了不起的聚乙二醇
聚乙二醇化學(xué)修飾是將聚乙二醇高分子鏈化學(xué)偶聯(lián)到蛋白質(zhì)分子上，通過增大藥物分子體積以有效延長其體內(nèi)半衰期，同時(shí)遮蔽其免疫位點(diǎn)以顯著降低免疫原性，是國際上公認(rèn)的最為有效的長效蛋白質(zhì)制劑化技術(shù)之一。
1. 聚乙二醇修飾的起源
怎樣把來自動(dòng)物、植物和微生物的蛋白質(zhì)
做成適合于人體應(yīng)用的藥物？
20世紀(jì)70年代, 美國羅杰斯(Rutgers)大學(xué)的圖書館, 經(jīng)?？梢砸姷缴淌贔rank F. Davis的身影。那時(shí)還沒有計(jì)算機(jī), 他不得不在一排排書架中搜索。幸運(yùn)的是已經(jīng)有了復(fù)印機(jī), 他充分利用這一條件, 復(fù)制了大量的文獻(xiàn)。 當(dāng)時(shí), Davis教授正在準(zhǔn)備申請美國國家科學(xué)基金會(huì)的基金, 但卻需要找到一個(gè)創(chuàng)新的課題。他苦苦思考和調(diào)研的課題是怎樣把來自動(dòng)物、植物和微生物的蛋白質(zhì)做成適合于人體應(yīng)用的藥物。當(dāng)時(shí)并沒有DNA重組技術(shù), 動(dòng)物、植物和微生物成了蛋白質(zhì)藥物的主要來源, 但是直接使用這些蛋白質(zhì)卻產(chǎn)生了人體的免疫反應(yīng)。Davis教授認(rèn)為, 解決這一難題的途徑是將一個(gè)親水的大分子連接到蛋白質(zhì)分子上, 利用親水性大分子的屏蔽作用, 避免或減少外源蛋白質(zhì)產(chǎn)生的免疫反應(yīng)。
什么樣的大分子能夠滿足這一條件？Davis教授通過大量的文獻(xiàn)調(diào)研, 把注意力聚焦在多糖類生物大分子上。一些多糖分子不僅水溶性好, 而且生物親和性好, 不易引起免疫反應(yīng)。但是, 多糖分子大都結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 反應(yīng)位點(diǎn)太多, 很難做到反應(yīng)產(chǎn)物的均一、可控, 而且文獻(xiàn)上已經(jīng)有前人進(jìn)行了這方面的研究, 再去研究并不具備新穎性和創(chuàng)新性, 而且前人研究的結(jié)果也沒有解決根本的問題。
一天, 他正在翻閱一本醫(yī)療期刊, 忽然發(fā)現(xiàn)一篇將聚乙二醇和聚丙二醇嵌段共聚物溶液輸入人體血液的論文, 其目的是在器官手術(shù)中避免脂肪栓塞。這篇論文很有意思, 因?yàn)榫?a href="http://skillgame.cn/" target="_blank" class="autolink">乙二醇和聚丙二醇在人們的印象中是化工產(chǎn)品, 和藥物治療幾乎沒有什么關(guān)系。但現(xiàn)在醫(yī)生把它用于輸液, 并且取得了初步的成功, 說明這種化合物的生物安全性。于是，Davis教授立即把著眼點(diǎn)放在聚乙二醇這一親水性化合物上, 開始進(jìn)行新的調(diào)研。隨著調(diào)研的深入, 他對聚乙二醇分子越來越感興趣。
聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)是一種線型的高分子, 由環(huán)氧乙烷聚合而成。分子式簡寫為
其中n表示乙氧基單元的數(shù)量。PEG不僅溶解于水, 而且還溶解于一部分有機(jī)溶劑, 而當(dāng)加入另一些有機(jī)溶劑時(shí)，又能從原來的溶液中沉淀出來。
和多糖不同, PEG只有末端的羥基可以活化并與蛋白質(zhì)反應(yīng), 可以避免反應(yīng)的復(fù)雜性和產(chǎn)物復(fù)雜性。但PEG也有兩個(gè)羥基, 如果和蛋白質(zhì)反應(yīng), 也可能形成不同交聯(lián)程度的“PEG–蛋白質(zhì)–PEG–蛋白質(zhì)”的偶聯(lián)物, 甚至可以出現(xiàn)沉淀。是否可以找到一種只有一個(gè)末端羥基的聚乙二醇？Davis教授又進(jìn)行了調(diào)研。他翻閱了大量的文獻(xiàn), 沒有結(jié)果; 他又查找化工廠的產(chǎn)品目錄, 終于使他眼睛一亮: 在一個(gè)工廠的產(chǎn)品目錄上有單甲氧基聚乙二醇(mPEG)。mPEG和普通PEG的區(qū)別是, 一個(gè)末端為單甲氧基, 而另一個(gè)末端為羥基, 分子式為
