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【行研】环肽的应用现状及发展趋势

2022-05-05 09:26:16 linda 106

迄今为止,小分子药物和生物大分子药物在药物的早期研究开发中备受追捧,但它们的应用仍有局限性。如小分子只能与具有刚性和疏水性斑块或凹槽的目标相互作用。此外,小分子在靶蛋白上的结合区域通常高度保守,低选择性不可避免地会导致许多副作用的产生;大分子药物本质上不能通过细胞膜,其使用范围被限制在胞膜或者是胞外靶点,此外,很多大分子药物是通过细胞培养的方法生产,由于翻译后修饰和其他衍生化而导致的异质性难以避免。最后,它们不能口服,通常必须静脉内给药。

基于此,肽类分子从结构和功能性质介于小分子和大分子之间,近些年来引发了越来越高的关注,特别是环肽,给新型药物的开发带来了希望。

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01

环肽的简介


什么是环肽

环肽是指由氨基酸以肽键链接形成的环状化合物,通常由5至14个氨基酸组成,分子量约为500至2000 Da。现有研究发现,小至细菌, 大至高等植物、哺乳动物,几乎所有的生物机体内均含有环肽分子。生物机体中的这些环肽结构新奇多样,骨架中除了肽键外,还有酯键、醚键以及二硫键等多种化学键。而且,研究发现很多环肽具有优秀的生物活性,包括抗菌、抗肿瘤和免疫抑制等。因此,针对环肽类药物的研究正在受到人们越来越多的关注。


环肽的分类

可根据构成环的键的类型对环肽进行分类,通常可将其分为均环肽和杂环肽,均环肽是其中环仅由正常肽键组成(即一个残基的α羧基与另一个残基的α胺之间)的环肽,如环孢菌素A。杂环肽至少含有一个非α-酰胺键,如微囊藻毒素和杆菌肽中,一个残基的侧链与另一个残基的α羧基之间的键。

除此以外还可以根据肽的环肽位置将可以环肽分为四种类型:头尾,头对侧链,侧链对尾和侧链对侧链环化。

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环肽的类型[1]


环肽的应用特点


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具有明确的固定构象,能够与受体很好地契合;

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环肽的代谢稳定性和生物利用度远远高于直链肽;

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由于环状结构导致的构象变化限制,环肽类化合物一般具有较大的表面积,从而使其与靶点蛋白间具有高度亲和力及识别特异性;

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相比直链多肽用量极少就能达到高生物活性。功能等同于多种线性多肽的活性总和。


与直链肽相比 环肽更具结构稳定性

通过二硫键将多肽首尾相连形成环肽或者利用半胱氨酸形成分子内小环,使肽链失去游离的氨基和羧基,避免被特异性识别端基氨基和羧基的蛋白酶降解。

而且,成环的多肽分子内会形成二硫键或者盐桥,这些相互作用会进一步提高多肽的稳定性。

Bogdanowich-Knipp等[2]对比了直链RGD 与环状RGD 的稳定性发现,天冬氨酸是RGD 肽的降解位点,其侧链容易与肽链的C-端或N-端发生分子内反应。

当RGD 为线性时分子柔性较大导致参与反应的两个原子之间距离较短,容易发生降解反应。

当RGD 成环以后,分子结构的刚性得到增强,使得参与反应的原子之间的距离增大,不能发生降解反应。

另一个使环状RGD 稳定性增加的原因是精氨酸中的胍基与天冬氨酸的羧基之间形成了盐桥,盐桥的存在也可以防止天冬氨酸的侧链参与降解反应。

直链RGD 与环状RGD 的结构如下图所示。

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Figure 1 Molecular structures of linear RGD and cyclic RGD


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02

环肽药物的应用现状


上市的环肽药物

环肽药物在肽药物市场中占据重要地位,在全球已上市的肽药物中,环肽药物占比约为六成。环肽药物在疗效、安全性方面优点突出,是全球医药行业研究开发的热点。自21世纪以来,全球已获批上市共有18款环肽药物,从获批药物的地区分布来看,主要来自美国,多为通过二硫键、酰胺键成环。获批的环肽中,多数是从天然类似物改造而来,通过保持整体的环肽结构来保持对目标蛋白的亲和力

