 是唑烷酮类抗生素利奈唑胺（linezolid）的氘代衍生物[20]，口服和静脉给药的临床前研究结果表明，与原研药相比，C-20081可提高其血浆半衰期43%，可能使临床用药总剂量减少，从而改善耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐药结核菌所致耐药性问题。吡喹酮由于广泛的笫一阶段代谢，只有少量进入全身循环，其半衰期为0.8 ~ 1.5 h，而代谢产物半衰期达4 ~ 5 h，可使肝功能受损，而且其是通过CYP3A4 代谢失活，若与诱导或抑制CYP3A4酶的药物如苯妥英钠、利福平、唑类抗真菌药联用，可产生药物间相互作用。Concert 公司认为氘代化吡喹酮（5）有可能克服上述缺点[21]。
Auspex制药公司是另一家从事氘代药研发的公司，目前已申请了超过150 项涉及氘代药物的专利，并取得了部分授权。处于临床前研究的的氘代药包括SD-970（6）和SD-900（7）等。SD-970 是阿斯利康公司的抗血小板药替卡格雷的氘代类似物，用于急性冠脉综合征的治疗。该药物在肝脏中通过CYP3A4 代谢产生去羟乙基代谢物，会引起肝和颅内出血以及肝功能降低[22]，而SD-970 采用每天1次的给药方案，有望减少这些缺陷而成为同类药物中选择。SD-900 则是辉瑞公司开发的、用于治疗类风湿性关节炎的JAK3 抑制剂tofacitinib 的氘代药。原研药每天2 次口服给药，治疗安全窗窄[23]。Auspex 将氘引入到tofacitinib 分子的某些易被代谢的部位，得到SD-900。预测其结果会在保持原研药疗效的基础上，改善该药的代谢特性，从而有可能降低用药剂量、减弱其毒副作用[24]。
Concert 公司临床在研的氘代药包括CTP-298、CTP-786（8）、CTP-499（9）、CTP-656（C-10355，10）， 以及具体氘代位置或结构未公开的氘代药CTP-518（ 抗HIV 药）、CTP-543（ 氘代鲁索替尼，ruxolitinib）、CTP-730 （ 阿普斯特，apremilast），JZP-386（ 氘代羟丁酸钠，sodium oxybate）。Auspex公司除了一个已经获得FDA 上市批准的氘代药氘代丁苯那嗪（SD809，11）外，还有几个处于临床研究阶段如SD-254（12）、SD-560（13）。表2 中列出了一些目前国外临床在研的氘代药，有望改善原研药的代谢稳定性，预期在其疗效、安全性及适应证方面会优于原药。
值得一提的是国内也有多家制药公司和研究机构报道了研发氘代药的结果，其中苏州泽璟生物制药有限公司研制的氘代索拉非尼（14，甲苯磺酸多纳非尼）已进入Ⅲ期临床试验。将索拉非尼分子苯甲酰胺上的甲基取代为氘代甲基，可见明显的药代动力学优势，从索拉非尼每次400 mg 剂量降至在肝癌Ⅲ期临床研究所用剂量为每次200 mg、在结直肠癌Ⅲ期临床研究中的剂量为300 mg。2017 年在CSCO年会报道了Ⅱ期临床结果，其治疗肝癌的总生存期比索拉非尼试验的结果将近翻了一番，而且突破了其母体化合物甲苯磺酸索拉非尼的专利[33]。苏州泽璟第2 个氘代药物盐酸杰克替尼（15）也于2016年底获得临床试验批准，目前正在进行Ⅰ期临床试验。最近进入Ⅰ期临床试验的一类新药还有正大天晴药业集团股份有限公司的TQA-3326 和成都海创药业有限公司的HC-1119，分别是在上市的抗丙肝药物达卡他韦和抗前列腺癌药物恩杂鲁胺基础上开发的氘代药。重庆文理学院的一类新药DDCI-01 临床申请刚刚被CDE 受理，该药是在上市药物他达拉非（治疗勃起功能障碍）的基础上研发的氘代药（16）[34]。
