高分子通報2004年8月聚乙二醇在新型藥物制劑中的應(yīng)用李愛貴,鄧聯(lián)東,董岸杰天津大學(xué)化工學(xué)院天津300072)摘要聚乙二醇具有良好的生物相容性和兩親性在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用本文就聚乙二醇在新型藥物制劑中的應(yīng)用進行綜述主要包括納米給藥系統(tǒng)、蛋白質(zhì)藥物修飾和疏水性藥物的前藥等關(guān)鍵詞聚乙二醇;納米給藥系統(tǒng);修飾;蛋白質(zhì)藥物;前藥聚乙二釀 polyethylene glycol , PEG)是由環(huán)氧乙烷與水或乙二醇逐步加成聚合而得到的一類分子量較低的水溶性聚醚結(jié)構(gòu)式為HO∈CH2CH2O+H作為一種兩親性聚合物PEG既可溶于水又可溶于絕大多數(shù)的有機溶劑且具有生物相容性好、無毒、免疫原性低等特點可通過腎排出體外在體內(nèi)不會有積累。此外PEG具有一定的化學(xué)惰性但在端羥基進行活化后又易于和蛋白質(zhì)等物質(zhì)進行鍵合鍵合后PEG可將其許多優(yōu)異性能賦予被修飾的物質(zhì)。作為表面修飾材料聚乙二醇在體循環(huán)中的優(yōu)點還有能防止與血液接觸時血小板在材料表面的沉積有效延長被修飾物在體內(nèi)的半衰期提高藥物傳遞效果12。PEG獲得了FDA的認(rèn)可被中、美、英等許多國家藥典收載作為藥用輔料。長期以來PEG在軟乳脣劑、栓劑、滴丸劑、硬膠囊、滴眼劑、注射劑、片劑等各種藥劑中有著廣泛應(yīng)用。從上個世紀(jì)∞0年代開始PEG在新型藥物制劑中的應(yīng)用的研究越來越多。本文主要綜述PEG在納米給藥系統(tǒng)、蛋白質(zhì)藥物及疏水性藥物的前藥等幾種新型藥物制劑中的應(yīng)用。1PEG修飾的納米給藥系統(tǒng)納米給藥系統(tǒng)也稱納米控釋系統(tǒng)包括納米微球 Nanospheres廂納米膠囊 Nanocapsules),它們是直徑在10~500m之間的固狀膠態(tài)粒子活性組分藥物和生物活性材料等通過溶解、包裹作用置于納米粒的內(nèi)部或者通過吸附、附著作用置于納米粒表面3。納米給藥系統(tǒng)具有降低藥物毒副作用、防止藥物失活、控制藥物釋放速率和靶向給藥的效果從而既可提高病灶部位的藥物濃度又可減少對機體其它部位的損害提高藥物的有效利用度因而成為較理想的藥物傳輸體系。目前納米給藥系統(tǒng)的載體材料一般為可生物降解聚合物如以聚乳酸(PLA)聚己內(nèi)酯〔PCL聚癸二酸酐PSA)為代表的聚酯、聚酸酐、聚氰基丙烯酸酯、聚氨基酸、聚原酸酯等具有良好生物相容性和可生物降解性的聚合物?？缮锝到饩酆衔镒鳛樗幬锞忈?、控釋的優(yōu)良載體極大地促進了藥物制劑的發(fā)展其是這類聚合物的微*式中國煤仰干發(fā)應(yīng)用為具有更好藥物控釋性能及靶向新制劑的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。但CNMH己多是疏水性的形成的基金項目國家自然科學(xué)基金資助課題30170227)作者簡介董岸杰1964-),女天津大學(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系教授博士現(xiàn)主要從事大分子自組裝物理化學(xué)與藥用載體材料的研究;elm227890706 E-mail andong@iu,edu,cn通訊聯(lián)系人第4期高分子通報納米粒易被蛋白質(zhì)吸附和被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)捕捉因而進行表面修飾延長聚合物納米粒在體內(nèi)的循環(huán)時間很有必要。