双环肽：为未来药物铺平道路

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。Peptide Science 杂志近日的一篇综述回顾了双环肽药物的发展现状。

双环肽简介

双环肽最著名的例子之一，是由 Apellis Pharmaceuticals 开发的Pegcetacoplan（商品名：Empaveli）。Pegcetacoplan 的靶点是 C3补体蛋白，可用于治疗阵发性睡眠性血红蛋白尿 (PNH) 和其他补体介导的疾病。它于2021年5月获得FDA的加速批准。从其化学结构（图1）可以看出，pegcetacoplan的双环由两个二硫键所构建，这一环结构也类似于天然多肽。

图1. 双环肽Pegcetacoplan化学结构。

多肽类药物具有很多特点，例如安全性高、选择性高，但口服生物利用度低、稳定性较差。基于这些考虑，环肽药物的出现可以趋利避害，即充分利用多肽的优势，又在一定程度上弥补它们的缺陷。环化本身就属于多肽化学修饰的手段之一，例如，天然化合物环孢菌素（cyclosporine）的临床成功证明了这些修饰的重要性，它含有非蛋白质氨基酸残基、N-甲基化主链、D-型氨基酸，并受到大环化的限制（图2）。

图2. Cyclosporine A化学结构。

化学结构受限的多肽的临床潜力已经越来越为人注意，限制多肽的链柔性，不仅有可能增强它与靶点之间的结合强度以及选择性，还有可能优化它的药代动力学特征，提升其类药性。诸如大环化、装订肽和多环化的环化多肽的药物开发，已成为多肽药物研发领域内的热点。

相对于更常见的单环肽，多环肽逐渐成为更为新兴的领域（图3）。与单环肽相比，双环化增强了结构刚性，提高了代谢稳定性，并增加了靶点亲和力。双环肽的结合特性与抗体的结合特性有些相似，其结构使其特别适合干扰蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）。两个环都有可能与潜在的靶点上的不同区域结合，甚至结合两个不同的靶点。双环肽通常被设计为抗菌剂或抗癌剂，在这些领域起到重要作用。

图3. 1991 年至 2021 年有关双环肽及其引用的科学文献。发表和引用数据分别来源于PubMed和 Web of Science。图片来源：Pept. Sci.

所有具有两个大环结构的肽通常被认为是双环肽。从环拓扑来看，双环肽的结构可以包括以下情况：

• 由锚定在肽序列内三个点的支架产生（图4a）

• 含有内桥的大环肽（图4b），这种类型存在于自然界中（图5）

• 双钉肽（图4c）

• 双大环肽（图4d）

图4. 双环肽的拓扑结构。图片来源：Pept. Sci.

天然双环肽

自然界是药物设计取之不尽的宝库。多肽药物的开发，也经常向自然界求教。很多天然多肽都具有抗菌活性和细胞毒性，它们以及它们衍生的次级代谢产物可以成为多肽药物开发的起点。包括万古霉素和环孢菌素在内的很多环肽已经成功应用于临床。

图5. 天然双环肽化学结构：(a) α-amanitin (α-鹅膏蕈碱，致命毒素)；(b) SFTI-1 (Sunflower trypsin inhibitor 1, 向日葵胰蛋白酶抑制剂); (c) Theonellamide K; (d) Nyuzenamide C。图片来源：Pept. Sci.

自然界中同样存在大量双环肽，例如 α-鹅膏蕈碱和 SFTI-1（图5）。其中常见的重要结构包括：

• 色氨酸桥：α-鹅膏蕈碱（α-amanitin，图5a）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。它们是俗称“死帽蘑菇（death cap mushroom）”的鹅膏菌（Amanita phalloides）中毒性的主要来源。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 是一种带有二硫键的头尾环肽，能够以亚纳摩尔级别的抑制常数抑制丝氨酸蛋白酶胰蛋白酶（图5b）。自从被发现，SFTI-1就迅速成为了研究热点，用作蛋白酶抑制剂或作为分子接枝支架。研究者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。

• 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5c）。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5d）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性，带有肉桂酸结构单元的 nyuzenamide C（图5d），在细胞培养实验中显示出抗血管生成的功能。Seongsanamides A–D 在细胞研究中显示出抗过敏药的潜力，其中 seongsanamide A 在小鼠模型中也具有活性。 

双环肽药物

大多数双环肽被设计用于抗菌或抗癌应用。双环肽-毒素偶联物 BT1718、BT5528（图9）和 BT8009正在 I/II 期临床试验中作为抗癌药物进行评估。双环肽-毒素偶联物的概念可以类比于抗体-药物偶联物(antibody-drug conjugate, ADC)，其中抗体被双环肽取代。

双环肽-毒素偶联物中的双环肽，可以靶向在肿瘤中过度表达的蛋白质靶点。受益于这些双环肽的独特性质，双环肽-毒素偶联物已表现出与ADC不同的药理学特征，为开发靶向癌症疗法开辟了新的机会。未来几年，双环肽也可能成为递送治疗性 RNA 或放射性同位素的一种选择。

图6. 双环肽-毒素缀合物 BT5528 的化学结构，由 TATA 连接的双环肽 BCY6099、spacer、组织蛋白酶可裂解接头和细胞毒素 MMAE 组成。图片来源：Pept. Sci.

PCSK9蛋白抑制剂的开发，一直以来都是制药领域关注的重点之一，因为这类抑制剂具有对高胆固醇血症的潜在治疗效果，如果能够上市，必将成为“重磅炸弹”级别的药物。包括Amgen 的单克隆抗体 Repatha和赛诺菲/再生元制药的 Praluent在内的高胆固醇血症药物，结果都不怎么令人振奋，部分原因是它们的高昂成本。

大环肽在这方面可以大显身手。默沙东目前的在研药MK-0616最有希望将多肽口服制剂引入高胆固醇血症的治疗。它的化学结构于2023年出被揭示出来（图7c），目前正在进行II期临床试验评估。口服抑制剂对高胆固醇血症显示出光明的前景，可以抑制 PCSK9 与低密度脂蛋白受体 (LDLR) 的关键蛋白质-蛋白质相互作用。对双环先导药物（图7a）的优化，产生了三环肽MK-0616，其活性提高了 200 倍以上。该系列抑制剂的开发凸显了多环肽在医学上的巨大发展潜力。

图7. 靶向 PCSK9 的大环肽。(a) 初始双环肽先导化合物的化学结构；(b) PCSK9（绿色）和与之结合的双环肽抑制剂（紫色）的 X 射线共晶结构（PDB：6XIE）；(c) 临床候选药物和三环肽MK-0616的化学结构。图片来源：Pept. Sci.

双环肽药物开发展望

双环肽领域已经取得了重大进展。双环肽次生代谢物的不断发现表明，自然界中可能存在更多的次生代谢物。构成拓扑结构的合成手段，是开发双环肽疗法的强大工具。目前正在进行临床试验的双环肽在研药，也让人们对此模式药物的未来充满乐观。虽然细胞渗透性和口服生物利用度仍然是需要解决的挑战，但从生物制剂的角度来看，这些因素对于药物的临床成功来说并不是绝对必要的。随着研究人员不断为双环肽的应用铺平道路，越来越多的双环肽，甚至多环肽，有可能成为创新医学疗法的驱动力之一。

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Bicyclic peptides: Paving the road for therapeutics of the future

Sven Ullrich, Christoph Nitsche

Pept. Sci., 2023, DOI: 10.1002/pep2.24326

（本文由北纬55°供稿）