渗透促进剂诱导膜缺陷辅助多肽药物口服吸收的分子机制研究

《Nature Communications》：Permeation enhancer-induced membrane defects assist the oral absorption of peptide drugs

本研究针对长极性多肽口服吸收难题，通过连续恒定pH分子动力学模拟与多种实验技术相结合，揭示了渗透促进剂SNAC通过形成动态膜缺陷辅助索马鲁肽跨膜转运的"流沙式"新机制，为口服多肽制剂设计提供理论依据。

　　

随着生物医药技术的飞速发展，多肽类药物在糖尿病、肥胖症等代谢性疾病治疗中展现出巨大潜力。然而，这些大分子药物面临着一个关键瓶颈——口服生物利用度极低。由于胃肠道中的酶降解作用和肠道上皮细胞膜的低通透性，大多数多肽药物只能通过注射给药，严重影响患者依从性。以GLP-1受体激动剂索马鲁肽为例，其口服制剂Rybelsus虽然成功上市，但生物利用度仍不足1%，这背后隐藏的分子机制一直是个未解之谜。

传统的药物渗透机制研究主要集中于小分子药物和疏水性大环肽，对于长极性线性肽如何穿越细胞膜的认识十分有限。渗透促进剂水杨酸钠卡普酯（SNAC）作为口服索马鲁肽制剂的关键辅料，被认为能够通过改变局部pH值保护药物免受胃蛋白酶降解，但其如何促进药物跨膜转运的具体分子机制始终笼罩在神秘面纱之下。

为了揭开这一科学谜题，普渡大学工业与分子药剂学系的研究团队开展了一项创新性研究。他们采用可扩展的连续恒定pH分子动力学模拟（CpHMD）技术，结合核磁共振（NMR）、扩散有序谱（DOSY）和动态光散射（DLS）等实验方法，首次在原子水平揭示了SNAC辅助索马鲁肽跨膜转运的详细机制。这项发表于《Nature Communications》的研究工作，不仅为解决口服多肽给药难题提供了新见解，也为理性设计高效渗透促进剂奠定了理论基础。

关键技术方法

研究团队主要运用了以下核心技术：可扩展连续恒定pH分子动力学模拟（CpHMD）技术，用于模拟包含400个可电离基团的大规模体系；核磁共振技术包括扩散有序谱（DOSY）和核奥弗豪泽效应谱（NOESY），用于分析分子间相互作用和聚集状态；动态光散射（DLS）用于表征分子聚集尺寸；电位平均力（PMF）计算通过伞形采样和WHAM分析实现。所有模拟均在GROMACS软件中完成，模拟体系包含索马鲁肽、SNAC和POPC/胆固醇模型膜，在pH=5.0条件下进行，以模拟胃部SNAC缓冲环境。

研究结果

动态质子化对SNAC膜插入的影响

通过比较固定质子化状态模型和CpHMD模型的自由能剖面，研究发现SNAC在水相中动态电离，然后在穿越脂质双层膜时中和。这一过程使SNAC在水相中的自由能降低了约1 kcal/mol，导致SNAC在水和膜层之间分布更加均衡，使其能够同时发挥增溶肽类和促进渗透的双重作用。

SNAC与索马鲁肽在水相中的共聚集

在包含50个SNAC分子的水相CpHMD模拟中，SNAC迅速自身聚集并围绕索马鲁肽形成共聚体。这些模拟显示，在共聚集过程中，SNAC和索马鲁肽的质子化状态受到分子间相互作用的强烈影响。实验通过对流校正1H DOSY NMR验证了这种共聚集现象，发现混合后SNAC和索马鲁肽的流体动力学半径均增加，表明形成了更大的聚集体。

非极性环境中动态SNAC聚集

研究首次揭示了质子化SNAC在非极性环境中也具有聚集能力。CpHMD模拟显示SNAC在CH₂Cl₂、CTAB胶束和模型膜内部形成动态聚集体。实验通过1H NMR滴定、DOSY NMR和DLS证实了SNAC在CDCl₃（作为膜疏水内核模型）中的浓度依赖性聚集行为。

索马鲁肽在SNAC存在下的膜融入

在包含400个SNAC分子、索马鲁肽和POPC/胆固醇模型膜的 unbiased CpHMD模拟中，研究人员直接观察到了肽类在SNAC存在下的渗透机制。模拟显示，索马鲁肽首先通过其脂肪酸链锚定在膜上，随后SNAC分子在膜内形成动态的、充满SNAC的膜缺陷，使肽类能够以"流沙"机制缓慢沉入膜中。

SNAC辅助索马鲁肽膜渗透的分子机制

基于所有实验结果，研究提出了一个完整的分子机制（图7）：过量SNAC在片剂周围与索马鲁肽和膜形成聚集体；SNAC分子逐个离开水相簇融入膜中，形成动态的SNAC填充膜缺陷；溶液中的索马鲁肽-SNAC聚集体与膜结合的SNAC填充膜缺陷融合，使索马鲁肽吸附在膜表面；索马鲁肽的脂肪酸链锚定肽类，膜内SNAC分子产生"流沙样"效应，使肽类缓慢沉入膜中；肽类持续通过动态SNAC填充膜缺陷直至到达膜另一侧。

研究结论与意义

这项研究通过创新性地结合大规模CpHMD模拟和多种实验技术，首次在分子水平揭示了渗透促进剂SNAC辅助长极性肽类药物口服吸收的详细机制。研究提出的"流沙"模型不仅解释了索马鲁肽如何在不破坏膜完整性的前提下穿越上皮细胞屏障，还阐明了SNAC在水相和膜内发挥的双重功能。

该研究的重要意义在于：首先，它为解决口服多肽给药这一长期挑战提供了新的理论框架；其次，研究展示的可扩展CpHMD技术为研究复杂生物分子系统提供了强大工具；最后，研究所揭示的SNAC聚集行为和膜缺陷形成机制为理性设计新一代渗透促进剂奠定了科学基础。这些发现不仅对改善现有口服肽类药物制剂具有指导意义，也为开发其他大分子药物的口服递送系统开辟了新途径。

随着对渗透促进机制理解的深入，未来有望设计出更高效、更安全的口服递送系统，最终提高患者的生活质量并扩大肽类药物的临床应用范围。这项研究标志着口服多肽给药领域从经验探索向理性设计的重要转变，为个性化药物治疗时代的到来贡献了关键科学依据。