神奇的聚乙二醇
提到聚乙二醇，相信許多朋友都會覺得陌生。不過如果告訴大家，在我們身邊并不難找到聚乙二醇的身影，例如在化妝品、 牙膏和藥物中都少不了它，恐怕許多朋友不免要問，為什么聚乙二醇會出現(xiàn)在這些產(chǎn)品中？它有什么作用？對人體有毒嗎？那么在今天，我就為大家簡要介紹一下這 種有著廣泛應用的化合物。
聚乙二醇(polyethylene glycol，簡稱PEG)名字里有一個“聚”字，這表明它是一種高分子化合物。從圖1我們可以看到，聚乙二醇可以看作由若干個CH2CH2O不斷重復而 得來。可是它與乙二醇有什么聯(lián)系呢？ 大家都知道，“醇”指的是帶有羥基(-OH)的有機化合物，我們最熟悉的醇類化合物恐怕就是乙醇了，它含有兩個碳原子，其中一個碳原子和羥基相連。如果我 們把另外一個碳原子也接上羥基，那么乙醇就變成了乙二醇。乙二醇雖然沒有它的“近親”乙醇出名，我們的日常生活中也少不了它的身影，例如汽車中使用的冷卻液就是在水與乙二醇按照一定比例混合而成。
圖1 聚乙二醇（左）和乙二醇（右）的化學結構
現(xiàn)在讓我們來想象一下，如果兩個乙二醇分子互相發(fā)生反應失去一分子的水會是怎樣呢？從圖2我們可以看到，原來的兩個分子就連接到一起變成一個分子。乙二醇分子上有兩個碳原子，而新形成的分子上 卻有四個碳原子，顯然分子變長了。如果再有第三個乙二醇分子過來，它還可以和這個新分子反應失去一分子水，其結果是新分子變得更長。不過這還不算完，這個 分子還可以和第四個、第五個乃至更多的乙二醇分子反應從而長度不斷增加，最終形成分子量少則幾百，多至上萬的高分子化合物。這也就是聚乙二醇這種高分子化 合物名字的由來。不過實際上聚乙二醇的合成主要是通過另一種小分子——環(huán)氧乙烷來實現(xiàn)的（圖3），所以聚乙二醇也時常被稱為聚環(huán)氧乙烷 (polyethylene oxide，簡稱PEO)。分子量比較低（例如幾百）的聚乙二醇通常是粘稠的液體，但分子量稍高的話它就變成了白色的固體。
圖2 乙二醇發(fā)生分子間失水反應形成聚乙二醇的過程
圖3 通過環(huán)氧乙烷合成聚乙二醇
我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷母叻肿踊衔锿ǔ６际遣蝗苡谒?，但是?a href="http://skillgame.cn/" target="_blank" class="autolink">乙二醇卻在水中有很高的溶解度，這是因為它分子中的氧原子會和水分子發(fā)生比較強的相互作用，我們稱之為氫鍵。當我們把聚乙二醇放到水中時，每個聚乙二醇分子都會和很多個水分子親密地打成一團，所以即便是分子量高達數(shù)萬的聚乙二醇分子，在水中也會很快溶解。聚乙二醇不僅極易溶于水，和許多有機化合物之間的溶解性也非常好。正是由于這個獨特的性質，聚乙二醇被廣泛應用于各種日用化學品，例如化妝品、洗浴用 品和牙膏中（圖4）。它的一個主要作用是作為溶劑或者表面活性劑，幫助化學性質互不相同的各個組分均勻混合在一起。同時，聚乙二醇與水之間具有強烈的相互 作用，所以這些產(chǎn)品中加入的聚乙二醇有助于保持濕潤。另外，有些日化用品要求具有一定的粘度，這時候聚乙二醇又派上用場了。由于低分子量的聚乙二醇是粘稠 的液體，它們能夠顯著地增加這些日化用品的粘度。
圖4 某種洗面奶（左）和牙膏（右）中的聚乙二醇成分（紅線標出）
化妝品、牙膏等日化用品雖然不是食物，但與我們身體的各個部分也有著頻繁的接觸，這就要求它們必須具有良好的生物安全性，而作為其中一個組成部分的聚乙二醇自然也不例外。無論是乙二醇還 是環(huán)氧乙烷都有著不小的毒性，環(huán)氧乙烷更是被用來殺滅微生物。那么由它們反應得到的聚乙二醇也應該有不小的毒性吧？恰恰相反，大量的研究證明，聚乙二醇的 毒性非常低。例如經(jīng)口服進入體內(nèi)的聚乙二醇僅僅非常小一部分會被腸道吸收或者被降解為小分子化合物，特別是分子量較高的聚乙二醇，大部分都會在較短時間內(nèi) 經(jīng)由尿液和糞便排除體外。動物實驗表明聚乙二醇的半致死量一般都在1－10g/kg的范圍，這說明聚乙二醇的急性毒性幾乎可以忽略不計。即便是長期攝入聚乙二醇，除非是非常大的量，否則也不會造成明顯的傷害，也沒有發(fā)現(xiàn)其它的慢性毒副作用，例如致癌性和影響生殖能力。由于聚乙二醇經(jīng)常作為添加劑使用在化妝 品和洗浴用品中，它對皮膚和眼睛的影響也比較受關注。研究表明，聚乙二醇很難透過正常完好的皮膚進入人體，動物實驗中也沒有發(fā)現(xiàn)由于皮膚滲透而導致的急性 中毒，所以只要皮膚沒有嚴重破損，基本上不用擔心由于皮膚接觸聚乙二醇而導致的中毒。同時聚乙二醇對皮膚和眼睛的刺激也非常輕微。[1]可以說聚乙二醇是 對人體非常安全的一種化合物，這也是它被廣泛應用于化妝品等領域的一個重要原因。
