脂肽药物MEDI7219自组装行为的SAXS研究：一种高自发曲率治疗性肽表面活性剂的发现

《Langmuir》：Self-Assembly of a Therapeutic Peptide Surfactant: A Small-Angle X-ray Scattering Study

这篇研究通过小角X射线散射(SAXS)系统研究了治疗性脂肽MEDI7219的自组装行为，揭示了其作为表面活性剂形成小尺寸椭球胶束（聚集数5-8）的特性，其临界胶束浓度(cmc)极低，且胶束尺寸对环境变化不敏感，为开发高效、可降解的肽类表面活性剂及理解脂化肽药物的药代动力学提供了关键见解。

　　

引言

两亲性分子（或称表面活性剂）在多个工业领域中至关重要，但传统合成表面活性剂常存在生物毒性及难降解的问题。相比之下，生物表面活性剂（如脂肽和胆汁盐）在毒性、生物降解性及效率方面往往具有更优的特性。脂化肽作为一种治疗剂正日益受到关注，因其相较于天然肽，能提供增强的药代动力学特性。MEDI7219是一种旨在治疗2型糖尿病和肥胖症的胰高血糖素样肽-1 (GLP-1) 类似物，其肽骨架在13位和25位的赖氨酸残基上通过γ-谷氨酸-PEG连接物进行了双C₁₁脂修饰，如图1所示。这种亲水性、带负电的氨基酸残基与疏水的双脂化相结合，赋予分子两亲结构，提示其可能自组装形成胶束或双层。

实验部分

所有实验在20-21°C下进行。MEDI7219由阿斯利康公司提供。表面张力采用Wilhelmy板法测量；动态光散射(DLS)用于测定胶束的流体动力学半径；小角X射线散射(SAXS)实验在英国钻石光源B21线站完成，用于分析胶束的尺寸与形貌。

结果与讨论

临界胶束浓度(cmc)

通过测量MEDI7219在水和150 mM NaCl溶液中的表面张力，确定了其cmc值。结果表明，MEDI7219在水中的cmc约为0.05 mg cm^–3(11 μM)，而在150 mM NaCl溶液中则低至5 × 10^–4mg cm^–3(110 nM)。如图2所示，表面张力在达到cmc后降至平台值。表面过剩量(Γ)和每个分子所占表面面积通过吉布斯吸附等温线估算得出，在水和150 mM NaCl中分别约为230 ?²和260 ?²。其cmc值略低于其他已知的脂化GLP-1类似物（如利拉鲁肽）和表面活性素，这可能与其更大的疏水基团（两个C₁₁脂链）有关。

动态光散射(DLS)与小角X射线散射(SAXS)

MEDI7219在多种水溶液（水、150 mM NaCl、150 mM NaSCN、磷酸盐缓冲液、醋酸盐缓冲液等）中均形成澄清透明溶液。DLS测量显示，在150 mM NaCl中形成的颗粒流体动力学半径约为2-3 nm，而在水中由于排斥力更强，胶束表现得更小，如图3所示。温度从21°C升至37°C对胶束尺寸无明显影响。SAXS数据显示，所有样品的散射强度曲线在高q值区域均显示出典型的“核-壳”结构颗粒振荡特征（图4），表明形成了小尺寸颗粒。

小角X射线散射(SAXS)数据分析

通过对SAXS数据进行最小二乘模型拟合，发现三轴“核-壳”椭球体模型（图5）与所有数据最为吻合，远优于双轴旋转椭球体和球体模型。分析结果显示，MEDI7219在各种水溶液中形成小的通用椭球体胶束，最大半轴长约20 ?，壳厚度约为7.5 ?（图6）。

假设椭球体核心仅由与肽相连的疏水脂尾组成，可计算出胶束的聚集数(N_agg)。如图7所示，在存在盐的溶剂中，聚集数在5-8之间轻微变化。在纯水中，最低浓度下的胶束相对较小，随后随浓度增加呈现典型的生长行为。在磷酸盐缓冲液(pH 7.5)中，由于酸性氨基酸残基完全去质子化带负电，胶束间静电排斥增加，导致自发曲率增大，胶束尺寸较小。相比之下，在醋酸盐缓冲液(pH 5.7)中，由于表面电荷密度降低，胶束尺寸略大。

MEDI7219的聚集数远小于大多数传统表面活性剂，表明该肽表面活性剂具有非常高的自发曲率，尽管它拥有两条脂肪烃链作为尾部。这种高自发曲率使其性质类似于胆汁盐表面活性剂，后者也由较少的单体组成并具有高界面曲率。胶束的壳厚度在不同浓度和缓冲液中相似，预计由肽头基和水组成。壳与核的散射长度密度对比度比值与根据头基和尾部计算的估计值非常接近，表明肽头基在胶束壳中排列紧密，水合度低，抗衡离子贡献也低。

MEDI7219胶束的尺寸和形状对溶剂的选择表现出惊人的不敏感性。对于像MEDI7219这样带电荷的分子，添加电解质通常会屏蔽头基间的排斥，从而降低有效头基面积和界面曲率，增加聚集数（如SDS和CTAB）。然而，对于MEDI7219，这种效应并未观察到，表明其在测量浓度范围内缺乏第二个临界胶束浓度。这种微弱的生长行为也表明胶束接近单分散性，这与SAXS数据分析结果一致。

结论

本研究证明，脂化肽药物MEDI7219在超过临界胶束浓度(cmc)时，可在多种水溶液中自组装形成聚集数小于10的小型椭球体胶束，表现出表面活性剂行为。尽管拥有两条脂肪链作为疏水部分，但其胶束聚集数远小于传统表面活性剂，表明其自发曲率非常高。MEDI7219的cmc极低，且形成的胶束尺寸对电解质类型、pH、缓冲液类型和温度等环境条件表现出惊人的不敏感性。这种特性表明，MEDI7219即使在低浓度下也能在其核心溶解疏水性化合物或在壳附近结合带相反电荷的化合物。其独特的表面活性剂特性和高自发曲率也意味着它可能与其他两亲性化合物（如磷脂）相互作用形成混合胶束。这些发现提示，脂化肽可作为传统表面活性剂的潜在替代品，用于开发高效且可生物降解的表面活性剂。此外，肽在皮下给药后若形成聚集体，可能会因其尺寸限制而影响通过毛细血管的吸收，进而影响药物的药代动力学特征，这是在研究给药后治疗效果时必须考虑的因素。