KR100508358B1 - 생체적합성 고분자가 시스테인 잔기에 화학양론적으로 결합된 ｇ-ｃｓｆ의 제조 방법 - Google Patents

생체적합성 고분자가 시스테인 잔기에 화학양론적으로 결합된 ｇ-ｃｓｆ의 제조 방법 Download PDF

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    • C07K14/535—Granulocyte CSF; Granulocyte-macrophage CSF

Abstract

본 발명은 생체 적합성 고분자가 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 화학양론적으로 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합된 생물학적으로 활성을 갖는 결합체에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 부위 특이적으로 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기에 생체적합성 고분자를 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비율로 공유 결합시킨 결합체의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

생체적합성 고분자가 시스테인 잔기에 화학양론적으로 결합된 Ｇ-ＣＳＦ의 제조 방법 {Preparation of G-CSF stoichiometrically conjugated with biocompatible polymers at cystein residue}
본 발명은 생체 적합성 고분자가 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합된 결합체 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 G-CSF 결합체는 생체적합성 고분자가 G-CSF의 시스테인의 티올 기에 부위 특이적으로(site specific) 결합되어 생성되며, 생체적합성 고분자, 예를 들어 PEG와 G-CSF가 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비율로 결합하는 것을 특징으로 한다.
지금까지 생물학적 활성 단백질의 생체 이용률을 높이고 체내에서의 반감기를 증가시키기 위해 생물학적 활성 단백질을 생체적합성 고분자와 결합시키는 여러 가지 방법들이 시도되어 왔다. 생체적합성 고분자를 단백질에 결합시키는 기술은 생체 내(in vivo) 및 생체 외(in vitro) 적용 시에 많은 이점을 제공할 수 있다. 단백질에 대한 고분자의 공유결합은 분자의 표면 특성 및 용해성을 변화시켜서, 물 또는 유기 용매에 대한 용해성을 증가시킬 수 있으며, 생체적합성(biocompatibility)을 증가시켜서 면역 반응성을 감소시키며, 생체 내에서의 안정성을 증가시킬 뿐만 아니라, 장관계, 신장, 비장 또는 간에 의한 소실 시간을 연장시킬 수 있다.
단백질 또는 폴리펩타이드에 생체적합성 고분자, 예를 들면 PEG를 결합시키는 경우에, 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법은 단백질 또는 폴리펩타이드의 아미노(amino) 잔기에 활성화된 PEG를 반응시키는 방법이다. 폴리펩타이드의 아미노 잔기로는 라이신(lysine) 기와 N-말단을 들 수 있으며, PEG의 한쪽 하이드록시 기(hydroxy group)를 메틸에테르 기(methyl ether group)로 치환시키고, 나머지 한쪽 하이드록시 기에 친전자성 물질(electrophile)을 함유한 작용기를 결합시켜 PEG를 활성화시킨다. 이에 대한 내용은, 많은 특허공보 및 문헌에서 찾아 볼 수 있다.
예를 들면, 미국 특허 제 4,179,337호에는 생물학적 활성 폴리펩타이드가 탄소수 5개 이하의 알콕시 또는 알킬 기에 의해 치환되거나 비치환되고, 분자량이 약 500 내지 약 20,000 달톤인 폴리에틸렌글리콜(PEG) 또는 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol, PPG)에 결합된 생물학적 활성, 비면역원성, 수용성 폴리펩타이드 조성물이 청구되어 있다. 이 특허에 의하면, 폴리펩타이드 조성물은, PEG 또는 PPG에 하이드록시 기-함유 말단 탄소원자를 결합제와 반응시켜 반응성 말단 기를 함유한 활성화된 고분자를 형성하고, 이 활성화된 고분자의 반응성 말단 기에 생물학적 활성 폴리펩타이드의 아민기, 라이신 부위 또는 N-말단 기를 결합시킴으로써 제조되며, 결합된 PEG 또는 PPG는 생물학적 활성 폴리펩타이드의 활성이 상실되는 것을 방지하는 역할을 하는 것으로 기술되어 있다. 하지만, 이 경우 단백질 또는 펩타이드에 다수의 PEG 등이 결합하게 되어 오히려 단백질 또는 폴리펩타이드의 생체 내 활성을 감소시키며, 적절한 수의 PEG가 단백질 또는 폴리펩타이드에 결합된 결합체를 얻기 위해서는 역상 크로마토그래피(Reverse Phase Chromatography) 등으로 분리 정제해야 하는 문제점이 있다.
미국 특허 제 4,301,144호에는 헤모글로빈(hemoglobin)을 폴리알킬렌글리콜 또는 이의 유도체와 결합시켜 얻은 변형된 헤모글로빈이 청구되어 있으며, 이러한 변형된 헤모글로빈은 산소-운반 능력이 천연 헤모글로빈과 거의 동일하면서 체내에서의 체류 시간도 만족할 정도로 충분히 긴 것으로 기술되어 있다.
문헌[Abuchowski et al., Cancer Biochem., 7, 175-186, 1984]에는 PEG와 결합된 여러 가지 단백질들이 혈장에서 체내 반감기가 증가되고 면역원성이 감소된 것으로 기술되어 있다.
미국 특허 제 5,951,974호 및 문헌[Algranati et al., Hepatology, 40(suppl), 190A, 1999]에는 PEG12000 및 가지 달린 PEG40000을 알파 인터페론에 결합시킴으로써 알파 인터페론의 체내 소실 기간이 연장되고, 이로 인해 주 3회 투여하던 인터페론을 주 1회 투여할 수 있는 것으로 기술되어 있다. 문헌[Davis et al., Lancet, 2, 281-283, 1981]에는 유리카제(uricase)가 PEG와 결합하면 체내 반감기가 증가되고, 요산의 대사 시 부작용이 감소되는 것으로 기술되어 있다.
한편, 콜로니 자극 인자(CSF)는 산성의 당단백으로서 조혈원세포(Hematopoietic Progenitor Cell)의 생존, 분열 및 분화에 필수적인 요소이며 [Burgess, A.W. and Metcalf, D, Blood, 56, 947-958, 1980, The hemopoietic colony stimulating factors, Elservier, Amsterdam, 1984], G-CSF는 골수 원세포(bone marrow precursor cell)의 과립구군으로의 분열 및 분화를 촉진시키는 인자로 확인되었다[Nicola, N.A., Metcalf, D., Matsumoto, M. and Johnson, G.R., J. Biol. Chem., 258, 9017-9023, 1983]. 백혈구 및 호중구와 대식세포의 증식과 분화를 자극하고 조절하는 CSF가 유전자 재조합 기법에 의한 생산이 가능해짐에 따라, 항암제 투여 후 발생하는 골수 억제를 예방하거나 골수 회복을 촉진시키는데 큰 효과를 나타낼 수 있는데, 생체 적합성 고분자와 결합된 경우 갖게 되는 여러 가지 특성을 부여하고자 PEG 등을 이용하여 이 단백질을 변형시키는 여러 가지 방법들이 연구되었다.
예를 들면, G-CSF에 메톡시 PEG 카르복시메틸-N-하이드록시 석신이미딜 에스테르(methoxy PEG carboxymethyl-N-hydroxy succinimidyl ester)를 반응시켜 G-CSF-폴리머 결합체를 생성하고, 생성된 결합체의 불안정한 링커(linker)를 제거하기 위해 2몰의 하이드록실아민(hydroxylamine) (pH 7.3)으로 처리하고, pH를 3.5로 낮추는 방법이 있다[Kinstler et al., 1996, Pharmaceutical Res. 13(7):996-1002].
또한, 니벤 등[Niven et al., J. of Contr., Rel. 32, 177-189, 1994]은 재조합 인간 과립구-콜로니 자극 인자(rhG-CSF)의 PEG와 결합을 보여주었고, EP 0,401,384은 G-CSF에 PEG를 결합시키는 방법 및 물질들에 대해 설명하였고, EP 0,473,268에는 여러 가지 G-CSF 유사체에 수용성 입자 폴리머인 PEG를 공유 결합하여 만든 G-CSF 결합체에 대한 보고가 있다.
