CN1529551A - 生物活性成分和细胞靶向成分为预定比例的、基本为均质的生物活性材料以及该材料的制备和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于靶向和治疗患病细胞的均质缀合物及其制备方法，其中缀合物具有预定比例的药物/蛋白，所述蛋白可以特异性结合这些细胞。制备这种缀合物的方法包括按一定方式将药物分子加到连接子分子中，使得一分子药物连接一分子连接子，然后将药物/连接子复合体加到蛋白分子中，使得药物分子/蛋白分子达预定比例。

Description

生物活性成分和细胞靶向成分为预定比例的、 基本为均质的生物活性材料以及该材料的制备和使用方法
技术领域
本发明概括地涉及生物活性材料领域。更具体而言，本发明涉及基本为均质的蛋白-药物缀合物及其制备和使用方法。
背景技术
在癌症治疗中最致命的两个问题是药物毒性问题和抗药性问题。药物毒性使患者身体虚弱，而抗药性问题甚至在更高剂量水平下也常常会遇到，从而放大了药物的毒副作用，由此经常导致患者死亡。解决药物毒性问题的一个方法是仅针对肿瘤细胞进行靶向给药。许多研究者正在致力于开发用于转运药物的抗体并取得了可喜的进展。但抗体也并非是不存在问题的，例如，抗体常常与正常组织结合，而且它们也会损伤血管(如血液渗漏综合症)或造成严重的变态反应(如过敏)。
如美国专利5,108,987、5,000,935、4,895714和4,886,780中所述，有关运铁蛋白和抗癌药物缀合物之应用方面的研究也取得了进展。这些专利中描述的发明没有采用抗体，而是利用了一种在正常人体血液中存在的蛋白，这种蛋白就是转运铁的运铁蛋白。正常细胞很少需要铁，但肿瘤细胞需要大量的铁，以满足其病态增加的新陈代谢需要。由于肿瘤细胞需要更多的铁，其表面存在着差不多为永久性的运铁蛋白受体，而正常细胞表面则不存在这种受体。上述发明利用了这些受体，通过给药键合在运铁蛋白上的抗癌药物，将药物基本上都转运至肿瘤细胞表面的运铁蛋白受体之上。
靶向给药绕开了正常细胞，允许使用更小剂量的药物，从而明显缓解了药物毒性的问题。反之，当抗癌药物以非靶向给药的方式给药时，它们同时杀灭正常细胞和肿瘤细胞。这些药物对于免疫系统的细胞和负责血液凝固的系统的毒性特别强，所以癌症患者在化疗期间的主要并发症是感染和出血。治疗这些并发症需要昂贵的设施、住院、重症看护和生命支持系统，对于患者而言不仅身体不适并且昂贵，而采用靶向给药系统则可以在很大程度上避免这些问题的出现。
药物毒性问题消耗了医护人员大量的时间，这是癌症治疗的花费中的主要组成部分。例如，一般认为肿瘤科医生中约70％的求救电话与药物毒性有关。目前，除了降低药物用量以外，对于药物毒性问题尚无令人满意的解决办法。靶向给药允许使用更小剂量的药物，因为大部分药物可以被特异性地转运至肿瘤细胞内，而不是非特异性地分布于全身。从这一角度看，靶向给药就象是用来复枪射击，而常规给药方法则象是用机枪进行扫射。药物毒性问题的解决将使癌症患者的化疗发生重大的变革。本发明的目标之一就是降低化疗中的毒副作用。
与药物毒性相比，抗药性也是同样严重的问题。典型的情况是这样的，确诊患有癌症的患者接受治疗并在数月的时间内病情好转，无症状出现，但随后肿瘤重新出现，而且任何已知药物均不再有效。诸如此类的抗药性问题非常普遍，至今尚无令人满意的解决方案。只有采用更大剂量和药力更强的药物进行治疗，但反过来这又会造成更为严重的药物毒性问题，常常会导致患者死亡。抗药性问题的解决将大大缓解药物毒性问题。运铁蛋白靶向给药可以克服抗药性的问题。因此，本发明的另一个目标是解决痛苦的且经济负担沉重的由抗药性癌症造成死亡的问题。
与生物活性分子缀合的蛋白的疗效已经得到了证明，并且在上述美国专利中已经作了描述。但是，现已证明在应激细胞如肿瘤细胞的治疗中，当出现缀合物聚集以及生物活性分子与蛋白片断或者与二至三个蛋白构成缀合物的情况时，这种缀合物的药效会被消弱。而蛋白和生物活性分子的比例接近1∶1时，缀合物的药效会大幅提高。以前为获得药效较高的缀合物，需要采用费时、费工和昂贵的处理工序，从包含有生物活性分子和蛋白片断构成的缀合物、生物活性分子和多个蛋白构成的缀合物以及多个生物活性分子和蛋白构成的缀合物的样品中分离得到生物活性分子/蛋白比例理想的缀合物。采用均质的蛋白-药物缀合物可以更为有效地杀灭抗药性肿瘤细胞和药物敏感的肿瘤细胞，在这种均质的蛋白-药物缀合物中蛋白成分负载有预定数量的生物活性分子。此前，规模化生产有明显疗效的缀合物的方法存在成本高、效率低的问题，造成这种缀合物难以商品化和广泛使用。对于基本为均质的药物-蛋白缀合物，以及高效、精确和价廉地制备这种缀合物的方法存在现实的需要。本发明的一个目标是通过有效的方法提供这种均质的缀合物。
1980年，Faulk和他的同事首次报道了人类肿瘤细胞中存在运铁蛋白受体(1)。参见下表，以下为运铁蛋白受体存在于不同类型人类肿瘤中的报道。
    肿瘤     参考文献     肿瘤     参考文献
    乳腺癌     1，3     消化道癌     10
    白血病     4，5     卵巢癌     11
