Применение пептидов
Применение пептидов вскоре может стать столь же разнообразным, как и сами пептиды. Например, пептиды, проникающие в клетки (CPP), используются для доставки различных молекул и частиц внутрь клеток. Биомедицинские исследования значительно продвигаются благодаря использованию CPP и синтетических пептидов. Диагностика заболеваний и будущие компоненты лекарств имеют очень светлое будущее благодаря возможности доставки терапевтических молекул, таких как нуклеиновые кислоты, препараты и контрастные агенты, к клеткам и тканям. От малых химических препаратов до крупных плазмидных ДНК — эти пептиды относительно легко синтезировать. Они также обладают высокой функциональностью и легко поддаются характеристике. CPP могут быть модифицированы для получения высокого уровня экспрессии генов, их подавления и даже таргетинга опухолей. После функционализации или химической модификации они могут создавать эффективные методы доставки для воздействия на определённые патологические клетки или ткани.
Помимо медицинской и фармацевтической сфер, синтетические пептиды (в дальнейшем мы будем использовать термины синтетические пептиды и пептиды, проникающие в клетки [CPP] взаимозаменяемо) нашли применение в биохимии, молекулярной биологии и иммунологии. Синтетические пептиды чрезвычайно полезны для исследований полипептидов, а также в:
• Пептидных гормонах
• Аналогах гормонов
• Получении перекрёстно реагирующих антител
• Создании новых ферментов
The design of synthetic peptides was begun mainly due to the availability of secondary structure prediction methods, and by the discovery of finding protein fragments that are >100 residues can assume or maintain their native structures as well as activities. Here it is important to note that, due to the biological activity of peptides, they must take on conformational aspects which mirror their conformational properties. These are all determined by:
• Amino acid sequences
• Polarity of the medium
• Ligand interactions, such as: nucleic acids, receptors, metal ions
Taking all of this into account, peptide chemists and the like have been able to perform experimental and computational techniques in order to focus on peptide conformational stability and the accompanying and resulting dynamics of such. Molecular biologists, on the other hand, perform protein engineering processes at the level of DNA, but this work was initiated by peptide chemists. Peptide chemists were also the first to prepare synthetic peptides (a/k/a peptide libraries) in vast amounts.
Model proteins and synthetic mini-proteins have been used to observe structure-activity relationships. All of this work has catapulted scientists into present-day studies of peptide applications, for which they are varied, including biotech companies who have discovered new peptides that hold valuable pharmacologic properties. The routine synthesis of large polypeptides or small proteins of 30-100 amino acids has enhanced peptide applications.
Synthetized Bioactive Peptides
Synthetic peptides and proteins also have their place in the market for which they have yielded billions of USDs. New chemical entities (NCE) have remained steady over the last decade, other than peptide and protein NCEs, which have been increasing. Synthetic peptides can positively influence functions and conditions of humans. In fact, several useful properties for human health using bioactive peptides have been realized, such as for these activities:
• Antimicrobial
• Antifungal
• Antiviral
• Antitumor
• Antioxidant
• Antithrombotic
All peptides exist in limited quantities within natural settings or nature. Therefore, researchers have re-produced them in their labs, and these are known as synthesized bioactive peptides. As we can see, their applications and properties have been applied to various areas. Synthesized peptides are categorized by class and the mechanisms that they serve.
Classes of Biosynthetic Peptides & Peptidomimetics
Delving further into the particular classes of peptides is important. In order to better understand these classes, first we will explore peptidomimetrics, which are known as compounds that contain crucial elements (pharmacophore) which mimic a protein in 3D space, or a natural peptide. They maintain a striking ability to interact with designated biological targets. They then create the same biological effect as their natural counterparts. Peptidomimetrics serve to avoid some of the issues that are associated with natural peptides, such as their duration of activity and unavailability. In addition, properties such as potency or receptor selectivity can be improved, giving mimicking proteins the ability to aid in drug discovery. Now, for the classes of biosynthetic peptides and peptidomimetics:
Суперагонисты гонадорелина: Эти пептиды применяются для лечения эндокринных видов рака, особенно рака молочной железы и простаты. Многие фармацевтические препараты, проходящие клинические испытания или уже применяемые у пациентов с раком, пока не заменены антагонистами гонадорелина, но ожидается, что этот рынок будет стабильно расти в ближайшие годы.
Аналоги соматостатина: Продажи продуктов этого класса также растут на рынке. В настоящее время существуют два основных продукта с агонистами соматостатина. Ожидается, что вскоре они появятся в дженериках, однако зарегистрированные сейчас препараты останутся на рынке ещё несколько лет.
