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近些年,随着固相合成,基因重组技术以及新型的化学修饰方法等技术的建立,极大地推动了多肽的合成及多肽药物的发展。目前,多肽类药物已被广泛应用于糖尿病,肢端肥大症,癌症等疾病的治疗。
肽广泛存在于自然界和生命体中,是一类由两个或多个氨基酸通过肽键连接组成的天然物质,同时也是蛋白质不完全水解的产物。迄今在生物体内已发现的多肽种类繁多,他们在参与和调节机体内生命活动方面发挥了重要作用。根据氨基酸的组成数量可以分为寡肽(2-10个氨基酸)和多肽(10-100个氨基酸)。
自首个多肽——催产素成功合成以来,科学家们经过数十年的不懈努力,已经开发了多样的多肽合成方法。这些合成方法主要分为生物合成法和化学合成法。
生物合成法包括提取法,酶解法,基因重组法,发酵法等。
天然提取法是一种从动植物体内提取多肽物质的方法,然而,生物体内多肽类物质含量稀小,通过此法获得的多肽纯度偏低,而且在提取过程中容易引入病菌等,因此,提取法已逐步被其他方法所替代。
酶解法是通过生物酶将蛋白质降解为多肽。此法具有反应条件温和等优点,但通过酶解法得到的多肽大都为混合物,后续分离提纯难度较大,相较之下,酶解法在食品,化妆品等行业里更为常见。
基因重组法是通过基因技术将某些序列的多肽转移至原核或真核细胞中重组DNA并进行表达,此法具有定向表达强,无需多肽载体以及保护基团的参与等优点,是目前应用最多的生物合成法,但基因重组法存在纯化困难等问题。
发酵法是通过微生物的代谢作用发酵产生活性多肽的方法,这种方法成本相对较低,但由于此法是依赖于微生物代谢,因此只能用来生产已知有益的活性多肽,应用范围有限,不属于主流的多肽生产方法。
化学合成法包括液相合成法和固相合成法,目前化学合成仍是合成多肽类物质的最主要方法。在多肽合成中,肽键(即酰胺键)的形成是关键步骤,多肽合成试剂是构建酰胺键的专用试剂,对于提高酰胺键的成键效率,产品纯度及收率等发挥了重要作用。
在合成中,试剂的性能决定了合成策略的有效性。多肽合成试剂根据其性能可以划分为缩合剂、保护剂和手性消旋抑制剂。缩合剂主要用于促进羧酸与胺之间酰胺键的形成,其可以有效降低反应能垒,提高成键效率。这些试剂广泛应用于多肽药物及小分子化学药物的合成中,具体包括碳二亚胺型(如DCC,DIC等)和鎓盐型,后者又可分为脲正离子型(如HBTU,HATU等)和磷正离子型(如PyBOP);保护剂是一类将活性基团保护起来使其暂时失活的试剂,可以有效避免非目标反应的发生,这在有机和药物合成中非常普遍。在多肽合成中,常用于保护氨基,常用的有Fmoc系列保护剂和Boc系列保护剂;手性消旋抑制剂是在合成中能有效抑制产品消旋化,提高产品的光学纯度的试剂,常用的消旋抑制剂有HOBt,HOPO等。
缩合试剂的应用极大地推进了多肽合成进程。化学合成的基本流程包括:保护不参与反应的活性基团:活化羧基制备活性中间体从而形成肽键;对保护基团进行脱保护。
液相合成法是在溶液中通过化学反应形成肽键的方法。此法常用的保护基有Boc和Cbz(Z)两种,主要采用两种策略:逐步合成法即按照氨基酸顺序通过肽键逐步连接;片段合成法是将已合成的两个或多个多肽片段连接成目标多肽,与固相合成法相比,液相合成法更加适用于短肽的合成,其所用试剂、溶剂等用量小,成本更低,符合绿色化学的原则,同时保护基的可选择性多,有利于后续的纯化和规模化生产。
固相合成法最初于1963年提出后,便成为一种主流的多肽合成方法。此法是以不溶性树脂为载体,将第一个氨基酸的C端固定于树脂上,通过缩合反应将预先脱保护的N端与已活化的第二个氨基酸连接,再经过洗涤,重复上述步骤等,直至完成目标多肽的合成。作为固相合成法的核心之一,保护基的选择起到了关键作用,目前,固相合成法主流方法有Boc固相合成法和Fmoc固相合成法:Boc固相合成法中,α-氨基用Boc基团保护,其脱保护使用的是强酸三氟乙酸,而切割肽链则需使用有害的氢氟酸,一方面三氟乙酸酸性太强,可能在合成过程中导致肽链的断裂,另一方面,氢氟酸的危险性大,对身体的危害不言而喻。相比之下,Fmoc固相合成法中Fmoc保护基对酸性较稳定,在碱性条件下脱除,无需使用氢氟酸等危险试剂,另外还可以通过Fmoc保护基监控反应进程,从而更精确的控制生产过程,是目前最最受欢迎的固相多肽合成方法。
与液相合成法相比,固相合成法在长肽合成方面展现了明显的优势,其操作简便,中间体无需纯化,可以实现自动化和高通量的合成多肽,是目前主流的多肽合成方法。
在多肽治疗药物高速发展的背景下,多肽的合成应从经济和可持续性角度考虑。绿色多肽合成是全世界科学家面临的重大挑战,无论使用固相合成SPPS或是液相合成LPPS,其最终目标都是最大限度地减少杂质以减少纯化步骤,从而再次带来经济和可持续的惩罚。同时多肽类药物市场的火热,意味着多肽制药行业为了缩短新药的上市时间将面临越来越大的压力。相信在不久的将来,会有更加合适的多肽合成法问世。
随着多肽治疗药物的迅猛发展,多肽合成技术必须兼顾经济效益与持续性。无论是固相合成(SPPS)还是液相合成(LPPS),其目标都是尽量降低杂质含量,以减少繁琐的纯化步骤,提高合成效率,进而减轻经济和环境的负担。同时,鉴于多肽类药物市场需求的持续增长,制药行业为缩短新药研发周期,面临的压力也在不断增大。相信在不久的将来,将会出现更加高效、环保的多肽合成方法。
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