    肺癌     6     非何杰金氏淋巴癌     12
    脑癌     7     淋巴癌/黑素瘤     13，14
    肝癌     8     鼻咽癌     15
    膀胱癌     9     宫颈癌     16
存在于正常细胞和肿瘤细胞中的运铁蛋白受体
现尚无一项研究去探究是否所有的人类肿瘤均上调了运铁蛋白受体的数量，而所有正常细胞均下调了运铁蛋白受体的数量，但分析各方面的数据后，对于这两个问题的回答是肯定的。例如，未成熟的红细胞(即正母红细胞和网状细胞)在其表面上存在运铁蛋白受体，但成熟红细胞中没有(17)。循环系统中的单核细胞也没有上调运铁蛋白受体的数量(18)，而巨噬细胞(包括肝巨噬细胞)通过噬红细胞作用以运铁蛋白依赖性的方式获得所需的大部分铁(19)。事实上，体内研究表明网状内皮系统几乎不从血浆运铁蛋白中得到铁(有关综述参见文献20)。细胞因子(如γ干扰素)下调了巨噬细胞运铁蛋白受体的数量(21)，推测这种限制铁吸收的机制可以作为杀灭细胞内寄生物的一种解释(22)。
在休眠的淋巴细胞中，不仅运铁蛋白受体数量被下调，而且也检测不到运铁蛋白受体的基因(23)。与之相反，受激淋巴细胞在G1后期上调了运铁蛋白受体的数量(24)。随c-myc原致肿瘤基因的表达以及随后的IL-2受体的上调，出现了运铁蛋白受体的表达(25)，同时伴随铁调控蛋白结合能力的明显增加(26)，这种增加稳定了运铁蛋白受体的mRNA(27)。对于T型和B型淋巴细胞这种现象均存在(28)，并且是一种IL-2依赖的响应(29)。
众所周知，造成运铁蛋白受体上调的细胞刺激源自所遭受到的刺激，如细胞受病毒或肿瘤细胞的入侵。
通过抗原或凝集素刺激的研究(即受体上调)以及采用视黄酸进行的分化模式的研究(即、受体下调)(30-33)，已经证明了正常和肿瘤细胞中运铁蛋白受体数量的上调和下调。这些试验模型所得到的基线数据表明大多数正常、成熟和休眠的人类细胞的质膜上的受体数量被下调(34)。例外的是循环系统中的屏障系统，包括母婴屏障，其中含有富含运铁蛋白受体的合胞滋养层(35)；血脑屏障，其中含有富含运铁蛋白受体的毛细内皮细胞(36)；以及血液睾丸屏障，其中含有富含运铁蛋白受体的支持细胞(37)。
运铁蛋白-药物缀合物杀灭细胞的机制
通过连续的两个反应，运铁蛋白-多柔比星缀合物与质膜结合：首先，运铁蛋白成分与运铁蛋白受体结合，然后主要利用心磷脂和带电磷酸酯间的相互作用，多柔比星与脂质双分子层结合(58)。因此，通过蛋白和磷脂受体的结合，经过受体二聚、侧面迁移以及胞浆钙迁移，缀合物被置于激活的信号转导通道上(61)。
运铁蛋白-多柔比星缀合物杀灭肿瘤细胞的一种机制是抑制了质膜氧化还原酶的活性，特别是NADH氧化酶的活性(62)。NADH氧化酶的抑制导致了细胞死亡(63)，多柔比星是这种酶的高效抑制剂(64，65)。运铁蛋白-多柔比星缀合物抑制NADH氧化酶的活性(66)，以及由NADH氧化所引发的下游反应，如通过钠-氢对向运输的电子丧失和质子交换(67)。
运铁蛋白-多柔比星缀合物杀灭肿瘤细胞的第二种机制是运铁蛋白受体的分子控制。例如，微环境铁的螯合引发了肿瘤细胞凋亡，但是正常休眠细胞则不存在这种作用(68)，而且这种螯合作用明显促进了胞核嘧啶阿拉伯糖苷的细胞毒性作用(69)。抗药性细胞对于铁吸收受限更为敏感，因为它们不能稳定运铁蛋白受体的mRNA，而且与药物敏感性细胞相比，过量的铁可以更为有效地使运铁蛋白受体的mRNA去稳定。
第三种机制涉及氧化应激反应中的氧化还原活性产物(71)。例如，一氧化氮使铁-硫聚簇解体，允许铁调控蛋白结合和保护铁响应的元素(72)。过氧化氢可造成同样的效果(即上调运铁蛋白受体的数量)，但是亚硝根离子可以下调运铁蛋白受体的数量，造成铁-硫聚簇中的巯基亚硝酰化(73)。总之，运铁蛋白-多柔比星缀合物杀灭肿瘤细胞的机制至少有三种。
到目前为止，由于从大部分为非所需成分的反应产物中纯化出蛋白/药物比例一定，并且基本上不含蛋白二聚体、多聚体或蛋白片断的蛋白-药物缀合物成本高并且费时，所以利用应激细胞的这些机制以及运铁蛋白受体上调机制的治疗方案难以推广。(如其他场合中所提及的那样，蛋白如运铁蛋白的凝集、分解等将导致不能与运铁蛋白受体正确结合)。此前的制备方法效能低下，使得利用这些机制治疗肿瘤细胞以及受病毒感染的细胞不具有经济性。
运铁蛋白-药物缀合物对于实验动物的作用
运铁蛋白-药物缀合物的疗效在几种动物模型中已经被研究。例如，第14天，运铁蛋白-白喉毒素缀合物将小鼠体内的异种移植的神经胶质瘤减少了95％，第30天神经胶质瘤不复发(74)。与仅采用多柔比星治疗的动物相比，已经发现由戊二醛制备的运铁蛋白-多柔比星缀合物可以避免接种人类间皮瘤细胞的小鼠死亡，并显著延长了小鼠的存活期(75)。此外，采用生物素-链霉抗生物素技术将运铁蛋白和单纯疱疹胸苷激酶偶联，这种缀合物可显著延长接种有转移K562肿瘤细胞的小鼠的存活期(76)。最后，小鼠对人类运铁蛋白-多柔比星缀合物的最大耐受剂量为20mg/k(iv)，而单体药物的最大耐受剂量仅为8mg/kg(iv)(41)。
运铁蛋白-药物缀合物对于人体的作用
