周 鳳,陳心雨,費(fèi)穎穎,韓 京
(江蘇師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,徐州 221116)
糖尿病,尤其是2型糖尿病是繼腫瘤、心血管疾病之后的第三大嚴(yán)重威脅人類(lèi)健康的慢性非傳染性疾病[1-3]。目前,全球約有2億糖尿病患者,預(yù)計(jì)到2030年將增加至3.6億,其中2型糖尿病約占糖尿病患者總?cè)藬?shù)的90%以上[4]。現(xiàn)有的一些口服降糖藥物是目前治療糖尿病的主要藥物。但口服降糖藥物最大的不足是無(wú)法逆轉(zhuǎn)糖尿病的病因,即“治標(biāo)不治本”,對(duì)于胰島β-細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化和增殖無(wú)明顯作用[5-7]。
胰高血糖素樣肽-1(Glucagon-like peptide-1,GLP-1)是葡萄糖依賴(lài)性地促胰島素分泌腸降血糖多肽激素,能安全降血糖,還可以保護(hù)、修復(fù)、分化、增殖胰腺β-細(xì)胞,同時(shí)還具有抑制食欲和胃酸分泌、延遲胃排空等生理作用。雖然GLP-1降血糖的優(yōu)點(diǎn)突出,但是天然GLP-1半衰期過(guò)短的缺陷使其無(wú)法在臨床應(yīng)用。GLP-1在體內(nèi)會(huì)被二肽基肽酶IV(DPPIV)快速水解。GLP-1在體內(nèi)還會(huì)被中性?xún)?nèi)切酶(NEP 24.11)識(shí)別并降解及被腎臟快速清除,其半衰期僅為2 min左右[8-10]。
目前GLP-1受體激動(dòng)劑類(lèi)藥物的研究都是基于天然GLP-1和Exendin-4進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾,這限制了新型GLP-1受體激動(dòng)劑的研發(fā)[11]。本文以前期研究發(fā)現(xiàn)的非洲爪蟾GLP-1(XenGLP-1)作為先導(dǎo)多肽[12],先在XenGLP-1的C端引入促螺旋序列PSSGAPPPS以增加X(jué)enGLP-1的降糖活性。同時(shí),為了定點(diǎn)、定量地實(shí)現(xiàn)XenGLP-1的PEG化,對(duì)其進(jìn)行半胱氨酸定點(diǎn)替換,從而在肽鏈上引入巰基,設(shè)計(jì)了ZF-1和ZF-2 2條多肽。進(jìn)一步利用MAL-PEG2 000通過(guò)半胱氨酸的巰基與設(shè)計(jì)了ZF-1和ZF-2 2條多肽相綴合,得到PEG化的PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2 2個(gè)綴合肽,并對(duì)綴合肽進(jìn)行長(zhǎng)效降糖活性研究。
1.1儀器 SI Model 200型多肽合成儀(美國(guó)多肽科技有限公司);Agilent 1260高效液相色譜儀(美國(guó)Agilent公司);漢邦制備液相色譜儀(江蘇漢邦科技有限公司);ThermoHypersil Gold C18制備柱(250 mm×20 mm,12 μm);真空冷凍干燥機(jī)(Labconco公司);Ultimate 3000 analytical 液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermo公司);ME104E型萬(wàn)分之一天平(美國(guó)Mettler-Toledo公司);BT25S型十萬(wàn)分之一天平(德國(guó)Sartorius集團(tuán));血糖儀與試紙(中國(guó)三諾生物傳感股份有限公司)。
1.2試藥 xendin-4(吉爾生化公司,批號(hào) P141017-LR052143);MAL-PEG2 000(西安瑞禧生物科技有限公司,批號(hào)RM2016011);Rink Amide MBHA 樹(shù)脂、Fmoc保護(hù)氨基酸、1-羥基-苯并三氮唑(HOBt)、N,N-二異丙基碳二亞胺(DIC)、苯甲硫醚(thioanisole)和二巰基乙烷(EDT),均購(gòu)自上海吉爾生化有限公司(批號(hào)GLS160405-36607);哌啶、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、三氟乙酸(TFA)為重蒸試劑,苯酚(批號(hào)20150604)、茚三酮(批號(hào)20150520)等其他試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。茚三酮檢測(cè)試劑:A.體積分?jǐn)?shù)為5%的茚三酮-無(wú)水乙醇溶液;B.體積分?jǐn)?shù)為80%的苯酚-無(wú)水乙醇溶液。
1.3動(dòng)物 清潔級(jí)ICR小鼠:7周齡,體質(zhì)量為18~22 g,雄性[上海杰斯捷實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,動(dòng)物許可證號(hào)SCXK(滬)2013-0006];清潔級(jí)db/db小鼠:7周齡,雄性[南京大學(xué)模式動(dòng)物研究所,動(dòng)物許可證號(hào)SCXK(蘇)2015-0001]。
