创新药物结构设计之"PEG-药物"

题记

最初知道聚乙二醇(PEG)这种物质，是源于大学本科课程《药物制剂》，书中了解到PEG是以多种角色参与到药物的制剂研发过程当中；后来真正的在实践中接触PEG，是源于研究生期间的一个两相反应，由于反应效果不好，故使用了相转移催化剂PEG-400，虽然，并未得到理想的结果，但那瓶黏黏的东东却使我印象深刻...如今，再谈PEG，是基于对创新药物的深入学习，发现其不仅在制剂、合成等实践操作中用得着，竟还可以直接连接到药物分子当中，从而改变药物的性质，故对其在药学中的应用进行简要总结，并希望能在此基础上，更多的发现其它可以对药物进行修饰的“好东东”。

1、PEG简介

PEG是经环氧乙烷聚合而成的，相对分子量在200～8000或者8000以上的乙二醇高聚物，其由重复的氧乙烯基组成，不仅具有良好的水溶性，也能溶于DCM、DMF、苯、乙腈和乙醇等有机溶剂。PEG有2个末端羟基，具有线性的(相对分子质量为5000～30000)或支化的(相对分子质量为40000～60000)链状结构，线性PEG的分子式为H-(O-CH2-CH2)n-OH。常用的PEG有PEG200、PEG300、PEG400、PEG600、PEG1000、PEG2000、PEG4000、PEG6000、PEG10000等，室温下相对分子量为200～600的PEG是液体，相对分子量为1000及以上者是固体。

2、PEG在制剂方面的使用

PEG作为药用辅料至今，已有上百年的历史。由于PEG毒性小，水溶性好，长期以来倍受广大药剂工作者的青睐，广泛的被应用于注射剂、局部用制剂、眼用制剂、口服及直肠用制剂等多种药物剂型。PEG在水中具有较好的溶解性和良好的与药物及其他溶剂的相溶性，相对分子质量小的液体PEG可以在制剂中作为溶剂使用，相对分子力量大的固体PEG可以与难溶性药物制成固体分散体，以促进药物的溶出。
 
PEG200、PEG300、PEG400、PEG600系无色、略有微臭的粘性液体，化学性质稳定，安全低毒，故常作为药物的溶剂。而PEG4000、PEG6000主要是片剂中水溶性润滑剂的典型代表，在片剂处方中可直接加入适量PEG进行整粒，也可将其先配成醇溶液、混悬液或乳液进行制粒，润滑效果不变。利用PEG制得片剂的崩解和溶出不受影响，可提高主药在胃内的溶解性，最终有助于增加生物利用度。除了可用作润滑剂，PEG还可作为粘合剂，其中以PEG4000最为常用，尤其是对于热不稳定药物，若采用PEG4000为粘合剂，可在干燥状态下进行粉末直接压片，效果较为理想。
 
除此之外，PEG还可作为增塑剂以改变聚合物的物理机械性质，使其更具柔顺性、可塑性；作为膜控型缓控释药物的致孔剂；作为渗透促进剂使角蛋白溶剂化，占据蛋白质的氢键结合部位，减少药物与组织间结合，增加并用的其他渗透促进剂在角质层的分配等。

3、PEG在合成方面的使用

PEG在化学合成方面的应用也有相当长的历史，在组合化学和有机化学中得到了广泛的应用，它可以提供均相反应条件，并具有便于纯化和容易分析的优点，因此PEG作为溶剂、催化剂越来越多地应用于实验室研究和工业化生产中。
 
作为溶剂，近年来的研究倾向于PEG的“绿色”，凭借其在室温和高温条件下的粘性、低毒性、热稳定性、价格低廉、无挥发、可生物降解、对环境友好等特点，其在合成化学和非均相催化方面得到了越来越多的关注，如Heck反应、Suzuki偶联反应、氧化反应、还原反应、加成反应和不对称aldo反应等。且PEG在不同的温度下有不同的溶解度，可以与水、二氯甲烷、醇、丙酮等溶剂互溶。但是PEG不溶于乙醚、正己烷等溶剂，所以可以用来沉淀PEG，从而可以使PEG和溶质得到分离。目前，已经有大量文章报道了PEG是可以重复使用的溶剂。
 
