肽是短鏈氨基酸，通常定義為少于50個(gè)氨基酸，存在于我們的身體、植物或細(xì)菌中，以控制各種功能。一些肽被用作藥物，如控制糖代謝的胰島素和抑制移植后器官排斥反應(yīng)的環(huán)孢素。已經(jīng)有60多種肽被批準(zhǔn)用作藥物，創(chuàng)造了數(shù)十億美元的收入。目前在臨床試驗(yàn)中有數(shù)百種基于肽的藥物。
但是這些藥物肽幾乎都不能口服（也有少數(shù)的，如：已上市的諾和諾德口服版semaglutide可用于治療長(zhǎng)期2型糖尿病患者）。由于肽是食物的重要組成部分，因此胃和腸中含有無(wú)數(shù)種可以降解它們的酶，這意味著大多數(shù)基于肽的藥物無(wú)法通過(guò)胃腸道。
圖自網(wǎng)絡(luò)
但是呢，口服給藥又是最方便的給藥途徑，因?yàn)榕c注射相比，它可以提高患者的依從性，對(duì)于某些慢性疾病，可以更早地采用治療方法。口服給藥的肽需要在胃腸道的動(dòng)態(tài)pH環(huán)境中保持穩(wěn)定，并且對(duì)胃和胰肽酶具有抵抗力。另外，為了使口服遞送的肽進(jìn)入血液循環(huán)，它們需要穿越胃腸道（GI）粘液屏障和GI上皮，在GI上皮代謝中幸存下來(lái)，并且一旦循環(huán)，就可以抵抗肝臟的首過(guò)代謝。
目前，可通過(guò)腸衣（片劑或膠囊形式）可增強(qiáng)肽在胃腸道的口服傳遞（如Mitragotri院士開發(fā)等口服技術(shù)）。為了將口服肽輸送到血液循環(huán)中，目前已使用了腸道滲透促進(jìn)劑、納米顆粒載體和類似微針的裝置。
科學(xué)家們希望從“環(huán)狀”肽中產(chǎn)生更穩(wěn)定的肽，“環(huán)狀”肽的末端通過(guò)化學(xué)橋連接在一起，從而使它們比線性肽更穩(wěn)定，因?yàn)樗鼈兊墓羌苋犴g性較小，因此更難被酶攻擊。在2018年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Christian Heinis研究小組開發(fā)了一種稱為雙橋肽的肽格式，該肽通過(guò)兩個(gè)化學(xué)橋環(huán)化，從而提供更高的穩(wěn)定性，相關(guān)成果發(fā)表在Nature Chemistry上。盡管取得了成功，但大多數(shù)此類肽仍不夠穩(wěn)定，無(wú)法在胃腸道中發(fā)現(xiàn)的巨大酶壓下存活。
近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的Christian Heinis等人為了解決這個(gè)問(wèn)題，開發(fā)出一種新的方法，整體思想利用了達(dá)爾文的物競(jìng)天擇、適者生存的生物進(jìn)化思想，該方法可在數(shù)十億個(gè)雙橋肽中鑒定與目標(biāo)疾病靶標(biāo)結(jié)合并在胃腸道酶中存活的肽。
具體來(lái)講就是，描述了一種基于噬菌體的進(jìn)化和選擇方法，可以通過(guò)藥物化學(xué)進(jìn)行優(yōu)化，用于設(shè)計(jì)在胃腸道環(huán)境中穩(wěn)定且對(duì)胃腸道中的靶受體具有高度親和力的環(huán)肽（并可能用于血液中的靶）。當(dāng)口服遞送給小鼠時(shí)，此類靶標(biāo)特異性肽可抵抗GI蛋白酶，這表明該策略可能適用于開發(fā)新型口服肽治療劑。相關(guān)成果發(fā)表在5月11日Nature Biomedical Engineering上。
值得注意的是，在2009年，Christian Heinis和Greg Winter（2018年諾獎(jiǎng)得主，獲獎(jiǎng)原因：將噬菌體展示技術(shù)用于生產(chǎn)各種對(duì)人類疾病非常重要的抗體類藥物）的創(chuàng)新性研究工作，發(fā)表于Nature Chemical Biology上，利用一種結(jié)合小分子和噬菌體展示肽的新方法能夠分離出具有高親和力識(shí)別靶蛋白的化學(xué)修飾雙環(huán)肽。Greg Winter并利用該技術(shù)創(chuàng)辦了Bicycle Therapeutics公司。
圖自NatureChemical Biology
圖自BicycleTherapeutics
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該方法包括三個(gè)步驟：
