聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展 聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展

聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展

  • 期刊名字:生物技术通讯
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  • 论文作者:张海艳,王堃,胡春生,邹云鹏,杨晓曦,张庆林
  • 作者单位:中南大学药学院,军事医学科学院放射与辐射医学研究所
  • 更新时间:2020-03-23
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论文简介

物技术通讯LETTERS IN BIOTECHNOLOGY Vol 26 No I Jan, 2015135do:10.3969isn.1009-0002.201501.030综述聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展张海艳2,王堃2,胡春生2,邹云鹏2,杨晓曦,张庆林21.中南大学药学院,湖南长沙410013;2.军事医学科学院放射与辐射医学研究所,北京100850[摘要]以高聚物作为载体,携带各种活性化合物组成药物释放系统,在现代医疗中发挥了巨大的作用。高分子偶联物不仅可以改变药物的药动学特征,还可以通过偶联特异性的物质使药物具有主动靶向性。目前研究最广泛的高分子载体是聚乙二醇。聚乙二醇通过与肽链、抗体、酶等活性化合物偶联,可以提高药物溶解度,延长循环半衰期,减少非特异性摄取,增加靶向性。已有很多聚乙二醇修饰的药物上市,也有很多尚处于临床研究阶段。大部分聚乙二醇化药物的临床研究表明,聚乙二醇修饰的药物确实可以提高药效、降低毒副作用。但关于聚乙二醇修饰小分子药物的设计依然需要进一步研究和完善。我们主要讨论聚乙二醇修饰小分子药物的设计和应用。[关键词]小分子药物;聚乙二醇;高分子偶联;靶向[中图分类号]R9![文献标识码]A[文章编号]1009-0002(2015)01-0135-05Research Progress in PEG ProdrugZHANG Hai-Yan, WANG Kun?, HU Chun-ShengZOU Yun-Peng, YANG Xiao-Xi, ZHANG Qing-Lin*1. School of Pharmacy, Central South University, Changsha 410013; 2. Institute of Radiation Medicine, Academyof Military Medical Sciences, Beijing 100850; ChinaCoRrespondingauthorE-mail:qinglz(@yahoo.com[Abstract] The field of drug delivery system utilizing polymeric carrier, which covalently conjugates molecule ofinterest, plays an important role in modern therapeutics. In this model, it was envisioned that not only could thepharmacokinetics of the drug attached to the polymeric carrier be modulated but also that active targeting couldbe achieved if a homing moiety was introduced to the same polymeric carrier. Recently, polyethylene glycol(PEG)is the most widely used as polymeric carrier. PEGylation of peptides, proteins, drugs and bioactives is known toenhance the