多肽/蛋白質類藥物的人工設計與優化改造
——結構、功能與精準治療

華子春

（1. 江蘇省產業技術研究院醫藥生物技術研究所/常州南京高新技術研究院，江蘇 常州 213164；2. 中國藥科大學生物藥物學院，江蘇 南京210009；3. 南京大學生命科學學院，江蘇 南京 210023）

多肽/蛋白質類藥物一般都源于內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、靶點清晰、機制清楚、功能明確、作用明顯、安全性較高等優點，能夠真正實現“分子靶向”。因此，多肽/蛋白質類藥物正日益成為新藥研發的“新星”和“翹楚”，受到制藥業和臨床的高度重視。但是，內源性的多肽/蛋白質是機體為了滿足正常的生理功能和需求而自主產生的，藥物則是通過外部干預以治療或緩解機體的失衡或病理的狀態，因此，天然的、滿足生理需求的內源性多肽/蛋白質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/蛋白質存在穩定性差、易聚集、半衰期較短、血漿清除率較高、給藥不便等缺陷。內源性的多肽/蛋白質通常是藥物發現的可行而有效的先導化合物，臨床應用的需求期冀多肽/蛋白質類藥物能夠“源于自然、優于自然”。重大疾病的精準治療對多肽/蛋白質類藥物提出了更高的要求。自20世紀80年代初基因工程藥物問世后，多肽/蛋白質類藥物的人工設計與優化改造即在臨床精準治療和患者實際需求的呼喚下應運而生。多肽/蛋白質類藥物的人工設計與優化改造首先立足于多肽/蛋白質的結構與功能的關系且基于其作用機制?；诙嚯?蛋白質的功能和作用機制，開展作用于多靶點的多肽/蛋白質類藥物研發；基于多肽/蛋白質的結構與功能關系，進行多肽/蛋白質類藥物的結構優化和精簡，達到“揚長避短”的效果和目的；利用多肽導向分子的靶向性、穿膜等性能，可以研發多功能集成的多肽/蛋白質類藥物。針對多肽/蛋白質存在穩定性差、半衰期較短、血漿清除率較高、給藥不便等缺陷，通過增強多肽/蛋白質抗酶解能力、增加流體力學半徑等長效化策略，利用環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進行納米自組裝，利用化學修飾和改造技術，針對多肽/蛋白質的缺陷開展藥物制劑和劑型研發，都可以有效克服或改善多肽/蛋白質藥物的穩定性差、半衰期短、給藥便利性不足等難題。此外，人工智能和大數據的發展還為提高多肽/蛋白質類藥物人工設計的準確率和優化改造的成功率提供了有力的工具。

1 基于作用機制的多靶點多肽/蛋白質類藥物研發

復雜性疾病通常是多基因疾病，涉及多個信號途徑的異常，因此，具有協同作用機制或靶向多個信號途徑的多靶點藥物無疑將具有更好的療效?；谧饔脵C制協同的多靶點藥物的設計和研發是近年來多肽/蛋白質類的一個重要方向。該類藥物有以下作用方式：其一，一個藥物分子作用于具有協同作用的多個靶點，例如，靶向mu阿片受體/孤啡肽受體的多靶點鎮痛分子（BU08028、AT121和BU10038）的阿片樣副作用均大大降低[1-3]；其二，將針對具有不同作用機制的不同藥物靶點的多個藥物聯合應用，從而產生協同作用的治療效果，例如，胰高血糖素樣肽-1受體激動劑艾塞那肽和葡萄糖依賴性促胰島素肽（GIP）受體激動劑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量[4]；其三，將針對具有不同作用機制的不同藥物靶點的多個多肽/蛋白質融合成為一個新的藥物分子，從而產生更好的、協同的治療效果，例如，包含了GIP活性基序和艾塞那肽活性基序的tirzepatide對2型糖尿病患者具有極顯著的降糖和減輕體質量的效果。

2 基于結構與功能關系的多肽/蛋白質類藥物研發

多肽/蛋白質類藥物人工設計與改造中的常用策略是通過對多肽/蛋白質的結構與功能關系的研究，在了解和解析各功能結構域或功能片段與多肽/蛋白質的藥效、代謝或副作用等的關系的基礎上，對多肽/蛋白質類藥物的結構進行改造以達到“揚長避短”的目的。FⅧ蛋白質工程改造的核心是對B結構域的簡化和截短[5]。例如，B區截短的重組FⅧ產品NovoEight?具有與全長重組FⅧ產品相似的藥動學特性[6]，對血友病A患者出血事件具有預防和治療效果，患者體內未產生抑制物。在高儲存溫度和濕度條件下，NovoEight?仍能保持效價，較好地解決了儲存難題。

