ПЭГилирование (или пегилирование ) — это процесс как ковалентного, так и нековалентного прикрепления или объединения полимерных цепей полиэтиленгликоля (ПЭГ, в аптеке называется макроголом ) к молекулам и макроструктурам, таким как лекарство, терапевтический белок или везикула, который затем описывается как ПЭГилированный . [1] [2] [3] [4] ПЭГилирование влияет на получаемые взаимодействия производных или агрегатов, что обычно замедляет их слияние и деградацию, а также элиминацию in vivo. [5] [6]
ПЭГилирование обычно достигается путем инкубации реакционноспособного производного ПЭГ с целевой молекулой. Ковалентное присоединение ПЭГ к лекарственному средству или терапевтическому белку может «маскировать» агент от иммунной системы хозяина (снижая иммуногенность и антигенность ) и увеличивать его гидродинамический размер (размер в растворе), что продлевает время его циркуляции за счет снижения почечного клиренса. ПЭГилирование также может обеспечить водорастворимость гидрофобных лекарств и белков. Доказав свои фармакологические преимущества и приемлемость, технология ПЭГилирования является основой растущей многомиллиардной индустрии. [7]
Методология
Сравнение уриказы и ПЭГ-уриказы ; ПЭГ-уриказа включает 40 полимеров ПЭГ массой 10 кДа. ПЭГилирование улучшает его растворимость при физиологическом pH, увеличивает период полувыведения из сыворотки и снижает иммуногенность без ущерба для активности. Верхние изображения показывают весь тетрамер, нижние изображения показывают один из лизинов, который ПЭГилирован. (уриказа из PDB : модель 1uox и ПЭГ-уриказы из справочника; [8] включено только 36 полимеров ПЭГ)
ПЭГилирование — это процесс присоединения цепей полимера ПЭГ к молекулам, чаще всего пептидам , белкам и фрагментам антител , который может повысить безопасность и эффективность многих терапевтических средств . [9] [10] Он вызывает изменения в физико-химических свойствах, включая изменения конформации , электростатического связывания , гидрофобности и т. д. Эти физические и химические изменения увеличивают системное удерживание терапевтического агента. Кроме того, он может влиять на аффинность связывания терапевтического фрагмента с клеточными рецепторами и может изменять характер абсорбции и распределения.
ПЭГилирование за счет увеличения молекулярной массы молекулы может дать несколько существенных фармакологических преимуществ по сравнению с немодифицированной формой, таких как улучшенная растворимость лекарственного средства , уменьшенная частота дозирования с потенциально сниженной токсичностью и без снижения эффективности, продление срока циркуляции, повышенная стабильность лекарственного средства и улучшенная эффективность. защита от протеолитической деградации; ПЭГилированные формы также могут иметь право на патентную защиту. [11]
ПЭГилированные препараты
Впервые о присоединении инертного и гидрофильного полимера было сообщено примерно в 1970 году для продления жизни крови и контроля иммуногенности белков . [12] В качестве полимера был выбран полиэтиленгликоль. [13] [14] В 1981 году Дэвис и Абуховски основали компанию Enzon, Inc., которая вывела на рынок три ПЭГилированных препарата. Позже Абуховски основал и является генеральным директором компании Prolong Pharmaceuticals. [15]
Клиническая ценность ПЭГилирования в настоящее время хорошо известна. ADAGEN (бычья пегадемаза), производимый компанией Enzon Pharmaceuticals, Inc., США, был первым ПЭГилированным белком, одобренным Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в марте 1990 года для выхода на рынок. Он используется для лечения формы тяжелого комбинированного синдрома иммунодефицита (ADA-SCID) в качестве альтернативы трансплантации костного мозга и замене ферментов генной терапией . С момента появления ADAGEN появилось большое количество фармацевтических препаратов на основе ПЭГилированных белков и пептидов, а многие другие проходят клинические испытания или находятся на стадии разработки. Продажи двух наиболее успешных продуктов, Pegasys и Neulasta, превысили 5 миллиардов долларов в 2011 году. [16] [17] Все коммерчески доступные ПЭГилированные фармацевтические препараты содержат метоксиполи(этиленгликоль) или мПЭГ. ПЭГилированные фармацевтические препараты на рынке (в обратной хронологии по году одобрения FDA) включают: [18]
ПЭГилированный липид используется в качестве вспомогательного вещества как в вакцине Moderna , так и в вакцине Pfizer-BioNTech против COVID-19 . Обе РНК-вакцины состоят из информационной РНК или мРНК, заключенной в пузырек маслянистых молекул, называемых липидами. Для каждого используется собственная липидная технология. В обеих вакцинах пузырьки покрыты стабилизирующей молекулой полиэтиленгликоля. По состоянию на декабрь 2020 года существуют некоторые опасения, что ПЭГ может вызвать аллергическую реакцию, [19] [20], которая, по-видимому, произошла к 19 декабря по крайней мере у трех «медицинских работников Аляски», которым вводили препарат Pfizer – BioNTech. COVID-19 вакцина. [21] Конкретная ПЭГилированная молекула в вакцине Moderna известна как DMG-PEG 2000 .
