类多肽肺表面活性剂 【发明领域】
本发明涉及基于序列特异性寡聚体的含有至少一个N-取代的甘氨酸(类肽)残基的铺展剂，还涉及利用它的方法，包括用于治疗肺的呼吸窘迫。所述铺展剂是基于肽主链的序列特异性寡聚体，其命名为表面活性剂蛋白质-B或表面活性剂蛋白质-C的类似物。
【发明背景】
“肺的表面活性剂”或“肺表面活性剂”(LS)是包被健康的哺乳动物肺的内表面的蛋白质和脂质的混合物，使其能够正常呼吸[1]。由于其独特的表面活性特性，肺表面活性剂明显地降低了在肺内进行气体交换的无数微气囊(“肺泡”)的气体-液体界面的表面张力，从而降低肺泡扩张需要的压力，并减轻呼吸功[2，3]。肺表面活性剂也稳定了呼气时的肺泡网络，防止其塌陷[3，4]。
天然的肺表面活性剂是由90-95％的脂质和5-10％的蛋白质组成的[5，6，7]。蛋白质和磷脂部分在生理表面活性中均起关键作用[8]。磷脂酰胆碱(PC)变体是最丰富的成分，组成了脂质部分的70-80％。PC分子的50-70％是饱和的和二棕榈酰化的(DPPC)。阴离子磷脂酰甘油(PG)占8％，其他脂质以及胆固醇存在地量较小[5]。
体外和体内的生物物理试验已经显示，减小表面张力的最关键的脂分子是DPPC和PG[6，7]。但是，脂混合物单独作为肺表面活性剂的替代物是无效的，因为在生理条件下和缺乏“铺展剂”时，DPPC和PG不会快速吸附在气体-液体界面，并且由于肺泡表面面积周期性地变化，它们也不能迅速地再铺展[9]。而一种独特类别的蛋白质表面活性剂可以作为铺展剂。
有四种表面活性剂相关蛋白质与磷脂一起存在于肺泡下相：SP-A，SP-B，SP-C和SP-D[10]。这些蛋白质分为两大亚组：亲水的表面活性剂蛋白质SP-A和SP-D，和疏水的表面活性剂蛋白质SP-B和SP-C。SP-A和SP-D控制表面活性剂的代谢，也作为对吸入的病原体的防御起重要的免疫学作用[11]。但对于治疗性肺表面活性剂的替代，对治疗呼吸窘迫重要的是表面活性剂的生物物理特性，因为这些特性影响肺的机械特性。SP-A和SP-D对表面活性剂降低表面张力的特性都没有作用[6]，所以它们通常不存在于表面活性剂的替代物中。
对于肺表面活性剂发挥适当功能，需要与表面活性剂相关的蛋白质[8]，并且正是小的疏水蛋白质SP-B和SP-C，才能降低肺泡下相的表面张力，赋予脂单层适当的动力学行为[12-14]。SP-B和SP-C非协同性地与脂质相互作用，使呼吸变得容易[15]。早产兔的体内拯救试验[16]，单克隆抗体对SP-B的体内封闭[17]，和对遗传工程SP-B缺陷小鼠的研究[18]都证明，SP-B和SP-C蛋白质对体内肺表面活性剂的功能是必需的[8]。两者都有助于磷脂迅速吸附到气体/水界面，允许在肺泡扩张和收缩时磷脂快速地再铺展。两者都影响单层的相行为，降低呼气时肺泡的表面张力到1mN/m以下[14，19]。
新生儿呼吸窘迫综合征(NRDS)在美国是婴儿死亡的主导原因[6]。在肺表面活性剂缺乏或功能失调时，由于过大的表面张力，哺乳动物的肺顺应性不良并易于在呼气时造成肺泡塌陷。孕周小于29周的早产儿还未开始分泌肺表面活性剂到肺泡空间[20]，出生后不进行表面活性剂替代治疗会窒息。所以，对于NRDS婴儿，这是常规治疗(对28孕周之前出生的婴儿可以预防性给予)，并且对于成人和儿童的“急性RDS”(ARDS)可以期望获得临床效果[6]。
成人和儿童也可以受益于有效的，非免疫原性的，生物可利用的，不太昂贵的合成表面活性剂替代物。表面活性剂功能不良是致死性ARDS的主要原因，这在成人和儿童中可能发生在休克，细菌性脓毒症，氧过多，近似淹溺或误吸之后[6]。ARDS是加强监护室中死亡的主导原因，并且还没有普遍有效的，经济的治疗方法[7]。成人和儿童中肺表面活性剂功能不良最常见的原因是血清或其他外源液体侵入肺中。血清蛋白质通过还未理解的生物识别和生物聚集机制破坏和抑制了天然表面活性剂的铺展[9，21]。为了治疗成人和儿童的ARDS，研究了肺表面活性剂替代治疗[22-25]。但成人所需要的大剂量使这一潜在有效的治疗太过昂贵[26]。
学术和工业研究已经使几种功能性表面活性剂替代物商业化，但此物质十分昂贵(每1.2毫升剂量1000美元)，并且不同的制剂产生高度可变的结果[27，28]。动物来源的表面活性剂最为昂贵，并且快速恢复肺功能的效果最好，但有纯度和免疫学问题[27]。如果有NRDS的婴儿通过表面活性剂替代治疗而存活(他们在出生后每6-8小时需要高达4个剂量)，他们在96小时内开始分泌自己的肺表面活性剂[5]。
目前，对于呼吸窘迫综合征(RDS)的治疗，市售的两类肺表面活性剂替代物是“天然的”和“合成的”。“天然表面活性剂替代物”通过灌洗或用有机溶剂提取，从动物肺制备，并通过层析纯化[5，6，26]。许多动物来源的表面活性剂替代物是FDA批准的[29-32]。“合成的表面活性剂替代物”从定义来看是无蛋白质的，并且是从合成磷脂制成的，其中加入化学试剂(脂或去污剂)以易化吸附和铺展[33，34]。这些无蛋白质的合成制剂效果不好，已经不经常使用了。