有关运铁蛋白-药物缀合物的临床报道有两个。第一个报道是一个初步实验，发表于1990年，对于7例急性白血病患者静脉给药由戊二醛制得的运铁蛋白-多柔比星缀合物5天(1mg/天)。在这种低剂量条件下未出现毒副作用，治疗后10天内7名患者外周血中白血球数量下降了86％(77)。此外，通过治疗前后的骨髓切片检查证明病症没有进一步发展。
第二个报道来自NIH，发表于1997年，对于15名患有复发脑癌的患者采用硫醚键合的运铁蛋白缀合物进行治疗，其中缀合物中键合有白喉毒素的基因突变体。通过高通量隙间微灌注给药，经证实这种方法可有效地将放射标记的运铁蛋白灌注进大脑，同时使炎症反应降至最低(78)。核磁共振成像证明15名患者中有9人肿瘤体积缩小至少50％，其中2人肿瘤完全消失(44)。
在一个未发表的临床研究中，23名患有晚期卵巢癌的患者被随机分至试验组(12人)和对照组(11人)中。在每月的治疗周期中的第15至19天，试验组接受运铁蛋白-多柔比星缀合物治疗，剂量相当于每天1mg多柔比星。当诊断和随机分组之间的时间为18个月时，对于接受运铁蛋白-多柔比星缀合物治疗的患者存活率进行Cox回归分析，结果证明存在显著性差异。
另外一个未发表的临床研究对象是一名男性，22岁，其右心房肉瘤发生转移，采用常规治疗方案无效。他的肺部充满了转移性病灶，当其主治医生得到FDA同意使用运铁蛋白-多柔比星缀合物进行治疗的批复后，于2000年8月开始进行治疗。到了10月，患者肺部的转移性病灶已基本消除，次年1月采用放射学方法已检测不到肿瘤。到目前(2001年8月)为止该患者仍存活，并且仅采用运铁蛋白-多柔比星缀合物进行治疗。
靶向给药的优点在于提高了药效，同时降低了用药量，从而降低了药物的毒副作用并且减轻了正常细胞受损的程度，所有这些作用特点均有效地降低了治疗费用，同时提高了患者看护的质量。靶向给药也避免了抗药性的出现，这是因为抗药性是由于药物非特异性进入细胞所引发的(79)。由于运铁蛋白-药物缀合物通过受体特异性的途径特异性地进入细胞(80，81)，它们可绕过抗药性机制，如抗药性细胞中的外流泵进行传输。
1992年就有关于运铁蛋白-多柔比星缀合物可有效杀灭多种抗药性细胞的报道(82)。这一发现在1993年得到了证实(83)，并在1994年(84)、1996年(85)和2000年(86)被扩展到几种类型的抗药性细胞中。
运铁蛋白-药物缀合物的制备
运铁蛋白-多柔比星缀合物的制备方法的首次报道发表于1984年(38)，此后有关运铁蛋白-药物缀合物的制备方法有多篇报道，下表中列举出其中的部分报道。
  运铁蛋白标记   所采用的方法     参考文献    运铁蛋白标记     所采用的方法     参考文献
  多柔比星   戊二醛     38，39，40    钛     碳酸盐     48
  多柔比星   马来酰亚胺     41    胰岛素     二硫化物     49
  丝裂霉素C   谷胱甘肽间隔子     42    镓     碳酸盐     50
  新制癌菌素   琥珀酰亚胺     43    铂     甲硫氨酸     51
  白喉毒素   硫醚     44    皂草素/篦麻毒素     琥珀酰亚胺     52
  苯丁酸氮芥   马来酰亚胺     45    钌     碳酸氢盐     53
  紫杉醇   戊二醛     46    生长因子     融合蛋白     54
  柔红霉素   戊二醛     47    HIV蛋白酶     重组     55
可以利用戊二醛形成Schiff碱制备运铁蛋白-多柔比星缀合物(56，57)，运铁蛋白中赖氨酸的ω-氨基和多柔比星3’-氨基间形成耐酸的键。这种多柔比星缀合物通过质膜介导的机制杀灭癌细胞(综述参见文献58)。虽然已经明确DNA插入是多柔比星杀灭细胞的机制，但是固定于载体如葡聚糖上的多柔比星引发了质膜介导的机制来杀灭细胞(59，60)。因此，推测多柔比星缀合物引发了包括多柔比星和运铁蛋白受体在内的质膜介导的机制来杀灭细胞。
已经发现复合有抗癌药物的非抗体蛋白如运铁蛋白对于癌细胞的靶向能力和杀灭抗药性细胞的效能依赖于药物和运铁蛋白的比例。一般认为蛋白如运铁蛋白负载过量的生物活性分子会影响蛋白和受体的对接能力。负载量不足又会造成受体与未负载药物的蛋白结合，即出现屏蔽现象。当前制备运铁蛋白-药物缀合物的技术不能得到预定比例的缀合物。现在所采用的方法得到的是非均质的缀合物，其中包含有很大比例的负载量过大或负载量不足的缀合物。从现行工艺所得产品中纯化出相对少量的有效成分，得到适用于临床的分子的产率低并且成本非常高。如此高的生产成本使得采用这种有效治疗癌症或其他因细胞受刺激所导致疾病的方法不具有经济性，从而限制了大多数患者从该材料中受益。对于可以大量且廉价制备这种缀合物的方法存在现实的需要。
发明内容
显而易见，药物与靶向剂连接后其转运特性会发生改变，同时药物在癌症患者体内转运的特异性也会发生改变。但是问题在于至今尚没有大量合成均质缀合物的方法，其中以每分子蛋白计，这种均质缀合物中含有预定和恒定数量的药物分子。本发明解决了在现有制备和使用缀合物方法中存在的这一难题，其中，缀合物为蛋白与抗癌药物(如细胞生长抑制剂或细胞毒性剂、光敏剂、热敏剂、以及细胞凋亡诱导剂)所构成的缀合物，所述蛋白例如是运铁蛋白、血浆铜蓝蛋白、维生素、维生素结合蛋白、激素、细胞因子、低密度脂蛋白和生长因子。
