聚乙二醇（PEG）是一種被廣泛應用于蛋白質和多肽等生物聚合物進行共價修飾的高分子材料[1]。PEG化修飾（PEGylation）是將PEG共價結合在藥物上，以改善藥物的藥代動力學、藥效學和免疫學特性，從而增強其治療效果的一種藥物技術[2]。

PEG具有無毒、無免疫原性、無抗原性、水溶性好等優(yōu)點，是當今最常用的高分子材料之一。PEG化修飾會改變藥物的物理化學性質，包括構象、靜電結合、疏水性等。這些物理和化學變化增加了藥物的體內(nèi)保留時間，提高血漿半衰期，延長吸收時間，還能影響藥物與細胞受體的結合親和力，改善腫瘤靶向性。藥物經(jīng)PEG修飾后可減少給藥次數(shù)、提高療效、改善耐受性、降低嚴重程度和不良事件發(fā)生率[3]。同時PEG還可以增加蛋白質的溶解度和穩(wěn)定性，也有利于藥物的生產(chǎn)和儲存。因此PEG常被用作藥物傳遞和藥物修飾技術，可以直接與藥物偶聯(lián)，或附著在藥物表面一起封裝于納米材料里。

自20世紀90年代初以來，聚乙二醇化一直是臨床上最成熟的半衰期延長技術，30多年來已在人類身上證明了其安全性。PEG化藥物已被大多數(shù)國家/地區(qū)當局批準供人靜脈、口服和皮膚使用。目前，PEG化修飾可被用于修飾蛋白質、多肽、寡核苷酸、抗體片段、有機小分子和納米顆粒等。

PEG在早期研究中被認為是一種生物惰性材料，不具有免疫原性和抗原性。但最近一些報導顯示長期給藥會使PEG在組織內(nèi)富集，可能會導致潛在的組織毒性和不良反應[4-6]。小于400 Da的PEG鏈在體內(nèi)被醇脫氫酶代謝為有毒代謝物，如PEG在體內(nèi)能被代謝為相關酸類代謝物，可能引起危險的高鈣血癥和酸中毒[7]。游離的PEG和PEG化納米載體可以作為糖原蛋白和細胞色素P450酶抑制劑，從而改變修飾藥物的藥代動力學[8-12]。另外文獻[13]報道有識別和結合PEG的抗藥抗體，即抗PEG抗體（APA），包括既存的抗體和治療誘導的抗體。隨著越來越多的PEG化產(chǎn)品進入臨床，一些報道將抗PEG抗體的產(chǎn)生與治療效果的降低聯(lián)系起來，并且在反復給藥后，報告的不良反應有所增加。據(jù)報道[14]一項III期研究（NCT01848106）因發(fā)生嚴重不良事件（SAEs）而停止，經(jīng)歷SAEs的受試者都比其他受試者具有非常高的預存APA滴度。除了PEG化的蛋白質，聚乙二醇修飾的納米顆粒[15]，例如脂質體和膠束，也被報道在動物模型中可刺激產(chǎn)生APA。

因此，充分了解PEG和PEG化藥物的藥代動力學特點和生物分析，對評價其總體安全性和促進技術發(fā)展具有重要意義。然而，PEG化藥物的結構復雜、內(nèi)源性干擾明顯、分析方法有限，是PEG化藥物藥代動力學研究和生物分析的一大障礙。

本文綜述了PEG結構和PEG化藥物的分類、FDA批準的已上市藥物，并對PEG化蛋白藥物的藥代動力學特點、生物分析和免疫原性方法和技術進行簡述，討論了它們在生物基質中PEG化藥物定量分析和免疫原性分析中的優(yōu)點和局限性。

一、PEG修飾藥物的結構

PEG聚合物是由環(huán)氧乙烷聚合而成，可以構成線性或支鏈結構。線性PEG 的分子式為H-(O-CH2-CH2)n-OH，只有2 個末端可用于修飾新型偶聯(lián)藥物，因此載藥量較低。而支鏈結構在一個或多個端上具有官能團，如末端呈樹枝結構的支鏈PEG、叉狀PEG和多臂PEG等，從而實現(xiàn)多種共軛可能性，且大大增加了載藥量[16]。

圖1 代表性的PEG結構[17]

注：(A)線性PEG，具有兩個游離的羥基末端；(B)線性的單甲氧基- PEG（mPEG），一端的一個羥基轉化為甲氧基；(C)支鏈PEG，兩個線性mPEG與賴氨酸的氨基基團相連，其中Y代表連接劑。(D)叉狀PEG，在一個PEG鏈端或兩個鏈端提供多個近端反應基團，其中X代表官能團。(E)多臂PEG，攜帶多羥基或官能團，八臂PEG是以三羥甲基丙烷為核心。

PEG化藥物一般包括PEG、偶聯(lián)的藥物和/或連接劑（Linker）等部分組成。PEG化是通過各種偶聯(lián)的化學成份和/或Linker來優(yōu)化藥物的溶解性、免疫原性和生物功能[18]。PEG偶聯(lián)的多樣性來自于穩(wěn)定或可水解鍵的使用。

圖2 PEG修飾的主要結構[19]

PEG化技術在上世紀70年代便已出現(xiàn)，最開始采用琥珀酰亞胺琥珀酸酯（succinimidyl succinate，ss）作為Linker，后來逐漸演變出多種Linker。近年來，隨著研究和開發(fā)的不斷深入，出現(xiàn)了PEG雙官能團異端修飾藥物（heterobifunctional PEG ，X-PEG-Y）等新型PEG化藥物。

表1 PEG化技術變遷

注：SS：琥珀酰亞胺琥珀酸酯succinimidyl succinate）；SC：琥珀酰亞胺碳酸酯（succinimidyl carbonate）；NHS：N-羥基琥珀酰亞胺（N -hydroxy succinimide）；T-PEG：2-巰基噻唑啉-PEG（2-mercaptothiazoline-PEG）；UPEG：分支PEG。

