Tranexamic Acid

引言 如果你在近几年关注生物医药的潮向，就很难绕开司美格鲁肽（Semaglutide）这个名字。它能从半衰期仅约2分钟的天然GLP-1摇身变为一周一次的“明星药”，其中一个突破正在于骨架第8位引入的非天然氨基酸（Non-canonical amino acid, ncAA）——Aib（氨基异丁酸），正是它打断了DPP-4酶的识别与降解[1, 2]。 图利拉鲁肽（上）和司美格鲁肽（下）的结构[2]利拉鲁肽同样是GLP-1类似物，用于糖尿病和肥胖的一日一次用药，司美格鲁肽基于前者优化设计而来。DPP-4在Ala8和Glu9残基之间切割。此外，司美格鲁肽Lys26侧链修饰的脂肪酸更长，且中间插入多条聚乙二醇醚（PEG，-O-CH2CH2-）柔性接头，进一步优化白蛋白亲和力。 2026年，随着Icotrokinra、Enlicitide等口服大环肽药物的相继获批，“口服肽药”的浪潮已然袭来。原本脆弱的多肽究竟靠什么挺过消化道酶解与细胞膜穿透的重重关卡？答案依然藏在ncAA身上。 图 Icotrokinra（上）和Enlicitide（下）的结构[3, 4]Icotrokinra于2026年3月获美国FDA批准，是全球首个靶向IL-23R的口服环肽，用于中重度斑块状银屑病治疗，共13个残基，其中9个为非天然氨基酸Enlicitide于2026年7月获美国FDA批准，是全球首个口服PCSK9抑制剂，含8个氨基酸残基，其中6个为非天然氨基酸 一、什么是ncAA？ 当我们谈论氨基酸时，教科书上的20种标准编码氨基酸构成了我们对生命体基础构件的直觉。然而，广阔的化学和生物世界远比这20种选择更加斑斓。在广义的口径下，ncAA涵盖了其余的所有形态：从构型翻转的D-型氨基酸、骨架被改造的N-甲基化氨基酸、碳链延伸的β、γ、δ-氨基酸，到引入人工侧链或具有强构象限制特性的特殊单体（如Aib），都位列其中。 据统计，美国FDA批准的含非天然氨基酸药物已超过110个（其中约有44%为口服剂型）[5]，仅获批的大环肽类药物就达到了30多个[6]。笔者认为，在现代药物设计中，ncAA已不再是局部的点缀，而是演变为一种驱动成药的“使能技术”（Enabling Technology），为突破传统药物设计的限制提供了强有力的工具箱。 图每十年含ncAA的美国FDA批准药物（左）和不同给药途径比较（右）[5] 二、ncAA有什么用？ 在深入具体案例之前，我们需要先达成一个共识：在结构精妙的药物分子中，某一个非天然氨基酸往往身兼数职。不过，为了更清晰地呈现其设计逻辑与演化脉络，本文暂且将其核心功能归纳为以下几种范式。 2.1 独当一面：ncAA自身即是药物 一旦开始讨论ncAA，人们很容易落入一个思维盲区——总以为非天然氨基酸药物必然是结构庞大的复杂多肽。事实上，许多ncAA本身就是独立的小分子药物，直接在神经、心血管及代谢等领域挑起大梁。 这类药物多以氨基酸骨架衍生物的形态直接成药。用于降压的甲基多巴（Methyldopa）是多巴的α-甲基化衍生物，作为“伪神经递质”在中枢转化为α-甲基去甲肾上腺素而发挥作用；缓解痉挛的巴氯芬（Baclofen）则是GABA（γ-氨基丁酸）类似物，以激动剂身份直接作用于GABA-B受体。而抗癫痫与神经病理性疼痛药物加巴喷丁（Gabapentin）与普瑞巴林（Pregabalin），虽同样以GABA为设计原型，却并不作用于GABA能系统：二者高亲和力结合电压门控钙通道的α2δ辅助亚基，减少兴奋性神经递质的释放；在结构与药代行为上，它们更接近亮氨酸等必需支链氨基酸，可经L型氨基酸转运体（LAT1）入脑。与它们形成对照的是，经典抗癫痫药物氨己烯酸（Vigabatrin，即γ-乙烯基GABA）不可逆地抑制GABA转氨酶，阻断GABA的降解而发挥疗效。此外，临床广泛使用的氨甲环酸（Tranexamic Acid）作为赖氨酸的类似物，是氨基酸骨架直接延伸成药的另一典型代表。 