聚乙二醇在蛋白质类药物中的应用

聚乙二醇在蛋白质类药物中的应用

蛋白质药物主要包括细胞因子、酶、抗体、激素和其他特定功能的蛋白质。随着分子生物学、基因工程、发酵工程等现代生物技术的快速发展,人们已经能够大量获取所需的蛋白质。但经过大量的临床应用发现,由于天然或重组的未经任何修饰的蛋白质类药物具有半衰期短、有一定的免疫原性、溶解度低、毒副作用大等缺点,从而减弱了其临床效果。为此,人们尝试了许多种方法来改善蛋白质类药物的临床治疗效果,如缓释剂型的制备和脂质体包裹等。1977年Abuchowski等首先证明:作为治疗药物,聚乙二醇(PEG)修饰的蛋白质比未修饰的蛋白质更有效。由于PEG具有与蛋白质相容的特性,用其对蛋白质类药物进行化学修饰已经成为医学和生物工程领域的热门课题,得到了广泛的研究和应用,PEG修饰的蛋白质类药物已经逐渐成为新一代高效、低毒的治疗药物。目前,国内外对PEG修饰蛋白质类药物的研究主要集中于腺苷脱氨酶、天冬酰胺酶、干扰素、粒细胞集落刺激因子、白细胞介素、肿瘤坏死因子、超氧化物歧化酶、水蛭素、尿激酶、血红蛋白、单克隆抗体等,其中腺苷脱氨酶、天冬酰胺酶、粒细胞集落刺激因子、以及两种亚型α干扰素(IFN-α)的PEG修饰物已获美国食品和药物管理局(FDA)批准上市。本文简要介绍几种获准的PEG修饰的蛋白质类药物。1辅助治疗ada形成的pegademase一些儿童由于先天遗传的原因而缺乏ADA,这种酶的缺乏可导致严重联合免疫缺陷症。治疗的方法有骨髓移植和摄入ADA。PEG修饰的ADA(Pegademase)于1990年获美国FDA批准用于联合免疫缺陷症,同时又可为无法进行骨髓移植的患者用作替代疗法,也常作为对ADA缺乏症患者进行体细胞基因治疗时的一种重要的辅助治疗手段。Pegademase是最早也是最为成熟的PEG修饰药物,它是将牛ADA共价连接了多条平均分子量为5kDa的直链mPEG,半衰期显著延长(由原来的几分钟延长到大约24小时),免疫原性减弱。Hershfield首先用Pegademase治疗ADA缺乏症患者,Pegademase几乎能完全纠正患者体内的代谢异常状况,使患者的免疫功能得到不同程度的恢复,而且患者的耐受性好,没有过敏反应。在十多年的应用中,没有与PEG有关的副反应发生。2天冬酰胺酶的修饰天冬酰胺酶是酰胺基水解酶,分子量约为136kDa,它能够分解血中的天冬酰胺变成天冬氨酸和氨,从而抑制白血病细胞的生长,治疗急性淋巴细胞白血病。但其半衰期较短、免疫原性强,而且引起变态反应的几率较大,可达33%,因此其应用受到限制。为了克服这些缺点,人们开始尝试对酶分子进行化学修饰,并取得重大进展。1994年,PEG修饰的天冬酰胺酶(Pegaspargase)获FDA批准用于治疗急性淋巴细胞性白血病。Pegaspargase也是共价连接5kDa的线性mPEG而形成,其中的PEG由琥珀酸活化,修饰位点为赖氨酸的ε-氨基。修饰后ASP的半衰期由原来的20小时提高到357小时(62.6~600小时),同时也减少了诱发变态反应的几率。在动物肿瘤模型的实验中证明,Pegaspargase的抗肿瘤活性较ASP有所增强,1UPegaspargase的活性相当于5UASP的活性。大多数使用ASP有变态反应的患者在应用Pegaspargase时未见变态反应发生。Pegaspargase的建议使用剂量为2500IU/m2肌肉或静脉注射(每两周一次),而ASP的使用剂量为10000IU/m2(每周三次)。既减轻了病人的痛苦,又节省了治疗费用。3peg分子的修饰IFN-α-2a是一类能够诱导一系列细胞内蛋白表达,继而发挥抗病毒、抗细胞增殖和免疫调节作用的细胞因子。IFN-α-2a于1986年获FDA批准上市,主要用于治疗乙型肝炎、丙型肝炎、毛细胞白血病等疾病。通过临床应用发现,IFN-α-2a治疗慢性丙型肝炎(CHC)的疗效仅50%左右;另一个限制应用的因素是其免疫原性,文献报道,30%~50%的病人在接受治疗的最初6个月内产生中和抗体,各种生物学分析表明这些抗体对治疗效果有影响。因此急需对其进行改进,进一步提高疗效,降低毒副作用。Bailon等用平均分子量为40kDa的支链PEG分子来修饰IFN-α-2a,得到的修饰物主要含有四种位置同分异构体:Lys31、Lys121、Lys131、Lys134,体外抗病毒活性仅为原来的7%,但体内抗肿瘤活性增强数倍。目前,这种PEG修饰的IFN-α-2a已获美国FDA批准正式生产,如Roche公司的PEGASYSTM。