PEG具有親水等許多優(yōu)點且得到FDA認(rèn)可近年來將PEG作為親水組分引入聚合物載體的研究很多通過嵌段或接枝的方法使親水的PEG鏈段鍵接在納米粒的表面可以改善其親水性。由于PEG鏈段處于粒子表面伸向水中并能夠在水中搖擺,方面使粒子間產(chǎn)生足夠大的斥力以克服范德華引力作用使粒子具有很好的穩(wěn)定性而不聚集湯另一方面能夠阻止蛋白質(zhì)的吸附和躲避網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的捕捉延長納米粒在體內(nèi)的循環(huán)時間提高藥物的生物利用度。人們把PEG的親水性、防止蛋白質(zhì)吸附性質(zhì)與可生物降解聚合物相結(jié)合制備了多種PEG嵌段或接枝共聚物如PEG—PLA、PEG—PCL—PEG嵌段共聚物、PEG接枝的聚氰基丙烯酸酯等兩親性共聚物并由此開發(fā)了藥物的納米制劑。 Peracchia等2)用不同分子量的PEG分別和PLAPCL、PSA共聚制備出一系列兩親性嵌段共聚物及它們的載藥納米粒證明疏水部分的化學(xué)組成、PEG鏈段的分子量、納米粒表面PEG鏈段的密度是影響PEG納米粒藥物控釋性能的關(guān)鍵因素。Shin等4以透析法制備了消炎痛IMC的PE(—PCL共聚物納米粒其體外釋放符合持續(xù)釋放模型。Gref等5以乳化/溶劑蒸發(fā)法制備了環(huán)孢酶素(CyA肭的PLA-PEG共聚物納米粒其體外釋放符合雙相動力學(xué)模型。Y∞等6通過化學(xué)結(jié)合的方法把阿霉素(DOX)結(jié)合在PLGA-PEG上,制備了DOX—PLGA-PEG共聚物納米粒。表1PEG衍生物及其與聚合物RNH2)應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)Table 1 Structure of pEG derivations and the reaction products of PEG derivations with polymer rnh,)PEG衍生物與RNH2反應(yīng)產(chǎn)物R代表EG衍生物與RNH或SHR反應(yīng)產(chǎn)物殼聚糖或聚氨基酸等聚合物)NH-RPEGPEG OPEGOPEG ONNH-RO-PEGO-PEGPEG-O--SO-CH CF3PEGNH-Rm PEG-NHC-CHPEG-NHC-CHSRmPEG-0CI2CH一還原PEG-0-C-O-NPEGOC-NH-Rm PEG-OCH,CH,CHmPEG-OCH2CH2 CH, NH-RmPEG-O(CH2C-O--PEG0-C-OPEG-OCNH--RPEG C CH,)CNH-R中國煤化工FG-0-C-CC-C-0-1CNMHG PEG S CHCHS RPEG0CCHCHC-NH最近研究較多的還有PEG與離子型聚合物如殼聚糖、聚氨基酸的共聚物7。PEG與殼聚糖、聚氨基酸的共聚物的制備方法通常是先通過rEG或聚乙二醇單甲醚上的羥基的反應(yīng)活性接高分子通報2004年8月上能夠容易與—NH反應(yīng)的活性端基然后再與殼聚糖或聚氨基酸上的一NH’反應(yīng)制得PEG改性的殼聚糖或聚氨基酸。表1給出了幾種PEG衍生物及與含一NH,的聚合物的反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)1利用不同嵌段或接枝)瑢解或帶電性能的差異通過適當(dāng)方法,可獲得共聚物的納米?；蚰z朿這種納米粒具有較穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)疏水部分位于內(nèi)部形成內(nèi)核而親水的PEG鏈段處于表面形成殼層。藥物被包裹于內(nèi)核或吸附于表面以擴散釋放或融蝕釋放的形式釋放并發(fā)揮藥效。PEG修飾的共聚物納米粒的制備方法除了前面提到的透析法和乳化/溶劑蒸發(fā)法外還有沉淀/溶劑蒸發(fā)法、復(fù)乳法、離聚物復(fù)合汯PIC法)等。