하지만, 상기와 같이 단백질의 아민 기에 PEG를 결합시키는 방법들에 의하면, 단백질의 변형이 완료되었을 때 단백질의 활성이 감소되는 경향이 있고, 또한, 부착된 PEG의 수 및 위치가 상이한 PEG 결합-단백질의 이종성(heterogeneous) 혼합물이 얻어지는 문제점이 있다. 따라서, 동일한 수의 PEG가 결합된 단백질 또는 단일한 타입 또는 동종성(homogeneous)의 PEG 결합-단백질을 얻기 위해서는 부차적인 시간 및 비용이 소요되는 정제 및 분리 과정을 거쳐야 하는데, 이로 인하여 특정 PEG 결합 단백질의 전체적인 수율이 감소되게 한다.
이에 대한 대안으로 제시된 것이 단백질 활성의 손실 없이, His, Trp, Asp, Glu 등과 같은 잔기(residues)들에 PEG를 결합시키고자 하는 방법이다. 하지만, 이들 잔기들은 그 대다수가 활성부위 또는 활성부위 근처에 위치하거나 또는 단백질의 표면에 노출되어 있지 않아서 PEG를 결합시키는데 적절하지 않다. 또한, 이들 잔기들은 여기에 PEG가 결합하여 혈청 반감기에 현저하게 영향을 미칠 정도로 충분한 수가 단백질에 존재하지 않고, 변형 반응이 목표 잔기들에 충분히 특이적이지 않으며 반응 조건이 너무 거칠어(harsh) 단백질의 활성 소실을 가져오게 한다.
이러한 문제점들을 극복하기 위한 적절한 대안으로 제시된 것이 생체 적합성 물질을 부위 특이적으로 시스테인에 결합시키는 방법이다. 일반적으로, 소수의 단백질만이 PEG가 결합할 수 있는 티올(thiol) 기를 가지고 있음으로, 천연의 티올 기 또는 유전공학기술로 치환된 시스테인 잔기(cysteine residue)의 티올 기에 부위 특이적으로 PEG를 결합시키는 방법이 제시되었다.
예를 들면, 티올 기에 PEG를 결합시키는 방법으로는 PEG-오르토-피리딜-디설파이드(PEG-ortho-pyridyl-disulfide)를 사용하여 안정한 대칭 디설파이드(symmetric disulfide)를 얻으며[Woghiren et al. Bioconjgate Chem 1993, 50:75-80], PEG-말레이미드를 사용하여 마이클 반응(Michael reaction)에 의해 활성화된 이중결합에 티올 기가 결합하는 방법이 널리 알려져 있다[Ishii et al., Biophys J. 1986, 50:75-80]. 또한, 쇼 등[Shaw et al., 미국 특허 제5,166,322호]는 활성화된 PEG 즉, 설포석신이미딜 4-(N-말레이미도메틸)사이클로헥산-1-카르복실레이트 활성-PEG가 리신(lysine) 부위에 삽입된 시스테인의 티올 기에 반응하여 공유 결합된 PEG-IL-3의 제조에 대해 설명하고 있다. 또한, 카트레 등[미국 특허 제5,206,344호]는 특정 부위에 시스테인을 치환시킨 IL-2 변이체에 활성화된 PEG인 말레이미도-6-아미노카프로일 에스테르-활성화된 PEG4000를 반응시켜 시스테인 잔기에 접합시키는 방법에 대해 설명하고 있다. 리치 등[Rich, D., et.al., J. Med. Chem. 18, 1004, 1975]은 감마-말레이미도부틸산 및 베타-말레이미도프로피온산을 사용하여 단백질의 티올 기를 화학적으로 변형시키는 것에 대한 보고를 하고 있다.
또한, 브랙턴 등[미국 특허 제5,766,897호]는 시스테인-PEG 결합 단백질에 대해 설명하고 있다. 상기 특허에서는 PEG 대 단백질의 비율이 바람직하게는 1:1, 보다 바람직하게는 2:1, 보다 더 바람직하게는 5:1, 10:1 또는 40:1임을 기술하고 있고, 상기 방법으로 시스테인-페길화된 단백질의 예로서 G-CSF를 언급하고 있으나, 이는 일반적인 기술에 불과하며 실시예 전반에 걸쳐서 프로테아제 넥신-1(PN-1)의 시스테인 잔기에 mPEG-말레이미드를 공유 결합하는 방법에 대해서만 기술하였다.
또한, 문헌[WO 01/87925]은 불용성이거나 응집된 형태로 존재하는 단백질로부터 하나 이상의 유리 시스테인 잔기를 갖는 재폴딩된 가용성 형태의 단백질을 수득하는 방법을 기술하면서, 시스테인 반응성 잔기의 예로서 시스테인-반응성 PEG와 이로부터 형성된 페길화된 단백질을 예시하고 그 예로서 G-CSF를 언급하고 있으나, 야생형 G-CSF에 대한 시스테인-페길화 방법과 관련하여, 특히 실시예 10에서는 야생형 G-SCF는 상기 특허의 반응 조건하에서 페길화되지 않았음을 명시하였다.
즉, 상기 언급된 방법들은 티올 기에 생체 적합성 고분자를 결합시키는 방법 또는 다수의 생체 적합성 고분자가 결합된 생체 활성 단백질의 생체내 활성을 증가시키는 방법에 관한 것이지만, 생체 적합성 고분자가 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 대략 1:1의 몰 비로 결합되어 예상지 못한 뛰어난 효과를 가진다는 사실을 밝혀낸 본 발명 결합체에 대해서는 전혀 예견하지 못하였다.
일반적으로, G-CSF는 175개의 아미노산으로 구성된 단백질로서 5개의 시스테인 잔기를 가지고 있음에도 불구하고, 본 발명자들은 G-CSF에 시스테인 잔기의 티올 기를 통해 생체 적합성 고분자를 결합시키는 경우, 통상의 반응 조건 하에서 생체 적합성 고분자와 G-CSF가 일정한 비율, 즉 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 비로 결합한다는 것을 발견하게 되었고, 이러한 비율의 결합체가 종전의 G-CSF의 티올 기에 다수의 생체 적합성 고분자가 결합된 결합체보다 뛰어난 효과를 갖는다는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 기초로 본 발명을 완성하게 되었다. 본 발명의 G-CSF 결합체는 생체 적합성 고분자와 G-CSF의 비가 넓게 분포하는 것이 아닌 좁은 범위, 즉 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비율의 균질한 결합체가 얻어짐으로써, 임상 적용상 큰 장점이 있고, PEG가 G-CSF의 아미노기에 결합된 경우보다 안정성이 뛰어나며, G-CSF의 활성 또한 뛰어나고, 얻어진 결과물을 별도의 단계를 거쳐 분리 정제할 필요가 없다는 점 등에서 우수한 효과를 나타내었다.
본 발명자들은 G-CSF의 생체 내 활성을 위해 다수의 생체 적합성 고분자가 G-CSF의 티올 기를 통하여 결합된 결합체보다 뛰어난 효과, 즉 생체 내로 전달된 G-CSF의 생물학적 활성이 더 뛰어나며, 생성된 결합체의 별도의 분리 정제가 필요하지 않은 개선된 생체 적합성 고분자-G-CSF 결합체 및 그 제조 방법을 발견하였다.
즉, 본 발명은 생체 적합성 고분자가 천연형 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합된 것을 특징으로 하는 생물학적으로 활성을 갖는 결합체 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명은 생체 적합성 고분자가 천연형 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합된 것을 특징으로 하는 생물학적으로 활성을 갖는 결합체 및 그 제조방법을 제공한다.
