司美格魯肽、替爾泊肽——脂化修飾多肽藥物之光

       相比于小分子藥物，多肽和蛋白質(zhì)分子不容易穿過上皮細胞并且更容易發(fā)生宿主代謝，因此大多數(shù)此類生物藥只得選擇使用皮下或靜脈注射給藥。相對于非侵入性的給藥途徑，這無疑會導(dǎo)致更高的成本和更低的患者依從度。而侵入性的給藥方式，只是多肽藥物面臨的眾多問題之一，它更大的挑戰(zhàn)來自于過短的半衰期，大多數(shù)多肽與蛋白質(zhì)在幾分鐘到幾小時內(nèi)便被細胞內(nèi)和細胞外宿主代謝，以及被腎臟從血清中消除[1]。血清半衰期短，加上靶組織吸收緩慢的特性，使得多肽藥物通常需要通過增加劑量和頻率的方式保證治療效果，這再一次加劇了成本壓力和患者依從度的顧慮。

       多肽類藥物的另一個掣肘在于它們潛在的免疫原性。蛋白質(zhì)和肽類藥物引發(fā)抗藥性抗體 (ADA， Anti-drug antibody) 的能力遠勝小分子藥物，這要歸結(jié)于它們更大的分子量和更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使得它們更有效地刺激B細胞產(chǎn)生抗體。這些抗藥性抗體和其他抗藥物免疫反應(yīng)可能降低藥物療效，并可能導(dǎo)致嚴重的不良健康影響[2]。

       最后，多肽藥物在細胞膜上的滲透性往往很差，這通常會導(dǎo)致溶酶體中的藥物降解。因此，廣大位于細胞內(nèi)的潛在藥物靶點，實際上是目前很多生物制劑可望而不可及的。解決這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)的一種方法是通過共價修飾給這些多肽藥物改頭換面，通過賦予其新的物理化學(xué)性質(zhì)的手段，在保留藥物活性的基礎(chǔ)之上，一一化解上述不利因素，提高其成藥性。

       多肽藥物脂化涉及將脂肪鏈偶合至多肽分子的適合基團。在自然界中，細胞利用脂化來控制幾種蛋白質(zhì)的功能和細胞內(nèi)定位。當(dāng)這種修飾用于多肽藥物改性領(lǐng)域時，它可能顯著提高多肽分子的半衰期和細胞通透性[3]，而這些優(yōu)勢對于多肽的成藥性都是大有裨益的，甚至可以跨越一大步，實現(xiàn)非注射給藥的制劑夢想。

       盡管比較常見的聚乙二醇PEG修飾也可能實現(xiàn)這些效果，但有結(jié)果顯示，脂化修飾的優(yōu)勢在某些情況下更勝于聚乙二醇[4]。不僅如此，多肽脂化手段已經(jīng)結(jié)出豐碩果實，有幾種脂化修飾的多肽藥物已經(jīng)得到了FDA批準(zhǔn)（表1），禮來在2022年上市2型糖尿病注射液tirzepatide也是脂肪酸修飾的多肽藥物。藥物分子設(shè)計者更是給tirzepatide偶合上了龐大復(fù)雜的脂肪修飾，除了一個二元脂肪酸本身，中間還嵌入了乙二醇和谷氨酸的結(jié)構(gòu)的單元（圖2）。除了這些上市的多肽藥物之外，還有更多的脂化多肽藥物目前處于不同的臨床階段。脂化的潛在優(yōu)勢主要歸因于幾個關(guān)鍵作用，提升半衰期、增強遞送、給藥途徑、提高藥理效力和降低免疫原性。

       表1. 部分脂肪修飾多肽藥物

圖2. Tirzepatide化學(xué)結(jié)構(gòu)

       1

       提升藥物半衰期

       多肽脂化可以明顯提升藥物半衰期，例如，經(jīng)受脂化修飾的liraglutide (liraglutide對應(yīng)的就是脂化后的分子，見圖1)，其半衰期相較沒有脂化的分子提升了約10倍之多（liraglutide半衰期為13小時，而天然GLP-1僅為1.5小時）。而另一款上市脂化多肽，同樣是GLP-1類似物的semaglutide（圖1）, 其半衰期的提振更為激進，從1-1.5小時猛增至了168小時，提升率甚至超過100倍（或許semaglutide分子N-端第二個氨基酸Aib在半衰期增加的方面也做出了貢獻）[5]。

       脂化多肽半衰期增加的主要機制是與白蛋白（albumin，圖3）的結(jié)合。人體白蛋白是一種分子量為66.5 kDa，擁有583個殘基的蛋白質(zhì)，具有非常長的半衰期（20 天）。白蛋白的主要作用是運輸血液中例如脂肪酸這樣的疏水性分子。脂肪酸修飾就這樣帶給了多肽分子相當(dāng)?shù)氖杷?，使得它們能夠與白蛋白結(jié)合并獲得它的庇護。與白蛋白的結(jié)合，可以增加多肽分子的半衰期，這是通過限制蛋白酶接近多肽-白蛋白結(jié)合物實現(xiàn)的（不要忘記白蛋白本身可以抵抗蛋白酶的降解），結(jié)合了白蛋白的多肽分子就像穿上了一層防彈衣一樣[6]。除此之外，降低腎臟清除率并利用FcRn介導(dǎo)的循環(huán)利用來增加半衰期，也是白蛋白發(fā)揮作用的機制。