aqueous solubility of hydrophobic drugs, prolong circulation time, minimize nonspecific uptake, andachieve specific tumor targetability. Numerous PEG-based therapeutics have been developed, and several have received market approval. A vast amount of clinical experience has been gained which has helped to design PEGprodrug conjugates with improved therapeutic efficacy and reduced systemic toxicity. However, more efforts in designing PEG-based prodrug conjugates are anticipated. In light of this, the paper highlights synthetic advances inPEG prodrug conjugation methodologies with varied bioactive components of clinical relevance. In addition, this paper discusses FDA-approved PEGylated delivery systems, their intended clinical applications[Key words] prodrug: polyethylene glycol; polymer-drug conjugates: targeting药物释放系统与药物结合起来的做法被称为聚合物治疗,包括纳米医学在近几年内已经引起人们的广泛关注。聚常规(游离)药物的多种药理学性质可以通过应合物治疗有以下几个优点:提高水溶性;提高对体内用药物释放系统( drug delivery system,DDs)而得以各种酶的稳定性并降低网状内皮系统对药物的摄优化。DDS主要由脂质体或高分子聚合物组成的微取;使药物具有一定的靶向性。1975年, Lengdorf提粒载体及与之连接的药物构成。设计DDS旨在改变出了高聚物偶联药物模型,该模型是由以下三部分其承载药物的药代动力学和生物分布或发挥药物储组成:聚合物作为载体;生物活性化合物;连接臂或库作用(如缓释系统)。利用聚合物作为药物释放系靶分子。聚乙二醇( polyethylene glycol,PEG)因其统在目前的医学中发挥了重大作用。这种将聚合物独有的两亲性和生物相溶性,称为目前应用最为广泛的聚合物类载体。自从1970年, Abuchowsk成功收稿日期:2014-04-21作者简介:张海艳(1989-),女,硕士研究生地将PEG偶联到牛血清蛋白上,并发现可以有效改通信作者:张庆林,(E-mail)qinglz@yahoo.com变其免疫性质后,相继出现了一系列的PEG偶联药生物技36术通讯LETTERS IN BIOTECHNOLOGY VoL 26 No I Jan, 2015物。现在PEC修饰物已从肽链酶、抗体H等大分种活性官能团,如-COOH、-OH、-SH和NH2。聚乙子物质发展到小分子药物,尤其是小分子的抗肿瘤二醇的形式变得多样化,但聚乙二醇的结构是链式药物,如紫杉醇、吉西他滨、喜树碱等吲。经过几十年的,只有链的末端拥有活性基团,这限制了它的载药的研究,已有很多聚乙二醇修饰小分子药物进入临量。因此,们考虑将二羧酸氨基酸偶联到聚乙床研究阶段。醇上,使其具有更多的反应位点,同时也开发了多支链的聚乙二醇。通过这些手段,大大增加了聚乙2聚乙二醇的性质和发展醇的应用范围。但多支链或多羧基的聚乙二醇由于空间位阻的原因,导致反应性能低下。这时人们通聚乙二醇是一种水溶性聚合物,由重复的氧乙过偶联氨基酸来降低位阻,可以提高反应性能。总烯基单元组成,通过环氧乙烷缩聚反应合成结构为之,聚乙二醇形式的选择要与活性化合物的结构及HO-( CH, CH2O)n- CH,CH,OH。但因为该物质两端研究目的结合起来,才能达到理想效果"。表1是都有羟基,不利于各种化学反应,于是单甲氧基聚乙聚乙二醇自身的发展过程。