創新藥物結構設計之"PEG-藥物"

題記

最初知道聚乙二醇(PEG)這種物質，是源於大學本科課程《藥物製劑》，書中了解到PEG是以多種角色參與到藥物的製劑研發過程當中；後來真正的在實踐中接觸PEG，是源於研究生期間的一個兩相反應，由於反應效果不好，故使用了相轉移催化劑PEG-400，雖然，並未得到理想的結果，但那瓶黏黏的東東卻使我印象深刻...如今，再談PEG，是基於對創新藥物的深入學習，發現其不僅在製劑、合成等實踐操作中用得著，竟還可以直接連接到藥物分子當中，從而改變藥物的性質，故對其在藥學中的應用進行簡要總結，並希望能在此基礎上，更多的發現其它可以對藥物進行修飾的“好東東”。

1、PEG簡介

PEG是經環氧乙烷聚合而成的，相對分子量在200～8000或者8000以上的乙二醇高聚物，其由重複的氧乙烯基組成，不僅具有良好的水溶性，也能溶於DCM、DMF、苯、乙腈和乙醇等有機溶劑。PEG有2個末端羥基，具有線性的(相對分子質量為5000～30000)或支化的(相對分子質量為40000～60000)鏈狀結構，線性PEG的分子式為H-(O-CH2-CH2)n-OH。常用的PEG有PEG200、PEG300、PEG400、PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000、PEG6000、PEG10000等，室溫下相對分子量為200～600的PEG是液體，相對分子量為1000及以上者是固體。

2、PEG在製劑方麵的使用

PEG作為藥用輔料至今，已有上百年的曆史。由於PEG毒性小，水溶性好，長期以來倍受廣大藥劑工作者的青睞，廣泛的被應用於注射劑、局部用製劑、眼用製劑、口服及直腸用製劑等多種藥物劑型。PEG在水中具有較好的溶解性和良好的與藥物及其他溶劑的相溶性，相對分子質量小的液體PEG可以在製劑中作為溶劑使用，相對分子力量大的固體PEG可以與難溶性藥物製成固體分散體，以促進藥物的溶出。
 
PEG200、PEG300、PEG400、PEG600係無色、略有微臭的粘性液體，化學性質穩定，安全低毒，故常作為藥物的溶劑。而PEG4000、PEG6000主要是片劑中水溶性潤滑劑的典型代表，在片劑處方中可直接加入適量PEG進行整粒，也可將其先配成醇溶液、混懸液或乳液進行製粒，潤滑效果不變。利用PEG製得片劑的崩解和溶出不受影響，可提高主藥在胃內的溶解性，最終有助於增加生物利用度。除了可用作潤滑劑，PEG還可作為粘合劑，其中以PEG4000最為常用，尤其是對於熱不穩定藥物，若采用PEG4000為粘合劑，可在幹燥狀態下進行粉末直接壓片，效果較為理想。
 
除此之外，PEG還可作為增塑劑以改變聚合物的物理機械性質，使其更具柔順性、可塑性；作為膜控型緩控釋藥物的致孔劑；作為滲透促進劑使角蛋白溶劑化，占據蛋白質的氫鍵結合部位，減少藥物與組織間結合，增加並用的其他滲透促進劑在角質層的分配等。

3、PEG在合成方麵的使用

PEG在化學合成方麵的應用也有相當長的曆史，在組合化學和有機化學中得到了廣泛的應用，它可以提供均相反應條件，並具有便於純化和容易分析的優點，因此PEG作為溶劑、催化劑越來越多地應用於實驗室研究和工業化生產中。
 
作為溶劑，近年來的研究傾向於PEG的“綠色”，憑借其在室溫和高溫條件下的粘性、低毒性、熱穩定性、價格低廉、無揮發、可生物降解、對環境友好等特點，其在合成化學和非均相催化方麵得到了越來越多的關注，如Heck反應、Suzuki偶聯反應、氧化反應、還原反應、加成反應和不對稱aldo反應等。且PEG在不同的溫度下有不同的溶解度，可以與水、二氯甲烷、醇、丙酮等溶劑互溶。但是PEG不溶於乙醚、正己烷等溶劑，所以可以用來沉澱PEG，從而可以使PEG和溶質得到分離。目前，已經有大量文章報道了PEG是可以重複使用的溶劑。
 
