道阻且长,行则将至——浅谈蛋白质和多肽类药物的口服给药






















































道阻且长,行则将至——浅谈蛋白质和多肽类药物的口服给药

撰文:四月的雨     编辑:安非他命

导览

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蛋白质和多肽药物由于其特异性高、安全性高的特点已广泛应用于各种疾病的临床治疗,但其主要给药途径是注射给药,降低了患者的依从性。
口服作为一种安全性高、依从性强的给药途径逐渐成为研究焦点,但胃肠道的结构组织和生理功能使得蛋白质和多肽药物口服后生物利用度低、半衰期短。
口服后蛋白质和多肽药物的吸收成为此类药物口服给药途径开发的瓶颈……

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概述

随着生物技术的快速进步,越来越多的蛋白质和多肽被开发为用于治疗各种疾病的药物。蛋白质以及多肽药物已成为小分子药物的替代品之一,因为它们具有高选择性和有效性,且毒性较低。

但是蛋白和多肽在理化特性上与化学药物存在较大差异。大多数蛋白和多肽具有高度亲水性,但一些环肽具有疏水性,例如环孢菌素。由于氨基和羧基的电离,蛋白和多肽具有等电点,导致在不同pH值下产生不同的电荷。蛋白和多肽药物与化学药物最大的不同是构象对蛋白和多肽的药理活性有绝对的影响。因此,与传统的小分子药物不同,如果没有某种尖端的制药技术,就不可能开发出可应用于临床的产品。
合适的给药途径不仅能保证药物的疗效,还能保证患者的依从性。然而,由于其口服生物利用度差,蛋白和多肽的给药途径通常是注射给药。长期连续注射可能对药物依从性构成巨大挑战,包括疼痛、对注射的厌恶和局部刺激等。因此,许多科学团队试图开发其替代途径,其中口服途径是最具吸引力的替代途径,因为它具有更高的安全性和合规性。
根据联合市场研究报告显示,全球口服蛋白和多肽市场预计将从2016年的6.43亿美元增长到2028年的82.3亿美元。此外,目前全球也在开发一些新技术来改善口服的吸收问题,如使用瞬时渗透促进剂。然而,目前口服蛋白质和多肽的商业产品非常局限于一些特殊的多肽,例如环孢素A的Neoral®和semaglutide的Rybelsus®。开发蛋白质和多肽口服给药系统的主要障碍包括胃肠道内易酶解失活、分子量大、亲水性高、跨膜渗透性差等。

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曲折的发展史

尽管开发蛋白和多肽的口服给药系统确实很困难,但自从发现胰岛素以来,世界各国各种尝试从未停止过。

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图1. 蛋白和多肽的口服给药系统研发史

1990年FDA批准的Sandimmune®是环孢素A的第一个口服制剂,环孢素A是一种分子量为1202的环状肽,虽然通常被归类为难溶性药物,但也被公认为第一个肽口服剂型。5年后,诺华公司开发并批准了环孢菌素A的改良产品Neoral®。此后,纳米乳自乳化给药系统(SNEDDS)被认为是改善药物分子口服吸收的重要策略。然而,SNEDDS不能在很大程度上提高亲水性蛋白和多肽的口服生物利用度。2019年,诺和诺德研发的司美鲁肽口服制剂Rybelsus®获FDA批准用于治疗II型糖尿病。随后,通过瞬时通透性增强剂(TPE®)技术开发的奥曲肽缓释胶囊(Mycapssa®)也于2020年获得FDA批准。这两款成功的多肽口服产品将为蛋白和多肽口服给药体系的发展带来革命性的变化。

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蛋白和多肽口服药物吸收障碍


1.生理障碍

口服后,药物首先经过胃液,然后进入小肠,药物在胃部或小肠被吸收。然而,胃和肠的生理环境如pH、酶、粘液甚至上皮的通透性,所有这些因素都会影响蛋白和多肽的稳定性和吸收。
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图2. 人体生理环境