二醇mPEG应运而生。mPEG是利用甲氧基引发的阴离子开环聚合而成的,其结构式为CH3O-3聚乙二醇修饰小分子药物的设计与合成(CHCH0)n- CH2CH2OH。聚乙二醇是迄今应用最为广泛的聚合物,主要有以下优势-n:①分散度低聚乙二醇修饰小分子药物可以改变化合物的理相对分子质量(M)小于5000的分散度为101,大于化性质,且大部分的前药是在达到特异性的作用靶5000的分散度为1.1,且M分布较广,有较大的选择点后才被活化而发挥药效的。在很大程度上,聚乙性;②独特的两亲性其独特的结构使得它既溶于有二醇使得药物能持续且稳定地作用于特异性的细胞机溶剂也溶于水,可对其终端进行各种化学改造,或或器官。一般来讲,聚乙二醇修饰小分子药物分为与其他活性分子进行化学偶联;③无免疫原性:在水2种:第一种是被动靶向性的药物释放系统,由于溶液中,每个重复的氧乙烯基单元都可以携带2-3EPR效应具有被动靶向性。第二种是靶向性的药物个水分子,因此水溶性极好;同时由于聚乙二醇的骨释放系统,由载体、活性化合物、靶分子组成,有时还架具有很高的柔性,它与相同分子质量的蛋白相比需要连接臂将它们偶联起来;靶分子的选择依据需溶解性高出5-10倍;可以排阻蛋白,降低免疫原性求而定,常用的有抗体抗体片段、各种具有特异性和抗性阻止哺乳动物细胞和酶降解;④无毒性虽的物质。前者可以依靠细胞内pH值酶等选择性水然M小于400的聚乙二醇有毒,但研究表明M大于解,具有一定的特异性;后者则是依靠靶分子的特异1000聚乙二醇是无毒的,且已在各种食品、化妆性使药物具有主动靶。品和药物中被使用;⑤可生物降解:聚乙二醇在体内最常用的是直链的单甲氧基聚乙二醇将活化不经过任何结构变化而直接被清除,且清除率是依的小分子药物的一端与聚乙二醇一端的官能团偶据M来确定的,M小于20000的通过肾脏代谢,而联。这种方法副反应少,反应条件较易达到。通过更大分子的则可经过消化系统代谢。这种简单的偶联,可以改变药物的理化性质提高溶为了将聚乙二醇与各种活性化合物偶联,人们解度,达到缓释的目的,更可进一步提高生物利用对聚乙二醇进行了各种改造,将它的末端改造成各度,降低毒性,如聚乙二醇修饰的抗肿瘤药物紫杉表1聚乙二醇发展过程时间聚乙二醇形式应用1970~1980PEG-三氯嗪有免疫原性和毒性、高分散度、无选择性酶修饰PEG-琥珀酸PEG-三氟乙基磺酰基单甲氧基1980-1990PEG-醛基特殊位点偶联、低分散度、少量二醇酶置换PEG-琥珀酸碳酸酯PEC-对硝基苯碳酸酯PEG-氨基酸-氮羟基琥珀酰亚胺PEG-羰基咪唑1990-2000PEG-马来酰亚胺选择性强修饰细胞因子类、激素类PEG-氮羟基琥珀酰亚胺抗肿瘤药物等EG-邻二硫吡啶基2000可释放的PEG更精确地改变修饰物的性质,与基因工程结合修饰寡聚核苷酸支链PEG用于新药开发星状PEG单分散PEG张海艳等:聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展137醇。但直链聚乙二醇在具备以上优点的同时,也有线化疗药物。但该药物半衰期短,毒性大,这大大限它不可忽视的缺点,即载药量低。因此,人们对直链制了该药物的临床应用。为了突破这些限制,研究聚乙二醇做了各种改造来增加载药量。将聚乙二醇者对其进行了一系列结构修饰。 Pasut等以聚乙二与多羧酸氨基酸偶联得到支链聚乙二醇,以此来增醇作为连接臂,将吉西他滨和叶酸偶联起来,以提高加反应位点。支链聚乙二醇拥有伞状结构,这种结药物的靶向性。他们以一端为氨基一端为羧基的聚构使其具有更多的反应位点和更大的分子,且在蛋乙二醇为原料,叶酸的羧基与聚乙二醇的氨基偶联白质药物和小分子药物中都应用广泛,如聚乙二醇后得到叶酸-聚乙二醇偶联物,该物质与吉西他滨偶修饰的吉西他滨。随着技术的进步,人们开发了星联。同时,为了增加载药量,用了与前文类似的方状聚乙二醇。星状聚乙二醇拥有多个末端,每个末法。该目标物在不同pH值缓冲液及血浆中的稳定端可以作为一个反应位点。目前,有关星状聚乙二性良好,且药动学研究表明,偶联物的清除率降低醇的实际载药量及其对药物药动学性质的实际改变半衰期明显延长,生物利用度明显提高。体外实验尚存争议。只有聚乙二醇修饰的伊立替康应用了星中,研究了目标物对HT-29KB-3-1细胞的抑制作状聚乙二醇。用,都具有活性,但进一步的靶向性研究要通过动物聚乙二醇的M分布较广,选择性多种多样。