本发明的一个方面包含一种治疗患病细胞的材料，其中该材料包含基本为均质的、预定比例的与生物活性分子缀合的蛋白，该蛋白能够和细胞中的受体结合，而且所述疾病的发生能够导致该受体数量上调。
在另一方面中，本发明包括生物活性分子连接子的形成，其中连接子可以和蛋白进一步反应，将连接子连接至蛋白分子之上，其中蛋白可以和受病症刺激的细胞结合，而生物活性分子可治疗细胞或使细胞在造影条件下显影。在另一方面中，本发明包括一种治疗对蛋白具有相对较高亲和力的细胞的方法，其中包括将所述细胞和该材料接触。
具体实施方式
本发明优选的方法包括将生物活性材料如抗癌药物连接到连接子之上，使得生物活性材料和每个连接子分子的连接具有可控的比例。将药物-连接子以达到所希望的摩尔比的量添加到蛋白中，如运铁蛋白、血浆铜蓝蛋白、维生素、维生素结合蛋白、激素、细胞因子、低密度脂蛋白和生长因子。在本发明优选的方法中，连接子为戊二醛。将戊二醛选作连接子是因为戊二醛只有两个反应位点，并且其反应动力学有利于在每个连接子上仅连接一个生物活性分子。缀合物形成后，可采用如乙醇胺来清除过量的戊二醛。
本发明涉及均质的缀合物，以每分子靶向蛋白计，缀合物中含有预定且恒定数目的抗癌药物或其他生物活性分子。本发明的靶向剂包括但不限于运铁蛋白、血浆铜蓝蛋白、维生素、维生素结合蛋白、激素、细胞因子、低密度脂蛋白和生长因子。抗癌药物或其他生物活性分子包括但不限于细胞毒性药物如多柔比星、甲氨蝶呤、长春新碱、柔红霉素、6-巯基嘌呤、胞核嘧啶阿拉伯糖苷、以及环磷酰胺，热敏剂如血卟啉和低剂量的戊脉安，细胞凋亡诱导剂如去铁胺，光敏剂如porfimer sodium，metatetrahydroxy-phenylchlorin、和血卟啉衍生物，造影成像材料如同位素、荧光分子和射线遮盖剂。优选的靶向剂为运铁蛋白，而抗癌药物为多柔比星。
在1990年2月23日公开的美国专利4,895,714和在2001年3月19日公开的美国专利5,000,935描述了包含造影成像材料的缀合物，此处引用作为参考。适用的同位素包括但不限于碘、镓、铟和钇，优选为125I、131I、111In、90Y和67Ga。
本发明还涉及基本为均质的缀合物的高效和经济的制备方法，其中以每分子靶向蛋白计，缀合物中含有预定且恒定数目的抗癌药物或其他生物活性分子。这种方法明显地减少运铁蛋白多聚体或二聚体的产生，以及运铁蛋白-药物缀合物的聚集，并且在多数情况下基本上消除了上述问题，因此药物/蛋白的比例范围窄。本发明显著降低了生产成本并提高了生产效率，从而增加了缀合物在医学应用中的效能。本发明基本为均质的缀合物通过这样一种方法制备，其中首先形成反应性的药物-连接子复合体。在方法描述中，生物活性材料为多柔比星，而连接子为戊二醛。应当认识到也可以采用其他的生物活性材料和连接子。
按照化学计量量，利用多柔比星(DOX)仅有的一个氨基，即3＇-氨基和戊二醛(GLU)两个反应性基团中的一个反应，进行具有预定分子比例的、基本为均质的运铁蛋白-多柔比星缀合物的大量合成。因此，第一步是将DOX的盐水溶液滴加到GLU的盐水溶液中，其中GLU的盐水溶液含有溶剂如DMSO或其他适用的冷冻保护剂，使得DOX和GLU的最终摩尔比为1∶1。所得DOX-GLU溶液于室温下避光搅拌3hr。
在上述反应中DOX和GLU的摩尔数相等，使得最终所得的DOX-GLU溶液中既没有游离的DOX也没有游离的GLU。但是，如果一分子GLU和两分子DOX反应生成DOX-GLU-DOX，则溶液中可能存在游离的GLU，但通过向二价GLU溶液中滴加一价DOX，利用质量作用动力学可以将这种可能性降至最低。对于反应物的体积没有限制，所以可以制备大量的均质的DOX-GLU。
缀合反应的第二步是将DOX-GLU滴加至运铁蛋白(TRF)的盐水溶液中。TRF可以是不含铁的(脱铁运铁蛋白)和被铁饱和的(全铁运铁蛋白)。通过适当调整TRF的体积可以得到理想的DOX-TRF摩尔比。所得TRF-GLU-DOX溶液于室温下避光搅拌20小时。与DOX和GLU的反应不同，DOX-GLU和TRF的反应并不仅局限于一个结合位点，因为DOX-GLU中的GLU成份可以和TRF分子中任何一个赖氨酸上的ε-氨基反应。
结合至TRF上的DOX分子的数目由第二步反应决定。例如，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为7.2∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有2.5分子DOX。但是，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为4.0∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有1.4分子DOX。类似地，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为2.5∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有0.9分子DOX。以此可根据需要大量制备DOX/TRF为预定比例的TRF-GLU-DOX。