二、PEG修飾藥物分類

PEG化修飾在藥物方面的應用主要為PEG化蛋白藥物、PEG化肽鏈型化合物、PEG化小分子藥物、PEG化脂質體等方面。

2.1 PEG化蛋白藥物（PEGylated protein drugs）

PEG化蛋白藥物的修飾途徑主要包括氨基修飾（包括N端氨基的酰基化修飾、賴氨酸側鏈氨基的酰基化修飾、N端氨基的烷基化修飾)、羧基修飾、巰基修飾等。國內(nèi)外PEG化蛋白藥物的研究主要集中在腺苷脫氨酶、天冬酰胺酶、干擾素、粒細胞集落刺激因子、白細胞介素等方面。PEG化的大分子藥物目前主要用于治療癌癥、慢性腎病、肝炎、多發(fā)性硬化癥、血友病和胃腸疾病[20]。

2.2 PEG化肽鏈型化合物（PEGylated peptide-based compounds）

多肽一般血漿半衰期短、口服生物利用度較低，這是由于體內(nèi)存在大量的肽酶及其排泄機制，使肽失活、清除。這種不穩(wěn)定性使得身體能夠快速調節(jié)激素水平以維持體內(nèi)平衡，但對許多治療研發(fā)來說很不利。另外口服多肽的生物利用度低是由于口腔中消化酶可以分解攝入蛋白質的酰胺鍵，也能有效地切斷肽激素的相同鍵，同時肽的高極性和大分子量也嚴重限制了腸通透性。用PEG對肽進行化學修飾，可以提高肽的多種理化性能和藥代動力學性能，且制造成本增加極小。PEG修飾對肽藥代動力學的影響具有潛在有益的生物分布變化，包括避免網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)（Reticuloendothelial System ，RES）清除，降低免疫原性，減少酶解和腎濾過損失。這些效應可以顯著增加肽在體內(nèi)的半衰期，間接改善生物利用度，但不會對肽與配體的結合和活性產(chǎn)生不利影響。PEG化肽鏈型化合物，如溝降鈣素、表皮生長因子，相比于母藥，其半衰期長，生物活性高。特別是在PEG的定點修飾中，肽化合物比蛋白質更容易獲得。在多肽化合物的PEG化研究中最常見應用的是mPEG。

2.3 PEG化小分子藥物（PEGylated small molecule drugs）

目前許多小分子，尤其是抗腫瘤藥物，可以采用PEG化技術進行修飾。PEG負載的小分子可以將其許多優(yōu)良性質轉移到偶聯(lián)物上，使聚合物具有良好的生物相容性。不僅可以改善其溶解性和生物分布，還可以通過改變藥物對酶和重要器官的暴露程度來減少其代謝和毒性。許多抗腫瘤藥物都是通過高分子量PEG修飾來實現(xiàn)對腫瘤組織的靶向給藥。伊立替康、喜樹堿、多柔比星、紫杉醇等小分子抗腫瘤藥經(jīng)PEG 修飾制備成前藥，其溶解性、體內(nèi)循環(huán)半衰期、不良反應等均得到較大改善，同時具有明顯的增強滲透和滯留效應，對腫瘤組織的靶向作用也有所提高。

盡管PEG化的蛋白質和多肽取得了顯著的成功，但PEG化小分子藥物的開發(fā)進展有限。這可能是由于天然藥物生物活性的喪失、化學偶聯(lián)和純化困難以及不良反應等問題。如PEG化喜樹堿[21]，Enzon制藥公司已于2005年依據(jù)2b期臨床試驗的數(shù)據(jù)，宣布停止進一步開發(fā)此藥物。臨床試驗結果顯示，與商業(yè)配方相比，該結合物具有高度耐受性，毒性顯著降低。然而，該結合物在體內(nèi)的快速水解導致了與天然藥物平行的毒性，導致該結合物的藥物開發(fā)失敗。

2.4 PEG化脂質體（PEGylated liposomes）

脂類是兩親分子，分子中有親水（hydrophilic）和疏水（hydrophobic）兩部分。當脂類與水接觸時，分子疏水段與溶劑的不利相互作用導致脂類的自組裝，通常以脂質體的形式出現(xiàn)。脂質體是由一個或多個同心脂質雙層膜形成的球形自封閉結構，其中心和雙層膜之間包裹著水相，由天然脂質或合成脂質組成。20世紀60年代，劍橋大學Babraham研究所的Alec D Bangham首次發(fā)現(xiàn)了脂質體，并提出了用脂質體作為藥物傳遞載體的想法。由于脂質體的大小、疏水和親水特性（除了生物相容性），脂質體是很有前途的藥物輸送系統(tǒng)，具有很多優(yōu)勢。脂質體可以通過改變藥物吸收、降低代謝、延長生物半衰期或降低毒性等手段來改善新藥或已上市藥物的治療指標。藥物分布主要由載體的性質來控制，而不再僅僅由原料藥的理化特性來控制。

圖3 膠束(左)、脂質體(中)和脂質雙分子層(右)的空間結構

脂質體也存在許多缺點，如生產(chǎn)成本高，包封藥物/分子時易滲漏和融合，磷脂有時會發(fā)生氧化和水解反應。脂質體最主要缺陷是快速被RES捕獲，導致半衰期短、溶解度低、穩(wěn)定期短。而PEG化脂質體（PEG化長循環(huán)脂質體，PEGylated long-circulating liposomes）可以解決這些問題。PEG化后，PEG鏈通過在脂質體表面建立一層親水保護膜使得脂質體表面的親水性增加，與單核吞噬細胞的親和力降低，從而逃避RES的識別，減少脂質體的捕獲，阻止脂質體與其他分子，如各種血清成分的相互作用，故又稱隱形脂質體（stealth liposomes）。該技術應用的一個著名例子是Doxil?，它是由美國Sequus公司開發(fā)的。它是美國FDA批準的首個脂質體藥物，也是首個納米藥物。

雖然PEG化脂質體具有許多優(yōu)點，但隨著研究的深入，PEG化脂質體也帶來了相應的問題。PEG鏈的空間位阻抑制靶細胞攝取脂質體，PEG干擾基因和蛋白藥物攜帶的pH敏感脂質體（pH-sensitive liposomes，PSL)的“核內(nèi)逃逸”，導致這些藥物在溶酶體中降解；另外在同一動物體內(nèi)反復注射PEG化脂質體可引起“血液清除加速”現(xiàn)象。這一系列的負面影響被稱為“PEG困境”?！癙EG困境”給PEG化脂質體的發(fā)展帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

