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定制合成PEG衍生物
[ 录入者:admin | 时间:2008-09-16 18:31:59 | 作者: | 来源: | 浏览:5331次 ]
PEG聚乙二醇是一种水溶性聚合物,由环氧乙烷与水或乙二醇逐步加成制得。1859年,A.Llournco第一个和成了聚乙二醇,1939年,美国联合碳化物公司开始生产聚乙二醇,1948年以后其他的环氧乙烷制造者也开始提供聚乙二醇,现在聚乙二醇的生产厂家遍布全球。
聚乙二醇具有水溶、润滑、低毒、稳定、难挥发、易互溶等性能,加上其分子量可调节、端基可修饰,使其具有十分广阔的应用前景。
 
PEG在生物医药中的应用

  从1992年到现在的13年间,FDA批准了几个聚乙二醇(PEG)化的细胞因子产品和PEG化蛋白药物,如上世纪90年代批准的PEG-L-天冬酰胺酶和PEG化腺苷脱氨酶。而基因重组的干扰素-α和粒细胞集落刺激因子(G-CSF),其PEG化的产品由于有更好的疗效,都比原产品表现更好。由于PEG化干扰素-α的血浆浓度波动小,其抗病毒能力远好于未PEG化的干扰素,如治疗丙肝的有效率从24%~28%提高至50%~68%。因此,两种PEG化的干扰素-αPEGASYS和VIRAFERONPEG的销售情况远好于原代产品,并有逐渐替代原代产品的趋势。据估计,今后5年内,仅PEG化干扰素制剂的世界销售将达15~20亿美元,而PEG化老药的市场最终可达100亿美元,其前景十分光明。
  分析:据不完全统计,大约有40%的新药难溶于水,口服给药经常存在生物利用度低、个体间差异大等问题。为了解决这些难题,药剂工作者尝试用各种方法来提高新药的溶解度、溶解速率和生物利用度。对原产品的化学修饰尤其是PEG化以改善产品的性能是近年来生物技术药物发展的新趋势。PEG化可积增大5~10倍,原来不溶于水的蛋白质-多肽类经PEG处理后不仅能提高溶解性,还可提高流动性,延长药物作用,减少毒副作用。在未来几年,对已上市的生物技术药物的PEG化修饰将受到越来越多的关注。
靶向给药载体研究与应用
?                                据浙江大学药物研究所的高建青介绍,他们与日本学者合作,通过对靶向肿瘤的高分子修饰的病毒基因载体的构建和评价研究首次证明,将聚乙二醇(PEG)修饰的腺病毒静脉注射入荷瘤动物体内后,能够显著促进其肿瘤部位的离子聚集和基因表达,而在肝脏的表达较低(表明有效地降低药物的毒副作用)。研究还发现,相关指标与PEG修饰率有密切关系。研究人员认为,PEG修饰的腺病毒载体将会在肿瘤的基因治疗中发挥更大的价值。  

  曾经在r&dHoffmann-laroche有限公司担任研发部主任的PascalBailon教授作了"PEG修饰的生物药剂学"的报告,阐述了有关现代PEG化的观点和PEG化技术。他指出,运用现代PEG化概念设计和研发强效长效蛋白制剂是绝对必需的。另外,他还介绍了有关PEG结合物制剂、大分子递送技术及系统和PEG生物药物产品开发现状。  
?                               
生物医学工程中的部分PEG衍生物
 
