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超越5原則的環(huán)肽藥物：如何提升代謝穩(wěn)定性和膜滲透性

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2025年07月02日 05:18

多肽藥物因其高活性、高特異性、低副作用以及與抗體類藥物相比更低的生產(chǎn)成本而備受青睞。然而，因分子量大、極性表面積高、酰胺鍵易水解等原因，其代謝穩(wěn)定性、膜滲透性和口服生物利用度較差，限制了多肽藥物的發(fā)現(xiàn)與開發(fā)。近年來，噬菌體展示和mRNA展示等技術(shù)的發(fā)展推動了多肽文庫在藥物開發(fā)中的應(yīng)用，使理性設(shè)計成為發(fā)現(xiàn)多肽的重要手段。

多肽藥物根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征可分為線性肽和環(huán)肽。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)肽在類藥性上具有一定優(yōu)勢，如構(gòu)象穩(wěn)定、無不穩(wěn)定末端氨基酸殘基和分子內(nèi)氫鍵形成，這些特性使環(huán)肽極性低、親和力強、穩(wěn)定性高，并提高了滲透性，可被用于口服給藥或者作用于細胞內(nèi)靶點。截至2024年6月，共有66個環(huán)肽藥物獲得批準，其中39個在2000年之后獲批[1]。2023年批準的6款多肽藥物中，有3款是環(huán)肽藥物：瑞扎芬凈（Rezafungin），用于治療念珠菌血液感染的棘白菌素藥物；莫替福肽（Motixafortide），首款靶向趨化因子受體CXCR4治療多發(fā)性骨髓瘤的多肽藥物；澤勒普肽（Zilucoplan），首個皮下注射補體C5多肽抑制劑，也是目前唯一可自行給藥的全身型重癥肌無力（gMG）療法。根據(jù)Research and Markets的一份最新報告，大環(huán)肽和訂書肽（本質(zhì)上也屬于環(huán)肽）藥物市場將從的12.2億美元（2024年）增至47.6億美元（2030年），復(fù)合年增長率為21.44%。盡管環(huán)肽具有潛在的優(yōu)勢，但代謝穩(wěn)定性和膜滲透性差等主要障礙仍需解決。下文分別從這兩方面來了解環(huán)肽的相關(guān)研究。

表1. 環(huán)肽與線性肽的性質(zhì)比較

性質(zhì)

環(huán)肽

線性肽

構(gòu)象

受限

靈活

末端氨基酸

否

是

氫鍵

分子內(nèi)

分子間

極性

較低

較高

親和力

較高

較低

穩(wěn)定性

較高

較低

滲透性

較高

較低

口服給藥

可能

較不可能

細胞內(nèi)靶點

可能

較不可能

提高環(huán)肽穩(wěn)定性

提高環(huán)肽的穩(wěn)定性主要采用以下幾種方法。

修飾肽鏈的骨架，包括使用D-氨基酸、非蛋白源性氨基酸、β-/γ-氨基酸和N-甲基化。生物電子等排體修飾可能在不影響活性的情況下產(chǎn)生最佳結(jié)果。

篩選合適的環(huán)化形式以及雙環(huán)化，可以降低構(gòu)象柔性，減少因外肽酶催化引起的代謝。

二級結(jié)構(gòu)可以通過α-螺旋、β-鏈和環(huán)、分子內(nèi)氫鍵和訂書結(jié)構(gòu)，或者通過使用α/β-肽來維持和增強螺旋度。

生長激素抑素（Somatostain）是一種14肽的環(huán)肽激素，主要由下丘腦促垂體區(qū)細胞分泌，胰島D細胞、胃腸道也可產(chǎn)生。其體內(nèi)半衰期很短，很難用于疾病治療。根據(jù)穩(wěn)定性研究改造其結(jié)構(gòu)，用D-氨基酸替換L-苯丙氨酸和L-色氨酸，將C端羧基變換成醇基，同時保留藥效團，最終得到8肽類似物奧曲肽（Octreotide）。改造后可以減少內(nèi)肽酶的催化作用，將半衰期從3分鐘延長到100分鐘[2]，已上市用于治療肢端肥大癥、腺瘤和胰腺、乳腺、前列腺腫瘤。