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近20年获批的环肽药物汇总[3]

环肽药物可分为靶向胞内蛋白环肽、靶向外膜蛋白环肽以及抗微生物环肽三类,靶向胞内蛋白环肽代表药物有罗米地新、伏环孢素等;靶向外膜蛋白环肽代表药物有利那洛肽、普卡那肽、齐考诺肽、血管加压素等;抗微生物环肽代表药物有达托霉素、阿尼芬净、米卡芬净等。

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临床中使用的环肽[4]

现阶段,全球在研环肽药物数量已达到数百种,部分药物已进入临床后期阶段,随着研究不断深入,未来将会有更多环肽药物获批进入市场。


双环肽偶联治疗膀胱癌[5]

近日,Bicycle Therapeutics公司在AACR年会上公布了其基于双环肽的在研疗法BT8009的最新临床试验结果。BT8009是该公司的第二代双环肽偶联毒素,靶向Nectin-4。试验结果显示,在接受剂量为每周5.0 mg/m2的BT8009治疗的尿路上皮癌患者队列中,确认总缓解率达到50%。

在这项临床试验中,平均接受过3种前期治疗的实体瘤患者接受了不同剂量的BT8009的治疗,其中49%为尿路上皮癌患者。试验结果显示,在8名接受剂量为每周5.0 mg/m2的BT8009治疗的尿路上皮癌患者中,4名患者获得确认缓解,其中一名患者获得完全缓解。另有两名患者疾病稳定,疾病控制率达到75%。截至今年3月7日,中位缓解持续时间尚未达到,3名患者的缓解仍然得到维持,他们接受治疗至少24周。

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BT8009治疗尿路上皮癌患者的试验数据

(每周5.0 mg/m2,图片来源:Bicycle Therapeutics公司官网)


关于双环肽技术

双环肽技术通过在多肽中引入化学修饰,让它们构成固定的三维分子构象。双环肽分子集抗体、小分子药物及肽类的特性于一身,具有与抗体类似的亲和性和特异性;同时,它们分子量较小,能快速深入地渗透组织;其肽类的性质则提供了可调控的药物动力学半衰期和肾脏清除途径,避免了其他药物形式中常见的肝脏和胃肠道毒性。

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双环肽技术(图片来源:Bicycle公司官网)[6]

除了上述优点外,双环肽的两个环还可以分别发挥不同的功能,例如,经过合理设计的双环肽,其中一个环可以与细胞表面的蛋白结合(提供细胞靶向性),当分子转运至细胞内部后,另一个环就与靶蛋白结合来发挥抑制活性。

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双环肽的核心特性(图片来源:Bicycle公司官网)


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03

环肽发展趋势


环肽的发展前景[4]


1

改善细胞膜渗透性和口服吸收

简单的环化不会使肽具有膜渗透性,研究表明,双环肽与单环肽相比可以改善细胞膜的渗透性,Pei课题组开发的双环肽可以成功递送到细胞内,并且在双环肽文库中找到了一个分子可以阻止K-RAS与蛋白的相互作用。

2

作为酶抑制剂

目前已经报道了环肽用于抑制蛋白酶,磷酸酶,蛋白酶体,HIV整合酶和dam甲基转移酶的功能,肽的环化在抑制酶活这一方面被学术界予以重视,众多课题组研究肽的环化以提高其抑制活性,以登革热病毒的NS2b-NS3蛋白酶为例,登革热是一种严重的由蚊虫叮咬传播的病毒感染,目前尚无特效治疗方法。NS2b-NS3蛋白酶是良好的抗病毒靶标,因为它是病毒成熟和感染力所必需的。Tambunan课题小组利用分子对接技术筛选NS2b-NS3的环肽抑制剂,由Wang领导的中国团队使用天然肽库筛选NS2b-NS3抑制剂,两个课题组在多个方面都观察到了环化的好处,比如提高特异性、稳定性、细胞膜透过性,还将抑制活性提高了十倍以上。

