聚乙二醇前藥設計原理與應用研究進展

滕再進，馬 荔，王志強

（南京圣和藥業有限公司，江蘇 南京 210038）

聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）是中性、無毒且具有獨特理化性質和良好生物相容性的高分子聚合物，也是經美國食品藥物管理局（FDA）批準的極少數能作為體內注射給藥的合成聚合物之一。通過在Science Direct上檢索發現，聚乙二醇修飾的大分子藥物（如蛋白、多肽類）已有很多產品上市，如Adagen?，Oncaspar?，Pegasys?，Neulasta?等，但修飾小分子的前藥目前仍處于臨床研究階段，而且國內對聚乙二醇的研究項目相對較少。自2006年以來，美國 FDA批準的新分子實體藥物（NMEs）數量呈逐年下降趨勢，原創新藥的研發變得日益困難，使得風險相對較小的前藥研究日益受到關注。在此重點介紹近幾年聚乙二醇修飾的前藥研究現狀，且就聚乙二醇修飾的原理、設計、運用及面臨的挑戰進行論述。

1 優勢

運用高分子材料的藥物傳遞系統（DDS），在現代治療學中起著非常重要的作用[1－2]。這種以高分子材料為基礎的共軛化合物或納米制劑，被稱為“聚合物治療”，近些年來已成為研發的熱點。

1975年，Ringdorf[3]首先提出了具有藥理活性的高分子前藥的結構模型，其組成包括：高分子載體材料部分；藥物、多肽、蛋白質等活性成分；連接臂或靶向基團。見圖1。

圖1 聚乙二醇（PEG）支載的靶向前藥示意圖

1977年，Abuchowski等[4]首先應用聚乙二醇修飾牛肝過氧化氫酶，以改善其免疫原性和循環時間。此后，聚乙二醇修飾技術得到了迅速發展和廣泛應用。

當聚乙二醇與藥物分子偶聯時，可以將其優良性質賦予修飾后的藥物分子，改變藥物的溶解性，在其修飾的藥物周圍產生空間屏障，減少藥物的酶解，避免藥物在腎臟的代謝中很快被消除，同時能被動靶向腫瘤細胞，降低藥物毒性[5－10]。

2 研究現狀

2．1 聚乙二醇的性質

聚乙二醇是經環氧乙烷聚合而成，由重復的氧乙烯基組成。聚乙二醇不僅具有良好的水溶性，也能溶于二氯甲烷、N，N－二甲基甲酰胺、苯、乙腈和乙醇等有機溶劑，具有線性或枝化的鏈狀結構。線性聚乙二醇的分子式為H－(O－CH2－CH2)n－OH。普通的聚乙二醇兩端各有1個羥基，若一端以甲基封閉則可得到甲氧基聚乙二醇，見圖2。在多肽和蛋白質的聚乙二醇化修飾研究中應用最多的是甲氧基聚乙二醇的衍生物[11]。

圖2 單甲氧基聚乙二醇（mPEG）分子結構式

聚乙二醇與被修飾藥物能否發生共軛反應，主要依賴于被修飾藥物的化學結構、分子量、空間位阻。此外，還要求被修飾藥物的分子結構要包含羧基（－COOH）、羥基（－OH）、氨基（－NH2）和巰基（－SH）等偶聯反應的常用功能基團，如果被修飾藥物不具備這些功能基團，則可通過化學方法引入。體積反應時，還應考慮對一些基團的保護與脫保護問題[12]。

2．2 共軛反應設計

設計一種簡單且實用的共軛反應方法是非常必要的。目前，共軛反應中最常用的偶聯劑包括 N，N－二環己基碳二亞胺（DCC）、1－(3－二甲氨基丙基)－3－乙基碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）或N－羥基琥珀酰亞胺(NHS)。通過共軛反應，聚乙二醇與活性分子形成相對穩定的酯、酰胺和硫化物，并在到達治療部位時釋放出母藥。然而，有一些共軛化合物因為體內環境變化，在到達靶組織周圍時并不能釋放出藥物[13]。

