特立帕肽在水介质中聚集行为的原子级分子动力学模拟研究：浓度依赖性效应与分子机制解析

《Scientific Reports》：Detailed atomistic investigation of aggregation and interaction of teriparatide in aqueous media

本研究针对骨质疏松治疗肽类药物特立帕肽(TPTD)易发生自聚集、导致免疫原性及疗效下降的问题，通过分子动力学模拟，系统分析了1、5、10个TPTD分子在水溶液中的聚集行为。研究发现，随着浓度升高，TPTD分子间静电相互作用增强，疏水区域暴露增多，导致分子结构更趋紧凑，α-螺旋含量增加，水合作用减弱。研究通过径向分布函数、自由能景观、二级结构概率等分析手段，揭示了TPTD自组装过程的分子驱动机制，为优化肽类药物制剂、降低免疫风险提供了理论依据。

　　

骨质疏松症是一种以骨量减少和骨微结构破坏为特征的代谢性骨病，尤其在老年人群中高发，显著增加骨折风险。特立帕肽(TPTD)作为重组肽类药物，由人类甲状旁腺激素(PTH 1-84)的前34个氨基酸组成，自2002年获FDA批准以来，已成为治疗严重骨质疏松的重要药物。然而，TPTD在生产和储存过程中易发生分子自聚集，不仅会降低药效，还可能诱发免疫反应，甚至导致严重过敏。尽管已有研究指出TPTD在浓度高于5 mg/ml、pH=4时易形成纤维状聚集体，但其分子水平的聚集机制尚不明确。

为解决上述问题，研究人员采用分子动力学模拟方法，在生理条件（310 K，pH 7.4）下，系统模拟了包含1、5、10个TPTD分子的水溶液体系，从原子层面揭示了浓度对TPTD聚集行为的影响。该研究发表于《Scientific Reports》，通过多种分析手段，阐明了TPTD分子在水介质中的结构动态、相互作用和自由能变化，为肽类药物的理性设计提供了重要参考。

研究主要依托分子动力学模拟技术，使用NAMD 2.14软件和CHARMM36力场，在立方盒子中构建不同浓度的TPTD-水体系。经过能量最小化、升温平衡和等温等压(NPT)模拟100 ns，通过径向分布函数(RDF)、Kirkwood-Buff积分(KBI)、均方根偏差(RMSD)、均方根波动(RMSF)、溶剂可及表面积(SASA)、氢键统计、二级结构分析以及自由能景观等多种方法，综合评价了TPTD的聚集行为与结构稳定性。

径向分布函数与Kirkwood-Buff积分

RDF分析显示，随着TPTD浓度增加，TPTD-TPTD分子间的第一个峰值出现在约1.05 ?，峰值强度显著升高，表明分子间接触增强。水分子的第一水合层位于约1.85 ?，但其峰值较低，说明TPTD整体呈疏水性。KBI结果进一步证实，G_TPTD-TPTD为较大的正值，而G_TPTD-Water为负值，说明TPTD分子间存在吸引力，而与水分子之间存在排斥作用，该趋势在10-TPTD体系中最为明显。

均方根偏差与均方根波动

RMSD分析表明，1-TPTD系统的结构波动最大（平均8.31 ?），而5-TPTD和10-TPTD系统的RMSD分别降至5.87 ?和2.50 ?，说明多分子聚集能增强结构刚性。RMSF结果显示，单个TPTD分子中Val31和His32等残基波动显著（25–33 ?），而在高浓度系统中，全体残基波动范围缩小，提示分子间相互作用限制了局部构象涨落。

水分子停留时间与偶极矩

水分子在TPTD表面的停留时间随浓度增加而缩短（从0.002 ps降至0.0003 ps），且高浓度下水分子的偶极矩指向团簇外部，说明TPTD聚集后排斥溶剂分子。1-TPTD系统的归一化偶极矩最大（202.62 D），进一步表明单分子与水的极性相互作用更强。

回转半径与溶剂可及表面积

回转半径(R_g)分析显示，10-TPTD系统的R_g平均值最低（4.33 ?），结构最紧凑。SASA值也随浓度增加而下降，说明聚集后分子表面暴露区域减少，疏水性增强。

氢键与二级结构

氢键分析表明，10-TPTD系统中TPTD-TPTD间氢键数量显著增加， occupancy最高，而TPTD-水氢键减少。二级结构方面，高浓度下α-螺旋和转角结构含量上升，无规卷曲比例下降，提示聚集促使构象趋于有序化。

自由能景观与团簇分析

自由能景观显示，10-TPTD系统在RMSD与R_g坐标下能阱更深、更集中，构象稳定性更高。团簇分析表明，10-TPTD系统最终形成包含7个分子的大团簇，而5-TPTD系统最大团簇仅含2个分子，进一步验证浓度促进聚集的效应。

本研究通过全原子分子动力学模拟，系统阐释了TPTD在水溶液中的浓度依赖性聚集机制。随着TPTD分子数增加，分子间静电与疏水作用增强，水合层被排斥，结构趋于紧凑，α-螺旋与转角构象比例上升，团簇规模扩大。这些现象从能量和结构角度共同说明，高浓度环境下TPTD更易发生自聚集，从而影响其溶解性与生物利用度。该研究不仅为理解TPTD的物理稳定性提供了分子基础，也为后续通过配方优化（如调节pH、离子强度或添加辅料）抑制肽类药物聚集、降低免疫风险提供了理论指导。