第三类还没有投入市场的制剂是“仿生肺表面活性剂”。仿生表面活性剂被设计成模拟天然肺表面活性剂生物物理特性而不享有其精确分子组成。这些制剂含有与重组来源或化学合成的SP-B和/或SP-C肽类似物组合的合成磷脂混合物[7]。
因为仿生表面活性剂还不可得，医生必须在动物来源或合成表面活性剂替代物之间选择[27，35，36]。尽管担心动物来源的表面活性剂可能污染动物病毒，而且表面活性剂的快速生物降解导致需要多个剂量[27]，大多数医生仍偏爱动物来源的制剂[6]。现有的合成制剂(虽然更安全，通常也有效，并且不如天然表面活性剂昂贵)在体内的效力较低(每42个治疗的婴儿中少救活1个[27，36])，主要是因为需要更好的SP-B和SP-C蛋白的类似物。
牛和猪SP与人SP有约80％的同源性，并且甚至在一些婴儿中，免疫系统也将其识别为外源的[17，37，38]。针对这些同源SP序列产生的抗体具有使天然人SP失活的潜力而导致呼吸衰竭。这在新生儿中还没有发现[5，6]，但对于ARDS成人，自身抗体可能是严重的问题[27]。在早产婴儿中表面活性剂替代治疗的失败率高(在治疗后，约65％的婴儿死亡或发生慢性肺病(支气管肺发育不良，BPD))[27]。
当从动物中提取人用药物时，消除抗原或感染原的跨种转移或不可预见的生物污染是不可能的[39]。合成的，仿生的表面活性剂避免了这些危险，并且也可以提供更大的生物利用率(更少的剂量，所以费用更低)并不易受到抑制。必须改良合成的表面活性剂，直到用合成物进行RDS拯救治疗的效率可以与天然的表面活性剂相比。
为了避免对动物来源的药物的需要，几个小组已经进行从头化学合成SP-B和SP-C的截短的肽模拟物用于制备表面活性剂[7]。这些合成的，仿生的多肽的大部分在体外和体内具有生物物理功能(即，它们一定程度上成功地促进达到低表面张力，并且易化了表面活性液体的快速再铺展，从而救治RDS早产动物)。几个工作者，包括Kang[40]，Bruni[41]，和Lipp[42-44]已经制成并测试了SP-B片段。他们都成功地制成了有生物物理活性的SP-B类似物。有趣的是，来自SP-B的氨基末端的25个残基的肽似乎获得了全长SP-B的表面活性特性[42]。Fujiwara[45]和Notter[46]制成SP-C的截短的模拟物，而Wang[46]制成了全长的，棕榈酰化的SP-C肽，并且报道半胱氨酸的酰化对SP-C的生物物理功能是关键的。Takei等人[45]删除了棕榈酰基团，并且发现截短的SP-C肽模拟物(5-32残基)在体外和体内保留了“完全生物物理活性”。关于这些研究，值得注意的是许多工作组已经制成SP的肽模拟物，并且都在一定程度上取得了成功。这提供了该系统对SP-类似物的轻微变化的耐受性的有力证据，因为它们主要与脂相互作用，可能比许多生物分子的相互作用特异性小得多，因此这一点也是可以预计到的。
如本文所注示的，与对本发明的理解相关的现有技术的这些和其他方面可以在如下文献中找到：
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发明概述
本发明提供了一种新的基于非天然序列特异性多聚体，“类多肽”，类肽-肽嵌合体，“反类多肽”和反(类肽-肽)嵌合体的功能性仿生铺展剂，作为外源肺表面活性剂制剂的添加剂。如本文所用，术语“反类多肽”，“反类肽”或“反(类肽-肽)嵌合体”指其序列与天然蛋白质反向的化合物，即化合物的氨基到羧基的序列与肽如表面活性剂蛋白质B和C的羧基到氨基的序列基本相同(参见下面图1)。设计铺展剂模仿表面活性剂蛋白质B和C(SP-B和SP-C)的表面活性特性。在脂混合物中加入SP模拟物(SPM)以产生安全可靠、生物可利用的，成本效益好的，非免疫原的功能性仿生肺表面活性剂。
根据前面所述，本发明的目的是提供类多肽铺展剂和相关的肺表面活性剂组合物和/或制备和/或使用它们的相关方法，从而克服现有技术的各种缺陷和缺点，包括上面指出的那些。本领域的技术人员可以理解，本发明的一个或多个方面可以满足某些目的，而一个或多个其它方面可以满足某些其他目的。每个目的在其各个方面可能不能同等地适用于本发明的每个方面。这样，下面的目的可视为有关本发明的任何一个方面的备选。
本发明的一个目的是提供类肽铺展剂和/或组合物作为天然存在的表面活性剂相关蛋白质B和C的替代物，原因包括所致的蛋白酶抗性和低免疫原性。
本发明的另一个目的是提供一种或多种用于制备和/或施用相关的肺表面活性剂组合物的非天然类肽铺展剂。
本发明的另一个目的是提供天然存在的表面活性剂相关蛋白质以及那些合成的类似物的替代物，这样的类似物具有增强的生物利用率和由此所致的增强的效力。
本发明的另一个目的是提供具有单体的稳定的螺旋结构，增强的可溶性和增强的对聚集的抗性的替代类肽铺展剂和/或肺表面活性剂组合物，这些性质此前在现有技术的铺展剂和/或组合物中不能获得。
本发明的其他目的，特征，优点和优势可以从本概述和各种优选的实施方案的说明中了解，是具有肺表面活性剂及其制备用途知识的本领域技术人员容易理解的。联系所附的实施例，数据，附图和所有从中得出的合理推论，单独或考虑他们比现有技术的先进性，可以从上面理解这些目的，特征，优点和优势。
