peg化抗肿瘤药物的研究进展

peg化抗肿瘤药物的研究进展

化疗是肿瘤治疗的主要手段之一。然而，传统的化疗具有严重的副作用，其应用有限。一方面各种抗肿瘤药物的生物半衰期过短,传统给药后只有少量药物能到达肿瘤部位,因此要提高肿瘤部位的药物浓度必须增加给药剂量,但同时增加了不良反应,患者耐受较差;另一方面,肿瘤的化疗需要持续很长时间,反复给药使不良反应更加严重,易产生抗药性。药物的聚乙二醇化(pegylation)是将活化的聚乙二醇(PEG)通过化学方法偶联到蛋白质、多肽、小分子有机药物和脂质体上。作为传统药物制剂辅料的PEG,由于其独特的物理学和生物学特性,在抗肿瘤药物给药系统领域得到广泛应用。对抗癌药物的PEG化研究已经有40多年的历史,这些药物包括蛋白质、多肽、小分子药物等,其中多种药物已被批准上市或已进入临床研究。PEG化抗肿瘤药物技术能够延长药物的半衰期,增强药物的稳定性,降低免疫原性和抗原性,通过改变药物的分子结构,从而改进了药代动力学和药效学性质,提高了作用部位的血药浓度。同时,相比于未修饰的药物,经过PEG化的药物表现出更好的耐受性,因而增加了注射药物的临床应用范围和疗效,已成为抗肿瘤药物研究领域的热点。本文对PEG修饰抗肿瘤药物的研究现状加以综述,在总结现有研究的基础上分析尚存在的问题并展望其发展方向,为今后研究打下基础。1eg修饰药物PEG是一种安全无毒、无活性的聚合物,是以重复的乙二醇氧化乙烯为基础结构的长链大分子聚合物,有2个末端羟基,其分子结构可以是线形(相对分子质量为5000~30000)或分枝形(相对分子质量为40000~60000),根据OCH2CH2数目的不同而有不同的分子量。PEG修饰是指一个或几个PEG分子吸附于蛋白质、多肽等生物大分子或是通过化学键或化学作用力与小分子药物作用,改进它们的药代动力学和药学性状,使之达到较好的临床效果。由于PEG末端羟基的反应活性低,为了能在温和条件下,以较高的速率与蛋白偶联,常把PEG的一个末端羟基活化为甲氧基。用作药物修饰的PEG其实是单甲氧基聚乙二醇(mPEG),线性mPEG的分子式为CH3-(O-CH2-CH2)n-OH。因此,药物的PEG化修饰是将活化的PEG通过化学方法偶联到药物上的过程。普遍认为,经PEG修饰后,大多数抗肿瘤药物会发生以下变化:(1)免疫原性和抗原性降低;(2)改善药物的动力学性质(半衰期延长、清除率下降、血药峰浓度下降);(3)溶解性增加;(4)热稳定性提高;(5)毒性减小;(6)耐蛋白酶水解;(7)用药频率减少;(8)生物利用度提高;(9)PEG修饰的脂质体对肿瘤有更强的被动靶向作用等。2peg作为载体负载小分子药物的应用目前,很多小分子抗肿瘤药物存在水溶性差、生物利用度低、体内循环半衰期短、组织分布不合理及毒副作用大等缺点。多年来,这些缺点一直限制着小分子抗肿瘤药物的发展。因此,PEG常作为载体负载小分子药物,如紫杉醇、喜树碱、阿霉素等,以改善这些药物的药动学和药效学特性。经PEG修饰后,其水溶性、体内循环半衰期、不良反应等均得到了极大的改善,而且所形成的大分子复合物具有明显增强渗透和滞留效应(enhancedperneabilityandretentioneffect,EPR),对肿瘤组织起到被动靶向作用。以下是对最常见的几种小分子类抗肿瘤药物进行PEG修饰研究现状的概述。2.1不同修饰剂对cpt和喜树碱的生物活性影响喜树碱(camptothecin,CPT)具有广抗瘤谱,且与其他抗肿瘤药物无交叉耐药性,对胃癌、原发性肝癌、白血病、直肠癌、膀胱癌等恶性肿瘤均具有疗效,然而其不稳定性和极低的溶解性限制了该药物的临床应用。Conover等用40kD的不同修饰剂对CPT进行了修饰,并对其体外生物活性进行了研究评价。