数十年にわたり、さまざまな疾患の治療に不可欠な多くのタンパク質が、経口薬療法の対象となることができずにいました。従来の低分子薬は、平らな表面を持つタンパク質に結合することや、特定のタンパク質ホモログに対する特異性が求められる場合に苦労しがちです。通常、これらのタンパク質を標的とすることができる大きなバイオロジクスは、患者の利便性やアクセス性を制限する注射を必要とします。
2023年12月28日にNature Chemical Biologyに公開された新しい研究では、EPFL（エコール・ポリテクニーク・フェデラル・ド・ローザンヌ）のクリスチャン・ハイニス教授（Christian Heinis）の研究室の研究者らが、薬剤開発における重要なマイルストーンを達成しました。彼らの研究は、製薬業界における長年の課題に対処する、新しいクラスの経口利用可能な薬剤への扉を開きました。このオープンアクセスの記事は「De novo Development of Small Cyclic Peptides That Are Orally Bioavailable（経口生物利用可能な小型環状ペプチドのデ・ノボ開発）」と題されています。
「治療標的が特定されたにもかかわらず、それらに結合し、到達する薬剤を開発できなかった病気は多くあります。そのほとんどががんの種類であり、これらのがんにおける多くの標的は、腫瘍の成長に重要であるが、阻害することができないタンパク質間相互作用です。」とハイニス教授は述べています。
研究は、疾患標的に対して高い親和性と特異性を持つことで知られる、多用途の分子である環状ペプチドに焦点を当てています。しかし、これらを経口薬として開発することは、胃腸管で迅速に消化されたり、吸収が不十分であるため、困難でした。
「環状ペプチドは、従来の方法では薬剤を生成するのが難しかった困難な標的に結合できるこれらの分子を使用して薬剤開発を行うことに大きな関心があります。しかし、環状ペプチドは通常、経口投与（錠剤として）することができず、その応用を著しく制限します。」とハイニス教授は述べています。
環状化のブレークスルー
研究チームは、血液凝固における中心的な役割を果たすため、重要な疾患標的である酵素トロンビンを標的としました。トロンビンを調節することは、脳卒中や心筋梗塞のような血栓性障害の予防と治療において重要です。
トロンビンを標的とし、経口摂取時に十分な安定性を持つ環状ペプチドを生成するために、研究者らはチオエーテル結合を持つ広範な環状ペプチドのライブラリーを合成するための2段階のコンビナトリアル合成戦略を開発しました。これにより、経口摂取時の代謝安定性が向上します。
「私たちは現在、私たちが選択した疾患標的に結合し、また経口投与することができる環状ペプチドを生成することに成功しました。このために、数千の小型環状ペプチドをナノスケールで化学合成し、高スループットプロセスで検査する新しい方法を開発しました。」とハイニス教授は述べています。
二段階、ワンポット
新しい方法プロセスには2つのステップがあり、同じ反応容器で行われます。化学者が「ワンポット」と呼ぶ特徴です。最初のステップは、線形ペプチドを合成することであり、その後、2つの分子群を一緒に接続するために使用される「ビス電子親和性リンカー」という化学化合物を使用して、安定なチオエーテル結合を形成することにより、環状構造を形成する化学プロセスを行います。
次に、環状化されたペプチドはアシル化を経ます。これは、それらにカルボン酸を付加するプロセスであり、さらにその分子構造を多様化します。
この技術は中間精製ステップの必要性を排除し、合成プレートで直接高スループットスクリーニングを可能にし、特定の疾患標的に対して高い親和性を持つ候補を特定するために、数千のペプチドの合成とスクリーニングを組み合わせます。この場合はトロンビンです。
この方法を使用して、プロジェクトを主導する博士課程の学生であるマヌエル・メルツ氏（Manuel Merz）は、約650ダルトン（Da）の平均分子量を持つ8,448の環状ペプチドの包括的なライブラリーを生成することができました。これは、経口利用可能な低分子に推奨される最大限度の500 Daをわずかに超えるものです。
環状ペプチドはまた、トロンビンに対して高い親和性を示しました。
ラットでのテストでは、ペプチドは最大18％の経口生物利用可能性を示しました。これは、環状ペプチド薬が経口摂取されると、18％の割合で成功して血流に入り、治療効果を発揮することを意味します。経口投与された環状ペプチドは通常、生物利用可能性が2％未満であることを考えると、その数値を18％に増加させることは、ペプチドを含むバイオロジクスカテゴリーの薬剤にとって大きな進歩です。
ターゲット設定
環状ペプチドの経口利用可能性を可能にすることで、従来の経口薬では対処が困難だったさまざまな疾患の治療の可能性をチームは開いています。この方法の汎用性は、医療ニーズが現在満たされていない領域でのブレークスルーにつながる可能性がある多くのタンパク質をターゲットにするために適応することができます。
「より挑戦的な疾患標的、たとえばタンパク質間相互作用にメソッドを適用するには、より大きなライブラリーが合成され、研究される必要があるでしょう。方法のさらなるステップを自動化することで、100万以上の分子を持つライブラリーが手の届く範囲内にあるようです。」とマヌエル・メルツ氏は述べています。
このプロジェクトの次のステップでは、研究者らは、従来の低分子に基づいて阻害剤を開発するのが困難だったいくつかの細胞内タンパク質間相互作用標的をターゲットにします。彼らは、少なくともいくつかの標的に対して経口適用可能な環状ペプチドを開発することができると自信を持っています。
写真：環状経口ペプチドのグラフ。(Credit：Christian Heinis/EPFL）
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