在某种程度上，本发明涉及非天然的杂聚肺铺展剂，包括(1)至少一个N-取代的甘氨酸残基和(2)至少一个对应于选自表面活性剂相关蛋白质B和C的天然表面活性剂相关蛋白质的氨基酸残基。正如本文其他地方所解释的，本领域技术人员已知的合成技术提供了只受用于相关合成的适宜胺前体的可得性，稳定性和/或设计所限制的N取代。在优选的实施方案中，N-取代基选自蛋白原性氨基酸侧链和/或其碳同系物。
不管怎样，对于表面活性剂相关蛋白质，优选的铺展剂包括对应于表面活性剂相关蛋白质B，特别是其残基1-25的氨基酸残基。或者，优选的实施方案可包括对应于表面活性剂相关蛋白质C，特别是其残基1-35的氨基酸残基。这样的氨基酸残基可以以对应于其在天然蛋白质中存在的序列提供，或以模仿其整体结构特性和/或疏水性或极性的方式提供。
在某种程度上，本发明也可以包括肺表面活性剂组合物，包括(1)如上所述的非天然铺展剂和(2)脂成分，它与铺展剂一起赋予生理性肺泡表面活性。这样的脂成分可以包括天然存在的磷脂，所述磷脂的非天然类似物，市售的表面活性剂及其组合。在优选的实施方案中，所述脂是本文其他部分所述类型的磷脂的混合物。这样的优选的实施方案还可包括棕榈酸添加物。
在某种程度上，本发明也包括利用N-取代增强对表面相关蛋白质模拟化合物的构象控制的方法。该方法包括制备具有至少一个甘氨酸残基的表面活性剂相关蛋白质模拟组合物，该制备方法使甘氨酸残基的N-取代足以增强蛋白质模拟化合物的单体的螺旋构象。代表性的N取代和所得到的螺旋构象如本文的几个实施例所述，从而使可溶性增强，因此得到的蛋白质模拟化合物的用途增加。
在某种程度上，亦如本文所证明，本发明也包括控制肺泡表面活性的方法。本领域的技术人员接受的方法和方案已经证明这样的控制方法降低肺泡表面张力。这样的方法包括(1)制备包括具有至少一个N取代的甘氨酸残基的非天然杂聚铺展剂，和脂混合物的肺表面活性剂组合物；和(2)在适合条件下施用足够量的表面活性剂组合物以降低肺泡表面张力。这样的量和方法参数如本文其他部分所述，或是本领域技术人员可以理解的，并且得以理解本发明。
在某种程度上，本发明包括一种或多种肺泡表面活性剂组合物，其与脂混合物一起提供相当或超过本发明其他实施方案所得到的结果。例如，下面的实施例7和8提供了几种这样的铺展剂中的两种，可以用下式代表其结构替代物：
HN-X1X2PVHLKR(NX3)n-CONH2和
HN-X1X2Pro Nval Npm Nleu Nlys Narg(NX3)n-CONH2
类多肽是基于多肽主链的(N取代的甘氨酸)多聚体，并且可以通过有效的，自动固相合成而产生，所述合成可以以序列特异性方式掺入不同的N侧链[47，48]。在生物医药中利用类多肽的主要优点是尽管它们与多肽十分相似，这些分子基本上不受蛋白酶降解，所以同时在体内比多肽更稳定，并且更不易于被免疫系统识别。
利用表面活性剂蛋白质的基于类肽的类似物，即肽类似物具有许多优点，其中有两个主要的优点：(1)它增强了生物利用率，从而允许剂量降低，并且减少对多剂的需要，和(2)它是安全的并比含有动物蛋白质的天然表面活性剂价格低。
本发明的一个实施方案提供了具有与表面活性剂蛋白质B和/或表面活性剂蛋白质C相似的表面活性特性的蛋白质类似物铺展剂。如本文所用，术语“蛋白质类似物”指类多肽，类肽-肽嵌合体，或含有至少一个类肽残基的反类肽。这就是说侧链，即图1的Ri在类肽中与对应的肽近乎相同。但是，因为类肽和肽有不同的侧链附着点，类肽的侧链残基，即Ri基团相对于对应的肽侧链可以含有多至3个，优选多至2个额外的碳原子，或可以少含有2个或更少的，优选一个或更少的碳原子。
本发明的蛋白质类似物铺展剂的表面活性特性包括在吸附的20分钟内降低空气-水界面的吸附表面张力到小于约30mN/m。本发明的铺展剂的表面活性特性也可以包括在第一次或第二次压缩时，在膜表面压缩时将表面张力降低到小于约15mN/m。表面活性特性可以进一步包括在膜面积的循环过程中产生膜区DPPC含量的富集。这些表面活化特性的适宜试验可以在例如实施例部分找到。
本发明的另一个实施方案提供了表面蛋白质-B或表面蛋白质C的蛋白质类似物铺展剂，其中蛋白质类似物铺展剂包含享有表面蛋白质B的残基1-25，优选1-28，或表面蛋白质-C的残基2-32，优选1-35的序列的类肽类似物片段，并且其中蛋白质类似物片段含有至少一个类肽残基。
更优选地，类肽类似物片段含有至少约25％的类肽残基。如本文所用，享有表面蛋白质B或表面蛋白质C的特定残基的序列指具有包括至少70％(更优选80％，90％和95％)的特定残基，残基顺序为或模仿表面蛋白质-B或表面蛋白质C中的特定残基的序列的分子，尽管那70％，或在优选实施方案中更多的特定残基中可以散布其他残基。“表面活性剂蛋白质B”或“表面活性剂蛋白质C”指表面活性剂蛋白质B或表面活性剂蛋白质C的任何天然存在的序列，如人表面蛋白质B或表面蛋白质C的已知序列。
本发明的另一个实施方案提供了肺表面活性剂组合物，其包括：(a)如上所述的蛋白质类似物铺展剂；和(b)磷脂混合物。
本发明的另一个实施方案提供了治疗呼吸窘迫综合征的方法，其包括对需要治疗的病人施用如上所述的肺表面活性剂组合物。优选地，病人是动物，更优选是哺乳动物，最优选是人。