结果,PEG-ala-CPT的载药量高达1.7%,与CPT相比,在小鼠体内有相对较长的半衰期、较低的毒性和较高的生物活性,人体药代动力学表明70h后血药浓度仍保持在CPT每天给药的最大血药浓度的水平。另有研究表明,用40kD的PEG对喜树碱20-OH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-OH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,动物实验发现经PEG化的喜树碱前药在肿瘤部位的药物浓度是喜树碱的30倍,大大提高了其疗效。目前,PEG化喜树碱的研究已进入临床阶段。2.2peg修饰脂质体阿霉素(doxorubicin)是一种广谱抗肿瘤药,但其对心脏等器官的毒副作用及肿瘤细胞对其产生的耐药性限制了它在临床上的广泛应用。阿霉素脂质体不够稳定,药物易泄露,而且脂质体的靶向作用交叉。而PEG修饰的脂质体不易被血浆中的脂肪酶分解,也不易被网状内皮组织摄取而降低疗效。我国自主创新的中国首枚PEG化阿霉素脂质体——里葆多,目前可作为乳腺癌、淋巴癌等癌症的一线化疗药物。里葆多改变了脂质体的药代动力学和药效学性质,比普通的阿霉素治疗效果提升50%以上,而毒副作用不到普通阿霉素的10%,而且能够精确识别肿瘤组织存在的部位,在提高疗效的同时不影响正常组织的作用,能大大减轻或避免常规化疗药物难以克服的心脏毒性、脱发、神经毒性等严重毒副反应。2.3聚氧乙烯浚及其衍生物紫杉醇(paclitaxel)主要作用于微管,与细胞微管蛋白结合,通过诱导和促进微管蛋白聚合,使微管过稳定化及排列异常,使细胞有丝分裂受到阻断而发挥其抗肿瘤作用,对卵巢癌、乳腺癌、肺癌、宫颈癌、颈部癌症以及前列腺癌均有较好的抗癌作用。目前临床用的紫杉醇注射液是以聚氧乙烯蓖麻油-无水乙醇(50:50)制成的。聚氧乙烯蓖麻油易引起过敏反应和低血压等不良反应,极大地限制了临床应用。为获得低毒性PEG化紫杉醇,田浤等制备了不同相对分子质量的PEG氨基酸衍生物,并通过氨基酸连接臂将PEG连接到紫杉醇上,获得了具有特殊连接臂的PEG化紫杉醇。PEG化紫杉醇水溶性较天然紫杉醇提高了约1000倍,且对MCF-7和SGC-7901等肿瘤细胞都具有显著抑制作用,并呈现出明显的浓度依赖性。2.4单用药物的安全性多西紫杉醇(docetaxol)是紫杉醇类药物家族的一员,可抑制微管解聚和纺锤体形成,通过干扰细胞的有丝分裂使其停止于分裂中期而抑制细胞增殖,在临床上用于治疗乳腺癌、非小细胞癌和前列腺癌。但由于其水溶性很差,目前市售的注射剂多帕菲、泰索帝等浓溶液中含有大量的助溶剂——吐温80,临床应用易引发严重过敏反应。另外由于单用药物治疗毒副作用大,特别是对血液毒性较重,老年患者耐受性差。本课题组用mPEG-PDLLA两亲型嵌段共聚物,利用薄膜水化法成功制备了PEG化多西紫杉醇胶束,大大提高了多西紫杉醇的溶解度,其粒径在16nm左右,载药量达到(20.74±1.23)%,MTT结果表明,其细胞毒性优于市售的多帕菲。2.5广谱抗肿瘤药物的作用机制7-乙基-10-羟基喜树碱(7-ethyl-10-hydroxycamptothaci,SN38)是喜树碱类新药伊立替康(irinotecan)的活性代谢物,是一种具有广泛应用前景的广谱抗肿瘤新药,其细胞毒性是伊立替康的100~1000倍,但水溶性很差。Zhao等用4个连接基团的PEG包载SN38,使其载药量达到3.7%,明显高于PEG伊立替康的载药量1.7%。产物的水溶性为120~180g/L(相当于6.7g/L的游离SN38),比原药SN38的水溶性(0.0072g/L)提高了400~1000倍;体外细胞培养实验证明,其抗癌活性与SN38相当,比伊立替康提高了6.5~666倍;在移植MX-l肿瘤的小鼠体内,其肿瘤生长抑制率达99%。