為使PEG修飾的共聚物納米粒成為較理想的藥物傳輸體系首先要保持納米粒的穩(wěn)定性其次要求納米粒具有一定的載藥能力第三要調(diào)整聚合物的組成和比例使其具有良好的控釋性能此外還要盡量降低載藥納米粒的毒性。PEG修飾的共聚物納米粒與游離藥物或傳統(tǒng)劑型相比表現(xiàn)出高效低毒的優(yōu)點。Ki等ν體外細胞毒性試驗表明人纖維細胞在攜帶消灸痛(IMC肭的 PEO-PPO-PEO-PCI共聚物納米粒中3d存活率為80%而在游離IC中小于5%。并且隨藥物IMC濃度上升這種趨勢增大。作者所在課題組采用熔融縮聚法合成了聚乙二醇單甲醚/聚乳酸兩親性二嵌段共聚物并以紫杉醇為模型藥物制備了載藥納米粒(PMT),以生理鹽水注射為空白實驗, Taxol注射為對照實驗考察PMT對昆明鼠肝癌H2的療效。結(jié)果表明axo和PMT對腫瘤均有抑制作用且隨著劑量的增大抑制效果越明顯。但在相同劑量條件下,PMI抑制腫瘤生長的效果明顯優(yōu)于 Taxol,當(dāng)PMT的劑量為10mg/kg時腫瘤重量幾為空白實驗的一半抑制率高達39.1%說明PMT對昆明鼠肝癌H22的生長具有很好的抑制作用102蛋白質(zhì)藥物的PEG修飾隨著基因工程及化學(xué)合成技術(shù)的發(fā)展越來越多的蛋白質(zhì)藥物被研制出來并在臨床應(yīng)用中表現(xiàn)岀許多獨特的療效。與傳統(tǒng)的小分子藥物相比這類藥物具有在體內(nèi)半衰期短、易降解、易失活、在胃腸道內(nèi)不易被吸收及需要大量服用以維持藥效等缺點使其應(yīng)用受到限制。1977年,Abu-chowski等發(fā)現(xiàn)用PEG修飾過的蛋白質(zhì)比未修飾的蛋白質(zhì)更加有效。藥用蛋白質(zhì)經(jīng)PEG修飾后提高了水溶性降低或消除了免疫原性有效地延長了半衰期很大程度上保留生物活性大大提高藥用蛋白質(zhì)的生物利用度。這主要是由于覆蓋在蛋白質(zhì)表面的PEG鏈阻止了免疫細胞與蛋白質(zhì)之間的作用并防止蛋白質(zhì)水解失活。在過去的近30年中,蛋白質(zhì)的PEG修飾技術(shù)得到了快速發(fā)展自1991年P(guān)EG修飾的腺昔脫氫釀 PEG-ADA道次獲FDA認(rèn)可以來迄今已有40多個PEG修飾的蛋白質(zhì)藥物被用于臨床治療各種疾病。PEG末端的羥基是其化學(xué)反應(yīng)的功能基團但必須在較激烈的條件下才能與其它基團發(fā)生反應(yīng)。為使蛋白質(zhì)能在溫和條件下以較高的速率與PEG偶聯(lián)須先對PEG進行活化將其端羥基轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌钚曰鶊F?；罨椒ê芏嗳缛?PEG-CHO胺化 PEG-NE2)疊氮PEGN3)異氰酸酯倀 PEG-NCO)羧基倀PEG(OOH端烯基化和易離去基團活化泫(如 PEG-CI)等。活化的PEG與蛋白質(zhì)分子側(cè)鏈上的活性基團進行反應(yīng)廣其團主包圩氨基、巰基和羧基1]在修飾蛋白質(zhì)時PEG可有選擇的與活性基團進行中國煤化與蛋白質(zhì)具有更良好的性能12.目前為了避免在修飾過程中發(fā)生交聯(lián)和CNMH④采用的是單甲氧基聚乙二釀mPEG)其性能和PEG相似PEG與蛋白質(zhì)偶合時有三種方式131分別是單個大分子量PEG修飾蛋白質(zhì)的單一位點星形PE(兩個或更多的中等分子量PEG通過交聯(lián)連接在一起膽修飾蛋白質(zhì)的單一位點及幾個小分子量PEG修飾蛋白質(zhì)的多個位點。理論上由于在受體結(jié)合域內(nèi)受體與PEG結(jié)合的機會減少因此第4期高分子通報多位點的PEG修飾往往會導(dǎo)致蛋白質(zhì)部分甚至全部失去生物活性而單一位點被PEG修飾的蛋白質(zhì)應(yīng)該具有較高的活性。