多肽/蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造
——結(jié)構(gòu)、功能與精準(zhǔn)治療

華子春

（1. 江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所/常州南京高新技術(shù)研究院，江蘇 常州 213164；2. 中國(guó)藥科大學(xué)生物藥物學(xué)院，江蘇 南京210009；3. 南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

多肽/蛋白質(zhì)類藥物一般都源于內(nèi)源性的生物活性分子，因此通常都具有親和力較高、選擇性較好、靶點(diǎn)清晰、機(jī)制清楚、功能明確、作用明顯、安全性較高等優(yōu)點(diǎn)，能夠真正實(shí)現(xiàn)“分子靶向”。因此，多肽/蛋白質(zhì)類藥物正日益成為新藥研發(fā)的“新星”和“翹楚”，受到制藥業(yè)和臨床的高度重視。但是，內(nèi)源性的多肽/蛋白質(zhì)是機(jī)體為了滿足正常的生理功能和需求而自主產(chǎn)生的，藥物則是通過(guò)外部干預(yù)以治療或緩解機(jī)體的失衡或病理的狀態(tài)，因此，天然的、滿足生理需求的內(nèi)源性多肽/蛋白質(zhì)并不能完全滿足藥用或臨床治療的需求。例如，作為藥物使用的多肽/蛋白質(zhì)存在穩(wěn)定性差、易聚集、半衰期較短、血漿清除率較高、給藥不便等缺陷。內(nèi)源性的多肽/蛋白質(zhì)通常是藥物發(fā)現(xiàn)的可行而有效的先導(dǎo)化合物，臨床應(yīng)用的需求期冀多肽/蛋白質(zhì)類藥物能夠“源于自然、優(yōu)于自然”。重大疾病的精準(zhǔn)治療對(duì)多肽/蛋白質(zhì)類藥物提出了更高的要求。自20世紀(jì)80年代初基因工程藥物問(wèn)世后，多肽/蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造即在臨床精準(zhǔn)治療和患者實(shí)際需求的呼喚下應(yīng)運(yùn)而生。多肽/蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造首先立足于多肽/蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系且基于其作用機(jī)制?；诙嚯?蛋白質(zhì)的功能和作用機(jī)制，開(kāi)展作用于多靶點(diǎn)的多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)；基于多肽/蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系，進(jìn)行多肽/蛋白質(zhì)類藥物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和精簡(jiǎn)，達(dá)到“揚(yáng)長(zhǎng)避短”的效果和目的；利用多肽導(dǎo)向分子的靶向性、穿膜等性能，可以研發(fā)多功能集成的多肽/蛋白質(zhì)類藥物。針對(duì)多肽/蛋白質(zhì)存在穩(wěn)定性差、半衰期較短、血漿清除率較高、給藥不便等缺陷，通過(guò)增強(qiáng)多肽/蛋白質(zhì)抗酶解能力、增加流體力學(xué)半徑等長(zhǎng)效化策略，利用環(huán)化策略或者利用富含二硫鍵的微型蛋白或套索肽作為載體，利用氨基酸或多肽理化性質(zhì)進(jìn)行納米自組裝，利用化學(xué)修飾和改造技術(shù)，針對(duì)多肽/蛋白質(zhì)的缺陷開(kāi)展藥物制劑和劑型研發(fā)，都可以有效克服或改善多肽/蛋白質(zhì)藥物的穩(wěn)定性差、半衰期短、給藥便利性不足等難題。此外，人工智能和大數(shù)據(jù)的發(fā)展還為提高多肽/蛋白質(zhì)類藥物人工設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確率和優(yōu)化改造的成功率提供了有力的工具。

1 基于作用機(jī)制的多靶點(diǎn)多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)

