在20世纪80年代初（1983年），环孢素A的研究取得了口服肽类药物递送的重大突破，如图1所示。这种天然存在的肽类药物展现出了较高的口服生物利用度，进而被开发成口服剂型。

图 1 环孢菌素 A 的化学结构

尽管环孢素A的口服递送技术激发了科研人员对开发口服肽类药物的兴趣，但实现肽类药物口服生物利用度的完整路径尚未完全揭示，科研人员仍在探索提高肽类药物口服生物利用度的方法。除了提升肽类药物的稳定性和对多种酶解的抵抗力外，如何穿透细胞膜也是研究的关键点之一。瑞士苏黎世联邦理工学院的科研团队最近采用一种柔性的十环肽，模拟了肽分子穿透细胞膜的分子动力学过程，如图2所示。

图2 柔性十环肽结构。（Linker  Stephanie M. 等，2023 年）

与过于柔软的线性肽不同，环肽展现出所谓的“变色龙效应”。变色龙能根据环境变化调整体色，环肽则能根据环境的极性变化调整分子构象。这一特性依赖于环肽分子内部及分子间的氢键转换。

在研究肽类药物的开放型构象时，环肽的氢键原子在极性环境中（如血液或细胞质）暴露，与溶剂中的氢键原子或极性溶剂分子形成氢键。当环境变为非极性环境（如细胞膜内部）时，环肽则采取闭合型构象，通过形成分子内氢键将自己包裹起来，将极性基团隐藏在分子内部，同时将非极性结构展示在分子表面，减少极性区域和脱溶剂化能量。环肽的这种变色龙效应对于开发口服肽类药物具有重大意义，因为它能平衡良好的水溶性和脂溶性，从而有助于提高细胞穿透能力。

闭合构象通常被认为是环肽的主要渗透状态。然而，这一过程是动态的，受多种因素影响，如序列、分子大小、疏水表面积等。通过分子动力学模拟，研究人员模拟了环肽分子通过被动扩散进入细胞的过程，强调了灵活构象对环肽穿透细胞膜的重要性，并将其分为四个步骤，如图3所示：

• 特定的肽侧链残基作为分子锚点

环肽分子在穿透细胞膜前，与细胞膜建立初步接触。

• 环肽锚定后直接跃入细胞膜

分子插入细胞膜的极性头部和非极性尾部区域的交界处。在此过程中，环肽展现出两种潜在的取向：开放状态倾向于方向A和方向B，但更偏好方向A；而闭合状态的环肽仅采用方向B。

• 开放状态向闭合状态的转变

这种转变增加了穿透的可能性。在此过程中，肽分子的变色龙效应尤为重要，有助于其从极性环境向非极性环境过渡。处于开放状态的环肽难以完成后续的扩散过程。

• 闭合状态环肽的扩散与跨膜机制

只有闭合状态的环肽分子才能从细胞膜表面的极性/非极性混合环境扩散，通过非极性脂质膜层传播到另一侧的极性/非极性界面。通过锚定与翻转机制，最终完成跨膜过程。

图3 柔性环肽被动渗透膜的四个步骤。（Linker Stephanie M. 等，2023 年）

步骤1

分子动力学模拟显示，开放构象和闭合构象环肽的锚定残基存在差异，这是因为两种构象中残基与细胞膜的接触程度不同。由于氨基酸的锚定行为依赖于肽分子的构象，表征环肽的构象行为对于合理设计肽类药物至关重要。在肽分子穿透细胞膜之前，理解其主要构象及对应的残基暴露情况，有助于优化具有膜穿透能力的环肽设计。通过氨基酸侧链锚定的这种穿透模式，不仅可以应用于肽类分子，也可以推广到其他分子形式，例如通过适度的脂肪链共轭来增强分子的膜穿透能力。

步骤2

肽分子插入膜后，与膜平面平行排列。如果插入的是开放构象分子，肽可能采取两种排列方向（A和B）；然而，如果肽分子在插入前已经处于闭合构象（预折叠状态），则仅观察到方向B。这对于其他大环肽的设计也有重要意义，特别是那些具有连续疏水表面的肽分子。只有排列方向B有利于肽从开放构象向闭合构象的转变。

步骤3

从开放状态到闭合状态的构象转变是一个关键过程，对后续的膜内扩散有重要影响。这种构象转变不仅改变了分子的空间结构，还显著影响其与膜环境的相互作用，从而决定分子在膜内的运动模式和扩散效率。

步骤4

进入细胞膜的肽分子需要扩散到膜的另一侧（下层膜片）。作为跨膜的最后一步，肽分子需要经历与第一步类似的过程，即其氨基酸残基需锚定到下层膜片的极性头部区域，同时这一过程还涉及环肽方向的翻转，导致疏水矩方向的改变。

模拟研究显示，氨基酸（如亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸）的作用可能与肽分子的序列高度相关，这取决于氨基酸在肽分子中的位置以及其他残基的影响。这项针对环肽穿膜路径的分子动力学模拟的目标，是提高肽类分子的生物利用度，特别是口服生物利用度，从而开发更多可通过口服递送的肽类药物。

参考文献：

Linker, Stephanie M., et al., Lessons for Oral bioavailability: how Conformationally flexible cyclic peptides enter and cross lipid membranes. Journal of medicinal chemistry 66.4 (2023): 2773-2788.