PEG-甘氨酸-(20)-SN38(商品名为EZN-2208)已进入I期临床。3生物内径类药物众所周知,传统的蛋白多肽药物在消化道中遇酸和消化酶后会发生降解反应,成为氨基酸类物质,从而失去疗效。目前大部分生物蛋白质类药物为注射剂,而且必须冷藏保存,患者使用非常不方便。另一显而易见的缺点即它们在人体内的半衰期太短,有时候需要一天注射好几次,不仅带来身体上的痛苦,还给患者家属带来经济上的负担。因此,新的技术不断运用于解决生物大分子类药物存在的上述缺陷,而PEG化为目前应用最为广泛、最为成功的攻克这些问题的技术手段之一。一方面,由于PEG是一种亲水、不带电荷的大分子,当与蛋白质药物的非必需基团共价结合时,可作为一种屏障挡住蛋白质分子表面的抗原决定簇,避免抗体的产生,或者阻止抗原与抗体的结合而抑制免疫反应。同时,PEG的屏蔽作用可以避免蛋白质被酶降解,从而增加蛋白质的稳定性。另一方面,修饰蛋白质使分子量增加,不易被肾脏代谢而延长药物在体内的半衰期,因此可以减少用药次数。经PEG化的生物大分子类药物由于分子量增加,肾小球的滤过减少,PEG的屏障作用保护了蛋白质不易被蛋白酶水解,同时减少了抗体的产生,这些均有助于生物大分子类药物循环半衰期的延长。由于以上特性,PEG修饰的蛋白质药物的研究有很大的发展。3.1治疗化疗后细胞减少的治疗粒细胞集落刺激因子(granulocytecolony-stimulatingfactor,G-CSF)是一种糖蛋白,分子量约为20kD,在临床主要用于预防和治疗肿瘤放疗或化疗后引起的白细胞减少症、治疗骨髓造血机能障碍及骨髓增生异常综合征、预防白细胞减少可能潜在的感染并发症、以及加快感染引起的中性粒细胞减少的恢复。美国Amgen公司开发的PEG-CSF(商品名为Neulasta),延长CSF在体内的代谢时间,获得更好的疗效,在2002年获得FDA的上市批准,2003年全年的销售额达到13亿美元。Maxygen公司现在研发PEG化的G-CSF(代号为Maxy-G34),用于治疗化疗中的嗜中性白血球减少症,目前处于临床II期。3.2治疗成人丙型肝炎感染干扰素(interferon,IFN)是临床用于抗肿瘤、抗肝炎病毒的重要药物,但在临床上由于半衰期短易被肾脏清除,给药频繁,给药后易出现“峰-谷”现象,从而导致体内的一系列毒副作用。为了解决以上弊端,美国先灵公司和瑞士罗氏公司研究并上市了聚乙二醇化干扰素注射剂(商品名分别为PEG-Intron和Pegasys)。两者均用于治疗成人丙型肝炎感染,与未修饰的干扰素相比,临床剂量从每周皮下注射3次减少到1次,也是目前PEG化技术研发出的最为成功的产品。目前,日本Toray公司研发的PEGinterferon-β处于临床试验第I阶段;而美国必治妥施贵宝公司研发的PEGinterferon-γ1a也处于第IIb阶段,这两种药物也均用于治疗成人丙型肝炎感染。白介素是在白细胞或免疫细胞间相互作用的淋巴因子,它和血细胞生长因子同属细胞因子,两者相互协调,相互作用,共同完成造血和免疫调节功能。IL-2在临床上主要用于治疗肾癌、黑色素瘤和非何杰金淋巴瘤等。Goodson和Katre用PEG-马来酰亚胺试剂对IL-2进行了修饰,得到PEG-cys3-rIL-2。修饰后的PEG-cys3-rIL-2具有与未修饰IL相同的生物活性,其流体动力学比原来增加了4倍,使得其在生产制备过程中不易聚合,不易失活。4耐药酶的使用消除酶对肿瘤的治疗是通过减少肿瘤细胞中必需氨基酸的量来实现的。这些酶对肿瘤细胞的抑制作用已通过很多体外试验得到验证,但由于其多种复杂因素,很难实施到体内。