药物代谢动力学研究表明,PEGASYS用药后3~8小时可以达到最高血药浓度,并且可以维持80小时以上,与常规IFN相比,其在血清中的清除速度减慢,每周只需用药一次,在整个治疗期间都能维持有效血药浓度。Zeuzem等用PEG-IFN-α-2a和IFN-α-2a对531名CHC患者进行了临床试验及疗效的比较,结果表明:每周一次皮下注射180μgPEG-IFN-α-2a比每周三次(每次600万IU)皮下注射IFN-α-2a更有效。Heathcote等对271名患有CHC相关的肝硬化或桥形纤维化的患者进行的试验表明:每周一次皮下注射180μgPEG-IFN-α-2a的疗效明显优于每周三次(每次300万IU)皮下注射IFN-α-2a的疗效。4peg-intonSchering-Plough公司也应用PEG对IFN-α-2b进行了修饰(Peg-Intron,即Peginterferon-α-2b),并已获美国FDA批准用于18岁以上,且以往未接受过IFN-α治疗的CHC患者,接受每周一次的单剂注射治疗。另外,Peg-Intron在欧盟也获得批准用于治疗CHC。Peg-Intron中的PEG为12kDa的线性PEG,经琥珀酸碳酸酯活化,其修饰方法为非选择性修饰。Peg-Intron的平均分子量为31kDa,其特异性抗病毒活性为原来的28%。与IntronA相比,Peg-Intron(1.0μg/kg)的平均表观清除率下降了7倍,半衰期增加了5倍,从而降低了给药次数,由IFN-α-2b的每周三次降为每周一次。Schering-Plough公司公布了Peg-Intron治疗CHC的Ⅲ期临床研究结果,研究对象为1219例未经治疗的CHC患者。在该项研究中,无论Peg-Intron的剂量如何(0.5μg/kg、1.0μg/kg、1.5μg/kg),在治疗结束时和治疗后的随访阶段,其疗效都优于常规IFN-α-2b治疗组。不仅如此,Peg-Intron对难治性丙型肝炎也能显著提高持续有效率,且不增加副反应。5peg修饰主要作用于中性红细胞g-csf受体诱导的清除G-CSF的分子量为19kDa左右,主要作用于中性粒细胞系造血细胞的增殖、分化和活化;另外它还有刺激成熟中性粒细胞从骨髓中释放出并激活中性粒细胞的功能。G-CSF(Filgrastim)于1991年被美国FDA批准投放市场,用于治疗因化疗或先天原因导致的血液中性粒细胞减少症,具有很好的应用前景。但由于其半衰期短,需要每天静脉或皮下注射,长达两周,降低了病人的耐受性,也增加了对医务工作者的需求。于是人们尝试用PEG修饰G-CSF,制备长效制剂。美国Amgen公司研制的PEG修饰的长效G-CSF——Pegfilgrastim,是在重组人G-CSF的N末端蛋氨酸残基上共价结合了20kDa的PEG,于2002年1月获FDA批准上市。G-CSF的体内清除机制主要有中性粒细胞G-CSF受体介导的清除和肾脏清除,由于PEG修饰很大程度上减少了G-CSF通过肾脏的清除,因此中性粒细胞G-CSF受体介导的清除成为Pegfilgrastim的主要清除途径,其清除率与中性粒细胞数量直接相关。因为Pegfilgrastim在清除过程中存在着自我调节过程,在中性粒细胞水平恢复以前,血清中Pegfilgrastim的水平要高于同等剂量G-CSF的血清水平,从而使半衰期得以延长(由原来的3.5小时到33.2小时)。Pegfilgrastim的使用方式为一个化疗疗程单剂量皮下注射一次,其安全性及有效性与其前体G-CSF相当,但使用方式的改变提高了化疗病人的生活质量。随着PEG修饰技术的不断进步,PEG化的应用将会越来越广泛。PEG修饰不仅适用于蛋白质类药物,还将更广泛地用于修饰脂质体包被的药物,PEG对脂质体包被的阿霉素的修饰便是一个很好的例子。蒽环类抗生素阿霉素是治疗肿瘤常用药物之一,但由于使用剂量大、血浆浓度峰值高可导致骨髓抑制和心脏毒性等副作用,当心脏毒性转为慢性时表现为充血性心肌病,进而发展为充血性心力衰竭。人们尝试了许多方法以期能够保留阿霉素的生物活性而去除其心脏毒性,比较成功的办法就是用PEG修饰脂质体包被的阿霉素。PEG化脂质体包被的阿霉素已被FDA批准用来治疗Kaposi肉瘤、晚期卵巢癌。PEG化脂质体包被的阿霉素与未修饰的阿霉素相比半衰期由7小时提高到45小时,具有更好的可耐受性,使用更高的剂量时,心脏毒性发生率没有提高,而其他如骨髓抑制、发热性中性粒细胞减少症、脱发等副作用的发生率有所下降。在转移性乳腺癌患者中PEG化脂质体包被的阿霉素在肿瘤位点的药物浓度比未修饰的阿霉素要高,治疗效果要好。综上所述,用聚乙二醇修饰的蛋白质类药物表现为溶解度和稳定性增加,免疫原性、抗原性和毒性减弱或消除,药