治疗性肽：当前应用和未来方向

得益于新的生产、修饰和分析技术，肽药物的开发在过去十年中取得了巨大进步。使用化学和生物方法以及新颖的设计和递送策略来生产和修饰肽，这有助于克服肽的固有缺点，并使该领域得以持续发展。已经获得并研究了多种天然和修饰肽，涵盖多个治疗领域。本综述总结了肽药物发现、生产和修饰及其当前应用的努力和成就。我们还讨论了治疗性肽未来发展的价值和挑战。

简     介

     治疗性肽是一类独特的药剂，由一系列有序的氨基酸组成，通常分子量为 500‑5000 Da。治疗性肽的研究始于对天然人类激素的基础研究，包括胰岛素、催产素、加压素和促性腺激素释放激素 (GnRH) 及其在人体内的特定生理活性。自1921年合成第一个治疗性肽胰岛素以来，已取得了人瞩目的成就，全球已有80多种肽类药物获得批准。多肽药物的开发也因此成为药物研究中最热门的课题之一。

      20世纪上半叶，人们发现了几种救命的生物活性肽，例如胰岛素和促肾上腺皮质激素，这些肽最初是从天然来源中研究和分离的。胰岛素（一种含有 51 个氨基酸的肽）的发现和开发被认为是药物发现领域的里程碑式科学成就之一。它于 1921 年由 Frederick Banting 首次分离，并由Frederick 和 Charles Best进一步开发，首次分离仅一年后就已可用于糖尿病患者。1923年，胰岛素成为第一个商业化的肽类药物，至今已使数千名糖尿病患者受益。然而，20 世纪人胰岛素的产量无法满足市场的高需求，而动物源性胰岛素，如, 牛胰岛素和猪胰岛素，在胰岛素市场上占据了近 90 年的主导地位，直到被重组胰岛素取代从 20 世纪 50 年代到 90 年代，更多具有治疗潜力的肽激素及其受体被鉴定和表征。同时，用于蛋白质纯化的技术合成、结构解析、测序等方面取得实质性进展，加速了多肽药物的研发，全球已有近40个多肽药物获批。值得注意的是，除了天然肽之外，还开始开发合成肽，例如合成催产素, 合成加压素和重组人胰岛素。

     随着21世纪的到来，多肽药物的开发进入了一个新时代，结构生物学、重组生物制剂以及新的合成和分析技术的进步显著加速了这一进程。已经建立了完善的多肽药物开发体系，包括多肽药物发现、药物设计、多肽合成、结构修饰和活性评价。自2000年以来，全球共有33种非胰岛素肽药物获得批准（表1）。此外，这些肽药物不再是简单的激素模拟物或简单地由天然氨基酸组成。例如，enfuvirtide是一种36个氨基酸的仿生肽，模仿人类免疫缺陷病毒（HIV）蛋白，用于治疗HIV‑1的联合疗法；齐考诺肽(ziconotide)是一种神经毒性肽，源自Conus magus，于 2004 年获得批准，用于治疗严重的慢性疼痛；替度鲁肽是一种胰高血糖素样肽 2 (GLP‑2) 类似物，用于治疗短肠综合征，并使用通过重组 DNA 技术修饰的大肠杆菌菌株制造；利拉鲁肽是人胰高血糖素样肽 1(GLP‑1)的化学合成类似物，通过在赖氨酸残基（序列中的位置 26）上连接带有谷氨酸间隔基的 C‑16 脂肪酸（棕榈酸）而制成），作为 GLP‑1 受体激动剂来治疗2 型糖尿病 (T2DM)。所有这些肽药物已被广泛应用于治疗领域如泌尿科、呼吸科、疼痛科、肿瘤科、代谢科、心血管和抗菌应用20‑24。迄今为止，更多超过 170 种肽正处于积极的临床开发中（表2），其中多肽药物在医药市场中占有相当大的比例，2019年全球销售额超过700亿美元，与2013年相比增长了两倍多。根据Njardarson的数据，2019年前200名药物销售额，包括10种非胰岛素肽药物。有趣的是，多肽药物销售额的前三名都是治疗T2DM的GLP-1类似物，包括以43.90亿美元的零售额排名19位的Trulicity（杜拉鲁肽），以32.90亿美元的销售额排名32位的Victoza（利拉鲁肽），以16.80亿美元的销售额排名83位的Rybelsus（塞马鲁肽）（图1）。在本文中，我们回顾了多肽药物的历史发展和多肽药物发现的当前进展。我们关注治疗性多肽的药学特性，重点介绍改进了多肽药物设计、合成、修饰和评价的新技术，并为多肽药物的应用提供了新的视角。

