1系列专题：多肽药物研发演变

多肽类药物优势明显，适应症范围广：多肽类药物分子量介于化学药与蛋白质药物之间，具有双重优势。从治疗效果上看，其与蛋白质药物类似，具有副作用小、特异性强、疗效好等优势；从药品制备上看，可以采用化学合成工艺，其与化学药相似，具有结构确定、质量可控等优势；从适应症上看，多肽类药物可用于免疫、肿瘤、心血管等多个治疗领域。 已上市GLP-1药物根据半衰期可分为短效及长效。人体分泌的GLP-1半衰期很短，仅为1~2min，分泌到血液循环后易被二肽基肽酶4（DPP-4）快速降解而失去促胰岛素分泌的活性。药物研发人员对其结构进行修饰，开发了一系列GLP-1受体激动剂。目前短效GLP-1产品需要每天注射，而改良后的GLP-1药品半衰期大幅度延长，变为每周注射长效GLP-1药物，使患者的依从性大幅度提升。 延长GLP-1药物半衰期使GLP-1RA的作用时间大大延长。由于天然结构的GLP-1半衰期短，需频繁给药，造成使用上的不便，因此多种针对延长半衰期的改造策略被开发出来，包括关键位点氨基酸置换修饰、连接脂肪酸侧链、抗体偶联、白蛋白修饰、PEG修饰、微球制剂技术等。 GLP-1 RA采取不同的蛋白质修饰技术或者改变剂型延缓半衰期：艾塞那肽和利司那肽通过改变第2或3个N端位置的氨基酸，使其降低被DPP-4酶清除的可能，从而延长半衰期。利拉鲁肽通过脂肪酸修饰延长药物半衰期。目前长效的GLP-1修饰技术包括：脂肪酸链修饰（司美格鲁肽）、融合Fc片段技术（度拉糖肽）、PEG修饰技术（洛塞那肽）。此外，微球技术通过改变药物剂型达到药物缓慢释放（艾塞那肽微球）。 司美格鲁肽在利拉鲁肽的基础上改造而来，是目前药物半衰期最长的GLP-1RA：司美格鲁肽是GLP-1 (7-37)链上8位的Aib取代了Ala，34位的Arg取代了Lys，26位的Lys接上十八烷酸脂肪链。与利拉鲁肽相比，司美格鲁肽的脂肪链更长，疏水性增加，但司美格鲁肽经过短链的PEG修饰，亲水性大大增强。 PEG修饰后不但可以与白蛋白紧密结合，掩盖DPP-4酶水解位点，还能降低肾排泄，可延长生物半衰期，达到长循环的效果，因此延长了药物半衰期，仅需每进行一次皮下注射。 投资建议：建议关注全球及国内GLP-1领域研发进展，关注相关药企及其产业链投资机遇。建议关注：信达生物、恒瑞医药、华东医药、通化东宝，诺泰生物、药明康德、圣诺生物等。 风险提示：产品研发不及预期风险，市场竞争加剧风险，产品产能不及预期风险，政策风险，仿制药风险，集采风险。 1多肽类药物简介 1.1多肽药物 Peptide(多肽)源于希腊语"peptós/digested"，是指通过酰胺键或肽键相连的氨基酸(AAs)链。共价肽键是氨基酸通过缩合反应形成的，一个氨基酸的a-羧基基团与另一个氨基酸的a-氨基基团缩合产生水形成肽键。肽链中的一个氨基酸单位称为“残基”。肽键的形成导致水的流失。肽的“主干”是肽键，侧链是可变的，它也是蛋白质水解的中间产物。蛋白质包含多个肽链，一般分子量(MWs)小于10,000道尔顿或少于50个AA的分子称为多肽，超过该数值则称为蛋白质，介于小分子化学药和蛋白类药物之间。 图1：氨基酸缩合为肽过程 1.2多肽类药物发展史 1922年，第一个肽类药物是从牛和猪的胰腺中提取的胰岛素，用于1型糖尿病的治疗。1954年，Vincent du Vigneaud的团队发表了《the total synthesis of oxytocin and vasopressin》(1955年获得诺贝尔化学奖)，多肽首次被化学合成。另一个飞跃是Bruce Merrifield通过在固相上组装氨基酸来自动合成肽，因此有了1963年固相肽合成（SPPS）的发明（1984年获得诺贝尔化学奖）。20世纪80年代重组技术的出现使生产更大的多肽成为可能。 通过结合脂类、较大的蛋白质和聚乙二醇来增加多肽分子量的策略有助于克服肾脏清除和增加血浆循环时间的问题。