ПЭГилирование (или пегилирование ) представляет собой процесс как ковалентного, так и нековалентного присоединения или объединения полимерных цепей полиэтиленгликоля (ПЭГ, в фармацевтике называемого макроголом ) к молекулам и макроструктурам, таким как лекарственное средство, терапевтический белок или везикула, который затем описывается как ПЭГилирование . [1] [2] [3] [4] ПЭГилирование влияет на полученные производные или взаимодействия агрегатов, что обычно замедляет их слияние и деградацию, а также выведение in vivo. [5] [6]
ПЭГилирование обычно достигается путем инкубации реактивного производного ПЭГ с целевой молекулой. Ковалентное присоединение ПЭГ к лекарственному средству или терапевтическому белку может «замаскировать» 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 растворимость в воде гидрофобных лекарств и белков. Доказав свои фармакологические преимущества и приемлемость, технология ПЭГилирования является основой растущей многомиллиардной индустрии. [7]
Методология
ПЭГилирование — это процесс присоединения цепей полимера ПЭГ к молекулам, чаще всего пептидам , белкам и фрагментам антител , что может повысить безопасность и эффективность многих терапевтических средств . [9] [10] Он вызывает изменения физико-химических свойств, включая изменения конформации , электростатического связывания , гидрофобности и т. д. Эти физические и химические изменения увеличивают системное удержание терапевтического агента. Кроме того, он может влиять на сродство связывания терапевтического фрагмента с клеточными рецепторами и может изменять паттерны абсорбции и распределения.
Пегилирование, увеличивая молекулярную массу молекулы , может обеспечить несколько существенных фармакологических преимуществ по сравнению с немодифицированной формой, таких как улучшенная растворимость препарата , сниженная частота дозировки с потенциально сниженной токсичностью и без снижения эффективности, увеличенный срок циркуляции, повышенная стабильность препарата и повышенная защита от протеолитической деградации; пегилированные формы также могут иметь право на патентную защиту. [11]
ПЭГилированные препараты
Присоединение инертного и гидрофильного полимера впервые было описано около 1970 года для продления жизни крови и контроля иммуногенности белков . [ 12 ] В качестве полимера был выбран полиэтиленгликоль. [13] [14] В 1981 году Дэвис и Абуховски основали Enzon, Inc., которая вывела на рынок три пегилированных препарата. Позднее Абуховски основал и является генеральным директором Prolong Pharmaceuticals. [15]
Клиническая ценность ПЭГилирования в настоящее время хорошо известна. ADAGEN (pegademase bovine), производимый Enzon Pharmaceuticals, Inc., США, был первым ПЭГилированным белком, одобренным Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) в марте 1990 года, который вышел на рынок. Он используется для лечения формы синдрома тяжелого комбинированного иммунодефицита (ADA-SCID) в качестве альтернативы трансплантации костного мозга и замещению ферментов генной терапией . После появления ADAGEN последовало большое количество ПЭГилированных белков и пептидных фармацевтических препаратов , а многие другие находятся на стадии клинических испытаний или разработки. Продажи двух самых 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 COVID-19 . Обе РНК-вакцины состоят из информационной РНК, или мРНК, заключенной в пузырь маслянистых молекул, называемых липидами. Для каждой из них используется запатентованная 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] как, по-видимому, произошло к 19 декабря, [ нужно обновление ] по крайней мере у трех «работников здравоохранения Аляски», которым была введена вакцина Pfizer–BioNTech COVID-19. [21] Конкретная ПЭГилированная молекула в вакцине Moderna известна как DMG-PEG 2000 .
Пегаспаргаза (Онкаспар) – ПЭГилированная L-аспарагиназа для лечения острого лимфобластного лейкоза у пациентов с гиперчувствительностью к нативной немодифицированной форме L-аспарагиназы (Enzon, 1994). Этот препарат недавно был одобрен для использования в качестве препарата первой линии.
