CN102485742A

CN102485742A - 一种聚乙二醇单修饰的重组人粒细胞集落刺激因子的制备及分离纯化方法

Info

Publication number: CN102485742A
Application number: CN201010569604XA
Authority: CN
Inventors: 赵志全; 刘忠; 张培彪
Original assignee: Shandong New Time Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Shandong New Time Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06

Abstract

本发明属于生物医药领域，具体涉及蛋白质的聚乙二醇修饰及分离纯化，特别涉及一种聚乙二醇单修饰的重组人粒细胞集落刺激因子(PEG-rhG-CSF)的制备和纯化。通过优化修饰反应体系及反应条件，获得了大于70％的单修饰PEG-rhG-CSF和小于2.3％的多修饰PEG-rhG-CSF；通过控制分离纯化过程中的工艺参数，获得了高纯度和高活性的单修饰PEG-rhG-CSF，并且PEG-rhG-CSF收率达到85％以上。本发明纯化方法中通过一步阳离子交换层析，简化了步骤，节省了成本，适合工业化大生产。

Description

一种聚乙二醇单修饰的重组人粒细胞集落刺激因子的制备及分离纯化方法

技术领域

本发明属于生物医药领域，具体涉及蛋白质聚乙二醇化修饰及分离纯化，更具体地说，涉及了一种聚乙二醇单修饰的重组人粒细胞集落刺激因子的制备和分离纯化方法。

背景技术

重组人粒细胞集落刺激因子(Recombinant Human Granulocyte-Colony Stimulating Factor，rhG-CSF)是一种造血生长因子，促进粒细胞集落的形成，它作用于骨髓中性粒细胞系造血前体细胞，促进其增殖、分化。对成熟的中性粒细胞可促进游走、吞噬、产酶、释放活性氧、杀菌能力和对外来异物的黏着作用。还可动员成熟中性粒细胞从骨髓进入外周。rhG-CSF最早的适应症是促进癌症化疗以及骨髓移植后的中性粒细胞恢复，以后逐步扩大到各种病因引起的中性粒细胞减少症。

然而rhG-CSF在机体内易受蛋白酶降解、半衰期短的特点，在人体内循环半衰期只有1.3～4.2h，需每日给药，而持续给药会引发药疹、发热、肌痛、骨痛等副作用，导致实际用量远低于理论需用量，直接影响临床治疗效果，这极大的限制了其在临床治疗中的应用。

聚乙二醇(PEG)化学修饰是延长蛋白类药物半衰期的一个有效途径，末端活化的PEG是一种惰性、两亲、不带电荷的柔性长链高分子聚合物，已经作为多种药物的安全载体用于临床应用，比如说PEG-干扰素、PEG-生长抑素等。PEG通过共价键与蛋白质连接，可与蛋白质分子中的氨基(位于N末端的氨基或赖氨酸残基)或者巯基(位于半胱氨酸)反应对蛋白质分子进行修饰。该修饰可以有效地改变蛋白类药物在体内的分布和药物学特性，延长蛋白质药物的血药浓度，同时还可降低免疫原性。张兵在《重组人粒细胞集落刺激因子的克隆、表达、纯化和PEG单修饰以及修饰前后的体内外生物学活性》(《安徽医科大学》，2008年)中对PEG以及聚乙二醇化G-CSF的做了一些介绍，然而该文献所公布的聚乙二醇化G-CSF的修饰体系，通过SP-Sepharose FF离子交换和Sephacryl S-200分子筛层析收集的单聚PEG-G-CSF，经过SDS-PAGE与HPLC检测得知PEG-G-CSF纯度为95％，修饰后的体外活性为2.0×10⁷U/mg。

中国发明专利申请CN101711876A公开了一种聚乙二醇修饰的重组人粒细胞集落刺激因子及其制备方法的技术方案。该技术内容中指出PEG聚合物链本身的结构、长度、分子量等对聚乙二醇蛋白的特性也有很大的影响。此外修饰过程中反应的温度、pH值以及活性PEG与蛋白的比例均可能对聚乙二醇化的程度有影响，并产生不同的PEG与蛋白结合方式。一个蛋白分子结合一个PEG分子或蛋白的多个结合位点分别与PEG结合，使产物组分很复杂，包含了单、双、多及未修饰偶联产物，影响了药物蛋白生物学活性和纯度。通过调整G-CSF原液浓度核pH制，加入氰硼氢化钠和活化的聚乙二醇，于4℃反应，加入甘氨酸终止反应；采用离子交换和分子筛层析对反应混合物予以分离活化的技术方案得到的蛋白纯度为95％，生物活性为8.0×10⁷IU/mg。

