CN101787117B

CN101787117B - 聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法及应用

Info

Publication number: CN101787117B
Application number: CN201010111612XA
Authority: CN
Inventors: 吴剑荣; 詹晓北; 林怡; 郑志永
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Shandong Meimei Biotechnology Co ltd
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: CN101787117A

Abstract

聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法及应用，属于高分子材料技术领域。本发明所述共聚物由活化的聚唾液酸与异基双功能聚乙二醇连接而成，表示为X-PEG-F-PSA，其中：X为异基双功能PEG的活性基团之一，用于连接蛋白质或多肽上的活性基团；F为异基双功能PEG另一个活性基团，用于连接活化的聚唾液酸PSA；嵌段共聚物X-PEG-F-PSA与蛋白质Protein连接，形成“Protein-PEG-PSA”产物。该产物可广泛用于含氨基的生物功能分子，特别是蛋白质或多肽等大分子的修饰，利用PEG的强大水合性能和PSA的免疫原性，将小分子量PEG与PSA相连接再修饰各种蛋白质或多肽药物，用于改进药物的溶解性、稳定性和免疫原性，以延长药物的半衰期，提高疗效。

Description

聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法和在药物制备中的应用。还述及其它分子特别是蛋白质和多肽等大分子，本发明还涉及包含所述嵌段共聚物的药物组合物。属高分子材料技术领域。

背景技术

目前，药物的种类繁多，就其分子量大小来分，一般可分为两大类：一类是分子量较低(1000以下)，绝大多数为化学合成药物、生物发酵合成药物和一些天然药物，如青霉素、泛酸、紫杉醇、5-氟胞嘧啶核苷等都属此列；另一类则是大分子药物，大多数是通过现代生物技术生产的蛋白质和多肽药物。但是，无论小分子药物还是大分子药物，都存在毒性大、溶解性差、半衰期短等缺点。对蛋白质和多肽药物还存在免疫原性等问题。

蛋白质化学修饰技术是近年来快速发展的新兴技术，是指通过化学物质如聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、肝素等作为修饰剂与蛋白质(多肽)的活性基团发生反应，从而达到改善蛋白质性质，如解除异体蛋白质免疫原性、高剂量的毒副作用以及提高血液循环稳定性、延长体内半衰期的目的。这些聚合物一般具有较好生物相容性——但是，目前FDA只批准了PEG作为蛋白质化学修饰剂。蛋白质的PEG修饰，是当前国际上各个制药公司的研发热点，已经有8个产品出售，至少有20个产品在研发中。

聚唾液酸(Polysialic acid，PSA)是以唾液酸(sialic acid，NeuAc，NANA)单体以α-2，8或α-2，9糖苷键连接而成的同聚物，是一些哺乳动物细胞表面糖蛋白的组成部分和少数几种细菌(奈瑟氏脑膜炎球菌，大肠杆菌K1株等)的胞外多糖组分。α-2，8连接的聚唾液酸在细菌多糖中是唯一非免疫原性的(不引起哺乳动物个体内的T细胞或抗体应答)，这也是这些细菌容易侵入哺乳动物和人体而不被抗体细胞发现的原因。又如，广泛分布于体内的细胞表面神经节苷酯(GM)中有较短的寡聚唾液酸(3～9)，并认为该寡聚物可有效地导致或者保持对PSA的免疫耐受性。

自从1993年来，英国的G.Gregory团队大量开展利用聚唾液酸修饰蛋白质和多肽的研究，包括过氧化氢酶、天冬酰胺酶、人红细胞生长素EPO和胰岛素在内的一些治疗性蛋白的PSA衍生物，取得理想效果，使得血液循环半衰期和稳定性大大提高。研究表明，聚唾液酸化蛋白质(Polysialylation)与聚乙二醇衍生的蛋白质效果相当，均提高了半衰期，使蛋白质稳定性更高。目前，英国 Lipoxen公司在国际上申请并取得了多项有关聚唾液酸修饰蛋白的专利，而聚乙二醇修饰蛋白的国际专利更是数不胜数。

