近年来，基于肽的治疗药物的FDA批准数量有所增加。小分子药物通常与显著的不良反应相关，这可能限制它们的药效。肽是一个具有独特治疗属性和更高效力的独特类别。作为各种受体和离子通道的自然配体，肽为新的结构类别提供了模板，可以调节受体功能，如degarelix（2008年），通过作为GnRH受体拮抗剂下调促性腺激素的合成，而dulaglutide（2015年）激活GLP1受体，导致胰岛素释放。鉴于肽本质上是内在的，它们的目标/受体结合亲和力是特定的，导致更高的选择性、效力和更少的非靶标副作用。肽的代谢产物通常是氨基酸，导致毒性事件和药物-药物相互作用的发生率较低。肽治疗药物相对于蛋白质和抗体等生物制品表现出优势，因为它们的相对较小的尺寸允许快速合成和成本效益优化。较小的尺寸还促进了组织渗透，使肽异常有效。治疗性蛋白质和抗体可能被人体识别为外来物质，引发免疫反应，而由于尺寸较小，肽可能较少引起免疫反应。肽药物发现受到与结构属性和高制造成本相关的限制。固有的理化性质，如亲水性：亲脂性比例、水溶性和化学及酶稳定性，构成了决定肽的生物利用度、生物分布和效力的主要相互依赖因素。此外，口服肽的代谢不稳定性需要频繁给药；因此，为了避免首过代谢，肽通常通过肠外途径给药，这带来了更多的挑战。例如，糖尿病患者通过皮下途径频繁使用胰岛素会导致疼痛、组织侵袭和脂肪萎缩，随后导致患者依从性差。此外，肽中的亲水性氨基酸和带电基团的存在造成亲水性好，使得穿透疏水性生物膜存在障碍。因此，使用各种技术来提高肽的整体细胞渗透性，同时保持所需的生物活性。
克服与肽相关的局限性的策略
这些构成的理化性质影响了肽治疗药物的进展，主要挑战包括口服类似物的开发。因此，专注于开发肽载体或输送系统和新型剂型的研究加速了更多肽基药物进入市场。此外，通过使用各种结构修饰来调节肽的药代动力学特性，包括吸收、半衰期、代谢和生物利用度。常用的肽结构调节方法包括：
(i) 主链修饰，如depsipeptide、azapeptide、endothiopeptide、retro-inverso peptide、fluoroalkene和用三唑或oxetane替换酰胺键；
(ii) 通过N-烷基化、N-杂环共轭、C-酯化或酰胺化修饰N或C末端；
(iii) 通过环化闭合代谢、交叉偶联反应、连接策略和stapling使用头部到尾部、侧链到侧链、头部到侧链和侧链到尾部对肽进行大环化。
此外，通过PEGylation和脂质化等技术替换天然氨基酸与非天然或修饰氨基酸，合成肽模拟物，以及肽偶联物，也经常被使用。通过用糖基或脂质基团等基团替换肽，可以增加肽的渗透性和生物利用度。因此，合成化学工具的进步加速了基于肽的研究。
肽合成和修饰方法固相肽合成（SPPS）的发现彻底改变了合成肽的开发过程。在使用基于碳二亚胺和HOAt的试剂存在下，可以实现肽的洁净合成。使用PyBOP， HATU和OxymaPure等，进一步提高了肽合成的效率。此外，微波辐射和自动化在溶液相和固相合成中的应用将耦合周期缩短至几分钟；此外，还开发并使用了各种酶法方法进行肽合成。随着金属催化和C-H功能化的进步，肽合成的底物范围进一步丰富，超越了酯/酸和胺。使用苯硒酯、醛、炔酰胺、氨基醇、丙炔酮和羟胺酸作为肽合成的前体或介质的各种方法被采用（下图a-d）。使用催化剂通过实现更高的原子经济性来简化偶联反应。例如，在试剂控制的反应中，使用2-（噻吩-2-甲基）苯基硼酸和双硼酸（25）以及双（2-氯苯基）硼酸（26）进行直接肽合成的报道（下图e）。一些报道表明，使用金属催化剂（下图f，g）如钽醇、铌醇和钯/H2。
肽的多样化修饰可以通过合成肽模拟物或通过后期修饰来实现。这些策略有助于以受控的方式调节肽的内在属性，改变其药理学和理化特性，在基于肽的药物发现中具有重要潜力。肽模拟物：肽模拟物包含一个基本的药效团，模仿肽的结构并引发类似的药理学反应，但缺乏与肽相关的局限性的独特结构特征。肽模拟物作为易于获得的替代品，克服了肽的固有属性的不足，如蛋白水解酶的不稳定性、溶解性、口服生物利用度、血脑屏障（BBB）渗透性和被动膜渗透性。Pelay-Gimeno等人提出了一个新的分类，根据结构特征将肽模拟物分为四类（下图）：最少修饰的肽模拟物，这类最接近天然肽，并对氨基酸的结构或肽的骨架进行了微小的修饰。例如，voclosporin（2021年）、pasireotide（2012年）和trofinetide（II/III和III期试验）具有轻微修饰的氨基酸，如甲基化脯氨酸或苄基酪氨酸。包含非天然氨基酸的肽模拟物，将非天然氨基酸引入肽序列中，调节所得支架的固有特性。FDA批准的药物，如odevixibat（2021年）、setmelanotide（2020年）、bremelanotide（2019年）和ivosidenib。