超分子化学立新功：非共价PEG修饰蛋白质药物，提高稳定性

近些年来，生物分子（多肽、蛋白质、抗体等）在医药领域的风头一时无两，常常占据药物销售排行榜的前列，大有超过传统小分子药物的趋势。不过生物分子药物也有自己的麻烦，结构复杂稳定性低，容易变性和聚集。为了提高生物制剂的稳定性，防止聚集或是变性，一种方法便是添加赋形剂（如盐、糖、氨基酸、表面活性剂、高分子聚合物等）；另外通过共价键对生物分子进行修饰也得到了广泛的研究，并成功使得一些蛋白质药物获批进行临床使用。这些修饰通常是为了提高蛋白质的稳定性以及延长其保质期，亦或是优化药物在人体内的药代动力学过程。其中，将聚乙二醇（PEG）以共价键连接到生物分子药物上是一种非常普遍的方法，虽然这种共价修饰取得了一些成果，但是这种方法也有着一些不可忽略的缺点，例如修饰后产物难以分离和纯化，引入的PEG可能会改变药物的免疫原性或是改变生物分子药物原有的功能等。

近日，美国麻省理工学院（MIT）的Robert Langer和Daniel G. Anderson联合马里兰大学的Lyle Isaacs等人在PNAS上报道了一种利用非共价超分子主体-客体相互作用在蛋白质中引入PEG的方法，该法不引入共价键，不改变蛋白质的结构，可大大提高其稳定性，促进溶解并抑制聚集。

图1. A) 葫芦脲[7]的PEG修饰 B) PEG修饰后的葫芦脲[7]与胰岛素残基结合。图片来源：PNAS

作者们使用的“秘密武器”就是一系列的葫芦脲-PEG衍生物，利用其空腔对蛋白质药物氨基酸残基的非共价超分子相互作用，从而可以达到既在蛋白质中引入PEG又不改变蛋白质结构的目的。作者选用了葫芦脲CB[7]（cucurbit[7]uril），通过修饰和后续的点击化学将三种不同分子量的PEG引入得到一系列CB[7]-PEG（图1A）。因为已经知道CB系列对胰岛素N端的芳香性氨基酸残基有高亲和力的相互作用，作者首先对这种治疗糖尿病的常见蛋白质药物进行了非共价PEG修饰的研究。CB[7]的空腔会优先结合胰岛素N端的苯丙氨酸残基（结合能力比其他残基大100-1000倍），于是CB[7]-PEG也就安装在了胰岛素上（图1B）。圆二色谱显示，引入PEG后蛋白质的二级结构没有被破坏。

在体外稳定性和活性的测试中，没有PEG修饰的胰岛素很快就出现了聚集，活性明显降低。而非共价PEG修饰后的胰岛素在100天内依然没有任何聚集出现，活性也没有明显的变化（图2）。

图2. A) 胰岛素的聚集状态测试 B) 胰岛素的活性测试。图片来源：PNAS

除了胰岛素外，作者接着对另外两种药物胰高血糖素（Glucagon）和抗体C20（临床上叫Rituximab）进行了同样的研究。胰高血糖素普通情况下1 h就会在溶液中出现聚集，而非共价PEG修饰后，历经24 h依然保持很好的水溶性，并且蛋白质的二级结构依然稳定。抗体药物也有类似的结果，非共价PEG修饰能使其药物活性保持相当长时间（图3）。

图3. A) 抗体C20活性测试，B) 胰高血糖素的聚集状态测试，C)  胰高血糖素的圆二色谱。图片来源：PNAS

这种利用超分子化学的非共价相互作用对蛋白质药物进行PEG修饰的方法相当巧妙，为提高生物药物稳定性提供了一个新的思路。“我们有足够的理由相信，这种方法可以被广泛的应用到其他的生物药物中，不过还需要监管部门的批准和更多资金的投入才能保证量产，所需的时间可能是好几年。”该文的第一作者Matthew J. Webber如是说。

Matthew J. Webber博士。图片来源：MIT

Supramolecular PEGylation of biopharmaceuticals

PNAS, 2016, 113, 14189-14194, DOI: 10.1073/pnas.1616639113