เปปไทด์ธรรมชาติเป็น "กุญแจสำคัญระดับโมเลกุล" ที่ยอดเยี่ยม โดยมีความสัมพันธ์กันสูง มีการคัดเลือกที่ดี และความเป็นพิษต่ำ อย่างไรก็ตาม โดยเนื้อแท้แล้วพวกมันมีจุดอ่อนที่สำคัญสามประการ: พวกมันถูกโปรตีเอสสับได้ง่าย เจาะเยื่อหุ้มเซลล์ได้ยาก และอยู่ในร่างกายเป็นระยะเวลาสั้นเกินไป ในช่วงสามทศวรรษที่ผ่านมา ผู้เชี่ยวชาญด้านเภสัชกรรมได้จัดการกับข้อบกพร่องเหล่านี้อย่างเป็นระบบด้วย "กล่องเครื่องมือของกรดอะมิโนชนิดพิเศษ" บทความนี้ใช้ภาษาธรรมดาและแผนภูมิจำนวนมากเพื่อเป็นแนวทางให้เพื่อนร่วมงานฝ่ายวิจัยและพัฒนาของ CMC แยกส่วนและทำความเข้าใจกล่องเครื่องมือนี้ตั้งแต่หลักการไปจนถึงการนำไปปฏิบัติ
I. เหตุใดเปปไทด์ตามธรรมชาติจึง "ไม่เพียงพอ"
ครั้งที่สอง ภาพรวมของห้ากลยุทธ์การปรับเปลี่ยนหลัก
ที่สาม N-เมทิลเลชัน
IV. α-เมทิลเลชั่นและ Aib
กรดอะมิโนที่มีการกำหนดค่า V. D
วี. กรดอะมิโนที่ไม่ใช่ธรรมชาติ
ปกเกล้าเจ้าอยู่หัว กรณีที่ครอบคลุม: ผลิตเปปไทด์ในช่องปากได้อย่างไร
8. หน้าอ้างอิงด่วนสำหรับ CMC Peers
ทรงเครื่อง แนวโน้มการออกแบบในอนาคต: AI และเทคโนโลยีการแสดงผล
การใช้โพลีเปปไทด์ธรรมชาติ (ประกอบด้วยกรดอะมิโนประเภท L 20 ชนิดทั้งหมด) โดยตรง เนื่องจากยามักใช้เวลาไม่นานเกินสองสามนาที เหตุผลสามารถสรุปได้ในประโยคเดียว: ระบบเมตาบอลิซึมของมนุษย์ได้รับการออกแบบโดยธรรมชาติให้จดจำและทำลายโครงสร้างนี้ มันถูกแสดงออกมาโดยเฉพาะเป็นคำถามสี่ข้อที่เกี่ยวข้องกัน
①การย่อยสลายโปรตีเอส - พลาสมา ตับ ไต และระบบทางเดินอาหารที่เป็นอันตรายถึงชีวิตมากที่สุดเต็มไปด้วยเปปไทเดส/โปรตีเอส (เช่น DPP-4, อะมิโนเปปติเดส, คาร์บอกซีเพปทิเดส, ทริปซิน ฯลฯ ) ซึ่งจดจำพันธะเอไมด์ประเภท L และไฮโดรไลซ์พวกมันโดยเฉพาะ ครึ่งชีวิตของ GLP-1 ตามธรรมชาติในร่างกายจะอยู่ที่ประมาณ 1.5 ถึง 2 นาทีเท่านั้น
2. การซึมผ่านของเมมเบรนไม่ดีและการบริหารช่องปากที่ยากลำบาก: เอไมด์ NH-H จำนวนมากบนโครงกระดูกโพลีเปปไทด์เป็นผู้ให้พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งและถูกห่อหุ้มไว้อย่างแน่นหนาด้วยโมเลกุลของน้ำ ทำให้ยากต่อการผ่านแกนที่ไม่ชอบน้ำของเยื่อหุ้มเซลล์ นี่คือเหตุผลพื้นฐานที่ทำให้เปปไทด์ส่วนใหญ่สามารถบริหารได้โดยการฉีดเท่านั้น
3. ด้วยครึ่งชีวิตที่สั้นและการล้างไตอย่างรวดเร็ว โพลีเปปไทด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลขนาดเล็ก (<5 kDa) จะถูกกรองและกำจัดอย่างรวดเร็วโดยโกลเมอรูลัส เมื่อประกอบกับการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์ ระดับการสัมผัสในร่างกายเป็นเรื่องยากที่จะรักษา และจำเป็นต้องได้รับการดูแลบ่อยครั้ง
