天然抗病毒环肽的研究进展

王梦灿,任志强,林剑,朱希强

(1.烟台大学 生命科学学院,山东 烟台 264005;2.山东丰金生物医药有限公司,山东 烟台 264100)

环肽广泛存在于自然界的动物、植物与微生物中。从20世纪40年代人类发现了第一个环肽,Gramicidin S环肽起[1],到目前为止,环肽的研究已经取得了巨大的进展。环肽不仅可以从天然的生物中提取出来,还可以根据人们的需要进行体外修饰以期达到人们的要求。相比于线性肽,其结构更加特殊,构象更加稳定,活性更加丰富,具有更好的抗酶解能力、抗化学降解能力和更高的生物活性[2]。此外,环肽相较于线性肽含有更少的N端和C端,更易穿过细胞膜,不易被体内酶降解[3]。基于这些优良的特性,环肽已成为科学家们研究的热点。

在目前的药物研发体系中,主要的药物化合物包括有抗生素、蛋白质、核酸和肽[4]等。肽具有易生产、低毒性、结构多样性等优点,但是在人体内肽易被蛋白酶分解导致其利用度大大降低[5]。尽管肽类药物可以用于治疗各种疾病,但是它的缺点还是极大地影响了它们在医疗领域的发展。目前,研究人员通过开发各种新型给药系统来解决这个问题[6-7],其中之一就是将这些多肽转化为环状多肽,提高的多肽的蛋白结合力和多肽稳定性。环肽具有封闭的环状结构,有着更高的肽酶抗性和体内稳定性,可以提高药物的靶向性和亲和力,除此之外,肽的环化在某些条件下还有着更高的细胞膜渗透性[5]。基于环肽这些独特的结构和特性,其成为新药的发现和研究的一个重要方向,是目前多肽药物更有利的替代品。

目前环肽药物大多处于研发和临床试验阶段,但是已有部分环肽药物被批准上市。值得注意的是这些被批准上市的环肽药物有大部分都是天然来源,由动植物、微生物中提取出来的。这些从真菌、海洋生物等中提取出的环肽表现出了良好的生物活性,具有抗菌、抗癌、抗病毒等特性。比如,东方链霉菌产的三环糖肽类抗生素万古霉素、丝状真菌培养液分离出的免疫抑制剂环肽环孢霉素A等。

新型冠状病毒的出现使得抗病毒类药物的研发推上了热潮。新出现的病毒性疾病已经使世界人们的生命安全受到了严重威胁,导致了全球范围内的大量人们的发病和死亡。然而迄今为止,大多数病毒性疾病仍没有有效的治疗方法。目前的抗病毒药物具有一定的局限性,治疗效果较差,不能完全治疗病毒性疾病。寻找新的高效抗病毒性药物至关重要,抗病毒性良好的环肽类药物进入人们的视野。本文对天然来源的抗病毒环肽进行了详细的综述,为推动新型抗病毒药物的研发提供参考。

1 环肽的获取方法

环肽的获取方法主要包括三种:直接提取法、基因重组法和化学合成法。一个成功的环肽化合物基本需要经过以下几步:从生物中被提取发现,根据人们的需求进行体外修饰,固相合成直链,液相将固相得到的直链进行环化大量生产。

1.1 直接提取法

大量环肽化合物是从动植物、微生物中等被发现并提取分离出来的,如太子参环肽、亚麻籽环肽等。这些天然来源的环肽大多具有很高的生物活性和生物安全性,但是这些天然的环肽在生物体内含量少、纯度低、工业复杂、很难纯化得到纯度较高的环肽单体。

1.2 基因重组法

部分环肽是线性肽经酶转化形成的环状化合物[8],线性肽通过特定的酶对肽链进行特定位点识别、水解剪切、连接核心肽成环等方法修饰成环肽,基因重组技术在体外对基因进行修饰、重组,从而使其在体内表达出特定的环肽。基因重组技术成本低、可以安全环保表达环肽,但是其灵活度较差、无法准确表达含有非天然氨基酸的环肽[9]。

1.3 化学合成法

化学合成法分为液相合成法和固相合成法[10],大部分环肽化合物本身的合成路线很常见,可以大量合成环肽的单体,但是环肽的合成涉及重复的保护、脱保护、连环等收率比较低,导致大部分的环肽合成难度较大,合成成本极其昂贵。