其他国内制药公司和研究单位也申请了一些氘代药发明专利。如中科院上海有机化学研究所申请的氘代芳腈基噻唑衍生物专利[35]，系对非布索坦（febuxostat，新型的非嘌呤类XO 抑制剂，用于高尿酸血症及其引发的痛风）进行氘代修饰（即化合物17）。大鼠药代动力学研究表明其具有较优的生物利用度。朱孝云等[36]申请的2-（2，4，5-取代苯胺）嘧啶衍生物及其用途的专利，是对刚上市的抗肿瘤药osimertinib分子氮、氧上的甲基进行氘代化修饰所得到的药物（18），使其在保持动物体内活性的同时，体外半衰期比原药提高1 倍。苏州东南药业股份有限公司将抗丙肝病毒药ombitasvir分子末端的甲基用氘代甲基取代，获得化合物19，大鼠药代动力学研究表明其具有比原药更优的药动学性质[37]。
3.1.2改善临床前或临床中有缺陷的试验性药物
氘代化不仅被用于改进在药代动力学与代谢方面有缺陷的已上市药物，而且已经被用作药物化学中设计新药的结构修饰手段。
默克公司开发的一种强效Aurora激酶抑制剂（20），可用于多种肿瘤的治疗[38]。该公司发现碱性侧链胺基是保持生物活性所必需的，但可快速地去烷基化失活、而且口服吸收较差。通过合成一系列前药来改善口服药动学性质都未成功。研究人员先将化合物20 的链状胺基团变为环状胺基团，得到化合物21，然后通过对异噻唑上3 位亚甲基进行氘代化，获得氘代衍生物（22）（见图2）。与原药相比，氘代衍生物可降低猴类动物经口给药清除率3 倍左右。经口使用该氘代药物在动物模型中显示较强的疗效[39]，有望进一步开发进入临床试验。
最近，Concert公司又通过氘代化方法把一个被默克公司放弃的化合物（L-838417，23）改造成新药（C-21191，CTP-354，24）。化合物23 是由默克公司研制的亚型选择性A 型γ-氨基丁酸受体（GABAA）激动剂，由于其药代动力学方面的缺点，未能进入临床试验。Concert公司在其分子的叔丁烷基上引入9 个氘获得氘代物C-21191，其代谢稳定性提高、在肿痛模型试验中的作用时间延长，而且能提高癫痫模型的有效治疗指数。该氘代药已获得FDA 批准在临床上进一步研发，2016 年已完成Ⅰ期临床试验[40]。化合物25 是诺华研发的高效CDK4/6 抑制剂，具有开发成广谱抗肿瘤药物的潜力，但临床前动物试验显示该化合物的药动学存在一些问题。近来，该公司应用氘代化改造，发现氘代衍生物26 能明显提高口服生物利用度近2 倍，且能减少一些不利代谢产物的生成[41]。
上海复旦大学针对钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂dapagliflozin（27）易被CYP 通过氧上脱乙基化代谢、原型药的形式存在较少以及其代谢产物有可能引起安全问题的缺陷，设计了化合物28，大鼠药动学研究表明其血药浓度达峰时间（Tmax）和半衰期均有增加，并有87% 以原型药形式排泄。预测有可能开发为长效抗糖尿病药物[42]。上海医药集团股份有限公司申请了一项专利，应用氘代化设计新药方法对博舒替尼（29）分子多个位点进行了氘代化修饰，同时也对部分结构进行了改变。动物试验表明，氘代物30 与博舒替尼相比，在血药浓度、半衰期、清除率、微粒体稳定性、生物利用度或者酶抑制等性质上具有明显的改进[43]。
3.2 减少有毒活性代谢产物
