摘要
生物药物的巨大潜力受到体内半衰期较短的阻碍,导致其效力明显低于体外所见的活性。这些短效治疗药物需要频繁的剂量配置,这可能会降低对临床的适用性,特别是对慢性疾病。因此,半衰期延长技术正在进入临床,以实现改进或新的生物疗法。聚乙二醇(PEG)化技术是第一个成功的改善治疗药物的药代动力学(PK)谱的技术,并已在临床应用超过25年。自20世纪90年代初以来,已有超过20种聚乙二醇(PEG)化药物进入临床,新的聚乙二醇化药物继续扩大临床管道和药物专利寿命。聚乙二醇化技术是临床中最成熟的半衰期延长技术,在人类中连续20多年被证明具有安全性。尽管如此,它仍是未来20年最具发展性和最新兴的技术之一。
1.背景
聚乙二醇化技术是研究生物活性分子(蛋白质、多肽、酶、抗体片段、寡核苷酸、合成药物等)的常用技术。这通常受到体内不良的理化和PK特性的限制。聚乙二醇共价连接后,分子可以延长血液循环的半衰期,提高药物的溶解度和稳定性,并降低免疫原性。聚乙二醇中的每个乙二醇亚基与2到3个水分子结合,使聚乙二醇化分子比分子质量相似的可溶性蛋白质大5到10倍。因为肾脏过滤基于大小的物质,比母分子具有更高分子量和更大水动力半径的聚乙二醇化分子以更慢的速度从体内清除。这种降低的速率增加了聚乙二醇化分子在体内的半衰期。除了在体内有一个快速的清除,许多天然类型的蛋白质和多肽也通过蛋白质水解被循环酶快速降解。水合聚乙二醇链保护偶联化合物不通过空间位阻进入蛋白酶和肽酶,从而减少了药物的非特异性降解。这些积极的优势使聚乙二醇化成为制药行业的一种常见技术。另一方面,这些特性会大大降低药物的效力。
自被发现以来,聚乙二醇化学物质经历了巨大的增强。第一代聚乙二醇化涉及沿生物分子随机聚乙二醇偶联。即使经过广泛的纯化,非特异性的聚乙二醇化也会产生具有不同物理化学和药物性质的多种产物亚型。第二代聚乙二醇化经历了一系列聚乙二醇衍生物激活的聚乙二醇分子,高分子量的聚乙二醇聚合物,分支聚乙二醇结构的好处。活化的聚乙二醇分子使位点特异性的聚乙二醇化成为,减少了聚乙二醇化治疗药物合成过程中杂质和副产物的数量。分支聚乙二醇化比线性聚乙二醇更好地降低免疫原性,增加半衰期,但牺牲了生物分子的活性。第三代技术旨在保持该药物的生物活性。
2.聚乙二醇(PEG)化创新药市场情况
聚乙二醇化药物是一个价值数十亿美元的市场。迄今为止,FDA已批准了超过20种聚乙二醇化药物,其中有超过20种药物正在进行临床试验。Adagen®和Oncaspar®构成了上世纪90年代FDA批准的第一代聚乙二醇化产品。它们都是在蛋白质上使用小分子量peg(5kDa)的多个位点(>60位点上的酶)。销售这些药物的Enzon制药公司成功地将聚乙二醇化技术命名为一种有效的半衰期延长技术。在世纪之交,聚乙二醇化产品的爆炸式增长进入了市场。与第二代聚乙二醇的发现相匹配,FDA批准的聚乙二醇化药物在类型(蛋白质、适配体抗体)和PEG特征(大小、形状)上各不相同。分支聚乙二醇激发分子上的一个单位点与PEG结合,使更均匀的混合物。成功的,位点特异性的聚乙二醇化位点的例子包括通过醛功能化的聚乙二醇分子,自然存在的或通过硫醇选择性聚乙二醇分子基因引入的游离半胱氨酸(如Cimzia®),天然的二硫键或组氨酸标签。尽管一些聚乙二醇化药物仍然是异构混合物,40kDa的位点特异性聚乙二醇化现在被认为是治疗分子聚乙二醇化的标准。
3.临床试验中的聚乙二醇化药物