1.3.1 液相合成法

液相合成法是环肽最常见的合成方法,其最常使用的方法为缩合试剂法。但是液相合成法工艺复杂、合成周期长,且分离和纯化时会损失大量产物[11]。

1.3.2 固相合成法

固相合成法是将反应物等直接连接在固体聚合物作为的载体上进行反应,在合成的过程中使分子间的碰撞几率降低,减少副反应的发生从而减少副产物的生成,并且只需要简单以及多次的过滤和洗涤就可以除去反应产生的副产物和过量的缩合剂[9]。但是,固相合成法也有许多不足,如环合成功的概率和效率都比较低。

2 天然来源的抗病毒环肽

海洋和陆地中的生物中含有种类繁多的环肽,包括各种动物、植物、细菌、真菌等。其成分各异,大小不一,分布范围广,有着不同的优点和用途[12]。近年来,抗病毒环肽的研制取得了巨大进展,下面整理了部分近些年研究的天然来源的抗病毒性环肽。

2.1 cycloviolacin VY1

cycloviolacin VY1是从紫花地丁中分离出的一种环肽,刘忞之等[13]对其进行了活性评价和稳定性分析,证明其具有抗酶解稳定性和耐热变性,并且首次报道了cycloviolacin VY1的抗甲型H1N1流感病毒的活性,其在4.00～0.25 μg·mL-1的范围内可以抑制甲型H1N1流感病毒的活性。当质量浓度达到4.00 μg·mL-1时抑制率达到最大,抑制率为100%。其IC50值为(2.27±0.20) μg·mL-1。

2.2 Aspergillipeptide D

Aspergillipeptide D是在曲霉真菌属Aspergillus sp.SCSIO 41501的人工培养基中发现的一种环状五肽[17]。Aspergillipeptide D是一种相对分子质量为727、分子式为C40H49N5O8的白色晶体,具有有效的抗HSV-1病毒活性的作用。Aspergillipeptide D对Vero细胞的毒性非常低,在浓度为50 μmol/L时细胞的存活率达到90%以上,其在毒性范围内具有抗HSV-1病毒效果。Aspergillipeptide D不仅对HSV-1正常株具有抗病毒效果,还对HSV-1的耐药株如HSV-1-106,HSV-V-153和HSV-blue株都具有优良的抗病毒效果[14]。

2.3 Asperterrestide A

Asperterrestide A是从海洋衍生真菌土曲霉SCSGAF0162的发酵液中分离出的一种新的抗病毒环状四肽[15]。Asperterrestide A是一种分子式为C26H32N4O5的黄色粉末,具有罕见的3-OH-N-CH3-Phe残基,对流感病毒毒株H1N1和H3N2具有抑制作用。He[16]等人用CPE法检测了Asperterrestide A对流感病毒毒株A/WSN/33(H1N1)(M2耐药株)和A/Hong Kong/8/68(H3N2)(M2-敏感株)的抑制作用,相应的IC50值分别为20.2和0.41 μmol/L,证明了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中发现的一种环肽[18],Simplicilliumtid J是一种分子式为C46H73N7O11,具有脂肪酸链和内酯键的抗HSV-1病毒环肽,EC50值为14.0 μmol/L。此外,其对Vero细胞的非细胞毒性浓度TC0和TC50值分别为25.1和204 μmol/L[18]。

3 总结与展望

截至目前,虽然有着越来越多的抗病毒药物被发现,并经过了临床试验出现在了人们的日常生活中,但是大多数病毒感染仍面临着缺乏适当的治疗手段[19-21]。不仅如此,抗病毒药物还面临着各种挑战,如病毒毒株变异,抗病毒药物出现耐药性等。因此,研发出令人满意的新型抗病毒药物一直是科学家们努力的方向。此时,环肽应运而生,进入了科学家们的视野。其与线性肽和其他抗病毒药物相比具有明显的优势,已成为新药研发的趋势。

如今环肽已经打开了医疗领域的大门,用于成像、疾病治疗、诊断和药物靶向等[22],但是环肽也有它的局限性,如天然提取的环肽较难分离纯化;化学合成的环肽合成难度过高、合成成本巨大;环肽的种类较少、选择性低等。因此人们应发展出更简单、高效的环肽合成方法,降低环肽生产的成本[23];从生物中提取出更多的未知天然来源环肽,利用天然来源提取的环肽与基因重组技术、化学合成技术相结合,开发出更多对人类有益的环肽化合物,使更多的新型、高效、安全的环肽类药物进入市场。相信在不久的将来,环状肽由于其突出的特性和生产成本的降低将成为医药发展中最重要的亮点之一。

总之,通过对病毒结构,作用机制等研究的愈发深入,对抗病毒环肽类药物不断地优化,天然抗病毒环肽必将拥有更广阔的应用前景。相信人们终有一天会克服病毒、战胜病毒。