2.1ZF-1和ZF-2多肽的合成 稱(chēng)取 Rink Amide MBHA 樹(shù)脂(擔(dān)載量0.382 mmol·g-1)0.262 g(0.1 mmol),用二氯甲烷和甲醇(7 mL)交替清洗樹(shù)脂1次,用7 mL二氯甲烷清洗樹(shù)脂2次,加入10 mL二氯甲烷溶脹樹(shù)脂1 h。將溶脹后的樹(shù)脂移入多肽合成儀,以體積分?jǐn)?shù)為20%的哌啶/DMF作為脫保護(hù)試劑,脫除Rink樹(shù)脂的Fmoc保護(hù)基。茚三酮檢測(cè)脫保護(hù)完全后,按照設(shè)計(jì)的類(lèi)似物ZF-1和ZF-2的氨基酸序列,從C 端到N 端依次耦合,縮合試劑為DIC/HOBt(0.4 mmol/0.44 mmol)的DMF溶液,反應(yīng)時(shí)間為2 h,采用茚三酮試劑檢測(cè)縮合和Fmoc脫保護(hù)的完全程度。多肽合成完畢后,用7 mL甲醇清洗樹(shù)脂3次,用氮?dú)獯蹈蓸?shù)脂。使用切割劑Reagent R(TFA/苯甲硫醚/苯酚/EDT,90∶5∶3∶2)5 mL切割樹(shù)脂,室溫磁力攪拌切割2 h,過(guò)濾除去樹(shù)脂,切割液經(jīng)冰乙醚沉淀,洗滌后得粗肽。
表1F-1和ZF-2序列
Tab.1 ZF-1 and ZF-2 sequences
化合物長(zhǎng)度序列ZF-139肽HGEGTYTNDVTEYLCEKAAKEFIEWLIKGKPSSGAPPPSZF-239肽HGEGTYTNDVTEYLEEKAAKEFIEWLIKGCPSSGAPPPS
2.2ZF-1和ZF-2多肽的分析和純化
2.2.1分析方法 將目標(biāo)多肽粗品溶于少量的水中,制成質(zhì)量濃度為1 mg·mL-1的溶液,用0.25 μm微孔濾膜過(guò)濾,Agilent 1260高效液相色譜儀分析純度。色譜柱:Thermo Hypersil Gold C18反相分析柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)。流動(dòng)相A:體積分?jǐn)?shù)0.1% TFA/水,流動(dòng)相B:甲醇,梯度洗脫(0~10 min,B 50%~90%;10~15 min,B 90%~90%)。檢測(cè)波長(zhǎng):214 nm;流速:1 mL·min-1;柱溫:25 ℃;進(jìn)樣量:20 μL。
2.2.2制備液相純化 制備純化條件:色譜柱:Thermo Hypersil Gold C18反相制備柱(250 mm×20 mm,12 μm);流速:10 mL·min-1;樣品質(zhì)量濃度:20 mg·mL-1;檢測(cè)波長(zhǎng):214 nm。流動(dòng)相A:體積分?jǐn)?shù)0.1% TFA/水,流動(dòng)相B:甲醇,梯度洗脫(0~20 min,B 55%~90%;20~45 min,B 90%~90%)。收集主峰,合并質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于95%的樣品,30 ℃減壓蒸餾除去甲醇,真空冷凍干燥后稱(chēng)質(zhì)量,將冷凍干燥后的純品貯存在-20 ℃冰箱中。
2.3質(zhì)譜鑒定 Timate 3000 analytical 液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀;使用體積分?jǐn)?shù)為50%的甲醇/水溶解后進(jìn)樣,錐孔電壓:50 V,毛細(xì)管電壓:3 910 V,N2流速:648 L·h-1,錐孔溫度:120 ℃,霧化室溫度:330 ℃。ZF-1和ZF-2純化后,通過(guò)質(zhì)譜鑒定其相對(duì)分子質(zhì)量,結(jié)果見(jiàn)圖1和表2。
表2ZF-1和ZF-2的質(zhì)譜分析
Tab.2 Mass spectrometric analysis of ZF-1 and ZF-2
化合物相對(duì)分子質(zhì)量多電荷相對(duì)分子質(zhì)量計(jì)算值實(shí)測(cè)值ZF-14251.81418.2[M+3H]3+1418.7[M+3H]3+1064.0[M+4H]4+1064.3[M+4H]4+ZF-24252.71418.6[M+3H]3+1418.9[M+3H]3+1064.2[M+4H]4+1064.4[M+4H]4+
圖1ZF-1和ZF-2的質(zhì)譜圖
Fig.1 Mass spectrogram of ZF-1 and ZF-2
2.4PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的合成 利用巰基和馬來(lái)酰亞胺可以快速、定點(diǎn)、定量的反應(yīng)特征,在中性條件下,將ZF-1和ZF-2與MAL-PEG2 000綴合,得到PEG化的ZF-1和ZF-2綴合肽[13]。反應(yīng)條件:將ZF-1和ZF-2與MAL-PEG2 000在pH值為7的條件下,以體積分?jǐn)?shù)為50%的水/甲醇做溶劑,在DIEA的催化下反應(yīng)0.5 h。使用安捷倫 HPLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程,反應(yīng)完全后,利用制備液相分離純化得到目標(biāo)綴合肽,合成路線(xiàn)見(jiàn)圖2,PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。