復(fù)雜性疾病通常是多基因疾病，涉及多個(gè)信號(hào)途徑的異常，因此，具有協(xié)同作用機(jī)制或靶向多個(gè)信號(hào)途徑的多靶點(diǎn)藥物無(wú)疑將具有更好的療效。基于作用機(jī)制協(xié)同的多靶點(diǎn)藥物的設(shè)計(jì)和研發(fā)是近年來(lái)多肽/蛋白質(zhì)類的一個(gè)重要方向。該類藥物有以下作用方式：其一，一個(gè)藥物分子作用于具有協(xié)同作用的多個(gè)靶點(diǎn)，例如，靶向mu阿片受體/孤啡肽受體的多靶點(diǎn)鎮(zhèn)痛分子（BU08028、AT121和BU10038）的阿片樣副作用均大大降低[1-3]；其二，將針對(duì)具有不同作用機(jī)制的不同藥物靶點(diǎn)的多個(gè)藥物聯(lián)合應(yīng)用，從而產(chǎn)生協(xié)同作用的治療效果，例如，胰高血糖素樣肽-1受體激動(dòng)劑艾塞那肽和葡萄糖依賴性促胰島素肽（GIP）受體激動(dòng)劑N-AcGIP的組合可以改善葡萄糖耐量，并減少食物攝入量和減輕體質(zhì)量[4]；其三，將針對(duì)具有不同作用機(jī)制的不同藥物靶點(diǎn)的多個(gè)多肽/蛋白質(zhì)融合成為一個(gè)新的藥物分子，從而產(chǎn)生更好的、協(xié)同的治療效果，例如，包含了GIP活性基序和艾塞那肽活性基序的tirzepatide對(duì)2型糖尿病患者具有極顯著的降糖和減輕體質(zhì)量的效果。

2 基于結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)

多肽/蛋白質(zhì)類藥物人工設(shè)計(jì)與改造中的常用策略是通過(guò)對(duì)多肽/蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究，在了解和解析各功能結(jié)構(gòu)域或功能片段與多肽/蛋白質(zhì)的藥效、代謝或副作用等的關(guān)系的基礎(chǔ)上，對(duì)多肽/蛋白質(zhì)類藥物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造以達(dá)到“揚(yáng)長(zhǎng)避短”的目的。FⅧ蛋白質(zhì)工程改造的核心是對(duì)B結(jié)構(gòu)域的簡(jiǎn)化和截短[5]。例如，B區(qū)截短的重組FⅧ產(chǎn)品NovoEight?具有與全長(zhǎng)重組FⅧ產(chǎn)品相似的藥動(dòng)學(xué)特性[6]，對(duì)血友病A患者出血事件具有預(yù)防和治療效果，患者體內(nèi)未產(chǎn)生抑制物。在高儲(chǔ)存溫度和濕度條件下，NovoEight?仍能保持效價(jià)，較好地解決了儲(chǔ)存難題。

3 靶向性多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)

重大疾病精準(zhǔn)治療的臨床需求期待藥物能夠跨越生理屏障（如血腦屏障、口服吸收屏障等）、能靶向病灶、能對(duì)多個(gè)不同靶標(biāo)均具有靶向性等。多肽/蛋白質(zhì)類藥物的特點(diǎn)是都具有生物學(xué)靶點(diǎn)，因此，多肽還能夠作為導(dǎo)向分子。其與病灶部位靶標(biāo)的特異性結(jié)合可介導(dǎo)小分子藥物或遞藥系統(tǒng)更有效地被靶細(xì)胞攝取，有望實(shí)現(xiàn)高效低毒的治療。例如，腫瘤歸巢肽可作為腫瘤相關(guān)診斷試劑或靶向分子引導(dǎo)抗腫瘤藥物進(jìn)入腫瘤部位發(fā)揮抗腫瘤效果。穿膜肽則可通過(guò)受體介導(dǎo)的內(nèi)吞等機(jī)制進(jìn)入細(xì)胞[7]，使得多肽能夠作用于細(xì)胞內(nèi)的靶點(diǎn)發(fā)揮功能。多功能集成是多肽/蛋白質(zhì)類藥物的發(fā)展趨勢(shì)之一。

4 多肽/蛋白質(zhì)類藥物長(zhǎng)效化策略

多肽/蛋白質(zhì)類藥物的缺陷是半衰期較短、血漿清除率較高。增強(qiáng)多肽抵抗酶解的能力以提高其體內(nèi)穩(wěn)定性、增加其流體力學(xué)半徑以減少腎小球的濾過(guò)作用，這些都不失為延長(zhǎng)該類藥物體內(nèi)半衰期的主要策略。其中，多肽抵抗酶降解的穩(wěn)定性可通過(guò)改造其氨基酸序列而獲得，或通過(guò)乙?；揎?、引入D構(gòu)型氨基酸等方法而實(shí)現(xiàn)。增加多肽/蛋白質(zhì)類藥物的流體力學(xué)半徑則可以通過(guò)采用基因工程方法或化學(xué)法增加多肽的相對(duì)分子質(zhì)量而實(shí)現(xiàn)。此外，人血漿白蛋白在血漿中含量豐富，且相對(duì)分子質(zhì)量大、體內(nèi)半衰期長(zhǎng)，可作為體內(nèi)運(yùn)輸多肽藥物的有效載體，因此也可將多肽藥物偶聯(lián)白蛋白親和肽或脂肪酸修飾以達(dá)到延長(zhǎng)半衰期的目的[8-9]。利用上述策略開(kāi)發(fā)出的MEDI0382可使治療組患者的葡萄糖耐量和體質(zhì)量減輕效果更好[10]。集B結(jié)構(gòu)域簡(jiǎn)化、定點(diǎn)糖基化及聚乙二醇（PEG）化修飾的改造方案于一身的重組FⅧ產(chǎn)品Esperoct?在臨床研究中顯示出良好的耐受性、預(yù)防作用和安全性[11-12]；其在兒童、青少年或成人患者體內(nèi)的半衰期提高了1.6 ～ 1.9倍[13-14]。