附图简要说明
图1说明了对具有任意侧链Ri的三聚体的肽，类肽，和反类肽的化学结构的比较。
图2是“亚单体”通过固相合成产生类肽寡聚体的合成方案的示意图。简单地重复这两个步骤加入每个单体单位。当合成了全长类多肽，用三氟乙酸从树脂上将其裂解下来，并且通过反相HPLC纯化。
图3显示疏水表面活性剂蛋白质SP-B(人序列)的一级结构，使用标准的，接受的氨基酸单字母密码。疏水残基是黑体的，并标出带电的残基[5]。
图4是提出的SP-B折叠结构及其与磷脂双层的推测的相互作用的示意图。SP-B推测是两个相同的79残基四螺旋蛋白质链的二聚体，其中各两亲性螺旋的疏水段对着脂酰基链。Cys48跨越第三个螺旋连接两个单体[67]。
图5显示疏水表面活性剂蛋白质SP-C(人序列)的一级结构。每个氨基酸用单字母密码表示。疏水残基用黑体表示，并标出带电残基。两个半胱氨酸残基是棕榈酰化的[5]。
图6是SP-C的二级结构与提出的它与磷脂双层的相互作用的示意图。推测的NMR SP-C结构是人工添到磷脂双层上的。在跨膜的方向上，疏水部分(13到28位)与脂酰基链相互作用，而在11和12位置的碱性残基(表示为正电)与极性脂首基相互作用。在5和6位的两个半胱氨酸残基是棕榈酰化的；棕榈酰链的作用在文献中仍有争论[67]。
图7a显示了用作SP-C模拟物的具有14个芳族类肽残基的类肽-肽嵌合体的序列；
图7b显示了用作SP-C模拟物的含有14个脂族类肽残基的类肽-肽嵌合体的序列；
图7c显示了完全基于类肽的SP-C模拟物的序列；
图8是图7a的SP-C模拟物SPCM2和SPCM3的类肽-肽嵌合体的CD谱。光谱是从Jasco 710分光光度计得到的。样品在2-丙醇：1％乙酸(4∶1)中以60μM浓度制备。
图9显示图7a SP-C类肽-肽嵌合体SPCM1和SPCM3表面压力(II)对表面面积(A)的函数。П-A等温线是在Langmuir-Wilhelmy Surface Balance上以屏障速度0.1mm/sec测定的。样品是在氯仿∶水(1∶1)中制备的，并且在室温下铺展在纯水的面下相上。
图10A显示了在20℃ DPPC∶POPG(7∶3)，0.5mg/ml的水面下相上Langmuir-Wilhelmy Surface Balance所得到的压力-面积等温线，其中有10重量％的SP-C肽，SP-C模拟物2或SP-C模拟物3。结果表明，加入SP-C模拟物通过提高初动点和引入新的平台而提高脂混合物的表面活性；
图10B显示了在20℃DPPC∶POPG(7∶3)，0.5mg/ml的水面下相上Langmuir-Wilhelmy Surface Balance所得到的压力-面积等温线，其中有10重量％的SP-C模拟物2或10重量％的SP-C模拟物2和3重量％的SP-B肽1。结果表明，在脂/SPCM2混合物中加入SP-B肽通过进一步提高初动点和扩展平台区而提高了生物物理活性；
图11显示在37℃，通过频率20循环/分钟和体积浓度1毫克/毫升由脉动气泡表面仪测量的5mM CaCl2，0.15M NaCl中，含有3重量％图7a的类肽-肽嵌合体的DPPC的吸附表面张力对时间的函数。
图12显示在动态振动过程中，通过频率20循环/分钟和体积浓度1毫克/毫升由脉动气泡表面仪在37℃测量5mM CaCl2，0.15M NaCl中，DPPC单独，以及DPPC+SPCM1(3重量％)或SPCM3(3重量％)的表面张力对界面表面面积的函数；
图13显示在动态振动过程中，通过频率20循环/分钟和体积浓度1毫克/毫升由脉动气泡表面仪在37℃测量的在5mM CaCl2，0.15M NaCl中细胞肺表面活性剂(CLS)+SPCM3(3重量％)的表面张力对界面表面面积的函数；
图14A-H显示了在所示及在下列数个实施例中进一步描述的条件下参比混合物的荧光显微图(FM)；
图15显示了SP-C模拟物的CD谱。样品是在2-丙醇：1％乙酸中制备的；
图16显示了作为从小牛肺提取的磷脂单独，以及与10重量％SPBC或10重量％SPCM1的吸附表面张力对时间的函数。PL混合物悬浮于4mM CaCl2，0.15M NaCl中，在37℃和体积浓度1毫克/毫升时进行静态测量；和
图17显示了从小牛肺提取的磷脂单独以及与10重量％SPBC或10重量％SPCM1的表面张力对表面面积的函数。PL混合物悬浮于5mM CaCl2，0.15M NaCl中，在动态振动过程中由PBS在频率为20循环/分钟和体积浓度1毫克/毫升在37℃进行测量。
发明详述
“类多肽”是一类代表肽主链的另选衍生物的非天然序列特异性多聚体。在结构上，它们与多肽的区别在于它们的侧链是酰胺氮而不是α-碳的侧基(参见图1)[47，48]。“反类肽”被认为当需要结合蛋白质时更可能具有生物活性，因为侧链和羰基的相对位置“排列”得与肽更接近(参见图1)[49]。N-取代防止了类肽主链的蛋白水解[50]，使生物稳定性增强。因为类多肽没有被蛋白水解，它们不是强免疫原性的[51]。