3

蛋白-蛋白相互作用(PPI)抑制剂

蛋白-蛋白相互作用具有巨大的治疗潜力,通常一种小分子药物会结合到深入接触表面的重要区域。肽的表面比小分子抑制剂要大,而且它们可以与靶蛋白的表面结合。为了开发干扰蛋白-蛋白质相互作用的环肽,可以使用噬菌体展示、组合化学、合成方法和其他基因文库如SICLOPPS。Baek和他的同事们报告了一个装订p53肽的螺旋结构提供了构象稳定性。类似地,Chang及其同事开发了一种装订他ASTP-7041作为MDM2/MDMX的双抑制剂。他们观察到装订原来线性的从噬菌体展示中获得的肽,产生了更稳定、细胞穿透和特异性的MDM2/MDMX抑制剂。

4

RNA-蛋白相互作用抑制剂

RNA-蛋白质的结合过程可以被环肽干扰,在实验室研究中,已有多个课题组发现,环肽可以破坏RNA-蛋白质相互作用的多个过程,包括:翻译起始,延伸,mRNA前剪接和病毒复制。Manna和他的同事们合成了一种模拟部分La蛋白的环肽。它可抑制丙型肝炎病毒的病毒翻译。

5

受体结合环肽

由于细胞表面受体显示在细胞膜的外部,因此结合分子无需穿过细胞膜。正如上文所说,环肽与蛋白作用的面积通常比小分子与蛋白作用的面积大,因此针对一些难成药的结构相对平的蛋白,环肽兴许有用武之地。

与线性肽相比,环肽具有出色的成药特性,通过进一步的降低分子柔性或者增加疏水性来增强药物的性能,并且借助噬菌体展示等高通量筛选技术,更深层次的提高了环肽药物的开发效率,使得环肽的药用价值得以提高。


未来的挑战和潜在的解决方案

综上可知,环肽在医药领域具有很大的应用空间及开发价值,但对于环肽药物的应用仍然存在许多挑战,其中最重要的是口服有效性和细胞通透性。近年来,一些创新的研究策略的引入部分解决了上述挑战,包括采用细胞穿透性的肽类作为母体、通过化学修饰稳定多肽的α螺旋构象,或者对N-甲基化的肽进行体外进化研究。为了开发出具有良好口服有效性且能通过被动扩散高效进入细胞的环肽类药物,有必要考虑选取具有更小分子量及更少肽键的分子作为候选。可以预见,体外进化技术及从头设计策略同随机多肽库筛选相结合,必将诞生越来越多的新型环肽类药物。

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04

湃肽 高技术壁垒的多肽合成研发平台

浙江湃肽生物股份有限公司是一家致力于多肽产业化的国家高新技术企业,拥有全球领先的全固相合成多肽生产与开发工艺,专注于高技术壁垒的多肽原料药研发及生产;拥有超强研发技术团队,已成功研制多个多肽原料药,攻克了在合成端的技术壁垒和价格壁垒。凭借在多肽领域的研发优势、过硬产品质量,获得国内、国际市场较高认可。同时,湃肽一直坚持匠心筑梦,品质为先,力争打造中国多肽领导品牌,持续为客户提供更优质的产品和更专业的服务。

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目前,湃肽已经为多家客户合成环肽,具备丰富的多肽合成和生产经验,可以为开发环肽新药的企业提供CRO和CMO服务。

作为肽类化合物中最有特点的一类,环肽具有相对稳定的构象,在抗真菌和灭杀肿瘤细胞等很多方面都表现出天然的优势。随着高通量筛选技术及环肽合成技术的发展,环肽的应用将会呈现多样化,预计更多的环肽将会出现。


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引用资料:

[1]搜狐. 探针资本_行业研究:环肽药物.

[2]S J Bogdanowich-Knipp,D S Jois,T J Siahaan.The effect of conformation on the solution stability of linear vs. cyclic RGD peptides.J Pept Res 1999 May,53(5):523-9.

[3]Huiya Zhanga,Shiyu Chen.Cyclic peptide drugs approved in the last two decades (2001–2021).RSC Chem Biol 2021 Nov 5,3(1):18-31.

[4]Joon-Seok Choi , Sang Hoon Joo.Recent Trends in Cyclic Peptides as Therapeutic Agents and Biochemical Tools.Biomol Ther (Seoul) 2020 Jan 1,28(1):18-24.

[5]新浪医药.药明康德_AACR | 治疗膀胱癌,双环肽偶联疗法达到50%客观缓解率.

[6]www.bicycletherapeutics.com


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