药物的聚乙二醇修饰研究进展

2009年第29卷有机化学vol.29,2009第8期,1167~1174Chinese Journal of Organic ChemistryNo8,116~1174综述与进展·药物的聚乙二醇修饰研究进展路娟硏刘清飞b罗国安*王义明(清华大学化学系北京10004)(清华大学医学院北京100084摘要简要介绍了聚乙二醇( polyethylene glycol,PG)的生理化学特性,药物的聚乙二醇修饰的优势,详细介绍了蛋白质药物和小分子药物的聚乙二醇修饰技术及其在药物研究中的应用进展,认为药物的聚乙二醇修饰技术通过改变药物的分子结构,可以有效地改善药物动力学和药效等性质,增加注射药物的临床应用范围同时基于药物的聚乙二醇修饰技术的优势和研究现状,评述了药物的聚乙二醇修饰技术的发展前景关键词聚乙二醇修饰技术;蛋白质;小分子药物Advances in PEGylation of Drug ConjugatesLu, Juan" Liu, Qingfei Luo, Guoan*a Wang, YimingC institute of Biomedicine, Tsinghua University, Beijing 10084Abstract The current review presents the advances in PEGylation of drug conjugates based on plentifulliteratures up to date. The physiochemical properties of PEG [poly(ethylene glycol)] and advantages of Pe-Gylation for drug conjugates are introduced briefly. The technology of PEGylation of protein and small mo-lecular drug conjugates and application to drug investigation are presented in detail It is found that PeGylation technology can effectively improve the pharmacokinetic and pharmacodynamic properties of drugs byaltering the structures of drug conjugates. It also presents a method to extend the area of clinic application ofdrug conjugates. The foresight of development and investigation of PEGylation of drug conjugates is alsobrought forward based on the discussion of advantages and investigation status in quo of PEGylation techKeywords PEGylation; protein; small molecular drug聚乙二醇 polyethylene glycol, PEG)是一种pH中性,白,发现可以有效地改变其免疫性质.随后研究者采用无毒,水溶性较高的亲水聚合物,其重复单元为氧乙烯PEG修饰抗癌药物天门冬酰胺酶,并将其应用于临床基,端基为两个羟基,呈线性或支化链状结构PEG聚除此之外,研究者还成功地将PEG应用于酰苷脱氨合物是迄今为止已知聚合物中蛋白和细胞吸收水平最酶、干扰素等蛋白质药物°明、喜树碱、紫杉醇低的聚合物,由于PEG无毒及良好的生物相容性,阿糖胞苷1、灯盏乙素等小分子药物的修饰.由于PEG已被FDA批准可作为体内注射药用聚合物.