Пегилирование имеет практическое применение в биотехнологии для доставки белков, [28] трансфекции клеток и редактирования генов в нечеловеческих клетках. [29]
Процесс
Первым шагом ПЭГилирования является соответствующая функционализация полимера ПЭГ на одном или обоих концах. ПЭГ, которые активированы на каждом конце с помощью одной и той же реактивной группы, известны как «гомобифункциональные», тогда как если присутствующие функциональные группы различны, то производное ПЭГ называют «гетеробифункциональным» или «гетерофункциональным». Химически активные или активированные производные полимера ПЭГ подготавливаются для присоединения ПЭГ к желаемой молекуле. [30]
Общие процессы ПЭГилирования, используемые на сегодняшний день для конъюгации белков, можно в целом разделить на два типа, а именно: процесс пакетной обработки в фазе раствора и процесс пакетной обработки с подпиткой на колонке. [31] Простой и общепринятый процесс пакетной обработки включает смешивание реагентов в подходящем буферном растворе , предпочтительно при температуре от 4 до 6 °C, с последующим разделением и очисткой желаемого продукта с использованием подходящей методики, основанной на его физико-химических свойствах , включая эксклюзионную хроматографию (SEC), ионообменную хроматографию (IEX), хроматографию гидрофобного взаимодействия (HIC) и мембраны или водные двухфазные системы ( ATPS ). [32] [33]
Методы, используемые для формирования производных ПЭГ первого поколения, как правило, реагируют с полимером ПЭГ с группой, которая реагирует с гидроксильными группами, как правило, ангидридами , хлорангидридами , хлорформиатами и карбонатами . Во втором поколении химии ПЭГилирования более эффективные функциональные группы, такие как альдегиды, эфиры , амиды и т. д., становятся доступными для конъюгации.
Доступны пегилирующие агенты третьего поколения, в которых полимер разветвлен, имеет форму Y или гребня, и они демонстрируют пониженную вязкость и отсутствие накопления в органах . [38] Недавно были разработаны также ферментативные подходы к пегилированию, что еще больше расширило возможности конъюгации. [39] [40] Конъюгаты ПЭГ-белок, полученные ферментативными методами, уже используются в клинической практике, например: Lipegfilgrastim , Rebinyn , Esperoct .
Ограничения
Непредсказуемость времени выведения для ПЭГилированных соединений может привести к накоплению соединений с большой молекулярной массой в печени, что приводит к образованию включений с неизвестными токсикологическими последствиями. [41] Кроме того, изменение длины цепи может привести к неожиданному времени выведения 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]
Для преодоления вышеупомянутых ограничений несколько исследователей 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]
^ Jokerst, Jesse V; Lobovkina, Tatsiana; Zare, Richard N; Gambhir, Sanjiv S (июнь 2011 г.). «ПЭГилирование наночастиц для визуализации и терапии». Nanomedicine . 6 (4): 715–728. doi :10.2217/nnm.11.19. PMC 3217316 . PMID 21718180.
^ Кноп, Катрин; Хугенбум, Ричард; Фишер, Дагмар; Шуберт, Ульрих С. (23 августа 2010 г.). «Поли(этиленгликоль) в доставке лекарств: за и против, а также потенциальные альтернативы». Angewandte Chemie International Edition . 49 (36): 6288–6308. doi :10.1002/anie.200902672. PMID 20648499.
^ Веронезе, Франческо М.; Меро, Анна (2008). «Влияние пегилирования на биологическую терапию». BioDrugs . 22 (5): 315–329. doi :10.2165/00063030-200822050-00004. PMID 18778113. S2CID 23901382.
^ Веронезе, Франческо М.; Пасут, Джанфранко (ноябрь 2005 г.). «ПЭГилирование, успешный подход к доставке лекарств». Drug Discovery Today . 10 (21): 1451–1458. doi :10.1016/S1359-6446(05)03575-0. PMID 16243265.
^ Blume G, Cevc, G (13 апреля 1990 г.). «Липосомы для длительного высвобождения лекарств in vivo». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биомембраны . 1029 (1): 91–97. doi :10.1016/0005-2736(90)90440-y. PMID 2223816.
^ Клибанов АЛ, Маруяма К, Торчилин ВП, Хуан Л (30 июля 1990 г.). «Амфипатические полиэтиленгликоли эффективно продлевают время циркуляции липосом». FEBS Lett . 268 (1): 235–237. doi : 10.1016/0014-5793(90)81016-h . PMID 2384160. S2CID 11437990.
^ Дамодаран В.Б.; Фи К.Дж. (2010). «Пегиляция белка: обзор химии и технологических соображений». European Pharmaceutical Review . 15 (1): 18–26.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Шерман, MR; Сайфер, MG; Перес-Руис, F (3 января 2008 г.). «ПЭГ-уриказа в лечении резистентной подагры и гиперурикемии». Advanced Drug Delivery Reviews . 60 (1): 59–68. doi :10.1016/j.addr.2007.06.011. PMID 17826865.