Ингибиторы ангиотензин-превращающего фермента (АПФ): Многие из этих препаратов не относятся к пептидам, так как являются заменяющими дипептидами, производимыми массово традиционными методами органического синтеза. Однако, если присмотреться, синтез пептидов является специализированной ветвью органической химии. Основными препаратами этого класса являются эналаприл и лизиноприл, а также появились новые непептидные антагонисты рецептора ангиотензина II. Этот класс значительно шире суперагонистов гонадорелина и тем более аналогов соматостатина. В настоящее время в этом классе зарегистрировано более 15 продуктов и их число продолжает расти.
Ингибиторы протеазы ВИЧ: Эта последовательность была определена по последовательностям кДНК, но именно синтез, выполненный Дэном Вебером и Стивом Кентом, позволил точно определить ферментативную активность и разработать синтетические аналоги вазопрессина. Наиболее широко используемый препарат из этой группы — десмопрессин, который применяется для лечения энуреза.
Кальцитонины: Этот класс препаратов используется для лечения остеопороза. Кальцитонины получают из трёх основных источников: кальцитонин лосося, человека и угря. Ранее некоторые исследования показывали, что кальцитонин лосося в 10 раз сильнее человеческого, но это оказалось ошибочным, и сейчас все они считаются одинаково эффективными. Этот крупный пептид состоит из 32 аминокислот.
Иммуностимулирующие пептиды: Эти пептиды производятся с 1980-х годов. Одним из наиболее известных представителей этого класса был тимопентин — последовательность одного из иммуностимулирующих тимусных гормонов, который был снят с рынка из-за политики страховых компаний по возмещению расходов. Другой тимусный гормон, тимозин α-1, продолжает использоваться в Южной Америке, Южной Азии и на Ближнем Востоке.
Другие пептиды, существующие ещё дольше, такие как природные человеческие ангиотензины, окситоцины, а также АКТГ-(124), продолжают производиться и применяться. Стоит ещё раз подчеркнуть, что рынок пептидов и белков стабильно растёт. Активация определённых рецепторов или модуляция ферментативной активности могут осуществляться специфично и целенаправленно с помощью этих мощных инструментов для защиты и борьбы с заболеваниями человека.
Пептидные вакцины
Определённые опухолевые антигены способствовали развитию медицины, особенно онкологии, направленной на клетки рака. В результате углубленных знаний молекулярных основ распознавания антигенов были разработаны человеческие мотивы главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I и II, которые связываются с этими классами. В этих раковых вакцинах используются синтетические пептиды, обладающие следующими преимуществами:
• Простота создания и производства
• Химическая стабильность
• Отсутствие инфекционного или онкогенного потенциала
• Улучшенное управление иммунным ответом через эпитопы, стимулирующие подтипы Т-клеток
• Повышенная эффективность в генерации иммунного ответа на собственные белки
Основная цель — вызвать иммунный ответ на опухолевые антигены — делает эту область очень перспективной для лечения рака, где пептидная иммунизация играет важную роль. Данные указывают на то, что Т-клетки обычно толерантны к доминантным эпитопам собственных белков, однако они могут реагировать на субдоминантные эпитопы (эпитоп — это участок молекулы антигена, к которому связывается один антительный молекулярный комплекс).
Пептидные вакцины класса I: Пациенты с раком могут получать (вакцинироваться) пептидными вакцинами класса I. В нескольких клинических испытаниях участвовали пациенты с диагнозом определённых видов рака. Эти вакцины основаны на различных опухолевых антигенах, что позволяло иммунизировать пациентов для усиления иммунитета против собственных опухолевых антигенов. Пептидные вакцины представляют собой полную и превосходную модель для оценки эффективности иммунных реакций с помощью анализов, измеряющих иммунитет, в частности реакции Т-клеток класса I.
Пептидные вакцины класса II: Пациенты с раком также могут иммунизироваться пептидными вакцинами класса II. При лечении интерфероном для повышения эффективности вакцин класса I отмечено, что не все пациенты реагируют на них. В таких случаях для иммунизации использовали GM-CSF как адъювант. GM-CSF — это фактор созревания дендритных клеток кожи и клеток Лангерганса, который может обеспечивать более эффективное представление пептидных эпитопов, чем стандартные адъюванты, используемые в вакцинах класса I. Поэтому такие вакцины характеризуются как вакцины класса II.