       由于脂化多肽與白蛋白的結(jié)合是可逆的，因此脂化多肽分子被白蛋白釋放之后，它們就可以發(fā)揮其藥效[7]。重要的是，在正常生理條件下，白蛋白上的7個結(jié)合位點中只有2個被脂肪酸占據(jù)，從而消除了脂化藥物與白蛋白天然攜帶物產(chǎn)生結(jié)合位點競爭的威脅（脂化多肽上的脂肪鏈傾向結(jié)合白蛋白上的脂肪酸）。增加脂化藥物上脂肪酸的長度通常會導(dǎo)致更緊密的白蛋白結(jié)合，以此進一步增加半衰期[8]。最新的研究方向包括用更長的脂肪酸修飾多肽（18或20個碳），以及二元脂肪酸的介入。

       2

       增強遞送

       脂化的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢是它能夠增強藥物輸送。首先，多肽脂化可以使皮下注射后產(chǎn)生depot，延遲藥物吸收。其次，脂化能夠改善藥物的細胞通透性和吸收。

       脂化多肽和蛋白通常通過皮下給藥，可在注射部位形成可逆非共價多聚體。這些非共價多聚體的作用就像一個貯庫，延遲從注射部位到血液的轉(zhuǎn)移。舉個案例，與靜脈注射相比，皮下depot的形成幾乎可以使liraglutide的半衰期增加一倍[9]。而一旦藥物分子進入血液，與白蛋白的結(jié)合就會成為延長半衰期的主要機制。

       脂化的另一個主要貢獻是增加多肽藥物的細胞膜通透性（多肽藥物分子大多數(shù)親水性較強，因此膜通透性較弱）。脂質(zhì)基團增加了對細胞膜的親和力，并且可以插入細胞膜。對細胞膜的親和力增加也自然會促進更高的細胞攝取，對細胞內(nèi)遞送具有潛在影響。通常增加脂肪鏈長度，會導(dǎo)致細胞攝取增加。形成穩(wěn)定的非共價結(jié)合多聚體對于膜通透性的增強也有貢獻。

       3

       給藥途徑的開發(fā)

       脂化多肽的細胞膜通透性增加，還對給藥途徑的開發(fā)產(chǎn)生了深遠的影響。盡管口服多肽藥物在上世紀就有上市（cyclosporine和desmopressin）, 但脂化修飾為多肽口服制劑打開了一扇更廣闊的大門。諾和諾德的2型糖尿病口服多肽制劑Semaglutide（Rybelsus?）的成功（2019年被FDA批準(zhǔn)上市）極大地激發(fā)了從業(yè)者開發(fā)口服多肽制劑的熱情，而它的成功經(jīng)驗之一正是對GLP-1類似物進行脂肪修飾（圖1）。

       Semaglutide在口服給藥后能夠保持很長的半衰期（約153-160小時，而注射后為 168小時）。但口服遞送的方式顯著降低了它的生物利用度，因此需要更高的每日劑量。未來用于多肽口服藥的脂化試劑，可能會尋求比semegluitde (18碳) 更短的脂肪酸（例如12碳），這可能會增加生物利用度。由于與膜的相互作用增加，在胃中不形成穩(wěn)定多聚體的脂化藥物分子，也可能具有更高的滲透性和生物利用度，脂肪鏈的長度可以控制分子間多聚物的形成傾向。調(diào)整脂肪鏈的結(jié)構(gòu)，或許就是要在生物利用度與半衰期之間尋找一個優(yōu)化的平衡點。

       除此之外，脂化修飾還可以與滲透增強劑結(jié)合使用，而這也是Semaglutide（Rybelsus?）帶給我們的成功經(jīng)驗，8-(2-羥基苯甲酰胺基)辛酸鈉 (SNAC，圖4) 作為增強劑在Rybelsus?中得到應(yīng)用，與脂肪鏈修飾相得益彰地共同促進了這款口服2型糖尿病藥物的問世。

       在肽和蛋白質(zhì)的非侵入性給藥途徑中，肺具有快速和完全吸收脂化分子的特殊潛力。特別是肺泡上皮非常薄，而且僅被少量液體覆蓋，并且通常含有比皮膚或胃腸道低得多的藥物代謝酶水平。然而獲得審批的吸入性生物制劑目前仍然寥寥無幾。脂化多肽藥物在肺部遞送領(lǐng)域的利用尚未全部展開，正因如此，它也蘊藏著很大的開發(fā)潛力和希望。