2.5 其他應用

PEG化親和配體和輔因子用于雙水相分布系統(tǒng)中生物大分子和細胞的純化和分析。PEG化糖可作為新型藥物的材料和載體。PEG化寡核苷酸能提高溶解度、對核酸酶的抗性和細胞膜的通透性。PEG化生物材料可以減少血栓形成，減少蛋白質和細胞黏連。

三、已上市的PEG化藥物

美國Enzon制藥公司生產(chǎn)的Adagen是第一個PEG偶聯(lián)蛋白，于1990年3月獲得FDA批準進入市場。自ADAGEN問世以來，已有數(shù)十種PEG化藥物進入臨床，新的PEG化藥物不斷擴大臨床研究管線和藥物專利壽命。大量PEG化蛋白和多肽藥物一直保持著良好的發(fā)展勢頭，許多其他藥物也處于臨床試驗或開發(fā)階段。

表2 FDA批準的PEG化藥物[22-25]

注：含有多個單位PEG的藥物（單位數(shù)）×（每個PEG單位的MW），G-CSF：粒細胞集落刺激因子

四、PEG化藥物的優(yōu)勢

PEG對蛋白質作用主要體現(xiàn)在兩個方面：降低腎臟清除率和增強對蛋白降解的保護作用，兩者都降低了藥物的總清除率。因此PEG化蛋白藥物主要的優(yōu)勢即為延長半衰期。

圖4 PEG化的主要優(yōu)點：改善藥代動力學、藥理和毒理學性質[26]

4.1 改善藥效學特性，降低已知毒性

PEG使抗原決定簇暴露最小化，減少或阻止中和抗體的產(chǎn)生。降低抗原性和免疫原性，最大限度保留生物活性。

對于毒性與血漿峰值有關的藥物，通過皮下注射PEG化蛋白可以獲得較平坦的藥代動力學曲線。某些蛋白質藥物引起的免疫相關不良反應也可以通過PEG化而減少。

4.2 提高藥物穩(wěn)定性

在水溶液中，PEG通過氫鍵與水分子形成較厚的水化膜，這一水化膜與PEG的柔性鏈（the flexible chain）串聯(lián)可以抵抗蛋白質對底層表面的吸附，防止蛋白質聚集和沉淀。修飾PEG與脂類衍生物（?；?、醚、二硫鍵等）之間的連接鍵也可以增加脂質體的穩(wěn)定性。PEG的柔性鏈可以產(chǎn)生空間位阻效應，保護修飾物不受蛋白酶攻擊，增加修飾的穩(wěn)定性。PEG化還可以提高分子的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性。

圖5 PEG提供蛋白水解保護的機制模型[16]

注：上圖:血漿蛋白酶與PEG化蛋白的結合被高度水化PEG結構域破壞?？梢苿拥腜EG結構域產(chǎn)生不同的構型，減少了酶-底物相互作用和蛋白質裂解。下圖:對于靶向結合分子，更高的親和力增加了相互作用，易產(chǎn)生生物學效應。

4.3 改善藥物在體內(nèi)的分布，改善藥代動力學特性

經(jīng)PEG修飾后，藥物分子量增加，這大大降低了其全身給藥時的腎小球濾過作用，降低腎臟清除率，從而減少了經(jīng)尿排泄。同時逃避RES的清除機制，從而使體內(nèi)血漿半衰期顯著延長、增加藥物在體內(nèi)的釋放。此外，PEG化藥物改善了體循環(huán)的穩(wěn)定性，延長了滯留時間，有利于改善藥物在體內(nèi)的分布，特別是有利于大分子藥物在腫瘤和炎癥部位的積累。PEG化修飾可以通過減少皮下注射部位的損失，提高生物利用度。PEG化修飾改變藥物的體內(nèi)循環(huán)時間，使其免受蛋白水解或代謝的生物失活，因此還可以通過減少注射次數(shù)來減少劑量，提高患者的依從性。

圖6 PEG化蛋白或多肽及其增強藥代動力學和藥效學的潛在機制[26]

從下表中可以看出PEG化脂質體阿霉素的藥代動力學參數(shù)與游離阿霉素，傳統(tǒng)脂質體阿霉素的相比，血漿半衰期顯著延長。

表3 阿霉素制劑患者的藥代動力學參數(shù)（游離阿霉素，傳統(tǒng)脂質體阿霉素和PEG化脂質體阿霉素）

4.4 提高溶解度

PEG已被發(fā)現(xiàn)可溶于水和許多有機溶劑，如甲苯，二氯甲烷，乙醇和丙酮。該技術的一個應用是使用PEG修飾的抗體對目標分子或細胞進行相分離[27]。

另外，PEG化抗體片段可以濃縮到> 200 mg/mL，為制劑和給藥提供更多的選擇，如皮下給予高劑量蛋白質。這與許多其他治療性抗體的靜脈給藥形成對比。

五、PEG化藥物的藥代動力學

近年來，大分子偶聯(lián)PEG已成為改變多種藥物藥代動力學（PK）的有效策略，從而提高其治療潛力。但PEG修飾由于空間位阻干擾藥物-靶標結合相互作用而導致結合親和力的喪失。而藥物的藥效學（PD）特性是通過受體結合親和力或酶活性等參數(shù)在分子水平上進行測量。這種藥效的損失被藥物較長的循環(huán)半衰期所抵消，因此PEG的作用是改變藥效學和藥代動力學特性之間的平衡，通過全身暴露增加來補償結合親和力的降低[16]。而由此產(chǎn)生的PK-PD的變化在某些情況下使原本無法開發(fā)的藥物得以開發(fā)，在其他情況下使現(xiàn)有藥物得到改進。

PEG聚合物的關鍵特征包括PEG分子量（MW）、分支和末端基團的化學性質。PEG的修飾位點、PEG的大小、肽與PEG之間的連接等因素都會影響生物活性[28]。末端基團的大小和疏水性是決定結合親和力大小的關鍵。附著在聚合物上的蛋白質的動力學實質上受聚合物本身的動力學影響。因此，在評價特定的PEG-蛋白偶聯(lián)物之前，有必要對PEG和PEG蛋白偶聯(lián)物的血漿動力學和組織分布分別進行分析。

圖7 PEG聚合物的體內(nèi)藥代動力學特點[26]