對這個(gè)羥基進(jìn)行活化引入活化基團(tuán)并與蛋白質(zhì)反應(yīng), 就只能在羥基末端形成PEG-蛋白質(zhì)偶聯(lián)物, 而不會(huì)形成交聯(lián)物。教授迅速和該廠家聯(lián)系, 獲得了單甲氧基聚乙二醇。他從圖書館興沖沖地趕回實(shí)驗(yàn)室, 帶領(lǐng)他的學(xué)生開展了實(shí)驗(yàn)研究。
20世紀(jì)70年代, 是Davis教授課題組迅速崛起的時(shí)期。他們獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的資助。實(shí)驗(yàn)取得了非常理想的結(jié)果, 證明經(jīng)過PEG修飾以后, 牛血清白蛋白和牛肝過氧化氫酶在動(dòng)物體內(nèi)的免疫原性大大降低, 而且延長了其在體內(nèi)的半衰期。隨后, 更多的蛋白質(zhì)被他們用于PEG修飾, 全都顯示了免疫原性下降、體內(nèi)半衰期增加的結(jié)果。他們在國際期刊J. Biological Chem.上連續(xù)發(fā)表的學(xué)術(shù)論文, 引起了學(xué)術(shù)界的重視。
1977年, Davis教授申請了美國發(fā)明專利, 內(nèi)容為聚乙二醇或聚丙二醇修飾蛋白質(zhì)和多肽, 所用的聚乙二醇或聚丙二醇的分子量范圍為500~20 000, 修飾產(chǎn)物在注射到動(dòng)物體內(nèi)后沒有免疫原性。
1983年, Davis教授的博士畢業(yè)生Abuchowski找到了投資方, 建立了國際上第一個(gè)把聚乙二醇修飾技術(shù)作為主營的生物技術(shù)公司Enzon公司。經(jīng)過一段坎坷的產(chǎn)業(yè)化道路，Enzon公司已經(jīng)成為國際著名的聚乙二醇修飾技術(shù)公司, 已有十幾個(gè)藥物先后上市或處于臨床階段, 總資產(chǎn)達(dá)到六億美元。
2. 聚乙二醇修飾帶來的益處
對蛋白質(zhì)進(jìn)行化學(xué)修飾的歷史已經(jīng)很長了。從研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)開始, 生物化學(xué)家就采用各種化學(xué)方法對蛋白質(zhì)的氨基酸側(cè)鏈基團(tuán)如巰基、氨基、咪唑基、胍基、吲哚基進(jìn)行修飾, 連接各種化學(xué)基團(tuán)考察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的變化。因此, 當(dāng)Davis教授PEG修飾蛋白質(zhì)的研究內(nèi)容發(fā)表后, 并沒有在生物化學(xué)界引起多大的反響。而且當(dāng)對酶進(jìn)行修飾以后, 測得的催化活性都下降, 甚至很大。從這點(diǎn)出發(fā), 有人對PEG修飾持否定的態(tài)度。盡管修飾可以降低蛋白質(zhì)的免疫原性, 但生物活性的大幅度下降使得研究者常常放棄了進(jìn)一步的探索。然而, 當(dāng)人們將修飾后的蛋白質(zhì)輸入動(dòng)物, 測量其體內(nèi)生物活性時(shí), 卻發(fā)現(xiàn)體內(nèi)的生物活性出乎意外地高, 而且持續(xù)很長時(shí)間。這個(gè)發(fā)現(xiàn)使生物技術(shù)公司振奮了, 因?yàn)樗麄兛梢越柚@項(xiàng)技術(shù)發(fā)展長效的基因工程蛋白質(zhì)藥物。體外活性低, 體內(nèi)活性高, 成為PEG修飾蛋白質(zhì)的普遍現(xiàn)象, 也是很多人之前沒有想到的。
通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 體內(nèi)活性的提升與PEG的分子量相關(guān): 分子量增加通常能夠增加體內(nèi)的藥物半衰期(或半壽期), 由此促進(jìn)了聚乙二醇生產(chǎn)企業(yè)去合成更高分子量的mPEG, 從1萬增加到2萬、3萬甚至4萬。分枝化的PEG也被合成出來, 并表現(xiàn)出比相同分子量的直線型PEG更好的延長體內(nèi)半衰期的作用。到目前為止, 上市的聚乙二醇修飾蛋白質(zhì)藥物都比原藥的半衰期提高幾倍以上, 使用藥由原來的每天1針改為每周1針, 極大地方便了患者, 同時(shí)也提高了藥效。例如聚乙二醇修飾干擾素用于治療丙肝, 其效果就優(yōu)于未修飾的干擾素。因此聚乙二醇修飾從原來的克服免疫原性的初衷, 已經(jīng)發(fā)展為延長藥效、提高治療效果的主要手段。
3. 聚乙二醇修飾是否安全