G-CSF
본 발명에 사용된 G-CSF는 과립구 콜로니 자극 인자(granulocyte colony stimulating factor)로서 조혈성 간 세포가 증식 및 분화되어 일어나는 여러 가지 혈구 생성에 필수불가결한 폴리펩타이드의 일종으로 조혈원세포의 성장을 자극하고 호중구의 증식 및 분화를 자극한다[Welte et al. PNAS-USA 82: 1526-1530 (1985); Souza et al. Science 232: 61-65 (1986) and Gabrilove, J. Seminars in Hematology 26:2 1-14, 1989]. 사람에 있어서, 내인성 G-CSF는 혈장에서 발견된다[Jones et al. Bailliere's Clinical Hematology 2:1 83-111, 1989]. 일반적으로, 사람 G-CSF는 섬유아세포(fibroblasts), 마크로파지(macrophage), T 세포 영양아층(trophoblast), 내피세포(endothelial cell) 및 상피세포(epithelial cell)에 의해 생산되고, 17번 염색체에 위치한 4개 액손 및 5개 인트론으로 구성된 단일 카피 유전자의 발현 산물이다. 이 유전자 좌위(locus)의 전사는 서로 다른 2 형태의 G-CSF mRNA 종을 생산하는데, 하나는 177개 아미노산의 단백질을 암호화하고 다른 하나는 174개 아미노산의 단백질을 암호화한다[Nagata et al. EMBO J 5: 575-581 (1986)]. 174개 아미노산이 포함된 형태는 생체 내 가장 특이적인 생물학적 활성을 가지는 것으로 밝혀졌다. G-CSF는 종간-반응성이 있어, 사람 G-CSF가 마우스, 개과 동물(canine) 또는 원숭이와 같은 다른 포유동물에 투여되어도 지속적인 호중구 증가증이 유도된다[Moore et al. PNAS-USA 84: 7134-7138, 1987]. 사람 G-CSF의 유전자는 나가타(Nagata) 등에 의해, 인체의 편평세포 암종 세포주 CHU-Ⅱ로부터 분리되고 그의 염기 서열이 결정되었으며, 이의 COS 세포내에서의 발현이 보고 되었다[참고 : Nagata et al., Nature, 319, 415(1986)]. 또한, 사우자(Sauza) 등은 인체 방광암 세포주 5637로부터 cDNA를 분리하여 그의 염기 서열을 결정하고, 이것이 에스케리키아 콜라이(E. coli)에서 발현됨을 보고하였다[참고 : Souza et al., Science 232, 61(1986)].
일반적으로, 본 발명에 사용할 수 있는 G-CSF는 바람직하게는 천연형 G-CSF이다. 또한 본 발명에 사용할 수 있는 G-CSF는 천연형과 같은 아미노산 서열을 갖는 G-CSF이다. 본 발명의 G-CSF는 포유동물 유기체로부터 분리하거나, 화학 합성하거나, 게놈 또는 cDNA 클로닝에 의해서나 DNA 합성에 의해 수득한 외인성 DNA 서열을 원핵 또는 진핵 숙주 세포에서 유전공학적 방법으로 발현시켜 제조할 수 있었다. 이때, 적합한 원핵 숙주는 다양한 박테리아(예를 들면, E. coli)를 포함하고, 적합한 진핵 숙주는 효모(예를 들면, 에스. 세레비시애) 및 포유동물 세포(예를 들면, 중국 햄스터 난소세포, 원숭이 세포)를 포함한다. 사용한 숙주에 따라, G-CSF 발현 산물은 포유동물 또는 다른 진핵 탄수화물과 글리코실화될 수 있거나, 비-글리코실화될 수 있다. 또한, G-CSF 발현 산물은 초기 메티오닌 아미노산 잔기를 포함할 수 있다(위치 1에서). 다른 G-CSF 중에서 재조합 G-CSF, 특히 이. 콜라이에서 유도된 G-CSF가 최대의 상업적 면에서 바람직하다 해도, 본 발명은 상기 G-CSF 형태 중 임의의 G-CSF 및 모든 G-CSF의 사용을 포함한다. G-CSF 및 그 유사체는 다양한 공급원으로부터 얻어져 정제되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 천연의 사람 G-CSF는 배양된 사람 종양 세포주의 상층액으로부터 분리될 수 있고, 비-인체 포유동물의 치료를 원한다면, 재조합 쥐, 소, 개 등과 같은 비-인체 G-CSF를 사용할 수도 있다[WO 제9,105,798호 및 WO 제8,910,932호 참조].
특정 G-CSF 유사체가 생물학적 기능을 지니고 있음이 보고 되어 있으며, 그러한 유사체도 또한 본 발명의 G-CSF로 사용될 수 있다. 예를 들면, G-CSF 유사체는 미국 특허 제 4,810,643호에 기술되어 있다. 기술된 각 유사체의 활성도에 관한 설명은 없지만, 생물학적 활성을 갖는다고 보고 되어진 다른 G-CSF의 예는 AU-A-76380/91호, EP 0,459,630호, EP 0,272,703호, EP 0,473,268호 및 EP 0,335,423호에 기술되어 있다. 또한 AU-A-10948/92호, PCT US94/00913호 및 EP 0,243,153호에도 G-CSF의 활성을 갖는 단백질들이 기재되어 있었다.
본 발명의 G-CSF는 바람직하게는, 천연형과 동일한 수의 시스테인 잔기를 가지는 G-CSF이다.
G-CSF에 결합하는 생체적합성 고분자
본 발명에 사용되는 가장 바람직한 고분자는 PEG 또는 PEG 유도체이다. PEG(Polyethylene glycol)는 탄화수소 글리콜이나 물의 탄화수소 산화물의 반응에 의해 얻어질 수 있는 고분자량 중합체이다. 일반적으로 친수성 고분자인 PEG는 폴리에틸렌옥사이드로서도 잘 알려져 있으며, 분자나 표면에 대한 화학적 결합은 생명 공학적으로 매우 유용하다. PEG의 가장 일반적인 형태는 양쪽 끝부분에 하이드록실 기를 갖는 선형 고분자로서 그 구조식은 HO-CH2CH2O-(CH2CH2 O)n-CH2CH2-OH로 표현된다. 이와 같은 구조식의 고분자, 즉 알파, 오메가-디하이드록실 폴리에틸렌글리콜은 HO-PEG-OH로 요약 표기할 수 있다.
본 발명의 생체적합성 고분자에는 선형 고분자뿐만 아니라 하기와 같은 고분자들이 포함되는 것으로 의도된다. 본 발명의 생체적합성 고분자에는 문헌[미국 특허 제5,643,575호 및 미국 특허 제5,919,455호]에 기재된 바와 같이, 지방족 연결 잔기를 통해 친핵성 치환을 수행할 수 있는 활성화 작용기에 결합된 수용성 비항원성 고분자가 포함된다. 또한, 본 발명의 생체적합성 고분자에는 문헌[미국 특허 제5,932,462호]에 기재된 바와 같이, 중심 탄소 원자에 고분자 암(arm)을 각각 갖는 두 개의 링커 단편, 단백질 등과 같은 생물학적 활성 분자에 부착되도록 활성화될 수 있는 잔기, 및 수소 또는 메틸 기이거나 또 다른 링커 단편일 수 있는 측쇄를 갖는 다중-암(armed), 일작용성 및 가수분해 안정성 고분자가 포함된다. 또한, 본 발명의 생체적합성 고분자에는 문헌[WO 제00/33881호]에 기재된 바와 같이, PEG 등의 작용성 잔기가 리포터 잔기를 갖는 링커 암을 통해 생물학적 활성 분자에 결합되어져 있는 가지달린 PEG의 중합체가 포함된다.
또한, 본 발명의 생체적합성 고분자에는 문헌[대한민국 특허 제10-2001-0074728호]에 기재된 바와 같이, 구조식 PEI-P-A(이때, PEI는 폴리에틸렌이민이고, P는 생체적합성 고분자이며, A는 반응성 작용기 또는 메톡시이다)인 생체적합성 고분자가 포함된다. 상기 특허문헌의 경우, 상기 언급되는 반응성 작용기(A)는 (I) 아미노 기와 반응할 수 있는 작용기, 예를 들면, 카보네이트(예를 들면, p-니트로페닐 또는 석신이미딜), 카르보닐 이미다졸, 아즈락톤, 사이클릭 이미드 티온 및 이소시아네이트 또는 이소티오시아네이트, (II) 카르복실산 및 반응성 카르보닐 기와 반응할 수 있는 작용기, 예를 들면, 일급 아민, 또는 하이드라진 및 하이드라자이드 작용기(아실 하이드라자이드, 카르바제이트, 세미카르바제이트, 티오카르바제이트 등), (III) 머캅토 또는 설프하이드릴 기와 반응할 수 있는 작용기, 예를 들면, 페닐 글라이옥살, (IV) 하이드록실 기와 반응할 수 있는 작용기, 예를 들면, 카르복실산, 및 (V) 친전자성 중심(electrophilic center)과 반응할 수 있는 기타 친핵제를 포함한다.