2.5EG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的結(jié)構(gòu)鑒定 ltimate 3 000 analytical 液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀;使用體積分?jǐn)?shù)為50%的甲醇/水溶解后進(jìn)樣,錐孔電壓:70 V,毛細(xì)管電壓:3 910 V,N2流速:648 L·h-1,錐孔溫度:120 ℃,霧化室溫度:330 ℃。通過(guò)質(zhì)譜鑒定其相對(duì)分子質(zhì)量,由于本研究中選擇的MAL-PEG2 000是平均相對(duì)分子質(zhì)量為2 000的聚合物,PEG修飾后的化合物無(wú)法計(jì)算單個(gè)分子的相對(duì)分子質(zhì)量,以質(zhì)譜只能測(cè)定一組相差特定質(zhì)荷比的呈正態(tài)分布的多電荷離子峰。圖3~4顯示的是一系列呈正態(tài)分布的多電荷離子峰,PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2的相對(duì)分子質(zhì)量理論值為4 477.9±44n及4 478.8±44n(n代表在單個(gè)分子中“CH2CH2O”骨架的數(shù)量),通過(guò)計(jì)算其理論分子離子峰值,結(jié)果顯示與實(shí)測(cè)值一致。測(cè)定結(jié)果顯示,最終PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2的相對(duì)分子質(zhì)量平均值為6 325.9和6 326.8(n=42)。PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的質(zhì)譜數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4和表3~4。
圖2PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的合成路線(xiàn)
Fig.2 The synthetic routes of the conjugated peptides of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
圖3PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽的結(jié)構(gòu)
Fig.3 The structures of the conjugated peptides of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
圖4PEG2 000-ZF-1andPEG2 000-ZF-2的質(zhì)譜圖
Fig.4 The mass spectrogram of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
表3PEG2 000-ZF-1的質(zhì)譜分析結(jié)果
Tab.3 The results of mass spectrometric analysis of PEG2 000-ZF-1
na(m/z)計(jì)算值(m/z)實(shí)測(cè)值40[m+5H]5+1248.6[M+4H+Na]5+1253.0[m+5H]5+1248.8[M+4H+Na]5+1253.441[m+5H]5+1257.4[M+4H+Na]5+1261.8[m+5H]5+1256.9[M+4H+Na]5+1262.142[m+5H]5+1266.2[M+4H+Na]5+1270.6[m+5H]5+1266.3[M+4H+Na]5+1270.843[m+5H]5+1275.0[M+4H+Na]5+1279.4[m+5H]5+1274.8[M+4H+Na]5+1279.744[m+5H]5+1283.8[M+4H+Na]5+1288.2[m+5H]5+1283.5[M+4H+Na]5+1288.5
表4EG2 000-ZF-2的質(zhì)譜分析結(jié)果
Tab.4 The results of mass spectrometric analysis of PEG2 000-ZF-2
na(m/z)計(jì)算值(m/z)實(shí)測(cè)值40[m+5H]5+1248.8[M+4H+Na]5+1253.2[m+5H]5+1249.2[M+4H+Na]5+1253.541[m+5H]5+1257.6[M+4H+Na]5+1262.0[m+5H]5+1257.8[M+4H+Na]5+1262.342[m+5H]5+1266.4[M+4H+Na]5+1270.8[m+5H]5+1266.7[M+4H+Na]5+1271.343[m+5H]5+1275.2[M+4H+Na]5+1279.6[m+5H]5+1275.8[M+4H+Na]5+1279.944[m+5H]5+1284.0[M+4H+Na]5+1288.4[m+5H]5+1284.3[M+4H+Na]5+1289.2
2.6生物活性的測(cè)定
2.6.1PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2綴合肽的短效降糖活性測(cè)試 小鼠腹腔糖耐量實(shí)驗(yàn)是通過(guò)給予小鼠葡萄糖和受試化合物,依據(jù)空白組對(duì)照,測(cè)定不同時(shí)間的血糖水平,可以準(zhǔn)確評(píng)估化合物的短效降血糖活性[14-15]。使用ICR小鼠來(lái)評(píng)價(jià)綴合肽的降糖活性,實(shí)驗(yàn)方法:雄性ICR小鼠(體質(zhì)量18~22 g),適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后,實(shí)驗(yàn)前隨機(jī)分組,每組6只。自由飲水,禁食過(guò)夜(12 h)。在腹腔給予葡萄糖前10 min每組ICR小鼠分別腹腔注射生理鹽水(空白對(duì)照)、陽(yáng)性對(duì)照GLP-1(25 nmol·kg-1)、受試化合物PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2(25 nmol·kg-1);0 min腹腔注射葡萄糖(2 g·kg-1),于0,15,30,60和120 min在小鼠尾部斷尾取血,用血糖儀測(cè)定血糖值。見(jiàn)圖5。