Система доставки лекарств на основе ПЭГилированных липидных наночастиц (LNP) мРНК-вакцины, известная как мРНК-1273, стала предметом продолжающегося патентного спора с Arbutus Biopharma , у которой Moderna ранее лицензировала технологию LNP. [25] [26] 4 сентября 2020 года Nature Biotechnology сообщила, что компания Moderna проиграла ключевое дело в продолжающемся деле. [27]
Использование в исследованиях
ПЭГилирование находит практическое применение в биотехнологии для доставки белков, [28] трансфекции клеток и редактирования генов в клетках, отличных от человека. [29]
Процесс
Первым этапом ПЭГилирования является подходящая функционализация полимера ПЭГ на одном или обоих концах. ПЭГ, которые активированы на каждом конце одним и тем же реакционноспособным фрагментом, известны как «гомобифункциональные», тогда как, если присутствующие функциональные группы различны, то производное ПЭГ называют «гетеробифункциональным» или «гетерофункциональным». Химически активные или активированные производные полимера ПЭГ получают для присоединения ПЭГ к желаемой молекуле. [30]
Методы, используемые для получения производных ПЭГ первого поколения, обычно включают взаимодействие полимера ПЭГ с группой, которая реагирует с гидроксильными группами, обычно ангидридами , хлорангидридами , хлорформиатами и карбонатами . В химии ПЭГилирования второго поколения более эффективные функциональные группы, такие как альдегиды, сложные эфиры , амиды и т. д., становятся доступными для конъюгации.
Поскольку применения ПЭГилирования становятся все более продвинутыми и сложными, растет потребность в гетеробифункциональных ПЭГ для конъюгации. Эти гетеробифункциональные ПЭГ очень полезны для соединения двух объектов, когда необходим гидрофильный , гибкий и биосовместимый спейсер. Предпочтительными концевыми группами для гетеробифункциональных ПЭГ являются малеимид , винилсульфоны , пиридилдисульфид , амин , карбоновые кислоты и сложные эфиры NHS . [35] [36] [37]
Непредсказуемость времени выведения ПЭГилированных соединений может привести к накоплению соединений с большой молекулярной массой в печени, что приводит к образованию телец включения без каких-либо известных токсикологических последствий. [41] Кроме того, изменение длины цепи может привести к неожиданному времени клиренса in vivo . [42]
Более того, экспериментальные условия реакции ПЭГилирования (т.е. pH, температура, время реакции, общая стоимость процесса и молярное соотношение между производным ПЭГ и пептидом) также оказывают влияние на стабильность конечных ПЭГилированных продуктов. [43]
Чтобы преодолеть вышеупомянутые ограничения, некоторые исследователи предложили различные стратегии, такие как изменение размера (Mw), количества, местоположения и типа связи молекулы ПЭГ. [44] [45] Конъюгация с биоразлагаемыми полисахаридами , которая является многообещающей альтернативой ПЭГилированию, является еще одним способом решения проблемы биоразлагаемости ПЭГ. [46]
^ Джокерст, Джесси В.; Лобовкина Татьяна; Заре, Ричард Н; Гамбхир, Санджив С. (июнь 2011 г.). «ПЭГилирование наночастиц для визуализации и терапии». Наномедицина . 6 (4): 715–728. дои : 10.2217/nnm.11.19. ПМК 3217316 . ПМИД 21718180.