文献报道的生产工艺中，普遍存在的一个问题是PEG化反应后经分离纯化得到的产品纯度和比活性都很低，这是因为混合物中单、双修饰、多修饰及未修饰偶联物大量存在，导致后期纯化难以完全去除。

发明内容

为了生产具有高纯度和高生物学活性的聚乙二醇化重组人粒细胞集落刺激因子，本发明提供了一种单修饰聚乙二醇化重组人粒细胞集落刺激因子的制备和分离纯化方法。

本发明制备PEG-rhG-CSF方法的具体方案如下：

用pH3.8～5.8、10～20mmol/L的磷酸盐缓冲液调节rhG-CSF原液的浓度和pH，得调节后的rhG-CSF溶液，它的浓度为2～10mg/mL、pH为3.8～5.8；

将终浓度为10～40mmol/L的催化剂三乙酰氧基硼氢化钠加入到调节后的rhG-CSF溶液中，搅拌使之迅速溶解；

称取活化的PEG，按照PEG与rhG-CSF的摩尔质量比为2～8∶1计算，加入到rhG-CSF溶液搅拌使之迅速溶解，避光4～25℃下搅拌反应4～24h，加入终浓度为20～60mmol/L的胱氨酸终止反应，得到PEG-rhG-CSF。

本发明所述的rhG-CSF为N末端带有Met的重组人粒细胞集落刺激因子。

本发明对PEG的分子量进行了优选，优选地，PEG的分子量为5KDa至20KDa，更优选20KDa，最优选为20KDa单甲氧基聚乙二醇丁醛。

本发明对rhG-CSF原液的pH进行了优选，优选地，上述rhG-CSF原液的pH调整为4.0～5.0。

本发明中PEG与rhG-CSF的摩尔质量比进行了优选，优选地，PEG与rhG-CSF的摩尔质量比为3∶1。

本发明对PEG-rhG-CSF制备方法中的反应时间进行了优选，优选地，上述PEG-rhG-CSF制备方法的反应时间10-24h。

本发明纯化PEG-rhG-CSF方法的具体方案如下：

层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH3.8～5.8、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡层析柱5～10个柱体积；

将通过制备方法得到的PEG-rhG-CSF与注射用水等体积混合，稀醋酸调pH至3.8～5.8，然后以10～20mL/min速度上层析柱；上样完毕后用pH3.8～5.8、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡5～10个柱体积，NaAc-HAc缓冲液进行梯度洗脱，洗脱速度10～20mL/min，分部收集不同吸收峰的洗脱液。

PEG修饰后的混合物，未修饰产物、多修饰产物与单修饰产物在表面电荷效应上存在一定差异，利用这一点可以用离子交换层析将样品中单修饰、多修饰及未修饰产物有效的分离开来。本发明对纯化过程中层析柱的填料进行了优选，优选地，上述层析柱的填料为MacroCap SP阳离子交换填料，此填料在高载样量下仍可以有效的分离PEG单修饰、多修饰、未修饰产物。

本发明对梯度洗脱的缓冲液进行了优选，优选地，上述梯度洗脱的缓冲液为pH3.5～4.5、5～20mmol/L的NaAc-HAc缓冲液a和pH7.0～8.0、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b。

本发明对梯度洗脱的程序进行了优选，优选地，上述梯度洗脱程序为0～30min，100％缓冲液a；30～90min，100％～0％缓冲液a、0～100％缓冲液b；保持5min100％的缓冲液b。

本发明与现有技术相比具有如下突出的优点：

本发明选用了磷酸盐制备体系，通过优化制备方法中修饰反应体系的pH、反应温度、PEG与rhG-CSF的摩尔质量比和催化剂及其浓度，控制反应时间，获得了大于70％的单修饰PEG-rhG-CSF和小于2.3％的多修饰PEG-rhG-CSF，在保证一定修饰效率的情况下，尽可能的减少了双、多、未修饰偶联物的产生，提高了样品的纯度，有利于后续步骤的纯化。本发明通过一步离子交换层析，优选纯化过程中的工艺条件，使PEG-rhG-CSF的纯度大大提高，达到99.65％以上，其比活性达到6×10⁸IU/mg。现有技术中鲜有公开PEG-rhG-CSF的收率问题，而通过本发明的技术方案，PEG-rhG-CSF收率达到85％以上，另外相对于现有技术公开的技术方案，本发明纯化方法通过一步阳离子交换层析，简化了步骤，节省了成本，适合工业化大生产。

本发明中稀醋酸按照《中国药典》配制；MacroCap SP为GE公司生产。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明予以进一步详细说明，但是本发明不限于以下实施例。