对一些蛋白质药物以及一些载药微粒的PEG化可以有效的改善药物以及粒子在体内的停留时间以及稳定性。PEG接枝可以遮盖部分多肽的抗原决定基(antigenic epitopes )因此可以降低网状内皮组织的清除率和被免疫系统识别可能性,同时也可以减低被蛋白酶降解的可能性。同时PEG化可以提高粒子的粒径,从而降低被肾脏过滤的可能性以及改变在体内的分布。
影响到接枝PEG体系在体内表现的主要因素有(1)接枝到多肽或者微粒上的PEG数目,(2)PEG本身的性质,包括分子量,分子结构等,(3)PEG在多肽等大分子上的结合位置,(4)在接枝过程中使用的聚PEG衍生物结构,目前使用的poly(ethylene glycol)主要是线形或者含枝链的聚合物。
PEG主要是通过环氧乙烷阴离子活性开环聚合来制备,不同的引发试剂可能产生不同的端基,由于双官能团的PEG可能产生交连结构,一般在PEG化的过程中主要使用一端被封闭的PEG,常用的为甲氧基封端的mPEG。由于在聚合过程中不能完全保证体系无水,所以在购买的mPEG可能存在一定程度的双羟基PEG,尤其是在高分子量的产物里面,双羟基的PEG会有比较高的比例。
相对于其他的聚合物,PEG具有相对狭窄的分子量分布。当分子量小于5000时,分子量分布在1.01,当分子量大于50000,分子量分布在1.1,PEG分子可以同时溶解在水和有机溶剂中,改变引发体系或者利用存在的羟基,可以很容易的衍生化,以及能在比较温和的条件下与目标分子进行连接。PEG分子由于主链上氧的存在,使得分子链具有很大的柔性,同时也容易与水中的分子结合,一些研究表明相对于同样分子量的蛋白质,PEG在水中的体积是其五到十倍。分子量小于400的PEG在体内可以被醇水解酶分解为有毒的代谢产物。而分子量大于1000的PEG却在食品,化妆品,以及医药业使用多年,却并未表现出毒性。分子量在20000以下的PEG主要是通过尿液排出体外,而高分子量的PEG主要通过尿液和粪便排出,但是速度相对缓慢,排出的PEG的结构很少改变。
由于一般在蛋白质以及部分药物载体中含有的基团是氨基以及巯基。所以目前主要的PEG衍生物在设计的时候都是面向该两种基团。根据面对的基团我们可以将PEG分为与氨基反应的PEG衍生物以及和硫醇反应的PEG衍生物。
与氨基反应的PEG衍生物,同样可以分为2类,第一类为PEG的羧酸衍生物,通过羧酸与氨基反应生产酰胺键,但是该类聚合物需要将羧基激活,然后再与氨基反应。第二类为PEG的醛衍生物,即末端为醛基的PEG聚合物,该类衍生物通过与氨基反应可以生成Shiff碱,然后在氰基硼氢化钠的作用下还原成二级胺化合物,但是此反应速度比较慢,有时需要一天的时间才能完成。
被活化的PEG的羧酸酯是目前广泛使用的一类酰化试剂,它能有效的与氨基在缓和的条件下进行反应,形成稳定的酰胺键。目前主要是PEG羧酸与NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)形成琥珀酰亚胺酯。该类衍生物随连接在PEG上的羧酸不同而具有不同的性质:
SCM-PEG(在25度,PH为8时,水解反应的半衰期为0.75分钟)M-O-(-CH2-CH2-)n-COOSu 其反应活性非常高,导致其很难应用
SPA-PEG(在25度,PH为8时,水解反应的半衰期为16.5分钟)M-O-(-CH2-CH2-)n-CH2CH2-COOSu
SBA-PEG(在25度,PH为8时,水解反应的半衰期为23分钟)M-O-(-CH2-CH2-)n-CH2CH2CH2-COOSu
还有一类PEG的衍生物是通过羟基与二元酸的酸酐反应,生成骨架中含酯键,末端含羧基的的PEG衍生物,目前经常使用的是SSA-PEG    M-O-(-CH2-CH2-)n-O-CO-CH2CH2-COOSu。它是通过将含羧基的PEG与丁二酸酐在一定的催化剂作用下生成PEG丁二酸的单酯。生成的单酯带有一个羧基,进行激活后就可以进行接枝反应。由于此类聚合物在分子骨架上有可以水解的酯键,可以随时间而被酶解或者水解,所以可以降低由于PEG的引进导致的生物活性降低等问题。
PEG的醛类化合物可以产生稳定的碳氮键。mPEG-propionaldehyde 相对于mPEG-acetaldehyde更容易使用,因为后者容易通过羟醛缩合形成二聚合体。mPEG-propionaldehyde一个关键性的性质就是在酸性条件下,容易和N末端的a-氨基进行选择性的反应,这主要是因为a-氨基相对于其他的亲核物质具有更底的pKa值。 含醛基的PEG的制备可以采取选择合适的引发试剂的方法合成,比如mPEG-propionaldehyde可以使用3,3-二甲氧基丙醇作为引发剂,然后在酸性的条件下,将前面保护的醛基转化回来。
PEG-aldehyde的制备也可以通过mPEG-OH的氧化反应来制备,具体的制备方法可以参考下如下:在过量1倍摩尔的乙酸酐的存在下,在无水的条件下,与DMSO/chloroform(90/10 v/v ),在氮气存在下于22度持续反映9小时,然后使用过量的二乙醚沉淀出来。分离出沉淀,然后在用乙二醚沉淀两次,在中空干燥得到白色mPEG-aldehyde粉末。
半胱氨酸的巯基可以和一些PEG的衍生物发生反应,比如PEG的马来酰胺,乙烯基砜等等。 
 
