JP4474521B2 - チオエステル末端化水溶性ポリマーおよびそれを用いてポリペプチドのn末端を改変する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ポリペプチドのN末端に選択的に結合体化するために有用な水溶性ポリマーに関する。
親水性ポリマー(ポリ(エチレングリコール)(PEGと省略される)、ポリ(エチレンオキシド)(PEOと省略される)としても知られている)の分子および表面への共有結合は、バイオテクノロジーおよび医学においてかなり有用である。PEGは、水および多くの有機溶媒中で有利な溶解特性を有し、毒性および免疫原性が欠如するポリマーである。PEGの1つの用途は、ポリマーを水不溶性分子に共有結合させ、得られたPEG−分子結合体の溶解度を改善することである。例えば、水不溶性薬物パクリタキセルは、PEGに結合された場合、水溶性になることが示された。Greenwaldら、J.Org.Chem.,60:331−336(1995)。PEGはまた、ポリペプチドの改変およびタンパク質療法において、ますます使用されてきている。
本発明は、ポリマーをポリペプチドのα−アミノ基に特異的に結合するための試薬および方法を提供する。本発明は、N末端にシステインまたはヒスチジンを有するポリペプチドのα−アミンに特異的に結合し得るチオエステル(チオールエステルとも呼ぶ)部分を有する、単官能性PEG、二官能性PEG、および多官能性PEGならびに関連のポリマーを提供する。従って、本発明は、ポリペプチドのN末端システイン残基またはN末端ヒスチジン残基と部位特異的に反応し、アミド結合PEG−ポリペプチド結合体を生成するのに有効な反応性チオエステル末端PEGポリマーを提供する。
Lは、水溶性非ペプチドポリマー骨格への結合点であり;
Zは、加水分解に安定な結合または加水分解に不安定な結合(例えば、O、S、−NHCO−、−CONH−、−O2C−、−NHCO2−、または−O2CNH−)であり;
aは、0または1であり;
各Xは、Hおよびアルキル(例えば、C1〜C6アルキル)から独立して選択され;
mは、0〜約12であり、好ましくは1〜約4であり;
Yは、ヘテロ原子、好ましくはOまたはSであり;そして
Qは、好ましくは、式−S−R1(ここで、R1は、水素、アルキル、置換アルキル、シクロアルキル、置換シクロアルキル、アリール、置換アリール、ヘテロアリール、置換ヘテロアリール、複素環、または置換複素環である)を有する硫黄含有脱離基である)。
L、Z、m、Y、X、およびaは、上記の通りであり、
Wは、−CH2SHまたは
ポリペプチドは、ポリペプチド分子であり、ここで、−NH−C(W)H−は、ポリペプチドのN末端システイン残基またはN末端ヒスチジン残基(1つの水素原子が除かれている)を表す。本発明のチオエステル末端ポリマーに結合体化され得るポリペプチドの例としては、タンパク質、タンパク質リガンド、酵素、サイトカイン、造血素、増殖因子、ホルモン、抗原、抗体、抗体フラグメント、レセプター、およびタンパク質フラグメントが挙げられるがこれらに限定されない。
ここで、本明細書中以下に、本発明をより詳細に記載する。しかし、本発明は、多くの異なる形態で具現化され得、本明細書中に示される実施形態に限定されると解釈されるべきでなく;むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底的でかつ完了しており、そして本発明の範囲を当業者十分に伝えるよう提供される。
本明細書中で使用される場合、以下の用語は、示されている意味を有する。
−CH2CH2O−(CH2CH2O)n−CH2CH2−
ここで、nは、代表的に、約2〜約4000の範囲である。理解されているように、このポリマー骨格は、末端官能基またはポリマー骨格に沿って間隔を空けられたペンダント官能化側鎖に共有結合され得る。
ΣNiMi/ΣNi
として定義され、ここで、Niは、分子量Miを有するポリマー分子の数(またはこれらの分子のモル数)である。