治疗性肽：优点和缺点

      治疗性肽通常充当激素、生长因子、神经递质、离子通道配体或抗感染剂。它们与细胞表面受体结合并引发细胞内效应具有高亲和力和特异性，作用方式与生物制品，包括治疗性蛋白质和抗体。然而，与生物制剂相比，治疗性肽的免疫原性较低，生产成本也较低。已知小分子药物具有较长的药效具有固有优势的治疗历史，包括低生产成本和销售价格，口服给药，良好膜渗透能力两者都是自然提取的和化学合成的小分子显示出有竞争力的价格与肽和生物制剂（蛋白质或抗体）。口服小分子药物具有更好的安全性和提高患者依从性的好处，同时它们的小尺寸也使它们能够穿透细胞膜靶向细胞内分子。然而，它们的尺寸也很小意味着它们很难抑制大表面有效地相互作用，例如蛋白质‑蛋白质相互作用（PPI）。PPI 通常占据 1500–3000 A²的接触面积，而小分子仅覆盖蛋白质表面的 300–1000 A² ，因为它们的分子大小有限。相比之下，肽药物独特的理化性质，包括其较大的尺寸和更灵活的骨干，使他们能够发挥强大的作用PPI 抑制剂。小分子的临床使用也受到它们与肽药物相比低特异性的限制。例如，索拉非尼和舒尼替尼是酪氨酸激酶抑制剂，抑制血管内皮生长因子（VEGF）受体的酪氨酸激酶结构域活性，导致抗血管生成作用，用于治疗癌症患者；然而，它们也靶向其他激酶受体，如丝氨酸/苏氨酸激酶受体，导致细胞毒性。

     作为基于天然氨基酸的治疗剂，治疗性肽有两个固有的缺点（图2）：膜的不渗透性体内稳定性差，这是肽药物开发的主要绊脚石。1.肽具有弱的膜通透性。肽药物的膜通透性取决于多种因素，包括肽长度和氨基酸组成。肽通常无法穿过细胞膜到达细胞内靶点，从而限制了它们在药物开发中的应用。刘等人 2018年报道称，超过 90% 的活跃临床开发中的肽靶向细胞外靶点，包括 G 蛋白偶联受体 (GPCR)、促性腺激素释放激素 (GnRH) 受体、胰高血糖素样肽 1 (GLP‑1) 受体。2.肽体内稳定性差。天然肽由通过酰胺键连接的氨基酸链组成，但缺乏二级或三级结构赋予的稳定性。当暴露于环境时，在没有任何保护的情况下，酰胺键很容易被体内酶水解或破坏。这些固有的化学特性使得肽在化学和物理上不稳定，半衰期短，体内消除快。

     肽的这些内在优点和缺点既给肽药物开发带来了挑战，也为肽药物设计和优化提供了机遇和方向。

治疗性肽在疾病中的当前发展和应用

    治疗肽T2DM治疗糖尿病是由获得性胰岛素缺乏引起的，常见于中老年人。T2DM已成功地用肽药物治疗，包括GLP-1受体激动剂（GLP-1RAs）和最著名的多肽药物，胰岛素。GLP-1是回肠中L细胞分泌的内源性生长激素，其受体存在于胰腺β细胞、外周和中枢神经系统、心脏和血管、肾脏、肺和胃肠粘膜中（图11）。GLP-1与其受体相互作用，刺激胰岛β细胞分泌胰岛素，抑制胰岛α细胞释放胰高血糖素，增加饱腹感，并以葡萄糖依赖性方式延迟胃排空。内源性GLP-1被二肽基肽酶-4（DPP-4）降解并迅速灭活。为了延长GLP-1受体的刺激时间，需要合成GLP-1RAs来防止其降解。自2005年美国食品药品监督管理局（FDA）批准首个GLP-1RA艾塞那肽以来，已有几款GLP-1RA进入临床，包括利拉鲁肽（2009年）、利西那肽（2013年）、杜拉鲁肽（2014年）和塞马鲁肽（2017年）。注射后，这些GLP-1RA有效降低糖化血红蛋白和平均血糖水平，改善空腹血糖。

Fig. 11 Mechanisms of GLP-1 and GLP-1RA peptide drugs in regulation of T2DM. GLP-1 and GLP-1RA peptide drugs treat T2DM by regulating multiple organs functions, such as reducing gastric emptying and gastric acid secretion, reducing appetite, promoting cardiac glucose utilization, accelerating renal natriuresis and diuresis, minimizing glucose production in the liver and increasing insulin secretion in the pancreas

治疗性肽在癌症治疗中的应用

     传统的癌症治疗包括手术和放射治疗，对于晚期癌症患者效果有限。随后靶向治疗和免疫治疗的发展，显着提高了癌症患者的生存率。靶向治疗利用肿瘤细胞对特定分子或信号通路的依赖，使用“导弹”方法杀死肿瘤细胞。免疫治疗药物并不直接攻击肿瘤细胞，而是调节患者自身的免疫系统，通过靶向免疫检查点来攻击肿瘤细胞。PD-1, PD-L1是众所周知的免疫检查点，五种针对PD-1 PD-L1相互作用的单克隆抗体已被FDA批准用于癌症治疗。然而，抗体具有成本高、口服适应性差、免疫原性高等缺点。肽也因其尺寸小、亲和力高、易于修饰、免疫原性低等特点在肿瘤诊断和治疗领域受到关注。一些修饰肽也表现出良好的稳定性。例如，Carvajal等人开发了稳定的 α-螺旋肽作为 MDM2 和 MDMX 的抑制剂，用于治疗 p53 依赖性癌症。