例如噬菌体展示技术可从巨大的文库中以目标为导向发现具有更多药物性质的多肽。Flexizyme技术允许将非蛋白原性氨基酸纳入展示库。另外天然肽的发现，特别是蛇毒肽的发现，以及新的化学方法也在推动这一领域的发展。 图2：多肽治疗领域的关键里程碑 1.3靶向蛋白-蛋白互作的多肽药物研发策略 蛋白-蛋白相互作用（Protein-Protein Interaction, PPI）在生物体内参与调节许多重要的细胞过程，如细胞增殖、分裂、凋亡、坏死及蛋白转录和翻译等。人类体内大约有130,000个PPI，其中许多与心血管疾病和癌症等重大疾病的发生发展密切相关。开辟PPI类型的靶标并研发其激动剂或抑制剂，一直是国际创新药物研发领域的前沿方向。 抗体类分子由于其细胞渗透性低，对于细胞内靶标难以到达，可开发的药物范围受限。相反，小分子药物(<500 Da)因其良好的稳定性、口服生物利用度和跨膜能力而一直是细胞内靶标药物开发的首选分子类别。例如靶向PPI的小分子药物navitoclax，能进入细胞与抗凋亡蛋白BCL-2紧密结合，阻断BCL-2与促凋亡蛋白BAK/BAX的相互作用，从而促进凋亡。小分子用于PPI互作的调控虽对靶标定位比较普适，但也有其缺陷。由于PPI互作的界面表面积往往较大（约1000-3000Å^2），且PPI的作用界面较为平坦，使得小分子和蛋白难以结合，亲和力较低，成药性差。 多肽是具有生物类高亲和力和小分子类生物物理特性的一类分子，是用于研发调控PPI互作药物中的重要策略。然而，由于多肽的本身特征，将靶向PPI的多肽转化成治疗药物仍然存在多种挑战，例如：血清蛋白酶稳定性和耐药性；靶标亲和力和毒性，细胞通透性等。为了改善多肽的成药性，药物研发人员往往需要利用不同方法对其进行化学优化（如环化），将其二级结构限制为稳定和特异性的构象，以提高生物活性和特异性。 图3：多肽药物与其他类型药物对比 1.4多肽药物发现策略 整合的毒液组学和显示技术是发现治疗性先导物的两项关键技术。整合毒液组学利用生物信息学分析有毒动物的基因组和转录组数据以及从粗毒液样本中获得的蛋白质组学数据。该方法可以识别大量的毒液肽序列，然后合成或重组生成，可用于治疗靶标的筛选。显示技术可以产生大量针对治疗靶点的肽库。这一过程通常经过几轮筛选后产生高亲和力的靶结合物。然后使用药物化学策略来改善这些先导物的药物性质。 图4：多肽药物发现策略 1.5多肽药物的药物化学策略 在多肽药物开发中用于提高代谢稳定性和生物利用度的化学修饰。这些方法包括用D-氨基酸、β-氨基酸、硫酰胺或侧链模拟物取代选定的氨基酸、N-甲基化和N-末端乙酰化、肽设计、二硫键模拟物、聚乙二醇化、脂化来稳定α-螺旋。 图5：多肽药物的药物化学策略 1.6多肽药物市场 肽类药物在小分子药物和生物制剂之间占有独特的药学空间。2019年多肽药物占全球医药市场的5%，2019年全球销售额超过500亿美元。在过去的60年里，批准的数量稳步增长，全球肽治疗市场的同比增长为7.9%。胰岛素类似物占据肽药品收入的50%（250亿美元），其次是胰高血糖素样肽1（GLP-1）受体激动剂dulaglutide。目前获批的多肽类药物中，大多数是激动剂，最常见的靶向适应症与内分泌学、代谢和肿瘤学有关。 图6：多肽药物2019年市场规模 2多肽类药物GLP-1研发历史梳理 2.1GLP-1药物长效之路 胰高血糖素样肽1（glucagon-like peptide-1，GLP-1）受体激动剂属于肠促胰素类药物。人体分泌的GLP-1半衰期很短，仅为1~2min，分泌到血液循环后易被二肽基肽酶4（DPP-4）快速降解而失去促胰岛素分泌的活性。 为了充分发挥GLP-1的“天然”作用，药物研发人员对其结构进行修饰，开发了一系列GLP-1受体激动剂。GLP-1受体激动剂可发挥与天然GLP-1相同的生物学作用，还能避免被降解失去活性，从而延长作用时间，发挥调节血糖，治疗糖尿病的作用。 