在类肽和肽之间的结构差异具有生物学拟态含义。由于类肽的主链α碳不携带取代基，主链缺乏手性中心。所以，具有非手性侧链的类肽具有采取右手和左手二级结构的相同概率。又是由于N取代，类肽缺乏酰胺质子(除了类肽的甘氨酸类似物)；所以可能沿主链没有氢键网络。虽然多(N-取代的甘氨酸)不能形成主链-主链氢键，本发明人已经发现，具有α手性侧链的一些类肽序列确实展示了与在多肽α螺旋中观察到的相同的圆二色(CD)谱[52]。
象多肽一样，长度多至至少50个残基的序列特异性类肽是利用固相方案在自动肽合成仪上进行高收率合成的。对于类肽合成可以使用两个方法：“单体”方法和“亚单体”方法。两者都可以在自动肽合成仪上实施，但优选后一方法，因为它较简单且价格较低。在第一个途径中，通过将激活的α-F-moc保护的N取代的甘氨酸单体进行树脂结合的偶合而制备序列特异性类肽。但是，这一基于“单体”的类肽合成途径不太方便，因为需要化学合成α-Fmoc保护的类肽单体。合成类肽的第二个途径是较为简单的固相方案，称为“亚单体”方法[48]。亚单体方法的主要优点是避免了大量的前期合成工作和费用，因为其中不需要α-保护的单体。
图2显示了由Zuckermann发展的亚单体合成方案[48]。每个单体是从两个容易得到的亚单体组装的。Rink酰胺树脂通过碳二亚胺激活的α溴乙酸被乙酰化。乙酰化的树脂通过伯胺进行SN2置换引入所希望的侧链[53]。有数百种市售的胺亚单体，所以通过亚单体途径合成类肽可以以适度的价格和工作量产生多种多样功能化多(N-取代的甘氨酸)。但是有些情况中，需要合成所希望的伯胺，并且需要保护其反应官能度。与Fmoc肽合成达到的偶合效率相比，如果侧链并不过分庞大，平均亚单体偶合效率大于98.5％，并且经常高达99.6％。
在单一的自动肽合成仪运行中在“单体”和“亚单体”类肽合成方案之间交替是简单的事情。这是重要的性能有两个原因。第一，对于蛋白原性侧链存在伯胺前体，它是化学上不稳定的和/或难以通过亚单体方法掺入而不发生副反应的。对于这些残基，制备了这些侧链的α-Fmoc保护的N取代的类似物，并且将其通过标准的Fmoc单体方法掺入类肽。第二，在单体和亚单体方案之间交替的能力允许合成类肽-肽嵌合体，允许同时将生物活性和体内稳定性最佳化。换句话说，这可以在同一分子中产生肽残基和类肽残基序列。
SP-B是具有高含量半胱氨酸的由79个氨基酸组成的疏水小分子蛋白质[54]。它的一级结构在哺乳动物中是高度保守的[5]。在天然SP-B中，7个半胱氨酸残基形成了独特的三个分子内二硫键和一个分子间二硫键的二硫键模式，导致形成SP-B二聚体[55，56]。
SP-B中的几个带正电荷侧链对活性是必需的[57]；这些基团与带负电的PG分子之间的相互作用加快了磷脂吸附到空气-水界面。CD谱提示，SP-B二级结构中α螺旋占主要；但其分子的三维结构还没有确定[41，58]。推测四个螺旋是两亲性的，其中一个螺旋面是疏水的，而另一个是相对亲水的。图4中显示的图解代表了假设的SP-B单体的二级和三级结构，显示了所提出的螺旋-转角-螺旋基序，也显示了所提出的SP-B与磷脂双层的相互作用。已经假设，SP-B蛋白质通过增加磷脂的侧面稳定性而降低了肺泡的表面张力。
另一个与疏水表面活性剂相关的蛋白质是SP-C，图5显示了它的一级序列。如果，将其从与脂的结合中取出，这一疏水的35聚体的肽只可溶于有机溶剂[59]。如CD和NMR所证实的，该蛋白质的2/3为一段采取α螺旋结构的长的连续的富含缬氨酰的疏水序列，并且如图6所示其长度跨越DPPC双层[63]。与此相一致的是，已经表明SP-Cα-螺旋是与脂酰基链方向平行的[64]。在序列中5和6位的SP-C的两个半胱氨酸的棕榈酰化可以促进其与在邻近的堆积的脂双层中的脂酰基链的相互作用[65]；但是，棕榈酰链的生理功能及其对体内效力的必要性还有待确定[45，46]。在11和12位的两个邻接的带正电的赖氨酸和精氨酸残基似乎最可能与磷脂首基相互作用[66]。
本发明提供了表面活性剂蛋白质SP-B和SP-C的类肽模拟物，其赋予合成的仿生的外源肺表面活性剂替代物以与目前使用的动物来源的制剂近乎相等的临床效力。
已知SP蛋白质的螺旋、两亲性特性对于获得适当的生物物理特性是重要的。对于SP-B，研究还表明疏水残基和带电残基在螺旋周围的分布对于缩短的仿生序列SP-B(1-25)获得最佳的表面活性是重要的。在本发明的一个方面，为了模仿SP-B氨基末端残基1-25，提供了具有非手性和手性的螺旋疏水面的环周两亲性类多肽，其中考虑了在类肽和肽之间的螺旋螺距的差异。对于SP-C，研究已经表明了疏水的螺旋区域的重要性。
在本发明的另一方面，为了模仿SP-C，提供了具有手性和非手性疏水“尾”的纵向两亲性类肽模拟物。具有疏水的螺旋区域的这样的类肽的长度几乎恰好跨越脂双层，正如天然螺旋SP-C肽。SP-C棕榈酰链的意义目前仍有争议，所以提供了在这一位置具有不同链长度的SP-C类肽模拟物。本发明还提供了具有在某些位置，在脂族残基，芳族残基，带电残基等等的类别内变化的侧链的一系列肽类似物。本发明特定地且不作限制地提供了具有优异仿生表现的SP-B(1-25)和SP-C(5-32)的简单而低价的模拟物。