     天然肽在体内的半衰期较短，这意味着针对肿瘤细胞中各种异常表达受体的肽通常是修饰的肽类似物。生产这些肽主要有三种方法，每种方法都有各自的优点和缺点：1）源自天然蛋白质；2）化学合成和基于结构的合理工程；3) 肽库筛选。其中，噬菌体展示技术是一种传统且广泛使用的方法，具有操作简单、可有效筛选大量不同肽的优点。肽可通过四种主要方式应用于肿瘤治疗：1）使用放射性同位素、染料或其他已报道的分子标记肽作为肿瘤诊断和成像的探针；2）利用肽偶联纳米材料进行肿瘤治疗；3）利用肽疫苗激活免疫系统进行预防；4）单独使用肽作为靶向药物(Fig. 14)

Fig. 14 Application of peptides in tumor therapy. a Screening and identification of peptide candidates from chemically synthesized peptide library and phage library. b Using radiolabeled, dye-labeled, or other designed peptides as probes for tumor diagnosis and imaging . c Application of peptide-conjugated nanomaterials in tumor therapy. d Using peptide vaccine and targeting peptides in tumor

通过噬菌体展示发现候选肽药物

    噬菌体展示是一种用于鉴定生物靶标配体的高效、稳健的技术，由Smith于1985年首次报道。菌体展示利用重组技术在噬菌体表面展示目标配体，噬菌体中只产生含有蛋白氨基酸的肽，而不是NRPs（non-ribosomal peptide synthetase，非核糖体合成肽）。这种高通量筛选方法可用于鉴定先导药物，包括抗体和肽。噬菌体展示已被广泛用于发现新的肽配体。Lerner等报道了通过噬菌体展示发现GLP-1和其他膜受体配体的强效肽类似物，包括蛋白质、肽和毒液，主要充当激动剂。此外，靶向转化生长因子（TGF）-β1或表皮生长因子受体（EGFR）的肽，以及破坏成纤维细胞生长因子（FGF）-1-FGFR1相互作用的肽拮抗剂是噬菌体展示发现的肽药物的很好的例子。

      噬菌体展示技术的最新发展重点是寻找更有效的筛选方案，以简化大量数据中的配体选择，例如通过减少噬菌体淘选周期。Heinis等人采用“on-phage”修饰技术，从传统噬菌体展示中获得化学修饰的肽，从而获得双硫醚环肽。另一种策略涉及开发新颖的显示方法，例如Schumacher等人开发了镜像噬菌体展示来探索 D‑手性肽， Szostak 等人进行mRNA 展示以发现和选择具有非天然氨基酸的大环肽。Suga等人使用核糖体展示来开发先导肽，包括含有 D‑氨基酸和非天然氨基酸的生物活性大环肽。这些发展使得能够构建大量展示文库来发现新的候选肽。

结论和展望

      近年来，肽由于其独特的生化特性和治疗潜力，已成为一类独特的治疗剂。尽管肽在某些方面优于小分子和大分子生物制剂，但由于氨基酸的内在限制，它们经常遭受膜不渗透性和体内稳定性差的问题。为了克服这些缺点，人们在肽药物的发现、生产和优化方面进行了广泛的研究。传统的先导肽发现方法与合理设计和噬菌体展示等新技术的结合，为在短时间内开发有效和选择性的先导肽提供了可靠的方法。化学和生物重组合成方法的单独或组合使用可以高效、可靠地大规模生产合成肽。这些肽可以通过化学合成或遗传密码扩展以位点特异性的方式进一步修饰，以增强其稳定性和生理活性。

      尽管治疗性肽领域始于天然激素，但其发现和发展趋势已从简单地模仿天然激素或源自自然的肽转向合理设计具有理想生化和生理活性的肽。分子生物学、肽化学和肽递送技术的重大突破使得肽药物发现、肽生产及其治疗应用领域取得了重大进展。迄今为止，已有超过80 种治疗性肽进入全球市场，数百种肽正在进行临床前研究和临床开发。这些肽类药物已应用于多种疾病，如糖尿病、心血管疾病、胃肠道疾病、癌症、传染病和疫苗开发。考虑到其巨大的治疗潜力、市场前景和经济价值，我们预计治疗性肽将继续吸引投资和研究工作，并取得长期成功。

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参考文献

Wang L, Wang N, Zhang W, et al. Therapeutic peptides: current applications and future directions. Signal Transduct Target Ther. 2022;7(1):48. Published 2022 Feb 14. doi:10.1038/s41392-022-00904-4

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41392-022-00904-4