图 Gabapentin、Pregabalin、GABA与L-亮氨酸结构[7]普瑞巴林和加巴喷丁可高亲和力结合中枢神经系统神经元电压门控钙通道辅助亚基α2δ蛋白，能够减少脑组织神经递质释放。二者是γ‑氨基丁酸（GABA）的化学类似物，但不作用于GABA能神经元系统。功能上，它们与可代谢的必需支链氨基酸亮氨酸相近 2.2 避短扬长：为多肽药物打上药代动力学补丁 在多肽药物的设计中引入ncAA，是更为常见且应用极广的范式。研发人员主要通过精准的化学改造，全面优化多肽的ADME（吸收、分布、代谢、排泄）特征。 图非蛋白质氨基酸的不同引入策略以改善肽类药物的药代动力学特性[8] 天然多肽在体内极易被蛋白酶降解。以生长抑素（Somatostatin）为例，其天然形态的半衰期仅有1~2分钟，几乎无法作为药物使用。而在引入D-Trp等非天然氨基酸进行构象锁定和位点保护后，其衍生出的奥曲肽（Octreotide）半衰期能升至1.5小时以上，一跃成为治疗肢端肥大症和神经内分泌瘤的标准用药。类似的，去氨加压素（Desmopressin）通过脱氨基改造（脱去N端Cys的氨基）与D-Arg的联合替换获得抗酶解能力，同样是利用ncAA构筑抗降解屏障的经典范例。 图Somatostatin与Octreotide结构Octreotide在1位引入D-苯丙氨酸、4位引入D-色氨酸；相较于天然激素，该结构改造使其药效增强，半衰期提升50倍[9, 10]。C端Thr-ol（苏氨醇）修饰将末端羧基还原为羟基，消除羧肽酶的切割位点 多肽药物通往口服的一大掣肘在于肠道黏膜的低渗透性。天然多肽富含酰胺氢键供体，极性强，难以穿透脂质细胞膜。环孢素（Cyclosporine）于1983年获批，作为首个口服有效的天然N-甲基化环肽，其骨架上密集的N-甲基化修饰消除了氢键供体，大幅提升了脂溶性与膜通透性。前文提及的全球首个口服PCSK9抑制剂Enlicitide与首个口服IL-23R环肽Icotrokinra，也均是通过严密的结构导向设计，将大量ncAA与环化修饰联用，有效改善膜渗透与抗酶解能力，把口服生物利用度提升至临床可用范围。 图Cyclosporine结构11个残基中存在7个骨架N-甲基化位点 此外，设计多肽药物时，引入具有特殊空间位阻或功能侧链的ncAA，并结合环化等结构设计，可限制肽链的构象自由度，促进有利于靶点结合的构象形成，从而改善结合活性与代谢稳定性。以前文提到的Icotrokinra为例，其大环肽骨架通过两个青霉胺（penicillamine，Pen）残基之间的分子内二硫键实现环化。相较于半胱氨酸，青霉胺β-碳上的偕二甲基会改变局部空间位阻及二硫键的构象环境，可能有助于调节环肽的构象与稳定性[11, 12]。 2.3 亲自上阵：ncAA就是药效本身 与利用ncAA改变肽链构象或提高代谢稳定性不同，另一条更直接的设计思路，是让非天然氨基酸类似物本身承担核心药效团的作用。这类策略在酶抑制剂设计中尤为典型：通过改变氨基酸的关键官能团，直接干预酶催化所必需的化学步骤。 以氨基膦酸类化合物为例，研究者将天然氨基酸中的羧基替换为膦酸基，使其能够模拟肽键水解过程中形成的四面体过渡态或中间体，从而干扰蛋白酶的正常催化。例如化合物K-26：其结构中含有酪氨酸的α-氨基膦酸类似物。构效关系研究发现，与相应的羧酸类似物相比，膦酰基的引入使其血管紧张素转换酶（ACE）抑制活性提高约1500倍，显示出这一非天然结构单元对药效的决定性贡献[13]。 图 含生物活性天然C-P结构的代谢物[13] 类似的设计也见于硼酸类蛋白酶抑制剂：以硼替佐米（bortezomib）为例，其硼酸基团可与蛋白酶体催化位点的苏氨酸形成可逆共价加合物，模拟催化过程中的四面体中间态，从而抑制蛋白酶体活性。由此可见，非天然氨基酸类似物不仅能够调整分子的结合性质，还可以通过直接参与靶点识别或催化化学过程，成为决定酶抑制活性的核心药效结构。 