实施例1.PEG-rhG-CSF的制备

取重组人粒细胞集落刺激因子溶液500mL，用pH4.0、10mmol/L的磷酸盐缓冲液调节蛋白浓度为5mg/mL、pH4.0；

将终浓度为20mmol/L的催化剂三乙酰氧基硼氢化钠加入调节后的rhG-CSF溶液中，搅拌使之迅速溶解；

按PEG∶rhG-CSF为3∶1的摩尔质量比计算，称取单甲氧基聚乙二醇丁醛(20KDa)，加入以上溶液搅拌使之迅速溶解，避光4℃下搅拌反应；在反应4h、8h、12h、16h、20h时分别取样做HPLC检测PEG修饰效率及双修饰偶产物含量，24h后加入终浓度为40mmol/L的胱氨酸终止反应，得到PEG-rhG-CSF。

表1不同反应时间的检测结果

修饰时间	单修饰产物含量	双修饰产物含量
			4h	36％	0.38％
8h	42％	0.60％
			12h	46％	0.70％
16h	50.90％	1.45％
			20h	64.06％	1.99％
24h	72.60％	2.18％

由表1看出，PEG∶rhG-CSF为3∶1修饰比例的条件下，反应时间为24h，单修饰效率达到72.60％，双修饰产物仅为2.18％。

实施例2.PEG-rhG-CSF的制备

取重组人粒细胞集落刺激因子溶液1000mL，用pH3.8、20mmol/L的NaAc-HAc缓冲液调节蛋白浓度为2mg/mL，并调节pH为3.8；

将终浓度为10mmol/L的催化剂三乙酰氧基硼氢化钠加入调节后的rhG-CSF溶液中，搅拌使之迅速溶解；

按PEG∶rhG-CSF为8∶1的摩尔质量比计算，称取PEG(5KDa)，加入以上溶液搅拌使之迅速溶解，避光25℃下搅拌反应，4h后加入终浓度为60mmol/L的胱氨酸终止反应，得到PEG-rhG-CSF。

PEG∶rhG-CSF为8∶1修饰比例的条件下，反应时间为4h，单修饰效率达到71.50％，双修饰产物仅为2.21％。

实施例3.PEG-rhG-CSF的制备

取重组人粒细胞集落刺激因子溶液500mL，用pH5.0、15mmol/L的NaAc-HAc缓冲液调节蛋白浓度为10mg/mL、pH为5.0；

将终浓度为40mmol/L的催化剂三乙酰氧基硼氢化钠加入调节后的rhG-CSF溶液中，搅拌使之迅速溶解；

按PEG∶rhG-CSF为2∶1的摩尔质量比计算，称取PEG(10KDa)，加入以上溶液搅拌使之迅速溶解，避光15℃下搅拌反应，22h后加入终浓度为20mmol/L的胱氨酸终止反应，得到PEG-rhG-CSF混合物。

PEG∶rhG-CSF为2∶1修饰比例的条件下，反应时间为22h，单修饰效率达到71.90％，双修饰产物仅为2.26％。

实施例4.PEG-rhG-CSF的制备

取重组人粒细胞集落刺激因子溶液100mL，用pH5.8、10mmol/L磷酸盐缓冲液调节蛋白浓度为7mg/mL、pH为5.8；

将终浓度为30mmol/L的催化剂三乙酰氧基硼氢化钠加入调节后的rhG-CSF溶液中，搅拌使之迅速溶解；

按PEG∶rhG-CSF为6∶1的摩尔质量比计算，称取单甲氧基聚乙二醇丁醛(20KDa)，加入以上溶液搅拌使之迅速溶解，避光20℃下搅拌反应，10h后加入终浓度为50mmol/L的胱氨酸终止反应，得到PEG-rhG-CSF。

PEG∶rhG-CSF为6∶1修饰比例的条件下，反应时间为10h，单修饰效率达到70.10％，双修饰产物仅为2.09％。

实施例5.PEG-rhG-CSF的纯化

装填XK50/30层析柱，填料为MacroCap SP，柱体积为380m；层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH4.0、20mmol/L的NaAc-HAc进行柱平衡，平衡体积为5～10个柱体积；

将通过制备方法得到的PEG-rhG-CSF与注射用水等体积混合，用稀醋酸调pH至4.0，以15mL/min速度上平衡后的MacroCap SP柱，上样量为300mL；上样完毕后用pH4.0、20mmol/L的NaAc-HAc的缓冲液平衡5～10个柱体积，用pH4.0、20mmol/L的NaAc-HAc缓冲液a和pH7.5、20mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b进行梯度洗脱，洗脱速度15mL/min，梯度洗脱程序为0～30min，100％缓冲液a；30～90min，100％～0％缓冲液a、0～100％缓冲液b；保持5min100％的缓冲液b。