缀合反应的下一步是添加乙醇胺或其他适用于清除过量连接子的物质，然后离心并进行渗析。虽然从理论上讲DOX和TRF消耗了所有的GLU，还需向最终的反应混合物中加入乙醇胺以结合所有未反应的GLU。避光反应30分钟。最终溶液在2000rpm下离心10分钟，用100倍过量的盐水渗析6小时，共二次，然后用Hepes缓冲盐水按同样配比渗析三次，所得TRF-GLU-DOX备用。
缀合物的生物化学表征
如文献(39)所述，利用HPLC和聚丙烯酰胺凝胶电泳可以确定TRF-GLU-DOX缀合物的均匀性。同样，利用文献(89)所述分光光度法可以确定DOX和TRF的分子比。反复测定的结果表明TRF-GLU-DOX缀合物具有一致的均匀性。此外，在这些缀合物的制备中不必采用色谱法，因为没有出现聚集和分解现象。这样就允许大量制备均质的运铁蛋白-药物缀合物，从而增加了产量并降低了成本。
在其他类型的运铁蛋白-药物缀合物中，TRF和DOX损耗所产生的花费已经成为阻碍其应用的一个因素。例如，采用改变药物和/或蛋白的方法(如巯基化法)(44)，使得DOX和TRF的产率下降。采用溶剂系统(86)和利用色谱法建立酸稳定的和酸敏感的连接(89)，也使得产率下降。DOX和TRF之间的GLU键是酸稳定的(89)，依据本发明所制备的TRF-DOX缀合物中DOX和TRF的产率高。事实上，与其他方法相比(38，39，40)，TRF的产率几乎翻了一倍(90％对50％)，DOX的产率增加了近5倍。
此前已知用于制备运铁蛋白-多柔比星缀合物的方法都不能大量地制备均质且具有预定药物分子/运铁蛋白分子比例的缀合物。此外，其他的方法利用色谱来消除聚集和获得富含均质缀合物的组分。这些方法降低了产率，增加了成本，并且缺乏预设分子比例的能力。
另外一种方法是将1ml运铁蛋白(0.5mM)和1ml去铁胺的盐水溶液(其中去铁胺浓度为8.5mM，氯化钠浓度为150mM)混合4分钟，然后加入1ml戊二醛的盐水溶液(其中戊二醛浓度为21.5mM，氯化钠浓度为150mM)并混合4分钟。后一反应为偶联反应，加入0.8ml乙醇胺盐水溶液(其中乙醇胺浓度为37.2mM，氯化钠浓度为150mM，Hepes缓冲盐浓度为10mM)(pH8)并涡旋振荡4分钟终止反应。然后将反应混合物(3.8ml)转移至渗析管(截止分子量为12,000-14,000)中，采用0.5L Hepes缓冲盐水，于5℃下避光渗析3小时。更换Hepes缓冲盐水后，至少再渗析一次。此后混合物于4℃下离心(1600g)10分钟，采用2.6×34cm SepharoseCL-4B柱对上清液进行色谱分离，流速为22ml/小时，色谱柱用Hepes缓冲盐水预平衡，于5℃下用blue dextran、运铁蛋白和细胞色素C标定。洗脱液检测波长为280nm，每3.8ml收集一次。通过运铁蛋白和去铁胺的标准曲线计算每份中运铁蛋白和去铁胺的浓度，运铁蛋白的检测波长为280nm，而去铁胺的检测波长为356nm。稍作改动后，这种偶联方法可用于制备其他铁螯合药物的靶向蛋白缀合物，如疏水性逆转的铁载体的靶向蛋白缀合物。
缀合物的表征
纯化得到纯的药物-蛋白缀合物之后，采用聚丙烯酰胺凝胶电泳检测以确定其分子量，然后测定每蛋白分子中的药物分子数量。利用适当的技术，包括但不限于分光光度法，确定一分子运铁蛋白所携带药物分子的准确数量。功能药物/蛋白的比例在约0.1∶1.0至3.0∶1.0之间(Bercil等人，Arch Biochem Biophs 1993；300：356)。对缀合物进行检查以确定其是否与肿瘤细胞表面上的受体结合，缀合物是否能杀灭癌细胞同时正常细胞不受损害。选取仅与肿瘤细胞结合但与正常细胞不结合的缀合物进行毒性试验，毒性试验中采用药物敏感的和抗药性的细胞。可采用流式细胞计或其他适当的方法进行结合试验，并采用微培养技术进行杀灭试验，以确定游离药物以及药物-蛋白缀合物半数杀灭培养肿瘤细胞的浓度。当采用热敏剂缀合物进行试验时，采用MIT四唑鎓比色法进行毒性试验(Vistica等人，CancerRes 1994；51：2515)。通过这些毒性试验确定了最有效的运铁蛋白/热敏剂比例，以及使药物敏感的和抗药性的细胞出现最大热敏化作用时缀合物的最佳浓度。与药物-蛋白缀合物中的药物相比，需要10倍量的游离药物方能杀灭同样数量的细胞。
虽然以上描述中以运铁蛋白作为载药蛋白，众所周知人体内还存在其他可与细胞受体结合的蛋白。如果这种受体在肿瘤细胞中活化而在正常细胞中无活性，那么任何可与这种受体结合的蛋白或其他分子(即配体)均可被用于运载本发明中所采用的药物。这种蛋白的一个实例是运钴胺素蛋白，用于将维生素B12转运至细胞(包括肿瘤细胞)中的运钴胺素蛋白受体之上(Seetheram，Ann Rev Nutr 1999；19：173)。低密度脂蛋白是另外一种配体，现已被用于结合光敏剂二氢卟酚，并被用于靶向成视网膜细胞瘤中的低密度脂蛋白受体(Schmidt-Erfurth等人，Brit J Surg 1997；75：54)。