被修飾的蛋白質(zhì)的半衰期皆有明顯提高Nuci等1報道每個酶分子接有多個PEG-5000鏈段的酶在老鼠體內(nèi)的半衰期為未經(jīng)修飾酶的6.4倍影響PEG修飾過程的主要因素1有瀣白質(zhì)濃度、蛋白質(zhì)與PEG修飾劑的摩爾比、修飾反應(yīng)的pH值和離子強度、修飾反應(yīng)溫度、修飾反應(yīng)持續(xù)時間等。一般說來修飾率越高蛋白質(zhì)抗原性降低越明顯活性損失也越大。通過正交實驗設(shè)計選擇適宜的修飾反應(yīng)條件冋時對一個或多個影響因素進行控制可得到所需的經(jīng)PEG修飾的蛋白質(zhì)藥物不同分子量的PEG的修飾結(jié)果不同早期的蛋白質(zhì)修飾研究常用分子量為5000的PEG。隨后研究人員發(fā)現(xiàn)采用更高分子量的PEG進行鍵合被修飾過的蛋白質(zhì)具有更多的特殊性能和更長的半衰期l6。 Leuze等報道了一種新的PEG修飾的α干擾素(a-IFN)PEG與氨基進行鍵合其中所用PEG分子量高達40000目前正在臨床試驗階段17最近一種PEG修飾的粒性白細胞刺激素獲得了美國FDA市場準(zhǔn)入商品名為 NEULASTATM其中的PEG分子量為2000418近來國內(nèi)這方面的研究報道也不少但大都停留在基礎(chǔ)研究階段。史凌洋等1使用活化的單甲氧基聚乙二釀mPEG對L天酰胺酶進行修飾修飾過程中加入底物L(fēng)-天冬酰氨保護酶的活性中心。得到的修飾酶抗體結(jié)合能力消失保留酶比活力為32.8%酶的常溫穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均有顯著提高。熒光胺法分析殘余氨基數(shù)目得岀酶分子的9個自由氨基中有51個與修飾劑結(jié)合。田□等∞以幾種不同方法活化的PEG5000對干擾素進行修飾并對修飾條件、修飾后干擾素生物活性進行了初步比較。相同反應(yīng)條件下單甲氧基聚乙二醇甲酸琥珀酰亞胺酯SC-mPEG)的選擇活性較單甲氧基聚乙二醇琥珀酸琥珀酰亞胺釀SSπFEG寫滈聚乙二醇甲酸琥珀酰亞胺酯(BSC-mPEG)油于有兩個活性基團選擇性與SS-mPEG相近。PEG修飾劑會使干擾素分子間形成交聯(lián)修飾后生物活性損失較大而mPEG修飾劑當(dāng)修飾率保持在30%以內(nèi)時,干擾素生物活性較好。3疏水性藥物的PEG前藥許多優(yōu)良的疏水性藥物如紫杉醇由于極難溶于水和毒性大而限制了其在臨床上的應(yīng)用。通過前藥化可以解決上述問題因此疏水性藥物旳水溶性前藥的硏究開發(fā)越來越受到人們的重視。前藥是指活性原藥的化學(xué)衍生物,般是無活性的,在體內(nèi)經(jīng)酶促或非酶促反應(yīng)釋放岀原藥而發(fā)揮療效其目的在于提高藥物生物利用度增加藥物穩(wěn)定性減小毒副作用促使藥物長效化掩飾不適異味等21PEG與藥物的鍵合方式有永久鍵合和非永久鍵合兩種。蛋白質(zhì)藥物的修飾中PEG與藥物的鍵合屬永久鍵合藥物發(fā)揮藥效無需也不能使鍵合斷裂。而前藥中PEG與藥物的鍵合屬非永久鍵合在前藥中PEG與藥物的鍵合在一定條件下(如酶解或水解)以斷裂釋放出原藥發(fā)揮藥效。與大量蛋白質(zhì)的PEG修飾研究工作相比其它藥物與PEG永久鍵合的報道則很少原因在于從其它藥物與IG鍵合后的性能來看非永久鍵合前藥要優(yōu)于永久鍵合尤其是在抗癌藥物如紫杉醇衍生物)的研制方面這一點更加明顯2疏水性藥物的PEG前藥可以提高原藥的水溶中國煤化工期對于毒性較大的藥物還可以減小其毒副作用因此PEG在前藥中的CNMHG科學(xué)家們把其中PEG的分子量低于20000的前藥稱為低分子量PEG前藥而把PEG的分子量高于2000稱為高分子量PEG前藥低分子量PEG前藥研究方面 Greenwald等23在1994年將酸化的PEG與紫杉醇在二異丙基碳化二亞胺DIPC和二甲胺基吡啶存在下偶聯(lián)得到產(chǎn)率為90%~95%的2-PEG5000紫杉醇酯100高分子通報2004年8月見圖1)并且證明可以用作前藥。