④โพลีเปปไทด์เชิงเส้นที่มีความยืดหยุ่นเชิงโครงสร้างและการเลือกสรรที่ไม่ดีเปรียบเสมือน "เส้นบะหมี่นุ่ม" ในสารละลาย โดยมีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจำนวนนับไม่ถ้วนที่พลิกกลับอย่างรวดเร็ว เมื่อจับกับเป้าหมาย การสูญเสียเอนโทรปีจะมีมาก ความสัมพันธ์จะลดลง และอาจจับกับตัวรับที่เกี่ยวข้องหลายตัวอย่างผิดพลาด ซึ่งนำไปสู่การอยู่นอกเป้าหมาย
กลยุทธ์ "กรดอะมิโนพิเศษ" โดยพื้นฐานแล้วเป็นการซ่อมแซมจุดอ่อนทั้งสี่นี้อย่างแม่นยำ โดยไม่กระทบต่อโครงสร้างทางเภสัชพลศาสตร์ โดยจะปรับเปลี่ยนโครงกระดูกและโซ่ด้านข้าง ทำให้โมเลกุลสามารถ "หลบเลี่ยง" การรับรู้ของเอนไซม์ "ขจัด" พันธะไฮโดรเจนส่วนเกิน และ "ล็อค" โครงสร้างที่ใช้งานอยู่ ขณะเดียวกันก็รักษาแนวเดียวกันกับเป้าหมายให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
ขั้นแรก ให้ใช้ตารางเพื่อสร้างความเข้าใจโดยรวม การปรับเปลี่ยนห้าประเภทต่อไปนี้เป็นวิธี "กรดอะมิโนพิเศษ" ที่ใช้กันมากที่สุดในการออกแบบยาเปปไทด์ร่วมสมัย และจะมีการอธิบายรายละเอียดทีละรายการในบทต่อๆ ไป
N-เมทิลเลชันเป็นกระบวนการแทนที่ไฮโดรเจน (n-H) บนอะตอมไนโตรเจนของพันธะโครงกระดูกเอไมด์ด้วยหมู่เมทิล (n-CH₃) การเปลี่ยนแปลงที่ดูเหมือนเล็กน้อยสามารถกระตุ้นให้เกิดพารามิเตอร์หลักสี่ประการของเภสัชจลนศาสตร์พร้อมกันได้ กลไกการออกฤทธิ์สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ระดับ
N-H แต่ละตัวเป็นผู้ให้พันธะไฮโดรเจนที่แข็งแกร่ง โดย "ตรึง" โมเลกุลไว้ในสถานะที่เป็นน้ำ การลบ N-methylation ของผู้บริจาครายนี้จะช่วยลดพื้นที่ผิวขั้ว (PSA) ของโมเลกุล ทำให้โมเลกุล "ขาดน้ำ" และเข้าสู่แกนกลางที่ไม่ชอบน้ำของเมมเบรน เอฟเฟ็กต์ของ N-เมทิลเลชั่นสามารถซ้อนทับได้ - อะนาล็อก Veber-Hirschmann somatostatin แบบคลาสสิก หลังจาก N-เมทิลเลชั่นที่ 3 ตำแหน่ง มีการดูดซึมทางปากประมาณ 10%
หมู่เมทิลครอบครองพื้นที่ใกล้กับพันธะเอไมด์ โปรติเอสแอคทีฟพ็อกเก็ตไม่สามารถ "กัด" พันธะที่แยกออกได้อย่างถูกต้อง จึงช่วยเพิ่มเสถียรภาพในการเผาผลาญได้อย่างมาก นี่เป็นพื้นฐานทางกายภาพที่ N-methylation เชื่อมโยงโดยตรงกับความต้านทานต่อการไฮโดรไลซิสของเอนไซม์