2.4 正交手柄：为蛋白质装上定点连接位点 得益于遗传密码扩展技术（genetic code expansion, GCE）的发展，研究人员得以将一些天然蛋白质中没有的化学功能直接写入蛋白质序列：借助正交转运RNA（tRNA）/氨酰-tRNA合成酶（aaRS）系统，将携带特定反应基团的ncAA定点引入目标蛋白。这样，原本复杂的蛋白质便获得了一个预先设计的化学连接位点。 例如，对乙酰苯丙氨酸（p-acetyl-L-phenylalanine, pAcF）侧链带有一个酮基，可以与氨氧基试剂反应形成肟键。2003年，Schultz团队将这一氨基酸引入大肠杆菌表达的蛋白质，并利用其酮基实现了荧光分子和生物素的选择性连接。叠氮基、环辛炔等其他生物正交反应基团，也为蛋白质的定点修饰提供了不同的化学方案。 图含pAcF突变Z结构域与荧光素酰肼1的体外标记[14] 这种思路在抗体偶联药物（antibody–drug conjugate, ADC）中体现得尤为清楚。ADC需要把具有靶向能力的抗体与细胞毒性药物连接起来，但传统的赖氨酸或半胱氨酸随机偶联，往往会产生连接位点和载药量不一的产物混合物。这些差异可能进一步影响药物的稳定性、药代动力学和生物学活性。2012年，Axup等人展示了另一种设计路径：先将pAcF定点引入抗HER2抗体，再利用酮基与带有氨氧基的auristatin类毒素形成肟键。研究者由此获得了连接位点和药物抗体比（drug-to-antibody ratio, DAR）可控的ADC，并在细胞实验和啮齿类动物肿瘤模型中观察到显著的抗肿瘤活性[15]。 图利用pAcF定点偶联烷氧胺修饰的auristatin类毒素与抗HER2抗体 三、什么时候、用什么办法，把ncAA装进药里？ 同样，需要说明的是，药物研发的目的永远是治病，以生命健康为导向。ncAA作为一种承上启下的使能技术，正确的顺序永远是先有临床问题，再决定是否需要引入非天然构件，以及在哪个环节引入、如何引入。而究竟是采取“自上而下”的对现有药化物的优化设计，还是“自下而上”的寻找潜在药物或从头设计药物，便需要依据实际问题具体分析。 过去，ncAA的登场时机大多集中在hit-to-lead阶段：先拿到天然肽的活性骨架，再用SAR（Structure-Activity Relationship，构效关系）逐个位点替换，修补稳定性与亲和力。然而，若先导物所需的构象空间本就依赖非天然残基才能稳定，等到后期再补，可能“为时已晚”；此外，靠后期“打补丁”得到的分子，可优化的窗口通常已经所剩不多。近年，另一种范式正在兴起：让ncAA从发现的第一天就入场，即ncAA“不是例外，而是必需”（not an exception but a necessity）：在发现早期即纳入ncAA，能够显著加速先导开发与临床转化。话虽如此，二者也并无所谓的好坏之分，都是利用ncAA进行药物研发的有力手段。 图从头发现多肽结合分子的3大类展示技术骨架[16]A 噬菌体展示多肽（phage-displayed peptides，M13噬菌体），活大肠杆菌宿主内表达，引入ncAA难度高；需要正交tRNA-氨酰tRNA合成酶系统转运ncAA进菌体，文库一般只能引入少数种类ncAA；B mRNA展示多肽（mRNA-displayed peptides），体外无细胞翻译系统；新合成多肽通过嘌呤霉素（puromycin）共价化学键拴在编码这条多肽的mRNA的3’端；没有活细胞屏障，可以直接在建库阶段大量引入ncAA，构建带多种ncAA的线性/大环多肽文库，文库规模最大；C 化学合成多肽（synthetic peptides）,几乎可以任意掺入几百种ncAA，但文库规模一般低于生物展示，需要质谱完成解码 落到操作层面，把ncAA装进药里大致有三条路。其一，化学合成：固相多肽合成是肽类药物的主力工艺。其二，活细胞生物合成：2001年Schultz团队以正交的氨酰-tRNA合成酶/tRNA对将O-甲基酪氨酸定点掺入大肠杆菌蛋白质，首次证明活细胞的遗传密码可以人为扩容[17]，遗传密码重编程技术开始蓬勃发展。其三，体外翻译：Suga团队的flexizyme可在试管内给tRNA装上几乎任意单体[18]。