生長激素抑制素修飾成為奧曲肽（紅色為藥效基團）

圖1. 生長激素抑制素修飾成為奧曲肽（紅色為藥效基團）

在單環(huán)肽的基礎(chǔ)上，科學家采用雙環(huán)策略開發(fā)出與尿激酶纖溶酶原激活物結(jié)合的多肽，結(jié)果顯示雙環(huán)肽比其線性和單環(huán)對應(yīng)物更穩(wěn)定，在鼠血漿中孵育24小時后仍有40%原藥存在[3]。

雙環(huán)肽的連接方式

圖2. 雙環(huán)肽的連接方式[3]

提高環(huán)肽膜滲透性

被動滲透是藥物穿過生物膜的主要途徑，它通常需要分子量小、脂溶性好等特點。Christopher A. Lipinski和同事在1997 年發(fā)布了開發(fā)口服小分子藥物的理化性質(zhì)類藥5原則，后來又有研究增加了極性表面積變成“擴展的5原則”。含有6個以上殘基的多肽明顯超過了這些限度，然而這并不意味著多肽不能透過生物膜。研究者在自然界豐富多樣的環(huán)肽中發(fā)現(xiàn)了一些滲透性良好的分子。

表2. 基于上市口服小分子藥物理化性質(zhì)的“擴展的5原則”

屬性

擴展的5原則

分子量

< 500 Da

氫鍵受體數(shù)量

< 10

氫鍵供體數(shù)量

< 5

LogP

< 5

可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)量

< 10

極性表面積

< 140 ?2

環(huán)孢素 A 是從真菌Tolypocladium inflatum中分離得到的一種環(huán)肽。盡管其特性超過了擴展的5原則，但令人驚訝的是其表現(xiàn)出異常好的穩(wěn)定性和滲透性，口服生物利用度在20%-70%之間。這可能歸因于Nα-甲基化和非蛋白氨基酸的替代。另一個關(guān)鍵機制涉及其“變色龍”行為。環(huán)孢素分子可以根據(jù)周圍環(huán)境調(diào)節(jié)構(gòu)象。當進入脂質(zhì)雙層時，它可以內(nèi)化極性原子，當擴散到水性細胞內(nèi)環(huán)境時，它恢復(fù)到活性構(gòu)象。

環(huán)孢素 A 的案例激發(fā)了對超出擴展 5 原則的化合物的研究。其中一項研究建立了一個環(huán)肽和類肽數(shù)據(jù)庫，如圖所示，其中兩個理化參數(shù)EPSA（experimental polar surface area）和ClogP與環(huán)肽通透性相關(guān)[4]。觀察到，雖然EPSA值低于90 ?2不能保證良好的滲透性，但它確實顯著改善了化合物的前景。CLogP值在7.5和10之間有利于滲透性，因為親脂性更高或更低均會對滲透造成障礙。幾項研究揭示了環(huán)肽的相似邊界，如表3所列。這些發(fā)現(xiàn)可以為合理設(shè)計環(huán)肽提供一個很好的起點。

EPSA, CLogP與MDCK細胞滲透性的相關(guān)分布

圖3. EPSA, CLogP與MDCK細胞滲透性的相關(guān)分布[5]

表3. 環(huán)肽藥物設(shè)計的超越5原則[6]

屬性

超越5原則

分子量

< 1000 Da

氫鍵受體數(shù)量

< 15

氫鍵供體數(shù)量

< 6

LogP

7.5-10

可旋轉(zhuǎn)鍵數(shù)量

< 20

極性表面積

< 250 ?2

EPSA

< 90 ?2

N-甲基化可以修飾環(huán)肽的構(gòu)象、氫鍵結(jié)合電位和親脂性，得到適宜的理化性質(zhì)從而增強其膜通透性。例如Veber-Hirschmann肽，一種生長抑素合成類似物，該類似物保留了生長抑素的活性序列，并表現(xiàn)出受體選擇性，再通過N-甲基化修飾開發(fā)得到一個新的類似物，使其Caco-2滲透性從1 x 10^-6 cm/s提高到4 x 10^-6 cm/s[7]。

