过去几十年间,大量致病性胞外蛋白靶点——此前仅能通过生物制剂触及——推动了抗体药物的蓬勃发展,但其对患者的影响始终受限于较低的药物可及性[1]。在西方国家,高昂的生产成本往往导致药价居高不下并引发支付方的抵制;而在更广泛的全球范围内,冷链物流和复杂的生产工艺要求限制了其可及范围。加之患者普遍强烈偏好口服给药方式,最终导致仅有少数符合条件的患者能够接受生物制剂治疗。
(图片来源:主要免疫学治疗领域中生物制剂的应用程度较低[2])
(图片来源:报销政策与保险机制的制约影响了生物制剂的普及[3])
如今,新一代技术正在不断发展,致力于实现制药产业的“终极目标”——能够模拟生物制剂疗效的口服药物,即通常所说的“口服生物制剂”。这类新一代疗法有望以快速、低成本、易于生产、储存和服用的形式,作用于已被充分验证的有效靶点[4]。口服生物制剂将有望创造数十亿美元的重磅产品,重新定义全球重大疾病的治疗标准。
这一向口服剂型的根本性转型,主要由大型制药公司推动。它们正积极投资相关技术与战略,旨在通过优化定价定位和提升患者用药便利性,来扩大市场可及性。同时,口服生物制剂的开发也有助于缓解迫近的“专利悬崖”——预计未来5到10年内,将有总值超过2000亿美元的重磅产品陆续失去市场独占权[5,6]。
大环化合物在口服生物制剂领域势头渐起
在更广泛的口服生物制剂类别中,大环化合物正成为大型制药公司关注的新兴热点。这类环状肽分子被视为潜在的“理想型分子”,有望兼具小分子药物的口服生物利用度和细胞渗透性,以及生物制剂靶向难以形成明确蛋白口袋的复杂靶点(如大型蛋白质-蛋白质相互作用)的能力。
(图片来源:大环化合物处于理想的药物结构区域,其口服吸收效果良好,并且具备与难以捕捉的目标分子结合的能力[7])
大环化合物在制药界的迅猛发展态势,正由两项已进入后期阶段、每日一次口服疗法项目的显著成功所印证:艾科托那单抗(强生与Protagonist合作开发)和恩利昔肽癸酸酯(默沙东与Ra Pharma合作开发)。艾科托那单抗是一款强效抗炎药物,已在银屑病领域成功完成四项三期临床试验,并正针对溃疡性结肠炎开展研究。其新药申请已提交,目前正与已获批的注射用生物制剂乌司奴单抗进行头对头研究——后者在2023年全球销售额接近110亿美元[8]。
恩利昔肽癸酸酯则通过抑制PCSK9的作用机制,在三项三期临床试验中显著降低了“坏胆固醇”水平——该机制此前已通过注射药物革新了胆固醇管理领域[9]。高胆固醇影响着全球超过8600万美国人,也是心血管疾病的主要诱因之一,推动着规模达数十亿美元的PCSK9抑制剂市场。
这两款候选药物充分彰显了大环化合物巨大的商业潜力,但值得注意的是,它们均通过传统的基于肽类的大环化合物药物化学方法推进研发。这一过程具有高风险、耗时费力且成功率低的特点,所得肽类大环化合物的生物利用度通常也极低。尽管药效显著,艾科托那单抗和恩利昔肽癸酸酯的口服生物利用度仍仅为行业常规水平的1%至2%[10],这不仅影响了生产成本,也因需使用渗透促进剂而对患者空腹服药提出了要求。
设计具有更高口服生物利用度的大环化合物
以Orbis Medicines、Unnatural Medicines、Vilya、Curve Therapeutics及Circle Pharma等为代表的企业正在开发的新一代大环化合物,通过将更丰富的化学多样性融入更小、更易生产的分子结构中,对早期分子进行了优化,从而更有可能获得良好的类药性质。研究者不再局限于20种天然氨基酸,而是能够从超过6000种合成氨基酸中进行选择,从而进入一个近乎无限的设计空间——其中蕴含的潜在分子数量甚至超过宇宙中的星辰[11]。
(图片来源:下一代大环结构使得分子具有更强的药物特性,同时其结构多样性也更为丰富)
如今,通过将自动化高通量大环化合物合成筛选与人工智能驱动的计算过滤技术相结合,在苗头化合物至先导化合物优化阶段对这一化学空间进行系统性探索已成为可能。下文将阐述的两个关键技术领域的进步,已推动大环化合物开发从高风险、低通量的手工式过程,转变为一个可编程、数据驱动的系统化学科[12]。
固相合成技术的突破
固相多肽合成技术的进步,通过实现多样化分子库的自动化、高通量生产与筛选,彻底改变了大环化合物的药物发现流程[13]。
传统的固相合成方法需对每个大环化合物进行单独合成、纯化与表征,这一过程本质上效率低且资源密集,可扩展性有限。然而,近期生物技术发现平台的改进已能实现超过1,536种肽在微孔板格式中同步合成。结合基于溶液化学的额外稳健化学修饰,仅需数周时间即可获得数万个结构多样、可直接用于筛选的大环化合物[14]。
“分割-混合”固相合成策略进一步提升了这一效率[15]。通过将树脂珠物理分割至多个反应容器中,用不同结构单元进行修饰后再重新混合,化学家可在一周内构建包含数百万种独特大环化合物的组合库。
过去,该方法因解析困难——即确定筛选中出现的每个活性大环化合物的精确结构——而受到限制。如今,亲和选择-质谱联用技术的最新进展,使得从树脂珠或混合库中分离出结合分子、直接进行测序或片段分析,并将其质谱信号回溯至对应的结构单元组合成为可能[16]。这种快速、准确的活性分子解析方式,让大型组合库的完整潜力得以释放。