또한, 본 발명의 생체적합성 고분자에는 문헌[대한민국 특허 제10-2001-0067369호]에 기재된 바와 같은, 구조식 [P-OCH2CO-Y]n-(L)s-(Q)t -(Y')k-A(이때, P 및 Q는 동일하거나 상이할 수 있고, 생체적합성 고분자이며, t는 0 또는 1이고, Y 및 Y'는 동일하거나 상이할 수 있고, 아미노산 중 2개 내지 18개의 임의 조합으로 이루어진 펩타이드며, k는 0 또는 1의 정수이고, L은 지방족 연결 잔기 또는 디아미노카르복실산이고, s는 0 또는 1이고, A는 반응성 작용기이며 n은 1 또는 2이다)인, 펩타이드 스페이서를 갖는 활성화된 생체적합성 고분자 등이 포함될 수 있다. 상기 특허문헌의 경우에는, 상기 언급되는 반응성 작용기(A)는 (I) 카보네이트(예를 들면, p-니트로페닐 또는 석신이미딜), 카르보니 이미다졸, 아즈락톤, 사이클릭 이미드 티온 또는 이소시아네이트 또는 이소티오시아네이트와 같이 아미노 기와 반응할 수 있는 작용기, (II) 일급 아민 또는 하이드라진 및 하이드라자이드 작용기(아실 하이드라자이드, 카르바제이트, 세미카르바제이트, 티오카르바제이트 등)와 같이 카르복실산 및 반응성 카르보닐 기와 반응할 수 있는 작용기, (III) 페닐 글라이옥살과 같이 머캅토 또는 설프하이드릴 기와 반응할 수 있는 작용기, 및 (IV) (카르복실) 산과 같이 하이드록실 기와 반응할 수 있는 작용기, 예를 들면 하이드록실, 아미노, 카르복실, 티올 기, 활성 메틸렌 등을 포함한다.
본 발명에 적합한 다른 "생체적합성 고분자"로는, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 폴리프로필렌글리콜(polypropylene glycol, PPG), 폴리옥시에틸렌(polyoxyethylene, POE), 폴리트리메틸렌 글리콜(polytrimethylene glycol), 폴리락트산(polylactic acid) 및 그 유도체, 폴리아크릴산 및 그 유도체, 폴리(아미노산), 폴리(비닐 알코올), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리포스파진(polyphosphazenes), 폴리(L-라이신)[poly(L-lysine)], 폴리알킬렌 옥사이드(polyalkylene oxide, PAO), 폴리사카라이드(polysaccharide) 등의 수용성 고분자 및 덱스트란(dextran), 폴리비닐 피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol, PVA), 폴리아크릴 아미드(polyacryl amide) 등의 비 면역성 고분자로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 고분자 유도체의 합성에 사용하는 생체적합성 고분자의 분자량은 약 300 내지 100,000인 것이 바람직하며, 2,000 내지 40,000인 것이 더욱 바람직하다.
생체 적합성 고분자의 반응성 작용기
생체 적합성 고분자가 G-CSF의 티올 기를 통하여 G-CSF에 결합하기 위해서는 활성화되어야 하며, 이를 위해 반응성 작용기와 결합될 수 있다. "반응성 작용기"란 목적하는 생물학적 활성 물질과 결합하기 위해 생체 적합성 고분자를 활성화시키는 기(group) 또는 잔기(moiety)를 말한다. 생체적합성 고분자를 생물학적 활성 물질에 결합시키기 위해 말단 기 중 하나를 반응성 작용기로 전환시키는데 이 과정을 "활성화"라 한다. 예를 들면, 폴리(알킬렌 옥사이드)를 생물학적 활성 단백질에 결합시키기 위해 하이드록실 말단 기 중 하나를 카보네이트와 같은 반응성 작용기로 전환시킬 수 있으며, 이에 따라 얻어진 생성물은 활성화된 폴리(알킬렌 옥사이드)가 된다.
본 발명에서 생체적합성 고분자를 활성화시키기 위한 반응성 작용기는 말레이미드(maleimide), 아세트아미드(acetamide), 펜텐산 아미드(pentenoic amide), 부텐산 아미드(butenoic amide), 이소시아네이트(isocyanate), 이소티오시아네이트(isothiocyanate), 시아누르산 클로라이드(cyanuric chloride), 1,4-벤조퀴논(1,4-benzoquinone), 디설파이드(disulfides) 등으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 결합체 및 그 제조 방법
본 발명의 바람직한 생체적합성 고분자-G-CSF 결합체는 생체적합성 고분자, 특히 PEG가 천연형 G-CSF의 티올 기를 통하여 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합한 생물학적으로 활성을 갖는 결합체에 관한 것이다. 이러한 몰 비의 결합으로 생체 내에서의 G-CSF의 활성이 유지되면서도 결합체가 체내에서의 향상된 안정성을 갖게 한다.
PEG를 단백질의 티올 기를 통하여 결합시키는 방법은 일반적으로 공지된 방법에 의하여 수행될 수 있다.
공지된 방법들의 예는 하기와 같다. 예를 들면, PEG-말레이미드(maleimide)를 사용하여 마이클 반응(Michael reaction)에 의해 활성화된 이중 결합에 티올 기가 결합하는 방법이 있다[Ishii et al., Biophys J. 1986, 50:75-80]. 또한, 단백질 화학에서 널리 공지된 바와 같이, PEG-요오도아세트아미드(iodoacetamide) 시약을 사용한 방법이 있다. 이 변형 방법은 강한 산성 가수분해에 의해, 표준 아미노산 분석에 의해 동정되고 정량될 수 있는 안정한 형태의 PEG가 결합된 시스테인 유도체인, 카르복시메틸시스테인을 만드는 이점이 있다[Gard FRN. Carboxymethylation. Method Enzymol 1972;B25:424-49]. 이외에도, PEG-오르토-피리미딜-디설파이드를 사용하여 안정한 대칭 이황화물을 얻는 방법[Woghiren et al. Bioconjgate Chem 1993, 50:75-80]; 활성화된 PEG인, 설포석신이미딜 4-(N-말레이미도메틸)사이클로헥산-1-카르복실레이트 활성-PEG를 시스테인의 티올 기에 반응시켜 공유 결합시키는 방법[미국 특허 제 5,166,322호]; 활성화된 PEG인 말레이미도-6-아미노카프로일 에스테르-활성화된 PEG4000을 특정 부위에 시스테인을 치환시킨 IL-2 변이체에 반응시켜 시스테인 잔기에 접합시키는 방법[미국 특허 제 5,206,344호]; 감마-말레이미도부틸산 및 베타-말레이미도프로피온산을 사용하여 단백질의 티올 기를 화학적으로 변형시키는 방법[Rich et al., J. med. Chem. 18, 1004, 1975] 등이 있다.
본 발명에서는, 활성화된 생체적합성 고분자인 mPEG-Gly-Gly-말레이미드, mPEG-말레이미드 및 mPEG-클로로아세트아미드를 천연형 G-CSF의 시스테인의 티올 기를 통해 결합시키는 방법을 사용하였다. 간략하게 기술하면, G-CSF를 mPEG(5000 또는 20000)-Gly-Gly-말레이미드, mPEG(5000 또는 20000)-말레이미드 또는 mPEG(5000 또는 12000)-클로로아세트아미드와 반응시킴으로써, 생물학적 활성물질인 G-CSF와 활성화된 생체적합성 고분자의 결합체인 mPEG(5000 또는 20000)-Gly-Gly-말레이미드-G-CSF, mPEG(5000 또는 20000)-말레이미드-G-CSF 및 mPEG(5000 또는 12000)-Gly-Gly-아세트아미드-G-CSF를 제조하였다.
