聚乙二醇在新型药物制剂中的应用

高分子通报2004年8月聚乙二醇在新型药物制剂中的应用李爱贵,邓联东,董岸杰天津大学化工学院天津300072)摘要聚乙二醇具有良好的生物相容性和两亲性在生物医药领域中有着广泛的应用本文就聚乙二醇在新型药物制剂中的应用进行综述主要包括纳米给药系统、蛋白质药物修饰和疏水性药物的前药等关键词聚乙二醇;纳米给药系统;修饰;蛋白质药物;前药聚乙二釀 polyethylene glycol , PEG)是由环氧乙烷与水或乙二醇逐步加成聚合而得到的一类分子量较低的水溶性聚醚结构式为HO∈CH2CH2O+H作为一种两亲性聚合物PEG既可溶于水又可溶于绝大多数的有机溶剂且具有生物相容性好、无毒、免疫原性低等特点可通过肾排出体外在体内不会有积累。此外PEG具有一定的化学惰性但在端羟基进行活化后又易于和蛋白质等物质进行键合键合后PEG可将其许多优异性能赋予被修饰的物质。作为表面修饰材料聚乙二醇在体循环中的优点还有能防止与血液接触时血小板在材料表面的沉积有效延长被修饰物在体内的半衰期提高药物传递效果12。PEG获得了FDA的认可被中、美、英等许多国家药典收载作为药用辅料。长期以来PEG在软乳脣剂、栓剂、滴丸剂、硬胶囊、滴眼剂、注射剂、片剂等各种药剂中有着广泛应用。从上个世纪∞0年代开始PEG在新型药物制剂中的应用的研究越来越多。本文主要综述PEG在纳米给药系统、蛋白质药物及疏水性药物的前药等几种新型药物制剂中的应用。1PEG修饰的纳米给药系统纳米给药系统也称纳米控释系统包括纳米微球 Nanospheres厢纳米胶囊 Nanocapsules),它们是直径在10~500m之间的固状胶态粒子活性组分药物和生物活性材料等通过溶解、包裹作用置于纳米粒的内部或者通过吸附、附着作用置于纳米粒表面3。纳米给药系统具有降低药物毒副作用、防止药物失活、控制药物释放速率和靶向给药的效果从而既可提高病灶部位的药物浓度又可减少对机体其它部位的损害提高药物的有效利用度因而成为较理想的药物传输体系。目前纳米给药系统的载体材料一般为可生物降解聚合物如以聚乳酸(PLA)聚己内酯〔PCL聚癸二酸酐PSA)为代表的聚酯、聚酸酐、聚氰基丙烯酸酯、聚氨基酸、聚原酸酯等具有良好生物相容性和可生物降解性的聚合物。可生物降解聚合物作为药物缓释、控释的优良载体极大地促进了药物制剂的发展其是这类聚合物的微*式中国煤仰干发应用为具有更好药物控释性能及靶向新制剂的开发奠定了基础。但CNMH己多是疏水性的形成的基金项目国家自然科学基金资助课题30170227)作者简介董岸杰1964-),女天津大学化工学院高分子科学与工程系教授博士现主要从事大分子自组裝物理化学与药用载体材料的研究;elm227890706 E-mail andong@iu,edu,cn通讯联系人第4期高分子通报纳米粒易被蛋白质吸附和被网状内皮系统捕捉因而进行表面修饰延长聚合物纳米粒在体内的循环时间很有必要。PEG具有亲水等许多优点且得到FDA认可近年来将PEG作为亲水组分引入聚合物载体的研究很多通过嵌段或接枝的方法使亲水的PEG链段键接在纳米粒的表面可以改善其亲水性。由于PEG链段处于粒子表面伸向水中并能够在水中摇摆,方面使粒子间产生足够大的斥力以克服范德华引力作用使粒子具有很好的稳定性而不聚集湯另一方面能够阻止蛋白质的吸附和躲避网状內皮系统的捕捉延长纳米粒在体內的循环时间提高药物的生物利用度。人们把PEG的亲水性、防止蛋白质吸附性质与可生物降解聚合物相结合制备了多种PEG嵌段或接枝共聚物如PEG—PLA、PEG—PCL—PEG嵌段共聚物、PEG接枝的聚氰基丙烯酸酯等两亲性共聚物并由此开发了药物的纳米制剂。 Peracchia等2)用不同分子量的PEG分别和PLAPCL、PSA共聚制备出一系列两亲性嵌段共聚物及它们的载药纳米粒证明疏水部分的化学组成、PEG链段的分子量、纳米粒表面PEG链段的密度是影响PEG纳米粒药物控释性能的关键因素。Shin等4以透析法制备了消炎痛IMC的PE(—PCL共聚物纳米粒其体外释放符合持续释放模型。