傳統的聚乙二醇可供修飾的位點有限，1個聚乙二醇分子最多只能提供2個位點，為克服這一不足，在聚乙二醇末端連接一些雙羧酸氨基酸或／和門冬氨酸，可以增加聚乙二醇活性基團的數量[14－15]。然而研究人員發現，它與阿糖胞苷（Ara－C）的反應率很低，主要是由于2個阿糖胞苷分子連接在鄰近的羧酸上，空間位阻較大。因此，采用另一個重要的辦法就是枝形聚乙二醇，可以更好地解決上述問題[16]。

枝形聚乙二醇因為特性上的一些優點而得到了廣泛應用。目前，應用最廣泛的枝形聚乙二醇是 PEG－NHS，該化合物由Yamasaki等以賴氨酸為連接物合成。常用的枝形聚乙二醇還有修飾巰基mPEG2－MAL(maleimide)和修飾 N－末端氨基的 PEG2－ALD(aldehyde)等。枝形聚乙二醇有不同的形狀，如叉形、星形等。與線形聚乙二醇相比，枝形聚乙二醇修飾藥物的優點主要在于：修飾的產物對酶降解的抵抗性更強，且能更好地遮蔽藥物的抗原決定簇；一般情況下，相同相對分子質量的枝形聚乙二醇比鏈形聚乙二醇修飾的產物有效分子量更大，有效半徑也更大；制備高修飾度的鏈形聚乙二醇時存在“二醇”問題，而更高相對分子質量(＞30 000)的聚乙二醇主要為枝形；枝形聚乙二醇的空間位阻較大，不太容易進入藥物的活性部位，對藥物活性的影響相對較小；由于具有較大的空間位阻，一般枝形聚乙二醇的反應活性要低于鏈形聚乙二醇，因此所得修飾產物相對更均一。

2．3 在藥物傳輸系統中的應用

通常情況下，小分子抗腫瘤藥物是以擴散方式進入血管內皮細胞層，到達正常或腫瘤組織中，而大分子前藥則主要是通過胞吞作用。胞吞過程要比擴散過程慢很多，因此，許多高分子前藥比母體藥物的活性低[17]。為了解決這一問題，就需要高分子前藥能夠靶向特定的器官、組織和細胞，從而大幅度提高藥物在靶組織中的濃度，來彌補因胞吞引起的療效下降。

在高分子抗腫瘤前藥中[18－19]，主要有被動靶向（passive targeting）和主動靶向（active targeting）兩種形式。

被動靶向主要發生在腫瘤組織和炎癥細胞中。腫瘤組織的特點是血管生長旺盛、血管通透性升高、淋巴管損傷，從而導致EPR效應（enhanced permeability and retention effect）。即一定大小的大分子和納米粒，由于腫瘤組織血管通透性增加[20]，可以很容易進入腫瘤組織；進入腫瘤組織后，因腫瘤組織淋巴管受損，大分子和納米粒難以被清除而被腫瘤組織所滯留（圖3）。

主動靶向是利用生物特異性相互作用實現的，如受體－配體、抗原－抗體、酶底物等（圖4）[17]。將高特異性的配體（如抗體、糖殘基等）通過聚乙二醇的活性端基連接到納米載體的表面，可產生高度靶向性。喜樹堿前藥LHRH－PEG－CPT就是主動靶向的例子[21]。LHRH肽與腫瘤細胞表面過度表達的受體結合，起到靶向作用，聚乙二醇作為高分子載體材料，CPT作為抗腫瘤活性成分。

圖3 主動靶向與被動靶向的納米轉運系統示意圖

圖4 主動靶向過程示意圖

高分子共軛聚合物與腫瘤細胞配體－受體對接后，在細胞的胞吞作用和細胞器的轉運下，進入細胞內，經溶酶體或在低pH條件下（在腫瘤動物模型和患者腫瘤部位微環境的pH值要比正常組織低 0．5 ～ 1），釋放出活性藥物[22]。

2．4 聚乙二醇應用情況

1990年，聚乙二醇修飾的S－腺苷脫氨酶獲FDA批準上市，使聚乙二醇修飾技術真正走向市場。此后，聚乙二醇修飾的蛋白類藥物，如天冬酰胺酶、粒細胞集落刺激因子及兩種亞型α干擾素(IFN－α)陸續獲 FDA批準上市。2005年，FDA批準了治療老年黃斑變性的新聚乙二醇制劑Macugen，主要成分為能抑制血管內皮生長因子的蛋白質類藥物Pegaptanib；2006年，批準了聚乙二醇化蛋白質類新藥Neulastin(聚乙二醇化菲格司汀，用于治療癌癥患者化療后白細胞數量減少癥)和Oncaspar(聚乙二醇化天冬氨酸酶，可用于治療急性淋巴母細胞白血病);2007年，批準上市了一種聚乙二醇化新制劑Mircorn(聚乙二醇化促紅素)。目前，尚有多種聚乙二醇化的蛋白質藥物處于臨床研究階段。