药物或外来的化合物通常要在体内被代谢降解后再排出体外。有时，代谢后会产生有毒的产物，有2 种类型的药物毒性反应：一种是与剂量有关，可根据该药的药理学来预测，并可通过减少剂量或停药来避免严重毒性损害；而另一种是与剂量几乎无关、不可预测。这类毒性反应通常是由于产生具有亲电反应活性的代谢物引发的，这些代谢物可与蛋白质或核酸分子中的亲核基团结合而破坏了它们的正常功能，从而引发致癌、致畸以及免疫介导的毒性。据美国FDA 统计，在美国每年超过200 万的严重药品不良反应发生，导致超过10 万人死亡。每年都有许多上市药物被停止在临床上使用，其中50% 是由于毒副作用太大而不得不终止使用；还有60% 的候选药由于其代谢或毒理学方面的问题而被迫停止进一步研发[44]。使用氘代药物的方法，来减少有毒活性代谢产物，已经越来越受到药物化学家们的广泛重视（见表3）。
许多化合物或药物结构中含有一些易被代谢氧化的部分，经代谢易产生有毒的代谢物，如含卤素的烷烃类、苯胺、酚类[45]，苯苄胺类[ 如procarbazine（31）][46]，烯丙基类[ 如tamoxifen（33）]，炔丙基类[ 如efavirenz（35）] [47-48] 等。而在这些化合物的代谢部位引入氘，则其毒性明显降低。
表3 中，氘代物32、34 和36 都能降低药物毒性，但都停留在动物体内研究阶段，没有进一步开发成氘代药。
而首个真正应用氘代策略研发新药的是默克公司，早在约30 年前，默克曾开发氘代药（fludalanine，2-氘化-3-氟-D-丙氨酸，39），试作为广谱、高效的抗菌剂[18]。对非氘代的原药37的临床前研究表明，它会产生一种有毒的代谢物3-氟乳酸（38），引起脑空泡毒性[49]。阶段Ⅰ期临床研究确实证明fludalanine 会减少在健康受试者中的有毒代谢产物。不过，在对受试者研究中发现有毒代谢产物减少并不十分显著，从而终止了进一步的开发。这是早期氘代药被开发到Ⅱ期临床的唯一实例。
CTP-347（42）是帕罗西汀（40）的氘代类似物，它作为一个非甾体类药物在临床上用于治疗潮热。使用帕罗西汀减少潮热时，患者不能同时服用某些其他药物，否则会产生药物相互作用，引起严重的不良事件[50]。例如，乳腺癌的治疗药物他莫昔芬在体内也同样被CYP2D6代谢。同时服用帕罗西汀和他莫昔芬治疗的患者导致死亡的风险增加24% ~ 91%。药物代谢研究显示，帕罗西汀结构上的亚甲二氧基被CYP2D6脱氢代谢成卡宾游离基（41），这种游离基具有极大的反应活性，会不可逆地结合到CYP2D6 的血红素铁的活性部位，使酶完全失活[51]。Concert 公司用氘更换亚甲二氧基上的氢所合成的CTP-347极大地减少了卡宾游离基的形成，从而保持CYP2D6 正常代谢功能。Concert 最近报道了CTP-347 的Ⅰ期临床研究结果，证实其能克服与其他药物间的相互作用，可以与其他药物同时服用，从而扩大临床上的应用，减少不良反应。
许多的常见老年化疾病：癌症、帕金森病、心血管疾病、阿尔茨海默病、关节炎和糖尿病都是与某种形式的氧化反应有关[52-53]。例如，帕金森病起源于脂肪酸的代谢氧化，而某些癌症转移涉及到赖氨酸的氧化[54]。在体内，脂肪酸酯（43）可发生过氧化代谢，生成活性氧化物（44 ~ 46），从而引起机体老化。Retrotope公司试图通过引入氘或其他同位素到那些需要在饮食中摄取的必需脂肪酸（如47 和49）和氨基酸的分子上，来减慢这些生物分子在体内生成活性氧化物的速度，从而延长人体的老化过程（见图3）。Retrotope 公司研究表明[55]，氘代亚油酸（[D2]linoleicacid，RT-001，48）和氘代亚麻酸（[D4]linolenicacid，50）可减少自由基的产生，从而能积极抢救弗里德（Friedreich）共济失调患者氧化破损的细胞。他们认为口服这些氘代多不饱和脂肪酸（PUFA）可能对氧化应激和脂质过氧化引起的弗里德共济失调等疾病有疗效[56]，目前氘代亚油酸已进入Ⅰ/Ⅱ期临床研究阶段。