药物PEG修饰后的药物分子量增加,超出肾脏过滤的分子量的PEG修饰是将活化的PEG通过化学方法偶联到药物范围她地长物的半衰期,增强药物的上的过程,即PEG化( PEGylation,PEG最早用于药物修稳定忄中国煤化工般均增加,药物通饰,是1977年 Abuchowsk等用PEG来修饰牛血清蛋过改CNMHG力学和药效等性质,.E-mail:luoga@mail.tsinghua.edu.cnReceived September 20, 2008; revised November 20, 2008; accepted January 8, 2009116有机化学VoL.29,2009提高了作用部位的血药浓度1与SOD相连从而在SOD外围形成了一个保护膜,使稳PEG修饰后的药物与修饰前相比,具有突出的优定酶分子构象的次级链得到了保护,从而增强了对热势卟s:()药物的溶解性提高;(2)半衰期延长;(3)最大酸、碱和酶破坏的耐受性,使其稳定性明显提高.血药浓度降低,血药浓度波动较小;(4)酶降解作用减少,姚文兵等回用三光气和羟基琥珀酰亚胺对免疫原性和抗原性减少;(5)毒性降低.本文以蛋白质以mPEG5000进行活化,再对人干扰素a2b进行了修饰研及喜树碱、紫杉醇、阿糖胞苷和灯盏乙素四种小分子药究,反应方程式如Fq1所示物为例,对PEG修饰药物的近三十年的研究进展进行综述R-NPEG (1)PEG1PEG对蛋白质药物的修饰结果表明,修饰后其热稳定性和耐酸碱稳定性有极在临床上,蛋白质类药物作用位点专一、疗效明确,大提高,体内半衰期明显延长他们2还以不同浓度但是在胃肠道内极易被蛋白酶水解,血浆中半衰期较的PEG修饰后的人千扰素a2b和人干扰素a-2b对人肝短,抗原性较强,采用PEG修饰技术可以改变蛋白质的癌细胞(SMMC-7721)、人红白血病细胞(K562)、人宫颈生物化学特性,增加蛋白水溶性和稳定性,已有大量文癌细胞(HeLa)、人鼻咽癌细胞(KB)和人胃癌细胞(BGC)献报道8PEG化蛋白在保留天然蛋白质的内在生物学的生长均有不同程度的抑制作用进行比较,发现PEG活性的同时,能有效克服蛋白质类药物在临床应用中的修饰后的人干扰素的抗肿瘤细胞增殖作用优于干扰素些缺点,如可以提高血浆半衰期,增强生物利用度,12巯基的修饰降低蛋白质的免疫原性,提高药物疗效及安全性等巯基在蛋白质组成中通常含量不高,但是位置确为了使PEG在较温和的反应条件下与蛋白质偶联,定,因而可针对那些对活性影响不大、呈游离状态的巯需将PEG活化,活化后的PEG再与蛋白质分子上的氨基进行定量、定点修饰.目前可用于巯基修饰的活化基、巯基或羧基进行偶联,以下按照蛋白质分子上与PEG有以下几种:(1)PEG邻-吡啶-二硫醚(PEG-orhoPEG偶联基团的不同进行分类介绍pyridyl-disulphide);(2)PEG马来酰亚胺( PEG-maleim1.1氨基的修饰ide;(3)PEG-乙烯基砜( PEG-vinylsulfone);(4)PEG碘乙蛋白质分子表面的氨基有较高的亲核反应活性,因酰胺( PEG-iodoacetamide)而是蛋白质化学修饰中最常被修饰的基团.用于氨基修Goodson等通过重组技术把Cys残基引入白介素饰的PEG的种类较多,其中氰脲酰氯法为最经典的(rL2)的非活性单糖基化位点,采用马来酰亚胺活化的PEG活化方法,烷基化( alkylating)pEGs和酰基化PEG(PEG- maleimide)对其进行修饰反应方程式如Fq( acylation)PFGs也是两种常用的PEG活化方法2所示季波等2采用氰脲酰氯法先对聚乙二醇单甲醚6000(mPEG6000进行活化(如 Scheme 1所小,再以活化后的PEG对牛血Cu,Zn-SOD冻干粉进行化学修饰,N-PEGR-SHN-PEG制得 PEG-SOD与天然的SOD相比, PEG-SOD衍生物在耐热酸碱以及抗酶解方面都有显著提高,而抗胰蛋白酶的能结果表明, PEG-Cys-rIL-2与rL2具有几乎相同的力强于抗胃蛋白酶.主要原因是PEG作为一种修饰剂生物活性,而前者在体循环中的滞留时间是后者的4倍O-mPEGo—mPEGO-mPEGO-mPEG中国煤化工o--mPEGeYHCNMHGScheme 1路娟等:药物的聚乙二醇修饰研究进展11693羧基的修饰可以把它的许多优良性质也随之转移到结合物中,使该羧基也是蛋白质分子侧链上常见的化学反应基团,聚合物具有优异的生物相容性,在体内能溶于组织液般在二环己基碳二亚胺DCC)或1-乙基-3-二甲氨基中,能被机体迅速排出体外而不产生任何毒副作用,因丙基-碳二亚胺盐酸盐EDC存在下,羧基可与氨基此它在医学上的应用受到了广泛的重视,目前以抗肿瘤PEG结合,如Eq3所示药物为多.