^ Кноп, Катрин; Хугенбум, Ричард; Фишер, Дагмар; Шуберт, Ульрих С. (23 августа 2010 г.). «Поли(этиленгликоль) в доставке лекарств: плюсы и минусы, а также потенциальные альтернативы». Angewandte Chemie, международное издание . 49 (36): 6288–6308. дои : 10.1002/anie.200902672. ПМИД 20648499.
^ Веронезе, Франческо М.; Пасут, Джанфранко (ноябрь 2005 г.). «ПЭГилирование, успешный подход к доставке лекарств». Открытие наркотиков сегодня . 10 (21): 1451–1458. дои : 10.1016/S1359-6446(05)03575-0. ПМИД 16243265.
↑ Блюм Г., Цевк Г. (13 апреля 1990 г.). «Липосомы для замедленного высвобождения лекарств in vivo». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Биомембраны . 1029 (1): 91–97. дои : 10.1016/0005-2736(90)90440-у. ПМИД 2223816.
^ Клибанов А.Л., Маруяма К., Торчилин В.П., Хуан Л. (30 июля 1990 г.). «Амфипатические полиэтиленгликоли эффективно продлевают время циркуляции липосом». ФЭБС Летт . 268 (1): 235–237. дои : 10.1016/0014-5793(90)81016-h . PMID 2384160. S2CID 11437990.
^ Дамодаран В.Б.; Гонорар CJ (2010). «ПЭГилирование белков: обзор химии и аспектов процесса». Европейский фармацевтический обзор . 15 (1): 18–26.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Шерман, MR; Сайфер, МГ; Перес-Руис, форвард (3 января 2008 г.). «ПЭГ-уриказа в лечении резистентной к лечению подагры и гиперурикемии». Обзоры расширенной доставки лекарств . 60 (1): 59–68. doi :10.1016/j.addr.2007.06.011. ПМИД 17826865.
^ Веронезе, FM; Харрис, Дж. М. (июнь 2002 г.). «Введение и обзор пегилирования пептидов и белков». Обзоры расширенной доставки лекарств . 54 (4): 453–456. дои : 10.1016/s0169-409x(02)00020-0. ПМИД 12052707.
^ Порфирьева, Н. Н.; Мустафин, Род-Айленд; Хуторянский, В.В. (январь 2020). «ПЭГилированные системы в фармацевтике» (PDF) . Наука о полимерах, серия C. 62 (1): 62–74. дои : 10.1134/S181123822001004X. S2CID 226664780.
^ Милла, П; Досио, Ф (13 января 2012 г.). «ПЭГилирование белков и липосом: мощная и гибкая стратегия улучшения доставки лекарств». Современный метаболизм лекарств . 13 (1): 105–119. дои : 10.2174/138920012798356934. hdl : 2318/86788 . ПМИД 21892917.
^ Абуховский, А; Ван Эс, Т; Пальчук, Северная Каролина; Дэвис, Ф.Ф. (1977). «Изменение иммунологических свойств бычьего сывороточного альбумина путем ковалентного присоединения полиэтиленгликоля». Журнал биологической химии . 252 (11): 3578–81. дои : 10.1016/S0021-9258(17)40291-2 . ПМИД 405385.
^ Абуховский, А; Маккой-младший; Пальчук, Северная Каролина; Ван Эс, Т; Дэвис, Ф.Ф. (1977). «Влияние ковалентного присоединения полиэтиленгликоля на иммуногенность и циркулирующую жизнь каталазы бычьей печени». Журнал биологической химии . 252 (11): 3582–6. дои : 10.1016/S0021-9258(17)40292-4 . ПМИД 16907.
^ "Доктор Авраам Абуховски, доктор философии - Дом" . prolongpharma.com . Проверено 15 января 2020 г.