M,实验进行。小于1000的聚乙二醇偶联药物后,形成稳定的新化42表柔比星合物,可以提高药物的口服生物利用度,降低血脑屏表柔比星属于抗生素类抗肿瘤药,通过直接嵌障的渗透,如聚乙二醇修饰纳洛酮。M,大于1000的入DNA碱基对,干扰转录过程,阻止mRNA的形成,聚乙二醇偶联药物后,形成可在特定条件下释放药从而抑制DNA和RNA的合成。临床上用于治疗急物的前药,可以提高药物的溶解度,延长循环半衰性白血病和恶性淋巴瘤、乳腺癌、支气管肺癌、卵巢期,改变药物的生物分布。癌、肾母细胞瘤、软组织肉瘤、膀胱癌、睾丸癌、前列活性化合物则应满足以下条件:药理活性高;药腺癌、胃癌、肝癌及甲状腺髓样癌等多种实体瘤。但物结合态稳定;分子有适宜的功能基团用于修饰;药该药物对肝脏毒性较大,为了减轻毒性,研究者们对物与分子间结合的化学键能在特定环境或特定酶存其进行了各种修饰。 Pasut等"研究了表柔比星的聚在的情况下断裂,释放药物。靶分子根据具体靶标乙二醇修饰。一氧化氮可以提高表柔比星的活性来确定。连接臂根据需要而定,并不是必需的。各因此作者将表柔比星和一氧化氮释放因子连接起来种聚乙二醇修饰小分子化合物受人体内环境影响较以达到增加药效、提高生物利用度的目的。该实验大,释放活性药物的方式也多种多样。以一端为羧基、一端为羟基的聚乙二醇为原料。先总体而言,聚乙二醇前药设计中的每个环节都将聚乙二醇的羟基活化后与表柔比星偶联,然后活很关键,聚乙二醇直链构型、支链构型及链端的官能化聚乙二醇的羧基端与氨基酸反复多次偶联,最后团,活性化合物的反应位点对活性的影响,靶分子的利用氨基酸暴露的羧基与一氧化氮释放因子偶联得特异性,偶联物的稳定性,偶联物可能的裂解方式等到目标产物。体内实验表明,其抗肿瘤活性明显高都要综合考虑,才有可能设计出高效的药物。这要于未修饰的表柔比星。求人们在进行设计时,要充分掌握所研究药物的特4.3喜树碱性,采用合理的设计和适当的合成方法,才可能得到喜树碱是从我国喜树中提取的一类植物抗癌药理想的结果。物,其中喜树碱和高喜树碱都已被美国FDA批准上市,用于治疗结肠癌和非小细胞肺癌。但其毒性大,4聚乙二醇修饰小分子化合物的应用尤其是对胃肠道。Paranjpe等以叶酸作为靶分子,将喜树碱通过经过几十年的研究,已有很多聚乙二醇修饰小甘氨酸连接在聚乙二醇的一端,叶酸连接在另分子药物进入临床研究状态。聚乙二醇修饰小分子端。偶联物在叶酸受体过表达的KB细胞中的行为药物的应用较为广泛,其中最具代表性的是紫杉醇证明了其靶向性。体外细胞毒性实验表明,偶联物类和喜树碱类。研究较多的还有各类常用的结构较的细胞毒性强于游离的喜树碱。靶向性的偶联物为简单的抗肿瘤药物及较少的几种非抗肿瘤药物。CPT-Cly-PEG- folate比非靶向性的CPT-Cly-PEG4.1吉西他滨的细胞毒性强16倍,而CPT-Cy- folate的毒性与游吉西他滨用于治疗不能手术的晚期或转移性胰离的CrT相当。进一步证明PEG本身拥有被动靶向腺癌及局部进展性或转移性非小细胞肺癌,以及膀性,结合主动靶向接头后具有强大优势。胱癌、乳腺癌及其他实体肿瘤,是应用非常广泛的Fleming等"将M为3400的聚乙二醇通过各种物技讯138术通LETTERS IN BIOTECHNOLOGY VoL 26 No I Jan, 2015类型的连接与喜树碱的20位羟基偶联,并考察了其Ⅱ期临床剂量在不给予骨髓生长因子时是10mg在不同pH值磷酸盐缓冲液中的稳定性。结果表明,m,给予骨髓生长因子时是16.5mg/m2。Ⅱ期临床其水解速度最少降低至15。体外毒性实验考察了研究表明,该药物对之前有效的各种疾病依然有效,药物在神经胶质瘤细胞中的毒性,结果表明偶联物且对于对紫杉醇、喜树碱、铂类药物易产生耐药性的有一定的细胞毒作用,但C值高于游离的喜树病人依然有效。从Ⅱ期临床结果来看,该药物很有碱。但从药代动力学角度,考虑到缓释作用,综合的可能进入Ⅲ期临床试验。目前没有进一步的报道。ICs值是高于游离喜树碱的。在雄性 FISHER小鼠4.6PEG-伊立替康(NKTR-102)体内实验中,对不同给药时间的小鼠脑组织进行取NKTR-102是将4支链的PEG偶联到伊利替康材,通过免疫组化分析方法,证明了偶联物在大脑中的羟基上,且伊利替康的活性代谢产物是SN-38蓄积的浓度远低于游离喜树碱,但可以存在较长时该偶联物在小鼠血浆中的半衰期为15d,而伊利替间。表明偶联物在体内可以达到缓释的效果。