在Lipoxen的相关专利中，WO 0187922和US 05846951描述了利用PSA修饰蛋白质治疗剂的药代动力学，依靠PSA非还原端的氧化形成醛基以连接到蛋白质上的方法。在WO 2005016973中，描述了有末端唾液酸单元引入巯基的方法，用于定点修饰蛋白质上的半胱氨酸基团。在CN101160326A中，描述了将还原端和/或非还原端的末端唾液酸转化为N-羟基琥珀酰亚胺酯(NHS)基团的方法。在CN101511391A中，描述了胰岛素的聚唾液酸修饰方法。另外，国内学者在中国专利200810162206.9中，描述了一种双链的聚唾液酸的合成方法以用于蛋白质修饰。

由于FDA较早批准PEG的使用，目前各种多功能的PEG修饰剂产品非常丰富。研究表明，高分子量PEG效果更好，它能在蛋白质表面形成一层水化层。但是，PEG在体内降解非常缓慢，大分子量PEG更是不容易降解，容易在体内组织中积累，如在膀胱中。另外，虽然已经描述了各种将PSA连接到蛋白质上的方法是可行，而且有的已经到了临床实验，也表明聚唾液酸应用于蛋白修饰能取得和PEG一样的效果，但是目前通过发酵生产的聚唾液酸分子量小于60000。聚唾液酸是一种酸性多糖，带强负电性，引起其在蛋白质表面形成水化层比较薄，削弱了其掩蔽功效。

结合聚乙二醇和聚唾液酸的优缺点，我们提出一种新的蛋白质和多肽修饰的方法：利用PEG的强大水合性能和PSA的免疫原性，将小分子量PEG与PSA相连接再修饰各种蛋白质或多肽药物治疗剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种活性的聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法和在蛋白质、多肽类药物中的应用。和相同分子量的PSA和PEG比较，该嵌段共聚物的静态粘度小、流体力学体积大、水合能力强，能对蛋白质、多肽类药物产生更为有效的生理作用。

本发明的技术方案：一种聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法，由活化的聚唾液酸与异基双功能聚乙二醇连接而成，表示为X-PEG-F-PSA，其中：X为异基双功能PEG的活性基团之一，用于连接蛋白质或多肽上的活性基团；F为异基双功能PEG另一个活性基团，用于连接活化的聚唾液酸PSA；嵌段共聚物X-PEG-F-PSA与蛋白质Protein连接，形成“Protein-PEG-PSA”产物；

异基双功能PEG的X活性基团选择各种琥珀酰酯NHS，包括：琥珀酰亚胺酯，琥珀酰亚胺羧甲基酯，琥珀酰亚胺碳酸酯，琥珀酰亚胺戊二酸酯，琥珀酰亚胺琥珀酸酯，琥珀酰亚胺丙酸酯；

异基双功能PEG的F活性基团是能与巯基连接的基团，包括；顺丁烯二酰亚胺基团(马来酰亚胺)MAL；

工艺为：

(1)活化聚唾液酸PSA-SH的制备：

将纯化的聚唾液酸80mg溶于pH7.4、20mM的8mL磷酸缓冲液中，在4℃预冷，然后加入胱胺二盐酸盐，聚唾液酸∶胱胺二盐酸盐摩尔比为1∶100，滴加少量0.5M的氢氧化钠调pH为7.4，在4℃下磁力搅拌2天，再加入二硫苏糖醇至终浓度为50mM，4℃下反应1h，反应液用10KDa超滤管3000g×30min超滤3次，换缓冲体系为pH7.4、PBS缓冲液，浓缩得到的即为活化聚唾液酸PSA-SH，其末端官能团为巯基；

(2)“Protein-PEG-PSA”的制备：

(a)先合成PSA-PEG嵌段共聚物，再修饰蛋白：

选择异基双功能PEG交联剂：顺丁烯二酰亚胺-聚乙二醇-琥珀酰酯MAL-(PEG)_n-NHS，其中n的范围在2～200之间；该MAL-(PEG)_n-NHS溶于DMSO，加入过量步骤(1)新制备的PSA-SH，室温下反应30min，7K透析膜透析出去有机溶剂，冷冻干燥，即得NHS-PEG-PSA；

