Section.01

多肽偶联原理与策略

药物偶联物

药物偶联物由三部分组成：载体、连接子和有效载荷。

在多肽-药物偶联物 (PDC) 中，载体 (也称为靶向肽) 负责将药物靶向递送至相应的肿瘤靶点。有效载荷是能够杀死癌细胞的细胞毒素，而连接子则将肽类药物偶联物 (PDC) 的两个组成部分连接起来，并诱导药物释放。

示意图 1. 药物偶联物的组成^[1]。

多肽偶联 (Peptide conjugation) 指将多肽与另一种功能性分子，如小分子药物、荧光分子、抗体，或纳米颗粒通过化学方式形成复合物的过程。偶联的核心在于通过特定的化学反应基团将两种分子共价结合。

多肽是以氨基酸为基本单位、通过肽键连接形成的化合物，因此常含有多个反应活性基团。常用于偶联的多肽反应基团包括 N 端氨基 (-NH₂) 、C 端羧基 (-COOH) 、赖氨酸侧链氨基 (-NH₂) 、半胱氨酸侧链巯基 (-SH) 等。也可以在多肽中先引入叠氮 (-N3) 、炔基等反应活性基团，再进行偶联。

图 2. α-氨基酸、赖氨酸 (Lys) 、谷氨酸 (Glu) 、半胱氨酸 (Cys) 与多肽结构示意图，蓝色：反应活性基团。

常用的偶联策略包括：酰胺键偶联、氨基-NHS 酯反应、巯基-马来亚酰胺反应、点击化学、AcBr-巯基反应^[1][2][3]。

1. 酰胺键偶联

通过分子上的氨基 (-NH2) 与分子上的羧基 (-COOH) 反应形成稳定的酰胺键，是最常用的偶联方法之一。

图 3. 氨基 (-NH2) 与羧基 (-COOH) 形成酰胺键，蓝色表示反应活性基团，红色表示偶联后结构。

2. 氨基-NHS 酯反应

利用 NHS (N-羟基琥珀酰亚胺) 活化羧基生成 NHS 酯，使其更容易与多肽的氨基结合，该反应高效且条件温和。

图 4. 氨基 (-NH2) 与 NHS 酯形成酰胺键，蓝色表示反应活性基团，红色表示偶联后结构。

3. 巯基-马来亚酰胺反应

多肽上的巯基 (–SH) 可以与马来亚酰胺基团 (maleimide) 特异性结合，常用于带有半胱氨酸的多肽，实现选择性偶联。

图 5. 巯基 (-SH) 与马来亚酰胺基团形成硫醚键，蓝色表示反应活性基团，红色表示偶联后结构。

4. 点击化学

• 点击化学 (Click Chemistry) 是一类化学反应的统称，特点是高效、选择性强、条件温和，就像“点击一下”就能将两个分子牢牢连接在一起。在多肽偶联中，CuAAC 和 SPAAC 体系是最常用的点击化学方案。

• CuAAC (Cu-catalysed azide–alkyne cycloaddition，铜催化叠氮-炔环加成) 是最经典的点击化学反应之一。通过分子中的叠氮基 (–N₃) 与末端炔基 (–C≡CH) 在 Cu (I) 催化下发生环加成反应，生成稳定的 1,2,3-三唑环 (图 6A) 。该反应条件温和、选择性高、产率高，但缺点是需要铜催化，对蛋白与细胞具有一定毒性，更适合体外研究。

• SPAAC(strain-promoted azide–alkyne cycloaddition，无铜应变促进叠氮-炔环加成) 是一种无铜点击化学方案，利用带有环张力的炔基 (如环辛炔) 与叠氮基自发发生环加成反应 (图 6B) 。该反应无需催化剂，可用于活细胞标记、体内成像等场景。

图 6. CuAAC 与 SPAAC 反应机理，蓝色表示反应活性基团，红色表示偶联后结构。

5. AcBr-巯基反应

通过分子中的溴乙酰基 (-AcBr) 与巯基 (-SH) 反应形成稳定的硫醚键，这也是一种常用的巯基偶联策略。

图 7. 溴乙酰基与巯基反应机理，蓝色表示反应活性基团，红色表示偶联后结构。

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定点偶联与非定点偶联

在多肽偶联中，根据连接位置是否可控，通常分为定点偶联与非定点偶联。

多肽定点偶联 (Site-specific conjugation) 是指在多肽的特定位置 (如某个氨基酸位点) 发生偶联，从而生成单一产物，具有良好的重复性，更符合药物开发的要求。非定点偶联 (Random conjugation) 是指在所有可反应的位点随机发生反应，生成混合产物。

定点偶联可以通过特定残基引入。例如，在 Peptide 2 中，可反应的活性基团有氨基、巯基与羧基。选择巯基或 C 端羧基偶联另一功能性分子，可以实现定点偶联；而 Peptide 2 含有 3 个氨基，直接通过氨基反应时，肽的 N 端与 Lys1 及 Lys2 位点都可能发生反应。如果希望在 N 端引入偶联分子，则可以先将 Lys 上的残基进行保护，使其失去反应活性，从而实现 N 端的定点偶联 (图 8) 。

图 8. Peptide 2 结构示意图。颜色标记为反应活性基团：蓝色-氨基，红色-巯基，紫色-羧基。

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多肽偶联应用

与实施案例

通过偶联，可以将多肽与不同的功能性分子，如小分子药物、抗体、载体蛋白、荧光分子、纳米材料等连接在一起，旨在提高药物的靶向性、改善分子稳定性与半衰期，或赋予分子新的功能。

因此，多肽偶联也常被应用于药物开发、分子成像、材料科学、分子机制研究等领域。

在现代生物医药与功能材料研究中，偶联已成为连接“分子识别”与“功能实现”的关键桥梁。通过合理选择偶联位点与化学策略，不仅可以精准调控分子的结构与活性，还能够显著拓展多肽在药物递送、分子成像及纳米技术等领域的应用潜力。

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参考文献

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[3] Zhang X, et al. Polypeptide-protein conjugation: A new paradigm for therapeutic protein delivery. J Control Release. 2025 Aug 10;384:113953.

[4] Worm DJ, et al. Targeting of peptide‐inding receptors on cancer cells with peptide‐drug conjugates. Peptide Science. 2020 May;112(3):e24171

[5] Véniant MM, et al. A GIPR antagonist conjugated to GLP-1 analogues promotes weight loss with improved metabolic parameters in preclinical and phase 1 settings. Nat Metab. 2024 Feb;6(2):290-303.

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