相比于小分子藥物，多肽和蛋白質(zhì)分子不容易穿過(guò)上皮細胞并且更容易發(fā)生宿主代謝，因此大多數此類(lèi)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(wú)疑會(huì )導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(wèn)題之一，它更大的挑戰來(lái)自于過(guò)短的半衰期，大多數多肽與蛋白質(zhì)在幾分鐘到幾小時(shí)內便被細胞內和細胞外宿主代謝，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(guò)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(lèi)藥物的另一個(gè)掣肘在于它們潛在的免疫原性。蛋白質(zhì)和肽類(lèi)藥物引發(fā)抗藥性抗體 (ADA， Anti-drug antibody) 的能力遠勝小分子藥物，這要歸結于它們更大的分子量和更復雜的結構，使得它們更有效地刺激B細胞產(chǎn)生抗體。這些抗藥性抗體和其他抗藥物免疫反應可能降低藥物療效，并可能導致嚴重的不良健康影響[2]。

       最后，多肽藥物在細胞膜上的滲透性往往很差，這通常會(huì )導致溶酶體中的藥物降解。因此，廣大位于細胞內的潛在藥物靶點(diǎn)，實(shí)際上是目前很多生物制劑可望而不可及的。解決這些關(guān)鍵挑戰的一種方法是通過(guò)共價(jià)修飾給這些多肽藥物改頭換面，通過(guò)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。在自然界中，細胞利用脂化來(lái)控制幾種蛋白質(zhì)的功能和細胞內定位。當這種修飾用于多肽藥物改性領(lǐng)域時(shí)，它可能顯著(zhù)提高多肽分子的半衰期和細胞通透性[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(shí)現非注射給藥的制劑夢(mèng)想。

       盡管比較常見(jiàn)的聚乙二醇PEG修飾也可能實(shí)現這些效果，但有結果顯示，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)結出豐碩果實(shí)，有幾種脂化修飾的多肽藥物已經(jīng)得到了FDA批準（表1），禮來(lái)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。藥物分子設計者更是給tirzepatide偶合上了龐大復雜的脂肪修飾，除了一個(gè)二元脂肪酸本身，中間還嵌入了乙二醇和谷氨酸的結構的單元（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(gè)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

圖2. Tirzepatide化學(xué)結構

       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對應的就是脂化后的分子，見(jiàn)圖1)，其半衰期相較沒(méi)有脂化的分子提升了約10倍之多（liraglutide半衰期為13小時(shí)，而天然GLP-1僅為1.5小時(shí)）。而另一款上市脂化多肽，同樣是GLP-1類(lèi)似物的semaglutide（圖1）, 其半衰期的提振更為激進(jìn)，從1-1.5小時(shí)猛增至了168小時(shí)，提升率甚至超過(guò)100倍（或許semaglutide分子N-端第二個(gè)氨基酸Aib在半衰期增加的方面也做出了貢獻）[5]。

       脂化多肽半衰期增加的主要機制是與白蛋白（albumin，圖3）的結合。人體白蛋白是一種分子量為66.5 kDa，擁有583個(gè)殘基的蛋白質(zhì)，具有非常長(cháng)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的疏水性，使得它們能夠與白蛋白結合并獲得它的庇護。與白蛋白的結合，可以增加多肽分子的半衰期，這是通過(guò)限制蛋白酶接近多肽-白蛋白結合物實(shí)現的（不要忘記白蛋白本身可以抵抗蛋白酶的降解），結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介導的循環(huán)利用來(lái)增加半衰期，也是白蛋白發(fā)揮作用的機制。

       由于脂化多肽與白蛋白的結合是可逆的，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(gè)結合位點(diǎn)中只有2個(gè)被脂肪酸占據，從而消除了脂化藥物與白蛋白天然攜帶物產(chǎn)生結合位點(diǎn)競爭的威脅（脂化多肽上的脂肪鏈傾向結合白蛋白上的脂肪酸）。增加脂化藥物上脂肪酸的長(cháng)度通常會(huì )導致更緊密的白蛋白結合，以此進(jìn)一步增加半衰期[8]。最新的研究方向包括用更長(cháng)的脂肪酸修飾多肽（18或20個(gè)碳），以及二元脂肪酸的介入。

       2

       增強遞送

       脂化的另一個(gè)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胞通透性和吸收。

       脂化多肽和蛋白通常通過(guò)皮下給藥，可在注射部位形成可逆非共價(jià)多聚體。這些非共價(jià)多聚體的作用就像一個(gè)貯庫，延遲從注射部位到血液的轉移。舉個(gè)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，與白蛋白的結合就會(huì )成為延長(cháng)半衰期的主要機制。