본원에서 이미 언급된 바와 같이, G-CSF는 175개의 아미노산으로 구성된 단백질이며 5개의 시스테인 잔기를 갖고 있으며 이 중 네 개는 이황화 결합을 하고 있으며 하나의 시스테인만이 결합하지 않고 자유롭게 남아있다. 본 발명의 방법으로 G-CSF내 시스테인 잔기의 티올 기를 통해 생체적합성 고분자 PEG를 결합시키는 경우, 아미노 기를 통한 결합에서 야기되는 결과와는 상이하게, PEG가 G-CSF내의 단 하나의 시스테인 잔기의 티올 기와 반응하여 PEG와 G-CSF가 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 비율로 결합된 PEG-접합된 G-CSF가 수득되었다.
본 발명에 있어서의 일반적인 반응 조건으로서는, 반응 온도가 바람직하게는 0 내지 60℃, 더 바람직하게는 4 내지 30℃이며, 반응 pH는 6 내지 10, 반응 시간은 5분 내지 10시간으로 하는 것이 바람직하다.
흥미롭게도, 본 발명자들은 일반적으로 PEG를 G-CSF의 시스테인에 결합시키면 즉시 응집이 일어나게 되어 PEG-G-CSF의 활성이 상실된다는 것을 확인하였으며, 따라서, 활성화된 생체 적합성 고분자와 G-CSF의 결합반응 중 또는 반응 후, 소량의 SDS, 트윈-20, 트윈-80 등의 세제 용액을 처리하는 것이 필요하다는 사실을 확인하였다. 이러한 세제 용액을 미처리하는 경우에는 활성을 갖는 PEG-G-CSF를 얻을 수 없다는 것을 확인하였으며, 환원제인 DTT를 처리하는 경우에는 응집 상태가 그대로 유지되어 활성이 상실된다는 것을 또한 확인하였다.
따라서, 본 발명에서는 시스테인을 통해 결합된 PEG-G-CSF 결합체가 응집되는 것을 방지하기 위하여 극소량, 즉 0.001 % 내지 1 %, 바람직하게는 0.003 내지 0.5%, 및 보다 더 바람직하게는 0.005 내지 0.1% SDS 용액을 가하여 냉장 보관하였다.
본 발명자들은 또한, 상기와 같이 SDS 용액으로 처리된 PEG-G-CSF는 생체내 투여 전에 센트리콘-30(centricon-30; Milipore, USA)으로 한외여과하여 SDS를 제거할 수 있으며, SDS 처리를 통해 단량체로 만들어진 후에는 체내 투여시 다시 SDS를 첨가할 필요가 없다는 것을 확인하였다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.
그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
1. 활성화된 생체적합성 고분자의 합성
<실시예 1> mPEG5000-Gly-Gly-말레이미드 합성
2g의 mPEG5000-OH (0.4 mM)를 질소 기체(nitrogen gas)하에서 THF (30 ml)에 녹인 후 실온에서 교반시키면서 소량의 나트륨, 0.1g의 나프탈렌(naphthalene)을 가하고 3시간 동안 실온에서 교반하였다. 0.12 g의 글리신-글리신 에틸 에스테르(Gly-Gly Ethyl ester)(0.8 mM)를 실온에서 교반하면서 적하(dropwise)시키는 방법으로 넣어 주었다. 실온에서 15시간 이상 반응시킨 후 냉각 조(ice bath) 하에서 아이스 에테르(ice ether)를 가해 응고시켰다. 생성된 고형분을 필터로 여과하여 회수한 후 이를 에테르 300 ml로 세척하고, 진공 건조하였다. 그 결과 mPEG5000-OCH2COGly-GlyCOOH를 포함하는 백색 고형분이 1.80 g (수율 : 90 %) 얻어졌다.
얻어진 mPEG5000-OCH2COGly-GlyCOOH (0.5g, 0.1 mM)를 MC 15 ml에 녹인 후 교반하면서 0.034 g의 N-하이드록시프탈이미드(N-hydroxyphthalimide) (이하 "NHP"라 한다) (0.3 mM) 및 0.062 g의 N,N'-디사이클로헥실 카르보디이미드(N,N'-dicyclohexyl carbodiimide)(이하 "DCC"라 한다) (0.3 mM)를 넣어 주었다. 30℃로 가열하면서 교반하여 24 시간 동안 반응시킨 후 실온으로 식히고, 셀라이트 여과한 후 석탄으로 여과하고 증발시켰다.
이소프로필 알콜(isopropyl alcohol, 이하 IPA라 함) 50 ml를 넣어 녹인 후, 냉각 조 하에서 결정화하고, 그 결과 얻은 백색 고형분을 필터로 여과하고 에테르 200 ml로 세척하여 진공 건조시켰다. 그 결과 mPEG5000-OCH2COGly-GlyNHP에 대한 백색 고형분이 0.43 g (수율 : 83%) 얻어졌다.
얻어진 고형물 (mPEG5000-OCH2COGly-GlyNHP) 0.3g을 MC 15 ml에 녹인 후 교반하면서 0.036g의 에틸렌디아민(Ethylenediamine) (0.6 mM, 이하 ETD라 한다)를 넣어 주었다. 교반하여 24 시간 동안 반응시킨 후 셀라이트 여과한 후 석탄으로 여과하고 증발시켰다.
IPA 50 ml를 넣어 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화하고, 그 결과 얻은 백색 고형분을 필터로 여과하고 에테르로 세척하여 진공 건조시켰다. 그 결과 mPEG5000-OCH2COGly-Gly-NH-CH2-CH2-NH2에 대한 백색 고형분이 0.25g(수율 : 83%) 얻어졌다. 100mg의 얻어진 mPEG5000-OCH2COGly-Gly-NH-CH2-CH2-NH2 (0.018 mM)을 10ml의 클로로포름에 녹인 후 5mg의 메톡시카르보닐말레이미드(Methoxycarbonylmaleimide) (0.036 mM)을 가하였다. 25℃에서 2시간 교반하면서 반응시킨 후 G-25 컬럼(BioRad)을 사용하여 초과 반응물을 제거하였다. IPA 20 ml를 넣고 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화시켜 백색의 고형분 75mg을 얻었으며, 이를 필터로 여과하고 에테르로 세척한 후 진공 건조하였다.
<실시예 2> mPEG5000-말레이미드 합성
1g의 mPEG5000-OH (0.2 mM)을 100ml의 MC에 녹인 후 20mg의 1,4-니트로페닐클로로포르메이트(1,4-nitrophenylchloroformate) (0.3 mM)와 5.3mg의 피리딘(pyridine) (0.24 mM)을 가하였다. 25℃에서 4시간 교반하면서 반응시킨 후 72mg의 ETD (0.6 mM)를 넣어 주었다. 교반하여 24 시간 동안 반응시킨 후 셀라이트 여과한 후 석탄으로 여과하고 증발시켰다. IPA 50 ml를 넣고 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화하고 그 결과 얻은 백색 고형분을 여과하고 에테르 500 ml로 세척하여 진공 건조시켰다. 그 결과 mPEG5000-OCH2CO-NH-CH2-CH2-NH2에 대한 백색 고형분이 0.85g (수율 : 83%) 얻어졌다. 50mg의 얻어진 mPEG5000-OCH2CO-NH-CH2-CH2-NH2(0.009 mM)을 5ml의 클로로포름에 녹인 후 2.5mg의 메톡시카르보닐말레이미드 (0.018 mM)를 가하였다. 25℃에서 2시간 교반하면서 반응시킨 후 G-25 컬럼(BioRad)을 사용하여 초과 반응물을 제거하였다. IPA 50 ml를 넣고 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화시켜 백색의 고형분 38mg을 얻었으며, 이를 필터로 여과하고 에테르 200 ml로 세척한 후 진공 건조하였다.