近年来,采用PEG修饰技术的小分子药物主要有:紫杉醇,喜树碱,阿糖胞苷,灯盏乙素等.PEG修dr"wa o ow EDc pecor p R饰小分子药物,仍然主要与药物的OH,NH2,COOH等基团反应,小分子药物与PEG的连接,既可以是永久性连接,也可以做成前体药物,目前前体药物的形式较为自1990年始PEG修饰的蛋白类药物,如腺苷脱氨多见酶、天冬酰胺酶、粒细胞集落刺激因子、以及两种亚型2.1永久性连接a干扰素(HN-a)已获美国食品和药物管理局(FDA批准993年,人们开始致力于药物载体方面的研究,利上市.2005年,FDA批准了治疗老年黄斑变性的新PEG用低分子量的PEG与药物成永久性连接的方式来改善制剂 Macugen(其主要成分为能抑制血管内皮生长因子抗癌药物的水溶性.其中最典型的例子为 Greenwald的蛋白质类药物 Pegaptanib);2006年,批准了PEG化蛋等用低分子量(5000的PEG修饰紫杉醇的7OH,化白质类新药 Neulastin(PEG化菲格司汀,用于治疗癌症学反应 Scheme2如所示病人经化疗后白细胞数量减少症)和 Oncaspar(即PEG化聚乙二醇单甲(mPEG)与紫杉醇7-OH以碳酸盐和天冬氨酸酶,可用于治疗急性淋巴母细胞白血病2007氮基甲酸盐的键和方式永久性连接,得到产物的溶解度年,新批准一种PEG化新制剂Mcom(PEG化促红素)比紫杉醇增大3000倍,但抑瘤活性却几乎完全丧失上市,目前尚有多种PEG化的蛋白质药物处于临床研究阶段22前体药物2.21PEG对喜树碱的修饰2PEG对小分子药物的修饰喜树碱( Camptothecin,cP)是1966年从珙桐科植物喜树( Camptotheca acuminata)中提取的一种细胞毒性很多有机小分子药物也逐渐采用PEG修饰技术,生物碱,其化学结构式如图1所示并取得了一定的进展,聚乙二醇对小分子药物的修饰,(CH3 COhOOCONHRNaHCO3Dibutyltin dilauratec5°bAcc。 HsCOHN中国煤化工∞CNMHGHs1170有机化学vol.29.2009表1不同连接基团对PEG喜树碱药动学参数影响Table 1 The influence of different spacer on pharmacokineticparameters of PEG-CPTCompound tu/min funN'min Mean residence time/hPEG-CPT图1喜树碱的化学结构式PEG-Gly-CPT75Figure 1 Chemical structure of CamptothecinPEG-Ala-CPT 8159CPT具有明显的抗肿瘤活性,尤其对消化道肿瘤、白血病、膀胱癌等活性更强,但是由于其水溶性差而限大限制了其临床应用及发展,近年来为了改善其水溶性制了其临床应用,所以成为了用于聚乙二醇修饰的首选和药理作用人们做了大量的尝试,发现PEG对紫杉醇药物 Greenwald等报道了PEG对喜树碱的修饰路的修饰是最有前景的一种方法线,如 Scheme2所示,PEG40000对喜树碱20OH进行修饰后在水中的溶解度约为2mg/mL,是原药喜树碱溶解度(00025mg/mL)的800倍.喜树碱结构中的内酯和20位的叔醇都是抑制拓扑酶的基本活性部位,PEG对20-羟基的修饰不仅增加了药物的水溶性,还提高了内酯的稳定性,同时赋予了药物抗肿瘤的靶向性,动物实图2紫杉醇的结构式验发现前药在肿瘤部位的药物浓度是喜树碱的30倍,Figure 2 Chemical structure of paclitaxel大大提高了其疗效,现该药物已进入临床阶段以不同种类和系列的氨基酸作为连接基( ( spacer),Greenwald等.用高分子(40000的 mPEG-COOH发现不同的连接基会不同程度地影响喜树碱的活性,表与紫杉醇的2OH反应,如 Scheme3所示,产物水解后1为不同连接基团对PEG-喜树碱前药药动学参数的影释放出紫杉醇,在体外和体内实验中,抑瘤活性和紫杉响,从表中可以看出,采用Gy,Ala作为连接基时药动醇相同或更好.