Fortschritte in der Technologie der chemischen Peptidsynthese und aktueller Stand der Entwicklung der Peptidquantifizierung
Fortschritte in der Technologie der chemischen Peptidsynthese und aktueller Stand der Entwicklung der Peptidquantifizierung
1. Überblick über Peptidanwendungen und Synthesetechnologien
Peptide sind bioaktive Moleküle aus Aminosäuren, die über Amidbindungen verknüpft sind. Sie haben üblicherweise eine Molekülmasse von unter 10 kDa und spielen eine Schlüsselrolle in physiologischen Prozessen wie Immunmodulation, Hormonregulation, antioxidativer und krebshemmender Wirkung. Sie finden breite Anwendung in der Biomedizin, der Lebensmittelindustrie, der Kosmetik und der Materialforschung und besitzen einen hohen wirtschaftlichen und anwendungstechnischen Wert. Angesichts des stetig wachsenden Marktes für Peptidprodukte rücken effiziente Synthesetechnologien und standardisierte Qualitätskontrollen in den Fokus der Industrie. Diese Arbeit analysiert systematisch die Vor- und Nachteile der gängigen Technologien zur chemischen Peptidsynthese und gibt einen Überblick über den Entwicklungsstand, Anwendungsszenarien und zentrale Herausforderungen im Bereich der Peptidmetrologie. Sie dient als Grundlage für die Forschung und Entwicklung sowie die Qualitätskontrolle von Peptidprodukten.
2. Charakteristika der Flüssigphasen-Peptidsynthese
Die Herstellungsmethoden von Peptiden umfassen hauptsächlich natürliche Extraktion, enzymatische Hydrolyse, Fermentation, genetische Rekombination und chemische Synthese. Die chemische Synthese hat sich aufgrund ihrer Vorteile wie kurzer Forschungs- und Entwicklungszyklen, flexibler Handhabung und einfacher Automatisierung als gängigste Methode zur Herstellung von Peptidarzneimitteln etabliert; über 90 % der auf dem Markt befindlichen Peptidarzneimittel werden mit dieser Technologie hergestellt. Die chemische Synthese lässt sich im Wesentlichen in zwei Verfahren unterteilen: die Flüssigphasensynthese und die Festphasensynthese.
3. Prinzip und Vorteile der Festphasen-Peptidsynthese
Die Flüssigphasensynthese ist die älteste entwickelte Methode zur Peptidsynthese. Sie wird in homogener Lösung durchgeführt und erfordert den selektiven Schutz und die Aktivierung der Amino-, Carboxyl- und Seitenkettengruppen der Aminosäuren. Diese Methode zeichnet sich durch milde Reaktionsbedingungen, geringe Kosten, abtrennbare und gereinigte Zwischenprodukte sowie die einfache Herstellung im großen Maßstab aus und eignet sich für die Synthese von kurzkettigen und cyclischen Peptiden. Allerdings ist die Automatisierung der Flüssigphasensynthese gering, und jeder Reaktionsschritt erfordert eine Reinigung. Dies ist aufwendig, zeitintensiv und führt zu hohen Produktverlusten, was die Anwendung bei der Herstellung langkettiger Peptide einschränkt.
4. Bedeutung und technisches System der Peptidmetrologie
Die 1963 etablierte Festphasen-Peptidsynthese (SPPS) revolutionierte die Peptidpräparation und ist heute die bevorzugte Technologie in Laboren und der Industrie. Das Kernprinzip besteht darin, die erste Aminosäure an ein unlösliches Harz zu binden, die Peptidkette schrittweise durch einen Zyklus aus Kupplung, Waschen, Entschützung und Neutralisation zu verlängern und schließlich das Peptid vom Harz abzuspalten und die Seitenkettenschutzgruppe zu entfernen, um das Produkt zu erhalten. Die Festphasensynthese ist einfach durchzuführen, die Überdosierung gewährleistet vollständige Reaktionen und sie lässt sich leicht automatisieren, wodurch die effiziente Synthese von Peptiden mit bis zu 50 Aminosäuren ermöglicht wird. Allerdings weist diese Methode noch deutliche Nachteile auf, wie den hohen Verbrauch toxischer Lösungsmittel wie Dichlormethan (DCM) und Dimethylformamid (DMF), den hohen Reagenzienverbrauch, die hohen Kosten und die erhebliche Umweltbelastung.