赖氨酰氧化酶（LOX）与几种细胞外基质相关的疾病有关，如肝纤维化和癌症。Pestov 等[57] 报道用[6，6-D2] 赖氨酸来调节LOX 生物活性，研究表明氘代赖氨酸的同位素效应可达4 倍以上。赖氨酸是一种必需的营养素，因此从饮食中摄取氘代赖氨酸，或可成为一种减轻LOX-相关疾病的全新方式。
3.3 氘代化结构修饰引起的其他生物效应
3.3.1 引起代谢部位转换
当一个药物有2 种或以上的代谢途径时，在主要代谢部位引入氘，有可能导致其代谢转换（metabolic switch），即一种代谢途径减弱、而另一种代谢途径增强。代谢转换的概念最早由Horning 等[58]提出，之后出现许多有关这方面的研究报道[59]。
例如反式-1-甲基-2-苯基环丙烷（51）可作为一个超快自由基时钟探针，它可被由苯巴比妥诱导的大鼠肝微粒体酶氧化[2]。这种细胞色素P450 把1 位的甲基氧化成羟甲基，生成化合物52，而氘代甲基的类似物（53）不会被酶氧化成羟甲基类产物，转变成苯环上氧化产物（54）为主。安替比林（55）的主要代谢是3 位上的甲基被氧化成羟甲基（56），只有少量的N-脱甲基代谢物；而3 位上甲基被氘代甲基取代后（57），发生N-脱甲基代谢生成化合物58 成为主要途径，3 位甲基氧化的产物变成次要代谢产物[2]（见图4）。
Boceprevir（59）是治疗丙型肝炎病毒的蛋白酶抑制剂，已获得美国FDA 和欧盟委员会的批准。Concert利用其氘化学实体平台技术（DCE 平台™），把分子分成五区域P1、P2、P3、P′ 以及Cap，合成了一系列氘代boceprevir 衍生物，试图解决原药的代谢稳定性问题。在人肝微粒体中进行的代谢半衰期研究显示：P2区是原药的主要代谢部位，但R3 用CD3 取代后所得氘代物几乎没有改善代谢半衰期。研究者认为这可能是由于同位素动力学（KIE）掩蔽代谢的结果，即药物代谢部位P2 发生转移。只有将P1、P2、P3 以及Cap 区都引入氘所合成的氘代物（60），可延长代谢半衰期1倍（见图5）。上述结果表明，有时候药物的代谢具有“弥漫性”，在这种情况下，要充分发挥氘代优化作用，必须对药物的多个区域进行氘代化研究[60]。这也说明氘代化药物设计手段并非易事，正是这种不可预测性决定了它的创新价值。
3.3.2 引起生物活性的改变
当氘引入到一个分子中，其多方面的理化性质与原分子基本相似。由于组成该分子的原子的电子决定了该分子的空间形状，氘代后的化合物就其形状和大小与未氘代的化合物几乎没有区别。在大多数情况下，氘代化不改变其生物活性。而可测试到的由氘代化引起的一些性质的微小变化包括疏水性减弱[61-62]、酸与酚类化合物的酸度降低[63] 及胺类化合物的碱性增加[64]。在某些特殊情况下，上述微小的变化有可能导致化合物与蛋白受体之间的结合力改变，从而使生物活性发生变化。目前已报道的实例较少也无规律可循。
Sildenatil（61）为cGMP 磷酸二酯酶Ⅴ抑制剂，研究表明在该分子的某些特殊部位引入氘同位素能提高其抑制活性和选择性2 ~ 5 倍。Sildenatil氘代物62 和63 抑制磷酸二酯酶V 的活性比原药提高2 ~ 3 倍，化合物62 的选择性也提高2 倍左右[65]。