康只有4h,相比之下提高明显。Ⅰ期临床研究中,44多柔比星注射该药物后,血液中蓄积的SN-38的量是注射伊阿霉素是一种抗肿瘤抗生素,可抑制RNA和利替康后的12-6.5倍。每3周注射一次的最大致死DNA的合成,对RNA的抑制作用最强,抗瘤谱较广,量为115mgm3。毒性反应都在可控范围内。与5-对多种肿瘤均有作用,属周期非特异性药物,对各种氟尿嘧啶联合用药治疗实体瘤已进入I期临床。治生长周期的肿瘤细胞都有杀灭作用。主要适用于急疗各种实体瘤包括卵巢癌和结肠癌等已进入Ⅱ期临性白血病,对急性淋巴细胞白血病及粒细胞白血病床研究,治疗转移性乳腺癌巳进入Ⅱ期临床。均有效,一般作为二线药物。对乳腺癌、肉瘤、肺癌、4.7PEG-纳洛酮(NKTR-118)膀胱癌等其他各种癌症都有一定的疗效,多与其他阿片样药物一般用于缓解病人在医疗事件中遭抗癌药联合使用遇的各种严重疼痛,包括骨性关节炎、癌症、慢性背Veronese等以不同的小肽为连接头,合成了一部疼痛等。但阿片样药物会使小肠和空肠运动迟缓系列的聚乙二醇修饰多柔比星衍生物。偶联物在小而引起便秘,尤其是长期使用阿片样药物的病人,约鼠肝脏溶酶体酶溶液中的释放行为表明不同的肽链有50%左右频繁便秘。纳洛酮属于阿片受体拮抗会引起不同的释药行为,但不同M的聚乙二醇偶联剂,主要用于解救麻醉性镇痛药急性中毒,拮抗这类物的差异却很小。对B16F10细胞的毒性试验表明,药的呼吸抑制,以及解救急性乙醇中毒。但纳洛酮偶联物的毒性只有多柔比星的1/100~1/10。偶联物口服无效,须注射给药,且吸收迅速,易透过血脑屏在小鼠体内的半衰期明显延长,聚乙二醇分子越大,障,代谢很快,在人体内血浆半衰期为30-78min,半衰期越长。但实验表明,聚乙二醇在增加药物对需要持续给药。PEG-纳诺酮利用小分子偶联技术,肿瘤的暴露剂量时,也增加了其对正常组织的暴露将M为340的支链PEG与纳洛酮偶联,降低了纳洛剂量。因此,综合评价认为聚乙二醇5000修饰的偶酮进入中枢神经系统的能力,延长了半衰期。PEG-联物有更好的药效。在B16F10黑色素瘤模型中,考纳洛酮是口服的片剂,只须每天给药一次,相比须静察PEG5000-GFLG-Dox的药效,结果表明通过调整脉给药的钠洛酮减少了给药频率和给药难度,给病给药方式,最终使得偶联物大大提高了小鼠的存活人和医生都带来极大的便利。这也给其他阿片受体率和存活天数,有很好的研究前景。拮抗剂提示了一个新的开发方向。临床研究表明,4.5PEG-7-乙基-10-羟基喜树碱(EZN-2208)"PEG-纳洛酮克服了纳洛酮半衰期短的缺点。EZN-2208(PEG-SN38)是通过甘氨酸将喜树碱衍生物SN-38与4支链的M为40000的PEG连接5结语而成的。该偶联物的载药量为37%,水中的溶解度是原药的1000倍。在人体血浆中的半衰期为123近30年来,聚乙二醇在化合物修饰中得到广泛min,虽然很短,但依然可通过EPR效应在体内蓄应用,但聚乙二醇前药的研究迄今无论是在理论上积。临床前研究表明,在乳腺癌、结肠癌等动物模型还是实际合成手段上都没有大的突破。一直以来,中,该药物的药效强于伊立替康,毒性较低。Ⅰ期临研究者都只是集中精力于方法学上的推广,期待通床剂量逐渐上升实验中选择了6种剂量(1.25、2.5、过大量合成筛选,得到活性高的化合物。但这显然5、10、165和25mg/m3),每3周给药一次,测得的最是耗时耗力的,甚至有些聚乙二醇前药进入了I期大耐受剂量是16.5mg/m2。但在给予骨髓生长因子临床研究后发现药效与预期差异较大而被迫停止研作为预防时,每3周给药一次,给药剂量从165mg/究,如聚乙二醇修饰紫杉醇。可能是因为聚乙二醇m2开始测得的最大耐受计量是25mgm2。推荐的前药在动物和人血浆中的稳定性差异较大,导致临床前研究数据对临床研究的指导意义不大。因此,张海艳等:聚乙二醇修饰小分子药物的研究进展在今后的研究中要弄清理论依据,以此来指导基础 ent tumor- targeted drug delivery based on EPR-efet研究和临床试验。Eur J Pharm Biopharm, 2009. 71(3): 409-419这就要求研究者们在设计聚乙二醇前药时综合Mhn.1mW, Cheng K, Prodrugs for improving tumor tar-考虑各种因素,以最低的成本开发出对人类有利的wetability and efficiency[J. Adv Drug Deliv Rev, 2011, 63(8659-670.