5.1 吸收

PEG為兩親性物質，帶有可結合多個水分子的長鏈，體積較大，可能不易從胃腸道環(huán)境中進入血循環(huán)，所以被吸收的比例較少[29]。在局部給藥試驗中，PEG的透皮吸收率也取決于它們的分子量大小。低分子量PEG可以低程度地透過完整皮膚進入體內(nèi)，而分子量高于4000 Da的PEG只有在皮膚這道保護屏障受損時才可被機體吸收。分子量為2000的PEG被認為是可以通過細胞旁運輸或胞吞作用被上皮細胞膜吸收的臨界值。

在注射部位，肌肉注射和皮下注射后PEG-50在注射位置的保留時間比PEG-6長，表明PEG從肌肉注射和皮下注射部位的吸收是分子量依賴性的[30]。然而，對于腹腔注射，不同分子量的PEG在體內(nèi)的吸收情況則非常相似。不同分子量PEG藥時曲線的差異主要是與腎臟血管床的孔徑大小有關。

5.2 分布

PEG化可能會改變藥物的組織分布情況，這是由于它在修飾母藥引起的物理化學變化。PEG化藥物在某些組織部位的相對優(yōu)先分布可視為藥物靶向的基礎，而PEG分子量是決定靶向特性的重要因素。循環(huán)周期延長的大分子會在腫瘤組織處大量聚集。對于10 KDa或更大的PEG分子，腫瘤組織的相對攝取高于正常組織。藥物-PEG -脂質體聯(lián)合作用能顯著改變了母藥的生物分布，與體內(nèi)靶向腫瘤細胞的特異性結合。有研究[31]表明PEG包被的裝載阿霉素的脂質體在腫瘤部位分布顯著增加。此外，用于區(qū)域淋巴結成像診斷的PEG化納米微球與非PEG化對照組相比，分布情況發(fā)生了明顯改變，且增強了對靶向部位的定位。

圖8 比較125I-RGD and 125I-RGD-mPEG在攜帶U87MG膠質母細胞瘤的裸鼠中組織分布[32]。RGD：精氨酸-谷氨酸-天冬氨酸；mPEG分子量2 kDa。

5.3 代謝

PEG一般被認為是一種不可生物降解的聚合物，但有報道[33-35]明確表明，PEG可以被各種酶氧化降解，如醇脫氫酶、醛脫氫酶、細胞色素p450依賴氧化酶。PEG的I期代謝主要是由醇脫氫酶和醛脫氫酶介導的。分子量對PEG的I相代謝有重要影響。大約25%的劑量PEG 400在體內(nèi)代謝，但代謝隨著MW的增加而減少。分子量小于400的PEG可以通過乙醇脫氫酶在體內(nèi)轉化為有毒的代謝物，而用于藥物或制劑修飾的PEG分子量較大，很少被酶降解。

PEG化通過空間位阻效應屏蔽血漿酶和減少RES吞噬作用兩種機制對所附著藥物的代謝產(chǎn)生影響。因此藥物經(jīng)PEG修飾后，粒徑較大的PEG聚合物也可以被酶代謝，但生物轉化的速度明顯慢于系統(tǒng)消除。

另外PEG與藥物之間的連接鍵也在母體藥物的代謝中發(fā)揮作用，因為它們決定了母體藥物的釋放速率。

圖9 PEG與藥物之間不同的連接鍵（可釋放的PEG-藥物偶聯(lián)物通常被認為是大分子前藥，必須在體內(nèi)通過化學或酶作用轉化為它們的活性形式；將PEG永久附著在小分子上的策略需要使用低分子量的PEG。較大的聚乙二醇可能由于空間位阻的增加而導致母藥活性的喪失）[26]

5.4 排泄

PEG化可能導致母藥化合物的物理化學改變，這可能導致藥物清除過程的效率降低[31]。一般來說，治療性蛋白在循環(huán)中的壽命非常有限，這是由于體內(nèi)存在有效的消除機制，如蛋白質水解、特定細胞介導的蛋白質降解途徑以及被RES捕獲。

PEG的循環(huán)半衰期（t1/2）隨著分子量的增加而增加。例如，當分子量從6 kDa增加到50 kDa 時，t1/2從18分鐘增加到16.5小時。分子量在40 ~ 50 kDa的PEG可以延緩小分子的腎小球過濾。如靜脈注射IFN-α后系統(tǒng)清除率達到6.6–29.2 lit/hr，當偶聯(lián)到5 kDa的線性PEG時，系統(tǒng)清除率顯著降低至2.5-5 lit/hr。

蛋白質清除依賴于生理pH中的蛋白質凈離子電荷、其分子量以及細胞中負責蛋白質攝取的蛋白質特異性受體的存在。分子量小于20 kDa的PEG分子和PEG蛋白偶聯(lián)物可通過尿液被清除，而大分子量的PEG蛋白偶聯(lián)物通過尿液和糞便中被清除的速度較慢。隨著粘附在藥物上的PEG分子質量的增加，主要的消除途徑由腎途徑轉向肝途徑。

由于PEG易于消除，PEG在廣泛的劑量范圍內(nèi)均無顯著的毒性。PEG本身只在高劑量的非腸道途徑下產(chǎn)生毒性。當PEG劑量超過腎臟最大負荷時，腎臟是PEG攻擊的唯一靶器官。有報道[36]稱靜脈注射勞拉西泮（Ativan）的病人接受了累積劑量為240 g的PEG 400后出現(xiàn)了急性腎小管壞死。

六、PEG化藥物的生物分析

6.1 PK研究

研發(fā)和開展一種有效且安全的PEG-蛋白偶聯(lián)物需要在不同階段對PEG-蛋白偶聯(lián)物和PEG進行分析。來自臨床前和臨床研究的生物分析數(shù)據(jù)的質量完全依賴于具有選擇性、敏感性和可重復性的分析方法。為了在測定血清中PEG-蛋白偶聯(lián)物的藥時曲線，且靈敏度、特異性、重復性和準確性符合接受標準，需要一種通用且可檢測復雜生物樣品中偶聯(lián)物的分析方法。生物分析科學家必須通過正確的方法驗證來評估哪種方法最適合待測物。

