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超分子化学立新功:非共价PEG修饰蛋白质药物,提高稳定性

近些年来,生物分子(多肽、蛋白质、抗体等)在医药领域的风头一时无两,常常占据药物销售排行榜的前列,大有超过传统小分子药物的趋势。不过生物分子药物也有自己的麻烦,结构复杂稳定性低,容易变性和聚集。为了提高生物制剂的稳定性,防止聚集或是变性,一种方法便是添加赋形剂(如盐、糖、氨基酸、表面活性剂、高分子聚合物等);另外通过共价键对生物分子进行修饰也得到了广泛的研究,并成功使得一些蛋白质药物获批进行临床使用。这些修饰通常是为了提高蛋白质的稳定性以及延长其保质期,亦或是优化药物在人体内的药代动力学过程。其中,将聚乙二醇(PEG)以共价键连接到生物分子药物上是一种非常普遍的方法,虽然这种共价修饰取得了一些成果,但是这种方法也有着一些不可忽略的缺点,例如修饰后产物难以分离和纯化,引入的PEG可能会改变药物的免疫原性或是改变生物分子药物原有的功能等(阅读相关综述)。


近日,美国麻省理工学院(MIT)Robert Langer点击查看介绍Daniel G. Anderson点击查看介绍联合马里兰大学Lyle Isaacs(点击查看介绍)等人在PNAS上报道了一种利用非共价超分子主体-客体相互作用在蛋白质中引入PEG的方法,该法不引入共价键,不改变蛋白质的结构,可大大提高其稳定性,促进溶解并抑制聚集。

图1. A) 葫芦脲[7]的PEG修饰 B) PEG修饰后的葫芦脲[7]与胰岛素残基结合。图片来源:PNAS


作者们使用的“秘密武器”就是一系列的葫芦脲-PEG衍生物,利用其空腔对蛋白质药物氨基酸残基的非共价超分子相互作用,从而可以达到既在蛋白质中引入PEG又不改变蛋白质结构的目的。作者选用了葫芦脲CB[7](cucurbit[7]uril),通过修饰和后续的点击化学将三种不同分子量的PEG引入得到一系列CB[7]-PEG(图1A)。因为已经知道CB系列对胰岛素N端的芳香性氨基酸残基有高亲和力的相互作用,作者首先对这种治疗糖尿病的常见蛋白质药物进行了非共价PEG修饰的研究。CB[7]的空腔会优先结合胰岛素N端的苯丙氨酸残基(结合能力比其他残基大100-1000倍),于是CB[7]-PEG也就安装在了胰岛素上(图1B)。圆二色谱显示,引入PEG后蛋白质的二级结构没有被破坏。


在体外稳定性和活性的测试中,没有PEG修饰的胰岛素很快就出现了聚集,活性明显降低。而非共价PEG修饰后的胰岛素在100天内依然没有任何聚集出现,活性也没有明显的变化(图2)。

图2. A) 胰岛素的聚集状态测试 B) 胰岛素的活性测试。图片来源:PNAS


除了胰岛素外,作者接着对另外两种药物胰高血糖素(Glucagon)和抗体C20(临床上叫Rituximab)进行了同样的研究。胰高血糖素普通情况下1 h就会在溶液中出现聚集,而非共价PEG修饰后,历经24 h依然保持很好的水溶性,并且蛋白质的二级结构依然稳定。抗体药物也有类似的结果,非共价PEG修饰能使其药物活性保持相当长时间(图3)。

图3. A) 抗体C20活性测试,B) 胰高血糖素的聚集状态测试,C)  胰高血糖素的圆二色谱。图片来源:PNAS


这种利用超分子化学的非共价相互作用对蛋白质药物进行PEG修饰的方法相当巧妙,为提高生物药物稳定性提供了一个新的思路。“我们有足够的理由相信,这种方法可以被广泛的应用到其他的生物药物中,不过还需要监管部门的批准和更多资金的投入才能保证量产,所需的时间可能是好几年。”该文的第一作者Matthew J. Webber如是说。

Matthew J. Webber博士。图片来源:MIT


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Supramolecular PEGylation of biopharmaceuticals

PNAS, 2016, 113, 14189-14194, DOI: 10.1073/pnas.1616639113


导师介绍

Robert Langer教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/35058

Daniel G. Anderson教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/35059

Lyle Isaacs教授

http://www.x-mol.com/university/faculty/1003


(本文由 PhillyEM供稿)


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