^ Клаузер, Александр (руководитель), Группа компаний Рош по связям со СМИ, «Рош в 2011 году: сильные результаты и позитивный прогноз», www.roche.com/med-cor-2012-02-01-e.pdf, 1 февраля 2012 г., стр.7
^ «Годовой отчет и финансовое заключение Amgen за 2011 год», [1] AnnualReport.pdf за 2011 год, 23 февраля 2012 г., стр. 71
^ Кабанильяс, Беатрис; Акдис, Чезми; Новак, Наталия (2020). «Аллергические реакции на первую вакцину от COVID-19: потенциальная роль полиэтиленгликоля?». Аллергия . 76 (6): 1617–1618. дои : 10.1111/все.14711 . PMID 33320974. S2CID 229284320.
^ Вейланд, Ной; ЛаФраньер, Шэрон; Бейкер, Майк; Томас, Кэти (17 декабря 2020 г.). «Два медицинских работника Аляски получили неотложную помощь после получения вакцины от Pfizer» . Газета "Нью-Йорк Таймс .
^ Фиргер, Джессика; Колдуэлл, Трэвис (19 декабря 2020 г.). «У третьего медицинского работника Аляски аллергическая реакция на вакцину Covid-19» . Кабельная Новостная Сеть.
↑ Пауэрс, Мари (29 мая 2018 г.). «Выпускной экзамен Biomarin Aces: Палинзик получает одобрение FDA на лечение ФКУ у взрослых». Биомир .
^ Леви, Харви Л.; Саркисян Кристине Н.; Стивенс, Раймонд К.; Скривер, Чарльз Р. (июнь 2018 г.). «Фенилаланин-аммиаклиаза (PAL): от открытия до ферментозаместительной терапии фенилкетонурии». Молекулярная генетика и обмен веществ . 124 (4): 223–229. дои : 10.1016/j.ymgme.2018.06.002. PMID 29941359. S2CID 49411168.
^ «FDA одобряет модифицированный антигемофильный фактор для лечения гемофилии А» . www.fda.gov . Архивировано из оригинала 16 ноября 2015 г.
↑ Автор DR, Пауэлл МБ (14 сентября 2020 г.). «Патентные проблемы подчеркивают риски, связанные с вакциной Moderna от COVID-19». Нью-Йоркский юридический журнал . Проверено 1 декабря 2020 г.
↑ Варди Н. (29 июня 2020 г.). «Таинственная система доставки вакцин от коронавируса Moderna». Форбс . Проверено 1 декабря 2020 г.
^ Пасут, Джанфранко; Залипский, Самуэль (2020). Полимерно-белковые конъюгаты: от пегилирования и не только . Эльзевир. ISBN978-0-444-64082-6. ОСЛК 1127111107.[ нужна страница ]
^ Балаж, Дэниел А.; Годби, WT (15 декабря 2011 г.). «Липосомы для использования в доставке генов». Журнал доставки лекарств . 2011 : 326497. doi : 10.1155/2011/326497 . ПМК 3066571 . ПМИД 21490748.
^ Пасут, Джанфранко; Веронезе, Франческо М. (июль 2012 г.). «Современное состояние ПЭГилирования: большая универсальность, достигнутая после сорока лет исследований». Журнал контролируемого выпуска . 161 (2): 461–472. doi : 10.1016/j.jconrel.2011.10.037. ПМИД 22094104.
^ Плата, Конан Дж.; Ван Алстайн, Джеймс М. (2006). «ПЭГ-белки: вопросы реакционной техники и разделения». Химико-техническая наука . 61 (3): 924. CiteSeerX 10.1.1.509.2865 . doi :10.1016/j.ces.2005.04.040.
^ Веронезе, Франческо М., изд. (2009). «Очистка и характеристика белковых конъюгатов». ПЭГилированные белковые препараты, фундаментальная наука и клиническое применение (онлайн-авторское издание). Базель: Биркхойзер. стр. 113–125. ISBN978-3-7643-8679-5.
