双环肽(bicyclic peptide)药物是制药行业研发的一个新兴领域。双环肽分子中通常整合了某些不同于天然多肽的结构,属于拟肽类物质,因此可以视为结合了多肽和小分子结构特征的药物,使其能够以更高的特异性靶向多种疾病靶点,同时也可被赋予优于天然多肽的药代动力学性质。本期内容主要分享双环肽药物的发展现状。
一
双环肽简介
所有具有两个大环结构的肽通常被认为是双环肽。双环肽(Bicyclic Peptide)的长度一般在9-20个氨基酸之间,分子量在1.5~2KDa。从环拓扑来看,双环肽的结构可以包括以下情况:
图1 双环肽拓扑结构的简化表示
、
(a):由锚定在肽序列内三个点的支架产生
(b):含有内部桥的大环肽,这种类型存在于自然界中
(c): 双钉肽
(d):双大环肽
二
天然双环肽
自然界中同样存在大量双环肽,例如 α-鹅膏蕈碱和 SFTI-1(图3)。其中常见的重要结构包括:
• 色氨酸桥:α-鹅膏蕈碱(α-amanitin,图2a)和鬼笔环肽(phalloidin)等鹅膏毒素(Amatoxins)天然双环肽,通过色氨酸衍生物桥键联而形成的双环结构。α-鹅膏蕈碱是已知最致命的毒素之一,其口服半数致死量(LD50)约为0.1 mg/kg。
• 二硫键桥:SFTI-1是一种头对尾的环肽,具有二硫键,可以抑制丝氨酸蛋白酶肝素,其抑制常数小于亚纳摩尔(图2b)。SFTI-1常用作蛋白酶抑制剂或作为分子接枝支架。通过将已知的四肽药效团引入双环 SFTI-1 中,创建了黑皮质素的有效配体。
图2. 天然双环肽化学结构
• 组氨酸桥:Theonellamides 和 theopalauamides 是来自海绵 Theonella 属的双环肽,通过组氨酸丙氨酸桥构建(图2c)。Theonellamides 具有抗真菌活性和细胞毒活性。这类多肽的环状结构是通过组氨酸衍生物桥组成的。
• 芳香醚桥:Nyuzenamides A–C(图2d)是在链霉菌属的水生细菌中发现的。Seongsanamides A–D 从多孔菌门成员的海洋芽孢杆菌中分离出来,这七种双环肽的环桥结构相似,都属于异二酪氨酸键的环状肽。Nyuzenamide A和B表现出细胞毒性和抗真菌活,而含肉桂酸的nyuzenamide C在细胞培养实验中表现出抗血管生成特效。
三
双环肽的合成技术进展
1. 双组分分子间双环化
经典试剂:1,3,5 - 三 (溴甲基) 苯(TBMB)通过半胱氨酸烷基化生成双环肽,结合噬菌体展示技术可快速筛选生物活性双环肽;后续衍生出 TATA、TAAB、TBAB 等改良试剂。
图3. 含三个半胱氨酸的肽的TBMB双环化
新型策略:利用全氟芳基连接体(如十氟联苯 DFBP)与苯 - 1,3,5 - 三硫醇(BTT)分步反应实现双环化;金属介导的 S - 芳基化(Au (III) 复合物、Pd 催化)可一步完成三半胱氨酸肽双环化;三价铋(BiBr₃)在生理 pH 和还原条件下诱导双环化,适用于药物发现。
图4. 利用DFBP和BTT对含有三个半胱氨酸的多肽进行双环化
非半胱氨酸修饰:利用赖氨酸和精氨酸残基,通过甲醛介导的钉合策略实现双环化,突破了半胱氨酸修饰的局限性,但限制了经典氨基酸的序列空间。
图5. 四氢三嗪键融合双环肽的合成
2. 预安装反应位点的分子内双环化
在固相肽合成(SPPS)过程中,将反应位点整合到线性肽链中,无需外部试剂即可实现环化。例如:N 端引入 3,5 - 双 (氯甲基)-4 - 甲基苯甲酸与半胱氨酸形成硫醚键;通过光反应在脯氨酸上引入双羧酸基团,实现酰胺键介导的双环化;