5 基于環(huán)化策略的多肽/蛋白質(zhì)類藥物穩(wěn)定化策略

多肽/蛋白質(zhì)類藥物除了半衰期較短、血漿清除率較高，還具有穩(wěn)定性差、易聚集且可能存在免疫原性等缺陷。通過(guò)環(huán)化以增強(qiáng)多肽類藥物的穩(wěn)定性是一個(gè)有效策略，環(huán)化策略包括簡(jiǎn)單的氨基酸間的環(huán)化反應(yīng)、訂書(shū)肽環(huán)化技術(shù)、含多對(duì)二硫鍵的微型蛋白、套索肽類藥物載體等。例如，訂書(shū)肽可將處于α螺旋中同一平面的2個(gè)氨基酸進(jìn)行訂合，從而對(duì)該α螺旋結(jié)構(gòu)發(fā)揮加固作用。天然生物毒素富含二硫鍵，該類多肽/微型蛋白因多對(duì)二硫鍵的連接和固定而具有高級(jí)結(jié)構(gòu)，因此與靶受體結(jié)合能力強(qiáng)，生物穩(wěn)定性優(yōu)于線性多肽。套索肽是一類含有套索結(jié)構(gòu)的多肽類天然產(chǎn)物，其對(duì)化學(xué)、熱和蛋白酶降解具有高度的穩(wěn)定性[15]，可作為多種肽表位的載體，在多肽/蛋白質(zhì)類藥物開(kāi)發(fā)中展示出巨大的潛力[16-17]。

6 基于納米自組裝技術(shù)的多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)

多肽/蛋白質(zhì)具有降解性能好、生物相容性好的特點(diǎn)，是良好的納米材料。自組裝多肽是利用氨基酸或肽鏈之間的非共價(jià)鍵自組裝成具有高度有序的納米結(jié)構(gòu)的一類多肽，可作為藥物載體用于改善藥物特性，起到緩釋和靶向作用?；陔募{米材料的藥物遞送系統(tǒng)由于其良好的生物功能性和可再生性在再生醫(yī)學(xué)和臨床應(yīng)用中具有光明的應(yīng)用前景。具有抗腫瘤活性的自組裝肽RADA-KLA不僅克服了其前體KLA多肽免疫原性強(qiáng)、細(xì)胞穿透性差、體內(nèi)快速降解等缺點(diǎn)，還能抑制肝癌細(xì)胞的黏附和遷移并誘導(dǎo)肝癌細(xì)胞死亡[18]。

7 基于化學(xué)修飾和改造的多肽/蛋白質(zhì)類藥物研發(fā)

