綜述：增強多肽類藥性的化學改性策略

藥物的半衰期決定了它在體內(nèi)的停留時間。短的半衰期可以通過給藥間隔和劑量來補償，但在成本和安全性方面存在限制。那些獲得了監(jiān)管批準的多肽藥物，為我們提供了將肽穩(wěn)定性從幾分鐘提高到幾小時甚至更長時間的成功案例。與內(nèi)源性肽相比，批準的肽治療藥物的血漿半衰期顯著提高。

(資料圖)

多肽化學使用不同的改性策略，來延長肽治療劑的穩(wěn)定性。通過使用這些化學修飾來穩(wěn)定生物活性肽，緩解血液或組織蛋白酶介導的降解和失活，從而增強多肽候選藥的類藥性。

01

N端乙酰化

圖1. 多肽N端乙酰化與C端酰胺化

多肽N端乙酰化是最常見的多肽化學改性增加穩(wěn)定性的手段之一。值得注意的是，截至2021年底，62個（不包括已撤消的羅穆爾肽和安巴莫司汀）已上市的短肽（由小于或等于15個氨基酸殘基組成）中，有37個實體在其N端通過酰化、焦谷氨酸或環(huán)化的方式得以封閉。在Nα沒有封閉的多肽藥物中，有11個為含二硫鍵的環(huán)肽和1個酰胺化環(huán)肽，還有一個為prodrug。從分析數(shù)據(jù)來看，截止2021年底FDA批準的短肽藥物中，只有9種線性肽實際上具有自由Nα基團。

多肽N端封閉，除了避免外肽酶（Exopeptidase，或稱“肽鏈端解酶”）的酶解作用之外，防止多肽以DKP (diketopiperazine，二酮哌嗪）的方式化學降解，也是一個重要的原因。擁有自由Nα基團的多肽肽鏈，可以在堿性至中性條件下通過DKP的方式進行降解，產(chǎn)生一個六元環(huán)2，5-二酮哌嗪，以及相應的缺失N-端二肽的縮短的肽鏈 (圖2)[1]。

DKP是多肽合成、純化、制劑和存儲過程中，常見的降解類型之一。為了防止外肽酶的酶促降級，以及DKP化學降解，多肽藥物尤其是較小尺寸的多肽藥物，通常借助N端乙酰化封閉的方式。

圖2. 多肽DKP降解機理

類似的是，在多肽C端可以使用酰胺化，將多肽C端天然的羧酸基團轉化為相應的酰胺基團，降低carboxypeptidase（羧肽酶）對于多肽C端某些特定的氨基酸的酶解（例如：羧肽酶A裂解C端的Phe、Tyr、Trp或Leu；羧肽酶B裂解C端的Lys或Arg）。若將這些C端氨基酸替換為相應的氨基酸酰胺，羧肽酶的酶解作用或?qū)@著降低。

02

多肽環(huán)化

圖3. 多肽環(huán)化模式示意圖

多肽環(huán)化是常見的多肽改性，它不僅同時消除了多肽N端和C端易遭受外肽酶降解的氨基和羧基，而且可以將多肽的構型保持在利于與受體結合的狀態(tài)，從而大大提高這些多肽的生物學活性。最新獲得FDA監(jiān)管批準的新藥，治療念珠菌血癥和侵襲性念珠菌病的棘白菌素多肽類似物——Rezafungin（圖4），就是一款環(huán)肽藥物。

圖4. Rezafungin化學結構

常見的多肽環(huán)化方式包括：

? 頭對尾酰胺環(huán)化

? 頭對側鏈酰胺環(huán)化

? 尾對側鏈酰胺環(huán)化

? 側鏈對側鏈酰胺環(huán)化

? 二硫鍵環(huán)化

? 硫醚鍵環(huán)化

? 三唑環(huán)化

? 乙烯鍵環(huán)化

03

D-氨基酸替換

D-氨基酸替換也是一種常見的增加多肽藥物穩(wěn)定性的手段，可以降低空間構象依賴的酶水解。由于核糖體對L-氨基酸具有特異性，因此D-肽很少天然存在于生物體中，不易被消化或降解。D肽模擬肽是設計用于模擬通常具有治療特性的天然L肽的D肽。D-氨基酸多肽尤其在多肽抗生素的開發(fā)過程中，發(fā)揮著重要的作用[2]。

04

N-甲基化多肽

N-甲基化多肽，不僅可以增加多肽的化學穩(wěn)定性，降低內(nèi)肽酶的酶促降解，而且對于多肽的空間結構也產(chǎn)生極為關鍵的作用。通過N-甲基化，受影響的酰胺鍵不再成為H-鍵供體，這將對多肽的二級結構影響深遠。N-甲基化也因此成為即Alanine scan, D-amino acid scan之后，最常為藥物化學家使用的多肽篩選工具。

著名的N-甲基化多肽上市藥物，包括環(huán)孢素cyclosporine A（圖5）等，其結構中包含7個N-甲基氨基酸，不僅大大提高了環(huán)孢素的水解穩(wěn)定性，也為它的空間結構形成了幾乎無法復制的精妙調(diào)節(jié)，使得環(huán)孢素成為第一款實現(xiàn)口服遞送的多肽藥物。

圖5. Cyclosporine A化學結構

05

脂化修飾

脂化修飾（lipidation）通常可以減少一個多肽的正電荷（被修飾的氨基酸通常是賴氨酸）。但更關鍵的是，引入的脂質(zhì)結構大大增加了多肽的半衰期，這通常被認為是通過增加與白蛋白（albumin）的結合而實現(xiàn)的。