Gref等5以乳化/溶剂蒸发法制备了环孢酶素(CyA肭的PLA-PEG共聚物纳米粒其体外释放符合双相动力学模型。Y∞等6通过化学结合的方法把阿霉素(DOX)结合在PLGA-PEG上,制备了DOX—PLGA-PEG共聚物纳米粒。表1PEG衍生物及其与聚合物RNH2)应产物的结构Table 1 Structure of pEG derivations and the reaction products of PEG derivations with polymer rnh,)PEG衍生物与RNH2反应产物R代表EG衍生物与RNH或SHR反应产物壳聚糖或聚氨基酸等聚合物)NH-RPEGPEG OPEGOPEG ONNH-RO-PEGO-PEGPEG-O--SO-CH CF3PEGNH-Rm PEG-NHC-CHPEG-NHC-CHSRmPEG-0CI2CH一还原PEG-0-C-O-NPEGOC-NH-Rm PEG-OCH,CH,CHmPEG-OCH2CH2 CH, NH-RmPEG-O(CH2C-O--PEG0-C-OPEG-OCNH--RPEG C CH,)CNH-R中国煤化工FG-0-C-CC-C-0-1CNMHG PEG S CHCHS RPEG0CCHCHC-NH最近研究较多的还有PEG与离子型聚合物如壳聚糖、聚氨基酸的共聚物7。PEG与壳聚糖、聚氨基酸的共聚物的制备方法通常是先通过rEG或聚乙二醇单甲醚上的羟基的反应活性接高分子通报2004年8月上能够容易与—NH反应的活性端基然后再与壳聚糖或聚氨基酸上的一NH’反应制得PEG改性的壳聚糖或聚氨基酸。表1给出了几种PEG衍生物及与含一NH,的聚合物的反应产物的结构1利用不同嵌段或接枝)瑢解或带电性能的差异通过适当方法,可获得共聚物的纳米粒或胶朿这种纳米粒具有较稳定的核壳结构疏水部分位于內部形成内核而亲水的PEG链段处于表面形成壳层。药物被包裹于内核或吸附于表面以扩散释放或融蚀释放的形式释放并发挥药效。PEG修饰的共聚物纳米粒的制备方法除了前面提到的透析法和乳化/溶剂蒸发法外还有沉淀/溶剂蒸发法、复乳法、离聚物复合汯PIC法)等。为使PEG修饰的共聚物纳米粒成为较理想的药物传输体系首先要保持纳米粒的稳定性其次要求纳米粒具有一定的载药能力第三要调整聚合物的组成和比例使其具有良好的控释性能此外还要尽量降低载药纳米粒的毒性。PEG修饰的共聚物纳米粒与游离药物或传统剂型相比表现出高效低毒的优点。Ki等ν体外细胞毒性试验表明人纤维细胞在携带消灸痛(IMC肭的 PEO-PPO-PEO-PCI共聚物纳米粒中3d存活率为80%而在游离IC中小于5%。并且随药物IMC浓度上升这种趋势增大。作者所在课题组采用熔融缩聚法合成了聚乙二醇单甲醚/聚乳酸两亲性二嵌段共聚物并以紫杉醇为模型药物制备了载药纳米粒(PMT),以生理盐水注射为空白实验, Taxol注射为对照实验考察PMT对昆明鼠肝癌H2的疗效。结果表明axo和PMT对肿瘤均有抑制作用且随着剂量的增大抑制效果越明显。但在相同剂量条件下,PMI抑制肿瘤生长的效果明显优于 Taxol,当PMT的剂量为10mg/kg时肿瘤重量几为空白实验的一半抑制率高达39.1%说明PMT对昆明鼠肝癌H22的生长具有很好的抑制作用102蛋白质药物的PEG修饰随着基因工程及化学合成技术的发展越来越多的蛋白质药物被研制出来并在临床应用中表现岀许多独特的疗效。与传统的小分子药物相比这类药物具有在体內半衰期短、易降解、易失活、在胃肠道内不易被吸收及需要大量服用以维持药效等缺点使其应用受到限制。1977年,Abu-chowski等发现用PEG修饰过的蛋白质比未修饰的蛋白质更加有效。药用蛋白质经PEG修饰后提高了水溶性降低或消除了免疫原性有效地延长了半衰期很大程度上保留生物活性大大提高药用蛋白质的生物利用度。这主要是由于覆盖在蛋白质表面的PEG链阻止了免疫细胞与蛋白质之间的作用并防止蛋白质水解失活。在过去的近30年中,蛋白质的PEG修饰技术得到了快速发展自1991年PEG修饰的腺昔脱氢酿 PEG-ADA道次获FDA认可以来迄今已有40多个PEG修饰的蛋白质药物被用于临床治疗各种疾病。