1つの局面では、本発明は、チオエステル末端水溶性ポリマーを提供し、このポリマーは、ポリペプチドのN末端アミノ基と選択的に反応して、N末端にて結合した単一水溶性ポリマー鎖を含むポリマー−ポリペプチド結合体を形成し得る。このようなポリマー−ポリペプチド結合体は、本明細書中で、1置換(ポリマー鎖がそのポリペプチドの1つの部位でのみ置換されていることを意味する)と呼ばれる。1つの部位のみでのポリペプチドの改変は、有益である。なぜなら、ポリマー鎖の存在に起因した生物活性の有意な低減の可能性が、このポリペプチド鎖に沿っての種々の部位および複数の部位での無差別またはランダムなポリマー結合と比較して低下するからである。さらに、部位特異的結合体を形成するための本明細書中に提供されるポリマーおよび方法は、通常用いられる先行技術の方法を超えるさらなる利点を提供する。なぜなら、このポリマーと、このポリペプチド内に含まれる他の反応性基/位置との反応を防ぐための複数の保護工程/脱保護工程が不要であるからである。さらに、このような部位選択的改変は、特定の(例えば、モノペグ化)結合体種を単離するためのさらなる結合体精製工程の必要性を除去する。従って、本発明のチオエステルポリマーの使用は、上記の利点を提供し得、水溶性ポリマー結合の有利な特性(例えば、未改変のポリペプチドと比較して、水溶性の増大、血漿半減期の増大、およびタンパク質分解性分解の低減)をさらに提供する。
Lは、水溶性でかつ非ペプチド性のポリマー骨格に対する結合点であり;
Zは、加水分解に安定な結合または加水分解に不安定な結合(例えば、O、S、−NHCO−、−CONH−、−O2C−、−NHCO2−、または−O2CNH−)であり;
mは、0〜約12、好ましくは1〜約4であり;
各Xは、Hおよびアルキル(例えば、C1−C6アルキル)から独立して選択され;
aは0または1であり;
Yは、ヘテロ原子、好ましくはOまたはSであり;そして
Qは、硫黄含有脱離基(好ましくは、式−S−R1を有する)であり、
ここで、R1は、水素、アルキル、置換アルキル、シクロアルキル、置換シクロアルキル、アリール、置換アリール、ヘテロアリール、置換ヘテロアリール、複素環または置換複素環である。
一般に、この水溶性でかつ非ペプチド性のポリマー骨格は、無毒性でかつ生体適合性であるべきである。このことは、このポリマーが、害を引き起こすことなく、生体組織または生物と共存し得ることを意味する。本明細書中でチオエステル末端ポリマー骨格を言及する場合、このポリマー骨格が、多数の水溶性でかつ非ペプチド性のポリマー(例えば、以下に記載されるポリマー)のうちのいずれかであり得ることが理解されるべきである。好ましくは、ポリ(エチレングリコール)(PEG)がこのポリマー骨格である。用語PEGは、以下でより十分に記載される多数の立体配置または形態(直鎖状形態(例えば、アルコキシPEGまたは二官能性PEG)、分岐状もしくは複数アーム形態(例えば、フォーク型PEGまたはポリオールコアに結合したPEG)、ペンダントPEG、または分解可能な結合をその中に有するPEG)のいずれかの形態のポリ(エチレングリコール)を包含する。
ここで、nは上記のとおりである。
R’’は、非反応性部分(例えば、H、メチルまたはPEG骨格)であり;そして
PおよびQは、非反応性結合である。好ましい実施形態において、この分枝PEGポリマーは、メトキシポリ(エチレングリコール)二置換リジンである。
−PEG−CO2−PEG− +H2O → −PEG−CO2H +HO−PEG−。