另一種有前景的方法是細胞穿透肽（CPPs），在20世紀90年代初被發(fā)現(xiàn)，此后已鑒定出近2000種具有細胞穿透活性的多肽。其中，環(huán)狀CPPs與線性CPPs相比，表現(xiàn)出優(yōu)越的穩(wěn)定性和胞質(zhì)轉(zhuǎn)運效率。環(huán)狀CPPs直接與質(zhì)膜磷脂結(jié)合，通過內(nèi)吞或直接轉(zhuǎn)位進入細胞。因此，它們可以作為載體來運輸多肽藥物。內(nèi)環(huán)偶聯(lián)法可以將線性肽和小肽與環(huán)狀CPPs融合，而外環(huán)和雙環(huán)偶聯(lián)法適用于較大的多肽和環(huán)肽。對于某些靶蛋白，肽配體必須呈線性形式才能具有生物活性。因此，可逆性環(huán)化或雙環(huán)化偶聯(lián)法被設(shè)計用于在胞質(zhì)中釋放線性肽，以進行靶向結(jié)合[8]。

細胞穿透肽1（CPP1）

圖4. 細胞穿透肽1（CPP1）[8]

口服環(huán)肽藥物開發(fā)

心血管病是全球人口死亡的首要原因，而高膽固醇血癥是引起動脈粥樣硬化性心血管?。ㄖ饕ü谛牟『腿毖宰渲校┑闹匾ｋU因素。降血脂的主要治療藥物包括他汀類、貝特類藥物，而約50%使用他汀類藥物的個體無法將其低密度脂蛋白膽固醇（LDL-C）水平降低至預(yù)期水平，并且面臨不良反應(yīng)多、需要聯(lián)合給藥、長期服藥等問題。近年來，PCSK9抑制劑為各類難治性高膽固醇血癥患者提供了新的治療方法和希望，其通過降解LDL-C來調(diào)控血脂。目前全球共上市3款PCSK9抑制劑，包括依洛尤單抗（Evolocumab）、阿利西尤單抗（Alirocumab）兩款單抗，及一款小核酸藥物英克司蘭（Inclisiran），展現(xiàn)出超越他汀類藥物的安全性和治療效果。依洛尤單抗2022年銷售額已達到12.96億美元，其他兩款藥物也有望成為10億美元的重磅藥物。但這三款藥物也存在皮下注射依從性差、價格昂貴等限制，因此開發(fā)新型口服PCSK9抑制劑成為熱點。

MK-0616是一款口服環(huán)肽PCSK9抑制劑，用于治療成人高膽固醇血癥。2023年8月已經(jīng)啟動三期臨床試驗，有望成為首款口服PCSK9抑制劑。其研發(fā)過程首先通過mRNA展示技術(shù)發(fā)現(xiàn)苗頭多肽化合物，再基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計進行優(yōu)化獲得最終的分子?；衔?4易受大環(huán)化過程中摻入的硫化物的化學氧化影響，重要修飾是取代巰基接頭和中央三唑（紅色至藍綠色），以最大限度地減少氧化敏感性（44 = 98%，MK-0616 = 2.9%），同時保持效力（44 Ki = 2 pM，MK-0616 Ki = 5 pM），并將烯烴更改為酰胺交聯(lián)劑以增加溶解度（通過降低親脂性）并避免烯烴形成產(chǎn)生的異構(gòu)體[9]。

先導化合物44結(jié)構(gòu)優(yōu)化為MK-0616

圖5. 先導化合物44結(jié)構(gòu)優(yōu)化為MK-0616 [9]