鑒于PEG化藥物在體內(nèi)代謝酶或酸堿的作用下會釋放出游離藥物，同時監(jiān)測體內(nèi)PEG結合型藥物、游離型藥物、游離PEG的濃度實時變化對于PEG化藥物的藥效學和毒理學研究有著非常重要的實際意義[37]。

PEG化藥物可以采用比色法、酶聯(lián)免疫法（ELISA）、放射性核素標記法、NMR、液相色譜法、液質聯(lián)用（如LC-MS/MS、Q-TOF等）進行PK研究[38-39]。

比色法測定 PEG 化藥物對技術要求較高，而且需要經(jīng)常清洗比色皿和收集PEG 化藥物與雜多酸形成的沉淀，較為耗時[40]。放射性核素標記法由于標記不易且價格貴等原因限制其應用。NMR靈敏度差，且不適合復雜的生物基質，且NMR檢測的是總體的PEG的濃度，無法區(qū)分游離型和結合型。ELISA法為PEG化藥物的分析提供了一種快速、方便的技術，在某些情況下，這是其他方法難以實現(xiàn)的。但是PEG化藥物在體內(nèi)會經(jīng)歷一系列降解和代謝過程，ELISA法只能檢測活性藥物（與靶標結合），不能有效的對PEG化藥物、游離藥物分子及PEG基團、代謝產(chǎn)物進行區(qū)分，不適合復雜生物基質中PEG化藥物的分析。而液質聯(lián)用法可以檢測總循環(huán)藥物，為PEG化藥物分析提供了可能的解決方案，以其靈敏和分辨率的優(yōu)勢得到廣泛應用。但當使用液質聯(lián)用法對PEG化蛋白進行生物分析時，也應考慮到來自內(nèi)源性蛋白質的潛在干擾成分。

6.1.1 ELISA

ELISA是一種免疫化學分析技術，用于定量或定性檢測特定蛋白的存在?；诿嘎?lián)免疫法進行分析的儀器有酶標儀、MSD和Simoa。

將抗PEG抗體的抗原結合片段（Fab）表達于BALB/3T3細胞表面，用于捕獲PEG化的分子。捕獲的PEG和PEG化分子被隨后加入生物素化的AGP3抗體、鏈霉親和素結合辣根過氧化物酶（streptavidin-HRP）和ABTS底物定量。此方法對PEG和PEG偶聯(lián)藥物的檢測限為：PEG 2000為58.6 ng/mL, PEG 5000為14.6 ng/mL, PEG 10 kDa和PEG 20 kDa為3.7 ng/mL。

圖10 對PEG和PEG化分子的生物分析采用不同的ELISA策略:(I)敏感的RPEG細胞競爭ELISA；(II)用于定量PEG和PEG化分子的抗PEG細胞三明治酶聯(lián)免疫吸附試驗原理圖；(III)抗PEG-based夾心ELISA通用檢測PEG化干擾素的原理圖；(IV)膜栓抗PEG抗體的可變拓撲增強效應圖，用于定量PEG和PEG化分子的靈敏度。

6.1.2 液質聯(lián)用法

液質聯(lián)用法是一種快速發(fā)展的技術，已將生物分析提高到一個新的水平。液質聯(lián)用法可以獲得與免疫分析相似的靈敏度，且縮短了方法開發(fā)時間。由于其高靈敏度和選擇性，該技術近年來被應用于PEG及PEG化藥物的定量分析。

基于LC-MS /MS的多反應監(jiān)測（MRM）是一種靈敏、選擇性的掃描方式，常用于小分子藥物的LC-MS/MS生物分析。在MRM模式下，首先在Q1中選擇分析物的前體離子；所選離子將因此被碰撞誘導離解（CID）碎裂；在Q2再次選擇一個或多個特定碎片離子，并將其傳送到Q3檢測。

LC-MS/MS是小分子藥物的常用分析技術，近年來在大分子藥物生物分析方面取得了很大的進展。但未解離的PEG化蛋白一般超出了檢測范圍。解決這一問題可以將目標PEG化蛋白消化成低分子量肽。選擇一個高度特異性的肽片段作為整個PEG -蛋白綴合物定量的替代分析物。

圖11 基于LC-MS /MS的PEGs和PEG化藥物的生物分析。(I)LC-HRMS /MS原理圖，使用含二硫的肽作為替代分析物用于猴血清中PEG化蛋白的定量。(II)大鼠單次皮下注射ATI-1072后，40k PEG和ATI-1072在大鼠血漿(給藥后4、24和48 h)和組織（給藥后48 h）中的平均濃度。(III)采用LC-MSALL技術測定大鼠血漿中PEGs的示意圖。(IV)單次尾靜脈注射PEG化吉西他濱4 mg后大鼠血漿中吉西他濱和dFdU的平均濃度-時間譜（n = 4）

還有研究[37]采用碰撞誘導解離（CID）技術，建立了基于碰撞能量CE的CID In-Quadrupole的LC-Q/Q/TOF 串聯(lián)質譜方法，運用MSAll 和SWATH(Sequential Windowed Acquisition of All Theoretical Fragment Ion Mass Spectra)掃描模式，通過監(jiān)測PEG特異性和藥物特異性的碎片離子來完成PEG化藥物及游離PEG的分析，該方法重現(xiàn)性好，靈敏度高，高分辨率的碎片離子選擇能夠有效的消除干擾離子的影響，適合復雜生物基質中PEG及PEG化藥物的分析，為PEG化藥物的設計及安全性、有效性評價提供了強有力的分析工具。下表列出液質聯(lián)用定量PEG化藥物的實例。

表4 液質聯(lián)用方法定量PEG化藥物實例[39, 41-43]

6.2免疫原性

6.2.1 PEG免疫原性產(chǎn)生機制

對于PEG化的蛋白質和多肽，應密切關注其潛在的免疫原性和抗原性，這可能是由天然蛋白片段和偶聯(lián)物可變的分子量引起的。由于部分蛋白片段或外源物種的引入，PEG化可能導致新的表位形成。在這些抗藥抗體中，抗PEG IgG和IgM已被證明能引起藥物血液清除加速（ABC現(xiàn)象）和過敏反應（HSRs）導致的嚴重過敏癥狀，甚至出現(xiàn)致命的過敏反應。正確檢測抗PEG抗體（APA）可能預測PEG化藥物不良免疫反應，從而提高其有效性和安全性。