ポリマー骨格の末端とチオエステル基との間に介在する連結は、ポリマー骨格を末端チオエステル基に連結するポリマー骨格上の官能基の残基である。従って、理解されるように、連結の構造は、ポリマー骨格の官能基の構造に依存して変化する。連結は、加水分解的に安定な連結(例えば、アミド、ウレタン、エーテル、チオエーテル、または尿素)を含み得る。あるいは、この連結は、加水分解的に不安定な連結(例えば、カルボン酸エステル、リン酸エステル、オルトエステル、無水物、イミン、アセタール、ケタール、オリゴヌクレオチド、またはペプチド)を含み得る。1つの実施形態において、加水分解的に安定な連結または不安定な連結に加えて、ポリマー骨格とチオエステルとの間の連結が、(CHX)mとして本明細書中で示される、任意のアルキレンスペーサーを含む。
Zは、加水分解的に安定な連結または不安定な連結(例えば、O、S、−NHCO−、−CONH−、−O2C−、−NHCO2−、または−O2CNH−)であり;
mは、0〜約12、好ましくは、1〜約4であり;
各Xは、独立して、Hおよびアルキル(例えば、C1〜C6アルキル)から選択され;そして
aは、0または1である。
チオエステル官能基は、水可溶性ポリマーの少なくとも1つの末端に共有結合される。チオエステル基は、以下の構造:
Yは、ヘテロ原子(好ましくは、OまたはS)であり;そして
Qは、硫黄含有求電子性脱離基(好ましくは、式−S−R1を有する)であり、ここで、R1は、水素、アルキル、置換アルキル、シクロアルキル、置換シクロアルキル、アリール、置換アリール、ヘテロアリール、置換ヘテロアリール、複素環、または置換複素環である。
本発明の線形ポリマーの実施形態は、以下に示されるように構造的に表され得る:
本発明のチオエステルポリマーは、水溶性で非ペプチド性のポリマーを、当該分野で公知のチオエステルを形成するための任意の数の合成アプローチによって誘導体化することによって、形成され得る。例えば、Field,L.Synthesis,1972,106を参照のこと。例えば、チオエステルは、チオレートのタリウム(I)塩との反応によって、対応する酸塩化物末端化ポリマーから調製され得る(Spessard,G.ら、Organic Synthesis Collection、第7巻、87)。分子内に含まれるさらなる官能基(例えば、ヒドロキシ基または他の官能基)を有するポリマーのチオエステル誘導体化のために、以下のような代替のアプローチが用いられ得る。例えば、本明細書中で記載されるようなチオエステル末端化ポリマーは、酸をジアルキルホスホロクロリデートまたはジフェニルホスホロクロリデートと反応させて、その無水物を形成することによって、対応するカルボン酸末端化ポリマーから形成され得、次いで、これは、対応するチオエステルに転化され得る(Masamune,S.ら、Can.J.Chem.,1975,53,3693;Yamada,S.ら、Chem.Pharm.Bull.1977,25,2423)。なお別の合成アプローチにおいて、チオエステル末端化ポリマーは、相対的に酸性のチオールと、カルボン酸のイミダゾリド(対応するカルボン酸の、N,N−カルボニルジイミダゾールとの反応によって調製され得る)との反応によって、調製され得る(Masamune,S.ら、J.Am.Chem.Soc.,1976,98,7874)。あるいは、ジスルフィドおよびトリフェニルホスフィンを使用して、ポリマーのカルボン酸末端を、対応するチオエステルに転化し得る(Mukaiyama,T.ら、Bull.Chem.Soc.Jpn.,1970,43,1271)。カルボン酸からチオエステルを調製するために使用され得る他の方法としては、アリールチオシアネートの使用(Grieco,P.ら、J.Org.Chem.,1978,43,1283)、チオピリジルクロロホルメートの使用(Corey,E.J.ら、Tetrahedron Lett.,1979,2875)、2−フルオロ−N−メチルピリジニウムトシレートの使用(Watanabe,Y.ら、Chem.Lett.1976,741)、1−ヒドロキシベンゾトリアゾールの使用(Horiki,K.,Synth.Commun.1977,7,251)、およびボロンチオレートの使用(Pelter,A.ら、J.Chem.Soc.,Perkin Trans.I,1977,1672)が挙げられる。あるいは、O−エステル末端を有するポリマーは、アルミニウム試薬およびホウ素試薬によって、対応するS−エステルに転化され得る。
