环肽类药物应用现状及研发进展

Nine general methods to synthesize cyclicpeptides

环肽类化合物是一类结构特殊、生物活性广泛、作用机理独特的环状化合物，在天然产物中具有十分重要的地位。环肽是肽类分子中构象稳定和均一的一类化合物，对受体具有高的选择性亲和能力、代谢稳定性强、口服利用度高。环肽类化合物作为药物分子，具有抗癌、抗病毒、抗菌、抗真菌、酶抑制剂等广泛的生物活性。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。

环肽类化合物目前在药物治疗中取得了巨大成功，常见的如激素及激素类似物Oxytocin、Octreotide及Vasopressin；抗生素类如Vancomycin、Daptomycin及Polymyxin B；免疫抑制剂Cyclosporine等。迄今为止，总共有超过40种环肽类药物正在临床应用中，平均每年约有一种环肽类药物进入治疗市场。环肽类化合物之所以在药物研发领域大展身手，与其几大特性相关。首先，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。大环结构构象灵活性的限制也降低了药物与靶点结合的熵值，提高了结合的稳定性。其次，氨基酸组成特点据定了环肽类化合物往往具有极低的、甚至没有细胞毒性。第三，环肽类化合物很容易通过自动化的化学合成流程实现生产，并且便于进行各项修饰、处理及监控，这些特点都非常有利于药物开发过程。

环肽类药物应用现状

在过去的10年里，美国FDA及欧洲EMA总计批准了9种环肽类药物上市，占同时期上市新药总数的3%，如下表所示。这其中Telavancin、Dalbavancin、Oritavancin及Anidulafungin用于细菌及真菌性感染；Lanreotide、Romidepsin及Pasireotide为抗肿瘤药物；而Linaclotide则用于肠道功能紊乱。Peginesatide用于治疗慢性肾病透析患者的贫血，但很快由于安全性因素而退市。

Telavancin、Dalbavancin及Oritavancin是三类抗菌药物，同属于半合成的环脂糖肽类药物；与Vancomycin及Teicoplanin类似，包含相同的母核结构以及与D-Ala-D-Ala靶点的结合位点。另外，这三类抗生素都含有一个亲脂性的侧链，可能通过锚定于细胞膜而增加在靶点附近的滞留时间，或破坏细菌细胞膜的稳定性；疏水尾部与细胞膜及血浆蛋白的相互作用同样也增加了药物的血浆半衰期。该类药物通常用于复杂性皮肤类感染及医院性感染的治疗。

Anidulafungin为棘白菌素类环肽抗真菌药物，与2001年及2005年获批的Caspofungin及Micafungin类似。上述三类药物具有相似的肽类核心结构区域。Anidulafungi由辉瑞研发，于2006年2月17日获得美国FDA批准上市，于2007年9月20日获得欧洲EMA批准上市，商品名为Eraxis，获批适应症为成人念珠菌血症，以及其他类型的念珠菌感染(腹腔脓肿、腹膜炎)和食管念珠菌感染。该药物是一类Echinocandin B衍生物，由构巢曲霉发酵而来，其lineoyl侧链被亲脂性alkoxytriphenyl基团所取代。与Caspofungin及Micafungin类似，Anidulafungin通过抑制真菌β-1,3-葡聚糖合成酶而阻止细胞壁的正常合成。Anidulafungin同人类血浆蛋白具有较高的亲和力，因而体内半衰期大约为24小时，是Caspofungin及Micafungin的两倍之多。

抗肿瘤药物Lanreotide及Pasireotide是环肽类药物Octreotide的类似物，后者本身也是内源性环肽类激素生长抑素(Somatostatin)的类似物。Somatostatin通过抑制G蛋白偶联的生长抑素受体而阻断如生长激素等激素类分子的释放。相比于生长抑素，这些药物具有更长的半衰期，用于用于治疗肢端肥大症和内分泌肿瘤。Lanreotide是由Octapeptide通过二硫键环化而成，两者具有相似的药理学性质。Pasireotide相比于Octreotide及Lanreotide具有对某些特定受体类型更高的亲和力，从而使其适合应用于对其他治疗药物无反应的库欣氏病和肢端肥大症。

