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Cell Biomaterials综述 | AI驱动肽类药物发现

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近日,西湖大学曾坚阳团队与宾夕法尼亚大学Cesar de la Fuente-Nunez团队合作撰写的综述文章Peptide-protein interactions in drug discovery在Cell Biomaterials在线发表。文章围绕肽-蛋白相互作用(peptide-protein interactions,PepPIs),系统梳理了肽分子的实验发现、AI 预测与生成式设计,以及治疗应用与临床转化中的关键挑战。


许多疾病相关的蛋白-蛋白相互作用发生在面积较大、相对平坦或高度动态的界面上,缺少传统小分子容易结合的深口袋。如何有效干预这类靶点,是药物发现的重要挑战。肽分子能够模拟天然蛋白的识别界面,同时具备序列可编程与化学可修饰的特点,为拓展可成药靶点空间提供了新的途径。人工智能的进步,则正在推动研究者从筛选已有肽分子走向面向特定靶点的从头设计。


图 1 肽类药物、传统小分子药物与抗体的比较。肽分子兼具序列可编程与化学可修饰的特点,其稳定性、膜通透性和药代动力学性质仍需结合具体分子进行优化。

高通量筛选拓展肽分子发现空间

在实验发现方面,综述比较了噬菌体展示、SPOT 肽阵列合成、mRNA 展示及 RaPID 平台、DNA 编码文库(DEL)和亲和选择质谱(AS-MS)等代表性技术。这些方法覆盖从约10³-10⁴条肽的阵列筛选,到超过10¹²种候选序列的 mRNA 展示文库,为探索多样化肽分子提供了互补工具。

不同平台各有所长:噬菌体展示适于大规模序列筛选,SPOT 合成便于定位结合基序和分析构效关系,mRNA 展示与 RaPID 可结合非天然氨基酸引入和宏环化策略,DEL 与 AS-MS 则拓展了化学修饰肽的筛选空间。平台选择需要兼顾文库规模、化学多样性和后续优化需求;筛选得到的结合肽,还需进一步验证功能活性、选择性与稳定性。

AI驱动肽蛋白互作预测与生成设计

在计算方法方面,综述梳理了从传统分子对接、机器学习到深度学习与生成式模型的发展。相关任务已覆盖结合位点预测、复合物结构建模、构象分布采样和靶点条件下的肽分子生成。例如AlphaFold 3 可用于蛋白-肽复合物结构预测,HighFold 显式考虑环肽的拓扑约束,PepFlow 则通过采样多种构象刻画肽分子的柔性。

生成式设计进一步扩展了候选分子的来源。PepGLAD、DiffPepBuilder 和 RFpeptides 等方法探索面向靶点的肽结构生成与序列设计;PocketXMol、BoltzGen 等全原子框架则拓展了跨分子类型的建模与设计能力。PepTune 等方法还将溶解性、膜通透性等性质纳入优化目标,推动设计从追求靶点结合走向兼顾多种成药性质。

综述强调,肽类药物设计需要结合两类互补视角:序列与残基层面的模型用于学习结合基序和靶点识别规律,原子与化学结构层面的模型则用于描述环化、立体化学及非天然修饰。将靶点识别与化学优化相结合,是连接 AI 预测、分子设计与药物开发的重要方向。


图 2 肽-蛋白相互作用预测与设计中的主要计算任务,包括肽段对接、结合位点预测、复合物结构预测与共折叠,以及肽分子从头生成和亲和力优化。

肽类药物的应用进展与转化挑战

综述围绕 KRAS、MDM2/p53 和 PD-1/PD-L1 等靶点,展示了肽分子干预复杂蛋白界面的潜力。其中,靶向 MDM2/p53 的订书肽 ALRN-6924 已有临床研究探索。不同体系仍面临各自的转化门槛,包括胞内靶点的膜通透性,以及相较现有抗体疗法的差异化价值。

文章还对整理的 82 种获批肽类药物进行了分类分析,展示其在代谢、肿瘤、感染和内分泌等疾病领域的应用,以及残基或骨架修饰、环化等工程策略的广泛使用。这些案例说明,肽类药物已具备临床应用基础,而面向更广泛靶点的开发仍需要协调优化亲和力、选择性、膜通透性、药代动力学与可制造性。


图 3 肽类药物的靶点、工程策略与获批药物分析。(A)细胞外靶点、细胞内靶点及蛋白互作界面的代表性案例,涵盖临床前研究、临床研究和已获批药物。(B)环肽、订书肽、脂酰肽、聚乙二醇修饰肽、非天然氨基酸引入及偶联等工程化多肽。(C)综述整理的 82 种获批肽类药物的疾病领域与结构或工程特征分类;同一药物可归入多个特征类别。

实验与AI融合的闭环药物设计

作者提出,未来的重要方向是将高通量实验筛选、AI 生成模型与自动化合成和测试进一步结合,形成“设计-合成-测试-学习”的闭环:模型提出候选肽,实验测定其结合能力、功能活性和成药相关性质,再利用反馈数据更新模型,指导下一轮设计。

这一闭环的有效性取决于高质量实验数据和可靠的评估体系。模型泛化能力、实验数据偏差、负样本不足,以及对不同肽化学类型和靶点类别的验证仍是待解决的问题。将计算预测转化为可重复的生化、细胞和体内结果,并同步考虑安全性与规模化制造,才能推动 AI 设计的候选肽向药物开发迈进。

西湖大学曾坚阳教授与宾夕法尼亚大学 Cesar de la Fuente-Nunez 教授为论文共同通讯作者。西湖大学-浙江大学联合培养博士生应华章、清华大学交叉信息研究院博士生雷逸品(已毕业)为共同第一作者;西湖大学-浙江大学联合培养博士生罗亦海参与了论文的审阅与修改。

论文链接:

https://www.cell.com/cell-biomaterials/fulltext/S3050-5623(26)00254-0

制版人: 十一

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