3 靶向性多肽/蛋白質類藥物研發

重大疾病精準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、能對多個不同靶標均具有靶向性等。多肽/蛋白質類藥物的特點是都具有生物學靶點，因此，多肽還能夠作為導向分子。其與病灶部位靶標的特異性結合可介導小分子藥物或遞藥系統更有效地被靶細胞攝取，有望實現高效低毒的治療。例如，腫瘤歸巢肽可作為腫瘤相關診斷試劑或靶向分子引導抗腫瘤藥物進入腫瘤部位發揮抗腫瘤效果。穿膜肽則可通過受體介導的內吞等機制進入細胞[7]，使得多肽能夠作用于細胞內的靶點發揮功能。多功能集成是多肽/蛋白質類藥物的發展趨勢之一。

4 多肽/蛋白質類藥物長效化策略

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

5 基于環化策略的多肽/蛋白質類藥物穩定化策略

多肽/蛋白質類藥物除了半衰期較短、血漿清除率較高，還具有穩定性差、易聚集且可能存在免疫原性等缺陷。通過環化以增強多肽類藥物的穩定性是一個有效策略，環化策略包括簡單的氨基酸間的環化反應、訂書肽環化技術、含多對二硫鍵的微型蛋白、套索肽類藥物載體等。例如，訂書肽可將處于α螺旋中同一平面的2個氨基酸進行訂合，從而對該α螺旋結構發揮加固作用。天然生物毒素富含二硫鍵，該類多肽/微型蛋白因多對二硫鍵的連接和固定而具有高級結構，因此與靶受體結合能力強，生物穩定性優于線性多肽。套索肽是一類含有套索結構的多肽類天然產物，其對化學、熱和蛋白酶降解具有高度的穩定性[15]，可作為多種肽表位的載體，在多肽/蛋白質類藥物開發中展示出巨大的潛力[16-17]。

6 基于納米自組裝技術的多肽/蛋白質類藥物研發

多肽/蛋白質具有降解性能好、生物相容性好的特點，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鍵自組裝成具有高度有序的納米結構的一類多肽，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由于其良好的生物功能性和可再生性在再生醫學和臨床應用中具有光明的應用前景。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、細胞穿透性差、體內快速降解等缺點，還能抑制肝癌細胞的黏附和遷移并誘導肝癌細胞死亡[18]。

7 基于化學修飾和改造的多肽/蛋白質類藥物研發

化學方法能夠彌補生物學方法的局限，兩者相互補充，達到“相得益彰”的效果。例如，在多肽/蛋白質中用硒代半胱氨酸替代半胱氨酸，形成更為穩定的硒硫鍵或二硒鍵，能增強多肽/蛋白質對還原性環境的耐受能力。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]。近年來涌現出的噬菌體展示雙環肽庫是在含有3個半胱氨酸的直鏈肽庫上引入能與巰基反應的連接體，后者同時與3個巰基共價化學連接形成雙環結構。雙環肽的靶親和力和對蛋白酶的耐受力往往更強。雙環肽多肽配體的靶親和力有的已達皮摩爾水平，具有良好的應用前景[20-22]。鏡像噬菌體展示肽庫技術篩選獲得的D型多肽配體特異性好，穩定性強[23-25]。利用逆序策略獲得的D型多肽與原來的多肽具有相似的側鏈拓撲學結構，可以替代原來的L型多肽。經逆序設計獲得的煙堿型乙酰膽堿受體（nAChR）特異性結合的D肽分子DCDX不僅提升了L型肽原有的活性，還將其血清穩定性提高了近50倍，并大大提高了其在胞內溶酶體中的穩定性，使其在遞送過程中能夠維持活性，有效跨越血腦屏障[26]。

8 劑型研發推動多肽/蛋白質類藥物的臨床應用

多肽/蛋白質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/蛋白質類藥物嚴重存在劑型單一、給藥不便的瓶頸。注射劑藥物遞送系統能夠通過改變制劑方法將藥物在一定時間內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，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胞對水溶性物質的低通透性兩大壁壘。因此，在多肽口服藥物的研發中，人們通常使用蛋白酶抑制劑和促吸收劑來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境和消化酶對藥物的降解作用，還可以達到長效釋藥或靶向治療的目的[29]。

9 結語

在多肽/蛋白質結構生物學，尤其是多肽/蛋白質復合物結構與功能關系研究取得巨大進展，基因組學、轉錄組學、代謝組學、蛋白質組學、細胞信號網絡等研究突飛猛進，數學、信息學、物理、化學、材料學等學科與生物學、藥學、臨床醫學不斷深入的交叉和融合的推動下，以及在精準治療的臨床需求的召喚下，多肽/蛋白質類藥物的人工設計與優化改造無論是在理論和方法上、技術手段上，還是在產品研發上都取得了顯著的進展，產生了一批“源于自然、優于自然”人工設計與優化改造的多肽/蛋白質類新藥。過去幾十年已經積累并正在不斷產出和持續積累的海量數據，以及新興的人工智能技術必將能夠將多肽/蛋白質類藥物的人工設計水平與優化改造的精準度提升到一個新的水平。適應證更廣、靶向更精準、靶點更集成、療效更好、毒性更低、穩定性更高、半衰期更理想、給藥更方便、依從性更好、成本更低、儲存運輸更方便，無疑是多肽/蛋白質類藥物的人工設計與優化改造需要繼續努力的目標。