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多肽和蛋白质的聚乙二醇化修饰方法
浏览量:555 | 2024/5/3 14:58:01


摘要 :聚乙二醇是一类具有独特理化性质的大分子聚合物:多肽和蛋白质类药物经聚乙二醇共价修饰后能明显改善其药代学和药效学性质,如降低免疫原性、增加对蛋白水解酶的稳定性、增加水溶性及延长体内的半衰期等:蛋白质的聚乙二醇化修饰研究已取得较好的效果,多肽的聚乙二醇化修饰研究起步较晚:对近年来多肽和蛋白质的聚乙二醇化修饰方法进行了综述,主要介绍了对多肽和蛋白质的 ; 端、& 端及某些氨基酸侧链进行选择性聚乙二醇化修饰的方法:


聚乙二醇(PEG)是一类具有独特理化性质的大分子聚合物,它具有良好的水溶性,也能溶于二氯甲烷、NN-二甲基甲酰胺、苯、乙腈和乙醇等有机溶剂:聚乙二醇由环氧乙烷聚合而成,通过控制反应条件可得到平均分子量由几百到几万的聚合物:普通的聚乙二醇分子两端各有一个羟基,若一端以甲基封闭则得到单甲氧基聚乙二醇(mPEG),在多肽和蛋白质的聚乙二醇化修饰研究中应用最多的是mPEG的衍生物:

蛋白质的聚乙二醇化修饰研究始于二十世纪七十年代,最初的目的主要是为了降低蛋白质类药物的免疫原性:进一步的研究表明,蛋白质经聚乙二醇化修饰后还可以改善许多其它方面的性质,如增加蛋白质对酶的稳定性、延长蛋白质在血浆中的半衰期、增加在水中的溶解度等: 一些蛋白质的聚乙二醇化修饰物在作为药物的应用中取得了较好的效果,1991年,第一种经聚乙二醇化修饰的蛋白质类药物PEG-腺苷脱氨酶被FDA批准上市,用于治疗一种严重的儿童免疫缺陷症: 2001年,用聚乙二醇修饰的干扰素(PEG-INTRON)经FDA批准上市,用于治疗慢性丙型肝炎: 多肽与蛋白质在理化性质上具有许多相似之处,肽类化合物的聚乙二醇化修饰研究晚于蛋白质的相关研究,近年来关于肽类化合物的聚乙二醇化修饰研究也取得了一些进展,尤其是肽类化合物在聚乙二醇化定点修饰方面较蛋白类物质更易于实现,因此开展肽类化合物的聚乙二醇化修饰研究也具有较重要的意义 :


在多肽的聚乙二醇化修饰研究中应用最普遍的是mPEG,先在mPEG的末端引入羧基、氨基或其它活性基团,或者制备经mPEG修饰的氨基酸衍生物,再利用固相或液相法将其偶联到肽序列中去,实现对多肽的N端,C端及某些氨基酸侧链的聚乙二醇化修饰’下面主要介绍近年来文献报道关于多肽和蛋白质的聚乙二醇化定点修饰的一些方法’


1 多肽和蛋白质中氨基的聚乙二醇化修饰方法


在多肽和蛋白质的聚乙二醇化修饰方法中,主要是对N末端或赖氨酸侧链氨基进行酰化修饰’因为蛋白结构中通常存在多个氨基,所以控制和确定修饰位点及修饰程度一直是蛋白质的聚乙二醇化修饰中的一个难点’肽类化合物的合成中可以通过采用适当的保护策略来实现对氨基的定点修饰’