事实上,某种氨基酸长期被消耗才可能导致癌细胞死亡,这要求酶类药物在体内具有较长血液循环时间。但一般情况下,原生酶易发生蛋白质降解作用、在肾脏消除的速度快、易产生强烈的宿主免疫应答反应,因此通常在体内的滞留时间非常短,易被机体清除。消除酶的免疫原性能够极大地干预它们的使用,因为多次给药后易诱发机体产生免疫反应,导致后续给药不能达到有效的血药浓度。为了克服上述问题,一种有效的解决方法是使用来自于不同起源的酶异构体。天门冬酰胺酶是一个很好的例子,它是从大肠杆菌体内得到的异构体酶,与菊欧文菌之间不会发生抗原之间的交叉反应。但这种方法不能彻底解决问题,因异构体本身仍具有一定的免疫原性,当有抗体产生时,天门冬酰胺酶必须停止使用。PEG化技术成为解决酶类抗肿瘤药物现存问题的重要手段。PEG化能够消除蛋白酶的免疫原性、增加药物的体内循环时间,使药物不易被肾脏清除、同时可避免被降解。4.1peg-sod在临床上的应用超氧化歧化酶(superoxidedismutase,SOD)是生物体内重要的抗氧化酶,相对分子质量为32~80kD,具有特殊的生理活性,是生物体内清除自由基的首要物质。SOD在临床上应用于抑制心脑血管疾病、抗衰老、防治自身免疫性疾病、治疗肺气肿、辐射病及辐射防护、老年性白内障、抗氧化、抗疲劳等,而且还常用于临床肿瘤患者放化疗防护,但其生物半衰期短,由于不稳定而易失活,异体蛋白免疫原性和患者不易吸收利用等缺点,限制了其在临床上的广泛应用。Veronese等考察了PEG-SOD对抗各脏器疾病的疗效,得出了以下结论:在血管水平上,PEG-SOD能起到强烈的内皮舒张功能和抑制脂质氧化效果;在心脏方面,PEG-SOD在对抗再灌注性心律失常和心肌缺血症状上至少与SOD起到了相同疗效;在对抗肺部损伤时,PEG-SOD能减少氧中毒现象,对大肠杆菌引起的肺损伤起到修复作用,但对急性肺损伤和石棉诱导的肺细胞损伤起不到很好的疗效;在肝肾缺血方面,PEG-SOD能起到改善再灌注损伤的功能。Ichihara等考察了氧化应激和Akt信号对阿霉素诱导心脏毒性的作用。C57BL/6J小鼠首先用阿霉素进行静脉注射后,再分别口服给药非诺贝特和PEG-SOD,每日1次,共4d。结果显示,两组小鼠均对阿霉素引起的心肌功能障碍起到很好的防护作用,而只有PEG-SOD能够很好地抑制阿霉素诱导的Akt激活和Akt-调节基因的表达,从而降低心脏毒性。4.2修饰l-天门冬酰胺酶L-天门冬酰胺酶(L-asparaginase)是酰胺基水解酶,是从大肠杆菌菌体中提取分离的高分子药物,对白血病和淋巴肉瘤等有显著的疗效。但若直接注射到人体内,容易被蛋白酶分解,且在血液中的半衰期较短,反复注射游离的L-天门冬酰胺酶会产生抗原抗体反应和过敏反应。早在1994年,美国Enzon公司用PEG修饰L-天门冬酰胺酶(商品名为Oncaspar),增加了药物在体内的循环时间、降低免疫原性,临床上用于治疗急性淋巴细胞白血病,取得了很好的疗效,也为初期的PEG化商品市场打好了基础。近期,Wang等用活化的mPEG-ALD20000以氨基定位修饰法对L-天门冬酰胺酶进行了修饰。反应体系的pH为5.0、投料比为1:10、反应时间为16h、温度在25℃。用PEG修饰后的L-天门冬酰胺酶还保留43.5%的活性,末端N基上的修饰率达到3.67%。4.3解肺癌所需的养分精氨酸酶(arginase)参与体内尿素循环,对氨的解毒起重要作用,而精氨酸是人体的条件必需氨基酸,更为肿瘤组织所必需。香港理工大学研究人员成功研发出了新一代靶标式抗癌药物BCA,用以对抗多种癌症。新药物的主要成分是天然酵素——精氨酸酶,可分解癌细胞生长所需的养分,从而使癌细胞死亡。