最近，Maehr 等[66] 也报道了引入氘代烷基对1α，25-双羟基维生素D3 及其类似物Gemini的生物活性的影响。他们用氘代甲基取代侧链末端甲基，合成了相应的氘代类似物64 和65，显著提高了原药的生物活性。由于末端C26/C27甲基不是代谢酶的作用部位，笔者认为这种由氘代引起的活性改变与正常的氘同位素效应不同。氘同位素的引入有时会改善生物分子之间非共价健的相互作用，更具体地说，在某些特殊情况下，经过同位素修饰的配体有可能会影响其与蛋白受体间结合力。如果氘代的位置刚好能稳定或去稳定配体-受体结合，那么由氘代引起这一类化合物生物活性改变属第二动力学氘代效应。
还有研究报道氘代化会引起药物的转运与穿透能力的改变。Wenzel [67]研究表明，氘代苯丙胺衍生物66~ 67 比原药更易进入小鼠和大鼠的脑部。但引入更多的氘所得化合物68 并没有进一步提高在脑部的浓度。Vree 等[68] 曾报道在苯丙胺α-位引入氘可增加其碱性，并减少脂溶性。由于非离子化的胺利于进入大脑，氘代类似物引起碱度提高，有可能是氘代药进入大脑循环的速度和量均有改善的原因。
3.3.3阻止药物异构化失活
药物分子上某些部位的氢比较活泼，可能会发生手性中心S 和R 构型转化、烯醇互变构型转化，用氘取代活泼氢可减慢或阻止这些药物异构化，从而可延长其生物活性。早在40 年前Pitman等[69] 就合成了氘代氢化可的松（69），其在需氧和厌氧条件下均比原药稳定得多。
DeuteRx是2012 年从Deuteria独立出来的研发氘代药的小型公司。与其他研发氘代药的公司不同，DeuteRx开发氘代药的出发点不是使用氘控制代谢和药动学性质，而是使用氘来稳定药物分子的手性中心。研究人员惊喜地发现氘代吡格列酮的R 异构体（DRX-065，70）和S 异构体（71）具有不同的生物活性[70]。S 异构体具有激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ）的作用，而R 异构体有线粒体功能调节作用和抗炎活性。该公司计划尽快推进DRX-065用于肾上腺脑白质营养不良和非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的临床试验。
Telaprevir 是HCV-NS3 蛋白酶抑制剂，分子中的S构型酮酰胺结构在较高pH 条件下，如在人体的血液中，会发生从S 构型到R 构型的异构化，而R 异构体的活性只有S 异构体的1/30。将手性中心的氢用氘取代后，得到化合物72，其体内稳定性增加了1 倍[71]。安非他酮（bupropion）为去甲肾上腺素再摄取抑制剂和多巴胺再摄取抑制剂，同样在人体的血液中会发生S 构型到R 构型的异构化而使其作用降低。手性中心的氢被氘取代后所得化合物73，其半衰期比原药延长30 倍[72]。CC-122（74）是由Celgene 研发的抗肿瘤药，目前已进入血液肿瘤和实体瘤的Ⅱ期临床试验，由于该药物分子手性中心易发生异构化，其只能以外消旋体形式用于临床。DeuteRx 对CC-122 的氘代药物进行研究后发现，只有氘代CC-122 的S 异构体（DRX-254，75）具有体内外抗炎和抗肿瘤活牲，而氘代CC-122 的R 异构体（DRX-255，76）生物活性非常弱，而且可能有刺激肿瘤生长的不利作用。DeuteRx 公司的研究结果表明，在药物分子手性中心引入氘可防止手性中心的外消旋化，从而可获稳定的S 异构体DRX-254，将有益的作用和潜在的不利影响顺利地分离开[73]。