       4

       藥理效力的提高

       藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)的修飾理論上會對效力和藥理活性產(chǎn)生影響，脂質(zhì)修飾也不例外。脂肪鏈長度、多肽氨基酸修飾位點、使用的連接手臂等因素都可能產(chǎn)生關(guān)鍵影響。脂化后的效果是無法單純從化學(xué)結(jié)構(gòu)上預(yù)測的，需要具體分析。

       脂肪鏈長度的增加既可能促進藥效，也有可能使藥效降低。因此對于脂肪鏈的選擇需要進行篩選，不可采取“越長越好”的錯誤理念。盡管semaglutide和tirzepatide的脂化結(jié)構(gòu)看上去很復(fù)雜（圖2），但那一定是在經(jīng)過嚴格篩選后所選取的公共最 佳結(jié)構(gòu)，平衡了各方面的性能指標(biāo)之后做出的決定。

       脂化修飾的位點也很有學(xué)問，不同的氨基酸修飾可能會導(dǎo)致截然不同的效果[10]。因此在藥物分子設(shè)計的過程中，有必要考慮不同具有親核性的氨基酸殘基。除了最常使用的賴氨酸側(cè)鏈氨基之外，包括N-端氨基與C-端羧基也可以作為潛在的脂化位點。

       用于將脂質(zhì)部分連接到目標(biāo)多肽的手臂結(jié)構(gòu)，也會影響藥物效力。對于效力隨著脂肪量增長而降低的分子，使用長親水性手臂來連接更長的脂肪酸，可以最大限度地降低脂肪鏈增加對于藥效的負面影響[11]。然而，手臂選擇如何影響藥物效力，通常是不可預(yù)測的。常用的連接手臂包括，Glu與乙二醇重復(fù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合使用，tirzepatide和semaglutide都是這樣的例子。這些親水性的手臂可能有助于合成和制劑，可以改善脂化多肽中經(jīng)常遇見的溶解度問題[12]。

       5

       降低免疫原性

       脂化也被證明可以降低潛在生物制劑的免疫原性，這一直是蛋白質(zhì)療法臨床轉(zhuǎn)化的主要障礙。截至2015年，89%的獲批生物制劑報告了一些免疫原性反應(yīng)，其中55%的反應(yīng)對治療效果產(chǎn)生了影響[13]。這些反應(yīng)包括危及生命的自身免疫、過敏反應(yīng)和由于形成抗藥物抗體 (ADA) 而加速的血液清除[14]。

       此外，一些原本旨在增加治療半衰期的修飾，雖然實現(xiàn)了目的，卻又引入了免疫原性，故而限制了療效[15]。有報道稱，接受脂化藥物的患者會產(chǎn)生低水平的抗藥物抗體，但迄今為止這些抗體的存在并未顯示會降低治療效果[16]。另一方面，在某些情況下，脂化肽的免疫原性甚至低于非脂化肽對應(yīng)物[17]。

       6

       展望

       Liraglutide與semaglutide的上市，尤其是后者以口服制劑的形式應(yīng)用，大大提振了業(yè)界人士對于脂化多肽藥物的開發(fā)熱情。盡管取得了這樣里程碑式的成就，但對于脂化多肽的藥物開發(fā)，仍然是路漫漫其修遠兮，需要多方面的推動作用以及協(xié)同進步。很多領(lǐng)域內(nèi)的愿景，比如抗體脂化仍未得到充分研究，其潛在的優(yōu)勢尚未被激發(fā)出來。

       此外，即使在脂化擁有明顯優(yōu)勢的應(yīng)用中，脂化策略的廣泛實施依然面臨諸多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：

       （1）缺乏脂化對細胞攝取和表皮/內(nèi)皮通透性影響機制的深刻理解，目前仍多存在于經(jīng)驗層面，并沒有上升到理論高度；

       （2）缺乏藥物脂化對抗原呈遞細胞（APC）的作用和免疫原性影響機制的理解。

       脂化肽和蛋白質(zhì)的一個關(guān)鍵研究方面是結(jié)構(gòu)對細胞攝取和滲透性的影響，這個領(lǐng)域的進步有助于更合理的藥物分子設(shè)計。在這方面，或許細胞穿透肽（Cell penetrating peptides）的研究，可以為多肽藥物脂化提供一些理論上指導(dǎo)和實驗手段上的支持。更為重要的是，多聚體形態(tài)的脂化多肽在細胞滲透性和吸收性方面的研究，也需要進一步加深。

       總之，新的脂質(zhì)化手段，再加上對脂化藥物功效機制的更好理解，無疑將推動后浪的不斷涌現(xiàn)。新一代脂化多肽藥物，或許將具有更多樣化和復(fù)雜的特性，并且能夠根據(jù)特定的應(yīng)用而量身定制，并能將糖尿病以外的其它適應(yīng)癥作為針對目標(biāo)，加速新藥的開發(fā)。