在這方面最著名的例子來自于GLP-1多肽類似物，治療2型糖尿病和肥胖癥的司美格魯肽，以及同為2型糖尿病多肽藥物的GLP-1/GIP受體雙重激動劑替爾泊肽（圖6）。司美格魯肽更是在使用滲透增強劑（permeation enhancer）SNAC的基礎上，實現(xiàn)了口服制劑（Rybelsus?）的開發(fā)與上市。

關于脂化修飾這塊內(nèi)容，哥哈骎老師之前的文章中也有詳細闡述，文章傳送門：“當紅炸子雞”司美格魯肽、替爾泊肽的背后，脂質(zhì)化修飾助力多肽藥物口服遞送。

圖6. 脂化多肽司美格魯肽與替爾泊肽化學結構

06

細胞遞送多肽

雖然絕大多數(shù)多肽靶向細胞外蛋白，但為了到達細胞內(nèi)目標受體，多肽需要穿過細胞膜。然而，肽通常只能有限地穿越這種生物屏障。為了定制用于細胞內(nèi)遞送的肽，與細胞穿透肽（CPPs, Cell-Penetrating Peptides）序列的綴合，使得將生物活性肽遞送至細胞內(nèi)靶標成為了可能。研究中使用了幾種細胞穿透肽，例如penetratin、聚精氨酸、轉運蛋白和TAT (trans-activator of transcription, 轉錄反式激活因子) 肽[3]。

07

分子接枝 (Molecular grafting)

圖7. 多肽分子接枝示意圖，來源：Drug Discovery Today

分子接枝是多肽藥物開發(fā)和新型探針設計的一個有前途的趨勢。該方法用于設計具有類藥物特性的肽療法。構象受限和高度穩(wěn)定的肽在這個策略中被用作支架，與生物活性表位“融合”，產(chǎn)生所謂的分子接枝[4]。在合成探針并驗證其構象完整性后，根據(jù)其生物活性選擇接枝肽。所得分子結合了肽支架提供的穩(wěn)定性增加、以及生物活性表位提供的功能化的優(yōu)點。

研發(fā)人員已針對此應用探索了幾種自然衍生的肽，包括環(huán)狀半胱氨酸結肽（knot peptide）[5]、套索肽（lasso peptide）[6]、環(huán)狀向日葵胰蛋白酶抑制劑1[7]和θ-防御素[8]。該方法用于制備靶向GPCR、整合素、離子通道和其他細胞表面受體的新探針，包括血管內(nèi)皮生長 因子受體 (VEGFR)、 酶或蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用。

線性抗血管生成肽P15，在人血清中2小時內(nèi)分解。如果使用分子接枝策略，將P15序列整合到主鏈環(huán)化胰蛋白酶抑制肽——Momordica cochinchinensis胰蛋白酶抑制劑-II (MCoTI-II) 中，不僅顯著提高P15穩(wěn)定性至8h，而且改善了對人臍靜脈內(nèi)皮細胞細胞遷移的抑制特性[9]。

人血小板反應蛋白-1（TSP1）是血管生成的內(nèi)源性抑制劑。來自血小板反應蛋白序列的生物活性七肽，通過與清道夫受體CD36相互作用抑制血管生成。然而，TSP1在人血清中會在4小時內(nèi)降解。在MCoTI-II或向日葵胰蛋白酶抑制劑1支架中“嫁接”生物活性七肽，不僅顯著提高了肽在24小時內(nèi)的穩(wěn)定性，而且還增加了其抑制人臍靜脈內(nèi)皮細胞細胞遷移的活性[10]。

分子接枝技術將豐富多肽藥物開發(fā)的可使用工具，利用這種方法有可能在未來開發(fā)出更多有價值的多肽藥物。

參考資料：

[1] Yang, Y. Side Reactions in Peptide Synthesis. Elsevier. 2015, 22-28.

[2] Adaligil, E. A. et al. Discovery of Peptide Antibiotics Composed of D-Amino Acids. ACS Chem. Biol. 2019, 14, 7, 1498–1506.

[3] Gui, L. et al. Cell-penetrating peptides and polymers for improved drug delivery. ChemNanoMat. 2020, 6, 1138-1148

[4] Wang, C. K. et al. Designing macrocyclic disulfide-rich peptides for biotechnological applications

Nat Chem Biol. 2018, 14, 417-427.

[5] Craik, D. J. et al. The future of peptide-based drugs. Chem Biol Drug Des. 2013, 81, 136-147.

[6] Muttenthaler, M. et al.Trends in peptide drug discovery. Nat Rev Drug Discov. 2021, 20, 309-325.

[7] Muratspahi?, E. et al. Design of a stable cyclic peptide analgesic derived from sunflower seeds that targets the κ-opioid receptor for the treatment of chronic abdominal pain

J Med Chem. 2021, 64, 9042-9055.

[8] Conibear, A. C. et al. The cyclic cystine ladder of theta-defensins as a stable, bifunctional scaffold: a proof-of-concept study using the integrin-binding RGD motif. ChemBioChem. 2014, 15, 451-459.

[9] Chan, L. Y. et al. Tuning the anti-angiogenic effect of the P15 peptide using cyclic trypsin inhibitor scaffolds. ACS Chem Biol. 2021, 16, 829-837.

[10] Chan, L. Y. et al. Cyclic thrombospondin-1 mimetics: grafting of a thrombospondin sequence into circular disulfide-rich frameworks to inhibit endothelial cell migration

Biosci Rep. 2015, 35, e00270.

[General] Gattringer, J. et al. Peptide modulators of cell migration: Overview, applications and future development. Drug Discovery Today. 2023, 28, 103554.

專欄作者

哥哈骎

南開大學本科、碩士，德國比勒菲爾德大學博士。多肽化學、多肽API GMP生產(chǎn)專家、歐洲制藥公司首席科學家；

擁有Lean Six Sigma黑帶認證；

著有專著《Side Reactions in Peptide Synthesis》。