分部收集不同吸收峰的洗脱液，取样做HPLC纯度检测和MTT比色法活性检测，得知PEG-rhG-CSF纯度为99.70％，活性为6.3×10⁸IU/mg，收率为89％。

实施例6.PEG-rhG-CSF的纯化

装填XK50/30层析柱，填料为MacroCap SP，柱体积为380ml。层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH5.0、10mmol/L的NaAc-HAc进行柱平衡，平衡体积为5～10个柱体积。

将通过制备方法得到的PEG-rhG-CSF与注射用水等体积混合，用稀醋酸调pH至5.0，然后以10mL/min速度上平衡后的MacroCap SP柱，上样量为300mL。上样完毕后用pH5.0、10mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡5～10个柱体积，然后用pH3.5、10mmol/L的NaAc-HAc缓冲液a和pH7.0、10mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b进行梯度洗脱，洗脱速度10mL/min，按实施例5的梯度洗脱程序洗脱，分部收集不同吸收峰的洗脱液，取样做HPLC纯度检测和MTT比色法活性检测，得知PEG-rhG-CSF纯度为99.68％，活性为6.1×10⁸IU/mg，收率为87％。

实施例7.PEG-rhG-CSF的纯化

装填XK50/30层析柱，填料为MacroCap SP，柱体积为380ml。层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH3.8、30mmol/L的NaAc-HAc进行柱平衡，平衡体积为5～10个柱体积。

将通过制备方法得到的PEG-rhG-CSF与注射用水等体积混合，用稀醋酸调pH至3.8，然后以30mL/min速度上平衡后的MacroCap SP柱，上样量为300mL。上样完毕后用pH3.8、30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡5～10个柱体积，然后用pH4.5、5mmol/L的NaAc-HAc缓冲液a和pH8.0、30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b进行梯度洗脱，洗脱速度20mL/min，按实施例5的梯度洗脱程序洗脱，分部收集不同吸收峰的洗脱液，取样做HPLC纯度检测和MTT比色法活性检测，得知PEG-rhG-CSF纯度为99.66％，活性为6.2×10⁸IU/mg，收率为85％。

实施例8.PEG-rhG-CSF的纯化

装填XK50/30层析柱，填料为MacroCap SP，柱体积为380ml。层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH5.8、25mmol/L的NaAc-HAc进行柱平衡，平衡体积为5～10个柱体积。

将通过制备方法得到的PEG-rhG-CSF与注射用水等体积混合，用稀醋酸调pH至5.8，然后以10mL/min速度上平衡后的MacroCap SP柱，上样量为300mL。上样完毕后用pH5.8、25mmol/L的NaAc-HAc的缓冲液平衡5～10个柱体积，然后用pH4.0、10mmol/L的NaAc-HAc缓冲液a和pH7.5、20mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b进行梯度洗脱，洗脱速度20mL/min，按实施例5的梯度洗脱程序洗脱，分部收集不同吸收峰的洗脱液，取样做HPLC纯度检测和MTT比色法活性检测，得知PEG-rhG-CSF纯度为99.65％，活性为6.0×10⁸IU/mg，收率为88％。

Claims

1.一种制备PEG-rhG-CSF的方法，包括以下步骤：

用pH3.8～5.8、10～20mmol/L的磷酸盐缓冲液调rhG-CSF原液的浓度至2～10mg/mL、pH至3.8～5.8；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于PEG的分子量为5KDa～20KDa。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于PEG为20KDa单甲氧基聚乙二醇丁醛。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于调节后的rhG-CSF溶液的pH为4.0～5.0。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于rhG-CSF与PEG的搅拌反应时间10-24h。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征PEG-rhG-CSF的纯化方法，包括以下步骤：

层析柱装填完毕后用注射用水冲洗5～10个柱体积，然后用pH3.8～4.8、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡层析柱5～10个柱体积；

将制备得到的PEG-rhG-CSF混合物与注射用水等体积混合，稀醋酸调pH至3.8～5.8，然后以10～20mL/min速度上层析柱；上样完毕后用pH3.8～5.8、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液平衡5～10个柱体积，NaAc-HAc缓冲液进行梯度洗脱，洗脱速度10～20mL/min，分部收集不同吸收峰的洗脱液。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于层析柱填料为MacroCap SP阳离子交换填料。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于梯度洗脱缓冲液为pH3.5～4.5、5～20mmol/L的NaAc-Hac缓冲液a和pH7.0～8.0、10～30mmol/L的NaAc-HAc缓冲液b。

9.根据权利要求6或8所述的方法，其特征在于梯度洗脱程序为0～30min，100％缓冲液a；30～90min，100％～0％缓冲液a、0～100％缓冲液b；保持5min100％的缓冲液b。