在整个生物技术行业,近期的进展聚焦于将固相合成技术规模化并直接整合至端到端的药物发现工作流程中[17]。自动化合成仪与机器人平台如今将合成与筛选连接成连续的发现管线,可并行评估结合亲和力、细胞渗透性、蛋白酶稳定性等多项性质。
作为概念验证,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的Christian Heinis研究团队展示了一种自动化大环化合物设计方法,成功设计出一种在大鼠体内口服生物利用度达18%的凝血酶抑制剂——相较于行业常规的约1-2%水平,这是显著提升[18]。该研究发表于《自然·化学生物学》,构成了Orbis Medicines药物发现平台的基础,并凸显了新一代发现平台在针对几乎任何蛋白靶点开发口服生物利用度优异的大环化合物方面的巨大潜力。
人工智能驱动的药物发现
随着生物科技公司产生的数据集日益庞大和复杂,人工智能与机器学习已成为加速和优化药物设计的重要工具。如今,生成式AI模型能够针对特定的发现目标进行定制,并结合公开与专有数据进行训练,从而提升预测准确性与分析能力[19]。
尽管取得进展,当前生命科学领域的生成式模型主要擅长预测分子结合,而非功能活性。即便对于结合预测,在涉及含有合成氨基酸的大环化合物及多肽时仍具挑战性,因为这些化学空间的结构与生物物理数据仍较为有限[20]。
因此,专有实验数据正成为影响AI驱动药物发现性能与可靠性的关键差异化因素。对大型生成模型的早期研究表明,若主要使用AI生成的数据进行训练,模型质量会随时间下降[21],这凸显了经过实验验证的真实世界数据的必要性。
在大环化合物领域,这意味着必须获取通过自动化固相合成与高通量筛选产生的广泛、高质量数据集,才能构建下一代预测模型。
该领域的前沿公司正在利用真实世界数据训练AI系统,以指导以下环节:
靶点识别——结合靶点结构数据(如X射线晶体学)与计算蛋白结构预测,生成能高亲和力结合靶点的候选大环化合物。
“从初步筛选到最终优化”的研发流程——设计在细胞渗透性、口服生物利用度等多参数上优于初始苗头化合物的新类似物。由于大环化合物并不遵循已成功应用于小分子药物的标准开发准则,其可开发性预测更为复杂。特别是AI模型必须考虑大环化合物依环境改变构象与极性的能力,这直接影响其细胞渗透性及其他类药性质。
结构‑功能预测——基于实验功能数据构建模型,建立分子设计与生物活性之间的直接关联。
这些进展共同标志着大环化合物药物开发进入新时代:自动化合成筛选与AI驱动设计在持续反馈中协同运作,将药物发现转化为一个自我优化、数据驱动的迭代过程。
黄金交汇点:大环化合物的创新与机遇融合
新一代大环化合物已迎来“黄金交汇点”——新技术与市场需求在此汇聚,共同推动这一曾被视为超越传统药物开发能力的治疗模式快速前进。
(图片来源:物理技术与虚拟技术的结合使宏观循环设计更加高效)
近期目标清晰明确:
展现新兴技术如何显著提升大环化合物设计的效率与精准度
推出比第一代分子具有更优口服生物利用度的大环化合物
发挥大环化合物的固有优势,加速行业从注射生物制剂向口服疗法的广泛转型,最终提升全球患者的用药可及性与便捷性
通过高口服生物利用度的口服大环化合物,推动两种药物的固定剂量复方开发,从而创造口服“双特异性”药物,在难治适应症中实现更强疗效,同时保持更低的定价、更优的患者可及性与全球分发能力
曾被视为不可企及的大环化合物化学空间,正变得可系统探索。创新者正将能够大规模合成、筛选与分析的自动化系统,与能在前所未有的化学多样性中进行预测建模的AI驱动平台相结合。曾经的愿景前沿,如今已成为实现大环化合物完整治疗潜力的切实机遇。
参考资料
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2.Sanofi. (2023). R&D Day 2023 investor presentation [PDF presentation]. https://www.sanofi.com/assets/dotcom/content-app/events/investor-presentation/2023/r-and-d-day-2023/Presentation.pdf
3.Loiselle AR, Chovatiya R, Thibau IJ, et al. (2024). Evaluating Access to Prescription Medications in the Atopic Dermatitis Patient Population in the USA. Dermatology and Therapy. https://doi.org/10.1007/s13555-024-01205-0
4.Zeng H, Ma M, Peng X, et al. (2025). Oral Delivery Strategies for Biological Drugs. Small Methods, 9(7). https://doi.org/10.1002/smtd.202401355
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