首先，幾十億個(gè)基因編碼的隨機(jī)肽序列被兩個(gè)化學(xué)橋環(huán)化，這兩個(gè)化學(xué)橋?qū)?gòu)象限制施加到肽的骨架上，使它們更難被酶攻擊。
其次，這個(gè)肽庫(kù)暴露在來(lái)自牛腸道的酶中，以消除所有不穩(wěn)定的肽。
在第三步，也是最后一步，科學(xué)家將目標(biāo)蛋白浸入到存活的肽庫(kù)中，以找出與目標(biāo)疾病靶標(biāo)結(jié)合的蛋白。
簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)講就是：適者生存！不斷淘汰掉不穩(wěn)定的肽。
這有點(diǎn)像在大海撈針，但這種方法使這變得容易。
圖|噬菌體展示選擇策略,噬菌體肽庫(kù)的格式,用于生成雙橋肽的雙親電環(huán)化試劑
比現(xiàn)有口服肽更穩(wěn)定
研究人員選擇的第一個(gè)治療靶標(biāo)是凝血因子X(jué)Ia（FX1a），它是一種可能被抗血栓藥抑制的蛋白酶，其出血風(fēng)險(xiǎn)低。第二個(gè)靶標(biāo)是結(jié)腸粘膜中的白介素（IL）-23受體，該受體在炎癥性腸病患者的GI組織中過(guò)表達(dá)。
經(jīng)過(guò)幾輪的進(jìn)化，研究發(fā)現(xiàn)，肽F3（核苷受體的一種高親和力配體）的一種特殊的雙橋異構(gòu)體被證明比兩種經(jīng)批準(zhǔn)的相對(duì)穩(wěn)定的口服肽（去氨加壓素和利那洛肽）對(duì)胰酶更穩(wěn)定。然后通過(guò)修飾化學(xué)基團(tuán)來(lái)優(yōu)化F3異構(gòu)體，以促進(jìn)細(xì)胞的通透性而不會(huì)失去抵抗肽酶的能力。
圖|相對(duì)豐度，肽的活性和穩(wěn)定性
通過(guò)結(jié)合環(huán)化、N末端置換和一系列單一氨基酸編輯，鑒定出9個(gè)氨基酸大環(huán)（F20），其SIF半衰期長(zhǎng)，F(xiàn)X1a抑制作用強(qiáng)，凝血時(shí)間延長(zhǎng)。經(jīng)口灌胃給藥后，120分鐘后，32-45%的完整的F20可從胃腸道的胃、小腸和結(jié)腸區(qū)域恢復(fù)，這一量?jī)?yōu)于口服去氨加壓素。
圖|藥代動(dòng)力學(xué)
存在不足但未來(lái)可期
Heinis等人的研究檢測(cè)到F20肽在小鼠中的口服生物利用度，盡管僅為0.25％。由于胃腸道轉(zhuǎn)運(yùn)和管腔稀釋的生理差異，F(xiàn)20肽在人中可能甚至比在小鼠中更低。正如作者所討論的，通過(guò)將電荷和極性表面積的減少作為藥物化學(xué)方法的一部分，可以在大環(huán)化合物候選藥物中進(jìn)一步設(shè)計(jì)提高GI滲透性的方法。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，即使到達(dá)血液中的量很小，但大部分在整個(gè)胃腸道中仍保持完好無(wú)損，這是工程化口服肽藥物的關(guān)鍵一步。
小結(jié)：
總體而言，這項(xiàng)研究報(bào)道了首例的從頭產(chǎn)生的肽的策略，該肽以高親和力結(jié)合治療靶標(biāo)并在小鼠胃腸道的所有區(qū)域抵抗蛋白酶。這種基于噬菌體的肽的進(jìn)化和選擇有可能加快口服候選肽的產(chǎn)生，以治療胃腸道疾病，包括炎癥性腸病，胃腸道感染和結(jié)腸癌，這為肽類藥物口服給藥邁出了重要一步！
最后分享Bicycle Therapeutics公司的宣傳語(yǔ)（稍改），以共勉致力于治療癌癥的科學(xué)家們：
我們不應(yīng)等待抗擊癌癥的下一個(gè)進(jìn)展，而我們應(yīng)該創(chuàng)造新進(jìn)展！
（We didn’t wait for the next advance against cancer. WE CREATED IT.）
圖自Bicycle Therapeutics
參考文獻(xiàn)：
Kong,X., et al. De novo development of proteolytically resistant therapeuticpeptides for oral administration. Nat Biomed Eng (2020).
https://doi.org/10.1038/s41551-020-0556-3