在被動滲透性測定中，MK-0616的跨細胞滲透性（Papp）非常低（0.71 x 10-6 cm/s）。臨床試驗制劑中使用癸酸鈉（sodium caprate）或辛酸癸酸聚乙二醇甘油酯（Labrasol）作為滲透促進劑增加腸道吸收，在200 mg劑量下，含有Labrasol的制劑與不含Labrasol的制劑相比，MK-0616的Cmax高出5倍（45.3 nmol/L 比7.84 nmol/L）, AUC0-inf高出2倍（1250h·nmol/L比556 h·nmol/L）。100 mg劑量下含有Labrosol和癸酸鈉的暴露量類似，生物利用度約2%。在10到300 mg劑量范圍內(nèi)，AUC0-inf 低于劑量線性增長，半衰期為35小時至130小時左右。

高脂肪早餐（55.6 g脂肪、55 g碳水化合物、31.1 g蛋白質(zhì)）后30分鐘給予40 mg劑量的MK-0616，其AUC0-inf和Cmax與在禁食條件下給予相同劑量的幾何均值比值（進食/禁食）分別為0.33和0.25，說明進食條件不利于其口服吸收。

MK-0616單次給藥后血藥濃度曲線

圖6. MK-0616單次給藥后血藥濃度曲線[9]

在二期臨床試驗中，MK-0616每天一次給藥8周后顯示出安慰劑調(diào)整后的LDL-C（低密度脂蛋白膽固醇）降低，具有統(tǒng)計學意義和穩(wěn)健的劑量依賴性，從基線降低最高達60.9%，并且在8周的治療和額外的8周隨訪期間耐受性良好[10]。

MK-0616的兩項三期臨床試驗已經(jīng)在2023年啟動，有望成功上市并因為優(yōu)異的療效、安全性和便利性成為重磅藥物，根據(jù)行業(yè)預(yù)測其有潛力在銷售高峰期達到年銷售50億美元。MK-0616的研發(fā)路徑與臨床結(jié)果為大環(huán)肽的研發(fā)提供了前行的方向。結(jié)合mRNA展示技術(shù)、基于結(jié)構(gòu)的修飾提高穩(wěn)定性和溶解度、使用滲透促進劑等，可使超越五原則的大環(huán)肽達到可行的口服生物利用度。

結(jié)語

多肽藥物的市場規(guī)模近年來快速增長，環(huán)肽藥物獨特的構(gòu)象為研發(fā)更有效、更安全、更便利的藥物提供了極具潛力的解決方案，MK-0616等在研口服環(huán)肽藥物的優(yōu)異表現(xiàn)更是成為廣受關(guān)注的焦點。因其不同小分子和線性肽和結(jié)構(gòu)特征，其DMPK的研究思路和目標也有不同的要求?？偨Y(jié)已上市和在研環(huán)肽藥物的數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)超越5原則的特征，我們在理化性質(zhì)、代謝穩(wěn)定性、滲透性等研究中也開發(fā)和設(shè)計了針對性的實驗方法和方案，建立從篩選到IND申報的研究策略，以終為始地為客戶項目賦能。

目前在研的環(huán)肽管線已經(jīng)有幾百項進入到臨床階段，用于治療包括腫瘤、感染性、血液系統(tǒng)疾病，相信這些研究將在不久的將來幫助更多患者重獲健康和幸福生活。

作者：孫建平，馬利萍，金晶

編輯：錢卉娟，富羅娜·克里木

設(shè)計：倪德偉，張瑩瑩

藥明康德DMPK依托中國（上海、蘇州、南京和南通）和美國（新澤西）的研發(fā)中心，提供從早期篩選、臨床前開發(fā)、到臨床研究階段的綜合型藥代動力學服務(wù)，助力您快速推進藥物研發(fā)流程。擁有上千人的研發(fā)團隊，服務(wù)超1600家全球客戶，具有超過十五年的新藥申報經(jīng)驗，已成功支持超過1700個新藥臨床研究申請（IND）。

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參考

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