通过使用氨基酸的φ/ψ图谱来稳定主链并增强其刚性，从而实现环肽的合理活性改进

《ACS Omega》：Rational Activity Improvement of Cyclic Peptides through Stabilization and Rigidification of Main Chain Using φ/ψ Plots of Amino Acids

环状肽主链刚性化策略基于φ/ψ自由能地图和构象熵计算，优化了AP0343成为临床候选LUNA18，验证了该方法在hit-to-lead阶段的实用性，为口服生物利用性环肽设计提供新工具。

　　
近年来，循环多肽作为靶向细胞内难解蛋白-蛋白相互作用（PPIs）的新型药物载体备受关注。这类分子凭借其独特的空间结构和稳定性，在肿瘤治疗、免疫调节等领域展现出潜力。本文重点阐述了通过主链刚性化策略优化循环多肽活性，并成功应用于KRAS抑制剂开发的全过程。

**核心研究思路**
研究团队基于分子动力学模拟和构象自由能分析，建立了非天然氨基酸的φ/ψ自由能图谱及构象熵数据库。通过36类氨基酸的分类系统，揭示了主链刚性化与生物活性的内在关联，形成可规模化应用的药物优化平台。

**技术突破与创新**
1. **氨基酸分类体系**
创新性地将天然及非天然氨基酸按R1/R2/R3取代基特征、立体构型等参数划分为36类，涵盖Pro、Aib、MeAla等关键刚性结构单元。这种分类法突破了传统氨基酸分类标准，为精准结构优化提供理论支撑。

2. **双维度优化模型**
构建了"自由能-构象熵"联合评估体系：
- 自由能图谱（ΔGφ/ψ）预测特定构象的稳定性
- 构象熵（-TS）量化空间构型刚性
通过叠加这两个参数，可系统评估氨基酸替换对主链构象的影响，指导活性导向的分子设计。

3. **临床转化验证**
以AP0343为探针，成功开发出临床候选药物LUNA18，验证了该技术的实用性。关键优化包括：
- 位置8：Leu→MeAla（降低构象熵1.12 kcal/mol）
- 位置9：MePhe→Aib（构象熵降低0.54 kcal/mol）
- 位置10：Asp-pyrrolidine→D-3-Abu（消除溶剂空间位阻）

**关键科学发现**
1. **刚性化效应规律**
- N端修饰（如NMe取代）比C端对构象刚性的影响强1.5-2倍
- 丙氨酸（Ala）→异丙氨酸（Aib）→脯氨酸（Pro）的替换梯度可提升活性10^4-10^5倍
- D型氨基酸通过对称性优势可稳定φ/ψ角，提升结合亲和力

2. **构象熵阈值效应**
当-TS值低于3.0 kcal/mol时，活性提升与构象刚性呈线性关系（R2=0.98）。超过此阈值则可能引发构象僵化，影响生物利用度。

3. **空间位阻协同作用**
刚性化改造需满足：
- 新取代基体积不超过原氨基酸+0.5?
- 留出至少2?溶剂可及空间
- 避免与靶标关键结合位点形成空间冲突

**技术平台架构**
1. **计算引擎**
采用Amber18软件包的REST算法，通过10^5次构象采样建立动态自由能模型，将计算效率提升至传统方法的3倍。

2. **数据库建设**
- 构建包含36类氨基酸的φ/ψ自由能热力图（分辨率5°×5°）
- 建立构象熵数据库（覆盖-2.6至4.3 kcal/mol范围）
- 开发自动化优化模块，可在24小时内完成1000+变体的构象评估

3. **实验验证体系**
整合X射线晶体学（PDB:8JJS）、表面等离子体共振（SPR）和AlphaLISA平台，实现活性验证的标准化流程。

**临床转化价值**
1. **代谢稳定性提升**
刚性化改造使半衰期（t1/2）延长至6-8小时，达到口服生物利用度标准（ClogP≥12.9）

2. **膜渗透性优化**
通过脯氨酸环化（6-成员环）和异丙基侧链引入，使跨膜效率提升40%

3. **PPI抑制活性增强**
在KRAS-SOS1复合物中，刚性化肽的Kd值降低至0.8nM，较AP0343提升100倍

**技术局限与改进方向**
1. **动态构象模拟不足**
当前模型基于静态PDB结构，需补充靶标构象动力学分析模块

2. **非天然氨基酸种类限制**
现有数据库仅涵盖27种常用非天然氨基酸，计划扩展至50+种

3. **合成可行性评估**
需建立自动化合成路线预评估系统，解决约15%的高难度结构合成问题

**产业应用前景**
该技术平台已成功应用于：
- KRAS抑制剂LUNA18（临床II期）
- PD-1/PD-L1双抗开发（IC50=0.3nM）
- 线粒体靶向肽（口服生物利用度达42%）
预计在3年内可形成包含200+候选化合物的技术管线，覆盖肿瘤免疫、神经退行性疾病等多个治疗领域。

**方法论贡献**
1. 建立首个非天然氨基酸分类的φ/ψ自由能数据库
2. 提出构象熵阈值优化理论（-TS≤3.0 kcal/mol为最佳区间）
3. 开发"刚性化-疏水优化-代谢稳定"三位一体改造流程

该研究成果标志着循环多肽药物开发进入精准设计时代，为解决难靶标药物开发难题提供了可复制的技术范式。后续研究将重点整合机器学习算法，实现从结构预测到合成路线自动设计的全流程优化。