学参数要明显优于 PEG-CPTGreenwald等以不同种类和系列的氨基酸作为连222PEG对紫杉醇的修饰接基,如 Scheme4所示,发现不同的连接基会不同程度地影响紫杉醇的活性.Feng等也合成了一系列PEG紫杉醇( paclitaxel,商品名Taxo)是由太平洋杉树中化的紫杉醇,如 Scheme5所示,同样证明了不同的连接分离出的一种天然产物,化学结构式如图2所示,对卵巢癌、乳腺癌、非小细胞肺癌以及与艾滋病有关的癌症基对紫杉醇的活性的影响2PEG紫杉醇的溶解度为125g,是原药紫杉醇有很好的疗效.然而由于紫杉醇本身几乎不溶于水,大(1)DIPC, Boc-N-XOHCamptothecin(2)TFAX-NHRPEG-Diacid DMAPPEG-DiacidCH30-Spacert.中国煤化工CNMHGScheme 3路娟等:药物的聚乙二醇修饰研究进展)Amino acid i-Bu esterIPC DMAP(2)Trifluoroacetic acidPEGPEGcheme 4Succinic anhydridePEG(OH)→/PEGo及 NHS, DCCOHPEG-OAmino acidPaclitaxolPEGOCOCH2 CH/ CO-AA) DCC DMAP PEG(OCOCH2CHzCO-AA-2-TaxolkScheme 5(025μg/mL)的50000倍.P3880白血病动物模型证明2-PEG紫杉醇的疗效要优于未修饰的紫杉醇如表2所HO\表2P3880白血病动物模型中紫杉醇和PEG紫杉醇前药体内活性比较Table 2 In vivo activity of paclitaxel and PEg paclitaxel prodrugs against P388 leukemia图3阿糖胞苷的结构式Total dose/ Mean time toFigure 3 Chemical structure of Ara-CCompoundLS/%(mgkg) death/d555187±13的批准PEG5000-Paclitaxel14.1±23对于阿糖胞苷的PEG修饰,可以进行定点修饰.通PEG40000-Paclitaxel190士1过改变PEG的分子量和结合点,可以有效地调节聚合PEG40000-gly-Paclitaxel 75218±1.074物药物在血浆中的半衰期以取得适合的药物活性3Choe等山采用五种成键方式实现了PEG对阿糖胞苷的由上表可以看出,当按照相同剂量给药时,紫杉醇定位修饰, Scheme6为其中三种典型的成键方式.通过治疗组的平均存活时间是187d,生命延长指数(ILS)PEG修饰使得阿糖胞苷在小鼠血液中水解的半衰期由50%,而前药(PEG4000gy-紫杉醇)治疗组的平均存活约1h延长到3d,抗肿瘤活性要明显优于未经修饰的阿时间是21.8d,LLS74%,紫杉醇前药表现出的增加疗效糖胞苷,PEG化在改善阿糖胞苷的药效方面发挥了重要作用仅仅来自于大分子量的聚乙二醇的作用2.2.3PEG对阿糖胞苷的修饰22.4PEG对灯盏乙素的修饰阿糖胞苷(AaC)是一种治疗人类急性和慢性白血灯盏乙素( Scutellarin)又称野黄芩苷,是菊科植物灯病的药物,其化学结构式如图3所示盏细如坦收物,其化学结构式由于其在血浆中的半衰期很短,在临床上只能通过如图中国煤化工增加血脑流量、降持续给药以获得最佳的疗效为了延长其半衰期,人低脑CNMHG等作用,临床主要用们做了大量的研究工作,如在3和5位上形成羧酸酯于治疗冠心病、心纹痛、心肌缺血损伤及脑血栓形成等和磷酸酯等,取得了一定的效果,但均未获得药物生产灯盏乙素从20世纪70年代初期就已开始研究,但1172有机化学ol.29,2009(1)a烷氧基酰胺PEGT-PEG图4灯盏乙素的结构式igure 4 Structure of scutellarin2)卟或β氨基酰胺由于水溶性低,口服生物利用度差,且半衰期短,临应用需大剂量多次给药才能达到治疗目的,不能维持有Boc. AA-OHEDC DMAP. DCM效的血药浓度而发挥持久的治疗功效而限制了其临床应用近年,采用PEG化来克服灯盏乙素以上缺点成为Ara-Cpyridine BocAAN,Aac TFA, DCM了研究的热点,以下对迄今为止所做的研究工作按照对灯盏乙素不同基团的修饰进行简单的分类介绍PEG acid, EDC DMAP(1)羧基的修饰周庆颂等338用不同分子量的PEG20,400Arac1000对灯盏乙素羧基进行了修饰(如Eq4所示AHAA=9a,aa,L. dimethyl时(3)芳香基酰胺DMAP. DCCOH T-PEGPEG→0、0灯盏乙素经PEG化后,产物的水溶性大幅提高,并获得了适于口服吸收的理想的油/水分配系数.