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司美格魯肽、替爾泊肽——脂化修飾多肽藥物之光

熱門推薦: 司美格魯肽 脂化多肽 Semaglutide
作者:哥哈骎  來源:藥渡
  2023-11-10
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(xì)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(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外宿主代謝,以及被腎臟從血清中消除。

       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(xì)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(xì)胞內(nèi)和細(xì)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(yuǎn)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(xì)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(yán)重的不良健康影響[2]。

       最后,多肽藥物在細(xì)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(xì)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(tuán)。在自然界中,細(xì)胞利用脂化來控制幾種蛋白質(zhì)的功能和細(xì)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(xì)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

表1. 部分脂肪修飾多肽藥物

部分脂肪修飾的多肽藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)(紅色橢圓區(qū)域為脂肪修飾結(jié)構(gòu))

部分脂肪修飾的多肽藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)(紅色橢圓區(qū)域為脂肪修飾結(jié)構(gòu))

部分脂肪修飾的多肽藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)(紅色橢圓區(qū)域為脂肪修飾結(jié)構(gòu))

部分脂肪修飾的多肽藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)(紅色橢圓區(qū)域為脂肪修飾結(jié)構(gòu))

圖2. Tirzepatide化學(xué)結(jié)構(gòu)

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(jìn),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(xiàn))[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(hù)。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。

血清白蛋白結(jié)構(gòu)

       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(jìn)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(xì)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(jìn)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(xiàn)是增加多肽藥物的細(xì)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(tuán)增加了對細(xì)胞膜的親和力,并且可以插入細(xì)胞膜。對細(xì)胞膜的親和力增加也自然會促進(jìn)更高的細(xì)胞攝取,對細(xì)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(xì)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(xiàn)。

       3

       給藥途徑的開發(fā)

       脂化多肽的細(xì)胞膜通透性增加,還對給藥途徑的開發(fā)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。盡管口服多肽藥物在上世紀(jì)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(jìn)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(jìn)了這款口服2型糖尿病藥物的問世。

8-(2-羥基苯甲酰胺基)辛酸鈉(SNAC)化學(xué)結(jié)構(gòu)

       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(jìn)藥效,也有可能使藥效降低。因此對于脂肪鏈的選擇需要進(jìn)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(yán)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(fù)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(yuǎn)兮,需要多方面的推動作用以及協(xié)同進(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)胞攝取和滲透性的影響,這個領(lǐng)域的進(jìn)步有助于更合理的藥物分子設(shè)計。在這方面,或許細(xì)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(xì)胞滲透性和吸收性方面的研究,也需要進(jìn)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)。

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