 
1.   mPEG (单甲氧基醚PEG)(monomethoxypoly(ethylene glycol)) 或者mPEO (monomethoxypoly(ethylene oxide))
CH3O-(CH2CH2O)n-CH2CH2OH
能够合成二醇含量很低的mPEG, 其含量<5%,分子量分布在1.04~1.1之间。
合成所需时间:约一个周

2. mPEG-NH2(mPEG-胺基) mPEG-amide
CH3O-(CH2CH2O)n-CH2CH2-NH2
CH3O-(CH2CH2O)n-CH2CH2CH2-NH2
带有伯胺端基的mPEG是一种非常有用的功能化高分子。在mPEG上的胺端基,对于酰化试剂的活性比羟基高,因此,它们很容易进行还原氨基化反应。应用胺基的反应活性,我们可以很方便的通过生成稳定的化学键(如酰胺键,氨基甲酸酯键,脲键和仲胺键), 把另一些分子和其连接。此化合物的纯度近似于90%。它们可用于:
  • 制备带有生物活性化合物的配体;
  • 多肽合成时的载体;
  • 制备高分子接枝物和PEG涂层;
  • 制备PEG糖蛋白配体;
 合成所需时间:约2个周

3. mPEG-SS (mPEG-琥珀酰亚胺琥珀酸酯)( mPEG-succinimidyl succinate)


mPEG-SS是较早使用带活性基团的PEG,它的反应活性较高,但是由于和PEG主链连接的是酯键,因此,在强碱或强酸条件下,酯键易断裂水解,使活性基团的含量下降。该产品的含量>95%。
合成所需时间:约1个周
4. mPEG-SC(mPEG-琥珀酰亚胺碳酸酯)( mPEG-succinimidyl carbonate)

mPEG-SC是目前最常用的带活性基团的PEG衍生物,它和蛋白偶合生成的氨基甲酸酯键比酯键要稳定,现广泛用于与药物的偶联反应中。其纯度>95%.
合成所需时间:约1个周
5. mPEG2-NHS(mPEG2-N-羟基琥珀酰亚胺酯) (mPEG2- N-hydroxysuccinimde)

通过把mPEG偶联到赖氨酸上得到含有羧基的双臂mPEG2-COOH, 然后再与NHS活化后得到双臂mPEG琥珀酰亚胺酯(mPEG2-NHS)。mPEG2-NHS具有许多优点,其产物的支化结构会产生较大的分子体积,这样它们就不大可能渗透到蛋白质空间位阻大的区域。在和蛋白偶联后,不需要太多的偶联点便可使偶联产物保留PEG所具有的特点。mPEG2试剂尽管其水解速率及与小分子的反应速率比大多数NHS活性酯快,但与蛋白质的反应速率却要慢一些。这是由于其较大的空间位阻的缘故,因此适当延长和蛋白质的反应时间是必要的。该产品的纯度>95%。
合成所需时间:约2个月
 
6. mPEG-SPA(mPEG-琥珀酰亚胺丙酸酸酯) ( mPEG-succinimidyl propionate)



