藥物的半衰期決定了它在體內(nèi)的停留時(shí)間。短的半衰期可以通過給藥間隔和劑量來補(bǔ)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(zhǔn)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(shí)甚至更長時(shí)間的成功案例。與內(nèi)源性肽相比，批準(zhǔn)的肽治療藥物的血漿半衰期顯著提高。
多肽化學(xué)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(xué)修飾來穩(wěn)定生物活性肽，緩解血液或組織蛋白酶介導(dǎo)的降解和失活，從而增強(qiáng)多肽候選藥的類藥性。
1、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(xué)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(gè)（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(gè)氨基酸殘基組成）中，有37個(gè)實(shí)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(gè)為含二硫鍵的環(huán)肽和1個(gè)酰胺化環(huán)肽，還有一個(gè)為prodrug。從分析數(shù)據(jù)來看，截止2021年底FDA批準(zhǔn)的短肽藥物中，只有9種線性肽實(shí)際上具有自由Nα基團(tuán)。
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(xué)降解，也是一個(gè)重要的原因。擁有自由Nα基團(tuán)的多肽肽鏈，可以在堿性至中性條件下通過DKP的方式進(jìn)行降解，產(chǎn)生一個(gè)六元環(huán)2，5-二酮哌嗪，以及相應(yīng)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(chǔ)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(xué)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(jī)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(tuán)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的酰胺基團(tuán)，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(yīng)的氨基酸酰胺，羧肽酶的酶解作用或?qū)@著降低。
2、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(shí)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(gòu)型保持在利于與受體結(jié)合的狀態(tài)，從而大大提高這些多肽的生物學(xué)活性。最新獲得FDA監(jiān)管批準(zhǔn)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(xué)結(jié)構(gòu)
常見的多肽環(huán)化方式包括：
頭對尾酰胺環(huán)化
頭對側(cè)鏈酰胺環(huán)化
尾對側(cè)鏈酰胺環(huán)化
側(cè)鏈對側(cè)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
3、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(gòu)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(shè)計(jì)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]。
4、N-甲基化多肽
N-甲基化多肽，不僅可以增加多肽的化學(xué)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(jié)構(gòu)也產(chǎn)生極為關(guān)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(jié)構(gòu)影響深遠(yuǎn)。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(xué)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(jié)構(gòu)中包含7個(gè)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(jié)構(gòu)形成了幾乎無法復(fù)制的精妙調(diào)節(jié)，使得環(huán)孢素成為第一款實(shí)現(xiàn)口服遞送的多肽藥物。
圖5. Cyclosporine A化學(xué)結(jié)構(gòu)
5、脂化修飾
脂化修飾（lipidation）通常可以減少一個(gè)多肽的正電荷（被修飾的氨基酸通常是賴氨酸）。但更關(guān)鍵的是，引入的脂質(zhì)結(jié)構(gòu)大大增加了多肽的半衰期，這通常被認(rèn)為是通過增加與白蛋白（albumin）的結(jié)合而實(shí)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(dòng)劑替爾泊肽（圖6）。司美格魯肽更是在使用滲透增強(qiáng)劑（permeation enhancer）SNAC的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了口服制劑（Rybelsus®）的開發(fā)與上市。
關(guān)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(xì)闡述，文章傳送門：“當(dāng)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(xué)結(jié)構(gòu)
6、細(xì)胞遞送多肽
雖然絕大多數(shù)多肽靶向細(xì)胞外蛋白，但為了到達(dá)細(xì)胞內(nèi)目標(biāo)受體，多肽需要穿過細(xì)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(xì)胞內(nèi)遞送的肽，與細(xì)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(xì)胞內(nèi)靶標(biāo)成為了可能。研究中使用了幾種細(xì)胞穿透肽，例如penetratin、聚精氨酸、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和TAT (trans-activator of transcription, 轉(zhuǎn)錄反式激活因子) 肽[3]。
7、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(shè)計(jì)的一個(gè)有前途的趨勢。該方法用于設(shè)計(jì)具有類藥物特性的肽療法。構(gòu)象受限和高度穩(wěn)定的肽在這個(gè)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(yàn)證其構(gòu)象完整性后，根據(jù)其生物活性選擇接枝肽。所得分子結(jié)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(diǎn)。
研發(fā)人員已針對此應(yīng)用探索了幾種自然衍生的肽，包括環(huán)狀半胱氨酸結(jié)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(xì)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(shí)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(xì)胞細(xì)胞遷移的抑制特性[9]。
人血小板反應(yīng)蛋白-1（TSP1）是血管生成的內(nèi)源性抑制劑。來自血小板反應(yīng)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(huì)在4小時(shí)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(shí)內(nèi)的穩(wěn)定性，而且還增加了其抑制人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞細(xì)胞遷移的活性[10]。
分子接枝技術(shù)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(jià)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.