有超过20种聚乙二醇化药物正在进行临床试验。最常见的情况是,与第一代治疗药物相比,这些药物具有更大的PEG化分子量(≥40kDa),但同样适用于频繁注射限制患者依从性和减少治疗结果的慢性疾病。拜耳、巴克斯特公司和诺和诺德公司在III期临床试验中有四种基于聚乙二醇化重组凝血因子的长效血友病药物。血友病是一种罕见的遗传疾病,血液缺乏某些凝血因子,不能有效凝块。作为一种按需或预防性治疗,这些凝血因子被注射和输液代替患者。需要长效作用的解决方案,以避免频繁给药。拜耳公司的BAY94-9027已被研究为一种预防性治疗方法,每周注射1-2次,而大多数替代凝血因子需要每周最多注射三次。长效策略需要通过马来胺连接物进行位点特异性的聚乙二醇化,使用60kDa的分支PEG到b结构域缺失的重组因子VIII,在人类中提供19小时的半衰期。与BA94-9027一样,Baxalta的Bax855和诺和诺德的N8-GP和N9-GP正在进行一项II期临床试验,用于按需或预防治疗,以研究完整的药代动力学特性。FDA批准的首个长效血友病A型和B型药物使用了与凝血因子的Fc融合技术。除聚乙二醇化作用以外的半衰期延长技术将在第4节中讨论。除了长期的抗血友药物,许多聚乙二醇化适配体也在临床试验中,第一个辉瑞的Macugen®在2004年获得fda批准。NoxxonPharma开发了使用非天然l-核苷酸的合成寡核苷酸,并用40kDa分支聚乙二醇对适体进行聚乙二醇化。聚乙二醇化药物正在进行II期临床试验,用于治疗癌症、贫血和糖尿病引起的肾脏损害。ophthtatech也在研究使用40kDa分支聚乙二醇的聚乙二醇适配体治疗湿性和药物性黄斑变性。如果上市,这些药物可能会防止频繁的注射到眼睛,并避免多次门诊就诊。Nektar的Movantik-181和莫凡提克-171使用小分子量的聚乙二醇(<10kDa)来防止血脑渗透,同时维持药物的口服生物利用度。通过限制中枢神经系统对活性药物成分(api)(即阿片类镇痛药和钠通道阻滞剂)的摄取,Nektar的聚乙二醇化方法减少了滥用倾向和头晕和嗜睡等副作用。临床研究中的聚乙二醇化药物在PEG和药物类型上比第一个fda批准的聚乙二醇化药物更多样化,因为聚乙二醇化的控制和信心增加了。虽然我们这里的重点是半衰期延长,聚乙二醇化也应用于蛋白质离子排斥或表面电荷屏蔽的治疗。
4.在临床中使用其他半衰期延长技术的长效药物
基于聚乙二醇化的成功药物应用和对复杂治疗性生物制剂的日益增长的兴趣,新的半衰期延长策略已经被开发出来作为聚乙二醇化的替代方案。聚乙二醇化后,白蛋白和Fc融合技术是增加生物药物在体内持久性的常用技术。它们利用白蛋白和抗体的内在特性,这些特性在体内具有非常长的半衰期,因为它们与新生儿Fc受体(FcRn)结合,以防止内体降解,并具有大的水动力直径来防止清除。在Fc融合技术中,抗体的Fc区域与一种感兴趣的蛋白质通过基因相连,以增加分子的循环半衰期、稳定性和溶解度。由于免疫学上的后果,Fc融合蛋白的长期使用仍存在许多问题。尽管如此,自1998年以来,已经有11种fc融合蛋白获得了FDA的批准,包括像再生蛋白的Eylea这样的畅销药物®和安进/辉瑞的Enbrel®.野生型或工程白蛋白可以融合(例如诺维酶的蛋白融合蛋白®)或偶联到治疗蛋白上。此外,白蛋白结合位点,如肽、抗体或脂肪酸链,可以引入药物剂,促进白蛋白在体内的附着。最近,临床试验中的半衰期延长技术依赖于独特的多肽。记者记者的XTEN技术需要一个由超过800多种天然亲水氨基酸组成的大型多肽的融合或化学偶联,这些亲水氨基酸被设计成非免疫原性和可生物降解的。[5]PhaseBio的技术依赖于弹性蛋白样多肽(ELPs),它利用弹性蛋白的转变温度,使用储存-释放策略来递送药物。这些基于蛋白质和多肽的替代品不能提供与PEG相同的表观分子量增加(PEG比类似分子量的蛋白质大5-10×)。因此,这种技术可能需要更高尺寸的分子,例如超过80kDa,以增加半衰期,这可以大大降低大小小于80kDa的蛋白质或肽的效力。因此,大剂量的肽和蛋白质药物可以使用替代技术。
大多数半衰期延长技术都有API效力的丧失。大分子量分子与药物的偶联或融合,特别是当药物与肽一样相对相等或更小时,会阻碍生物分子的活性位点,减少与预期目标的结合事件。因此,为了达到预期的药物效果,通常需要增加大剂量的不良反应风险。位点特异性的聚乙二醇化或精心设计的基因序列被开发来减少这种影响。
5.聚乙二醇化技术的未来
