【First-in-class药设系列】口服蛋白及多肽药研发的机遇与挑战
蛋白和多肽是由多个氨基酸组成的大分子，其作为治疗候选药物具有很高的潜力。目前，由于这些治疗性蛋白和肽产品都表现出极低的生物利用度，大多数销售的治疗性蛋白和多肽都是肠外制剂。为了更好进行给药，药剂科学家一直在寻求设计一种可口服的系统，使生物利用度最大化，从而降低所需剂量。蛋白和多肽口服给药的设计策略可分为两大类：对蛋白和多肽自身进行化学修饰和在制剂设计中进行修饰
表一. 潜在可口服递送的蛋白/多肽
Protein/peptide | Amino acid sequence, molecular weight (kDa) | Therapeutic indications | Currently available dosage forms | Oral products development stage |
Calcitonin | 32-amino-acid linear polypeptide, | Disorders involving hypercalcemic states, Paget’s disease, high-bone turnover osteoporosis, pain associated with osteoporotic fractures and bone metastasis, Sudeck’s atrophy | Nasal spray, subcutaneous injection | TBRIA™ (Enteris BioPharma and Tarsa Therapeutics) |
Desmopressin (DDAVP) | Synthetic cyclic nonapeptide, | Hemophilia A, von Willebrand’s disease, diabetes insipidus (antidiuretic replacement therapy), primary nocturnal enuresis (Dug Bank) | Tablets, nasal spray, intravenous injection, subcutaneous injection | DDAVP® MELT (Ferring Pharmaceuticals Inc.) – oral disintegrating tablets; Approved |
Insulin | Polypeptide with 21 amino acids in Chain A and 30 amino acids in Chain B, | Type 1 diabetes mellitus, Type 2 diabetes mellitus | Subcutaneous injection, injectable solution, powder for inhalation | (i) Tregopil (Biocon Ltd.) – oral prandial insulin tablet; Phase III clinical trials to begin |
Leuprolide | Synthetic nonapeptide, | Prostate cancer, central precocious puberty, endometriosis management, hormone replacement therapy, uterine leiomyomata (fibroids) | Depot suspension for intramuscular injection, suspension for subcutaneous injection, depot for subcutaneous or intramuscular injection from a prefilled dual chamber syringe (PDS), intradermal implant | Ovarest® (Enteris BioPharma) – oral leuprolide tablet; Phase 2a clinical trials |
Octreotide | Octapeptide, | Treatment of diarrhea and cutaneous flushing caused by metastatic carcinoid tumors, profuse watery diarrhea due to vasoactive intestinal peptide-secreting tumors, acromegaly | Solution for intravenous injection, solution for subcutaneous injection | Mycapssa® (Chiasma Pharma) – oral capsules; approved |
Exenatide | 39-amino-acid synthetic peptide (incretin mimetic), 4.1866 | Type 2 diabetes mellitus | Powder for suspension – subcutaneous injection, solution for subcutaneous injection | (i) ORMD-0901 (Oramed Pharmaceuticals Inc.) – oral capsule; Phase Ib clinical trials |