4 氘代药物的未来展望
4.1 专利权
截至2016 年，对氘代药有关的专利申请进行检索，主要对国外专门从事氘代药研发的3 家公司Concert、Auspex 和Protia 公开的专刊申请和状态进行分析。可以看出，依据《美国法典》的第103条（应用氘代化对药物稳定性或代谢方面产生影响的现有技术）拒绝上述公司的专利申请（最终或非最终性）的数量在逐步増加，那些基于以获得更好的药理特性来制备氘代药物的专利申请被判定无首创性，其依据都是来自于Dyck 公开发表的论文[74]。Dyck 的论文指出“氘替代氢似乎是在不显著改变其基本化学结构的前提下来提高化合物的药理作用的有用策略”，Dyck 的另2 篇论文[75-76] 也曾被引用过来拒绝这类专利申请。当然也不是仅有Dyck的论文作为拒绝这类专利申请的参考文献。能够支持氘代化开发新药的显而易见性还有多个学者的研究论文[77-80]，还有用氘代药来研究原药及相关化合物在体内如何起作用的研究论文[81-85]。还有一个拒绝这类专利申请的依据认为本领域的普通技术人员将有动机制备氘代化的药物并可合理地预期成功。因为人们总想要在无显著结构修饰的前提下达到改善化合物药理作用的目的（如由氘代化改进半衰期）或者想要改善药动学特性。然而，仅靠有限数量的策略来实现这一需求，氘代化解决方案就被认为是显而易见的。最后，把上述几个方面综合起来考虑，就可认为氘代化本身是改善药物代谢的公认的方法，从而认定该发明办法是显而易见。因此，在生物效应方面如果氘代后的药物缺乏新的或意外的发现，而仅靠改善代谢单方面来取得专利授权是十分因难的。
但是也有挑战这种“Dyck”式驳回的成功例子。Tung 等最近申请的一个专利曾收到依据《美国法典》的第103 条的拒绝信（仅依据Kushner 的论文，以显而易见为名给予非最终性拒绝）。然而发明者挑战这一决定，指出部分氘代化的衍生物（78）其药代动力学不仅优于原药（77）而且也好于全部氘代化的衍生物（79），这一结果在实验之前是不可预测的。另一个挑战这种“Dyck”式驳回的成功案例是Czarnik 完成的，理由是该专利的氘代化效应与拒绝所引用的文献中情形不同，并非是文献中提到的CYP 活性降低，而是因为氘代化后的安非他酮的消旋化速率比原药低约97%，这种较大的同位素效应是由于在消旋化过程中涉及到手性中心碳-氢（碳-氘）的断裂，氘代化合物消旋化速率较低的不可预测性以及由消旋化速率降低引起药物消除半衰期延长的重要性这两点并没有包括在“Dyck”式驳回所引用文献中。上述2 个挑战第103条驳回的成功案例给申请氘化药物专利提供了启发，特别是当实验结果中有意外发现时就显得尤其重要，而氘代已知药物引起可预测的发现不会引起人们的兴趣。
从美国专利申请数据库可获得相关公司用氘代化设计新药的信息，很多大型制药企业如辉瑞、默沙东和葛兰素史克于2009 — 2010 年开始披露这样的技术，也有一些企业如拜耳、赛诺菲-安万特和强生，到2012 或2013年也开始把药物氘代化的数据列入到他们的专利中。因此，如果原研药发明专利中没有列入有关氘代衍生物信息，则不能理所当然地认为氘代衍生物已被该专利保护。
很显然，能支持将现有药物研制成氘化衍生物的权利要求的有效方法是提供由氘代化发挥其意外作用的依据。鉴于与显著氘同位素效应关联的许多化学反应的存在，通过氘代化改善药物应用范围完全有可能超出“Dyck”式驳回所引用的现有技术文献，同时还有一些非动力学方面的其他氘同位素效应有待发现。大多数专利律师认为这种氘代药物的专利申请的策略是合法的。只要申请专利的公司证明氘代药物的发明不是一件容易的事。目前就氘代药是否合法的问题还没有人向法院起诉。当然在未来，获得这样的专利权有可能变得更加困难[86]。