^ Веронезе, FM; Харрис, JM (июнь 2002 г.). «Введение и обзор пегилирования пептидов и белков». Advanced Drug Delivery Reviews . 54 (4): 453–456. doi :10.1016/s0169-409x(02)00020-0. PMID 12052707.
^ Порфирьева, НН; Мустафин, РИ; Хуторянский, ВВ (январь 2020 г.). "PEGylated Systems in Pharmaceutics" (PDF) . Polymer Science, Series C. 62 ( 1): 62–74. doi :10.1134/S181123822001004X. S2CID 226664780.
^ Milla, P; Dosio, F (13 января 2012 г.). «ПЭГилирование белков и липосом: мощная и гибкая стратегия улучшения доставки лекарств». Current Drug Metabolism . 13 (1): 105–119. doi :10.2174/138920012798356934. hdl : 2318/86788 . PMID 21892917.
^ Дэвис, Фрэнк Ф. (июнь 2002 г.). «Происхождение пегнологии». Advanced Drug Delivery Reviews . 54 (4): 457–458. doi :10.1016/s0169-409x(02)00021-2. PMID 12052708.
^ Абуховски, А.; Ван Эс, Т.; Палчук, Н. К.; Дэвис, Ф. Ф. (1977). «Изменение иммунологических свойств бычьего сывороточного альбумина ковалентным присоединением полиэтиленгликоля». Журнал биологической химии . 252 (11): 3578–81. doi : 10.1016/S0021-9258(17)40291-2 . PMID 405385.
^ Абуховски, А.; Маккой, Дж. Р.; Палчук, Н. К.; Ван Эс, Т.; Дэвис, Ф. Ф. (1977). «Влияние ковалентного присоединения полиэтиленгликоля на иммуногенность и циркуляционную жизнь каталазы печени быка». Журнал биологической химии . 252 (11): 3582–6. doi : 10.1016/S0021-9258(17)40292-4 . PMID 16907.
^ "Доктор Авраам Абуховски, доктор философии – Главная". prolongpharma.com . Получено 2020-01-15 .
^ Клаузер, Александр (руководитель), Roche Group Media Relations, «Roche в 2011 году: сильные результаты и позитивный прогноз», www.roche.com/med-cor-2012-02-01-e.pdf, 1 февраля 2012 г., стр. 7
^ "Amgen 2011 Annual Report and Financial Summary," [1] 2011 AnnualReport.pdf, 23 февраля 2012 г., стр. 71
^ Залипски, Сэмюэл; Пасут, Джанфранко (2020). «Эволюция конъюгации полимеров с белками». Конъюгаты полимер-белок . С. 3–22. doi :10.1016/b978-0-444-64081-9.00001-2. ISBN9780444640819. S2CID 209731201.
^ Кабанильяс, Беатрис; Акдис, Сезми; Новак, Наталия (2020). «Аллергические реакции на первую вакцину от COVID-19: потенциальная роль полиэтиленгликоля?». Аллергия . 76 (6): 1617–1618. doi : 10.1111/all.14711 . PMID 33320974. S2CID 229284320.
^ Вайланд, Ноа; Лафраньер, Шарон; Бейкер, Майк; Томас, Кэти (17 декабря 2020 г.). «Двое работников здравоохранения Аляски получили экстренную помощь после вакцинации Pfizer». New York Times .
^ Фиргер, Джессика; Колдуэлл, Трэвис (19 декабря 2020 г.). «У третьего работника здравоохранения Аляски аллергическая реакция на вакцину от Covid-19». Cable News Network.
^ Пауэрс, Мари (29 мая 2018 г.). «Biomarin сдает выпускной экзамен с отличием: Palynziq получает одобрение FDA для лечения ФКУ у взрослых». BioWorld .
^ Леви, Харви Л.; Саркиссян, Кристине Н.; Стивенс, Рэймонд К.; Скривер, Чарльз Р. (июнь 2018 г.). «Фенилаланиновая аммиачная лиаза (PAL): от открытия до заместительной ферментной терапии фенилкетонурии». Молекулярная генетика и метаболизм . 124 (4): 223–229. doi :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 2015-11-16.
^ Auth DR, Powell MB (14 сентября 2020 г.). «Патентные проблемы подчеркивают риски вакцины COVID-19 компании Moderna». New York Law Journal . Получено 1 декабря 2020 г.