而在催化方麵，由於PEG的鏈狀結構可折疊成不同大小的空穴，鏈節可以折疊成螺旋狀並自由滑動的鏈，形成類似冠醚的形狀，因而它能與不同大小的金屬離子絡合而進行相轉移催化反應。在液-液相中反應效果雖不佳，但對鈉、鉀等金屬鹽所參與的反應有良好的催化作用。對於不同鹽類參與的反應，PEG400-1000是常用的催化劑，研究表明，PEG400，由於其分子量適中，尤其是兩個極性末端羥基的相對比例高，更適合於催化Na+、K+的鹽參與的反應；由於水溶性較強，通常在反應完成後用水即可洗去催化劑和鹽類副產物，使產物的處理過程大大簡化。用PEG400作為相轉移催化劑，由於其容易獲得，價格便宜，沒有冠醚樣的毒性問題，也沒有季銨鹽的分解問題，已被人們廣泛地應用於許多液-液、氣-液、氣-固、固-液兩相有機化學反應當中。尤其是在無溶劑條件下的固-液反應，PEG400顯現了其它PTC所不能比擬的優越性。

4、PEG與藥物分子的連接

20世紀70年代，Davis等首次報道用PEG修飾蛋白質，之後相繼開展了許多PEG與蛋白質和小分子藥物共價結合的研究。藥物的PEG修飾即PEG化，是將活化的PEG通過化學方法偶聯到蛋白、多肽、小分子有機藥物和脂質體上。藥物的PEG修飾可分為兩個階段。第一階段的修飾技術局限於應用相對分子質量低的單甲氧基PEG (<20000)。常用的修飾劑有單甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亞胺酯、單甲氧基聚乙二醇碳酸琥珀酰亞胺酯等，通過酯鍵或三嗪環將PEG與藥物分子偶聯，這種非特異性的不穩定連接方式使得一個藥物分子經常連接數個PEG分子。如單甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亞胺酯偶聯到Lys殘基側鏈的ε-氨基上，由於蛋白質分子表麵一般存在多個Lys殘基，加之每個ε-氨基的反應活性不同，修飾產物往往是不同修飾程度及不同修飾位點產物的混合物，這些混合物一般難以分開，不易分離。因此，第1代PEG修飾藥物通常表現出不穩定性、較大的毒性和免疫原性，生物活性、藥代動力學的性質與原型藥物沒有本質的改變。
 
以應用相對分子質量高(>20000) PEG修飾劑為特征的第二階段的修飾技術具有連接穩定、定點修飾、控釋等特點。因此，修飾後的藥物具有更高的生物活性、更好的物理及熱穩定性、更高的產品均一性和純度。這一階段PEG修飾技術不僅成功應用於蛋白質、多肽藥物的研究，在有機小分子藥物和脂質體研究領域內也取得了突破性進展。
 
PEG與藥物分子的連接方式大致分為永久鍵合和非永久鍵合。前者是PEG通過化學鍵與藥物分子穩定結合，且藥物分子仍能有效發揮藥效；後者是PEG通過化學鍵與藥物分子間形成不穩定的結合，該類複合物往往需要在一定的pH值或某些特定酶存在的條件下，水解釋放出遊離藥物後才能有效發揮藥效。小分子藥物一般較少與PEG直接相連，而是通過各類連接臂相連。選擇適當的連接臂種類還可達到緩慢釋放、靶向釋放及增大載藥量等目的。通常，連接臂種類主要有4類，pH敏感型連接臂、酶敏感型連接臂、鄰位促進型連接臂以及N-曼尼希堿型連接臂。
 
修飾的藥物與未修飾的藥物相比，往往具有以下突出的優點：(1)更強的生物活性；(2)脂質體對腫瘤有更強的被動靶向作用；(3)更長的半衰期；(4)較低的最大血藥濃度；(5)血藥濃度波動較小；(6)較少的酶降解作用；(7)較少的免疫原性及抗原性；(8)較小的毒性；(9)更好的溶解性；(10)用藥頻率減少；(11)提高病人的依從性，提高生活質量，降低治療費用。