4.2 氘代药物研发前景
大部分专家认为通过氘代化现有药物来改善药动学和/或毒理学性质将继续显示它的巨大潜力。这一点可以从大型制药公司的新专利申请所包含的氘代化新分子实体中得到证实。同时这些大型制药公司如辉瑞[87]也发表了不少有关探讨氘置换氢后引起药代动力学和代谢改变的复杂性和不可预测性等出色的论文。无法预测在体内的氘效应有下面几个变量：1）代谢途径不涉及碳氘键断裂；2）不是通过CYP 代谢而是以其他代谢途径为主；3）代谢的相对重要性与全身清除率无关。虽然这种不可预知性是有价值的，它可以防止专利申请被以“显而易见”的理由拒绝，但同时这也意味着化学家要合成一个较大范围的氘代化合物来评估其代谢和药代动力学，这将会导致工作量和成本的明显增加。代谢切换是非常复杂的，不同的动物模型之间、动物模型和人类之间的差异也会导致不同的代谢切换，从而以临床前研究结果推测临床阶段同样存在可变性。
国内有关氘代药研发起步较晩，通过检索国家知识产权局网站，目前国内有20 多家公司和研究单位申请了60 多项氘代药物的专利，其中以正大天晴药业集团股份有限公司、苏州泽璟生物制药有限公司、郑州泰基鸿诺药物科技有限公司、成都海创药业有限公司和深圳塔吉瑞生物医药申请的氘代药物的专利较多，有部分专利已被授权。大部分专利中所合成的已知药物的氘代衍生物其药代动力学改善程度并不显著，主要原因可能在于被氘代修饰的原研药其药代动力学性质无明显缺陷，或者氘代修饰后的原研药分子的代谢部位发生位移，也可能氘没有引入到主要代谢位点上。在我国，以氘代策略来避开专利也许可行，但是仅仅以突破其原研药专利的这一点研发氘代药可能难以获益，目前氘源（如氘水、氘气和氘代甲醇等基础原料）依赖进口，氘代原料药成本较高，如果与原研药相比没有明显的优势（例如在有效剂量、给药频次、适应证范围、安全性等方面有所改善）则无法获得市场回报。
研发氘代药并非一件易事，既要有先进的氘代物合成技术，又要有能克服原研药缺限的优势，两点齐备才能开展工作。目前国内领跑氘代药研发领域的公司有苏州泽璟生物制药有限公司、正大天晴药业集团股份有限公司和成都海创药业有限公司，它们都已获得临床批件并开始临床研究，还有多个氘代药处于临床前研究阶段。从国内外研发渠道来看，氘代药研发的上升势头未减。
4.3 氘代修饰策略在发现全新化学实体中的应用
氘代修饰策略也为药物化学家发现全新化学实体提供了另一种手段。Vertex 于2016 年12 月开展DNA依赖性蛋白激酶（DNA-PK）抑制剂VX-984（80）的Ⅰ期试验，其为应用氘代修饰策略开发的创新药，氘代化已经成为Vertex 设计新药的重要手段之一[89]。
其他公司也在使用氘代修饰策略来优化先导化合物。如百时美施贵宝公司已经提交了关于BMS-986144（81）治疗丙型肝炎病毒的临床前研究数据，BMS-986144 是一个含氘的泛基因型NS3/4A 蛋白酶抑制剂[90]。诺华也已经应用氘替代策略去改变一种新型的促肾上腺皮质激素释放因子拮抗剂的药动学特性和毒性，但该项目最终未获得进一步开展。辉瑞公司的科学家认为是否使用氘替代策略研发新药应根据具体情况而定，氘替代策略主要还是用于改善药动学和毒理学上的缺陷。氘代药研究专家Gant 认为氘替代策略不应是药物早期发现的工具，相反，当药物发现团队已有10 个候选物时，他们应考虑一下引入氘是否有望获得更佳的候选物。氘替代策略是十分有用的工具，但必须使用适当。