圖12 聚乙二醇脂質體誘導脾邊緣區(qū)IgM記憶B細胞產(chǎn)生免疫原性的分子機制[44]

（脂質體上的PEG與表達對PEG特異性的IgM記憶B細胞上的受體（BCR）結合。脂質體的大小和在其表面PEG的結構適合于2~3個特異性B細胞受體，并將它們交聯(lián)，從而觸發(fā)細胞內(nèi)信號級聯(lián)，導致PEG特異性B細胞的增殖并向漿細胞分化，產(chǎn)生并釋放特異性抗PEG IgM到血液中）

6.2.2 PEG免疫原性影響因素

聚乙二醇化藥物的免疫原性取決于聚合物及其修飾藥物的特性，比如PEG鏈結構和長度、末端基團、PEG化程度、Linker以及母藥的特性和患者因素等。

PEG鏈結構和長度：抗PEG抗體對PEG的骨干或末端基團都有特異性，兩者具有不同的結合特性。與骨干的結合親和力較低，結合的抗體數(shù)量受PEG長度的限制。

末端基團：由羥基PEG偶聯(lián)蛋白誘導的抗體對甲氧基PEG和羥基PEG有相似的親和力，而由甲氧基PEG偶聯(lián)蛋白誘導的抗體對甲氧基PEG的識別能力強于羥基PEG。在常用的PEG端基中，形成抗體的結合親和性按以下順序增加： 羥基(–OH) < 氨基(–NH3+) < 甲氧基(–O-CH3) < 丁氧基 (–O-(CH2)3)-CH3) < 叔丁氧基 (–O-(CH3)3) 。

PEG化程度：不同蛋白質或脂質體的PEG化程度是免疫原性的一個關鍵因素。蛋白質連接的PEG分子通常不超過3個，而脂質體則有更多的PEG結合位點。有研究[45]通過調整PEG分子量和偶聯(lián)度來探索影響免疫原性的潛在因素。在弗氏佐劑存在的情況下，游離PEG沒有或僅有非常弱的免疫原性，而PEG偶聯(lián)到大分子上后則在免疫動物中誘導產(chǎn)生顯著的抗PEG抗體。PEG對載體蛋白免疫原性的依賴進一步揭示了其半抗原特性。該研究還發(fā)現(xiàn)修飾的程度是決定PEG-蛋白結合免疫原性的關鍵因素。蛋白質上的PEG鏈越多，抗體反應就越弱，這可能是由于PEG鏈增多使抗原表位的掩蔽效果更好。

Linker：PEG與蛋白/載體之間的Linker可能影響PEG的免疫原性。注射PEG-天冬酰胺酶后，PEG-天冬酰胺酶之間的酰胺鍵和琥珀酸鍵均能誘導類似程度的抗PEG抗體[46]。除抗PEG抗體外，有文獻[47]報道在PEG-天冬酰胺酶高反應性患者中還觀察到抗琥珀酸連接劑抗體。

母藥的特性：如果PEG修飾的藥物是一種蛋白，其免疫原性主要通過T細胞依賴（TD）途徑進行，而該蛋白的固有免疫原性協(xié)同促進了PEG特異性抗體的分泌。如Takeda的Omontys?，修飾的蛋白本身具有免疫原性，但其PEG化制劑誘導的抗PEG免疫反應比非免疫原性蛋白結合的PEG強得多，這也是該藥物被召回的原因。

患者因素：給藥的途徑和時間、是否存在預先形成的抗體、患者的免疫狀態(tài)以及遺傳因素都影響PEG化藥物的免疫原性。Chang等人[48]發(fā)現(xiàn)了7個單核苷酸多態(tài)性（SNPs），其中最顯著的是定位于免疫球蛋白重鏈可變區(qū)基因的“rs12590237” ，這些多態(tài)性與中國普通人群中天然（已有的）抗PEG IgM的高患病率和濃度顯著相關。

6.2.3 PEG免疫原性分析方法

由于抗PEG抗體的產(chǎn)生可能降低PEG化藥物的療效和安全性，因此需要確定臨床相關的抗PEG抗體滴度，以控制患者暴露于PEG化藥物后的不良反應風險。

最早應用的檢測方法即凝血試驗。該方法快速、簡單，但靈敏度較低。為了提高靈敏度，可以采用Western blot、聲膜微粒子技術（AMMP）、酶免疫吸附法（ELISA）和流式細胞術等方法，通過酶反應或熒光對信號進行放大。然而，這些技術通常不是絕對定量的，并且檢測限取決于實驗條件。表面等離子體共振技術（SPR）具有超靈敏、定量、快速的優(yōu)點，但由于需要特殊而昂貴的儀器和試劑，這種方法并不常用。

下表中列出多種可用于分析PEG的免疫原性的技術，它們的主要特點已按靈敏度增加的順序列出。

表5 各種PEG免疫原性分析方法的特點

ELISA由于具有較高的靈敏度和半定量抗體水平的能力，是目前應用最廣泛的抗PEG抗體檢測技術。在直接抗PEG ELISA法中，通過酶偶聯(lián)的宿主IgG或IgM特異性抗體識別血清或血漿中的PEG特異性抗體，并與PEG包被的表面結合，產(chǎn)生顏色反應。在橋聯(lián)免疫原性ELISA方法中，PEG特異性結合抗PEG抗體是通過結合抗原檢測，而不是抗宿主IgG或IgM[49]。由于抗PEG抗體的雙價或多價性，這些抗體被夾在兩層PEG抗原之間。第一個抗原包被在表面用于捕獲，第二個通常是生物素化抗原，與樣品一起預孵育，最終通過鏈霉親和素-酶結合物進行檢測。當檢測嵌合的、人源化的或全人源的單克隆抗體類藥物的免疫原性時，橋式ELISA比直接ELISA的優(yōu)勢更明顯，因為直接法不能排除結合的抗人IgG或IgM與板結合抗體藥物的交叉反應性。但對于抗PEG抗體不存在此類情況，橋聯(lián)法涉及更多的步驟，直接ELISA法更有優(yōu)勢?？筆EG酶聯(lián)免疫吸附法的一個主要局限性在于，由于抗體對不同PEG化制劑在體內(nèi)和體外試驗系統(tǒng)的反應能力可能存在差異，因此其在體內(nèi)條件下的有效性值得懷疑。

