在电影《花月杀手》(Killers of the Flower Moon)中,一支注射器成为信任与背叛的令人不安的象征。患有糖尿病的奥塞奇族女性莫莉·伯克哈特接受原本用于治疗疾病的注射。然而,随着情节展开,治疗却成了投毒的途径。这些场景中的药物是胰岛素——它本身曾是一项非凡的科学突破 [1]。
影片的背景设定于20世纪20年代,恰好接近胰岛素临床应用的起点。胰岛素于1922年进入临床治疗,确立了补充体内缺失的生物物质这一治疗策略的价值。它的早期开发同样依赖纯化技术,以及活性物质的可靠供应[2]。
一个世纪后,多肽药物已涵盖工程化激素、大环分子、口服药物及靶向肽。这些进展源于相互关联的能力提升:合成特定序列、控制分子构型、发现新的结合分子,以及在患者体内实现有效的药物暴露。
本文沿着六个相互重叠的时代梳理多肽药物的发展,随后解析代表性分子的结构,以及帮助药物发现突破天然模板限制的两种展示技术。
图1.《花月杀手》电影海报与AI生成的胰岛素药瓶、注射器场景结合而成的编辑合成图。以技术瓶颈的突破为主线的发展路线图
六个时代的划分是本文的叙述框架,并非正式的历史分类。各时期存在重叠,因为新能力不断累积:现代药物发现仍然依赖化学合成、天然模板和精细纯化。
更有意义的区分是“发现突破”与“开发突破”:前者揭示或创造有潜力的分子,后者则将其转化为能够稳定生产并有效给药的治疗手段。两者并不必然相互保证。
图2. 六个相互重叠的时代及代表性里程碑。星号标记的年份为美国批准年份;AI设计仍属于研究阶段的能力。时代改变领域的关键问题1. 天然提取生物信号能否转化为治疗手段?2. 序列控制能否制备并系统改造这一分子?3. 工程化类似物能否改善稳定性、选择性和供应?4. 靶标导向发现能否不依赖天然模板而找到结合分子?5. 暴露与递送能否控制作用时间、吸收及到达部位?6. 整合设计能否协同优化化学、药理和递送?时代一 从自然界获得药物
胰岛素让肽类激素的治疗价值变得无可置疑。多伦多团队的关键成员包括弗雷德里克·班廷、查尔斯·贝斯特、J. J. R. 麦克劳德和詹姆斯·科利普。1921年的实验研究之后,1922年实现临床治疗,纯化与规模放大是其中的核心环节 [2]。
这一开端说明,多肽药物开发从来不只是发现生物活性。还必须明确活性物质的身份,将其与不需要的组分分离,并实现持续、稳定的供应。这些要求至今仍体现在化学、生产和质量控制(CMC)工作中。
第一个时代留下的长期启示是:生物学发现与药品质量必须同步推进。
图3. 1921年8月,班廷和贝斯特在多伦多的历史照片及胰岛素发展时间线。摄影:Henry Mahon/多伦多大学Thomas Fisher善本图书馆;CC BY 2.0许可。照片仅在排版中调整尺寸,未作其他修改。读懂多肽结构 从胰岛素开始
胰岛素含51个氨基酸,分布于两条成熟肽链:A链含21个残基,B链含30个残基。两条链间二硫键分别连接A7与B7、A20与B19;第三条二硫键位于A链内部,连接A6与A11 [3]。
序列只是结构描述的一个层次。连接关系规定哪些半胱氨酸彼此配对,而由此形成的三维折叠决定分子如何呈现其结合表面。因此,多肽即使具有预期的分子质量,仍可能存在错误的二硫键配对。
随着结构日益复杂,这一区分愈发重要。“环肽”可以指侧链二硫键形成的环、首尾相连的酰胺环,也可以指通过化学反应引入桥连结构的分子。这些结构在柔性、化学稳定性及生产要求上均有差异。
图4. 成熟人胰岛素的准确序列及天然二硫键连接关系。本图为序列与连接关系图,并非三维构象图 [3]。时代二至三 从序列控制到工程化类似物
1953年催产素的化学合成证明,具有生物活性的激素可以通过化学方法组装。1963年,Merrifield提出的固相多肽合成(SPPS)使在不溶性载体上反复延伸肽链成为实用技术,开启了对序列的系统探索[4,5]。
催产素是九肽,序列为Cys–Tyr–Ile–Gln–Asn–Cys–Pro–Leu–Gly–NH₂,含Cys1–Cys6二硫键。奥曲肽是经工程化设计的八肽生长抑素类似物,含D-Phe1、D-Trp4、Cys2–Cys7二硫键,以及C端苏氨醇。1982年的发现报告表明,序列与构象工程能够改善稳定性、作用持续时间和选择性 [6–8]。
环孢素A展示了另一种分子结构:它是首尾相连的环状十一肽,含七个N-甲基化酰胺氮。环孢素A将多肽药物的应用拓展到了激素替代治疗之外。这种天然存在、具有口服活性的免疫抑制剂由11个氨基酸残基首尾相连成环,含七个N-甲基化主链酰胺。其成功的口服应用展现了环肽的潜力,显示口服吸收很大程度取决于分子的整体结构与制剂[9,10]。