在此基础上，将体外翻译、遗传密码重编程与mRNA展示相结合，便形成了RaPID（random non-standard peptides integrated discovery，随机非标准多肽整合发现系统）筛选体系。它能够从万亿（1012）量级的候选肽库中筛选具有目标结合能力的分子，其中的肽链可以预先引入非天然氨基酸，并通过环化等方式进一步拓展结构空间。 图RaPID系统示意[19]首先将mRNA文库与嘌呤霉素连接臂连接；随后利用FIT（Flexible in vitro translation）系统进行翻译，生成肽-嘌呤霉素-mRNA偶联物。对该混合物进行逆转录得到cDNA，再将其与固定化目标靶分子孵育。之后开展负筛选，去除非特异性结合在磁珠上的mRNA-肽融合分子；接着进行正筛选，分离出与靶分子结合的分子。 工具箱的另一半是数据与算法。SwissSidechain与CycPeptMPDB分别收录了非天然侧链的结构参数与数千条环肽的实测膜通透数据[20, 21]。随着人工智能技术的发展，2025年Baker团队报道的RFpeptides以扩散模型从头设计蛋白结合型大环肽，对每个靶点仅实验测试不超过20条设计序列，即获得中至高亲和力结合物（其中针对RbtA的设计达Kd<10 nM），复合物晶体结构与计算模型高度吻合[22]。 图利用深度学习精确从头设计高亲和力蛋白结合大环分子[22] 四、其他“药物”领域 ncAA的足迹并不限于药典。在疾病诊断中，合成氨基酸类似物是分子影像的重要弹药。以fluciclovine（anti-[18F]FACBC）为例：它是亮氨酸的刚性环状类似物，可经氨基酸转运体进入细胞，却不被细胞的蛋白质合成机器利用，因而能在正电子发射断层图像中“点亮”氨基酸摄取旺盛的肿瘤组织，已获FDA批准用于前列腺癌根治术后生化复发患者的显像。 图 FACBC通过L 型氨基酸转运蛋白-丙氨酸-丝氨酸-半胱氨酸转运蛋白 2（LAT/ASCT2）进入前列腺癌细胞[23] 双丙氨膦（bialaphos，又称膦丝菌素-丙氨酰-丙氨酸）是链霉菌产生的天然三肽，活性基团草铵膦（phosphinothricin，PT）为谷氨酸的结构类似物，可竞争性抑制谷氨酰胺合成酶，切断杂草的氮代谢；它由非核糖体肽合成酶装配而成，是多肽天然产物直接农用化的经典案例。 图双丙氨膦的结构[24] PT分子中的C–P–C基团以灰色方框标出 五、总结 从司美格鲁肽到口服大环肽，从小分子酶抑制剂到定点偶联的抗体药物，ncAA早已不只是天然氨基酸的替代品，而是药物设计中一套不断扩展的化学工具箱。ncAA在药物中的作用并没有统一的答案。它可以作为独立的药物骨架直接发挥作用，也可以通过改变构象、抵抗酶解、调节膜通透性与药代动力学，为多肽补上天然结构的短板；还可以凭借特殊的官能团，直接参与靶点识别或催化过程，为蛋白质提供精准的化学连接位点。不同的功能背后，其实是同一个思路：当天然的分子结构无法满足药物开发的要求时，我们能否通过化学改造，打开新的设计空间？这种可能性也在不断改变药物发现的方式。随着遗传密码扩展、体外翻译、多肽展示筛选以及计算设计等技术发展，非天然结构可以更早地参与候选分子的发现与优化，从一开始就探索更广阔的分子空间。 当然，ncAA并非万能钥匙。结构上的新颖不等于药效的提升，体外活性的增强也不必然意味着更好的临床表现。每一次修饰，都需要在靶点结合、选择性、稳定性、可开发性与安全性之间寻找平衡。真正重要的，从来不是引入了多少种非天然氨基酸，而是它们是否解决了药物开发中真实而具体的问题。 从这个意义上说，Beyond 20并不只是超越二十种标准氨基酸的化学边界，更是超越既有分子设计思路的一次尝试。当生命的基本构件不再局限于天然序列提供的选择，药物设计所能触及的空间，也将随之进一步拓展。 [1] Vilsbøll T, Agersø H, Krarup T, et al. 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