PEG羧酸的NHS活性酯是最常用来与蛋白质偶合的PEG衍生物。它能与蛋白质上的赖氨酸的胺端基反应生成稳定的酰胺键。mPEG-SPA主链中不含有酯键,因此稳定性较高,其在PH等于8的水溶液中的半衰期为16.5分钟,大大高于mPEG-SS的9.6分钟。mPEG-SPA的纯度约为95%。
 合成所需时间:约3个周
7. mPEG-ALD (mPEG-丙醛) ( mPEG-aldehyde)
在硼氢化钠存在下,带醛基的PEG会和伯胺发生还原氨化反应。醛基和其它的亲电活性基团不同,它只和胺基反应。虽然醛基的反应活性比NHS活性酯低,但是它具有反应条件温和(pH 6-9.5,6~24小时),易于使PEG和蛋白质或其它材料的表面连接。因此,在较低的pH下,mPEG-ALD会对蛋白质的N端进行选择性反应。其连接的稳定性(通过还原反应形成仲胺)对于制备固定化酶是极其重要的。用这种方式改性的蛋白质,可以保留氨基和蛋白在溶剂中的带电性,这对于保持蛋白质的构造和活性是非常重要的。通过氨基酸分析方法对蛋白质水解物中的赖氨酸进行定量分析,可以很方便地对这些偶合产物进行表征。mPEG-ALD是蛋白质N端PEG化的通用试剂。其纯度大约为80%。
 
8. mPEG-MAL(mPEG-马来酰亚胺) ( mPEG- maleimide)

马来酰亚胺和巯基的偶合是蛋白和多肽偶联中的一个非常有用的反应。这个反应很特别,即使在其它功能基存在下,它也可以在温和的条件下进行。作为有活性端基的聚合物,mPEG-MAL已被用来合成具有确定结构和生物活性的PEG-蛋白质偶合物。mPEG-MAL也常用作聚合物试剂来选择性诱捕含巯基的多肽。产物的纯度约为80%。
  合成所需时间:2周
9. HO-PEG-COOH(a-羟基-w-羧基聚乙二醇) (α-hydroxyl-PEG-ω- carboxyl)

 合成所需时间:一个月
10. mPEG-b-PS (聚乙二醇和聚苯乙烯的嵌段共聚物) (mPEG-block- polystyrene)

合成所需时间:2周

11. mPEG-b-PI(聚乙二醇和聚异戊二烯的嵌段共聚物) (mPEG-block- polyisoprene)

 合成所需时间:2周
 
12. mPEG-b-PAN(聚乙二醇和聚丙烯腈的嵌段共聚物) (mPEG-block- polyacrylonitrile)

合成所需时间:2周


13. mPEG-b-PCL(聚乙二醇和聚ε-己内酯的嵌段共聚物) (mPEG-block- poly(ε-caprolactone))

合成所需时间:1周


14. mPEG-b-PMMA(聚乙二醇和聚甲基丙烯酸甲酯的嵌段共聚物) (mPEG-block- poly(methyl methacrylate))

合成所需时间:2周
15. PEG (双羟基PEG)
HO-(CH2CH2O)n-CH2CH2OH (分子量分布<1.15)
各种分子量均能提供
合成所需时间:约一个周
 
16. HO-PEG-NH2(α-羟基-ω-氨基聚乙二醇) (α-hydroxyl-PEG-ω- amide)
合成所需时间:约2个周
 
17.mPEG-羧基(mPEG-carboxyl
各种分子量的产品,其纯度>95%。
 
 
18.mPEG-腈基 (mPEG- cyan)
各种分子量的产品,其纯度>95%。
 
 
19. mPEG3-COOH 和mPEG3-NHS
合成所需时间:2个月。
6.三臂PEG以及四臂PEG(端基均为羟基)
各种分子量
 
合成所需时间:2个周。
20.超支化的聚丙三醇hPG (hyperbranched poly(glycerol)).
各种分子量的超支化PG.. 合成所需时间:2个周。
联系方式:xlzhang@zzu.edu.cn
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