天然抗病毒環肽的研究進展

王夢燦,任志強,林劍,朱希強

(1.煙臺大學 生命科學學院,山東 煙臺 264005;2.山東豐金生物醫藥有限公司,山東 煙臺 264100)

環肽廣泛存在于自然界的動物、植物與微生物中。從20世紀40年代人類發現了第一個環肽,Gramicidin S環肽起[1],到目前為止,環肽的研究已經取得了巨大的進展。環肽不僅可以從天然的生物中提取出來,還可以根據人們的需要進行體外修飾以期達到人們的要求。相比于線性肽,其結構更加特殊,構象更加穩定,活性更加豐富,具有更好的抗酶解能力、抗化學降解能力和更高的生物活性[2]。此外,環肽相較于線性肽含有更少的N端和C端,更易穿過細胞膜,不易被體內酶降解[3]。基于這些優良的特性,環肽已成為科學家們研究的熱點。

在目前的藥物研發體系中,主要的藥物化合物包括有抗生素、蛋白質、核酸和肽[4]等。肽具有易生產、低毒性、結構多樣性等優點,但是在人體內肽易被蛋白酶分解導致其利用度大大降低[5]。盡管肽類藥物可以用于治療各種疾病,但是它的缺點還是極大地影響了它們在醫療領域的發展。目前,研究人員通過開發各種新型給藥系統來解決這個問題[6-7],其中之一就是將這些多肽轉化為環狀多肽,提高的多肽的蛋白結合力和多肽穩定性。環肽具有封閉的環狀結構,有著更高的肽酶抗性和體內穩定性,可以提高藥物的靶向性和親和力,除此之外,肽的環化在某些條件下還有著更高的細胞膜滲透性[5]。基于環肽這些獨特的結構和特性,其成為新藥的發現和研究的一個重要方向,是目前多肽藥物更有利的替代品。

目前環肽藥物大多處于研發和臨床試驗階段,但是已有部分環肽藥物被批準上市。值得注意的是這些被批準上市的環肽藥物有大部分都是天然來源,由動植物、微生物中提取出來的。這些從真菌、海洋生物等中提取出的環肽表現出了良好的生物活性,具有抗菌、抗癌、抗病毒等特性。比如,東方鏈霉菌產的三環糖肽類抗生素萬古霉素、絲狀真菌培養液分離出的免疫抑制劑環肽環孢霉素A等。

新型冠狀病毒的出現使得抗病毒類藥物的研發推上了熱潮。新出現的病毒性疾病已經使世界人們的生命安全受到了嚴重威脅,導致了全球范圍內的大量人們的發病和死亡。然而迄今為止,大多數病毒性疾病仍沒有有效的治療方法。目前的抗病毒藥物具有一定的局限性,治療效果較差,不能完全治療病毒性疾病。尋找新的高效抗病毒性藥物至關重要,抗病毒性良好的環肽類藥物進入人們的視野。本文對天然來源的抗病毒環肽進行了詳細的綜述,為推動新型抗病毒藥物的研發提供參考。

1 環肽的獲取方法

環肽的獲取方法主要包括三種:直接提取法、基因重組法和化學合成法。一個成功的環肽化合物基本需要經過以下幾步:從生物中被提取發現,根據人們的需求進行體外修飾,固相合成直鏈,液相將固相得到的直鏈進行環化大量生產。

1.1 直接提取法

大量環肽化合物是從動植物、微生物中等被發現并提取分離出來的,如太子參環肽、亞麻籽環肽等。這些天然來源的環肽大多具有很高的生物活性和生物安全性,但是這些天然的環肽在生物體內含量少、純度低、工業復雜、很難純化得到純度較高的環肽單體。

1.2 基因重組法

部分環肽是線性肽經酶轉化形成的環狀化合物[8],線性肽通過特定的酶對肽鏈進行特定位點識別、水解剪切、連接核心肽成環等方法修飾成環肽,基因重組技術在體外對基因進行修飾、重組,從而使其在體內表達出特定的環肽。基因重組技術成本低、可以安全環保表達環肽,但是其靈活度較差、無法準確表達含有非天然氨基酸的環肽[9]。

1.3 化學合成法

化學合成法分為液相合成法和固相合成法[10],大部分環肽化合物本身的合成路線很常見,可以大量合成環肽的單體,但是環肽的合成涉及重復的保護、脫保護、連環等收率比較低,導致大部分的環肽合成難度較大,合成成本極其昂貴。

1.3.1 液相合成法

液相合成法是環肽最常見的合成方法,其最常使用的方法為縮合試劑法。但是液相合成法工藝復雜、合成周期長,且分離和純化時會損失大量產物[11]。

1.3.2 固相合成法

固相合成法是將反應物等直接連接在固體聚合物作為的載體上進行反應,在合成的過程中使分子間的碰撞幾率降低,減少副反應的發生從而減少副產物的生成,并且只需要簡單以及多次的過濾和洗滌就可以除去反應產生的副產物和過量的縮合劑[9]。但是,固相合成法也有許多不足,如環合成功的概率和效率都比較低。