七、結語

PEG作為生物偶聯(lián)聚合物在藥物治療中的應用日益廣泛。PEG化藥物在近年來取得了長足的進展，隨著生物治療領域的擴大，PEG化藥物的出現(xiàn)有望繼續(xù)加速。目前PEG化修飾已廣泛應用于改善治療藥物的藥動學性質，相信在不遠的未來，隨著修飾技術的不斷完善，會有越來越多優(yōu)秀的PEG化藥物出現(xiàn)，為患者提供更多更好的治療選擇。全面了解PEG修飾藥物的藥代動力學、生物分析，對于設計更高效、靶向性更好的PEG化藥物和更好地控制不良反應具有重要意義。

 

參考文獻

[1]. Zhang Z, Zhang Y, Song S, et al. Recent advances in the bioanalytical methods of polyethylene glycols and PEGylated pharmaceuticals[J]. Journal of Separation Science, 2020, 43(9-10): 1978-1997.

[2]. Kang, Jung & Deluca, Patrick & Lee, Kang.. Emerging PEGylated drugs[J]. Expert opinion on emerging drugs. 2009(14). 363-80.

[3]. Becker, R., Dembek, C., White, L. A., & Garrison, L. P. The cost offsets and cost–effectiveness associated with pegylated drugs: a review of the literature[J]. Expert Review of Pharmacoeconomics & Outcomes Research, 2012, 12(6), 775–793.

[4]. Longley, C. B., Zhao, H., Lozanguiez, Y. L., Conover, C. D., Biodistribution and excretion of radiolabeled 40 kDa polyethylene glycol following intravenous administration in mice[J]. Pharm. Sci. 2013, 102, 2362–2370.

[5]. Hu, X., Olivier, K., Polack, E., et al. In vivo pharmacology and toxicology evaluation of polyethylene glycol-conjugated interferon beta-1a[J]. Pharmacol. Exp. Ther. 2011, 338, 984–996.

[6]. Sari Gokay, S., Celik, T., Yusuf Sari, M., et al. Urticaria as a rare side effect of polyethylene glycol-3350 in a child: case report[J]. Acta. Clin. Croat. 2018, 57, 187–189.

[7]. Webster, R., Didier, E., Harris, P., et al. PEGylated proteins: evaluation of their safety in the absence of definitive metabolism studies [J]. Drug. Metab. Dispos. 2007, 35, 9–16.

[8]. Johnson, B. M., Charman, W. N., Porter, C. J., An in vitro examination of the impact of polyethylene glycol 400, Pluronic P85, and vitamin E d-alpha-tocopheryl polyethylene glycol 1000 succinate on P-glycoprotein efflux and enterocyte-based metabolism in excised rat intestine[J]. AAPS. Pharm. Sci. 2002, 4, E40.

[9]. Buda, G., Ricci, D., Huang, C. C., et al. Polymorphisms in the multiple drug resistance protein 1 and in P-glycoprotein 1 are associated with time to event outcomes in patients with advanced multiple myeloma treated with bortezomib and pegylated liposomal doxorubicin[J]. Ann. Hematol. 2010, 89, 1133–1140.

[10]. Hugger, E. D., Novak, B. L., Burton, P. S., et al. A comparison of commonly used polyethoxylated pharmaceutical excipients on their ability to inhibit P-glycoprotein activity in vitro[J]. Pharm. Sci. 2002, 91, 1991–2002.

[11]. Shen, Q., Lin, Y., Handa, T., et al. Modulavtion of intestinal Pglycoprotein function by polyethylene glycols and their derivatives by in vitro transport and in situ absorption studies. Int[J]. Pharm. 2006, 313, 49–56.

[12]. Shah, D., Paruchury, S., Matta, M., et al. A systematic evaluation of solubility enhancing excipients to enable the generation of permeability data for poorly soluble compounds in Caco-2 model [J]. Drug. Metab. Lett. 2014, 8, 109–118.

[13]. McSweeney MD, Wessler T, Price LSL, et al. A minimal physiologically based pharmacokinetic model that predicts anti-PEG IgG-mediated clearance of PEGylated drugs in human and mouse [J]. Control Release. 2018;284:171-178.

[14]. Povsic TJ, Lawrence MG, Lincoff AM, et al. Pre-existing anti-PEG antibodies are associated with severe immediate allergic reactions to pegnivacogin, a PEGylated aptamer[J]. Allergy Clin Immunol. 2016 Dec; 138(6):1712-1715.

[15]. Shimizu T, Mima Y, Hashimoto Y, et al. Anti-PEG IgM and complement system are required for the association of second doses of PEGylated liposomes with splenic marginal zone B cells[J]. Immunobiology. 2015;220:1151–1160.

[16]. Fishburn, C. S. The Pharmacology of PEGylation: Balancing PD with PK to Generate Novel Therapeutics[J]. Journal of Pharmaceutical Sciences, 2008, 97(10), 4167–4183.

[17]. Bailon, P., & Won, C.-Y. PEG-modified biopharmaceuticals [J]. Expert Opinion on Drug Delivery, 2009.6(1), 1–16.

[18]. G.E. Francis, D. Fisher, C. Delgado, et al. PEGylation of cytokines and other therapeutic proteins and peptides: the importance of biological optimisation of coupling techniques[J]. Int. J. Hematol., 1998 (68), pp. 1-18.

[19]. Bailon, P., & Won, C.-Y. PEG-modified biopharmaceuticals. Expert Opinion on Drug Delivery, 2009, 6(1), 1–16.

[20]. https://www.biochempeg.com/article/70.html.

[21]. 來源于https://drugs.ncats.io/drug/ZY7ZTE7LFH

[22]. Magdalena Swierczewska, Kang Choon Lee & Seulki Lee. What is the future of PEGylated therapies?[J], Expert Opinion on Emerging Drugs, 2015, 20:4, 531-536, DOI: 10.1517/14728214.2015.1113254

[23]. Gergely Tibor Kozma, Taro Shimizu, Tatsuhiro Ishida, Janos Szebeni, Anti-PEG antibodies: Properties, formation, testing and role in adverse immune reactions to PEGylated nano-biopharmaceuticals[J].Advanced Drug Delivery Reviews, 2020, Volumes 154–155: 163-175, https://doi.org/10.1016/j.addr.2020.07.024. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169409X20301083)后面有

[24]. https://www.biochempeg.com/article/58.html

[25] .FDA官網(wǎng).

