I decennier har ett stort antal proteiner, avgörande för behandling av olika sjukdomar, förblivit svårfångade för oral läkemedelsbehandling. Traditionella små molekyler kämpar ofta för att binda till proteiner med plana ytor eller kräver specificitet för särskilda proteinhomologer. Vanligtvis kräver större biologiska läkemedel som kan rikta sig mot dessa proteiner injektion, vilket begränsar patientens bekvämlighet och tillgänglighet.
I en ny studie publicerad i Nature Chemical Biology, forskare från professor Christian Heinis laboratorium vid EPFL har uppnått en betydande milstolpe i läkemedelsutveckling. Deras forskning öppnar dörren till en ny klass av oralt tillgängliga läkemedel, som tar itu med en långvarig utmaning inom läkemedelsindustrin.
"Det finns många sjukdomar för vilka målen identifierades, men läkemedel som binder och når dem kunde inte utvecklas", säger Heinis. "De flesta av dem är typer av cancer, och många mål i dessa cancerformer är protein-proteininteraktioner som är viktiga för tumörtillväxten men som inte kan hämmas."
Studien fokuserade på cykliska peptider, som är mångsidiga molekyler kända för sin höga affinitet och specificitet för att binda utmanande sjukdomsmål. Samtidigt har det visat sig svårt att utveckla cykliska peptider som orala läkemedel eftersom de snabbt smälts eller absorberas dåligt av mag-tarmkanalen.
"Cykliska peptider är av stort intresse för läkemedelsutveckling eftersom dessa molekyler kan binda till svåra mål för vilka det har varit utmanande att generera läkemedel med hjälp av etablerade metoder", säger Heinis. "Men de cykliska peptiderna kan vanligtvis inte administreras oralt - som ett piller - vilket begränsar deras användning enormt."
Forskargruppen riktade in sig på enzymet trombin, som är ett kritiskt sjukdomsmål på grund av dess centrala roll i blodkoagulationen; reglering av trombin är nyckeln till att förebygga och behandla trombotiska störningar som stroke och hjärtattacker.
För att generera cykliska peptider som kan rikta sig mot trombin och som är tillräckligt stabila, utvecklade forskarna en tvåstegs kombinatorisk syntesstrategi för att syntetisera ett stort bibliotek av cykliska peptider med tioeterbindningar, som förbättrar deras metaboliska stabilitet när de tas oralt.
"Vi har nu lyckats generera cykliska peptider som binder till ett sjukdomsmål vi valt och som även kan administreras oralt", säger Heinis. "För detta ändamål har vi utvecklat en ny metod där tusentals små cykliska peptider med slumpmässiga sekvenser syntetiseras kemiskt i nanoskala och undersöks i en process med hög genomströmning."
Den nya metodprocessen omfattar två steg och äger rum i samma reaktiva behållare, en egenskap som kemister kallar "en kruka."
Det första steget är att syntetisera linjära peptider, som sedan genomgår en kemisk process för att bilda en ringliknande struktur - i tekniska termer, "cykliseras". Detta görs genom att använda "bis-elektrofila länkar" - kemiska föreningar som används för att koppla samman två molekylära grupper - för att bilda stabila tioeterbindningar.
I den andra fasen genomgår de cykliserade peptiderna acylering, en process som binder karboxylsyror till dem, vilket ytterligare diversifierar deras molekylära struktur.
Tekniken eliminerar behovet av mellanliggande reningssteg, vilket möjliggör screening med hög genomströmning direkt i syntesplattorna, kombinerar syntes och screening av tusentals peptider för att identifiera kandidater med hög affinitet för specifika sjukdomsmål – i detta fall trombin.
Med hjälp av metoden har Ph.D. Student som leder projektet, Manuel Merz, kunde generera ett omfattande bibliotek med 8 448 cykliska peptider med en genomsnittlig molekylmassa på cirka 650 Dalton (Da), bara något över den maximala gränsen på 500 Da som rekommenderas för oralt tillgängliga små molekyler.
De cykliska peptiderna visade också en hög affinitet för trombin.
När de testades på råttor visade peptiderna oral biotillgänglighet upp till 18%, vilket betyder att när det cykliska peptidläkemedlet tas oralt kommer 18% av det framgångsrikt in i blodomloppet och har en terapeutisk effekt. Med tanke på att oralt administrerade cykliska peptider i allmänhet visar en biotillgänglighet under 2 %, är en ökning av den siffran till 18 % ett betydande framsteg för läkemedel i kategorin biologiska läkemedel – som inkluderar peptider.
Genom att möjliggöra oral tillgänglighet av cykliska peptider har teamet öppnat möjligheter för att behandla en rad sjukdomar som har varit utmanande att hantera med konventionella orala läkemedel. Metodens mångsidighet innebär att den kan anpassas till ett brett spektrum av proteiner, vilket kan leda till genombrott inom områden där medicinska behov för närvarande inte är tillgodosedda.
"För att tillämpa metoden på mer utmanande sjukdomsmål, såsom protein-protein-interaktioner, kommer större bibliotek sannolikt att behöva syntetiseras och studeras", säger Manuel Merz. "Genom att automatisera ytterligare steg i metoderna verkar bibliotek med mer än en miljon molekyler vara inom räckhåll."
I nästa steg i detta projekt kommer forskarna att rikta in sig på flera intracellulära protein-proteininteraktionsmål för vilka det har varit svårt att utveckla inhibitorer baserade på klassiska små molekyler. De är övertygade om att oralt applicerbara cykliska peptider kan utvecklas för åtminstone några av dem.
Mer information: Alexander L. Nielsen, De novo utveckling av små cykliska peptider som är oralt biotillgängliga, Nature Chemical Biology (2023). DOI:10.1038/s41589-023-01496-y
Journalinformation: Kemisk naturbiologi
Tillhandahålls av Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