然后用于修饰蛋白质Protein：将2mg/mL Protein溶于pH7.0～9.0磷酸缓冲液中，4℃下预冷30min，加入NHS-PEG-PSA，NHS-PEG-PSA∶Protein摩尔比为10～20∶1，在4℃下磁力搅拌1h，反应液用10KDa超滤管3000g×30min超滤3次，浓缩、冻干得到的产品即为“Protein-PEG-PSA”；

或(b)PSA连接到Protein-PEG中PEG活性末端：

选择异基双功能PEG交联剂：MAL-(PEG)_n-NHS，其中n的范围在2～200之间，该功能MAL-(PEG)_n-NHS连接到蛋白质上的ε-氨基，形成Protein-PEG-MAL：将2mg/mL的Protein溶于pH7.0～9.0磷酸缓冲液中，4℃下预冷30min，加入MAL-(PEG)_n-NHS，MAL-(PEG)_n-NHS∶Protein摩尔比为10～20∶1，在4℃下磁力搅拌1h，反应液用10KDa超滤管3000g×30min超滤3次，浓缩得到的即为Protein-PEG-MAL；

然后将新制备的Protein-PEG-MAL反应液在4℃下预冷30min，加入步骤(1)中新制备的PSA-SH，PSA-SH∶Protein-PEG-MAL摩尔比为15～20∶1，补加磷酸缓冲液使反应液处于合适的浓度，在4℃下反应30min，反应液用10KDa超滤管3000g×30min超滤3次，浓缩、冻干得到的产品即为“Protein-PEG-PSA”。

修饰的蛋白质，形成“Protein-PEG-PSA”产物，PEG在蛋白质与PSA之间，PSA在外面，结构式如下：

所制备的聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的应用，广泛用于含氨基的生物功能分子，特别是蛋白质或多肽大分子的修饰，利用PEG的强大水合性能和PSA的免疫原性，将小分子量PEG与PSA相连接再修饰各种蛋白质或多肽药物，用于改进药物的溶解性、稳定性和免疫原性，以延长药物的半衰期，提高疗效。

提出的PEG-PSA嵌段共聚物修饰蛋白质方法，主要有两条路线：

路线a：先合成PSA-PEG嵌段共聚物，再修饰蛋白。

选择异(基)双功能PEG交联剂——MAL-(PEG)_n-NHS(马来酰亚胺-聚乙二醇-琥珀酰亚胺碳酸酯)为例，其中n的范围在2～200之间。该PEG在一定条件下与活化聚唾液酸(唾液酸还原端形成巯基，PSA-SH)形成PEG-PSA，然后用于修饰蛋白质，生成“Protein-PEG-PSA”。合成路线如图1所示。

路线b：PSA连接到Protein-PEG中PEG活性末端。

选择异(基)双功能PEG交联剂——MAL-(PEG)_n-NHS为例，其中n的范围在2～200之间，该功能PEG在一定条件下连接到蛋白质上的ε-氨基，形成Protein-PEG-MAL，再加入活化的聚唾液酸(PSA-SH)，生成“Protein-PEG-PSA”。合成路线如图2所示。

上述MAL-(PEG)_n-NHS这种异(基)双功能PEG，MAL是顺丁烯二酰亚胺(马来酰亚胺)基团，用于连接聚唾液酸上巯基；NHS是琥珀酰酯(N-hydroxysuccinimide)，包括琥珀酰亚胺酯(succinimidyl)，琥珀酰亚胺羧甲基酯(Succinimidyl Carboxymethyl，SCM)，琥珀酰亚胺碳酸酯(succinimidylcarbonate，SC)，琥珀酰亚胺戊二酸酯(Succinimidyl glutarate，SG)，琥珀酰亚胺琥珀酸酯(succinimidyl succinate，SS)，琥珀酰亚胺丙酸酯(succinimidylpropionate，SPA)。

本发明的有益效果：其一，由于PEG-PSA嵌段共聚物结合PEG的水合能力强的优点，吸水形成强水化层，同时PEG修饰蛋白技术成熟，也使得PEG-PSA能很好地与蛋白质连接；其二，由于该嵌段共聚物末端是聚唾液酸，能够赋予修饰蛋白质具有良好免疫原性；其三，使用分子量小的PEG(分子量3000以内)，而且聚唾液酸的生物降解性能良好，使得PEG不会在服用后形成体内积累。