众多新药研发人员后续相继证实人I型精氨酸酶及PEG修饰后的I型精氨酸酶均对肿瘤细胞具有抑制作用。Cheng等用5kD的PEG修饰了重组人精氨酸酶(rhArg),修饰后的PEG-rhArg每个分子中存在10~20个聚合物链的活性基团,而且修饰产物具有生理学催化活性,在体内的血药浓度能维持3d左右。PEG-rhArg与修饰之前的Arg对HCC肝癌细胞具有相同的IC50值。在做体内实验时给予单剂量的rhArg-PEG5000或rhArg-PEG5000与5-氟尿嘧啶混合给药,都能很好地抑制肿瘤的生长,而rhArg-PEG5000甚至对一些精氨酸脱亚氨酶抵抗性肿瘤也起到一定作用。PEG-rhArg的研发目前处于临床试验第I/II阶段。4.4药物peg-pla/两种药物的相互作用谷氨酰胺酶(glutaminase)是酰胺酶的一种,是一种能够将谷氨酰胺催化分解为谷氨酸和氨的生物酶,对其抑制有望用于癌症的治疗,起到独到的作用。事实上,为了克服其自身表达合成的谷氨酰胺量低的弱点,癌症细胞必须依赖于从血浆中摄取谷氨酰胺来满足生长需求。研究发现,PEG-PLA聚合物可以提高6-重氮-5-氧代-L-亮氨酸(DON)的体内抗癌活性。DON是L-谷氨酰胺的拮抗剂,它能够阻断与L-谷氨酰胺相关的生化反应,例如,DON可以阻断嘌呤和嘧啶的合成从而抑制DNA的从头合成途径。另一方面,谷氨酰胺可以抑制细胞对DON的摄取,因为DON的摄取需要一种谷氨酰胺转运酶,同时谷氨酰胺能够与DON竞争体内靶点,这两种因素加起来就使得DON的临床疗效降低。药物PEG-PLA/DON的临床I期试验分为两步,第一步为PEG-PLA的剂量递增试验,试验周期为3周,给药频次为每周2次。第二步在第一步研究得出的最适PEG-PLA剂量下,考察DON的剂量递增。试验中,患者出现了一些可能与药物相关的毒性反应,最主要的是过敏反应。在最适药物浓度(120IU/m2)下,所有患者体内的谷氨酰胺浓度均被降低至10%以下。临床IIa阶段试验得出的数据显示,DON连接PEG-PLA形成的药物对晚期的直肠癌和肺癌有治疗作用。4.5肺肿瘤2周内变化蛋氨酸酶(methioninase)能够减少体内血浆或肿瘤中的蛋氨酸,起到抗肿瘤的作用,动物实验已证明经腹膜内注射蛋氨酸酶可以抑制裸鼠的吉田肉瘤和肺肿瘤的增长。蛋氨酸酶的抗肿瘤疗效已被多种品系的肿瘤细胞所证明,也应用于临床试验第I阶段的肿瘤患者身上。蛋氨酸酶最大的缺点是免疫原性和体内滞留时间短(t1/2=80~120min)。Yang等用5kD的PEG修饰了蛋氨酸酶,得到的PEG-蛋氨酸酶的活性达到未修饰酶活性的70%;在体内的免疫原性优于未修饰的酶。静脉注射小鼠后,未修饰蛋氨酸酶的体内半衰期为2h,分别用4、6和8个分子的PEG进行修饰后,其体内半衰期分别延长至12、18和30h。5peg作为纳米社会产物的制备最近抗肿瘤药物研究趋势之一是对纳米载体进行聚乙二醇化,形成PEG化纳米共聚物给药系统。由于正常组织的血管内皮细胞排列紧密,大分子的PEG难以像小分子药物一样透过血管。但在类似于肿瘤等病变组织中,新生血管丰富,且血管内皮细胞彼此连接疏松,间隙较大,因此大分子PEG携带的药物可以进入病变组织,进而PEG药物可通过被动靶向作用改善药物在病变组织的分布,以此提高疗效。近年来,有大量关于将PEG作为亲水基团引入纳米粒载体制备抗肿瘤纳米粒的研究报道。PEG化纳米共聚物给药系统主要有PEG化的两亲型共聚物纳米给药系统、PEG化的离子型聚合物纳米给药系统、PEG化脂质体等。与一般纳米载药微粒相比,经PEG修饰的共聚物纳米微粒由于PEG在其表面形成一个保护层,增加药物在体内滞留时间,延长其血浆半衰期,改变体内分布,产生器官靶向性,提高主动靶向性从而实现更好的抗肿瘤作用。6peg药物的应