而在催化方面，由于PEG的链状结构可折叠成不同大小的空穴，链节可以折叠成螺旋状并自由滑动的链，形成类似冠醚的形状，因而它能与不同大小的金属离子络合而进行相转移催化反应。在液-液相中反应效果虽不佳，但对钠、钾等金属盐所参与的反应有良好的催化作用。对于不同盐类参与的反应，PEG400-1000是常用的催化剂，研究表明，PEG400，由于其分子量适中，尤其是两个极性末端羟基的相对比例高，更适合于催化Na+、K+的盐参与的反应；由于水溶性较强，通常在反应完成后用水即可洗去催化剂和盐类副产物，使产物的处理过程大大简化。用PEG400作为相转移催化剂，由于其容易获得，价格便宜，没有冠醚样的毒性问题，也没有季铵盐的分解问题，已被人们广泛地应用于许多液-液、气-液、气-固、固-液两相有机化学反应当中。尤其是在无溶剂条件下的固-液反应，PEG400显现了其它PTC所不能比拟的优越性。

4、PEG与药物分子的连接

20世纪70年代，Davis等首次报道用PEG修饰蛋白质，之后相继开展了许多PEG与蛋白质和小分子药物共价结合的研究。药物的PEG修饰即PEG化，是将活化的PEG通过化学方法偶联到蛋白、多肽、小分子有机药物和脂质体上。药物的PEG修饰可分为两个阶段。第一阶段的修饰技术局限于应用相对分子质量低的单甲氧基PEG (<20000)。常用的修饰剂有单甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亚胺酯、单甲氧基聚乙二醇碳酸琥珀酰亚胺酯等，通过酯键或三嗪环将PEG与药物分子偶联，这种非特异性的不稳定连接方式使得一个药物分子经常连接数个PEG分子。如单甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亚胺酯偶联到Lys残基侧链的ε-氨基上，由于蛋白质分子表面一般存在多个Lys残基，加之每个ε-氨基的反应活性不同，修饰产物往往是不同修饰程度及不同修饰位点产物的混合物，这些混合物一般难以分开，不易分离。因此，第1代PEG修饰药物通常表现出不稳定性、较大的毒性和免疫原性，生物活性、药代动力学的性质与原型药物没有本质的改变。
 
以应用相对分子质量高(>20000) PEG修饰剂为特征的第二阶段的修饰技术具有连接稳定、定点修饰、控释等特点。因此，修饰后的药物具有更高的生物活性、更好的物理及热稳定性、更高的产品均一性和纯度。这一阶段PEG修饰技术不仅成功应用于蛋白质、多肽药物的研究，在有机小分子药物和脂质体研究领域内也取得了突破性进展。
 
PEG与药物分子的连接方式大致分为永久键合和非永久键合。前者是PEG通过化学键与药物分子稳定结合，且药物分子仍能有效发挥药效；后者是PEG通过化学键与药物分子间形成不稳定的结合，该类复合物往往需要在一定的pH值或某些特定酶存在的条件下，水解释放出游离药物后才能有效发挥药效。小分子药物一般较少与PEG直接相连，而是通过各类连接臂相连。选择适当的连接臂种类还可达到缓慢释放、靶向释放及增大载药量等目的。通常，连接臂种类主要有4类，pH敏感型连接臂、酶敏感型连接臂、邻位促进型连接臂以及N-曼尼希碱型连接臂。
 
修饰的药物与未修饰的药物相比，往往具有以下突出的优点：(1)更强的生物活性；(2)脂质体对肿瘤有更强的被动靶向作用；(3)更长的半衰期；(4)较低的最大血药浓度；(5)血药浓度波动较小；(6)较少的酶降解作用；(7)较少的免疫原性及抗原性；(8)较小的毒性；(9)更好的溶解性；(10)用药频率减少；(11)提高病人的依从性，提高生活质量，降低治疗费用。