5、兩個銷售額不錯的PEG修飾藥物

聚乙二醇非格司亭
非格司亭，是由安進和日本協和發酵麒麟株事會社研發，於1991年2月獲美國FDA批準，1991年10月獲得日本PMDA批準上市，並由安進和日本協和發酵麒麟株事會社分別負責美國和日本市場銷售。非格司亭，是由大腸杆菌表達產生的rhG-CSF，是一種白細胞生長因子，能調節骨髓中性粒細胞的產生，並影響中性粒細胞前體的增至、分化等，該藥用於治療先天性中性白細胞減少症、周期性中性粒細胞減少症、特發性中性粒細胞減少症和骨髓移植及化療相關中性細胞減少症。聚乙二醇非格司亭(Pegfilgrastim)是長效形式的非格司亭，由PEG與rhG-CSF的N端甲硫氨基共價結合而成。在分子結構中增加PEG，可以降低rhG-CSF的腎髒清除率、減少細胞對藥物分子的攝取、減少蛋白水解，使聚乙二醇非格司亭的半衰期顯著長於非格司亭。聚乙二醇非格司亭在藥效學及FN相關不良事件方麵與非格司亭相比大致相仿甚至更好，2002年聚乙二醇非格司亭(商品名:Neulasta)被美國FDA批準上市，2011年中國國家食品藥品監督管理局批準石藥集團百克(濟南)生物製藥有限公司生產的PEG化rhG-CSF(商品名:津優力)上市，用於降低化療後發熱性中性粒細胞減少引起的感染發生率。銷售額方麵，2014年聚乙二醇非格司亭的年銷售額為46.86億美元，位居榜單第8位，2015年的銷售額為48.68億美元，位居榜單第9位。
 
賽妥珠單抗
賽妥珠單抗，是Fab片段的抗TNF-α單克隆抗體，由含214個氨基酸的輕鏈和含229個氨基酸的重鏈組成，分子量約91kD。其與PEG(近40kDa，PEG2MAL40K)的結合延長了賽妥珠單抗血漿消除半衰期。賽妥珠單抗不包括Fc片段，因此不能錨定補體或引起抗體依賴細胞介導的細胞毒性。在體外，不能誘導人類外周血衍生的單核細胞或淋巴細胞的程序性細胞死亡，也不能誘導中性粒細胞脫粒作用。有研究顯示賽妥珠單抗可抑製單核細胞細胞因子的產生，尤其可抑製LPS誘導的IL-1β的釋放。2008年4月獲美國FDA批準，2008年5月獲歐洲EMA批準，2012年12月獲日本PMDA批準，並由優時負責美國、歐洲及日本地區銷售。該藥批準的適應症為克羅恩病、類風濕性關節炎、銀屑病性關節炎和強直性脊柱炎。

6、PEG修飾的藥物還有哪些？ 

目前已有許多PEG修飾蛋白質藥物用於臨床，其中PEG-重組凝血因子Ⅷ、PEG-重組人生長激素和PEG-幹擾素等幾個PEG修飾大分子藥物已相繼上市；同時還有更多PEG修飾蛋白質藥物正處在臨床研究階段，但尚未見PEG修飾的小分子藥物產品。

7、PEG修飾的相關技術關鍵點

PEG的相對分子量選擇
分子量的選擇要綜合考慮生物活性和藥代動力學兩方麵的因素。已有研究證明，修飾的蛋白藥物在體內的作用時間與偶聯的PEG數量和相對分子量成正比，在體外的生物活性與偶聯的PEG數量和相對分子量成反比，修飾時具體PEG分子量的選擇要根據實驗確定，一般選擇分子量在40000～60000範圍內的PEG作為修飾劑。
 
修飾位點的選擇
蛋白質PEG修飾時要根據蛋白質構效關係的分析選擇不與受體結合的蛋白質表麵殘基作為修飾位點，這樣修飾後的蛋白質能夠保留較高的生物活性。有機小分子藥物的修飾位點與生物活性無關。理想的PEG修飾技術是根據要修飾的位點選擇適當的PEG得到均一性的產品。
 
其它化學因素
(1)修飾反應的pH值；(2)藥物與PEG的摩爾比；(3)藥物濃度；(4)反應時間；(5)反應溫度。PEG修飾反應需要高度的特異性和溫和的反應條件，可以控製其中的一個或幾個影響因素，得到高產率的目標修飾藥物。