Romidepsin是一类分离自革兰氏阴性菌Chromabacterium violaceum的天然产物，由Celgene公司开发，于2009年11月5日获得美国FDA批准上市，商品名为Istodax。Romidepsin是一类组蛋白去乙酰化酶抑制剂，可引起乙酰化组蛋白的蓄积，诱导细胞周期停滞和某些癌细胞株凋亡，IC50值在nM级别。该药物获批适应症为已接受至少一次系统治疗的患者的皮肤T细胞淋巴瘤CTCL和已接受至少一次先导治疗的外周T细胞淋巴癌PTCL。Romidepsin也是继Vorinostat之后第二个进入药物治疗市场的HDAC抑制剂，后者为一类小分子药物。

Linaclotide是一类包含14个氨基酸残基的环肽类药物，衍生自多种可致腹泻的大肠杆菌菌株所产生的热稳定性肠毒素。该药物由Ironwood Pharmaceuticals和Forest Laboratories联合研发，并于2012年获得美国FDA批准，于2012年11月26日获得欧洲EMA批准，商品名分别为Linzess和Constella。Linaclotide是一种鸟苷酸环化酶C激动剂，用于治疗成人的便秘性肠易激综合征(IBS-C)和慢性特发性便秘(CIC)。Linaclotide分子内形成三个二硫键而稳定了整体构象，使其具有较高的蛋白酶耐受性；具体作用机制为结合于肠上皮细胞上的鸟苷酸环化酶C上。环化酶的活化会导致一条信号通路的激活，从而使得更多液体分泌入肠道管腔，增加结肠的转运功能。

Peginesatide由Affymax和武田研发，于2012年3月27日获得美国FDA批准上市，商品名为Omontys。该药物是一种新型促红细胞生成剂(ESA)，用于需要进行透析的慢性肾病CKD患者治疗贫血；可刺激骨髓生成血红细胞，从而减少慢性肾病患者输血的次数。结构上该药物通过PEG分子实现二聚化，从而增加了其与蛋白的亲和力及血液中的半衰期。令人倍感遗憾的是，该药物获批上市后仅仅一年，就由于安全性因素而不得不退市。与上述所有其他药物不同，Peginesatide是第一个采取从头设计(de novo)策略的环肽类药物。

在上述的9类近期获批环肽类药物中，八种同已知药物具有相似的作用机制，只有Linaclotide属于一类新药。除了具有较强的创新性以及适用于庞大的患者群体外，Linaclotide在销售额上也引人瞩目。该药物上市前两年销售额分别为1.4及3亿美元，2015年销售额达到4.6亿美元，有望很快成为重磅炸弹药物。而Lanreotide和Romidepsin则是另外两类同样表现较为出色的药物，两者在2015年销售额分别达到4.4及0.7亿美元。

环肽类药物研发现状

根据数据库及文献检索，目前有超过20种以上的环肽类药物处于各期临床研究阶段。从适应症领域来看，这些药物涵盖了多种类型的癌症、不同的感染性疾病、内分泌/代谢紊乱性疾病、血液系统疾病及心血管疾病等。与已获批药物类似，绝大多数环肽类药物是微生物来源天然产物或人类激素的衍生物。令人感兴趣的是，有几类处于临床研究阶段的环肽类化合物采用了从头设计策略(de novo design)或体外进化(in vitro evolution)的手段获得，如下表所示。

POL7080

药品名称为Murepavadin，目前处于临床二期阶段，用于治疗绿脓杆菌感染。该化合物为绿脓杆菌特异性的环肽类抗生素，具有新颖的作用机制；其最初通过多轮重复性的肽库合成及筛选而获得较强的抗菌活性。整个筛选过程的起始化合物为protegrin Ⅰ，一种具有β-发夹结构，并通过膜裂解过程而具有广谱抗菌活性的抗菌肽。通过不同方式的改造及多轮筛选，得到的14个氨基酸残基的化合物，细胞裂解活力有所下降，但对绿脓杆菌的抗菌活性及选择性明显提高。研究表明，新化合物的作用靶点为膜蛋白LptD，后者参与细胞膜的生物合成过程。2014年，POL7080因治疗绿脓杆菌感染引起的细菌性肺炎获得美国FDA快速审查资格及合格传染病产品资格。该化合物最初由Polyphor研发，2013年其全球研发及商业化权利被授予罗氏。针对POL7080临床安全性及药物耐受性的的一期临床研究已经完成，目前正在进行关于其对绿脓杆菌感染疗效的二期临床评估中。