[26]. Zhang, X., Wang, H., Ma, Z., & Wu, B.. Effects of pharmaceutical PEGylation on drug metabolism and its clinical concerns[J]. Expert Opinion on Drug Metabolism & Toxicology, 2014, 10(12), 1691–1702.

[27]. Chapman, A. P.. PEGylated antibodies and antibody fragments for improved therapy: a review[J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 2002, 54(4), 531–545.

[28]. Na, Dong Hee & Lee, Kang & Deluca, Patrick.. PEGylation of Octreotide: II. Effect of N-terminal Mono-PEGylation on Biological Activity and Pharmacokinetics[J]. Pharmaceutical research. 2005, 22. 743-9. 10.1007/s11095-005-2590-y.

[29]. 周曉彤. 聚乙二醇飛行時間質譜分析方法及其臨床前藥代動力學研究[D]. 顧景凱. 吉林大學, 2016.

[30]. Mehvar, Reza. Modulation of the pharmacokinetics and pharmacodynamics of proteins by polyethylene glycol conjugation [J ]. Pharm Pharm Sci, 2000, 3.1: 125-136.

[31]. Hamidi M, Azadi A, Rafiei P. Pharmacokinetic consequences of pegylation[J]. Drug delivery, 2006, 13(6): 399-409.

[32]. Chen, X., Park, R., Shahinian, A. H., et al. Pharmacokinetics and tumor retention of 125I-labeled RGD peptide are improved by PEGylation[J]. Nuclear Medicine and Biology, 2004, 31(1), 11–19. doi:10.1016/j.nucmedbio.2003.07.003.

[33]. Kawai, F., Microbial degradation of polyethers[J]. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2002, 58, 30-38.

[34]. Mehvar, R., Modulation of the pharmacokinetics and pharmacodynamics of proteins by polyethylene glycol conjugation[J]. Pharm. Pharm. Sci. 2000, 3, 125-136.

[35]. Beranova, M., Wasserbauer, R., Vancurova, D., Stifter, M. et al., Effect of cytochrome P-450 inhibition and stimulation on intensity of polyethylene degradation in microsomal fraction of mouse and rat livers[J]. Biomaterials 1990, 11, 521-524.

[36]. Laine GA, Hossain SM, Solis RT, et al. Polyethylene glycol nephrotoxicity secondary to prolonged high-dose intravenous lorazepam[J]. Ann Pharmacother 1995;29:1110-14.

[37]. 尹磊,周曉彤,顧景凱. PEG化抗腫瘤藥物的體內(nèi)精準質譜分析方法研究[A]. 中國藥學會.2016年中國藥學大會暨第十六屆中國藥師周論文集[C].中國藥學會:中國藥學會,2016:2.

[38]. Markman J L , Rekechenetskiy A , Holler E , et al. Nanomedicine therapeutic approaches to overcome cancer drug resistance.[J]. Advanced Drug Delivery Reviews, 2013, 65(13-14):1866-1879.

[39]. Jiachang Gong, Xiaomei Gu, William E, et al., Quantitative Analysis of Polyethylene Glycol (PEG) and PEGylated Proteins in Animal Tissues by LC-MS/MS Coupled with In-Source CID[J]. Analytical Chemistry, 2014, 86, 7642?7649.

[40]. 孫和平. PEG化紫杉醇的納米藥代動力學研究[D]. 顧景凱. 吉林大學. 2017.

[41]. Sun H , Zhang Q , Zhang Z , et al. Simultaneous quantitative analysis of polyethylene glycol (PEG), PEGylated paclitaxel and paclitaxel in rats by MS/MSALL, technique with hybrid quadrupole time-of-flight mass spectrometry[J]. Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2017, 145:255-261.

[42]. Yin L , Su C , Ren T , et al. MSAll strategy for comprehensive quantitative analysis of PEGylated-doxorubicin, PEG and doxorubicin by LC-high resolution q-q-TOF mass spectrometry coupled with all window acquisition of all fragment ion spectra[J]. The Analyst, 2017:10.1039.C7AN00470B.

[43]. Li H , Rose M J , Holder J R , et al. Direct Quantitative Analysis of a 20 kDa PEGylated Human Calcitonin Gene Peptide Antagonist in Cynomolgus Monkey Serum Using In-Source CID and UPLC-MS/MS[J]. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 2011, 22(9):1660-1667.

[44]. Kozma, G., Shimizu, T., Ishida, T., & Szebeni, J.. Anti-PEG antibodies: Properties, formation and role in adverse immune reactions to PEGylated nano-biopharmaceuticals[J]. Advanced Drug Delivery Reviews. doi:10.1016/j.addr.2020.07.024.

[45]. Zhang P, Sun F, Liu S, et al. Anti-PEG antibodies in the clinic: Current issues and beyond PEGylation[J]. J Control Release. 2016;244(Pt B):184-193. doi:10.1016/j.jconrel.2016.06.040.

[46]. S.M. Poppenborg, J. Wittmann, W. Walther, et al.Impact of anti-PEG IgM antibodies on the pharmacokinetics of pegylated asparaginase preparations in mice[J]. Eur. J. Pharm. Sci., 91 (2016), pp. 122-130.

[47]. R. Kloos, I.M. van der Sluis, E. Mastrobattista, et al.Acute lymphoblastic leukaemia patients treated with PEGasparaginase develop antibodies to PEG and the succinate linker[J].

Br. J. Haematol., 189 (2020), pp. 442-451.

[48]. C.J. Chang, C.H. Chen, B.M. Chen, et al. A genome-wide association study identifies a novel susceptibility locus for the immunogenicity of polyethylene glycol[J].Nat. Commun., 8 (2017), p. 522.

[49]. Y. Liu, H. Reidler, J. Pan, et al. A double antigen bridging immunogenicity ELISA for the detection of antibodies to polyethylene glycol polymers[J]. J. Pharmacol. Toxicol. Methods, 64 (2011), pp. 238-245.

 

原文鏈接：https://med.sina.com/article_detail_103_2_101391.html