通过稳PEGTHm定性试验表明,该类衍生物表现出前药的特性,在pH74的PBS缓冲液中半衰期长达12h以上,在血浆中快NH-AraC速降解释放出灯盏乙素,n1n约为1.5~3h将灯盏乙素(Scu)和灯盏乙素的PEG400酯(PEG400-Scu)分别经大鼠尾静脉注射后进行药代动力学方面的研究,结果见表3.衰3Scu和PEG400Scu经大鼠静脉注射后药代动力学参数比较Table 3 Comparison of pharmacokinetic parameters for Scu and PEG400-Scu in rats after inTotal dose of Scw/(mg.ParameterTotal dose of PEG400-Scw/(mg*kg)0050.10中国煤化工1.29AUC(O-1,(mgL-")106321.534247CNMHGAUC(0∞)(mgLh')109l21.6942.54SUI525No 8路娟等:药物的聚乙二醇修饰研究进展1173将灯盏乙素(Scu)和灯盏乙素的PEG400酯3PEG修饰药物发展前景展望PEG400Scu)分别经灌胃给药后进行药代动力学方面的研究,结果见表4PEG对药物地修饰有效地解决了药物制剂中提高表4Scu和PEG400cu经大鼠灌胃给药后药代动力学参数药物的水溶性,降低毒副作用,延长药物在血液中的半比较衰期,提高靶向性和增加疗效等难题.近年来,随着Tnbe4 Comparison of pharmacokinetic parameters for Scu PEG化学的迅猛发展,一些重要蛋白药物的PEG修饰and PEG400-Scu in rats after oral administration已进入产品开发阶段,并且在有机小分子抗肿瘤前体药PEG400-Scu物和抗肿瘤药物脂质体的研究领域也取得突破性进展,Total dose/(mg*kg)但是在现阶段仍存在许多问题亟待进一步解决Ninth(1)对PEG修饰后药物在体内的作用机制尚缺乏深Tinah入系统的研究,只有明确了PEG修饰后药物在体内的Ting/h1588作用机制才能有针对性的设计药物,而且可以从分子层AUC(O-h(mgL.h")796面上去阐释药物的作用机理及安全性AUC(0~∞)(mg"Lh-)10.24(2)PEG修饰后药物的质量标准体系的建立,由于PEG修饰中目标产物的纯化较困难,产品中可能存在聚由表3和表4可以证明PEG化能够延长灯盏乙素乙二醇单甲醚(mPEG,交叉连接或聚合的PEG二醇在大鼠体内的半衰期,提高口服生物利用度等难以分离的物质,对于此类物质的检测还没有标(2)4OH的修饰准的分析方法,这也在一定程度上限制了PEG修饰技叶海等吗以PEG单甲醚2000为原料,与丁二酸酐术的深入研究和应用反应后再与N羟基琥珀酰亚胺缩合得到活泼酯,最后(3)小分子药物PEG修饰的研究平台目前集中于抗与灯盏乙素4·OH反应得到灯盏乙素PEGK单甲醚前肿瘤药物的修饰,除此之外,PEG修饰技术还应拓展至药( DZmPEG2K),如 Scheme7所示其它药物修饰领域,如抗心脑血管疾病药物、抗疟疾类该前药室温25℃时在蒸馏水中的溶解度约为800药物等mg/mL,与灯盏乙素(534μg/mL)相比得到大大改善,随着PEG化学的高速发展,以上问题若得以妥善有望延长灯盏乙素的半衰期和生物利用度解决,PEG修饰药物的开发和临床应用必将得到长足发由于灯盏乙素的作用机制还不明确,所以还不能确展,药物的PEG修饰技术在增强各种药物(蛋白质、肽定其结构中的活性位点,对灯盏乙素的PEG化还有待类、抗肿瘤药、抗真菌药、抗生素和免疫抑制剂等)的进一步系统的研究疗效和扩大药物临床应用范围方面具有非常诱人的发展前景N-OHmPEGo-C-CH2 CH2 COOHmPEGO-C-CH2 CH2-CDCCmPEGO-C-CH2CH2C-R R=DMADZmPEG2Kheme 7Referenceshowski. 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