当药物-蛋白缀合物被制备、纯化、表征并且确认具有细胞结合和杀灭功能后，并且当结合和杀灭试验表明缀合物仅结合和杀灭肿瘤细胞，对正常细胞无害时，对缀合物进行分装和灭菌。此处不作界定，可采用任何适当的方法，包括照射，如采用铯放射源，或采用微孔过滤技术进行灭菌。
本发明的另一方面提供一种用于治疗癌症的试剂盒，其包含带有铁的运铁蛋白以及一种抗癌药物/运铁蛋白比例为预定且恒定比例的均质缀合物。在给药该均质缀合物前，利用带有铁的运铁蛋白饱和运铁蛋白受体，以保护患者体内具有运铁蛋白受体的正常细胞。
本发明还提供一种确定肿瘤细胞对于抗肿瘤药物的敏感性的方法，其包括对于所述肿瘤细胞分别、逐份地给药由多种不同的抗肿瘤药物构成的均质运铁蛋白缀合物。为此目的，可以制备出含有多种所述缀合物的试剂盒。对于本发明的均质缀合物肿瘤细胞吸收速度非常快，可以采用由靶向蛋白和多种不同抗肿瘤药物构成的均质缀合物进行细胞试验。这种方法有助于提高随后所进行的化疗的效能，在提取出肿瘤细胞后就可以快速地进行药物敏感性测试。
如本发明所述，“基本为均质的缀合物”指可直接使用的缀合物，而不必作进一步纯化以除去蛋白二聚体、多聚体或聚集体。换而言之，在这种缀合物中没有蛋白二聚体、多聚体或聚集体或含量很少。
本发明的基本为均质的缀合物按有效剂量对动物进行给药。在癌症治疗中，有效剂量指可有效减小肿瘤尺寸；减慢肿瘤生长速度；防止和抑制转移；或延长患病动物存活期的剂量。本发明提供一种治疗多种癌症的方法，包括但不限于白血病、乳腺癌、卵巢癌、胰腺癌、肺癌、膀胱癌、消化道癌、鼻咽癌、宫颈癌、骨髓瘤、淋巴瘤/黑素瘤、神经胶质瘤或星细胞瘤。可以根据患者的年龄、体重和症状以及抗肿瘤药物的药代动力学确定均质缀合物的用药量。对于均质缀合物而言，治疗剂量将小于使用游离抗肿瘤药物所需的剂量。例如，对于体重为150磅(68kg)的人来说，运铁蛋白-多柔比星缀合物的剂量在0.5-50mg/28天之间。在28天期间，可以将这些药物分为更小的份进行给药。
本发明的药物组合物可以通过多种途径给药，包括但不限于口服、局部给药、直肠给药、经眼给药、阴道给药、经肺如利用气溶胶给药、或非肠道给药，包括但不限于肌注、皮下给药、腹膜内给药、动脉给药和静脉给药。组合物可单独给药，或与药学中常规的载体或赋形剂复合。对于口服给药而言，组合物可以采取片剂、胶囊、锭剂、药片、粉剂、糖浆、酏剂、水溶液和混悬剂等制剂形式。对于非肠道给药而言，一般要求制备灭菌的均质缀合物的水溶液，溶液的pH需作调整和缓冲。对于静脉给药，应控制溶质的浓度以达到等渗的要求。对于经眼给药，可以采用已知的给药工具，如涂药器或滴管将膏剂或滴剂加入。对于经肺给药，应选择适于形成气溶胶的稀释剂和/或载体。优选地，本发明的缀合物采用非肠道给药，即通过灌注或注射静脉给药或腹膜内给药。
以下描述本发明的优选实施方案。显然，对于本领域的普通技术人员而言，在阅读了以下方面描述后可能会提出改进或调整方案，所有这些改进或调整方案均被认为处于本发明权利要求所规定的范围之内。
实施例1
均质的运铁蛋白-多柔比星缀合物的制备
按照化学计量量，利用多柔比星(DOX)仅有的一个氨基，即3＇-氨基和戊二醛(GLU)两个反应性基团中的一个反应，进行具有预定分子比例的、基本为均质的运铁蛋白-多柔比星缀合物的大量合成。因此，第一步是将DOX的盐水溶液滴加到GLU的盐水溶液中，其中GLU的盐水溶液含有溶剂如DMSO，使得DOX和GLU的最终摩尔比为1∶1。所得DOX-GLU溶液于室温下避光搅拌3小时。
在上述反应中DOX和GLU的摩尔数相等，使得最终所得的DOX-GLU溶液中既没有游离的DOX也没有游离的GLU。但是，如果一分子GLU和两分子DOX反应生成DOX-GLU-DOX，则溶液中可能存在游离的GLU，但通过向二价GLU溶液中滴加一价DOX，利用质量作用动力学可以将这种可能性降至最低。对于反应物的体积没有限制，所以可以制备大量的均质DOX-GLU。
缀合反应的第二步是将DOX-GLU滴加至运铁蛋白(TRF)的盐水溶液中。TRF可以是不含铁的(apo-transferrin)和被铁饱和的(holo-transferrin)。通过适当调整TRF的体积可以得到理想的DOX-TRF摩尔比。所得TRF-GLU-DOX溶液于室温下避光搅拌20小时。与DOX和GLU的反应不同，DOX-GLU和TRF的反应并不仅局限于一个结合位点，因为DOX-GLU中的GLU成份可以和TRF分子中任何一个赖氨酸上的ε-氨基反应。
结合至TRF上的DOX分子的数目由第二步反应决定。例如，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为7.2∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有2.5分子DOX。但是，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为4.0∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有1.4分子DOX。类似地，如果DOX-GLU和TRF的起始比例为2.5∶1.0，最终所得的TRF-GLU-DOX溶液中每分子TRF上含有0.9分子DOX。以此可根据需要大量制备DOX/TRF为预定比例的TRF-GLU-DOX。