聚乙二醇雖然在日化用品中很常見，大部分時候只是默默地當“綠葉”——它們通常并不是化妝品或者洗浴用品中的活性成分。不過千萬不要以為聚乙二醇只能充當配角，在很多領域，它們也可以獨當一面起到不可替代的作用。一個重要的例子是在制藥行業(yè)中，聚乙二醇會通過一些化學反應與某些特定的藥物特別是蛋白質和多肽類藥物相連，這個過程被稱作聚乙二醇化(PEGylation). 那么為什么要把與治病不相干的聚乙二醇連接到藥物上去呢？蛋白質和多肽類藥物對于治療許多疾病都起著非常重要的作用，但是這類藥物的一大問題是注射進體內(nèi) 后很快通過腎臟排出體內(nèi)或者被體內(nèi)的酶分解，因此藥物在體內(nèi)停留的時間過短，難以有效地發(fā)揮作用。而聚乙二醇化技術可以很好地解決這個問題。首先，蛋白質 或多肽表面連接上聚乙二醇之后體積會顯著增大，這樣就變得不太容易經(jīng)由腎臟過濾被排出體內(nèi)，從而增加了藥物在體內(nèi)發(fā)揮作用的時間。其次，聚乙二醇化相當于 在蛋白質或者多肽表面覆蓋了一層保護層，體內(nèi)的酶因此不太容易接近這些藥物，這樣就延緩了蛋白質或者多肽在酶作用下的分解，這也有助于增加這類藥物在體內(nèi) 發(fā)揮作用的時間。同時，由于聚乙二醇保護層的存在，人體免疫系統(tǒng)也不容易接近蛋白質或者多肽類藥物，這也大大降低了這些藥物的毒副作用。另外，聚乙二醇在 水中有著良好的溶解性，一些不易溶于水的蛋白質藥物經(jīng)聚乙二醇修飾后水溶性大大增加，這也有助于藥物更好地在體內(nèi)發(fā)揮作用。[2,3]
研究表明，蛋白質或者多肽類藥物經(jīng)過聚乙二醇修飾后雖然活性有所下降，但是由于藥物在體內(nèi)的時間大大延長，總體上藥效仍然是大大提高了。一個典型的例子是 用于治療丙型肝炎的干擾素。它在血漿中的半衰期只有4－6小時，也就是說被注射進人體之后很快就會被排出體外或者被分解。病人即便一周注射三次，體內(nèi)干擾 素的濃度仍然有較大起伏，這造成的一個問題是在藥物濃度低的時間段，肝炎病毒仍然可以感染人體細胞，因此用干擾素治療丙型肝炎的效果并不理想。當干擾素分 子被聚乙二醇分子修飾后，雖然藥物活性下降到原來的7％，但是由于藥物半衰期大大延長，從幾個小時增加到幾十個小時，總體的效果仍然優(yōu)于未經(jīng)聚乙二醇修飾 的干擾素。使用經(jīng)聚乙二醇修飾的干擾素，病人每周只需注射一次，體內(nèi)的藥物濃度就可以保持穩(wěn)定（圖5）。臨床試驗的結果也表明聚乙二醇化后的干擾素治療丙 型肝炎的效果有顯著提高。[2]
圖5 干擾素與經(jīng)聚乙二醇修飾的干擾素注射后在血漿中的濃度隨時間的變化。左：未經(jīng)修飾的干擾素，每周注射三次。右：經(jīng)聚乙二醇修飾的干擾素，每周注射一次。引自參考文獻[3].
正是由于聚乙二醇化帶來的這些優(yōu)點，自從上個世紀70年代被偶然發(fā)現(xiàn)以來，這項技術已經(jīng)成為制藥行業(yè)不可或缺的一個好幫手。1990年，第一種應用聚乙二醇 化技術的藥物Adagen被批準上市用來治療重癥聯(lián)合型免疫缺陷(severe combined immunodeficiency, SCID)。在此之后，又有多種應用聚乙二醇化技術的藥物進入市場為人們的健康保駕護航（圖6），而聚乙二醇化這項已經(jīng)有了差不多40年歷史的技術仍然是 生物醫(yī)藥研究領域的一個熱點，例如許多科研人員在試圖把這項技術的應用范圍從蛋白質類藥物擴展到小分子藥物。
圖6 部分被批準上市的應用聚乙二醇化技術的藥物（數(shù)據(jù)截止2007年）。引自參考文獻[3].
關于聚乙二醇這種神奇的高分子化合物，我就為大家簡單介紹到這里吧。下次大家在使用化妝品或者牙膏的時候，不妨留意一下成分表，看看能不能找到這種雖然不起眼卻又有著廣泛用途的神奇分子。

咨詢熱線：17320188259