5、两个销售额不错的PEG修饰药物

聚乙二醇非格司亭
非格司亭，是由安进和日本协和发酵麒麟株事会社研发，于1991年2月获美国FDA批准，1991年10月获得日本PMDA批准上市，并由安进和日本协和发酵麒麟株事会社分别负责美国和日本市场销售。非格司亭，是由大肠杆菌表达产生的rhG-CSF，是一种白细胞生长因子，能调节骨髓中性粒细胞的产生，并影响中性粒细胞前体的增至、分化等，该药用于治疗先天性中性白细胞减少症、周期性中性粒细胞减少症、特发性中性粒细胞减少症和骨髓移植及化疗相关中性细胞减少症。聚乙二醇非格司亭(Pegfilgrastim)是长效形式的非格司亭，由PEG与rhG-CSF的N端甲硫氨基共价结合而成。在分子结构中增加PEG，可以降低rhG-CSF的肾脏清除率、减少细胞对药物分子的摄取、减少蛋白水解，使聚乙二醇非格司亭的半衰期显著长于非格司亭。聚乙二醇非格司亭在药效学及FN相关不良事件方面与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)被美国FDA批准上市，2011年中国国家食品药品监督管理局批准石药集团百克(济南)生物制药有限公司生产的PEG化rhG-CSF(商品名:津优力)上市，用于降低化疗后发热性中性粒细胞减少引起的感染发生率。销售额方面，2014年聚乙二醇非格司亭的年销售额为46.86亿美元，位居榜单第8位，2015年的销售额为48.68亿美元，位居榜单第9位。
 
赛妥珠单抗
赛妥珠单抗，是Fab片段的抗TNF-α单克隆抗体，由含214个氨基酸的轻链和含229个氨基酸的重链组成，分子量约91kD。其与PEG(近40kDa，PEG2MAL40K)的结合延长了赛妥珠单抗血浆消除半衰期。赛妥珠单抗不包括Fc片段，因此不能锚定补体或引起抗体依赖细胞介导的细胞毒性。在体外，不能诱导人类外周血衍生的单核细胞或淋巴细胞的程序性细胞死亡，也不能诱导中性粒细胞脱粒作用。有研究显示赛妥珠单抗可抑制单核细胞细胞因子的产生，尤其可抑制LPS诱导的IL-1β的释放。2008年4月获美国FDA批准，2008年5月获欧洲EMA批准，2012年12月获日本PMDA批准，并由优时负责美国、欧洲及日本地区销售。该药批准的适应症为克罗恩病、类风湿性关节炎、银屑病性关节炎和强直性脊柱炎。

6、PEG修饰的药物还有哪些？ 

目前已有许多PEG修饰蛋白质药物用于临床，其中PEG-重组凝血因子Ⅷ、PEG-重组人生长激素和PEG-干扰素等几个PEG修饰大分子药物已相继上市；同时还有更多PEG修饰蛋白质药物正处在临床研究阶段，但尚未见PEG修饰的小分子药物产品。

7、PEG修饰的相关技术关键点

PEG的相对分子量选择
分子量的选择要综合考虑生物活性和药代动力学两方面的因素。已有研究证明，修饰的蛋白药物在体内的作用时间与偶联的PEG数量和相对分子量成正比，在体外的生物活性与偶联的PEG数量和相对分子量成反比，修饰时具体PEG分子量的选择要根据实验确定，一般选择分子量在40000～60000范围内的PEG作为修饰剂。
 
修饰位点的选择
蛋白质PEG修饰时要根据蛋白质构效关系的分析选择不与受体结合的蛋白质表面残基作为修饰位点，这样修饰后的蛋白质能够保留较高的生物活性。有机小分子药物的修饰位点与生物活性无关。理想的PEG修饰技术是根据要修饰的位点选择适当的PEG得到均一性的产品。
 
其它化学因素
(1)修饰反应的pH值；(2)药物与PEG的摩尔比；(3)药物浓度；(4)反应时间；(5)反应温度。PEG修饰反应需要高度的特异性和温和的反应条件，可以控制其中的一个或几个影响因素，得到高产率的目标修饰药物。