1.1 N端氨基的酰化修饰

为了实现对肽链中氨基的聚乙二醇化酰化修饰,需要在聚乙二醇上首先引入羧基或活化的羰基,1993年,Lu等首先报道了在固相多肽合成中应用单甲氧基聚乙二醇的羧基衍生物对肽链的N端氨基进行酰化修饰的方法:以mPEG作原料,先合成mPEG-OCH2COOH和 mPEG-OCH2CO-Nle-OH,在mPEG 中引入一个正亮氨酸(Nle)作为标记是为了便于确定每一个多肽分子上偶联了几个mPEG分子’应用Fmoc固相多肽合成法,先在树脂上合成全保护肽链,当游离出N末端氨基后,以BOP作缩合剂,将mPEG-OCH2CO-Nle-OH 作为一个单体偶联到肽链上,然后经三氟乙酸裂解和反相高效液相色谱(RP-HPLC)纯化得到了平均分子量分别为2000和5000的mPEG修饰N-端的4肽、8肽和12肽,MPEG修饰产物在RP-HPLC分析图谱上呈单一峰,结构经MALDT-TOF-MS分析得到确证’研究还明,聚乙二醇对三氟乙酸处理稳定,但氟化氢处理时会有部分断裂,故此法不适用于BOC固相多肽合成法


虽然mPEG-OH与琥珀酸酐反应可以很容易地得到mPEG-OCOCH2CH2COOH,但此分子中含有对酸和碱都不太稳定的酯键,不适合用于固相多肽合成中’ 若通过mPEG-NH2与 琥 珀 酸 酐 反 应 引 入 羧 基 得 到mPEG-NHCO-CH2CH2COOH,此类分子具有较好的稳定性,适用于固相多肽合成中’mPEG-NH可通过购买商品化试剂获得,也可以由mPEG-OH作原料合成, 在mPEG-OCH2COOH的合成中应 用 了 丁 基 锂,反 应 需 在 绝 对 无 水 条 件 下 进 行,而mPEG-NHCO-CH2CH2COOH的合成比较容易些.

Lee等以平均分子量为5000的单甲氧基聚乙二醇甲酰琥珀酰亚胺(SC-mPEG)在弱碱性水溶液中(PH=8)修饰鲑降钙素(sCT),经RP-HPLC分离得到N端、Lys和Lys侧链氨基分别被聚乙二醇酰化修饰的三种产物,产物结构经酶解和质谱分析得到确证,它们在大鼠肾脏匀浆中的半衰期分别为 125.5,157.3和 281.5min,比sCT在大鼠肾脏匀浆中的半衰期(4.8min)显著增加,用相同的方法,Lee等以平均分子量为3400的SC-mPEG对表皮生长因子(EGF)进行修饰,经RP-HPLC分离到N端、Lys和Lys侧链氨基分别被聚乙二醇酰化修饰的三种产物’ 生物活性测定表明,N端修饰产物活性高于Lys和Lys侧链修饰产物’


SC-mPEG及其类似物在蛋白质的聚乙二醇化修饰中应用较多,反应条件容易实现,一般在弱碱性的水溶液中进行’控制蛋白质和SC-mPEG的比例可以得到单聚乙二醇化修饰的产物,产物的纯化方法也比较简便,可用透析、电泳及凝胶色谱等常用方法实现’ 由于SC-mPEG对游离氨基没有选择性,当有多个氨基时,往往难以实现定点的聚乙二醇化修饰,分析和确定产物中聚乙二醇的修饰位点也较难.

1.2 赖氨酸侧链氨基的酰化修饰
LU等报道以mPEG羧基衍生物修饰赖氨酸侧链氨基得到Fmoc-Lys(mPEG-OCH2CO)-OH,在固相多肽合成中将其作为一个单体偶联到肽链中去,实现聚乙二醇对肽链中特定赖氨酸侧链氨基的聚乙二醇化修饰0也可以在固相合成过中用烯丙氧羰基(Alloc)保护特定位置的赖氨酸侧链氨基,肽链组装完毕后先脱除Alloc,再将mPEG-OCH2CO偶联到赖氨酸侧链氨基上去.然后经三氟乙酸裂解、RP-HPLC 纯化可得到对肽链中特定赖氨酸侧链氨基进行聚乙二醇化修饰的产物.此法适用于Fmoc固相多肽合成法中对赖氨酸的定点聚乙二醇化修饰(图2)

1.3  端氨基的烷基化修饰
Kins等用聚乙二醇的醛基衍生物(mPEG-CHO)修饰rhG-CSF,反应在PH为5的水溶液中进行,活泼的醛基可将聚乙二醇偶联到蛋白质分子的氨基上,同时以氰基硼氢化钠作为还原剂实现稳定的烷基化修饰.此法具有较好的选择性,主要是修饰蛋白质的N末端氨基.其温和的反应条件适用于固相或液相多肽合成,此法若应用于多肽的N端氨基修饰可能也会取得较好的效果.