化學(xué)方法能夠彌補(bǔ)生物學(xué)方法的局限，兩者相互補(bǔ)充，達(dá)到“相得益彰”的效果。例如，在多肽/蛋白質(zhì)中用硒代半胱氨酸替代半胱氨酸，形成更為穩(wěn)定的硒硫鍵或二硒鍵，能增強(qiáng)多肽/蛋白質(zhì)對(duì)還原性環(huán)境的耐受能力。用硒硫鍵替換胰島素中二硫鍵獲得半衰期較長(zhǎng)的硒化胰島素（Se-Ins），其活性與胰島素類似，降解速度明顯減慢（Se-Ins降解半衰期約8 h，牛胰島素僅為約1 h）[19]。近年來(lái)涌現(xiàn)出的噬菌體展示雙環(huán)肽庫(kù)是在含有3個(gè)半胱氨酸的直鏈肽庫(kù)上引入能與巰基反應(yīng)的連接體，后者同時(shí)與3個(gè)巰基共價(jià)化學(xué)連接形成雙環(huán)結(jié)構(gòu)。雙環(huán)肽的靶親和力和對(duì)蛋白酶的耐受力往往更強(qiáng)。雙環(huán)肽多肽配體的靶親和力有的已達(dá)皮摩爾水平，具有良好的應(yīng)用前景[20-22]。鏡像噬菌體展示肽庫(kù)技術(shù)篩選獲得的D型多肽配體特異性好，穩(wěn)定性強(qiáng)[23-25]。利用逆序策略獲得的D型多肽與原來(lái)的多肽具有相似的側(cè)鏈拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)，可以替代原來(lái)的L型多肽。經(jīng)逆序設(shè)計(jì)獲得的煙堿型乙酰膽堿受體（nAChR）特異性結(jié)合的D肽分子DCDX不僅提升了L型肽原有的活性，還將其血清穩(wěn)定性提高了近50倍，并大大提高了其在胞內(nèi)溶酶體中的穩(wěn)定性，使其在遞送過(guò)程中能夠維持活性，有效跨越血腦屏障[26]。

8 劑型研發(fā)推動(dòng)多肽/蛋白質(zhì)類藥物的臨床應(yīng)用

多肽/蛋白質(zhì)類藥物主要的給藥途徑為靜脈注射、肌肉注射、皮下注射等方式，并且以靜脈給藥為主，雖然注射給藥體內(nèi)分布迅速、吸收較快，但生物利用度和患者依從性都較差。與小分子藥物相比，多肽/蛋白質(zhì)類藥物嚴(yán)重存在劑型單一、給藥不便的瓶頸。注射劑藥物遞送系統(tǒng)能夠通過(guò)改變制劑方法將藥物在一定時(shí)間內(nèi)遞送到特定組織部位，提高藥物的靶向性并減少多肽注射給藥產(chǎn)生的毒副作用[27-28]。艾塞那肽微球制劑是采用生物可降解材料聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）包裹艾塞那肽制備而成，可以大大降低注射頻率，減少注射部位的疼痛性和刺激性。相較于注射給藥方式，口服給藥一直是多肽藥物研究者努力的目標(biāo)，但多肽的口服給藥生物利用度低，尋找合理有效的口服遞送策略也成為多肽藥物發(fā)展所面臨的難題。多肽類藥物活性容易受到溫度和酸堿度等因素影響，多肽口服給藥需要克服胃腸道消化酶的酶解作用和腸道細(xì)胞對(duì)水溶性物質(zhì)的低通透性兩大壁壘。因此，在多肽口服藥物的研發(fā)中，人們通常使用蛋白酶抑制劑和促吸收劑來(lái)增加多肽藥物的口服生物利用度。此外，將多肽藥物包裹在高分子納米微球中不但可防止胃腸道的酸性環(huán)境和消化酶對(duì)藥物的降解作用，還可以達(dá)到長(zhǎng)效釋藥或靶向治療的目的[29]。

9 結(jié)語(yǔ)

在多肽/蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)，尤其是多肽/蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究取得巨大進(jìn)展，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)等研究突飛猛進(jìn)，數(shù)學(xué)、信息學(xué)、物理、化學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科與生物學(xué)、藥學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)不斷深入的交叉和融合的推動(dòng)下，以及在精準(zhǔn)治療的臨床需求的召喚下，多肽/蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造無(wú)論是在理論和方法上、技術(shù)手段上，還是在產(chǎn)品研發(fā)上都取得了顯著的進(jìn)展，產(chǎn)生了一批“源于自然、優(yōu)于自然”人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造的多肽/蛋白質(zhì)類新藥。過(guò)去幾十年已經(jīng)積累并正在不斷產(chǎn)出和持續(xù)積累的海量數(shù)據(jù)，以及新興的人工智能技術(shù)必將能夠?qū)⒍嚯?蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)水平與優(yōu)化改造的精準(zhǔn)度提升到一個(gè)新的水平。適應(yīng)證更廣、靶向更精準(zhǔn)、靶點(diǎn)更集成、療效更好、毒性更低、穩(wěn)定性更高、半衰期更理想、給藥更方便、依從性更好、成本更低、儲(chǔ)存運(yùn)輸更方便，無(wú)疑是多肽/蛋白質(zhì)類藥物的人工設(shè)計(jì)與優(yōu)化改造需要繼續(xù)努力的目標(biāo)。