口服多肽：药物化学的皇冠

1. 为什么会想起多肽？

有些疾病不致命、大分子注射使用不方便成为致命缺点；而有些靶点小分子又没有足够结合位点、不能提供足够结合自由能，这个时候介于生物大分子和化学小分子之间的多肽就有可能排上用场。多肽没有抗体那么笨拙，因此有时候致命疾病如晚期肿瘤有时也会用到多肽、尤其是作为偶联药物，就是利用多肽比抗体更容易进入肿瘤组织、脱靶毒素释放机制不同等性质。与小分子比，多肽特异性更高、也没有小分子的药物相互作用。当然这些都是锦上添花的性质、并不是主要驱动因素。

2. 多肽与生物过程

生物过程依赖分子之间的结合与分离，如同人类社会活动依赖不同人在不同时间、空间的分分合合。分子之间结合类似盖房子，如果需要牢固程度高那你可以用钉子固定、就是共价结合。如果以拆装灵活为目标，那就可以用凹凸互补的榫卯（Sashimono）、就是分子间非共价作用。

酰胺键是构建分子的一个高效共价键、形成后对于分子间作用又是一个非常高效的榫卯，一个不大的酰胺键同时有一个氢键供体和配体、二者空间关系恰到好处，生物体利用20个天然氨基酸通过酰胺键构建了支撑所有生命过程的蛋白世界。那为什么自然界没有用脲、磺酰胺构建蛋白呢？这是个好问题，或许在某个遥远星球蛋白是用磺酰胺构建的、生物反应在液氨中进行。地球生命模式只是多种选择中的一个，并不是宇宙各处都适合37摄氏度、一个大气压下的化学反应。

蛋白通过折叠可以形成与小分子高强度结合的口袋，这类蛋白可以通过小分子药物调控。但也有很多蛋白通过表面的酰胺键和残基形成的坑坑洼洼与其它蛋白沟通，这种所谓的蛋白蛋白相互作用（PPI）用传统可口服、可过膜的小分子就很难阻断。如果PPI发生在胞外或膜上还好、可以用抗体调控，但如果在胞内就只能靠多肽药物了。有趣的是虽然PPI很难用小分子分开，但有时候却很容易用很小分子粘起来、这就是现在另一个火热领域分子胶的故事。

3.多肽药物

多肽能做抗体和小分子都干不了的活，那为啥不重点开发多肽药物呢？这主要是因为药代性质的限制。首先酰胺键本来就是权宜之计、体内有大量蛋白酶随时可以水解折叠错误或损伤蛋白，多肽药物很容易被误伤、稳定性是个大问题。二是多肽药物因为分子量比较大所以过膜性比较差，口服和调控胞内靶点都需要大量的优化工作。

因此多肽药物以调控膜蛋白的注射剂为主，从20年代最有效药物之一的胰岛素到现在的GLP1激动剂。这些药物虽然很多可以优化性质，如胰岛素有长效、速效、基础、饭后，但口服仍是很大障碍。胰岛素这么重要的药物到现在还没有口服制剂，虽然两个吸入制剂上市。

4. 口服多肽

药物化学改善口服生物利用度的经验主要来自小分子药物的精雕细琢，有methyl、ethyl、propyl、futile之说，意思是增加两个碳原子性质还没变化就不用折腾了。多肽这么大分子一个氨基酸侧链甲基变丙基几乎不会有什么影响，优化尺度和策略都要探索。

理论上多肽可以优化成可口服药物，因为自然界已经提供了标杆。比如环孢素的所有酰胺在溶液中都形成分子内氢键，根本不像一个武功超人的多肽、而是一个碌碌无为的混子。但与受体结合时分子内氢键全部打开、图穷匕首现，参与和受体的高强度结合。这种所谓变色龙（chameleonic）设计在自然界中并不罕见，喜树碱只有在酸性环境形成有杀伤力的内酯而在血液偏碱性环境则主要以酸形式存在。天然他汀（当然也包括借鉴这个设计元素的合成他汀）也是在行动更迅速的内酯与活性酸之间存在一个平衡。这样巧夺天工的开关机制我们目前在口服多肽的设计中还很难做到、只能欣赏一下而已，连Lipinski都只能给天然产物一块免死金牌、可不受五规则限制。

有一些多肽药物如GLP1受体激动剂优化起点是天然荷尔蒙，这些化合物已经经过千年修炼、高度优化过了。这相当于买房首付有人代缴了，我们只需要支付一点按揭、进一步优化稳定性和半衰期即可。司美格鲁肽只做了三处主要改造，当然改造位置和基团也需要很多艰苦的探索工作。

更困难的是阻断两个蛋白之间的相互作用，而没有天然配体可以借鉴，这个领域最近有几个成功的例子如默沙东的PCSK9口服多肽药物MK0616、强生的IL23受体激动剂JNJ-77242113、和日健中外制药的Kras抑制剂LUNA18等，其中MK0616的发现可以算药物化学的一个巅峰之作。MK0616的优化起点来没有经历任何演化筛选过的环肽化合物库，尽管经过非常复杂而繁琐的优化、MK0616作为一个口服药物分子量依然鹤立鸡群。

虽然PPI靶点的结合位点被称作featureless（没有特征），但那说跟小分子的蛋白结合腔比。实际上阻断PPI依靠药物分子中每个原子精诚合作、省吃俭用省下的结合自由能，这些原子的队形（构象）非常重要、因为多肽这种分子量较大化合物的稳定构象很多、不一定停留在最适合于靶点结合的构象。所以默沙东科学家在MK0616分子内引入两个大环加固活性构象，这不仅增加合成难度、也需要筛选不同的成环模式。虽然MK0616骨架酰胺提供了很多结合自由能，但其中一个非天然氨基酸的氟原子起到定海神针的作用、在甜甜圈的中心与Gly370的NH形成一个锚定氢键。这不禁令人想起另一类主要降脂药合成他汀也有一个氟原子与HMG-CoA还原酶Arg590的关键氢键作用。 冥冥之中两类最重要降脂药都靠一个关键氟原子与靶点结合，颇为玄幻。

尽管MK0616分子优化已经令人叹为观止，但单独使用还是口服生物利用度很低。最后是在吸收增强剂癸酸钠帮助下才把生物利用度提高到实用的水平，口服司美格鲁肽也用了一个类似的吸收增强剂SNAP。这类增强剂的工作机制并不明确，可能是暂时增加了胃肠细胞的通透性。胃肠屏障不能轻易对外开放，但特殊物质还是可能通过非扩散机制进入，比如婴儿可以从母乳中吸收很多生物大分子以获得免疫力。

MK0616不仅化合物优化、剂型开发都达到顶级水平，因为潜在用量很大其生产工艺开发也是合成史上的一个经典案例、做合成的读者可以学习一下。这是一个铁人三项创纪录的成就，可算药物化学的皇冠。

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