พันธะเอไมด์ทั่วไปคือพันธะทรานส์ (ทรานส์) เกือบทั้งหมด ในขณะที่ N-เมทิลเลชั่นจะทำให้พลังงานที่แตกต่างระหว่างซิส (ซิส) เข้าใกล้มากขึ้น ทำให้ง่ายต่อการสลับระหว่างโครงสร้างซิส-ทรานส์ นักออกแบบจึงสามารถ "ชักนำ" โมเลกุลให้พับเป็นรูปแบบเฉพาะหรือสร้างพันธะไฮโดรเจนภายในโมเลกุลเพื่อซ่อนกลุ่มขั้ว (เพื่ออำนวยความสะดวกในการเจาะทะลุเพิ่มเติม)
ยากดภูมิคุ้มกันนี้เป็นตำราเรียนเกี่ยวกับ "การทำงานร่วมกันของกรดอะมิโนชนิดพิเศษ" เป็นเปปไทด์ไซคลิก 11 สารตกค้างที่ประกอบด้วย N-methylation ของโครงกระดูก 7 ตัวและ D-alanine หนึ่งตัว เอ็น-เมทิลเลชันและไซคลิกไลเซชันที่หนาแน่นนี้เองที่ทำให้สามารถรักษากิจกรรมทางปากในขณะที่มีเสถียรภาพในการเผาผลาญที่แข็งแกร่งมาก โดยสามารถ "สลับเสื้อผ้า" ระหว่างสารละลายที่เป็นน้ำและสภาพแวดล้อมของเมมเบรน ทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนภายในโมเลกุลเพื่อซ่อนขั้วและผ่านเมมเบรน จากนั้นเปิดออกเพื่อจับกับเป้าหมายในระยะที่เป็นน้ำ ไซโคลสปอรินจึงกลายเป็นหนึ่งในแหล่งธรรมชาติไม่กี่แห่งของเปปไทด์แมโครไซคลิก "เกินกฎห้าข้อ" ที่สามารถดูดซึมทางปากได้
กรดอะมิโนที่ถูกเติมด้วยเมทิล N เป็นเอมีนทุติยภูมิที่เป็นอุปสรรคขัดขวางโดยมีประสิทธิภาพการมีเพศสัมพันธ์ต่ำ ปฏิกิริยาช้า และมีแนวโน้มสูงที่จะเกิดการแตกตัวของเชื้อชาติและไดคีโตพิเพอราซีน (DKP) รีเอเจนต์การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น (เช่น สารเติมแต่ง HATU/COMU +) จำเป็นต้องมีการยืดเวลาการมีเพศสัมพันธ์หรือการคัปปลิ้งคู่ การควบคุมอุณหภูมิที่เข้มงวด และการตรวจสอบออนไลน์ของแต่ละขั้นตอน การเลือกสถานที่มีความไวสูง: เอ็น-เมทิลเลชั่นที่ตำแหน่งต่างๆ ของลำดับเดียวกันอาจมีผลกระทบที่แตกต่างกันอย่างมากต่อกิจกรรมและการแทรกซึม และจำเป็นต้องมีการคัดกรองทีละไซต์
N-methylation เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนในอะตอมไนโตรเจน α-methylation เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนบนα-คาร์บอน เมื่อไฮโดรเจนดั้งเดิมบน α-คาร์บอนถูกแทนที่ด้วยหมู่เมทิล α-คาร์บอนจะเปลี่ยนจาก "ไตรทดแทน" เป็น "คาร์บอนควอเทอร์นารีที่ถูกแทนที่แบบเตตร้า" (ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดคือ Aib ซึ่งเป็นกรด 2-อะมิโนไอโซบิวทีริก ซึ่งเทียบเท่ากับการเติมหมู่เมทิลอีกกลุ่มหนึ่งให้กับ α-คาร์บอนของอะลานีน และมีความสมมาตรทั้งสองด้าน) สิ่งนี้ทำให้เกิดเอฟเฟกต์สามเท่า
การล็อคตามโครงสร้าง (แกนส่วนใหญ่)