形成“Protein-PEG-PSA”产物可广泛用于含氨基的生物功能分子，特别是蛋白质或多肽等大分子的修饰，利用PEG的强大水合性能和PSA的免疫原性，将小分子量PEG与PSA相连接再修饰各种蛋白质或多肽药物，用于改进药物的溶解性、稳定性和免疫原性，以延长药物的半衰期，提高疗效。

附图说明

图1合成路线a。

图2合成路线b。

具体实施方式

本发明在以下的实施例进一步说明。这些实施例只是为了说明目的，而不是用来限制本发明的范围。

实施例1：活化聚唾液酸PSH-SH的制备

将纯化的聚唾液酸80mg溶于8mL磷酸缓冲液中(pH7.4，20mM)中，在4℃预冷，然后加入胱胺二盐酸盐(聚唾液酸∶胱胺二盐酸盐＝1∶100摩尔比)，同时滴加少量0.5M的氢氧化钠调pH为7.4。在4℃下磁力搅拌2天。再加入二硫苏糖醇至终浓度为50mM，4℃下反应1h。反应液用10KDa超滤管超滤3次(3000g，30min)，换缓冲体系为PBS(pH7.4)，浓缩得到的即为活化聚唾液酸PSH-SH，其末端官能团为巯基。

实施例2：PEG-PSA嵌段共聚物的制备及应用于修饰SOD酶

将适量MAL-PEG-NHS溶于DMSO，加入过量实施例1新制备的PSA-SH，室温下反应30min，7K透析膜透析出去有机溶剂，冷冻干燥，即得NHS-PEG-PSA。将SOD酶(2mg/mL)溶于磷酸缓冲液(pH7.0～9.0)，4℃下预冷30min，加入NHS-PEG-PSA(NHS-PEG-PSA∶SOD＝10～20∶1摩尔比)，在4℃下磁力搅拌1h。反应液用10KDa超滤管超滤3次(3000g，30min)，浓缩、冻干得到的产品即为SOD-PEG-PSA。

实施例3：MAL-PEG-NHS先连接SOD酶形成SOD-PEG-MAL，然后再连接活化聚唾液酸PSH-SH

将SOD酶(2mg/mL)溶于磷酸缓冲液(pH7.0～9.0)，4℃下预冷30min，加入MAL-PEG-NHS(MAL-PEG-NHS∶SOD＝10～20∶1摩尔比)，在4℃下磁力搅拌1h。反应液用10KDa超滤管超滤3次(3000g，30min)，浓缩得到的即为SOD-PEG-MAL。

然后将上述新制备的反应液在4℃下预冷30min，然后加入一定量实施例1中新制备的PSA-SH(PSA-SH∶SOD-PEG-MAL摩尔比为15～20∶1)。补加磷酸缓冲液使反应液处于合适的浓度，在4℃下反应30min。反应液用10KDa超滤管超滤3次(3000g，30min)，浓缩、冻干得到的产品即为SOD-PEG-PSA。

实施例4：SOD-PEG-PSA酶活力及稳定性

采用SOD酶活性试剂盒(南京建成生物工程研究所)紫外分光光度法对非修饰SOD酶及修饰SOD酶分别进行酶活测定。修饰后SOD酶酶活保留率(酶活保留率％＝修饰SOD酶酶活/非修饰SOD酶酶活)约为65％～85％，修饰后的酶活略有损失。

实施例5：热稳定性实验

将一定量的非修饰SOD酶及修饰SOD酶分别溶于PBS(pH7.4)中，于70℃及80℃水浴0h、0.5h、1h、2h、3h，测定其剩余酶活。在70℃条件下，不同时间点修饰后的SOD酶比非修饰SOD酶高出35％～55％。在更高的80℃条件下，不同时间点修饰后的SOD酶也比非修饰SOD酶高出31％～45％。这说明聚唾液酸修饰显著地提高了SOD酶的热稳定性。