图6..N端3,5-二(氯甲基)-4-甲基苯甲酸合成双环肽
2,6 - 二氰基吡啶与 1,2 - 氨基硫醇基团反应,在生理 pH 下自发环化,可用于 Zika 病毒蛋白酶抑制剂合成。
图7. 利用2,6-二氰吡啶和1,2-氨基硫醇残基在SPPS过程中结合成线性肽的反应性合成双环肽
3. 后期修饰介导的双环化
利用 N 端丝氨酸的 1,2 - 氨基醇活性,氧化生成乙醛后与含羟胺的 BCMB 衍生物通过肟连接,再与半胱氨酸形成双硫醚键,所得双环肽可通过偶氮基团实现光切换,适用于光药理学研究。
图8. 通过HADCAz连接的光响应双环肽的合成
4. 大环内交联形成双环肽
由于天然的双环肽经常包括内部的交叉连接,因此这种拓扑结构长期以来一直是化学合成的主要目标。最近有许多关于大环肽内的桥接的例子(图6)
图9. 桥联双环肽的拓扑结构
其中包括已在环状肽内生成的Phe-Phe、Phe-Tyr和Tyr-Tyr类似的双芳基连接(图6a和7a)。合成可以根据特定的连接进行定制,但通常需要微波辅助Suzuki-Miyaura交叉偶联条件。
图10. 选定桥接双环肽的化学结构
(a) Phe-Phe二芳基连接双环肽(图6a) (b) opa双环化肽(SCHEME 10)
四
双环肽药物发展与应用
双环肽药物的起源与重要性
双环肽药物因其生物兼容性、多样性和刚性脱颖而出。这类药物可能成为小分子和抗体类药物的重要替代品。目前,双环肽药物的应用已广泛涉及蛋白质相互作用抑制剂、酶抑制剂,以及受体激动剂和拮抗剂等多个关键领域。
双环肽药物的设计优势
相较于传统的线性肽,环状结构提供更好的稳定性和与生物大分子的相互作用,从而提升药物设计效果。
▸ 构象刚性极致化
双环结构固定分子构象,减少卷曲,提升靶点结合精准度、特异性与亲和力,降低构象熵损失。
▸ 结构稳定性升级
双环环化增强抗酶解、抗降解能力,延长半衰期,解决肽药代谢快问题,满足成药稳定性要求。
▸ 靶点结合适配性强
双环空间结构精准匹配靶点立体位点,阻断蛋白 - 蛋白相互作用,拓展肽药靶向范围。
▸ 修饰与多样性兼顾
双环骨架修饰位点丰富,可优化理化与生物活性,设计多样结构适配不同靶点研发。
▸ 成药性价比高
相较抗体更易合成、成本更低;对比单环 / 线性肽,提质效无需增加合成复杂度。
▸ 偶联适配性佳
双环骨架偶联位点稳定,可连接各类治疗模块,构建复合型药物,实现靶向 + 治疗双重功能。
双环肽药物应用
主流研发方向为抗菌、抗癌,多款双环肽-毒素偶联物进入抗癌 I/II 期临床,机制类比 ADC,以双环肽替代抗体靶向肿瘤过表达蛋白,药理学特征独特,未来或用于递送治疗性 RNA、放射性同位素。
图8 双环肽-毒素偶联物BT5528的化学结构
双环肽经优化可开发多环肽,如默沙东三环肽 MK-0616(由双环先导药优化而来,活性提升 200 倍以上),为口服高胆固醇血症药物,靶向 PCSK9,目前处于 II 期临床,弥补现有单抗药物成本高昂的短板。
五
展望
双环肽领域已取得突破性进展,天然次生代谢物的持续发掘,预示着自然界中仍有更多可挖掘的相关资源;拓扑结构合成技术的发展,也为双环肽疗法研发筑牢了技术根基。尽管目前仍面临细胞渗透性、口服生物利用度的研发挑战,但从生物制剂研发视角来看,此类因素并非其临床转化成功的绝对必要条件。未来,随着研究的持续深入与技术的不断突破,双环肽乃至多环肽有望成为创新医学疗法的核心驱动力。
参考文献:DOI:10.1002/pep2.24326
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