本发明的另一个实施方案提供了含有肽和类肽片段(即，嵌合体)的SP-模拟物(即，含有至少一个类肽残基的肽类似物)。在一个特定的实施方案中，所述分子的疏水区优选是基于类肽的，而其余区域是基于肽的。类肽片段的存在提高了嵌合体的效力和蛋白酶抗性，并因此与仅基于肽的模拟物相比，提高了其生物利用率。
本发明的另一个实施方案提供了在LS替代物中含有基于肽的和基于类肽的SP模拟物的混合物的肽类似物组合物。这一想法的原理是基于这样的事实：已经证明肽SP-模拟物能够促进LS的快速吸附和再铺展到空气-水界面，从而提供呼吸需要的快速应答。但是，因为肽会受到蛋白酶的生物降解，其作为铺展剂的有效性在短时间内降低。在另一方面，类肽已经显示具有蛋白酶抗性，所以具有长期生物可利用的优点。所以，基于肽的和基于类肽的S P模拟物的混合物是LS治疗的备选仿生铺展剂。
本发明的另一实施方案提供了含有任何前述SP-模拟物和脂混合物的肺表面活性剂组合物。通常，在最佳脂混合物中加入不同浓度(范围从1重量％到20重量％)的各前述SP模拟物。脂混合物在不同的组合物中是由各种合成的脂和次要试剂组成的。脂可以包括二棕榈酰磷脂酰胆碱，磷脂酰胆碱，磷脂酰甘油，磷脂酰乙醇胺，磷脂酰肌醇，磷脂酰丝氨酸和胆固醇。次要试剂包括棕榈酸。
类多肽的几个独特的特性使它们成为具有吸引力的表面活性剂SP-B和SP-C的替代。它们的蛋白酶抗性，和由此的低免疫原性比动物的或序列改变的肽具有优势，后者可以潜在地引发导致产生交叉反应性抗体的免疫应答，或通过与抗体复合快速失活[18]。另外，与肽模拟物相比，蛋白酶抗性提高了基于类肽的SP模拟物的生物利用率和效力。而且使用合成肽的类似物消除了目前与利用动物来源的制剂进行表面活性剂替代相关的危险，包括从污染了病原体的表面活性剂传播疾病的危险，免疫复合物对表面活性剂的抑制，和与合成制剂相比提高的效力。
在图7a，b，c中说明了三组特定的SP-C模拟物(即，含有至少一个类肽残基的蛋白质类似物铺展剂)。前两组是具有手性疏水类肽序列的类肽-肽嵌合体。第一组包括具有螺旋二级结构的14个手性芳族残基的类肽区(图7a)。这一嵌合体组含有肽序列Phe-Phe-Pro-Val-His-Leu-Lys-Arg(SP-C的#5-12)，和在5和6位用辛胺(Noc)或十六胺(Nhd)取代天然发现的棕榈酰化的半胱氨酸残基的变体。在第二组模拟物中，类肽区域由手性脂族侧链替代手性芳基而组成，附有相同的肽(图7b)。第三个设计是具有图7c中说明的序列的完全基于类肽的SP-C模拟物。
本发明的其它目的，优点和新特征通过下面的实施例，对本领域的技术人员是显而易见的，这些实施例并非旨在限制。
本发明的实施例
下面的非限制性实施例和数据说明了涉及本发明的类多肽铺展剂/表面活性剂组合物和/或方法的各个方面和特征，包括制备和施用如可通过本文所述的合成方法/技术得到的物质。与现有技术相比，本方法和铺展剂/组合物提供了令人吃惊的，出乎意料的和与本技术领域相反的结果和数据。通过利用几种铺展剂/组合物和可以掺入其中的残基来说明本发明的用途，本领域技术人员应该理解的是，正如与本发明的范围相应，利用各种其他试剂/组合物和残基可以得到类似的结果。
实施例1
利用亚单体和单体方案，在PE-Biosystems 433A_型自动肽合成仪上合成了类肽-肽嵌合体和类肽SP-模拟物，其侧链如上述序列中所示。合成是在0.25mmol Rink酰胺树脂上进行的(取代，大约0.5mmol/g，NovaBiochem，圣地亚哥，CA)。在从树脂中除去第一个Fmoc保护基后，进行了下面的90分钟单体加成循环：通过加入4.1毫升在DMF中的1.2M溴乙酸加上1毫升的N，N’-二异丙基碳二亚胺将氨基树脂溴乙酰化。在合成仪的反应器中将混合物涡旋45分钟，流干，并且用DMF(4×7毫升)洗涤。加入6毫升在NMP中的1M伯胺，以引入需要的侧链并搅拌45分钟。根据伯胺掺入的困难度，偶合时间可以延伸到2小时。当引入Fmoc保护的单体时，利用备选方案，其包括在6毫升的DMF中将10当量单体，10当量HATU，和20当量DIEA反应，反应时间为2小时。在单体加成后，用在DMF(6毫升)中的20％吡啶作用20分钟除去Fmoc保护的基团。重复这两个循环类型直到获得所需要的序列。在最后的加成之后，用CH2Cl2洗涤类肽或嵌合体，然后利用根据存在的保护基的类型所确定的适当的裂解混合物裂解。通常这一混合物包括三氟乙酸(TFA)，水，和清除剂如苯硫基甲烷，1，2-乙二硫醇和结晶苯酚。反应时间从30分钟(无保护基)到2小时(保护基)不等。在分子被裂解下来后，将其稀释到水中，冷冻和冻干。
实施例2