上述藥物均是聚乙二醇修飾的大分子前藥，而聚乙二醇修飾小分子均處于臨床研究階段（表1），且以抗腫瘤藥物居多[23]。

表1 聚乙二醇修飾的小分子抗腫瘤前藥研究進展

EZN－2208（圖5）是 EZN公司開發的喜樹堿衍生物 SN－38的前藥。2012年6月，EZN公司在美國完成了用于治療轉移性乳腺癌、結腸直腸癌和兒科實體瘤的Ⅱ期臨床研究。臨床研究結果顯示，該結合物的治療效果優于未修飾的SN38。

圖5 ENZ－2208[4arm－PEG－(SN－38)4]結構式

3 挑戰

聚乙二醇前藥有效地解決了母藥水溶性低的問題，同時降低了藥物的毒副作用，延長了藥物在血液中的半衰期，可提高靶向性和增加療效。相對其他一些前藥載體，聚乙二醇有其獨特的優勢，但并非完美，現階段仍存在許多亟待解決的問題。

純化困難：由于聚乙二醇提供的共軛基團較多，因此產物中往往混有多個目標前藥結構以外的混合組分，難以分離出目標物質。另外，對于此類物質的檢測，還沒有標準的分析方法，這也在一定程度上限制了聚乙二醇修飾技術的深入研究和應用。

靶向性不強：聚乙二醇前藥主要通過EPR效應增強對病變組織的靶向作用，但靶向性不強。因此，非常有必要對其結構進行進一步修飾以增強療效。主要方法是在聚乙二醇游離端，通過一個雙異官能團與靶組織的特異性配體相連，然后通過受體介導的內吞作用增強療效。如單克隆抗體、葉酸、轉鐵蛋白、乳糖、甘露糖、胰島素、表皮生長因子、血球凝集素等。此類研究目前也只限于實驗室階段，尚無進入臨床試驗的樣品。

產業化問題：聚乙二醇兩端只有2個活性游離羥基，因此其載藥量低(尤其是對于有機小分子藥物)。目前進入臨床研究的多臂聚乙二醇雖然解決了線性聚乙二醇載藥量低的問題，但其合成成本很高，其合成工藝還有待進一步改進。另外，聚乙二醇修飾劑量較大的藥物時，聚乙二醇的用量也相對增加，這不僅增加了前藥的生產成本，而且會造成藥液的黏度特別大，甚至難以通過目前《藥品生產質量管理規范》（GMP）常用的過濾器材，存在一些產業化方面的問題。

4 結語

聚乙二醇是目前唯一被廣泛接受可用于藥物并被市場認可的水溶性聚合物，主要是因為其成分與血液的相互作用較少（血漿蛋白結合率低）且生物相容性高。聚乙二醇化的藥物如聚乙二醇干擾素α、聚乙二醇化非格司亭已在市場上證明了其成本效益；培維索孟和阿達木單抗等產品的上市情況表明，無論非聚乙二醇化同類產品的商品化市場如何，聚乙二醇化的產品都可獲得上市。這一發展趨勢表明，聚乙二醇化蛋白的生物制藥具有廣泛的、長期的市場前景。假設生物仿制藥將在其專利到期后快速涌現，聚乙二醇化則為原始市場的替換提供了一個極具吸引力的手段。此外，聚乙二醇化藥物可以將其自身與簡單的生物仿制品加以區別。聚乙二醇化的關鍵前景在于，期望利用其實現細胞靶向，因此相應的化學領域也正在深入探索。聚乙二醇的更高級形式及由它們引發的各種結構正在被設計和引入。因此，針對最新引入的有效肽、蛋白質、寡核苷酸、抗體片段進行聚乙二醇化研究具有重大意義，具有廣闊的應用前景。

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