药物。在聚乙二醇前药设计上,有以下几个难点需 Pasut G, Veronese F. Polymer-drug conjugation recent achieve要攻克。首先,要进一步了解聚乙二醇与蛋白质细ments and general strategies[J]. Prog Polym Sci, 2007, 32(8)胞的相互作用机制,进一步丰富理论知识,有助于我们更好地预测药物在体内发挥药效的过程。其次[9] Qiu L Y, Bae Y H. Polymer architecture and drug deliveryPharm Res,2006,23(1):1-30.聚乙二醇修饰的活性化合物中,有的是形成永久性1 lO Pasut G. Canal F, Dalla Via L, et a. antitumoral activity of连接,有的却是可以裂解的连接。这就要求我们对PEG- gemcitabine prodrugs targeted by folic acid[]. J Con偶联物的稳定性及在体内的裂解方式有充分的了rolled Rel,2008,127(3):239-248.解。最后,聚乙二醇修饰蛋白质药物的各方面技术 Pasut G. Greco F,MeoA.ea. Polymer-drug conjugates已经较为成熟,但对于聚乙二醇修饰小分子药物依for combination anticancer therapy: investigating the mecha然有很多问题有待解决其中分离纯化手段及质(21 Paranipe P. Stein S, Sinko P. Tumor-targeted and activ量标准的建立是研究重点。ed bioconjugates for improved camptothecin delivery[J]. Anti虽然聚乙二醇修饰活性化合物存在一些难点需cancer Drugs,2005,16():763-775要突破但不得不说它有着强大的生命力。目前,聚13 leming A B, Haverstick K, Saltzman W M. n vitro cytotoxIc乙二醇修饰活性化合物已经不限于蛋白质药物、小ity and in vivo distribution after direct delivery of PEG-camp-分子药物,而是发展到了寡核苷酸。这是一个全新agates to the rat brain[J]. Bioconjugate Chem,2004,15(61364-1375的应用,为聚乙二醇修饰活性化合物提供了一个新14 Veronese F M., Schiavon o, Pasut G,eta.PEG- doxorubicin的方向。总体而言,聚乙二醇修饰活性化合物研究jugates: influence of polymer structure on drug release, in有着巨大的挑战和广阔的前景。vitro cytotoxicity, biodistribution, and antitumor activity[J]. Bioconjugate Chem, 2005, 16(4): 775-784参考文献[15] Scott L, Yao J, Benson Ill A, et al. a phase II study of pe-gylated-camptothecin (pegamotecan) in the treatment of locally advanced and metastatic gastric and gastro-oesophageallI Duncan R. Polymer conjugates as anticancer nanoCancer Chemother PharmacolNat Rev Cancer,20066(9):688-701200963(2)363-370[2] Shashwat S, Aher N, Patil R, et al. 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