(A.ポリマー/ポリペプチド結合体の構造)
本発明のチオエステルポリマーは、そのN末端にてヒスチジン分子またはシステイン分子を有するポリペプチドのα−アミンと選択的に反応して、そのポリマーとポリペプチドとの間にアミド結合を形成する。好ましい実施形態において、このポリマー−ポリペプチド結合体は、水溶性でかつ非ペプチド性のポリマー骨格を含み、このポリマー骨格は、以下の構造:
L、Z、Y、m、Xおよびaは、上で定義されるとおりであり;
Wは、その末端アミノ酸がシステインであるかヒスチジンであるかに依存して、−CH2SH、または
ポリペプチドは、ポリペプチド分子である。このポリマー骨格は、上で議論されるポリマー構造のいずれか(例えば、その任意の形態のPEG)を含み得る。
本発明は、チオエステル終結ポリマー(例えば、チオエステル終結PEG)を使用して、末端アミノ酸上の残りの遊離官能基(例えば、システイン残基のチオール基)を持続的に改変することも、ポリペプチド鎖中に存在する他のアミン基を改変することもなしに、N末端のシステインまたはヒスチジンのα−アミンを特異的に改変する。いずれの特定の理論によっても束縛されないが、以下の反応スキームIは、N末端システイン分子を有するポリペプチドと本発明の反応性ポリマーとの間で生じると考えられる反応を例示する。示されるように、チオエステル終結ポリマーは、システインの遊離チオール基と最初に反応し、その後、分子内転位を受けて、N末端アミン基とのアミド結合を形成し、従って、所望される場合に、そのチオール基をさらなる改変のために利用可能なままにすると考えられる。このチオール−チオエステル交換は、好ましくは、トリアルキルホスフィン(例えば、トリス(2−カルボキシエチル)ホスフィンまたはトリエチルホスフィン)および必要に応じてチオール(例えば、メルカプトプロピオン酸)の使用によってもたらされる。
以下の実施例は、本発明の例示のために与えられるが、本発明の限定として解釈されるべきではない。例えば、mPEGは、本発明を例示するためにこの実施例において使用されるが、PEGの他の形態および本発明の実施において有用な類似のポリマーは、上記で議論したように、本発明によって包含される。
(PEG(5000)−α−メトキシ−ω−プロピオン酸,2−ピリジンチオエステル(PEG−PA−OPTE)の調製)
(PEG(5000)−α−ベンジルオキシ(BZO)−ω−カルボキシメチル,2−ピリジルチオエステル(PEG−CM−OPTE)の調製)
(PEG(5000)−α−メトキシ−ω−2−メチルブタン酸,2−ピリジルチオエステルの調製)
(インターフェロンに対するPEG−CM−OPTEの結合体化)
インターフェロンτ(0.45mg)(これは、N末端アミノ酸としてシステインを有する)を、pH7.75で、1M Tris、0.7mM TCEP(トリス[2−カルボキシエチルホスフィン] ヒドロクロリド)および3mM メルカプトプロピオン酸中に、0.3mg/mlで処方した。約1.0mgのmPEG5K−CM−OPTE(実施例2から)を、インターフェロン溶液に添加し、室温にて4時間反応させた。この反応混合物を、脱イオン水で一晩透析した。この生成物を、MALDI−MSで分析した。このマススペクトルは、5000Daの分子量で遊離のPEG、19,979Daの分子量で結合体化していないインターフェロン、および25,065Daの分子量で単一のPEG結合体を示し、このことは、PEG化(PEGylated)生成物が、N末端でポリペプチドに結合した単一のPEG分子のみを有することを意味する。
(インターフェロンに対するPEG−PA−OPTEの結合体化)