缀合反应的下一步是添加乙醇胺，然后离心并进行渗析。虽然从理论上讲DOX和TRF的反应消耗了所有的GLU，但还需向最终的反应混合物中加入乙醇胺以结合所有未反应的GLU。避光反应30分钟。最终溶液在2000rpm下离心10分钟，用100倍过量的盐水渗析6小时，共二次，然后用Hepes缓冲盐水按同样配比渗析三次，所得TRF-GLU-DOX备用。
缀合物的生物化学表征
如文献(39)所述，利用HPLC和聚丙烯酰胺凝胶电泳可以确定TRF-GLU-DOX缀合物的均匀性。同样，利用文献(89)所述分光光度法可以确定DOX和TRF的分子比。反复测定的结果表明TRF-GLU-DOX缀合物具有一致的均匀性。此外，在这些缀合物的制备中不必采用色谱法，因为没有出现聚集和分解现象。这样就允许大量制备均质的运铁蛋白-药物缀合物，从而增加了产量并降低了成本。
在其他类型的运铁蛋白-药物缀合物中，TRF和DOX损耗所产生的花费已经成为阻碍其应用的一个因素。例如，采用改变药物和/或蛋白的方法(如巯基化法)(44)，使得DOX和TRF的产率下降。采用溶剂系统(86)和利用色谱法建立酸稳定的和酸敏感的连接(89)，也使得产率下降。DOX和TRF之间的GLU键是酸稳定的(89)，依据本发明所制备的TRF-DOX缀合物中DOX和TRF的产率高。事实上，与其他方法相比(38，39，40)，TRF的产率几乎翻了一倍(90％对50％)，DOX的产率增加了近5倍。
此前，对于基本为均质且具有预定药物/运铁蛋白比例的缀合物尚无大量制备的方法。此外，其他的方法利用色谱来消除聚集和获得富含均质缀合物的组分。这些方法降低了产率，增加了成本，并且缺乏预设分子比例的能力。
缀合物的体外试验表征
本发明所制备的TRF-GLU-DOX缀合物具有结合和杀灭肿瘤细胞的作用，但对于正常细胞无损害。如文献(39)所述，通过流式细胞计证明这些缀合物结合人类肿瘤培养细胞，但不结合正常外周血液淋巴细胞。同样，如文献(39)所述，通过细胞培养技术证明TRF-DOX缀合物可杀灭人类肿瘤培养细胞，但不杀灭正常细胞。这些方法也可用于本发明所述TRF-GLU-DOX缀合物的质量控制。
本发明所述的TRF-GLU-DOX缀合物还具有杀灭抗药性肿瘤细胞的作用。早先的试验数据表明，TRF和抗癌药物构成的其他缀合物通过运铁蛋白受体结合可以杀灭多种抗药性的人类肿瘤细胞(82)，与药物敏感细胞相比，这些抗药性肿瘤细胞表面具有更多的运铁蛋白受体(90)。虽然至今试验数据尚未发表和报道，已经发现本发明所述的TRF-GLU-DOX缀合物对于抗药性肿瘤细胞一律具有结合和杀灭作用。因此，如本发明所述，具有预定分子比例的均质TRF-GLU-DOX缀合物是一种临床有效的药物分子，通过一致和一贯地结合运铁蛋白受体，可以杀灭抗药性和药物敏感的肿瘤细胞。
缀合物的体内试验表征
与采用游离DOX治疗相比，对于异种移植人类抗药性间皮瘤的小鼠，采用TRF-DOX缀合物治疗明显地延长了存活期(75)，说明在小鼠模型中运铁蛋白-药物缀合物可以杀灭抗药性的人类肿瘤细胞。但是这些结构要依赖于大量生产均质TRF-DOX缀合物的能力，在这种缀合物中一分子TRF含有预定数目的DOX。
在采用本发明制备的TRF-DOX缀合物的试验(尚未发表)中，与采用空白对照(即白蛋白)、未缀合的TRF或游离DOX治疗相比，对于异种移植致死量的药物敏感性或抗药性人类肿瘤细胞的小鼠，采用TRF-DOX缀合物治疗明显地延长了存活期。在这些试验中，带有抗药性肿瘤的小鼠和带有药物敏感性肿瘤的小鼠TRF-DOX的剂量相同。
对于普通技术人员而言，显然可以采用多种连接子和多种连接子/生物活性分子比例制备缀合物，所有这些缀合物均被认为处于本发明权利要求所规定的范围之内。
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(黑体的参考文献源自Dr.Faulk的实验室)
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Claims (41)

1、一种制备具有预定多柔比星/运铁蛋白比例的运铁蛋白-多柔比星缀合物的方法，其包括步骤：
a)将多柔比星加到戊二醛连接子材料中，使得一分子多柔比星连接一分子戊二醛；
b)将多柔比星/戊二醛复合体加到运铁蛋白中，使得所得缀合物具有预定的多柔比星/运铁蛋白比例，
其中所述运铁蛋白-多柔比星缀合物基本不含二聚体、三聚体或聚集体。
2、如权利要求1所述的方法，其还包括清除过量戊二醛连接子的步骤。
3、一种制备具有预定药物/蛋白比例的缀合物的方法，其包括步骤：
a)将药物溶液滴加到摩尔过量的连接子分子溶液中，使一分子药物和一分子连接子分子连接构成药物/连接子复合体；
b)将药物/连接子复合体加到蛋白靶向剂中，制备具有预定药物/蛋白比例的缀合物，