将实施例1的粗类肽溶解于乙腈/水中，通过在C4填充柱(Vydac，5微米，300_，4.6×250mm)上的梯度反相HPLC来进行分析。在60℃，以流速1毫升/分钟使A中的0-100％B(溶剂A＝水中的0.1％TFA，B＝异丙醇中的0.1％TFA)的线性梯度在60分钟内流过柱。利用同样的溶剂系统，在Vydac C4柱(15微米，300_，10×250毫米)上进行制备HPLC；用A中0-100％B的线性梯度，以8毫升/分钟在45分钟内洗脱峰。根据分子的疏水性，使用具有不同流动相包括乙腈和水的另选梯度。将样品纯化到99％以上。用ES或MALDI-TOF质谱证实化学特征。在JASCO J-720仪器上进行圆二色谱(CD)分析。在圆筒石英杯中分析60μM样本，光程长度为0.02cm(Hellma，Forest Hills，NY)。在Langmuir-Wilhelmy Surface Balance和脉动气泡表面仪(Pulsating Bubble Surfactometer)上进行表面活性测量。类肽-肽嵌合体的圆二色(CD)谱如图8所示。样本在2-丙醇∶1％乙酸(4∶1)中制备。SPCM2和SPCM3展示了具有跨酰胺键的α-螺旋结构的特征(刚刚轻微蓝移，比肽CD更浓，而且更清晰)。
实施例3
在Langmuir-Wilhelmy Surface Balance(“LWSB”)上测量的SP-C模拟物的表面压力-面积等温线如图9所示。在氯仿∶甲醇(1∶1)中制备样品，并且铺展在注入水(面下相)的槽上。类肽-肽嵌合体SPCM1和SPCM3与文献中发现的SP-C肽相比，具有可比较的(但不相同)的表面活性(高萎陷压力)。图10A-B中显示了前面提到的SP-C模拟物与磷脂组合的活性。混合物是由DPPC∶DPPG(7∶3)和0.4mol e％的SP-C模拟物组成。结果表明，如第一和第二压缩-扩张循环之间滞后减小所示，加入模拟物提高了表面活性。这是有意义的，因为它提示更少的物质丢失至面下相中，而这是与单独由脂组成的膜相关的问题。
实施例4
利用脉动气泡表面仪(Electronetics，Amherst，NY)及外部水浴测量模拟物和脂的平衡和动态表面张力。在进行动态测量之前，在静态条件下进行平衡表面张力测量。在含水缓冲液，例如15M NaCl和50mM CaCl2中制备样本。用一次性针筒加样，用针阀形成半径0.40mm的气泡。将气泡压力记录为时间的函数，最小的时间段为10分钟，直到表面张力达到平衡。这些测量的结果表示在图11。注意：“良好”的外源肺表面活性剂替代物能够快速降低表面张力到低值(约25dynes/cm)，而天然肺表面活性剂更进一步降低表面张力到约20dynes/cm。快速达到低的平衡表面张力是最佳的。SPCM1比天然SP-C肽将平衡表面张力降低到更低的值，表明它比天然表面活性剂肽更快速地吸附到界面。据信这是因为在从动物肺分离过程中和之后，天然SP-C肽趋向于聚集成β-折叠。
实施例5
在37℃，体积浓度为1毫克/毫升，动态测量作为表面面积的函数的表面张力。气泡半径以每分钟20个循环的振动频率在0.31mm和0.52mm之间循环。DPPC单独和DPPC加上基于类肽的SP-C模拟物(SPCM1或SPCM3)的结果表示在图12，已知在压缩时，DPPC单层达到非常低的表面张力(基本上表面张力为“0”)。但是，因为DPPC单层是非常刚性的，纯DPPC不能作为外源肺表面活性剂替代物很好地起作用；所以，它们表现出表面张力对界面表面面积的“紧密”环，并且在表面张力达到“零”前需要可观的表面面积的压缩(大于70％)。另外，DPPC在随后的循环中再铺展很差。在肺中，肺泡表面面积的压缩最多50％，所以，重要的是在50％的压缩或更少时达到“零”表面张力。在体内，天然肺表面活性剂蛋白质SP-B和SP-C保证了这样的情况。本发明的基于类肽的SP-C模拟物改善了单独DPPC的再铺展，并且显示了与天然SP-C相似的动力学方式。基于类肽的体系的优点是提高生物利用率的可能性增加。
实施例6
因为天然表面活性剂将在96小时内产生，重要的是证明类肽模拟物不会对天然表面活性剂产生不利影响。图13证明，在全小牛肺表面活性剂(CLS)中加入SP-C模拟物似乎不会对CLS的静态和动态行为产生不利影响。图13显示了CLS+SPCM3(3重量％)的动态界面特性。与单独的CLS相似(数据未显示)，这一混合物在小小的压缩后达到小于1dyne/cm的最小表面张力。在振动频率为20循环/分钟时的最大表面张力是约30dynes/cm。
实施例7
这一实施例显示了具有多种仿生的，蛋白原性侧链的成功合成的，纯化的和完全表征的基于类肽的模拟物(称为SPCM3，下面给出序列)。SPCM3设计成作为人SP-C蛋白质(残基5-32)的类似物。从2D-NMR结构研究中已知具有手性芳族Nspe残基的类肽寡聚体采用了具有顺式酰胺键，约6_螺距，和每个转角3个残基重复的聚脯氨酸I型样结构(P.Armand等，PNAS1998；K.Kirshenbaum等，PNAS1998)。所以，这一基于类肽的SP-C模拟物的设计考虑了肽α-螺旋螺距(5.4_)和类肽螺旋螺距(对于基于芳族为6_，对于基于脂族为6.7_(后一结果是最近通过结晶学确定的))的差异。类肽螺旋结构和稳定性有赖于链中Nspe残基的数目，这一点最近被接受，公开在JACS。根据类肽螺旋参数的知识，选择在分子的疏水螺旋序列中的单体的数目(14个Nspe残基)用于产生长度约37_的螺旋，从而模拟了在天然SP-C肽中发现的跨双层螺旋。
SPC模拟物3手性芳族螺旋序列和非手性亲水序列
HN-Npm Npm Pro Nval Npm Nleu Nlys Narg(Nspe)14-CONH2