实施例6：pH稳定性

将一定量的非修饰SOD酶及修饰SOD酶分别溶于pH2～3及pH11的缓冲液中，37℃保温2h，定时取样测定酶活力(0min、60min、120min)。发现在pH2～3的强酸性条件下，在2h后非修饰SOD酶酶活保留率仅为10％～25％，而修饰SOD酶酶活保留率为53％～68％，增强了SOD酶的耐酸性，为其作为片剂延长在胃强酸性环境下缓释吸收打下了基础。同时也发现在pH11的强碱性条件下，在2h后非修饰SOD酶酶活保留率约为64％，而修饰SOD酶酶活保留率为85％，增强了SOD酶的耐碱性。

实施例7：模拟胃肠道酶降解实验

将0.1mL(相同浓度)非修饰SOD酶及修饰SOD酶分别加入人工胃液0.9mL(10mg/mL，pH2，若想排除强酸的影响，可将pH调为5)中，37℃保温，定时测定酶活(0min、30min、60min、120min、180min)。本实施例研究在pH5(排除了强酸影响)的条件下，由测得的酶活保留率可知，修饰后的SOD酶比非修饰SOD酶高出20％～30％。这说明经聚唾液酸修饰后的SOD酶抗胃蛋白酶降解的稳定性增强，利于其作为片剂延长在胃中的缓释吸收。

在0.1mL(相同浓度)非修饰SOD酶及修饰SOD酶中分别加入人工胰蛋白酶液0.9mL(10mg/mL，pH6.8)，37℃保温，定时测定酶活(0min、30min、60min、120min、180min)。在pH 6.8下，发现修饰后的SOD酶比非修饰SOD酶高出15％左右。说明经聚唾液酸修饰后的SOD酶抗胰蛋白酶降解的稳定性也增强，可延长SOD酶在肠道中的缓释吸收。

Claims

1.一种聚乙二醇一聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法，其特征在于由活化的聚唾液酸与异基双功能聚乙二醇连接而成，表示为X-PEG-F-PSA，其中：X为异基双功能PEG的活性基团之一，用于连接蛋白质或多肽上的活性基团；F为异基双功能PEG另一个活性基团，用于连接活化的聚唾液酸PSA；嵌段共聚物X-PEG-F-PSA与蛋白质Protein连接，形成“Protein-PEG-PSA”产物；

异基双功能PEG的X活性基团选择各种琥珀酰酯NHS；所述NHS为：琥珀酰亚胺羧甲基酯，琥珀酰亚胺碳酸酯，琥珀酰亚胺戊二酸酯，琥珀酰亚胺琥珀酸酯，琥珀酰亚胺丙酸酯；

异基双功能PEG的F活性基团为能与巯基连接的基团：顺丁烯二酰亚胺基团MAL；

工艺为：

(1)活化聚唾液酸PSA-SH的制备：

(2)“Protein-PEG-PSA”的制备：

(a)先合成PSA-PEG嵌段共聚物，再修饰蛋白：

或(b)PSA连接到Protein-PEG中PEG活性末端：

然后将新制备的Protein-PEG-MAL反应液在4℃下预冷30min，加入步骤(1)中新制备的PSA-SH，PSA-SH：Protein-PEG-MAL摩尔比为15～20∶1，补加磷酸缓冲液使反应液处于合适的浓度，在4℃下反应30min，反应液用10KDa超滤管3000g×30min超滤3次，浓缩、冻干得到的产品即为“Protein-PEG-PSA”。

2.根据权利要求1所述的聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的制备方法，其特征在于，修饰的蛋白质，形成“Protein-PEG-PSA”产物，PEG在蛋白质与PSA之间，PSA在外面，结构式如下：

3.权利要求1所述的制备方法制得的聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的应用，其特征在于，用于含氨基的生物功能分子的修饰，利用PEG的强大水合性能和PSA的免疫原性，将小分子量PEG与PSA相连接再修饰各种蛋白质或多肽药物，用于改进药物的溶解性、稳定性和免疫原性，以延长药物的半衰期，提高疗效。

4.根据权利要求3所述的聚乙二醇-聚唾液酸嵌段共聚物的应用，其特征在于，所述的用于含氨基的生物功能分子的修饰，所述的含氨基的生物功能分子为蛋白质或多肽大分子。