^ Варди Н (29 июня 2020 г.). «Таинственная система доставки вакцины от коронавируса от Moderna». Forbes . Получено 1 декабря 2020 г. .
^ Pasut, Gianfranco; Zalipsky, Samuel (2020). Конъюгаты полимер-белок: от пегилирования и далее . Elsevier. ISBN978-0-444-64082-6. OCLC 1127111107.[ нужна страница ]
^ Балаж, Дэниел А.; Годби, У. Т. (15 декабря 2011 г.). «Липосомы для использования в доставке генов». Журнал доставки лекарств . 2011 : 326497. doi : 10.1155/2011/326497 . PMC 3066571. PMID 21490748 .
^ Pasut, Gianfranco; Veronese, Francesco M. (июль 2012 г.). «Современное состояние пегилирования: большая универсальность, достигнутая после сорока лет исследований». Journal of Controlled Release . 161 (2): 461–472. doi :10.1016/j.jconrel.2011.10.037. PMID 22094104.
^ Fee, Conan J.; Van Alstine, James M. (2006). "PEG-белки: вопросы реакционной инженерии и разделения". Chemical Engineering Science . 61 (3): 924. CiteSeerX 10.1.1.509.2865 . doi :10.1016/j.ces.2005.04.040.
^ Веронезе, Франческо М., ред. (2009). «Очистка и характеристика белковых конъюгатов». ПЭГилированные белковые препараты: фундаментальная наука и клинические применения (Онлайн-августовское ред.). Базель: Birkhäuser. стр. 113–125. ISBN978-3-7643-8679-5.
^ Фи, Конан Дж. (2003). «Реакционная хроматография с исключением размера (SERC): новый метод ПЭГилирования белков». Биотехнология и биоинженерия . 82 (2): 200–6. doi :10.1002/bit.10561. hdl : 10092/351 . PMID 12584761.
^ Фи, Конан Дж.; Дамодаран, Винод Б. (2012). «Производство пегилированных белков». Технология биофармацевтического производства . стр. 199. doi :10.1002/9783527653096.ch7. ISBN9783527653096.
^ "Полипептидные терапевтические средства и их применение". Wipo (PCT) . WO (138413A1). 2016.
^ «Способы и фармацевтические композиции для лечения кандидоза в крови». Wipo (PCT) . WO (126695A2). 2019.
^ "Формулы и методы аргиназы". Wipo (PCT) . WO (8495A2). 2011.
^ Райан, Синеад 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. doi :10.1517/17425247.5.4.371. PMID 18426380. S2CID 97373496.
^ Maso, Katia; Grigoletto, Antonella; Pasut, Gianfranco (2018). «Трансглутаминазные и сиалилтрансферазные ферментативные подходы для конъюгации полимеров с белками». Терапевтические белки и пептиды . Достижения в области белковой химии и структурной биологии. Том 112. С. 123–142. doi :10.1016/bs.apcsb.2018.01.003. ISBN9780128143407. PMID 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. doi :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. doi :10.1016/s0142-9612(00)00193-9. PMID 11214751.
^ Гонсалес-Вальдес, Хосе; Рито-Паломарес, Марко; Бенавидес, Хорхе (июнь 2012 г.). «Достижения и тенденции в области проектирования, анализа и характеристики полимер-белковых конъюгатов для биопроцессов с добавлением ПЭГ». Аналитическая и биоаналитическая химия . 403 (8): 2225–2235. doi :10.1007/s00216-012-5845-6. PMID 22367287. S2CID 22642574.
^ Чжан, Гэнхуэй; Хань, Баочжун; Линь, Сяоянь; У, Синь; Янь, Хушэн (декабрь 2008 г.). «Модификация антимикробного пептида с низкомолекулярным поли(этиленгликолем)». Журнал биохимии . 144 (6): 781–788. doi :10.1093/jb/mvn134. PMID 18845567.
^ Обуоби, Сибил; Ван, Ин; Хара, Джасмит Сингх; Риггер, Андреас; Куан, Сиа Линг; И, Пуй Лай Рэйчел (октябрь 2018 г.). «Антимикробная и антибиопленочная активность поверхностно-инженерных поликатионных наночастиц альбумина с пониженной гемолитической активностью». Macromolecular Bioscience . 18 (10): 1800196. doi :10.1002/mabi.201800196. PMID 30066983. S2CID 51888683.