在pH為7.4的PBS緩沖液中其半衰期為55h而在小鼠血漿中則可觀察到一個快速的突釋過程其半衰期只有大約1h?；铙w實驗表明該前藥與紫杉醇相當(dāng)或略好。 Zacchigna等卲用P(mw=1500分別與兩種抗癌藥物 Acyclovir(一種合成嘌吟核甘類似物廂和 valacyclovir( Acyclovir的一種衍生物)鍵合制得了他們的前藥。體外釋放試驗表明在pH值為7.4或5.5的緩沖液中兩種前藥都是穩(wěn)定的但當(dāng)pH值為1.2時只有 valacyclovir的前藥穩(wěn)定。用高效液相色譜HPLC對兩種前藥在各種pH值緩沖液中原藥的釋放量進行觀察發(fā)現(xiàn)valacyclovir的前藥要優(yōu)于 Acyclovir24h可達到40%。在前藥應(yīng)用中高分子量(mw>20009PEG要優(yōu)于低分子量(mw<20000EG高分Drug-OH子量PEG可更加有效地延長藥物在體內(nèi)的半2,3,4衰期, Yamaoka等25曾報道隨隨著PEG分子量的增大前藥被腎過濾清除的速度降慢半衰期1 PEG Aci隨之增長。例如當(dāng)PEG分子量從6000增加到2 P=Mped( mw=5000 ) Drug=2 -paclitaxel3 P=PEG Drug=2-paclitaxel50000時其在體內(nèi)的半衰期從約18min延長至4 P=PEG Drug=20-camptothecin16.5h。半衰期延長提供了控制藥物按照治療需要的速度進行釋放的可能。圖1聚乙二醇前藥高分子量PEG在前藥中的應(yīng)用始于用聚Figure 1 PEG prodrugs乙二醇二酸合成紫杉醇的PEG40000酯類衍生物。( greenwald等對此進行了廣泛的研究制備出一系列高分子量PEG紫杉醇前藥在治療HT-29(結(jié)腸)A549肺癌細胞時顯示出明顯的抗癌效果26-8。其治療效果可能源于以下兩個方面第一源于聚合物的高分子量以及酯鍵相對較慢的分解速度使得前藥具有較原藥更長的半衰期利于藥物的持續(xù)釋放第二高分子量PEG的鍵合可能會有選擇性地聚集在癌細胞周圍利于實現(xiàn)主動靶向。高分子量PG紫杉醇前藥已經(jīng)拓展到含有連接臂的前藥路線(PEG-連接臂一原藥)作為連接臂的物質(zhì)必須具有多個功能基團經(jīng)過眾多試驗發(fā)現(xiàn)氨基酸對絕大多數(shù)抗癌藥物而言是最有效的它不僅可以降低毒性還可以提高前藥的各種性能。李金亮等3通過不同的氨基酸把紫杉醇連接在分子量不等的PEG分子上制備岀一系列水溶性紫杉醇衍生物這些衍生物體外抗癌活性比紫杉醇好。馮霞等3將紫杉醇連接到經(jīng)氨基酸修飾的PEG分子上制得了新型紫杉醇前藥研究表明此類紫杉醇前藥水溶性良妚達紫杉醇的200~400倍)對乳腺癌MCF7細胞和非小細胞肺癌PG細胞有很強的抑制作用效果與紫杉醇相當(dāng)表明上述方法是解決紫杉醇水溶性及給藥方式問題的可能方法之4結(jié)束語由于聚乙二醇具有親水性強和生物相容性好等許多優(yōu)點與其它物質(zhì)鍵合后又能將其優(yōu)點帶入因此采取聚乙二醇路線來設(shè)計新的藥物傳輸系統(tǒng)是很有前途的。隨著化學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展及交叉應(yīng)用聚乙二醇在中國煤化工會越來越廣泛。參考文獻CNMHG姚日生蓮岸杰劉永瓊.藥用高分子材料,北京北學(xué)工業(yè)出版社2003,86~193[2] Peracchia M T Gref R Minamitake Y et al. 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