1982年,重组人胰岛素(Humulin)获得FDA批准,标志着制药生物技术时代的到来。作为首个采用重组DNA技术生产并获批的药物,它实现了无需依赖动物胰腺的人胰岛素规模化生产,并为工程化胰岛素类似物奠定了基础。
重组技术拓展了多肽药物的生产可能性。化学合成能够精确引入非天然氨基酸及主链修饰,而重组表达则使难以通过化学方法组装的较长多肽和蛋白质得以规模化生产。混合工艺将生物生产与化学或酶促修饰结合,为单一方法难以获得的分子开辟了生产路径。这些互补技术共同拓宽了能够被制造并开发为药物的多肽结构范围[2]。
图5. 来自PubChem的完整母体化合物二维结构,保留立体化学信息。分子结构图展示了二硫键成环与主链大环化之间的差异[7–9]。时代四 噬菌体展示技术 找到结合分子并读取其编码
George Smith于1985年的研究,在丝状噬菌体颗粒中建立了被展示蛋白片段与其编码遗传物质之间的物理联系。多肽文库平台进一步将这一原理扩展至包含大量序列变体的群体[11]。
在常见的M13噬菌体系统中,每个肽变体与次要衣壳蛋白pIII融合表达,相应DNA则包装在同一颗粒内部。当展示肽与靶标结合时,研究者可回收相连的噬菌体,并通过读取DNA确定肽序列 [12,13]。
筛选循环(生物淘选,biopanning)包括四个环节:让文库接触靶标,洗去未结合者,回收保留的噬菌体,再在细菌中扩增回收群体。重复这一循环,可富集符合筛选条件的结合分子。随后通过测序确定候选序列,进行合成及独立验证[12]。
噬菌体展示技术也可用于组合化合物库。在2009年的一项里程碑研究中,研究者将展示肽中的三个半胱氨酸连接到一个有机核心上,形成双环结构,并筛选出血浆激肽释放酶抑制剂[14]。
图6. 噬菌体展示技术将颗粒表面的多肽与同一颗粒内的DNA关联。富集后需对游离肽进行验证。噬菌体形态为示意,展示拷贝数因具体系统而异[11–14]。mRNA展示技术 将多肽直接连接到其编码信息
mRNA展示通过另一条路径建立基因型与表型的联系。携带嘌呤霉素的连接臂被接到每条mRNA的3′端。在无细胞翻译过程中,嘌呤霉素接受新生肽链,与其C端形成稳定的共价连接,从而将多肽与编码它的RNA关联起来 [15,16]。
在一种常见流程中,亲和筛选前先进行逆转录,生成与mRNA配对的cDNA。保留与靶标结合的融合分子后,通过PCR扩增其cDNA,所得DNA再用于下一轮转录与翻译。不同平台的逆转录步骤安排可能不同 [15,16,18]。
核糖体负责生成这种融合分子,但并不是筛选时维系连接的永久桥梁。这正是mRNA展示与核糖体展示的区别:后者依赖包含核糖体的非共价复合物。
无细胞翻译还允许有目的地调整可使用的构建单元。随机非天然多肽集成发现技术(RaPID)将mRNA展示与遗传密码重编程结合,使兼容的非天然氨基酸和大环化反应能够用于文库构建。但翻译体系的限制仍然存在,并非所有化学构建单元都能被自由引入[17–19]。
图7. 嘌呤霉素介导的肽链捕获及代表性的mRNA展示筛选循环。PCR扩增的是cDNA,而非直接扩增多肽或RNA。最终重新合成的候选肽不含RNA及展示连接臂 [15–19]。时代五至六 对药物暴露与多重活性进行工程化设计
司美格鲁肽的设计显示,少量序列变化与较长亲脂链的偶联能够显著改变药物暴露。它是含31个残基的GLP-1类似物:按GLP-1编号,第8位为Aib,第34位为Arg,Lys26通过连接臂偶联C18脂肪二酸。这些改造在保留有效受体活性的同时,增强了对蛋白酶降解的抵抗力及与白蛋白的结合[20,21]。
替尔泊肽采用另一种独立设计:以GIP为基础,含39个残基,同时激活GIP与GLP-1受体。其第2位和第13位为Aib,C端酰胺化,Lys20通过连接臂偶联C20脂肪二酸;同样利用白蛋白结合延长体内暴露[22]。
编号体系:司美格鲁肽的Lys26沿用天然GLP-1编号,实际上是其31残基肽链中的第20个残基;替尔泊肽的Lys20则从自身肽链起始位置编号。尽管两者均在各自肽链的第20个残基处进行脂化修饰,但它们的序列、连接臂化学结构、脂肪酸结构及受体活性均不同。
这些例子说明,结构修饰应服务于明确目的,例如保护酶切位点、改变受体识别、控制偶联位置或调整循环时间。
图8. 准确的多肽序列及主要修饰位点。Aib为α-氨基异丁酸。连接臂和脂肪二酸以示意方式标注,未逐原子绘制 [20–22]。从结合能力走向递送与治疗应用