ยาต้านโปรตีเอส
กำจัดจุดอ่อนของไครัล
Natural GLP-1 ถูกตัดอย่างแม่นยำจากตำแหน่งที่ 8 ของเทอร์มินัล N ด้วย DPP-4 โดยมีครึ่งชีวิตเพียง 1.5 ถึง 2 นาที การเคลื่อนไหวที่สำคัญของเซมากลูไทด์คือการแทนที่อะลานีน (Ala8) ที่ตำแหน่งที่ 8 ด้วย Aib (α, α-dissubstituted) - สิ่งกีดขวาง steric ของคาร์บอนควอเทอร์นารีทำให้ DPP-4 "ไม่สามารถกัด" ไซต์นี้ได้ จึงปิดกั้นเส้นทางการย่อยสลายหลักจากแหล่งที่มา
การปรับเปลี่ยนติดต่อกันสามครั้งช่วยยืดอายุครึ่งชีวิตจากนาทีเป็นหนึ่งสัปดาห์:
① Aib8 อยู่ในการตัด DPP-4
2 การทดแทน Arg34 หลีกเลี่ยงการเสื่อมสลายที่ไซต์อื่น และเอื้อต่อการสลายไขมันเฉพาะไซต์
3 Lys26 fat-chain diacid (C18 diacid + linker) จับกับซีรั่มอัลบูมินแบบย้อนกลับได้และหลีกเลี่ยงการล้างไต
ผลลัพธ์ที่ครอบคลุม: ครึ่งชีวิตอยู่ที่ประมาณ 165 ชั่วโมง (ประมาณ 1 สัปดาห์) และสามารถให้ยาได้สัปดาห์ละครั้ง
Aib ยังเป็นกรดอะมิโนชนิด steric ขัดขวางซึ่งมีการมีเพศสัมพันธ์ช้า กรดอะมิโนที่ติดตาม Aib-aib หรือ AIB มักต้องการการคัปปลิ้งคู่หรือการกระตุ้นที่รุนแรง เป็นที่น่าสังเกตว่าสถานะ "ไม่เป็นธรรมชาติ" ของ Aib ทำให้เกิดอุปสรรคต่อเส้นทางการหมักแบบรีคอมบิแนนท์ (ไรโบโซมไม่รู้จัก) ดังนั้นเปปไทด์ที่มี Aib เช่น Simaglutide มักจะอาศัยกลยุทธ์การสังเคราะห์เฟสของแข็ง (SPPS) หรือโซลิดเฟส + การหมัก และถูกรวมเข้ากับการดัดแปลงสายโซ่ข้างกรดไขมันเฉพาะตำแหน่ง ความซับซ้อนของกระบวนการและการควบคุมคุณภาพนั้นสูงกว่าเปปไทด์รีคอมบิแนนท์ทั่วไปอย่างมาก
ส่วนโปรติเอสที่ใช้งานอยู่คือ "ถุงมือ" ที่ออกแบบมาเพื่อซับสเตรต L โดยเฉพาะ เมื่อกรด D-amino ถูกแทนที่ด้วยใกล้กับพันธะที่แตกแยก ความสัมพันธ์ทางเรขาคณิตระหว่างกลุ่มคาร์บอนิลของสารตั้งต้นและกลุ่มสามตัวเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์จะหยุดชะงัก พันธะสำหรับการตัดแยกไม่สามารถวางในตำแหน่งปฏิกิริยาที่ถูกต้อง สัมพรรคภาพการจับลดลงอย่างรวดเร็ว และไฮโดรไลซิสจึงหยุดลง
กลับลำดับทั้งหมดในขณะที่แทนที่แต่ละลำดับที่เหลือด้วยลำดับรูปตัว D ความมหัศจรรย์อยู่ที่ความจริงที่ว่าการจัดเรียงสัมพัทธ์ของโซ่ด้านข้างในอวกาศนั้นส่วนใหญ่ยังคงอยู่ ดังนั้นจึงรักษากิจกรรมดั้งเดิมเอาไว้ อย่างไรก็ตาม โครงกระดูกมีระดับ D สมบูรณ์ มีภูมิคุ้มกันต่อโปรตีเอสโดยสมบูรณ์ และภูมิคุ้มกันลดลงอย่างเห็นได้ชัด นี่เป็นเครื่องมืออันทรงพลังสำหรับการออกแบบเปปไทด์กระสวยที่กั้นเลือดและสมองและเปปไทด์ที่ออกฤทธิ์ยาว