インターフェロンτ(0.45mg)を、pH7.75で、0.33M Tris、0.7mM TCEP(トリス[2−カルボキシエチルホスフィン]ヒドロクロリド)中に、0.3mg/mlで処方した。約1.0mgのmPEG5K−PA−OPTE(実施例1からのプロピオン酸のオルトピリジルチオエステル)を、インターフェロン溶液に添加し、次いで室温にて4時間反応させた。この生成物を、SDS−PAGEで分析した。このゲルは、結合体化していないインターフェロン(約20kDa)および単一のPEG結合体化インターフェロン(約29kDa)(すなわち、1つのPEG分子に結合した1つのポリペプチド)に対応する2つのバンドを示した。このPEG−インターフェロン結合体のより遅い移動は、対応する分子量のタンパク質と比較した場合、PEG鎖の大きな水力学的容積に起因する。
(ポリペプチドに対するPEG−CM−OPTEの結合体化)
ポリペプチドCRASKSVSSSGYSYMHWYQQ(MW=2355Da)(配列番号1)を、pH7.75で、0.67M Tris、1.3mM TCEP(トリス[2−カルボキシエチルホスフィン]ヒドロクロリド)および5.3M尿素に、0.67mg/mlで処方した。約21.0mgのmPEG5K−CM−OPTE(実施例2から)を、ポリペプチド溶液に添加し、そして室温にて4時間反応させた。この反応混合物を、脱イオン水で一晩透析した。この生成物を、MALDI−MSで分析した。このマススペクトルは、ポリペプチドに結合した1つのPEG分子を含み、そして7555Daの分子量を有する結合体を示した。これは、チオエステル末端ポリマーが、分子中の他の遊離アミン基(例えば、リジン残基またはアルギニン残基のアミン基)と無作為に反応しなかったことを証明する。
(ポリペプチドに対するPEG−PA−OPTEの結合体化)
ポリペプチドCRASKSVSSSGYSYMHWYQQ(MW=2355Da)(配列番号1)を、pH7.75で、0.67M Tris、1.3mM TCEP(トリス[2−カルボキシエチルホスフィン]ヒドロクロリド)および5.3M尿素に、0.67mg/mlで処方した。約21.0mgのmPEG5K−PA−OPTE(実施例1から)を、ポリペプチド溶液に添加し、そして室温にて4時間反応させた。
Claims (9)
- 前記ポリマー骨格が、ポリ(エチレングリコール)である、請求項1に記載のポリマー結合体。
- ポリペプチドが、タンパク質、タンパク質−リガンド、酵素、サイトカイン、造血素、増殖因子、ホルモン、抗原、抗体、抗体フラグメント、レセプター、およびタンパク質フラグメントからなる群より選択される、請求項1に記載のポリマー結合体。
- ポリペプチドが、インターフェロン分子である、請求項1に記載のポリマー結合体。
- ポリマー誘導体を、N末端にシステイン残基を有するポリペプチドに結合体化させる方法であって、該方法は、以下:
N末端にシステイン残基を有するポリペプチドを提供する工程;
チオエステル末端ポリマーを提供する工程であって、該ポリマーは、以下の構造:
Lは、該ポリマー骨格の結合点であり;
Zは、リンカーであり;
mは、0〜12であり;
Yは、Oであり;
各Xは、独立して、Hおよびアルキルから選択され;
aは、0または1であり;そして
Qは、硫黄含有脱離基であり、Qが、式−S−R1を有し、ここで、R1は、水素、アルキル、置換アルキル、シクロアルキル、置換シクロアルキル、アリール、置換アリール、ヘテロアリール、置換ヘテロアリール、複素環、および置換複素環からなる群より選択される、工程;
該チオエステル末端ポリマーを、該ポリペプチドと反応させて、以下の構造:
ポリペプチドは、ポリペプチド分子であり、そして
Wは、−CH2SHである、工程、
を包含する、方法。 - 前記ポリマー骨格が、ポリ(エチレングリコール)である、請求項5に記載の方法。
- ポリペプチドが、タンパク質リガンド、酵素、サイトカイン、造血素、増殖因子、ホルモン、抗原、抗体、抗体フラグメント、レセプター、およびタンパク質フラグメントからなる群より選択される、請求項5に記載の方法。
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