骨架替换，肽骨架中的酰胺键被三唑或氧杂环烷或氮杂键替换，使肽支架的结构与天然肽不同。例如，benazepril（1991年）、saquinavir（2004年）和atanazavir（2003年）。模仿肽作用模式的小分子，这类肽模拟物通常是与天然肽相似性最小的小药物分子，但模仿肽的药理学反应，而没有侧链功能。例如，Idasanutlin是一种选择性的p53-MDM2抑制剂，模仿p53结合（II期），以及BH3模拟物venetoclax（2016年）和navitoclax（III期）。后期修饰肽：后期修饰策略包括肽的环化、锚定和氨基酸或酰胺骨架的位点特异性功能化。后期多样化方法使用商业可用的构建模块构建肽，然后将它们进行功能化。这种方法允许快速构建肽库，用于药物发现活动。后期肽修饰主要依赖于经典反应，如酶反应或不对称合成。最近的进展包括使用预功能化底物的金属催化交叉偶联反应。虽然通过这些策略可以在肽序列上进行有限的化学变化，但它们仍然受到关注。例如，Ackermann及其同事报道了使用钌（II）催化的色谱亲和性位点选择性CAH烷基化在结构复杂的肽中对色氨酸进行修饰，以及肽的顺序多催化锚定（下图）。Rivera等人探索了通过C-H功能化、环闭烯烃化和环加成反应进行肽的过渡金属基大环化。此外，还有一些额外的合成策略用于肽发现：原生化学连接：长序列的多肽和蛋白质难以通过传统的肽合成方法获得。原生化学连接（NCL）允许未保护的肽之间的反应，易于进行，并在两个肽的C末端的硫酯和N末端的半胱氨酸残基之间提供化学选择性的酰胺键形成（下图）。NCL最初由Kent及其同事在1994年报道，他们展示了一种含有多个二硫键的细胞因子的一步合成。自那以后，这种方法的各个方面被探索，以获得结构复杂和合成上具有挑战性的肽、蛋白质和酶。传统的NCL存在一些缺点，如序列中需要战略性地放置半胱氨酸残基。因此，为了将其范围扩展到半胱氨酸之外，开发了改进的策略。二硒醚酯连接（DSL）方法使用硒代半胱氨酸和硒代酯进行酰胺键形成，显示出更高的连接效率。同时，通过使用模板连接，提高了NCL的效率，其中两个肽连接到一个模板（蛋白质或核酸（DNA或RNA））上，将反应肽靠近以进行连接。然而，基于模板的连接存在一些缺点，因为模板与各种化学试剂不兼容，并且经常形成不可切割的键。后来，在N末端引入了可移除的硫醇辅助基团，如2-巯基乙基、2-巯基苄基和2-巯基-2-（吡啶-2-基）乙基（MPyE），在没有半胱氨酸的情况下进行连接。NCL不断进化，发现了更多的方法来简化现有方法。它已被用于合成各种蛋白质和酶，如含有166个氨基酸的促红细胞生成蛋白、HIV1蛋白酶、如含有174个氨基酸的非洲猪瘟病毒聚合酶X、含有358个氨基酸的硫球菌属P2 DNA聚合酶IV（Dpo4），以及最近的含有775个氨基酸的火球菌（Pfu）DNA聚合酶。无痕Staudinger连接：无痕Staudinger连接策略涉及叠氮化物和磷酰硫酯功能化肽之间的反应，导致形成oxazaphosphetane，随后进行快速的分子内酰基转移，以产生酰胺键，并伴随失去磷烷氧化物（下图）。在Staudinger连接的非无痕变体中，连接的肽段的最终偶联物中的连接基团是一个含有磷烷氧化物的酰胺键。Staudinger磷酸酯反应提供了一种化学选择性的途径，用于在没有电子受体羧酸基团的情况下，使三烷基磷酸酯和叠氮化物反应。这种磷酸酯的引入在化学生物学中作为分子工具被广泛用于肽、蛋白质工程、化学多样性、糖肽合成、靶向药物传递和各种成像探针的开发。它广泛用于生成新的糖肽构建模块、蛋白质的全合成和位点特异性蛋白质固定化以及蛋白质和肽的翻译后修饰，以生成PEG化对应物。叠氮衍生物的生物素化、体内探针和生物标记的工程、表面标记和通过荧光探针的活细胞成像是用于诊断研究的SL已知应用。其他连接策略：连接策略的进一步扩展导致了α-酮酸羟胺（KAHA）连接（下图），其中α-酮酸和羟胺通过亚硝酮形成进行化学选择性键合，生成线性和环状肽。使用KAHA连接合成了各种蛋白质，如betatrophin、SUMO2/3、IFITM3、硝基还原酶4、irisin、NEDD8、鳗鱼荧光蛋白、白细胞介素（ILs）和UBC9。在丝氨酸/苏氨酸连接（STL）中，通过C末端水杨醛（SAL）酯与N末端的丝氨酸或苏氨酸残基之间的反应创建酰胺键（下图）。反应通过1,2-羟胺和SAL的醛基之间的化学选择oxazolidine形成进行，随后进行O-至N-酰基转移，导致生成N,O-苄基亚胺连接的肽，经过酸解后生成Xaa-Ser/Thr。这种连接策略已用于合成mucin 1糖蛋白、IL25和高迁移率组蛋白1a。
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