5. Anwendungsgebiete der Peptidmetrologie
Mit der Weiterentwicklung der Peptidsynthesetechnologie gewinnen präzise Messung und standardisierte Qualitätskontrolle zunehmend an Bedeutung. Die Peptid-/Proteinmessung hat sich zu einem Schlüsselbereich für die Entwicklung von Industrienormen entwickelt. Biometrische Verfahren zielen darauf ab, die Rückverfolgbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messergebnissen zu gewährleisten und die Genauigkeit und Konsistenz der Bestimmung von Peptidgehalt, Reinheit, Aktivität und Struktur durch die Etablierung von Standardmethoden, Referenzmaterialien und Messwertübertragungssystemen sicherzustellen. Quantitative Technologien wie die Isotopenverdünnungs-Massenspektrometrie und die Massenbilanzmethode werden stetig verbessert. Mehr als zehn Peptidreferenzmaterialien, darunter Insulin, Oxytocin, Angiotensin und natriuretische Peptide, wurden erfolgreich entwickelt, und Kalibrierspezifikationen für entsprechende Messgeräte wurden schrittweise veröffentlicht, um metrologische Unterstützung für klinische Tests, Biomedizin, Lebensmittelsicherheit und weitere Anwendungsbereiche zu bieten.
Die Peptidquantifizierung findet breite Anwendung in der klinischen Diagnostik, der Toxinbestimmung, der Nährwertanalyse von Lebensmitteln, der Impfstoffbewertung und weiteren Bereichen. In der klinischen Praxis liefert die präzise Quantifizierung von Peptid-Biomarkern wie Insulin, C-Peptid und natriuretischen Peptiden verlässliche Hinweise für die Krankheitsdiagnose. Im Lebensmittelbereich gewährleistet die rückführbare Messung von Nährstoffen die Genauigkeit der Zutatenkennzeichnung. Impfstoffe und Toxine werden mithilfe von Standardsubstanzen nachgewiesen, um vergleichbare und zuverlässige Ergebnisse zu erzielen. Die Peptidquantifizierung steht jedoch weiterhin vor zahlreichen Herausforderungen: Einige Peptide unterliegen komplexen posttranslationalen Modifikationen, was die Rückführbarkeit auf das Internationale Einheitensystem (SI) erschwert. Die Auswahl an Standardsubstanzen ist unzureichend, insbesondere für cyclische, langkettige und modifizierte Peptide. Die Standardisierung der Messmethoden ist noch nicht weit genug fortgeschritten, und die Datenkonsistenz über verschiedene Plattformen hinweg muss verbessert werden.
6. Herausforderungen und Perspektiven der Peptidsynthese und Metrologie
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die chemische Peptidsynthese ein komplementäres technisches System aus Flüssig- und Festphasensynthese hervorgebracht hat, wobei die Festphasensynthese aufgrund ihrer Effizienz und Automatisierungsvorteile dominiert. Als zentrales Mittel der Qualitätssicherung hat die Peptidquantifizierung wichtige Fortschritte bei Standardsubstanzen, Rückverfolgbarkeitssystemen und Messmethoden erzielt, jedoch besteht weiterhin Bedarf an verstärkter Grundlagenforschung und technologischer Innovation. Zukünftig wird die Peptidindustrie durch kontinuierliche Durchbrüche in der grünen Synthese, der kontinuierlichen Durchflusssynthese und der hochpräzisen Quantifizierung weiter in Richtung einer hocheffizienten, umweltfreundlichen und standardisierten Qualitätsentwicklung vorangetrieben werden.
Referenz: Zhao, Y., Zhao, HB, Leng, XJ, Zhao, XN, & Wang, BY Fortschritte in den chemischen Synthesetechniken von Peptiden und der aktuelle Stand der Peptidmetrologie [J]. Metrology Science and Technology, 2024, 68(12): 39-44.
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