浅谈:口服多肽药物开发的关键参数设计

似是故人来 · 发表于 2024-5-27 13:52:33

作者：药渡

来源：药渡撰文：哥哈骎编辑：安非他命

在北欧多肽论坛中，笔者注意到来自西兰制药（Zealand Pharma）的计算化学和机器学习专家OctavCaldararu博士做的有关口服多肽机器学习的报告，阐述了在开发口服多肽的过程中需要注意的几个关键参数。

Octav Caldararu博士在分析了5339个多肽药物或者候选药物之后发现，开发口服多肽需要在以下几个参数方面加以控制：

TPSA(Topological Polar Surface Area) ≤ 300 Å2

他通过一个具体的口服多肽设计案例，说明了以上参数对于多肽口服递送的重要性。他尤其强调了TPSA在设计口服多肽中的关键角色。

之后笔者又查阅了关于口服多肽的文献，Santos et al在ChemMedChem上发表的Oral Administration of Peptide-Based Drugs: Beyond Lipinski’s Rule，通过详尽的统计学手段，分析了口服多肽在物理化学参数方面的指标特征。他们的结论与Octav Caldararu博士的观点相近，即口服多肽需要在分子量、LogP(亲脂性)、HBD和TPSA方面加以控制。除此之外，Santos还论述了分子刚性和可旋转键数量的重要性。

图1. 口服（蓝色）与肠道外（绿色）给药多肽的分子量与亲脂性分布

上图显示了分子量和亲脂性与多肽药物递送之间的关联。从分布来看，口服多肽的分子量在1200 Da.以下（可以粗略地看作12元肽），而且Log在-5到8之间。因此来看，多肽口服递送在分子量和LogP上，与利平斯基五规则有一定的出入。利平斯基五规则要求分子量小于500 Da., LogP小于5。

利平斯基五规则

亦称里宾斯基五规则，内容为：

简化后的四规则去掉了关于可旋转键的数量限制；三规则进一步去掉了对氢键受体数量的限制。四规则和三规则有时仍然被称作“五规则”，这里的五指的是各条规则的判别值均为5的倍数。

图2显示了氢键受体数量（HBA）和氢键供体数量（HBD）与递送方式之间的关联。从该图中可以看出，大多数口服多肽的HBA在50以下，HBD在25以下，恰好是利平斯基五规则在各自方面的5倍（HBA不超过10，HBD不超过5）。

图2. 口服（蓝色）与肠道外（绿色）给药多肽的HBA和HBD分布

除了利平斯基五规则的四条规则之外，其他评估多肽药物口服递送的指标还包括：

分子柔性（通过自由旋转键的数量number offreely rotatable bonds，NRB 来衡量）
拓扑极性表面积（TPSA, TopologicalPolar Surface Area）
sp3杂化碳原子分数（Fsp3，fraction of sp3-hybridized carbon atoms)

酰胺键与水之间形成氢键，这对于多肽的口服生物利用度和细胞膜渗透具有不利影响，这恰好是多肽分子不利于口服递送的原因之一，因为多肽的肽链骨架就是酰胺。高极性表面积也非常不利于口服递送。

Veber等人曾经归纳出口服多肽的NRB应该小于10，即刚性对于多肽的口服生物利用度是有利的，这也是像cyclosporine A这样的多肽能够实现口服递送的原因所在，也是多肽环化可能会对口服递送产生积极影响的理论基础。尽管环化可以减少N-端和C-端两个电荷，增加一定的亲脂性，但它的关键作用并不在此，而可能是增加多肽的刚性。

芳香环、sp3碳和手性碳的特征表明，具有空间三维度，而不是过于“平坦”的多肽有利于口服递送。Fsp3的定义是sp3杂化碳原子数除以总碳数。口服肽的Fsp3小于47%。这是一条没有被列入利平斯基五规则的指标。图3显示了Fsp3和NRB以及口服多肽之间的关联性。数据分析显示，口服多肽的可旋转键NRB通常在20个以下，平均Fsp3为55%。目前，与口服小分子药物相比，NRB增加了100%，Fsp3增加了 8%。

图3. Fsp3和NRB与多肽口服递送的关联：口服多肽（蓝色）、胃肠道外多肽（绿色）

Veber等人观察到口服多肽药物的TPSA （拓扑极性表面积）通常小于140Å2（图4）。TPSA也是在这次Öresund Peptide Symposium的报告中被着重强调的关键参数。

图4. 口服多肽（蓝色）和胃肠道外多肽（绿色）的拓扑极性表面积（TPSA）分布图

以上口服多肽数据，揭示出了多肽口服递送条件在利平斯基五规则基础上的延伸。具有口服递送潜质的多肽药物，可能会在以下几个指标上所有限制：

除此之外，研究者还给出了不同百分比的口服多肽对应的这些参数数值（表1）。

表1. 不同百分位口服多肽的参数数值

编者按：

精确控制氨基酸数量、有效透过性、亲脂性及氢键供体和受体数量等关键参数是提升多肽口服生物利用度的关键。同时，分子刚性和可旋转键数量也不可忽视。这些发现为多肽药物口服递送提供了有力依据。研究者们已总结出多肽口服递送的指标特征，为药物研发提供了方向，有望为患者带来更便捷、高效的治疗选择。

参考资料：1. Caldararu, O. Computational Peptide Discovery Strategy. Öresund Peptide Symposium. 10. 10. 2023.2. Santos, G. B. et al. Oral Administration of Peptide-Based Drugs: Beyond Lipinski’s Rule. ChemMedChem. 2016. 11. 2245-2251.

专栏作者

哥哈骎

南开大学本科、硕士，德国比勒菲尔德大学博士。多肽化学、多肽API GMP生产专家、欧洲制药公司首席科学家；

拥有Lean Six Sigma黑带认证；

著有专著《Side Reactions in Peptide Synthesis》。

*声明：本文仅是介绍医药疾病领域研究进展或简述研究概况或分享医药相关讯息，并非也不会进行治疗或诊断方案推荐，也不对相关投资构成任何建议。内容如有疏漏，欢迎沟通指出！

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