目前一代GLP-1产品需要每天注射，而改良后的GLP-1药品半衰期大幅度延长，变为每周注射，使患者的依从性大幅度提升。 图7：已上市短效及长效GLP-1药物 2.2延长GLP-1药物半衰期是长效制剂的关键 天然GLP-1主要经过3种途径代谢：肝脏、肾脏以及被二肽基肽酶(DPP)-4降解。二肽基肽酶(DPP-4)降解只需1-2min，为了使外源性GLP-1制剂不易被DPP-4降解，GLP-1RA采取不同的蛋白质修饰技术或者改变剂型延缓半衰期：短效的GLP-1RA通过改变第2或3个N端位置的氨基酸（如艾塞那肽和利司那肽），可以降低其被DPP-4酶清除的可能，但仍然有被肾清除的可能，目前长效的GLP-1修饰技术包括：脂肪酸链修饰（利拉鲁肽和司美格鲁肽）、融合Fc片段技术（度拉糖肽）、PEG修饰技术（洛塞那肽）。此外，微球技术通过改变药物剂型达到药物缓慢释放（艾塞那肽微球）。 图8：短效及长效GLP-1药物半衰期比对 2.3蛋白质修饰技术成为延长半衰期的关键 目前已上市的8款GLP-1药物中，四款药物为短效制剂，分别是贝那鲁肽，艾塞那肽，利拉鲁肽以及利司那肽，均需要每天注射，但其结构式也各不相同，其中贝那鲁肽无改造策略，与人体内源性GLP-1完全相同。 艾塞那肽(Exenatide)是从蜥蜴唾液中分离出的GLP-1类似物，由39个氨基酸组成，与人GLP-1有53%的同源性。对其结构进行氨基酸的替换，将N端第二位替换为Ala (GLP-1为Gly)，所以不易被DPP-Ⅳ酶降解，而具有较长的半衰期和较强的生物活性。 利拉鲁肽(Liraglutide)结构是将人GLP-1(7-37)链的34位Lys被Arg取代，在26位的Lys上接入经十六烷酸修饰的谷氨酰胺。GLP-1经脂肪连修饰后，增加了与白蛋白之间的亲和力，从而降低了被DPP‐Ⅳ酶的水解速率和肾清除率，延长生物半衰期。 利司那肽(Lixisenatide)是Exendin-4去掉38位的Pro，并在39位的Ser接6个Lys。其结构经过氨基酸的替换后，利司那肽的半衰期相对艾塞那肽有所延长，可每日一次皮下注射。 图9：短效GLP-1结构对比 另外四款药物为长效制剂，分别是司美格鲁肽，度拉糖肽，艾塞那肽微球以及洛塞那肽，长效GLP-1药物由于药物半衰期的延长变为周制剂，其中艾塞那肽微球采用药物微球缓释制剂技术，延长半衰期。 度拉糖肽（Dulaglutide）是将GLP-1 (7-37)链上8位的Gly取代了Ala，22位的Glu取代了Gly，36位上的Gly取代Arg，再通过“-(Gly-Gly-Gly-Gly-Ser)3-Ala-”偶联桥融合到重组G4免疫白蛋白(含227个氨基酸Fc片段)上，平均生物半衰期长达90小时。 司美格鲁肽（Semeglutide）是GLP-1 (7-37)链上8位的Aib取代了Ala，34为的Arg取代了Lys，26位的Lys接上十八烷酸脂肪链。与Liraglutide相比，Semeglutide的脂肪链更长，疏水性增加，但司美格鲁肽经过短链的PEG修饰，亲水性大大增强。PEG修饰后不但可以与白蛋白紧密结合，掩盖DPP-4酶水解位点，还能降低肾排泄，可延长生物半衰期，达到长循环的效果。 此外GSK的阿必鲁肽（Albiglutide）采用白蛋白偶联策略，将两个GLP-1类似物与人白蛋白融合，肽链中从8位丙氨酸(Ala)到甘氨酸(GIy)都进行取代，提高对DPP-4酶降解的抵抗力。 图10：长效GLP-1结构对比 3投资建议 建议关注全球及国内GLP-1领域研发进展，关注相关药企及其产业链投资机遇。 建议关注：信达生物、恒瑞医药、华东医药、通化东宝，诺泰生物、药明康德、圣诺生物等。 4风险提示 产品研发不及预期风险。创新药研发存在临床试验数据不及预期方向。国内外的临床试验患者招募存在不及预期风险，试验进展及随访存在不及预期风险，试验数据分析进度存在不及预期风