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PEG修饰剂分类、作用、产品

   聚乙二醇化技术(PEGylation)是一种先进的药用大分子修饰技术。聚乙二醇分子与药物分子连接,能够增大药物的相对分子量,达到延长药效,降低毒性,增大药物的水溶性等效果,聚乙二醇化技术(PEGylation)是改善药物临床效果的重要手段。
      截止到2010年底,在国际市场上已有6个聚乙二醇化的药物产品上市,其中罗氏的PEGasys®年销售额超过17亿美元;安进公司的NeulastaÒ年销售额超过36亿美元。目前处于临床前研究的PEG修饰的药物有几十种。   药用聚乙二醇衍生物作为一种安全的、无副作用的高分子材料在医疗器械领域的应用也是方兴未艾。因PEG产品能在体内安全降解吸收,不产生排异反应,所以由医用聚乙二醇(PEG)产品制备的医疗器械产品能够广泛应用于人体各种外科手术中创口的粘合、止血、防渗漏和防粘连等材料中,市场前景极其广阔。



      聚乙二醇(poly(ethylene glycol))是一类聚醚类聚合物。随着平均分子量的不同,性质也产生差异。当分子量小于1000 Da时,聚乙二醇是无色无臭粘稠的液体,高分子量的聚乙二醇则是白色固体。固体聚乙二醇的熔点正比于分子量,逐渐接近67℃的极限。
      聚乙二醇分子中含有大量乙氧基,能够与水形成氢键,具有高度的亲水性,在水溶液中有较大的水动力学体积,能改变药物在水溶液中的生物分配行为和溶解性,在其修饰的药物周围产生空间屏障,减少药物的酶解,避免在肾脏的代谢中很快被消除,并使药物能被免疫系统的细胞识别。聚乙二醇修饰的蛋白质一般构象不会改变,其结合物的生物学活性主要由结合物的蛋白质部分产生。聚乙二醇具有免疫学惰性,即使分子量高达5.9×106 Da,本身的免疫原性也很低。临床上使用聚乙二醇修饰蛋白治疗时,未发现抗聚乙二醇抗体产生。聚乙二醇是经美国食品药品管理局(FDA)批准的极少数能作为体内注射药用的合成聚合物之一。
      聚乙二醇修饰又称分子的PEG化(pegylation),是20世纪70年代后期发展起来的修饰方法。将活化的聚乙二醇与蛋白质分子相偶联,影响蛋白质的空间结构,*终导致蛋白质各种生物化学性质的改变:化学稳定性增加,抵抗蛋白酶水解的能力提高,免疫原性和毒性降低或消失,体内半衰期延长,血浆清除率降低等。
聚乙二醇修饰反应类型
      在20种构成蛋白质的常见氨基酸中,只有具有极性的氨基酸残基的侧链基团才能够进行化学修饰。活化的聚乙二醇通过与蛋白质分子上的氨基酸残基进行化学反应而实现与蛋白质的偶联。这些氨基酸残基上的反应性基团多呈亲核性,其亲核活性通常按下列顺序依次递减:巯基>α-氨基>ε-氨基>羧基(羧酸盐)>羟基。以下按照蛋白质分子上与聚乙二醇偶联基团的不同进行分类介绍。


氨基修饰
      蛋白质分子表面的游离氨基具有较高的亲核反应活性(主要为L赖氨酸的ε-氨基和末端氨基),一般不处于活性中心部位,因而成为化学修饰中*常用的被修饰基团。这些被修饰基团主要是赖氨酸的α-、ε-氨基和末端氨基。同时用于氨基修饰的PEG 的种类也较多, 其中氰脲酰氯法、 烷基化和酰基化是常用的氨基修饰方法。

(反应方程式如Eq. 1-Eq.3所示)
 (1)
 (2)
 (3)
氨基修饰*常用的修饰剂为MPEG-SS、MPEG-SC、MPEG-SPA、MPEG-NHS、MPEG-CHO和MPEG-ALD等。


巯基修饰
半胱氨酸上的巯基通常处于蛋白质的内部,位于蛋白质表面的自由巯基远少于氨基但是位置确定,因而可针对那些对活性影响不大、呈游离状态的巯基进行定量、定点修饰。若天然蛋白中不含半胱氨酸,则可通过基因工程改造方法在蛋白的特定区域引入一个或一个以上的自由半胱氨酸,对蛋白质进行定点修饰,这一方法不但能够实现高度选择性修饰,而且能够减少蛋白生物活性的丧失,并降低免疫原性。*常用的修饰剂为MAL-PEG。
 (4)