POL6326

一种潜在的用于骨髓干细胞移植、组织损伤的C-X-C基序趋化因子受体4 (CXCR4)拮抗剂，为双环肽类化合物。封闭CXCR4可以阻止其与SDF-1配体的结合，该过程可诱导造血干细胞脱离骨髓而进入到循环血液中；而造血干细胞的迁移对于干细胞移植、组织再生以及化疗等过程至关重要。POL6326的开发结合了理性设计及多肽序列-活性测试重复优化两种策略。该化合物的初始模板为polyphemusin Ⅱ，首先通过PEM技术的D-Pro-L-Pro模板来稳定化合物的β折叠结构；随后结合其他性质对序列进行了多轮优化，最终得到的同初始模板氨基酸序列差别极大的POL6326。目前针对该化合物的一期临床已经完成，二期临床正在启动。

APL2

PEG化的环肽类C3抑制剂，后者在补体免疫系统中扮演重要角色。补体系统的过分或失控性活化会导致一系列自体免疫性及炎症性疾病的产生。APL2可以结合在C3上的C3转化酶结合位点上，从而使得其不能被转化为C3b分子。该化合物的产生来源于compstatin，一种通过噬菌体展示文库筛选出的二硫键环化的13肽。PEG基团的加入可防止药物在血液系统中的快速清除，使得在药物注射后的数天，仍能保存C3抑制活性。目前APL-2针对年龄相关性黄斑变性(AMD)的二期临床研究，以及针对阵发性睡眠性血红蛋白尿(PNH)的一期临床研究正在开展中，给药方式分别为玻璃体内和皮下给药。另外，非PEG化形式的药物APL-1目前正在开展慢性阻塞性肺疾病(COPD)吸入治疗的研究。

ALRN-6924

MDM2/MDMX的双分子抑制剂，可破坏两者对P53的抑制作用，从而恢复P53正常功能而使肿瘤细胞进入凋亡过程。该药物目前处于临床一期阶段，用于治疗实体瘤、骨髓增生异常综合征/骨髓发育异常综合征、恶性肿瘤及急性骨髓性白血病。对该化合物的结构优化，除增加环肽的稳定性外，还增加了药物的细胞穿透能力。最终获得的多肽模拟了p53分子上的一段用于结合MDM2/MDMX的α-螺旋结构。目前ALRN-6924正在开展针对表达野生型p53的晚期实体瘤或淋巴瘤患者的1/2期临床研究，以及针对AML或晚期骨髓增生异常综合征患者的1期临床研究。在2017年的ASCO会议上公布的最新研究进展中，ALRN-6924在41名可评估的无TP53突变的实体瘤病人中，疾病控制率为59%，其中有两名患者完全缓解。最关键的是，这些药物的中位治疗期达到了180天，其中有患者已经持续用药2年多，进展令人鼓舞。

RA101495

环肽类化合物，可结合于补体因子C5上，并通过别构过程抑制其转化为C5a和C5b分子。该肽是基于天然和非天然氨基酸的组合，从mRNA展示组合文库中筛选而来。抑制C5分子的活化过程对治疗补体系统紊乱性疾病，如PNH，难治性全身性重症肌无力和狼疮肾炎等具有积极作用。目前已有一类靶向C5的单克隆抗体类药物获得美国FDA批准，并成功用于治疗PNH及非典型溶血尿毒综合征。RA101495的研发采用皮下注射方式，更便于患者自行用药。目前针对该药物的一期临床已经顺利完成，二期临床研究即将开展。

前景与展望

回顾上述几类药物的研发过程，我们会发现其中最为关键环节是进行多肽库的筛选。在POL7080及POL6326的案例中，天然存在的多肽作为筛选出发点，但经过多轮筛选后，氨基酸序列及活性特点发生了天翻地覆的变化。POL7080最终序列改变之大，以至于采用了一种全新的活性作用机制。而候选药物APL-2及RA101495则通过体外进化的方式进行筛选，通过噬菌体展示或mRNA展示的方式对大量随机多肽库进行筛选。

对于环肽类药物应用领域而言，仍面临诸多问题的挑战，其中最重要的两项为口服有效性及细胞穿透性。近些年一些创新性研究策略的引入，已经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。

参考文献：

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7.https://www.jpt.com/products/cyclic-peptides

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