Liraglutide | 97% structural homology with human GLP-1 with substitutions of Lys34 and C16 fatty acid at Lys26, | Type 2 diabetes mellitus, obesity | Solution for injection, solution for subcutaneous injection | Not reported |
Semaglutide | 94% structural homology with human GLP-1 with substitutions of Aib8 and Arg34, | Type 2 diabetes mellitus, obesity (proposed) | Solution for subcutaneous injection | Rybelsus® (Novo Nordisk) – oral tablet; approved |
Goserelin | Synthetic decapeptide, | Hormone-sensitive cancers of the breast, prostate and some benign gynecological disorders | Subcutaneous implant | Not reported |
Plecantide | 16-amino-acid polypeptide, | Chronic idiopathic constipation, irritable bowel syndrome with constipation | Tablets | Linzess (Japan), Constella (Europe) (Ironwood Pharmaceuticals) – oral capsules; approved |
Cyclosporine | 11-amino-acid cyclic peptide, | Immuno-suppressant | Capsules, solution | (i) Sandimmune (Novartis Pharmaceuticals Corp) – oral solution; marketed (ii) 186 clinical trials have been completed for oral cyclosporine with 44 in Phase I, 70 in Phase II, 45 in Phase III, 32 in Phase IV |
一、蛋白和多肽自身的化学修饰
化学修饰的主要目的是提高蛋白质和多肽的半衰期，其包括链接PEG（polyethylene glycol，聚乙二醇）化、糖基化和使用佐剂分子来增强输送和脂化等。其中，PEG与治疗性蛋白的结合已被证明可以提高蛋白质的半衰期，且PEG和相关代谢物的应用都获得了FDA批准；糖基化也是一种增强肽药物治疗性能的方法，通过引入糖类基团来优化肽药物的药代动力学特性；除此之外，为了提高蛋白质和多肽的亲脂性，可通过将蛋白质和多肽与脂肪酸和胆汁酸结合，还可利用蛋白偶联物作为肽在肠内的传递载体来增强药物的运输。虽然蛋白质和多肽的化学修饰方法已经得到了广泛的研究，但其在工业上的可行性和高成本仍然是一个挑战。
二、制剂设计的化学修饰
在制剂设计修饰中，多肽和蛋白质的电荷、分子大小和亲水性等性质使分子的渗透性极差。肽和蛋白质的固有特性使得生物膜渗透成为设计口服给药制剂需要考虑的最终目标。针对这一点在药物设计时也有很多策略，如可以使用渗透或吸收增强剂（胆盐、阳离子和阴离子聚合物、脂肪酸及其衍生物和酰基肉碱）。蛋白质和多肽的降解主要通过俗称蛋白酶的胃肠道酶进行，合成和天然酶抑制剂也是一直被广泛研究的口服给药策略。例如，有研究发现利用蛋白酶抑制剂葛根素(一种异黄酮) 修饰的壳聚糖纳米颗粒进行鲑鱼降钙素的口服方法提高了药物的生物利用度；此外，靶向黏液渗透及肠粘连开口给药也是一个备受关注的策略。结合在胃粘膜粘膜上皮的聚合物也是一种可以增加肽在吸收部位的生物利用度和保留时间的工具，如利用粘膜上皮聚合物研发的棕榈酰丙磺酸二甲酯，固体脂质纳米颗粒(Solid lipid nanoparticles, SLN)和一种由室温稳定的胆碱和香叶酸甲酯 (Choline and geranate, CAGE)制成的离子液体等工具化合物已被证明可以增加胰岛素等蛋白质药物的生物利用度或稳定性。除此之外多颗粒药物递送系统也在制剂设计中被广泛应用，如自乳化给药系统(Self-nanoemulsifying drug delivery system, SEDDS)，使用结与生物活性配体合和包裹来增强蛋白质和多肽吸收的口服传递平台技术SLN（TrabiOral1）。还可通过脂质体表面修饰靶标特异性基团，涂覆粘胶聚合物等促进蛋白质和多肽口服递送的有效性。由此还衍生出了原位微型乳剂多颗粒系统，使用纳米技术和设计靶向输送系统制剂等策略来提高药物亲油性。如由PH敏感聚合物涂层设计的TARGITTM (West Pharmaceutical Services, Inc., USA)，CODESTM(结肠靶向递送系统)。近年来，基于设备的生物分子递送是崭露头角的一种药物递送技术，其在保护生物环境中的肽和蛋白质方面具有显著的优势。如由美国Rani Therapeutics LLC开发的包膜胶囊系统，它包含一个基于微针的装置，通过PH依赖机制在小肠中释放，相关临床研究表明其适合口服生物治疗药物。