由圖5可知,PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽均有顯著的降糖活性,在15和30 min時(shí)的血糖數(shù)值與陽(yáng)性對(duì)照GLP-1相當(dāng),說(shuō)明PEG化綴合肽并沒(méi)有PEG的降糖活性。
圖5PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2的短效血糖時(shí)間曲線(xiàn)
Tab.5 Short-acting blood glucose and time curves of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
2.6.2PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2綴合肽的長(zhǎng)效降糖活性測(cè)試 db/db小鼠是一種2型糖尿病穩(wěn)定可靠的動(dòng)物模型,其正常血糖值基本在15 mmol·L-1以上,而正常小鼠的血糖值低于10 mmol·L-1,基于db/db小鼠的高血糖特點(diǎn),設(shè)計(jì)db/db小鼠不禁食給藥降糖實(shí)驗(yàn)[16-18]。db/db小鼠在腹腔注射PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽后,自由飲食飲水,對(duì)照組db/db小鼠的血糖值會(huì)維持在高位,而注射綴合肽小鼠的血糖值會(huì)先下降,后隨著藥效的降低血糖值會(huì)緩慢回升。因此,通過(guò)比較化合物降低血糖的曲線(xiàn)及曲線(xiàn)下面積,可以準(zhǔn)確評(píng)估化合物的長(zhǎng)效降糖活性[19-20]。
6周齡雄性db/db小鼠,隨機(jī)分組,每組6只,適應(yīng)性飼養(yǎng)(標(biāo)準(zhǔn)小鼠飼料,12 h光照,25 ℃)1周后,使用血糖儀測(cè)定各組小鼠的血糖數(shù)值,待各組小鼠血糖值高于15 mmol·L-1后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。陽(yáng)性對(duì)照組給予exendin-4(25 nmol·kg-1)、化合物組給予PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2(25 nmol·kg-1),陰性對(duì)照組給予生理鹽水。0 h給予各組化合物及生理鹽水,各組小鼠自由飲水、飲食,于0,1,2,3,4,6,8,10,12,16,20和24 h在小鼠尾部斷尾取血,用血糖儀測(cè)定血糖,作血糖曲線(xiàn),并計(jì)算曲線(xiàn)下面積。見(jiàn)圖6~7。
由圖6~7可知,PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽在25 nmol·kg-1的劑量下,穩(wěn)定血糖作用都優(yōu)于陽(yáng)性對(duì)照exendin-4。它們的血糖曲線(xiàn)下面積也顯著小于exendin-4,這說(shuō)明PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2綴合肽不僅具有優(yōu)異的降糖活性,其長(zhǎng)效降糖作用也非常顯著,具有潛在的藥物開(kāi)發(fā)前景。
圖6PEG2 000-ZF-1和PEG2 000-ZF-2的長(zhǎng)效血糖時(shí)間曲線(xiàn)
Tab.6 Long-acting blood glucose and time curves of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
圖7PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2的血糖曲線(xiàn)下面積
Tab.7 The area under the blood glucose curves of PEG2 000-ZF-1 and PEG2 000-ZF-2
隨著生活水平的提高,糖尿病患者逐年遞增,因此,對(duì)于糖尿病治療藥物的研究具有重大意義。本研究將與人GLP-1具有相似生物活性的XenGLP-1作為先導(dǎo)多肽,先在XenGLP-1的C端引入增加活性的片段及Cys定點(diǎn)替換,再進(jìn)行PEG長(zhǎng)效化修飾,這既實(shí)現(xiàn)了PEG與XenGLP-1多肽定點(diǎn)、定量的綴合,又減輕了PEG化所導(dǎo)致的XenGLP-1多肽降糖活性的降低程度。
分別在ICR鼠和2型糖尿病db/db模型小鼠上評(píng)價(jià)了綴合肽的短效及長(zhǎng)效降糖活性?;钚詫?shí)驗(yàn)結(jié)果表明,PEG2 000-ZF-1、PEG2 000-ZF-2綴合肽不僅具有優(yōu)異的降糖活性,也具有良好的長(zhǎng)效降糖作用,值得進(jìn)行深入的活性研究,具有開(kāi)發(fā)成2型糖尿病治療藥物的前景。
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