ราคาวัตถุดิบของกรด D-amino มักจะสูงกว่าราคาของชนิด L และมีซัพพลายเออร์น้อยกว่า ควรให้ความสนใจกับการควบคุมความบริสุทธิ์ของไครัล (ค่า ee) และสิ่งเจือปนในอีแนนทิโอเมอร์
นอกเหนือจากการดัดแปลงระดับโครงกระดูกที่กล่าวมาข้างต้นแล้ว ผู้เชี่ยวชาญด้านเภสัชกรรมยังมีหน่วยการสร้างกรดอะมิโนที่ไม่ใช่ธรรมชาติที่ "ได้รับการปกป้องอย่างดีและกระตุ้นการทำงานอย่างดี" ในเชิงพาณิชย์หลายร้อยรายการให้เลือก พวกมันก็เหมือนกับเลโก้ที่ประกอบกันเป็นลำดับตามหน้าที่
"กรดอะมิโนชนิดพิเศษ" กล่าวถึงความเสถียรและโครงสร้างของโมเลกุล ในการผลิตโพลีเปปไทด์เป็นยารับประทาน จริงๆ แล้วมีสองเส้นทางที่เป็นอิสระแต่ซ้อนทับเพื่อ "เข้าไป"
ขั้นแรก: เอาชีวิตรอด กรดอะมิโนพิเศษ (Aib, N-methylated, D-type) ต้านทานการย่อยสลายโดยโปรตีเอสในทางเดินอาหาร
1 การซึมผ่านของโมเลกุลภายใน: เอ็น-เมทิลเลชันลดพันธะไฮโดรเจน /PSA, ไซคลิกเซชัน + โซ่ด้านข้างที่ไม่ชอบน้ำส่งเสริมพันธะไฮโดรเจนในโมเลกุลและการพับแบบ "กิ้งก่า"
2 การส่งเสริมการเตรียมการเจาะ: SNAC, โซเดียมเดคาโนเอต และ TPE เปิด/ข้ามสิ่งกีดขวางเยื่อบุผิวในลำไส้ชั่วคราว
ขั้นตอนที่สาม: รักษาโครงสร้างอัลบูมินที่มีผลผูกพันกับสายโซ่ด้านข้างของกรดไขมัน/ที่ออกฤทธิ์ยาวเพื่อรักษาระดับการสัมผัสยาในเลือด
โมเลกุลในอนาคตจะมีกรดอะมิโนที่ไม่ใช่ธรรมชาติและโครงสร้างมาโครไซคลิก "ยุ่งยาก" มากขึ้นเรื่อยๆ
จอแสดงผล mRNA (เช่น ระบบ RaPID) สามารถคัดกรองคลังเปปไทด์ที่ขนาด 10¹² - 10¹³ ได้ในครั้งเดียว
RFdiffusion, AlphaFold ที่ได้รับการดัดแปลง (เช่น การเข้ารหัสตำแหน่งเปปไทด์แบบไซคลิกของ AfCycDesign) และเครื่องกำเนิดการเรียนรู้แบบเสริมแรงสามารถออกแบบเปปไทด์แบบไซคลิก/แบบยึดเหนี่ยวขนาดใหญ่ได้ตั้งแต่เริ่มต้น
โอเลฟินสายโซ่ด้านข้างล็อคα-helix, การทดแทนพันธะไฮโดรเจน, β/γ-amino acid foldamer และวิศวกรรมโครงกระดูกระดับอะตอมกำลังค่อยๆ แก้ไขปัญหาดั้งเดิมของการกำหนดเป้าหมายอันตรกิริยาระหว่างโปรตีนและโปรตีนในเซลล์ (PPI)
การใช้ตำแหน่งคอนจูเกตเฉพาะตำแหน่งที่จัดให้มีโดยกรดอะมิโนที่ไม่ใช่ธรรมชาติเพื่อยึดติดทอกซิน, นิวไคลด์ หรือสารเรืองแสง เพื่อสร้าง "ADC รุ่นเปปไทด์" ในขณะเดียวกัน เทคโนโลยีการส่งเสริมการเจาะช่องปากก็กำลังเติบโตมากขึ้น "กรดอะมิโนชนิดพิเศษ + สารเตรียม" จะทำให้โพลีเปปไทด์ซึ่งแต่เดิมสามารถฉีดได้เพียงอย่างเดียวสามารถนำมารับประทานได้มากขึ้น