Продолжающиеся клинические испытания с использованием множества специфичных к опухолевым антигенам пептидов для эпитопов как класса I, так и класса II показывают большие перспективы для лечения рака. Клинические испытания отдельных пептидов продемонстрировали, что пациентов можно вакцинировать против собственных опухолевых антигенов, и некоторые исследования показывают положительные ранние результаты. В ближайшем будущем планируются дальнейшие исследования по применению множественных пептидных вакцин для профилактики и лечения злокачественных опухолей у человека. Также ведутся работы по повышению иммуногенности индивидуальных пептидов, связывающихся с МНС.
Пептидные нанотрубки
Нанотехнология известна как молекулярное производство. Нанотрубки выращиваются в лабораториях и обладают тепловыми и электрическими свойствами, которые применяются, например, в микрочипах. Нанотрубки также могут использоваться в качестве полупроводников с возможностью замены кремния. Пептидные нанотрубки (ПНТ) становятся одними из самых перспективных наноструктур в области нанотехнологий. Эти интеллектуальные самоорганизующиеся структуры находят применение в таких областях, как:
• Датчики
• Катализ
• Электроника
• Материалы с ответом на стимулы
• Дизайн нанореакторов
Синтез и производство ПНТ активно развиваются и находятся под тщательным изучением. Новые биомедицинские применения включают интеллектуальные наноустройства и инновационные системы доставки лекарств. Контролируя взаимодействия между пептидами и наночастицами, можно создавать более сложные био-функционализированные материалы с улучшенными свойствами и наноструктурами. Тем не менее, требуется дальнейшее исследование этих взаимодействий, а также разработка точных компьютерных моделей для прогнозирования и управления связыванием пептидов с наноматериалами и других важных нанопроцессов.
Антимикробные пептиды для пищевой безопасности
Антимикробные пептиды нашли применение в биомедицинских устройствах, оборудовании для переработки пищевых продуктов и сохранении продуктов питания. В частности, пептиды могут внедряться в материалы для создания антимикробной упаковки (Appendini и Hotchkiss, 2002). Такой тип упаковки способствует поддержанию безопасности и качества продуктов за счёт снижения роста бактерий на поверхности продукции (Soares и др., 2009). Она препятствует, уменьшает или замедляет рост нежелательных микроорганизмов в продуктах. Специфическая сохранность продуктов обеспечивается за счёт синтеза пептидов и их биологических свойств, делая пищу безопаснее для потребления.
Преимущества и недостатки пептидов как лекарств
Несмотря на всю их полезность и разнообразие применений, синтезированные пептиды и CPP, используемые в качестве лекарств, имеют и некоторые недостатки. Например, их нужно вводить инъекционно или применять в специальных формах из-за низкой биодоступности. Кроме того, синтез очень дорогой, однако ситуация может измениться с ростом производства необходимых компонентов, таких как защищённые аминокислоты, реагенты для сшивания и смолы. Тем не менее, их преимущества значительно перевешивают недостатки, включая то, что для достижения эффекта требуются лишь небольшие дозы пептида, а общий объём производства невелик. Они также обладают низкой системной токсичностью, поскольку не накапливаются в тканях, органах и крови из-за короткого периода полувыведения.
В настоящее время разрабатываются новые неинъекционные лекарственные формы пептидов и белков, такие как неразлагаемые импланты, липосомы, ингаляции, пероральное введение и другие. Хотя многие компании поддерживают разработку новых форм, не все сосредоточены именно на пептидах и белках. Ожидается, что с ростом количества исследований, демонстрирующих устойчивую пользу синтезированных пептидов для терапии, диагностики, нанотехнологий, пищевой безопасности и качества продуктов, внимание к этим формам будет только увеличиваться.
Ссылки
1. MK Danquah, D Agyei. Pharmaceutical applications of bioactive peptides. OA Biotechnology 2012 Dec 29;1(2):5.. [Article].
2. Moser, R., Klauser, S., Leist, T., Langen, H., Epprecht, T. and Gutte, B.. Applications of Synthetic Peptides. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 24: 719-727(1985). [Article].
3. Albert Loffet. Peptides as Drugs: Is There a Market? Journal of Peptide Science 8: 1-7 (2002). [PubMed].
4. Perez Espitia, et al. Bioactive Peptides: Synthesis, Properties, and Applications in the Packaging and Preservation of Food. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 11(2): 187-204, 2012. [Article].
5. Amedea B. Seabra, et al. Biological applications of peptides nanotubes: An overview. Peptides. 2013 Jan;39:47-54. [PubMed].