人体内pH梯度差异:胃肠道各部位的胃肠道pH值是完全不同的,受各种因素的影响,包括食物、病理条件、年龄和性别。胃肠道复杂的pH环境会导致蛋白和多肽的构象改变或酶降解,从而导致治疗效果变差。一般来说,蛋白质在离等电点不远的窄pH范围内是稳定的。因此,一些蛋白质可能由于pH诱导的去折叠而在胃液中失活。此外,酶的活性依赖于pH,如胃蛋白酶在pH为2~3时降解能力最强,在pH>5时则完全失活。大多数蛋白和多肽在健康成年人的胃中降解很快。
酶降解:蛋白和多肽对各种蛋白水解酶高度敏感,包括胃肠道和胰腺分泌物中的酶。因此,保证胃肠道蛋白和多肽在体内的稳定性是口服蛋白和多肽药物研制成功的重要前提之一。
粘液层:粘液是覆盖整个胃肠道的粘性和粘弹性凝胶层。粘液可以捕获异物,保护上皮免受外来病原体的侵袭。整个胃肠道的粘液由两层组成,从管腔到上皮有松散而牢固的粘液层。胃肠道不同部位粘液层厚度差异显著。此外,整个粘液层,尤其是胃粘膜,都存在pH梯度。胃粘液在管腔表面的pH约为1~2,与胃的pH相似,但在上皮表面增加到中性pH。粘液对药物进入粘膜下组织的运输产生多重障碍。高粘度降低了蛋白和多肽通过粘液的扩散能力。
跨细胞障碍:粘液下面的上皮细胞也是口服蛋白药物吸收的另一个主要限制因素。蛋白和多肽药物在胃肠道的吸收主要依赖于跨细胞途径,而细胞旁途径是一些亲水性小分子的主要途径。由于蛋白和多肽具有极低的跨细胞通透性,所以蛋白和多肽很难通过跨细胞途径被门静脉吸收,即使配方中加入了胃肠道渗透促进剂,如瞬时渗透性增强剂SNAC,蛋白和多肽的口服生物利用度仍然极低。
个体差异:个体间巨大的变异性也是限制口服蛋白和多肽发展的障碍。对于口服给药,胃肠道的个体间差异显著地影响了口服蛋白和多肽的生物利用度,例如粘液的状况、酶的分泌和胃肠道蠕动速度。

2.制剂因素

除了生理障碍外,制剂处方也是口服蛋白多肽研发以及商品化过程中的一大挑战。蛋白和多肽的化学和物理稳定性是处方开发中最重要的考虑因素,其目的是使蛋白和多肽在生产过程、运输、储存和管理过程中保持稳定。
此外,为了增强药物的渗透性,在口服制剂中可添加了一些渗透促进剂,如SNAC、胆盐和非离子表面活性剂。

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促进蛋白和多肽口服吸收策略

尽管有多种增加蛋白和多肽口服吸收的策略,但目前主要基于三个方面,包括增强稳定性、粘液渗透或粘附以及使用渗透促进剂。

1.增强稳定性

pH调节:胃肠道酶是降解口服蛋白和多肽的主要因素,但它们需要最适pH才能发挥作用。例如,胃蛋白酶在酸性环境中可以很容易地裂解多种蛋白质或多肽,但当pH超过5时,胃蛋白酶开始失去作用。因此,如果能将微环境的pH值调到5,蛋白和多肽在胃中的降解是可以得到保护的
肠溶包衣通常用于克服蛋白和多肽在胃中的降解,但是不幸的是,小肠中的蛋白水解酶也可降解蛋白和多肽。
酶抑制剂:除调节pH外,抑制酶最重要的方法是使用酶抑制剂。酶抑制剂通过可逆地或不可逆地结合到酶的特定部位来灭活目标酶。但是使用酶抑制剂时应注意其毒性。

2.粘液穿透和粘液粘附系统

粘液穿透系统:对于粘液穿透系统,即使用粘液溶解剂来破坏粘液屏障,使其短暂地降低健康粘膜的粘液屏障,从而促进吸收。
粘液粘附系统:即通过使用粘附剂,与蛋白静电黏附来改善药物的吸收。由于蛋白和多肽具有粘附性,水凝胶可以使蛋白和多肽在特定的肠道区域停留较长时间,同时还能抵抗酶降解,所以络合水凝胶是口服蛋白和多肽的较好的选择。

3.增强吸收

吸收促进剂:蛋白和多肽口服给药的最大障碍是胃肠上皮通透性差。吸收促进剂是公认的通过瞬时改变上皮结构来改善胃肠道通透性的药物,因此被广泛应用于蛋白和多肽的口服制剂中。目前的吸收促进剂可能涉及的机制如下图所示。

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图3. 吸收促进剂机制

辛酸钠/癸酸酯及其衍生物是最有前途的吸收促进剂,已被用于口服蛋白和多肽,如口服奥曲肽中的辛酸钠和口服Semagluide中的SNAC。美国Emisphere公司开发的SNAC首次被批准用于维生素B12的口服给药。它是辛酸钠的衍生物,其结构和作用机理如下图所示。

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图4. SNAC结构及作用机理

壳聚糖及其衍生物也是目前最常用的提高蛋白和多肽口服给药性能的聚合物,主要取决于其正电荷密度和生物粘附能力。

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小结

口服蛋白和多肽在药物研究和开发中越来越有吸引力,但是在增强蛋白和多肽在口服制剂中的稳定性和渗透性方面还有很长的路要走,目前上市的一些蛋白和多肽口服制剂生物利用度仍然很低,期待未来的某一天可以突破技术的壁垒。


参考文献:
[1] Zhu Q ,  Chen Z ,  Paul P K , et al. Oral delivery of proteins and peptides: Challenges, status quo and future perspectives[J]. Acta Pharmaceutica Sinica B, 2021.

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