PEG末端的羟基是其化学反应的功能基团但必须在较激烈的条件下才能与其它基团发生反应。为使蛋白质能在温和条件下以较高的速率与PEG偶联须先对PEG进行活化将其端羟基转变为其它活性基团。活化方法很多如醛 PEG-CHO胺化 PEG-NE2)叠氮PEGN3)异氰酸酯伥 PEG-NCO)羧基伥PEG(OOH端烯基化和易离去基团活化泫(如 PEG-CI)等。活化的PEG与蛋白质分子侧链上的活性基团进行反应广其团主包圩氨基、巯基和羧基1]在修饰蛋白质时PEG可有选择的与活性基团进行中国煤化与蛋白质具有更良好的性能12.目前为了避免在修饰过程中发生交联和CNMH④采用的是单甲氧基聚乙二釀mPEG)其性能和PEG相似PEG与蛋白质偶合时有三种方式131分别是单个大分子量PEG修饰蛋白质的单一位点星形PE(两个或更多的中等分子量PEG通过交联连接在一起膽修饰蛋白质的单一位点及几个小分子量PEG修饰蛋白质的多个位点。理论上由于在受体结合域内受体与PEG结合的机会减少因此第4期高分子通报多位点的PEG修饰往往会导致蛋白质部分甚至全部失去生物活性而单一位点被PEG修饰的蛋白质应该具有较高的活性。被修饰的蛋白质的半衰期皆有明显提高Nuci等1报道每个酶分子接有多个PEG-5000链段的酶在老鼠体内的半衰期为未经修饰酶的6.4倍影响PEG修饰过程的主要因素1有瀣白质浓度、蛋白质与PEG修饰剂的摩尔比、修饰反应的pH值和离子强度、修饰反应温度、修饰反应持续时间等。一般说来修饰率越高蛋白质抗原性降低越明显活性损失也越大。通过正交实验设计选择适宜的修饰反应条件冋时对一个或多个影响因素进行控制可得到所需的经PEG修饰的蛋白质药物不同分子量的PEG的修饰结果不同早期的蛋白质修饰研究常用分子量为5000的PEG。随后研究人员发现采用更高分子量的PEG进行键合被修饰过的蛋白质具有更多的特殊性能和更长的半衰期l6。 Leuze等报道了一种新的PEG修饰的α干扰素(a-IFN)PEG与氨基进行键合其中所用PEG分子量高达40000目前正在临床试验阶段17最近一种PEG修饰的粒性白细胞刺激素获得了美国FDA市场准入商品名为 NEULASTATM其中的PEG分子量为2000418近来国内这方面的研究报道也不少但大都停留在基础研究阶段。史凌洋等1使用活化的单甲氧基聚乙二釀mPEG对L天酰胺酶进行修饰修饰过程中加入底物L-天冬酰氨保护酶的活性中心。得到的修饰酶抗体结合能力消失保留酶比活力为32.8%酶的常温稳定性和热稳定性均有显著提高。荧光胺法分析残余氨基数目得岀酶分子的9个自由氨基中有51个与修饰剂结合。田□等∞以几种不同方法活化的PEG5000对干扰素进行修饰并对修饰条件、修饰后干扰素生物活性进行了初步比较。相同反应条件下单甲氧基聚乙二醇甲酸琥珀酰亚胺酯SC-mPEG)的选择活性较单甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亚胺酿SSπFEG寫滈聚乙二醇甲酸琥珀酰亚胺酯(BSC-mPEG)油于有两个活性基团选择性与SS-mPEG相近。PEG修饰剂会使干扰素分子间形成交联修饰后生物活性损失较大而mPEG修饰剂当修饰率保持在30%以內时,干扰素生物活性较好。3疏水性药物的PEG前药许多优良的疏水性药物如紫杉醇由于极难溶于水和毒性大而限制了其在临床上的应用。通过前药化可以解决上述问题因此疏水性药物旳水溶性前药的硏究开发越来越受到人们的重视。前药是指活性原药的化学衍生物,般是无活性的,在体内经酶促或非酶促反应释放岀原药而发挥疗效其目的在于提高药物生物利用度增加药物稳定性减小毒副作用促使药物长效化掩饰不适异味等21PEG与药物的键合方式有永久键合和非永久键合两种。蛋白质药物的修饰中PEG与药物的键合属永久键合药物发挥药效无需也不能使键合断裂。而前药中PEG与药物的键合属非永久键合在前药中PEG与药物的键合在一定条件下(如酶解或水解)以断裂释放出原药发挥药效。