三、计算技术在当前蛋白/多肽口服设计中的应用
尽管上述这些策略已被广泛研究，但并没有实质性地实现一系列口服生物分子应用。其中一个主要原因是缺乏对这些分子结构和化学复杂性的了解。药物对分子治疗的反应取决于分子的内在特性，而不仅仅是生理条件。因此需要对药物分子进行深入的分析才能制造出适合递送的制剂。计算机辅助药物设计（Computer Aided Drug Design, CADD）是预测目的蛋白和配体相互作用的一个非常有用的工具。使用CADD方法模拟能够分析蛋白质的稳定性、结合亲和力、相互作用能、酶抑制强度等特性。计算工具可以通过定量的结构活性关系来理解大量的分子式性质，分子建模、分子力学、离散和有限元建模、流体动力学和基于生理的药物动力学。这些工具不仅有助于确定制剂的缺陷，而且还有助于开发设计制剂的合理方案，从而在早期产品开发中减少时间和投资。
分子对接和分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟是研究蛋白质-配体相互作用时应用最广泛的两种方法。分子对接有助于评价蛋白质-配体复合物的结合，从而确定最合适的配体结合位点。有效利用分子对接和MD可以详细研究药物-辅药的相互作用，预测制剂作为一个整体的生物活性，从而设计出合适的口服肽制剂。
应用计算机模拟分析药物-辅药的相互作用为制剂优化提供依据：通过分析模拟过程中体系的反映的结构参数和能量参数能够不同药物辅料配合物的溶解性能差异，从而对辅药分子进行筛选。如使用计算机模拟比较分析比卡鲁胺对比卡鲁胺与乳糖、羟丙基甲基纤维素(Hydroxypropyl methylcellulose, HPMC)和甘露醇的相互作用体系的总溶剂可及表面积、相互作用能和化学键等参数发现乳糖溶解效果最好。此外一项研究报道了利用分子对接对胰岛素与酵母中的β-D-葡聚糖和海藻酸盐涂层的结合进行评估，发现β-D-葡聚糖与胰岛素的结合比胰岛素与藻酸盐的结合更好、更稳定，为制剂设计提供一个重要的线索。
计算机模拟研究蛋白质或肽与偶联物之间的相互作用：MD模拟可以通过偶联物体系的可及表面积等参数变化对偶联物的稳定性进行评估。如Tabassum等人利用分子对接技术研究了新合成的水溶性铜(II)配合物的相互作用，得出了分子间相互作用以疏水键和氢键为主的结论，并且分子对接研究结果与实验结果相符合，证实了计算机模拟的预测结果。
利用计算模型对肠膜渗透进行研究：利用计算方法可以通过亲脂性、亲水性、大小、极性表面积和分子的电荷等因素来预测药物的肠道渗透率。目前已开发的预测吸收计算机模型有三种（Simcyp 13.1, GastroPlus 8.0, and GI-Sim 4.1）。其中一项报道指出基于电拓扑指数、极化能力、带电和分割表面积开发的虚拟渗透性筛选模型的预测结果还在体外试验中得到了证实。
计算机模拟虚拟筛选潜在的酶抑制剂：基于分子对接和遗传算法等计算机模拟方法能够实现从小型虚拟肽数据库中筛选非竞争性肽抑制剂。初步对接研究过程筛选可多个不同的肽序列，随后通过对接分数和对应肽的结合能值进行评估进行进一步筛选。
四、蛋白/多肽口服技术的机遇与挑战
蛋白质和肽疗法是生物制药中最难以捉摸的类别之一，但也是发展最快的类别之一，越来越多的口服药物基团进入临床和临床前试验阶段。但蛋白质和多肽固有的物理化学特性使其递送到靶点具有挑战性，特别是当设计一个非侵入性药物递送系统时。近年来，生物制药市场飞速发展，传统的体外药物筛选方法浪费了大量的宝贵资源和时间，因此进入湿实验室之前使用计算机模拟筛选逐渐成为一个值得信赖的方法。基于结构的计算机模拟方法来研究蛋白质和肽治疗的分子间和分子内的相互作用是一种广泛接受的分析方法。不仅如此，采用计算机模拟方法可以在分子水平上了解肽与辅药在生理微环境中的相互作用，从而研究现有辅药在防止酶降解和扩大肠道吸收方面的作用。然而，这种方法也存在着缺点，如为了设计新的蛋白质或多肽，需要进行同源性建模；另一个缺点是用于计算研究的资源可用性。与硬件、软件和安装设施相关的重要资源增加了费用，因此为了促进计算机模拟研究的顺利进行，需要开发先进的生物分子建模软件产品。
参考文献
1. Drucker, D.J. Advances in oral peptide therapeutics. Nat. Rev. Drug Discov. 2020, 199 (4), 277–289.
2. Anjali K. Pandya, Vandana B. Patravale, Computational avenues in oral protein and peptide therapeutics. Drug Discov Today, 2021, doi: 10.1016/j.drudis.2021.03.003
3. Sjögren E, Thörn H, Tannergren C. In silico modeling of gastrointestinal drug absorption: predictive performance of three physiologically based absorption models. Mol Pharm. 2016;13(6):1763-1778.
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