在SPM3中用两个苯基甲基(Npm)残基取代天然SP-C棕榈酰基。在通过制备HPLC纯化全长类肽22聚体后，通过分析HPLC和电雾化质谱分别证实了其纯度和准确的摩尔质量(3308Da)。
实施例8
这一实施例提供了SPCM3，SPCM2(肽-类肽嵌合体，序列在下)和合成的SP-C肽(对照)的体外生物物理特征。如图15所示所有三个分子显示了螺旋二级结构特征性的CD谱。图10A展示了有或没有加入SP-C模拟物(10重量％)的脂混合物(DPPC∶POPG，7∶3，0.5毫克/毫升)的表面-压力面积(H-A)等温线，这是在Langmuir-Wilhelmy surface balance(LWSB)上得到的。可以明显地看到，加入SP-C肽或基于类肽的SP-C模拟物提高了合成的脂混合物的表面活性，正如提高的初动点所示(这是物质快速吸附到空气-水界面的证据)。更有效的是，在加入合成的肽和类肽模拟物后，观察到在等温线中引入了平台区，这表示存在新的相变。发生这一转变是表面活性剂蛋白质与磷脂相互作用的独特的特征，这一实施例的数据表明，表面活性类肽也引入了这个平台。用基于类肽的SP-C模拟物得到的H-A等温线与用SP-C肽得到的极为相似，提示模拟物能够获得SP-C的一些关键的表面活性特征。
SPC模拟物2 N-FFPVHLKR(Nssb)15-C
实施例9
LWSB试验显示了加入25聚体SP-B肽1(SPB1)以及基于类肽的SP-C模拟物2(SPCM2)的效果。在图10B中，我们观察到在含有10重量％SPCM2的脂混合物中加入3重量％SPB1显著地提高表面活性，正如初动点进一步提高和平台延长所示。从这一结果，我们可以得出结论，有前途的肺表面活性剂制剂可同时含有SP-B和SP-C模拟物。
实施例10
为了进一步研究含有不同类型SP-C模拟物的脂混合物的生物物理性能，如H-A等温线所示，本实施例显示了利用荧光显微镜检术(FM)联合LWSB来研究这些脂/肽和脂/类肽混合物的相形态学。用荧光染料标记小部分的DPPC脂(1摩尔％)，染料优选分布至更小级别的区域。所以，FM像通常会在暗区和亮区形成对比，暗的区域对应于液态凝聚相(LC)而亮的区域对应于液体扩张相(LE)。图14A-H显示了在表面压力约10mN/m(左)和45mN/m(右)时，对单独脂(组A和D)，10重量％的SP-C肽与脂(组B和E)，10重量％SPCM2与脂(组C和F)，和10重量％SPCM3与脂(组D和G)的FM图象。这些FM象表明，加入SP-C模拟物产生了与单独磷脂观察到的相比，显著不同的表面膜的相形态，这与天然的SP-C肽相似：直接的证据是测试的两种基于类肽的SP-C模拟物具有可观的仿生的与DPPC和POPG脂的相互作用。
实施例11
对于单独磷脂(组A和E)，观察到薄膜的典型的相行为，其中表现为A组中分散的点的暗LC相在表面压缩时大小和密度增加，以致更液态(亮)LE区的范围减少了(组E)。如组E中所示的暗的薄膜在DPPC(POPG被“挤出”)中富集，高度有序，并且在随后的表面扩张中不会很好地再铺展。相比之下，对加入SP-C肽的图象的观察表明，该蛋白质与脂的相互作用在压缩时保留了薄膜的流动性，正如组F中更大范围的亮LE区和LC区大小的下降所证实，这是表面活性剂替代物发挥有效生物物理功能所必须模拟的关键行为。(1A.Kramer等，“近视野光学显微镜对肺表面活性剂模型内的表面活性剂相关蛋白质C的分布的研究“，生物物理杂志，78卷，2000年，458-465页，A.von Nahmen等，“荧光显微镜对含有肺表面活性剂蛋白质C的脂单层的相行为的研究”，欧洲生物物理学杂志，26卷，1997年，359-369页。J.Perez-Gil等，“肺表面活性剂蛋白质SP-C引起二棕榈酰磷脂酰胆碱在铺展单层中的重排“，生物物理杂志，63卷，1992年，197-204页)。注意：包括SP-C或其模拟物的右手侧的所有图象(组F，G和H)反映了在图10A中所示的П-A等温线的平台区中观察到的相形态。
实施例12
在表面薄膜中与磷脂组合的类肽模拟物的相行为的FM图象表现出同与脂组合的SP-C肽相同类型的相行为(参考组F，G和H，与组E相比都表现了更大范围的亮LE相，和暗LC区域的平均大小的减小)。更具体地说，在压缩时SPCM3(组H)的相行为与SP-C肽(组F)十分相似，提示这一类肽分子的仿生行为和功能。根据对∏-A等温线和FM图象的比较，基于类肽的SP-C模拟物似乎获得了SP-C肽的关键特征。这些结果表明，基于类肽的铺展剂用作功能性的，生物可利用的肺表面活性剂制剂很有前途。类肽对蛋白酶的稳定性，和其在溶液中螺旋构象的稳定性(不象SP-C肽趋向于错折叠和聚集)(参见C.W.Wu，T.J.Sanborn，R.N.Zuckermann，A.E.Barron，“具有α手性芳族侧链的类肽寡聚体：链长度对二级结构的影响”，美国化学学会会志，已接收)使它们独特地适于本结构的两亲性寡聚体在治疗早产儿和有可能成人的呼吸窘迫中的生物医药应用。
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