如何讓多肽進入細胞？只需這四步！

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作者：哥哈骎來源：藥渡

2023-11-22

多肽口服遞送的探索，早在上世紀80年代（1983）就已經(jīng)通過cyclosporine A（圖1）實現(xiàn)了歷史性突破。這個天然多肽可以實現(xiàn)較高的口服生物利用度，因此被開發(fā)為口服制劑。

圖1. Cyclosporine A化學結構

然而cyclosporine A的口服遞送激發(fā)了人們對于口服多肽的開發(fā)熱情，卻沒有將徹底打開口服多肽大門的鑰匙完全呈遞出來，人們對于多肽口服生物利用度的實現(xiàn)問題仍然在上下求索之中。除了多肽的穩(wěn)定性，抵抗多種酶降解之外，如何實現(xiàn)穿越細胞膜也是研究的重點之一。來自瑞士ETH大學的研究者最近通過一個柔性的十元環(huán)肽（圖2）進行了多肽穿越細胞膜的分子動力學模擬過程。

相對于過于柔性的直鏈肽，環(huán)肽具有所謂的“變色龍?zhí)匦?rdquo;（chameleonic behavior）。變色龍根據(jù)環(huán)境改變皮膚顏色，而環(huán)肽可以根據(jù)環(huán)境的極性改變分子構象。這種特性取決于環(huán)肽分子內(nèi)氫鍵與分子間氫鍵的轉化。

柔性十元環(huán)肽結構，來源: J Med Chem

在在研多肽藥物所謂的“Open”構象中，面對極性環(huán)境（例如血液或細胞質(zhì)中），環(huán)肽的可成氫鍵原子暴露出來，與溶劑中的對應物產(chǎn)生氫鍵，或者與極性溶劑分子形成氫鍵。但當環(huán)境變成非極性條件時（例如在細胞膜內(nèi)部），環(huán)肽可以轉而采取所謂的“Closed”構象，自己“卷而懷之”，通過形成分子內(nèi)氫鍵，將極性基團包裹在分子內(nèi)部，而將非極性結構暴露在分子表面，從而減小極性面積，降低去溶劑化能（desolvent energy, 指溶質(zhì)從水或其他溶劑中移開時所需的能量）。環(huán)肽的這種變色龍屬性對開發(fā)口服多肽制劑有所幫助，因為它可以平衡良好的水溶性和脂溶性，有利于增加細胞滲透性。

通常認為Closed狀態(tài)是環(huán)肽的主要的滲透狀態(tài)。但這是一個動態(tài)的過程，受到序列、分子大小、疏水表面積等多種因素的共同控制。研究者通過分子動力學模擬，將環(huán)肽分子通過被動滲透穿越細胞膜進入細胞內(nèi)部的過程模擬出來，突出了柔性構象對于環(huán)肽膜滲透的重要性，并將其分為四個步驟（圖3）：

特定的多肽側鏈殘基可以充當“分子錨”，在多肽分子插入細胞膜之前，作為“先遣部隊”建立環(huán)肽與細胞膜的初次接觸。

在“錨定”于細胞膜之后，多肽分子直接縱身躍入，將自身插入細胞膜極性頭部（polar headgroup）和非極性尾部（unpolar tail）區(qū)域之間的界面處。在這個過程中，環(huán)肽展現(xiàn)出兩種潛在的排列方向（orientation），Open狀態(tài)采取了orientation A和B，更偏好orientation A。Closed狀態(tài)的環(huán)肽只采取orientation B。

Open狀態(tài)向Closed狀態(tài)轉化，增加它滲透的機會。這時，多肽分子的變色龍性質(zhì)對于他們從極性的環(huán)境中進入非極性環(huán)境就非常重要了。Open狀態(tài)下的環(huán)肽很難實現(xiàn)接下來的擴散過程。

只有處在Closed狀態(tài)的環(huán)肽分子，才有可能從細胞膜表面的這種極性/非極性“夷夏混雜“的環(huán)境，擴散通過非極性的脂質(zhì)膜小葉上，并且擴散至另一側的極性/非極性界面。通過錨定和翻轉機制，實現(xiàn)最終的跨膜歷程。

圖3. 柔性環(huán)肽被動膜滲透的四個步驟，多肽為藍色，膜顯示為橙色。Closed構象的多肽由其分子內(nèi)氫鍵（虛線）表示。將多肽錨定在膜上的側鏈殘基用錨定符號表示。疏水矩（hydrophobic moment）從分子的極性部分指向非極性部分。