2 多肽链中羧基的聚乙二醇化修饰方法


LU 等以mPEG-NH2作原料修饰天冬氨酸侧链羧基得到Fmoc-Asp(mPEG-NH)-OH,将其用到固相多肽合成中实现聚乙二醇对肽链中天冬氨酸侧链羧基的修饰0也可以在合成过程中用烯丙基(Allyl)保护特定位置的天冬氨酸侧链羧基,肽链组装完毕后在固相上先脱除Allyl,再将mPEG-NH2偶联到天冬氨酸侧链羧基上,实现对肽链中特定天冬氨酸侧链羧基的聚乙二醇修饰.此法适用于Fmoc 固相多肽合成法中对天冬氨酸或谷氨酸的定点聚乙二醇化修饰
在固相多肽合成中,若先将Fmoc-NH-PEG-COOH偶联到树脂上,再合成肽链,最后用三氟乙酸裂解,可以实现肽链C末端羧基的聚乙二醇化修饰.

3 多肽和蛋白质中巯基的聚乙二醇化修饰方法


Camp等在生长激素释放因子(GRF)类似物的C端引入半胱氨酸,在mPEG 上引入巯基吡啶,然后通过二硫键交换实现mPEG对GRF类似物C端的修饰


Vam 等用定点突变法在蛋白质中引入半胱氨酸,以mPEG-Mal作为聚乙二醇化试剂,通过蛋白质上的巯基加成到mPEG-Mal的双键上实现对蛋白质的定点修饰,此法已在许多蛋白质的聚乙二醇化修饰中取得了良好的效果,mPEG-Mal可 通 过 商 品 化 试 剂 买 到,也 可 以 用mPEG-NH2为原料合成.若在肽链中引入半胱氨酸,也可以实现此类反应.

4 其它方法


近年来,蛋白质的聚乙二醇化修饰方法发展很快,为多肽的聚乙二醇化修饰提供了不少新思路.Wyl等通过控制PH值实现SC-mPEG选择性修饰蛋白质中的组氨酸侧链的咪 唑 基.Sato用 谷 氨 酰 胺 转 氨 酶将mPEG-NH2转移到蛋白质的谷氨酰胺侧链上,实现对谷氨酰胺的选择性修饰! 借鉴这些方法,也有可能实现对肽链中组氨酸和谷氨酰胺侧链的选择性聚乙二醇化修饰

5 结束语


随着蛋白质的聚乙二醇化修饰技术的迅速发展,肽类化合物的聚乙二醇化修饰研究越来越引人注目.蛋白质的聚乙二醇化修饰几乎都在水溶液中进行,通过选择合适的聚乙二醇化试剂或控制反应条件来实现定点、定量修饰! 肽类化合物的聚乙二醇化修饰可在固相载体上进行,此法易于实现对多肽链中某位点的选择性修饰,但固相合成反应速度慢,且随着聚乙二醇或多肽分子量增加,修饰难度增大;肽类化合物的聚乙二醇化修饰也可以在水溶液中进行,可以实现分子量较大的聚乙二醇对分子量较大的多肽的修饰,但若有多个反应位点时产物分离及修饰位点的确定都有较大的难度 !多肽和蛋白质类化合物经聚乙二醇化修饰后具有降低免疫原性、增加水溶性、显著延长其在生物体内的半衰期等优点,但也可能因修饰而影响其与受体的结合,因此寻找合适的修饰位点,保持持续、有效的生物活性是多肽和蛋白质的聚乙二醇化修饰研究的主要目.多肽和蛋白质类药物的聚乙二醇化修饰研究有较好的应用前景!


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