       脂化的另一個(gè)主要貢獻是增加多肽藥物的細胞膜通透性（多肽藥物分子大多數親水性較強，因此膜通透性較弱）。脂質(zhì)基團增加了對細胞膜的親和力，并且可以插入細胞膜。對細胞膜的親和力增加也自然會(huì )促進(jìn)更高的細胞攝取，對細胞內遞送具有潛在影響。通常增加脂肪鏈長(cháng)度，會(huì )導致細胞攝取增加。形成穩定的非共價(jià)結合多聚體對于膜通透性的增強也有貢獻。

       3

       給藥途徑的開(kāi)發(fā)

       脂化多肽的細胞膜通透性增加，還對給藥途徑的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生了深遠的影響。盡管口服多肽藥物在上世紀就有上市（cyclosporine和desmopressin）, 但脂化修飾為多肽口服制劑打開(kāi)了一扇更廣闊的大門(mén)。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批準上市）極大地激發(fā)了從業(yè)者開(kāi)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(lèi)似物進(jìn)行脂肪修飾（圖1）。

       Semaglutide在口服給藥后能夠保持很長(cháng)的半衰期（約153-160小時(shí)，而注射后為 168小時(shí)）。但口服遞送的方式顯著(zhù)降低了它的生物利用度，因此需要更高的每日劑量。未來(lái)用于多肽口服藥的脂化試劑，可能會(huì )尋求比semegluitde (18碳) 更短的脂肪酸（例如12碳），這可能會(huì )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(cháng)度可以控制分子間多聚物的形成傾向。調整脂肪鏈的結構，或許就是要在生物利用度與半衰期之間尋找一個(gè)優(yōu)化的平衡點(diǎn)。

       除此之外，脂化修飾還可以與滲透增強劑結合使用，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(wèn)世。

       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(wú)幾。脂化多肽藥物在肺部遞送領(lǐng)域的利用尚未全部展開(kāi)，正因如此，它也蘊藏著(zhù)很大的開(kāi)發(fā)潛力和希望。

       4

       藥理效力的提高

       藥物化學(xué)結構的修飾理論上會(huì )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(cháng)度、多肽氨基酸修飾位點(diǎn)、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(wú)法單純從化學(xué)結構上預測的，需要具體分析。

       脂肪鏈長(cháng)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(cháng)越好”的錯誤理念。盡管semaglutide和tirzepatide的脂化結構看上去很復雜（圖2），但那一定是在經(jīng)過(guò)嚴格篩選后所選取的公共最 佳結構，平衡了各方面的性能指標之后做出的決定。

       脂化修飾的位點(diǎn)也很有學(xué)問(wèn)，不同的氨基酸修飾可能會(huì )導致截然不同的效果[10]。因此在藥物分子設計的過(guò)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(lài)氨酸側鏈氨基之外，包括N-端氨基與C-端羧基也可以作為潛在的脂化位點(diǎn)。

       用于將脂質(zhì)部分連接到目標多肽的手臂結構，也會(huì )影響藥物效力。對于效力隨著(zhù)脂肪量增長(cháng)而降低的分子，使用長(cháng)親水性手臂來(lái)連接更長(cháng)的脂肪酸，可以最大限度地降低脂肪鏈增加對于藥效的負面影響[11]。然而，手臂選擇如何影響藥物效力，通常是不可預測的。常用的連接手臂包括，Glu與乙二醇重復結構的聯(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(jiàn)的溶解度問(wèn)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，其中55%的反應對治療效果產(chǎn)生了影響[13]。這些反應包括危及生命的自身免疫、過(guò)敏反應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(shí)現了目的，卻又引入了免疫原性，故而限制了療效[15]。有報道稱(chēng)，接受脂化藥物的患者會(huì )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(huì )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用，大大提振了業(yè)界人士對于脂化多肽藥物的開(kāi)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(kāi)發(fā)，仍然是路漫漫其修遠兮，需要多方面的推動(dòng)作用以及協(xié)同進(jìn)步。很多領(lǐng)域內的愿景，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(lái)。

       此外，即使在脂化擁有明顯優(yōu)勢的應用中，脂化策略的廣泛實(shí)施依然面臨諸多挑戰。這些挑戰包括：

       （1）缺乏脂化對細胞攝取和表皮/內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(méi)有上升到理論高度；

       （2）缺乏藥物脂化對抗原呈遞細胞（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(gè)關(guān)鍵研究方面是結構對細胞攝取和滲透性的影響，這個(gè)領(lǐng)域的進(jìn)步有助于更合理的藥物分子設計。在這方面，或許細胞穿透肽（Cell penetrating peptides）的研究，可以為多肽藥物脂化提供一些理論上指導和實(shí)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(wú)疑將推動(dòng)后浪的不斷涌現。新一代脂化多肽藥物，或許將具有更多樣化和復雜的特性，并且能夠根據特定的應用而量身定制，并能將糖尿病以外的其它適應癥作為針對目標，加速新藥的開(kāi)發(fā)。