其中所述缀合物基本不含二聚体、三聚体或聚集体。
4、如权利要求3所述的方法，其还包括清除过量连接子的步骤。
5、如权利要求3所述的方法，其中所述连接子为戊二醛。
6、如权利要求3所述的方法，其中所述药物选自多柔比星、甲氨蝶呤、长春新碱、柔红霉素、6-巯基嘌呤、胞核嘧啶阿拉伯糖苷和环磷酰胺。
7、如权利要求3所述的方法，其中所述蛋白选自运铁蛋白、血浆铜蓝蛋白、维生素、维生素结合蛋白、激素、细胞因子、低密度脂蛋白和生长因子。
8、一种基本为均质的材料，其包含一种按预定的生物活性分子/蛋白分子比例缀合有生物活性分子的蛋白，其中所述蛋白与靶细胞上的受体有亲和力。
9、如权利要求8所述的材料，其中所述蛋白为运铁蛋白。
10、如权利要求8所述的材料，其中所述生物活性分子为多柔比星。
11、如权利要求8所述的材料，其中生物活性分子/蛋白分子的预定比例在0.1∶1.0至4∶1.0之间。
12、如权利要求8所述的材料，其中所述生物活性分子选自抗癌药物、光敏剂、热敏剂、细胞凋亡诱导材料、抗病毒药物、抗原虫药物和造影成像助剂。
13、如权利要求12所述的材料，其中所述造影成像助剂为碘、镓、铟和钇。
14、如权利要求13所述的材料，其中所述造影成像助剂为125I、131I、111In、91Y和67Ga。
15、一种选择性治疗靶细胞的方法，其包括使所述细胞与根据权利要求8的材料接触。
16、一种适用于靶向细胞的均质的单体材料，所述材料基本上由单体缀合物组成，所述单体缀合物含有一种可与靶细胞中富含的受体结合的蛋白以及以预定的生物活性分子/蛋白分子比例连接在所述蛋白上的生物活性分子，其中所述材料基本不含二聚体、三聚体或聚集体。
17、如权利要求16所述的材料，其中生物活性分子/蛋白分子的预定比例在0.2∶1.0至8.0∶1.0之间。
18、如权利要求14所述的材料，其中比例在0.1∶1.0至4.0∶1.0之间。
19、一种用于治疗肿瘤的试剂盒，其包含带有铁的运铁蛋白以及一种抗癌药物/运铁蛋白比例为预定且恒定的均质缀合物。
20、一种确定肿瘤细胞对于抗肿瘤药物的敏感性的试剂盒，其包含两种和更多种抗肿瘤药物/运铁蛋白比例为预定且恒定比例的均质缀合物，其中所述均质缀合物含有不同的抗肿瘤药物。
21、一种治疗癌症患者的方法，所述患者体内肿瘤对抗肿瘤治疗敏感，所述方法包括对患者给药抗肿瘤有效剂量的如权利要求8所述的基本为均质的材料。
22、如权利要求21所述的方法，其中所述蛋白为运铁蛋白。
23、如权利要求21所述的方法，其中所述生物活性分子为多柔比星。
24、如权利要求21所述的方法，其还包括对所述肿瘤造影成像。
25、如权利要求24所述的方法，其中采用如权利要求8所述的基本为均质的材料对肿瘤进行造影成像，而生物活性材料选自同位素、荧光分子和射线遮盖材料。
26、如权利要求21所述的方法，其中生物活性分子/蛋白分子的预定比例在0.1∶1.0至4.0∶1.0之间。
27、一种治疗抗药性细胞的方法，其中对所述细胞给药如权利要求8所述的基本为均质的材料。
28、一种靶向抑制肿瘤细胞中质膜氧化还原酶的方法，其包括对所述细胞给药如权利要求8所述的基本为均质的材料以抑制所述酶。
29、如权利要求28所述的方法，其中所述酶为NADH氧化酶或NADH还原酶。
30、如权利要求28所述的方法，其中所述蛋白为运铁蛋白。
31、如权利要求28所述的方法，其中所述生物活性分子为多柔比星。
32、如权利要求28所述的方法，其中所述肿瘤细胞在患者体内并且对所述患者给药所述基本为均质的材料。
33、一种通过运铁蛋白受体mRNA去稳定来诱导抗药性肿瘤细胞发生细胞凋亡的方法，其包括对所述肿瘤细胞给药如权利要求8所述的基本为均质的材料。
34、如权利要求33所述的方法，其中所述蛋白为运铁蛋白。
35、如权利要求33所述的方法，其中所述生物活性分子为多柔比星。
36、如权利要求33所述的方法，其中所述肿瘤细胞在患者体内并且对所述患者给药所述基本为均质的材料。
37、一种在抗药性肿瘤细胞内使运铁蛋白受体mRNA去稳定的方法，其包括对所述肿瘤细胞给药如权利要求8所述的基本为均质的材料以捕捉铁并由此使运铁蛋白受体mRNA去稳定。
38、如权利要求37所述的方法，其中所述蛋白为运铁蛋白。
39、如权利要求37所述的方法，其中所述生物活性分子为去铁胺。
40、如权利要求37所述的方法，其中所述肿瘤在患者体内并且对所述患者给药所述的基本为均质的材料。
41、一种制备具有预定药物/蛋白比例的缀合物的方法，其中包含：
a)将连接子分子溶液滴加到冷冻保护剂的溶液中构成第一中间产品，
b)将药物溶液滴加到摩尔过量的所述第一中间产品中，使一分子药物和一分子连接子分子连接构成药物/连接子复合体，生成第二中间产品；
c)将所述第二中间产品加到蛋白靶向剂中，制备具有预定药物/蛋白比例的第三中间产品，
d)将连接子清除剂加到所述第三中间产品中，生成第四中间产品；
e)对所述第四中间产品进行过滤，获得具有预定药物/蛋白比例的缀合物，
其中所述缀合物基本不含二聚体、三聚体或聚集体。
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