<실시예 3> mPEG20000-Gly-Gly-말레이미드 합성
2g의 mPEG20000-OH를 질소 기체 하에서 THF 30 ml에 녹인 후 실온에서 교반하면서 소량의 나트륨, 0.1g의 나프탈렌을 가하고 3시간 동안 실온에서 교반하였다. 0.12g의 글리신-글리신 에틸 에스테르(Gly-Gly Ethyl ester) (0.8 mM)를 실온에서 교반하면서 적하시키는 방법으로 넣어 주었다. 실온에서 15시간 이상 반응시킨 후 냉각 조 하에서 아이스 에테르를 가해 응고시켰다. 생성된 고형분을 필터로 여과하여 회수한 후 이를 에테르로 세척하고, 진공 건조하였다. 그 결과 mPEG20000-OCH2COGly-GlyCOOH를 포함하는 백색 고형분이 1.80g (수율 : 90 %) 얻어졌다.
얻어진 mPEG20000-OCH2COGly-GlyCOOH(0.5g, 0.1mM)을 MC 15 ml에 녹인 후 교반하면서 0.034g의 NHP(0.3 mM) 및 0.062g의 N,N'-DCC(0.3 mM)를 넣어 주었다. 30℃로 가열하면서 교반하여 24 시간 동안 반응시킨 후 실온으로 식히고, 셀라이트 여과한 후 석탄으로 여과하고 증발시켰다.
IPA 50 ml를 넣어 녹인 후, 냉각 조 하에서 결정화하고 그 결과 얻은 백색 고형분을 여과하고 에테르로 세척하여 진공 건조시켰다. 그 결과 mPEG20000-OCH2COGly-GlyNHP에 대한 백색 고형분이 0.43g (수율 : 83%) 얻어졌다.
얻어진 고형물 (mPEG20000-OCH2COGly-GlyNHP) 0.3g을 MC 15 ml에 녹인 후 교반하면서 0.036g의 ETD (0.6 mM)를 넣어 주었다. 교반하여 24 시간 동안 반응시킨 후 셀라이트 여과한 후 석탄으로 여과하고 증발시켰다.
IPA 50 ml를 넣어 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화하고, 그 결과 얻은 백색 고형분을 여과하고 에테르 100 ml로 세척하여 진공 건조시켰다. 그 결과 mPEG20000-OCH2COGly-Gly-NH-CH2-CH2-NH2에 대한 백색 고형분이 0.25g (수율 : 83%) 얻어졌다. 얻어진 100mg의 mPEG20000-OCH2COGly-Gly-NH-CH2-CH2-NH2 (0.018 mM)을 10ml의 클로로포름에 녹인 후 5mg의 메톡시카르보닐말레이미드 (0.036 mM)을 가하였다. 25℃에서 2시간 교반하면서 반응시킨 후 G-25 컬럼(BioRad)을 사용하여 초과 반응물을 제거하였다. IPA 30 ml를 넣고 녹인 후 냉각 조 하에서 결정화시켜 백색의 고형분 75mg을 얻었으며, 이를 필터로 여과하고 에테르 200 ml로 세척한 후 진공 건조하였다.
<실시예 4> mPEG20000-말레이미드 합성
2 g의 mPEG20000-OH를 사용하여 <실시예 2>에서와 같은 방법으로 실시하여 mPEG20000-말레이미드(1.4 g, 70 % 수율)를 제조하였다.
<실시예 5> mPEG5000-클로로아세트아미드 합성
0.2g의 mPEG5000-아민 (NOF, Japan) (0.04 mM)을 5ml의 MC에 녹인 후 실온에서 28.67㎕의 클로로아세틸클로라이드 (0.12 mM)를 가한 후 5.3mg의 피린딘 (0.24 mM)을 적가하고 상온에서 48시간 교반시켰다. 물 10 ml로 반응을 종결시킨 후 20ml의 MC로 물 층을 3회 추출하였다. 이것을 여과하고 감압 증류해서 정제되지 않은(crude) 오일을 얻고 50ml의 디에틸에테르에 천천히 적하시키는 방법으로 결정을 얻었다. 얻어진 결정을 2ml의 MC로 녹인 후 IPA:디에틸에테르 (1:4) 용액 30 ml에 적하시키는 방법으로 하여 재결정을 얻어 여과한 후 진공 건조시켰다. 이 때 백색의 고형분 180mg을 얻었다 (수율 88 %).
<실시예 6> mPEG12000-클로로아세트아미드 합성
2g의 mPEG12000-아민 (NOF, Japan)을 사용하여 <실시예 5>에서와 같은 방법을 실시하여 mPEG12000-클로로아세트아미드(1.7 g, 85 % 수율)를 제조하였다.
2. 활성화된 생체적합성 고분자 및 G-CSF의 결합
본 발명에 따라, 하기 실시예들에서 제조되고 특허청구범위에서 청구되는 시스테인 잔기를 통해 결합된 생물학적으로 활성을 갖는 PEG-G-CSF는, 이들의 제조시 각각의 단량체들이 응집체를 형성하여 활성을 상실하는 것을 예방하기 위해서, 활성화된 생체 적합성 고분자를 천연형 G-CSF와 반응시켜 결합시킨 후 0.001 % 내지 1 %, 바람직하게는 0.003 내지 0.5%, 및 보다 더 바람직하게는 0.005 내지 0.1% SDS 용액을 부가하였으며, 일단 단량체로 제조된 후에는 유기체에 적용하기 전에 센트리콘-30(centricon-30; Milipore, USA)으로 한외여과하여 SDS를 제거한 후에 사용할 수 있었다.
<실시예 7> mPEG5000-Gly-Gly-말레이미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM, Leucostim, Dong-A Pharmaceutical Co.)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액(sodium phosphate), pH 8.5에 넣은 후 <실시예 1>에서 제조된 mPEG5000-Gly-Gly-말레이미드 (13.15mg, 2.6 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-10(centricon-10)(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 8> mPEG20000-Gly-Gly-말레이미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액(sodium phosphate), pH 8.5에 넣은 후 <실시예 3>에서 제조된 mPEG20000-Gly-Gly-말레이미드 (52.6mg, 2.6 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-30(centricon-30)(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 9> mPEG5000-말레이미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액(sodium phosphate), pH 8.5에 넣은 후 <실시예 2>에서 제조된 mPEG5000-말레이미드 (14.5 mg, 2.6 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-10(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 10> mPEG20000-말레이미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1 ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액, pH 8.5에 넣은 후 <실시예 4>에서 제조된 mPEG20000-말레이미드 (52.6mg, 2.6 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-30(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 11> mPEG5000-클로로아세트아미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M CAPS 완충 용액, pH 10에 넣은 후 <실시예 5>에서 제조된 mPEG5000-클로로아세트아미드 (25mg, 5 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-10(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 12> mPEG12000-클로로아세트아미드-G-CSF 제조
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M CAPS 완충 용액, pH 10에 넣은 후 <실시예 6>에서 제조된 mPEG12000-클로로아세트아미드 (63mg, 5 x 10-3 mM)를 가하였다. 실온에서 1시간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-30(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
3. mPEG가 G-CSF의 아미노 기에 결합된 경우 및 티올 기에 결합된 경우의 G-CSF에 대한 화학양론적 반응성
<실시예 9> 및 <실시예 10>에서, PEG5000 및 PEG20000를 G-CSF의 약 20배 내지 50배로 반응시킨 경우에도 항상 1개의 PEG만 G-CSF에 결합됨을 SDS-PAGE(도 8의 2 및 3 레인) 및 크기-배제 크로마토그래피(도 2)를 통해 알 수 있었다. 또한, 반응하지 않은 천연의 G-CSF는 발견되지 않았다. 도 2에서, A는 mPEG5000-말레이미드-G-CSF, B는 mPEG20000-말레이미드-G-CSF의 크기 배제 크로마토그래피(size exclusion chromatography) 결과를 나타내었다.
한편, mPEG5000-NHS(도 1의 A)는 G-CSF의 아민과 무작위로 반응하여 모노(mono)-, 디(di)-, 트리(tri)-PEG-G-CSF가 생성되었다. 도 1에서 나타난 바와 같이, mPEG10000-NHS(B) 또는 mPEG20000-NHS(C)처럼 분자량이 큰 PEG를 사용하면 모노-PEG-G-CSF의 생성이 많고, 디- 또는 트리-PEG-G-CSF는 상대적으로 적어지나 또한 반응하지 않은 G-CSF의 양이 많아지는 것으로 보아 결과적으로 수율이 낮음을 알 수 있었다.