PEG修飾藥物是否安全？經(jīng)常有人問這樣的問題。雖然這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有30多年的歷史, 藥物上市也已20多年, 但像任何藥物一樣, 從嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)的角度出發(fā)都不能回答說“沒問題”。一種藥物的副作用, 特別是隱匿的、長期使用的副作用, 常常需要經(jīng)過許多年后才知道。目前可以說的是, 現(xiàn)在還沒有關(guān)于PEG修飾藥物出現(xiàn)重大事故的報(bào)道, 但人們, 特別是醫(yī)藥領(lǐng)域的專家們, 都在關(guān)注、研究這些藥物可能出現(xiàn)的副作用。
聚乙二醇(PEG)作為醫(yī)用輔料有更長的歷史。早期美國FDA批準(zhǔn)的人血丙種球蛋白凍干粉制劑中就有PEG作為配方之一。不過這里添加的PEG是雙端為羥基的聚乙二醇, 也就是常規(guī)的PEG。關(guān)于常規(guī)的PEG, 20世紀(jì)40年代就有人做過動(dòng)物安全性試驗(yàn)(Smyth et al., 1947), 并對其代謝進(jìn)行了探討(Schaffer et al., 1950)。試驗(yàn)表明, 分子量較小, 例如只有幾百的PEG, 有一定的腎毒性; 當(dāng)分子量大于1000以后, 毒性不夠明顯，例如分子量1450、3350、6000的PEG對兔子靜脈注射給藥, 總劑量高達(dá)10g/kg, 沒有發(fā)現(xiàn)動(dòng)物有毒性反應(yīng)。關(guān)于代謝的試驗(yàn)表明, 腎排除是低分子量PEG從體內(nèi)被清除的主要方式, 隨著分子量增加, 糞便排除亦是從體內(nèi)清除的一種方式。
由于單甲氧基聚乙二醇(mPEG)和PEG極為相像, 僅僅是末端一個(gè)羥基被替換, 因此人們最初從早年P(guān)EG動(dòng)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)推論mPEG也具有生物安全性。也有文章表明分子量4萬mPEG修飾的干擾素是通過肝臟代謝(Modi et al., 2000)經(jīng)糞便排出體外的。但是近年來已有研究發(fā)現(xiàn), mPEG修飾的蛋白質(zhì)藥物會(huì)引起機(jī)體產(chǎn)生對PEG的抗體, 從而加速了藥物的清除。這種抗體的產(chǎn)生可能與其末端的單甲氧基有關(guān)(Armstrong et al., 2007; Sherman et al., 2012)。到目前為止, PEG抗體的發(fā)現(xiàn)還僅限于所報(bào)道的PEG修飾蛋白質(zhì)藥物如尿酸氧化酶, 在某種程度上影響了藥效, 但是否會(huì)產(chǎn)生對人體的負(fù)面影響則需要進(jìn)一步的研究。
4. 聚乙二醇修飾的前景
關(guān)于其藥物副作用或潛在問題的研究, 標(biāo)志著PEG修飾藥物技術(shù)及其應(yīng)用正在走向穩(wěn)定和成熟。如今, 幾乎所有的生物制藥公司都有人在研究PEG修飾技術(shù): 從PEG修飾延伸到其他修飾, 如白蛋白修飾、脂肪酸修飾、多糖修飾等。
作為生物修飾技術(shù)最典型、最受重視、已取得巨大經(jīng)濟(jì)效益且在某些疾病治療如丙型肝炎上作用突出的代表, 聚乙二醇修飾仍然是我們研制新藥、去除藥物副作用、提升已有藥物療效的重要方法。
《聚乙二醇修飾藥物: 概念、設(shè)計(jì)和應(yīng)用》由來自中國科學(xué)院、吉林大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)等國家著名研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)的多位專家共同撰寫。作者基于20多年從事聚乙二醇修飾蛋白質(zhì)研究、教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和國內(nèi)外相關(guān)研究的最新進(jìn)展，對蛋白質(zhì)的聚乙二醇化學(xué)修飾研究領(lǐng)域相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了較為全面的探討和闡述，并重點(diǎn)對定點(diǎn)修飾進(jìn)行了探討。全書共分為七章，包括：單甲氧基聚乙二醇的合成、單甲氧基聚乙二醇的活化、聚乙二醇修飾蛋白質(zhì)的反應(yīng)控制、聚乙二醇-蛋白質(zhì)偶聯(lián)物的分離純化、聚乙二醇-生物大分子偶聯(lián)物的分析與質(zhì)量鑒定、聚乙二醇化藥物的藥代動(dòng)力學(xué)和PEG修飾長效藥物。

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