2 天然來源的抗病毒環肽

海洋和陸地中的生物中含有種類繁多的環肽,包括各種動物、植物、細菌、真菌等。其成分各異,大小不一,分布范圍廣,有著不同的優點和用途[12]。近年來,抗病毒環肽的研制取得了巨大進展,下面整理了部分近些年研究的天然來源的抗病毒性環肽。

2.1 cycloviolacin VY1

cycloviolacin VY1是從紫花地丁中分離出的一種環肽,劉忞之等[13]對其進行了活性評價和穩定性分析,證明其具有抗酶解穩定性和耐熱變性,并且首次報道了cycloviolacin VY1的抗甲型H1N1流感病毒的活性,其在4.00～0.25 μg·mL-1的范圍內可以抑制甲型H1N1流感病毒的活性。當質量濃度達到4.00 μg·mL-1時抑制率達到最大,抑制率為100%。其IC50值為(2.27±0.20) μg·mL-1。

2.2 Aspergillipeptide D

Aspergillipeptide D是在曲霉真菌屬Aspergillus sp.SCSIO 41501的人工培養基中發現的一種環狀五肽[17]。Aspergillipeptide D是一種相對分子質量為727、分子式為C40H49N5O8的白色晶體,具有有效的抗HSV-1病毒活性的作用。Aspergillipeptide D對Vero細胞的毒性非常低,在濃度為50 μmol/L時細胞的存活率達到90%以上,其在毒性范圍內具有抗HSV-1病毒效果。Aspergillipeptide D不僅對HSV-1正常株具有抗病毒效果,還對HSV-1的耐藥株如HSV-1-106,HSV-V-153和HSV-blue株都具有優良的抗病毒效果[14]。

2.3 Asperterrestide A

Asperterrestide A是從海洋衍生真菌土曲霉SCSGAF0162的發酵液中分離出的一種新的抗病毒環狀四肽[15]。Asperterrestide A是一種分子式為C26H32N4O5的黃色粉末,具有罕見的3-OH-N-CH3-Phe殘基,對流感病毒毒株H1N1和H3N2具有抑制作用。He[16]等人用CPE法檢測了Asperterrestide A對流感病毒毒株A/WSN/33(H1N1)(M2耐藥株)和A/Hong Kong/8/68(H3N2)(M2-敏感株)的抑制作用,相應的IC50值分別為20.2和0.41 μmol/L,證明了Asperterrestide A具有抑制H1N1和H3N2病毒的能力。

2.4 Simplicilliumtide

Simplicilliumtide是在海洋衍生的真菌菌株Simplicillium obclavatum EIODSF 020中發現的一種環肽[18],Simplicilliumtid J是一種分子式為C46H73N7O11,具有脂肪酸鏈和內酯鍵的抗HSV-1病毒環肽,EC50值為14.0 μmol/L。此外,其對Vero細胞的非細胞毒性濃度TC0和TC50值分別為25.1和204 μmol/L[18]。

3 總結與展望

截至目前,雖然有著越來越多的抗病毒藥物被發現,并經過了臨床試驗出現在了人們的日常生活中,但是大多數病毒感染仍面臨著缺乏適當的治療手段[19-21]。不僅如此,抗病毒藥物還面臨著各種挑戰,如病毒毒株變異,抗病毒藥物出現耐藥性等。因此,研發出令人滿意的新型抗病毒藥物一直是科學家們努力的方向。此時,環肽應運而生,進入了科學家們的視野。其與線性肽和其他抗病毒藥物相比具有明顯的優勢,已成為新藥研發的趨勢。

如今環肽已經打開了醫療領域的大門,用于成像、疾病治療、診斷和藥物靶向等[22],但是環肽也有它的局限性,如天然提取的環肽較難分離純化;化學合成的環肽合成難度過高、合成成本巨大;環肽的種類較少、選擇性低等。因此人們應發展出更簡單、高效的環肽合成方法,降低環肽生產的成本[23];從生物中提取出更多的未知天然來源環肽,利用天然來源提取的環肽與基因重組技術、化學合成技術相結合,開發出更多對人類有益的環肽化合物,使更多的新型、高效、安全的環肽類藥物進入市場。相信在不久的將來,環狀肽由于其突出的特性和生產成本的降低將成為醫藥發展中最重要的亮點之一。

總之,通過對病毒結構,作用機制等研究的愈發深入,對抗病毒環肽類藥物不斷地優化,天然抗病毒環肽必將擁有更廣闊的應用前景。相信人們終有一天會克服病毒、戰勝病毒。