이상에서와 같이, mPEG가 G-CSF의 아미노 기에 결합될 경우, 사용한 PEG의 몰 비에 따라 결합되는 수가 달라지지만, 티올 기에 결합될 경우는 반응하는 20 내지 50배의 PEG의 양에도 1개의 PEG만 G-CSF에 결합됨을 알 수 있었다.
한편, 비교하고자 하는 mPEG(5000, 10000, 20000)-NHS-G-CSF를 다음의 <실시예 13> 내지 <실시예 16>와 같이 제조하였다.
<실시예 13> mPEG5000-NHS-G-CSF 제조(도 1의 A)
1mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액, pH 7.0에 넣은 후 1.32mg의 mPEG5000-NHS(2.6 x 10-4 mM, Shearwater Polymers, USA)을 가하였다. 실온에서 30분간 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-10(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 14> mPEG10000-NHS-G-CSF 제조 (도 1의 B 및 도 5)
1mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액, pH 7.0에 넣은 후 5.26mg의 mPEG10000-NHS(5.26 x 10-4 mM, Shearwater Polymers, USA)을 가하였다. 실온에서 1시간 동안 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-30(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
<실시예 15> mPEG20000-NHS-G-CSF 제조 (도 1의 C)
1 mg의 G-CSF (5.26 x 10-5 mM)을 1ml의 0.1 M 인산나트륨 완충 용액, pH 7.0에 넣은 후 5.6 mg의 mPEG20000-NHS( 2.8 x 10-4 mM, Shearwater Polymers, USA)을 가하였다. 실온에서 1시간 동안 교반하면서 반응시킨 후 센트리콘-10 or 30(Amicon, USA)을 사용하여 반응하지 않은 PEG 유도체를 제거하였다.
4. PEG(5000, 20000)-말레이미드-G-CSF 결합체의 활성 측정 및 mPEG-NHS-G-CSF와의 비교
활성화된 PEG 유도체가 G-CSF의 아민 (N-말단, 라이신)기에 결합될 경우 사용된 PEG의 당량에 따라 G-CSF에 결합된 PEG의 수가 증가하며, 또한 생리 활성이 저하됨을 보여주었다. 이를 비교하기 위하여 <실시예 15>에서 제조된 mPEG20000-NHS-G-CSF를 모노-mPEG20000-NHS-G-CSF 및 디-mPEG20000-NHS-G-CSF로 정제하였다 (도 6).
<실시예 16> 모노-mPEG20000-NHS-G-CSF 및 디-mPEG20000-NHS-G-CSF 분리 정제 (도 6)
<실시예 15>에서 제조된 mPEG20000-NHS-G-CSF를 크기-배제 HPLC(size-exclusion HPLC)를 사용하여 0.1 M 인산 완충 용액(Phosphate buffer), pH 7.0으로 용리(elution)하여 각각 모노(mono)-, 디(di)-mPEG20000-NHS-G-CSF를 분리하였다. 분리한 후 센트리콘-10을 사용하여 농축시켰다.
<실시예 17> 생물학적 활성의 비교
세포 증식 분석(Cell Proliferation Assay)방법으로 PEG 분자량에 따른 PEG-G-CSF의 활성을 측정하였다. 도 3에서는 천연의 G-CSF(대조군)와 함께 PEG 분자량(PEG5000, 10000 및 20000)에 따른 PEG-NHS-G-CSF의 활성을, 도 4에서는 천연의 G-CSF(대조군)와 함께 PEG 분자량(PEG5000 및 20000)에 따른 PEG-말레이미드-G-CSF의 활성을 비교하였다. 이 결과를 통해, PEG의 분자량이 증가함에 따라 생체 내 활성이 감소됨을 알 수 있었다.
세포 증식 분석 방법으로 천연의 G-CSF(대조군), mPEG-말레이미드-G-CSF 및 mPEG-NHS-G-CSF (실시예 9 및 10, 실시예 13 내지 15)의 생물학적 활성을 측정하여 표 1에 나타냈다. 이때, mPEG20000-NHS로 G-CSF의 라이신 기에 반응하여 생성된 결합체는 <실시예 16>에서와 같은 방법으로 분리 정제하였으며, G-CSF에 결합된 모노- 및 디-PEG로 분리하였다.
세포 증식 분석
결합체 활성 비율(천연의 G-CSF에 대한 %비율)
천연의 G-CSF 100 (도 3)
mPEG5000-NHS-G-CSF(리신)(실시예 13) 55±5 (도 3)
mPEG10000-NHS-G-CSF(리신)(실시예 14) 50±10 (도 3)
모노-mPEG20000-NHS-G-CSF(리신)(실시예 15) 40±10 (도 7)
디-mPEG20000-NHS-G-CSF(리신)(실시예 15) 20±10 (도 7)
mPEG5000-말레이미드-G-CSF(티올)(실시예9) 50±5 (도 4)
mPEG20000-말레이미드-G-CSF(티올)(실시예10) 35±5 (도 4)
또한, PEG의 결합 수에 따른 활성을 차이를 알아보기 위하여, 디-PEG20K-G-CSF 및 모노-PEG20K-G-CSF의 활성을 세포 변성 분석(CPE assay)으로 비교하였다(도 7).
세포 변성 분석(CPE assay)은 다음 방법으로 수행하였다.
60mm 디쉬에 세포(M-NFS-60)를 2.5×106 세포(5×105 세포/ml)로 2차 배양하였다. 천연의 G-CSF (대조군), 모노-mPEG20000-G-CSF, 및 디-mPEG20000-G-CSF를 각각 1ng/㎕의 농도로 희석하여 세포 개수를 1 x 104로 96 웰 플레이트에 처리하여 연속 희석(serial dilution)하였다. 그 후, 37℃에서 2일간 배양한 후, 50 ul의 XTT 키트 (Roche, 독일)를 처리하여 37℃에서 배양하였다. 4시간 후, 플레이트의 발색 정도를 490nm에서 ELISA 리더로 분석하였다.
상기 표 1의 결과로 볼 때, 생체 내 활성은 PEG의 분자량에 따라 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한, G-CSF에 결합된 PEG의 수에 따라 활성의 차이를 보이는데, G-CSF에 PEG가 1개 결합된 경우보다 2개 결합된 경우에 활성이 떨어짐을 알 수 있었다. G-CSF의 티올 기에 PEG가 결합된 경우에도 아미노 기에 결합된 경우와 비교했을 때 활성에서 큰 차이는 없었다.
또한, 도 7에서, 모노-PEG20K-G-CSF는 1개의 PEG가 G-CSF에 결합된 것이며, 디-PEG20K-G-CSF는 2개 이상의 PEG가 G-CSF에 결합된 것이다. 세포변성 분석 방법에 의한 생물학적 활성(Biological activity)을 비교하면 PEG가 2개 이상 결합된 디-PEG20K-G-CSF는 모노-PEG20K-G-CSF에 비해 50% 정도의 활성이 감소한 것으로 측정되었다. 따라서, 1개의 PEG가 G-CSF에 결합되는 경우가 2개 이상의 PEG가 결합되는 경우보다 활성이 높았으며, 같은 수의 PEG가 티올 기 또는 아민 기에 결합되었을 때는 활성의 차이가 별로 나지 않음을 알 수 있었다.
상기와 같은 결과를 토대로, PEG의 분자량이 증가할수록 PEG-G-CSF의 활성은 감소함을 알 수 있었고, 이에 기초하여 판단해 보면, 항상 PEG 및 G-CSF가 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비율로 결합되는 본 발명의 결합체는 복수의 PEG가 결합되는 다른 공지의 PEG-G-CSF보다 PEG 분자량 측면에서 일정하게 하나의 PEG가 결합되기 때문에 생물학적 활성이 일정하게 뛰어남을 알 수 있었다.
5. PEG-G-CSF의 안정성 평가
<실시예 18> PEG-G-CSF의 안정성
<실시예 9> 및 <실시예 10>에서 제조된 mPEG5000-말레이미드-G-CSF 및 mPEG20000-말레이미드-G-CSF, <실시예 14>에서 제조된 mPEG10000-NHS로 G-CSF의 리신 기에 반응시켜 생성된 결합체를 HPLC 및 SDS-PAGE를 이용하여 PEG의 탈PEG결합 정도를 비교하였다 (도 5).