羧基修饰
羧基的修饰位点包括天冬氨酸、谷氨酸及末端羧基。首先将聚乙二醇分子中的端基转化为氨基,再在羧二亚胺存在的条件下与蛋白质的羧基结合,但同时也易产生其它的交联反应。近年来发现PEG-酰肼可与羧基特异结合。在EDC 存在下, 酸性条件(pH=4.5~5) 时, 蛋白质中氨基被质子化避免了交联反应的发生。
 (5)


PEG化的历史
第一代PEG化技术局限于应用低分子量官能化聚乙二醇单甲醚(mPEG)。这类官能化PEG的分子量通常小于20,000,并且含有大量的二醇(Diol)杂质。在第一代PEG化技术中,PEG修饰剂通常含有琥珀酸琥珀酰亚胺基、碳酸琥珀酰亚胺基等,通过酯键或三嗪环将PEG与药物分子偶联。这种方式的偶联属于非特异性反应,因为这些官能化PEG会同药物分子上的羟基、氨基、巯基等同时反应,从而不能完成定向链接。
第二代PEG化技术比第一代有了极大的进步。这得益于官能化PEG技术的发展。

首先,由于技术的进步,得到了高分子量的官能化PEG,并将二醇(Diol)的含量降低至5%以下。新型官能化PEG更具选择性,带有醛基、羧基、氨基、乙烯基、异氰酸基等活性基团,可与药物分子上的羟基、氨基、巯基等进行选择性的反应,从而完成定向链接。

同时出现了双臂及多臂PEG,具有更大的分子体积和特殊的分子形态,更有利于对药物分子等的修饰与改性,达到更优的综合效果。


PEG修饰剂的选择


对修饰剂的选择主要考虑以下5 个方面:

(1) PEG的相对分子质量(Mn)和分子量分布系数(PDI):已有的研究证明,修饰的蛋白药物在体内的作用时间与偶联的PEG数量和Mn 成正比,在体外的生物活性与偶联的PEG数量和Mn 成反比,应用Mn 过大的PEG修饰蛋白药物会导致药物丧失绝大部分的生物活性。以往采用低Mn(< 20,000)的PEG修饰蛋白药物,结果显示出修饰PEG对蛋白质药物的修饰虽然有效地提高药物的水溶性,降低毒副作用,延长药物在血液中的半衰期,但是在提高靶向性和增加疗效等难题上较原型药物在生物活性和药代动力学性质上没有本质改变,现在普遍采用Mn 大于20,000 的高Mn PEG作为修饰剂。另外,PEG修饰剂的PDI要求越小越好,分子量分布越宽将越不利于修饰后蛋白质药物的分离纯化。

(2)修饰位点和PEG修饰剂的官能团:修饰位点的选择要根据蛋白质构效关系分析,选择不与受体结合的蛋白质表面残基作为修饰位点,这样修饰后的蛋白质能够保留较高的生物活性。PEG修饰剂与氨基酸残基反应的特异性依赖于修饰剂的化学性质与修饰位点的选择。对于修饰反应的特异性,需要选择带合适官能团的PEG修饰剂。(3)PEG修饰剂的分子链结构:除了聚乙二醇的分子量聚乙二醇的支链特性会对蛋白质药物的许多药代动力学参数造成影响,支链特性不同的聚乙二醇化分子拥有不同的生物特性。以PEG IFNα-2b为例,当PEG化采用小分子直链PEG,半衰期约为40小时,药物全身分布,按体重给药,经FDA批准用于治疗慢性丙型肝炎。PEG IFNα-2a为大分子支链PEG IFN,半衰期约为80小时,药物可浓聚于靶器官如肝脏,无需按体重给药,被FDA批准用于慢性丙型肝炎和慢性乙型肝炎的治疗。


      展望:


      近年来,随着蛋白质药物PEG化的迅猛发展,已有十余种PEG修饰的蛋白质药物上市,同时还有数十种PEG化蛋白质药物处在临床或临床前研究阶段。相信在不久的未来,PEG 修饰技术将得到更加深入的研究和更加广泛的应用。
      聚乙二醇修饰剂(或称活化聚乙二醇(activated PEG)、官能化聚乙二醇(functional PEG)、活性聚乙二醇(active PEG)、聚乙二醇衍生物(PEG derivative)等)是聚乙二醇化研发和生产不可或缺的原料。厦门赛诺邦格生物科技有限公司专业提供各类聚乙二醇修饰剂,同时提供定制合成和聚乙二醇化服务。

   

      芃圣生物的聚乙二醇修饰剂产品主要包含:官能化聚乙二醇单甲醚、双官能化聚乙二醇、异端官能化聚乙二醇、官能化两臂聚乙二醇、官能化四臂聚乙二醇、主链官能化聚乙二醇、新型官能化两臂聚乙二醇、官能化Y型聚乙二醇、官能化环状聚乙二醇、官能化支化聚乙二醇。

 

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