^ Плата, Конан Дж. (2003). «Эксклюзионная реакционная хроматография (SERC): новый метод ПЭГилирования белков». Биотехнология и биоинженерия . 82 (2): 200–6. дои : 10.1002/бит.10561. hdl : 10092/351 . ПМИД 12584761.
^ Плата, Конан Дж.; Дамодаран, Винод Б. (2012). «Производство ПЭГилированных белков». Технология биофармацевтического производства . п. 199. дои : 10.1002/9783527653096.ch7. ISBN9783527653096.
^ «Полипептидная терапия и ее применение». Випо (РСТ) . WO (138413А1). 2016.
^ «Способы и фармацевтические композиции для лечения Candida auris в крови». Випо (РСТ) . WO (126695А2). 2019.
^ «Составы и методы аргиназы». Випо (РСТ) . ВО (8495А2). 2011.
^ Райан, Шинеад М; Мантовани, Джузеппе; Ван, Сюэсюань; Хэддлтон, Дэвид М; Брейден, Дэвид Дж (2008). «Достижения в области ПЭГилирования важных биотехнологических молекул: аспекты доставки». Экспертное мнение о доставке лекарств . 5 (4): 371–83. дои : 10.1517/17425247.5.4.371. PMID 18426380. S2CID 97373496.
^ Мазо, Катя; Григолетто, Антонелла; Пасут, Джанфранко (2018). «Ферментативные подходы трансглутаминазы и сиалилтрансферазы к конъюгации полимеров с белками». Терапевтические белки и пептиды . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том. 112. стр. 123–142. doi :10.1016/bs.apcsb.2018.01.003. ISBN9780128143407. ПМИД 29680235.
^ да Силва Фрейтас, Дебора; Меро, Анна; Пасут, Джанфранко (20 марта 2013 г.). «Химическое и ферментативное сайт-специфическое ПЭГилирование гормона роста». Биоконъюгатная химия . 24 (3): 456–463. дои : 10.1021/bc300594y. hdl : 11577/2574695 . ПМИД 23432141.
↑ Каваи, Ф. (1 января 2002 г.). «Микробная деградация полиэфиров». Прикладная микробиология и биотехнология . 58 (1): 30–38. дои : 10.1007/s00253-001-0850-2. PMID 11831473. S2CID 7600787.
^ Веронезе, Франческо М (март 2001 г.). «Пегилирование пептидов и белков». Биоматериалы . 22 (5): 405–417. дои : 10.1016/s0142-9612(00)00193-9. ПМИД 11214751.
^ Гонсалес-Вальдес, Хосе; Рито-Паломарес, Марко; Бенавидес, Хорхе (июнь 2012 г.). «Достижения и тенденции в разработке, анализе и характеристике конъюгатов полимер-белок для биопроцессов PEGylaided». Аналитическая и биоаналитическая химия . 403 (8): 2225–2235. дои : 10.1007/s00216-012-5845-6. PMID 22367287. S2CID 22642574.
^ Чжан, Гэнхуэй; Хан, Баочжун; Линь, Сяоянь; У, Синь; Ян, Хушэн (декабрь 2008 г.). «Модификация антимикробного пептида поли(этиленгликолем) с низкой молярной массой». Журнал биохимии . 144 (6): 781–788. дои : 10.1093/jb/mvn134. ПМИД 18845567.
^ Обуоби, Сибил; Ван, Ин; Хара, Джасмит Сингх; Риггер, Андреас; Куан, Сих Линг; Э-э, Пуй Лай Рэйчел (октябрь 2018 г.). «Противомикробная и антибиопленочная активность поверхностно-инженерных наночастиц поликатионного альбумина с пониженной гемолитической активностью». Макромолекулярная биология . 18 (10): 1800196. дои :10.1002/mabi.201800196. PMID 30066983. S2CID 51888683.
^ Чжоу, Ян; Петрова Стелла П.; Эдгар, Кевин Дж. (15 ноября 2021 г.). «Химический синтез конъюгатов полисахарид-белок и полисахарид-пептид: обзор». Углеводные полимеры . 274 : 118662. doi : 10.1016/j.carbpol.2021.118662 . ISSN 0144-8617. PMID 34702481. S2CID 239999294.