自从第一个聚乙二醇化药物在获得FDA批准后,从那时起,聚乙二醇化技术从随机发展到位点特异性的聚乙二醇化,从使用多个线性聚乙二醇到奇异的分支聚乙二醇,从小的5kDa到40kDa。此外,聚乙二醇化作用现在正被应用于一套更多样化的治疗药物,如适配体、多肽,甚至是小分子。因此,聚乙二醇化的治疗药物正在扩大许多生物技术公司的临床管道。
由于聚乙二醇化药物在临床中有很长的临床记录,聚乙二醇化将推动市场对低剂量、长效疗法的需求。对于给药频繁会阻碍患者依从性治疗的慢性疾病,这种需求特别必要。随着半衰期延长平台公司和生物技术公司之间的合作,可能会发现一些适应症中的长效疗法来满足这些需求。此外,将这些技术应用于FDA批准的药物上,可以延长该公司的重磅药物的竞争优势(即专利寿命)。
第三代聚乙二醇化疗法希望将目前较长寿药物的效力和循环半衰期之间的权衡最小化。一种技术是利用可释放的聚乙二醇偶联物作为前药方法,由Enzon制药公司首创。PEG偶联物和API之间的定制连接物可以可逆地将PEG偶联物与治疗分子结合,并在体内递送后将药物转化为其活性形式(如NKTR-102)。另一种方法是在蛋白质上创建可定制的聚乙二醇化位点,如Ambrx的ReCODE和EuCODE技术,以减少API的空间位阻。这两家公司都在与大型制药公司合作,使PK状况不佳的候选药物成为可能。下一代技术,就像我们开发的技术一样,引入了独特的聚乙二醇形状,具有高水动力半径,但减少了API活性位点的空间位阻。聚乙二醇的大小和形状,就像选择聚乙二醇化的位置一样,可以极大地影响母体分子的治疗效力,在药物开发过程中需要仔细的生物活性筛选。随着新技术的涌入,越来越多的监管机构要求通过分析来追踪和描述释放的聚乙二醇分子。
利用新的半衰期延长策略的治疗方法无疑将随着聚乙二醇化产品进入市场。然而,对于长效融合蛋白以及聚乙二醇化药物的免疫原性必须去风险。在病人的一生中,多次重复剂量会大大增加对“新的”融合蛋白的免疫反应的风险,即使它由可能不会单独构成风险的蛋白质组成。正如融合蛋白在体内可能有独特的作用一样,聚乙二醇化的药物也是如此。PEG的生物分布和积累是由它所结合的生物分子所指导的。除了改善需要长期研究的药代动力学参数外,长效治疗可能会在体内产生额外的效果。在接受某些PEG药物治疗(89%的痛风患者接受Krystexxa治疗)[7]或预先存在的(健康供体患病率高达25%)后,人类已经诱导了针对PEG的抗体的发展。PEG抗体的存在可能导致某些药物的快速清除,如[9];而在其他情况下,它对治疗没有损害。似乎PEG抗体的发展在很大程度上依赖于蛋白质本身,而不仅仅是PEG。因此,已批准的聚乙二醇化化合物的免疫原性应在药物的基础上长期仔细监测,在使用新药治疗前可能需要对患者进行预筛选。尽管高分子量聚乙二醇化药物可能提出了一些临床担忧,但动物模型和人类的现有安全性数据并不表明存在担忧。通过长期使用Cimzia和其他聚乙二醇化蛋白,可以观察到巨噬细胞中的空泡化。然而,巨噬细胞空泡化在动物模型中没有引起功能影响,在Cimzia的临床研究中也没有引起peg相关的不良反应。一般来说,聚乙二醇化药物的临床剂量远远低于聚乙二醇毒性所需的剂量。与新兴的非聚乙二醇化半衰期延长技术相比,聚乙二醇化在临床开发中具有明显的优势——其在人类中应用了20年,且已被证明具有安全性。其他半衰期延长技术在临床应用时间较长。药物的好处带有一些警告,不能绝对安全。
许多制药公司对聚乙二醇化产品的投资不断增长,说明了聚乙二醇化在未来药物开发中的潜在潜力。随着聚乙二醇化技术的不断发展,新的聚乙二醇化药物将解决对稳定、更持久的药物日益增长的需求。聚乙二醇化作用是临床中最成熟的半衰期延长平台;然而,它仍然是最先进和最新兴的平台之一。在未来20年,聚乙二醇化不仅将继续扩大生物制剂市场,还将扩大整个药物开发。
PEG化药物上市情况如下:
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