상기에서 제조된 PEG-G-CSF 샘플들을 1 mg/ml 농도로 0.1 M 인산나트륨 완충 용액, pH 7.0에 2주 동안 4℃에서 냉장 보관한 후, 크기 배제(size exclusion) HPLC(Zorbax column, Agilenet, USA)를 사용하여 1 ml/min 속도의 0.1 M 인산 완충액, pH 7.2로 용리하여 자외선 검출기(UV detector)의 220nm에서 단백질을 측정하여, PEG가 PEG-G-CSF로부터 떨어져 나간 천연의 G-CSF를 시간의 경과에 따라 검출하여 탈PEG 정도를 비교하였다. 또한 SDS-PAGE 결과(도 8의 4 레인)에서도 PEG10000-G-CSF에서 PEG가 떨어진 것이 확인되었다. 본 실시예에서 비록 mPEG5000-G-CSF와 mPEG20000-G-CSF는 실험하지 않았으나, mPEG10000-G-CSF에서와 같은 결과를 나타낼 것으로 예상하였다.
결과는, mPEG10000-NHS과 G-CSF의 리신 기에 반응시켜 생성된 결합체에서는 약 14% 정도의 탈PEG가 측정되었지만, mPEG5000-말레이미드-G-CSF 및 mPEG20000-말레이미드-G-CSF에서는 탈PEG가 측정되지 않았다. 이 결과로 볼 때, mPEG-말레이미드-G-CSF가 mPEG-NHS-G-CSF보다 안정성이 뛰어나다는 것을 알 수 있었다.
따라서, PEG가 G-CSF의 티올 기에 결합되는 경우 G-CSF의 아미노 기에 결합된 것에 비하여 생체 내에서 파괴되지 않고 더 안정적으로 생물학적 활성을 나타낼 수 있다는 것을 확인하였다.
상기 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 공지된 방법에 따라 mPEG를 G-CSF의 아미노 기에 결합시키는 경우에는 사용한 PEG의 몰 비에 따라 결합되는 PEG의 수가 증가하기 때문에, 균질한 mPEG-G-CSF를 얻기 위해서는 추가의 분리 및 정제 과정을 필요로 하는 반면, 본 발명에 따른 활성화된 mPEG를 약 20배 내지 50배 과량으로 시스테인의 티올 기를 통해서 G-CSF와 반응시키는 경우에도 항상 대략 1개의 PEG만이 G-CSF에 결합되는 결과를 나타내었으며, 이는 추가의 분리 및 정제 과정 없이 균질한 mPEG-G-CSF를 수득할 수 있다는 장점을 갖는다는 것을 확인하였다.
또한, G-CSF에 결합된 mPEG의 수가 1개인 경우와 2개 이상으로 증가하는 경우, G-CSF의 생체내 활성이 50% 정도 저하된다는 사실과, 대략 1:1의 몰비로 mPEG와 G-CSF가 결합되는 경우에는 아미노 기에 결합되는 공지 기술의 mPEG-G-CSF와 시스테인의 티올 기를 통해 결합되는 본 발명의 mPEG-G-CSF의 활성에서 큰 차이가 없었다는 사실로부터, 상기와 같이 항상 대략 1:1의 몰 비로 결합되는 본 발명의 결합체는 복수의 PEG가 결합될 수 있는 다른 공지된 mPEG-G-CSF보다 일정하게 뛰어난 생물학적 활성을 나타낼 수 있다는 추가의 장점을 갖는 것으로 확인되었다.
추가로, 본 발명에 따라 제조된 mPEG-G-CSF는 공지된 방법에 따라 아미노 기를 통해서 제조된 mPEG-G-CSF와는 다르게, 시간 경과에 따른 탈PEG가 일어나지 않는다는 점에서 안정성이 높다는 또 다른 장점을 갖는 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명에 따라 제조된 mPEG-G-CSF는 극소량의 SDS 용액 처리를 통해서 단량체로서 보존할 수 있으며, 이는 mPEG-G-CSF간의 응집체 형성을 통한 활성 상실을 예방할 수 있다는 사실을 추가로 확인하였다.
생체 적합성 고분자가 G-CSF의 시스테인의 티올 기를 통하여 0.7 내지 1.3:1, 바람직하게는 1:1의 몰 비로 결합한 본 발명의 결합체는 균질한 결합체를 얻기 위해 컬럼(column) 등으로 이를 분리 정제하는 과정을 필요로 하지 않으며, 우수한 생체 반응성을 보유하며, G-CSF의 아미노 기에 생체 적합성 고분자가 결합된 결합체보다 안정성이 우수하다.
도 1은 mPEG5000-NHS(A), mPEG10000-NHS(B) 및 mPEG20000-NHS(C)가 G-CSF와 반응하여 생성된 mPEG5000-NHS-G-CSF(A), mPEG10000-NHS-G-CSF(B) 및 mPEG20000-NHS-G-CSF(C)의 크기 배제 크로마토그래피를 나타낸 것이다.
도 2는 G-CSF의 20배 내지 50배로 mPEG5000-말레이미드(maleimide) 및 mPEG20000-말레이미드가 G-CSF와 반응하여 생성된 mPEG5000-말레이미드-G-CSF(A) 및 mPEG20000-말레이미드-G-CSF(B)의 크기 배제 크로마토그래피를 나타낸 것이다.
도 3은 세포증식 측정방법에 의한 mPEG5000-NHS-G-CSF, mPEG10000-NHS-G-CSF 및 mPEG20000-NHS-G-CSF의 활성을 비교한 그래프이다.
도 4는 세포증식 측정방법에 의한 mPEG5000-말레이미드-G-CSF 및 mPEG20000-말레이미드-G-CSF의 활성을 비교한 그래프이다.
도 5는 mPEG10000-NHS-G-CSF, mPEG5000-말레이미드-G-CSF 및 mPEG20000-말레이미드-G-CSF의 안정성을 비교한 크기 배제 크로마토그래피를 나타낸 것이다.
도 6은 HPLC에 의해 분리 정제된 모노-mPEG20000-NHS-G-CSF 및 디-mPEG20000-NHS-G-CSF를 나타낸 것이다.
도 7은 모노-mPEG20000-NHS-G-CSF 및 디-mPEG20000-NHS-G-CSF의 생물학적 활성을 비교한 그래프이다.
도 8은 mPEG5000-말레이미드-G-CSF, mPEG20000-말레이미드-G-CSF 및 mPEG10000-NHS-G-CSF의 SDS-PAGE의 결과를 나타낸 것이다. 레인 1은 천연의 G-CSF, 2는 mPEG5000-말레이미드-G-CSF, 3은 mPEG20000-말레이미드-G-CSF, 4는 mPEG10000-NHS-G-CSF이다.

Claims (9)

  1. 활성화된 PEG를 천연형 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 1:1의 몰 비로 결합시킨 것을 특징으로 천연 G-CSF와 PEG의 결합체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, G-CSF가 천연 또는 재조합 기원으로부터 수득되고 분리되는 것을 특징으로 하는 결합체.
  4. 제1항에 있어서, PEG의 반응성 작용기가 말레이미드 및 클로로 아세트아미드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 결합체.
  5. PEG를 활성화시키는 단계, 활성화된 PEG를 천연형 G-CSF에 반응시켜 결합시키는 단계 및 SDS 용액을 부가하는 단계를 포함하는, 활성화된 PEG가 G-CSF의 시스테인 잔기의 티올 기를 통하여 G-CSF와 1:1의 몰 비로 결합된 천연 G-CSF와 PEG의 결합체를 제조하는 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서, G-CSF가 천연 또는 재조합 기원으로부터 수득되고 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제5항에 있어서, PEG의 반응성 작용기가 말레이미드 및 클로로 아세트아미드로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 결합체.
  9. 제5항에 있어서, SDS 용액의 농도가 0.005 내지 0.1%임을 특징으로 하는 방법.
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