近期突破拓展了多肽药物的递送方式及治疗范围。口服司美格鲁肽将工程化多肽与吸收促进剂SNAC结合,实现了胃部吸收,并促成Rybelsus于2019年在美国获批。其成功说明,分子工程与制剂技术能够协同克服递送障碍 [23,30]。
2018年获批的Lutathera展示了多肽作为放射性药物靶向组分的价值 [24]。 替尔泊肽于2022年获批,标志着多受体多肽设计的一项里程碑:单一工程化多肽能够同时激活GIP和GLP-1受体,说明协同调节两条代谢通路可以拓展多肽药物的治疗潜力。
Pegcetacoplan于2021年获批,展现了PEG偶联环肽通过抑制C3治疗阵发性睡眠性血红蛋白尿症(PNH)的潜力。Zilucoplan于2023年获批,将多肽类补体治疗拓展至通过抑制C5治疗全身型重症肌无力。这两个实例说明,多肽工程可以针对同一疾病相关通路中的不同靶点开展药物开发。
Icotrokinra和enlicitide体现了一项重大进展:针对已由注射用生物药在临床上验证的靶点与通路,专门设计口服多肽。Icotrokinra阻断IL-23受体,建立在靶向IL-23通路的抗体药物取得成功的基础之上;enlicitide则直接抑制PCSK9,而降胆固醇抗体药物已确立了这一靶点的治疗价值。它们的重要意义在于,通过分子设计与递送创新,将经过验证的生物学机制转化为口服多肽药物[26,27,31]。
计算设计正在为多肽发现增添新的路径,使研究者能够针对选定靶标设计环状结构和候选结合分子。AfCycDesign等方法展示了这一新兴能力,但要将设计出的结合分子转化为药物,实验优化与临床开发仍不可或缺[28]。
当前的机会在于把这些能力连接起来:通过筛选获得识别能力,通过化学构建所需结构,通过制剂实现递送,再通过开发研究建立有充分证据支持的治疗特征。
图9. 互补的工程化策略。司美格鲁肽与替尔泊肽是两种并行的设计实例,均将受体活性与延长体内暴露结合起来 [20–22]。从筛选命中的多肽走向开发候选物
展示平台解决的是身份识别问题:找回筛选实验中被保留分子的序列。后续开发仍须证明,独立获得的分子能够在预期生物环境中发挥作用,并能在质量受控的条件下生产。
已发表的默沙东PCSK9大环肽MK-0616发现项目说明了这一点。mRNA展示提供初始候选结构,随后通过结构指导设计和合成化学优化分子。筛选与药物化学是相互补充的阶段[25]。
实用的开发评价需要回答五个相互关联的问题:
1. 身份与活性:独立合成的物质是否符合预期序列、立体化学和连接关系,并能重现结合能力与功能效应?
2. 选择性与暴露:分子能否选择性识别预期靶标、抵抗相关降解途径,并以足够的游离浓度到达所需组织或细胞区室?
3. 安全性:观察到的效应能否归因于预期机制?是否充分表征了脱靶活性、耐受性及免疫反应?
4. 可制造性:合成或表达、环化、折叠、偶联及纯化能否以可接受的收率,稳定地产出目标产物?
5. 控制策略:分析方法能否将目标分子与具有质量意义的杂质区分开来,包括序列变体、差向异构体、二硫键错配及偶联变体?
这些问题是对本文实例所涉及开发议题的实践性归纳。应针对具体候选物制定评价要求,而不应将其视为通用的通过或不通过阈值。
多肽药物的百年发展史,也是一部能力整合史。胰岛素确立了生物信号的治疗价值;化学合成让特定序列变得可及;类似物设计改善了成药性质;展示技术扩大了可探索的分子空间。未来的突破,将取决于能否把这些能力整合到最终能够用于患者的分子中。参考文献
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历史照片:Henry Mahon/多伦多大学Thomas Fisher善本图书馆,1921年8月。采用CC BY 2.0许可(https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)。照片仅在图内调整尺寸,未作修饰。来源:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photograph_of_F.G._Banting_and_C.H._Best_with_a_dog_on_the_roof_of_the_Medical_Building_(12309019434).jpg
化学结构图:NIH PubChem,CID 439302、448601及5284373。其他科学示意图:BioFrontier。开篇图片:所提供的电影海报与AI生成的胰岛素场景合成。时代边界为近似划分;批准年份均指美国。资料核对日期:2026年10月12日。