与大量蛋白质的PEG修饰研究工作相比其它药物与PEG永久键合的报道则很少原因在于从其它药物与IG键合后的性能来看非永久键合前药要优于永久键合尤其是在抗癌药物如紫杉醇衍生物)的研制方面这一点更加明显2疏水性药物的PEG前药可以提高原药的水溶中国煤化工期对于毒性较大的药物还可以减小其毒副作用因此PEG在前药中的CNMHG科学家们把其中PEG的分子量低于20000的前药称为低分子量PEG前药而把PEG的分子量高于2000称为高分子量PEG前药低分子量PEG前药研究方面 Greenwald等23在1994年将酸化的PEG与紫杉醇在二异丙基碳化二亚胺DIPC和二甲胺基吡啶存在下偶联得到产率为90%~95%的2-PEG5000紫杉醇酯100高分子通报2004年8月见图1)并且证明可以用作前药。在pH为7.4的PBS缓冲液中其半衰期为55h而在小鼠血浆中则可观察到一个快速的突释过程其半衰期只有大约1h。活体实验表明该前药与紫杉醇相当或略好。 Zacchigna等卲用P(mw=1500分别与两种抗癌药物 Acyclovir(一种合成嘌吟核甘类似物厢和 valacyclovir( Acyclovir的一种衍生物)键合制得了他们的前药。体外释放试验表明在pH值为7.4或5.5的缓冲液中两种前药都是稳定的但当pH值为1.2时只有 valacyclovir的前药稳定。用高效液相色谱HPLC对两种前药在各种pH值缓冲液中原药的释放量进行观察发现valacyclovir的前药要优于 Acyclovir24h可达到40%。在前药应用中高分子量(mw>20009PEG要优于低分子量(mw<20000EG高分Drug-OH子量PEG可更加有效地延长药物在体内的半2,3,4衰期, Yamaoka等25曾报道隨随着PEG分子量的增大前药被肾过滤清除的速度降慢半衰期1 PEG Aci随之增长。例如当PEG分子量从6000增加到2 P=Mped( mw=5000 ) Drug=2 -paclitaxel3 P=PEG Drug=2-paclitaxel50000时其在体内的半衰期从约18min延长至4 P=PEG Drug=20-camptothecin16.5h。半衰期延长提供了控制药物按照治疗需要的速度进行释放的可能。图1聚乙二醇前药高分子量PEG在前药中的应用始于用聚Figure 1 PEG prodrugs乙二醇二酸合成紫杉醇的PEG40000酯类衍生物。( greenwald等对此进行了广泛的研究制备出一系列高分子量PEG紫杉醇前药在治疗HT-29(结肠)A549肺癌细胞时显示出明显的抗癌效果26-8。其治疗效果可能源于以下两个方面第一源于聚合物的高分子量以及酯键相对较慢的分解速度使得前药具有较原药更长的半衰期利于药物的持续释放第二高分子量PEG的键合可能会有选择性地聚集在癌细胞周围利于实现主动靶向。高分子量PG紫杉醇前药已经拓展到含有连接臂的前药路线(PEG-连接臂一原药)作为连接臂的物质必须具有多个功能基团经过众多试验发现氨基酸对绝大多数抗癌药物而言是最有效的它不仅可以降低毒性还可以提高前药的各种性能。李金亮等3通过不同的氨基酸把紫杉醇连接在分子量不等的PEG分子上制备岀一系列水溶性紫杉醇衍生物这些衍生物体外抗癌活性比紫杉醇好。冯霞等3将紫杉醇连接到经氨基酸修饰的PEG分子上制得了新型紫杉醇前药研究表明此类紫杉醇前药水溶性良妚达紫杉醇的200~400倍)对乳腺癌MCF7细胞和非小细胞肺癌PG细胞有很强的抑制作用效果与紫杉醇相当表明上述方法是解决紫杉醇水溶性及给药方式问题的可能方法之4结束语由于聚乙二醇具有亲水性强和生物相容性好等许多优点与其它物质键合后又能将其优点带入因此采取聚乙二醇路线来设计新的药物传输系统是很有前途的。随着化学、材料学、医学、药学和生物学等学科的发展及交叉应用聚乙二醇在中国煤化工会越来越广泛。参考文献CNMHG姚日生蓮岸杰刘永琼.药用高分子材料,北京北学工业出版社2003,86~193[2] Peracchia M T Gref R Minamitake Y et al. 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