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用于生物偶联疗法BioDesign™ dPEG® Linker连接平台

更新时间:2024-05-22   点击次数:104次

Vector Laboratories|用于生物偶联疗法BioDesign™ dPEG®Linker连接平台

 

术语dPEG®代表“离散PEG(discrete PEG)",这是一种均一的、单分子量(MW)、高纯度的新一代聚乙二醇聚合物。Vector Laboratorie采用其受专-利保护的专有生产工艺,可生产提供适合于各种应用场景,具有特定分子量、活性基团、功能分子和架构(如图1和图2所示)dPEG。PEG分子本身具有惰性、无毒性、水溶性和生物相容性,这些特性与dPEG的上述所提及的特征相结合时,它将成为设计、优化与开发生物偶联疗法的强有力工具[1][2]。

 

Vector Labs可提供的dPEG产品种类

基于dPEG的系列产品

◆ 用于偶联生物制品、有效载荷、载体和表面的Homo-、hetero-和多功能交联剂。

◆ 各类反应基团种类繁多,可用于偶联反应的基团,包括点击化学(click chemistry),生物正交(biorthogonal),位点特异性(site-specific),酶催化(enzymatic)和随机方法(stochastic approaches)。

◆ 柔性Linker架构设计的构建模块和中间体。

◆ 具有各种规格、结构和加帽的化学修饰试剂。

◆ 用于聚合物和脂质纳米颗粒的嵌段共聚物。

◆ 亲和标签,如生物素、脂质和半抗原等

◆ 高亲水性的荧光基团

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图 1:dPEG® 产品的功能基团、反应基团、标记基团和保护基团示例。

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图2:dPEG®产品的可用架构。支链dPEG®产品可以有3个或9个分支。Sidewinder™产品是一类新的dPEG®结构,可通过多种新方式将dPEG®应用于诊断和治疗行业。BodyArmor®产品结构类似于Sidewinder,但其包括额外的正交dPEG®链。

 

dPEG与传统PEG的比较

传统的PEG(聚乙二醇)具有较大的分子量,并具有分散性。其在药物开发中的首-次临床应用是对蛋白质、肽和酶(Oncaspar、Adagen、Peg-Intron等)进行PEG化,以改善其药物代谢和药代动力学 (DMPK) 特性。 这种通过共价连接PEG来改变药物理化(PC)或 DMPK特性的方法目前已用于多种治疗方式,包括抗体片段、肽、小分子、寡核苷酸和纳米颗粒等。

 

Vector Laboratories的dPEG或均一PEG(均质PEG)可用于进一步优化药物理化和治疗药物的吸附、分布、代谢、消除和毒性(ADMET)特性,以达到靶向性、溶解性和稳定性的要求。表1列举了dPEG与传统PEG 相比的一些优势。

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表1:传统PEG和dPEG的区别。

 

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Fig1  传统PEG和 dPEG®(Vectorlabs)质谱图比较

 

dPEG的广泛应用

由于其独-特的生物相容性、一致性和可设计性,dPEG可在各种应用中提供良好的性能,主要包括以下方面:

◆ 作为偶联物的Linker,如抗体药物偶联物(ADCs)、片段药物偶联物(FDCs)、蛋白质药物偶联物(PDCs)、小分子药物偶联物(SMDCs)、寡核苷酸偶联物(OCs)和药物传递系统(DDS),没有烷基linker的疏水性和多分散linker的不确定性(见表2)。

◆ 间隔剂和空间修饰试剂(Spacers and spatial modifiers),以高度的灵活性探索和优化临近效应(proximity effects)。

◆ 表面调节剂用于改变小分子、寡核苷酸、多肽、蛋白质、抗体、聚合物、树状大分子、脂质纳米颗粒和无机表面/纳米颗粒的大小、形状、电荷、疏水性、渗透性等

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表2:不同交联剂类型的比较

 

dPEG与传统PEG以及其他烷基交联剂产品的优势。

作为Linker的dPEG

研究证明,通过交联剂将不同物质结合在一起的能力已被证明是诊断和药物输送系统中非常有用的一项技术。由多分散PEG组成的交联剂已被用于制备多种多聚物以及将靶向配体偶联到纳米颗粒上。这通常用于需要非常大的尺寸以提供良好的DMPK性能并且受多分散性影响较小。然而,一些特性,如靶结合或细胞内化,可能会受到大尺寸的不利影响,进而对PEG链长度变化的治疗敏感性也会有所差异。但是,更小的均一dPEG则可以解决这些难题。由小烷基组成的传统交联剂(如SPDP, SIAB, SMCC, EMCS等)多年来也一直是用于生物偶联的支柱,但随着共轭设计变得更加复杂,它们固有的疏水性也导致其应用受到限制。例如,当多个实体分子共轭在一起或进行接近性分析时,连接剂成分对克服固有的疏水性至关重要。虽然有几种烷基连接剂能够以磺化形式存在,可以提高较小的连接剂的水溶性,但它们在较大结构中的应用中仍然存在问题。此外,多种带负电荷的磺酸盐也可能会导致非特异性相互作用。

 

dPEG产品将烷基连接物的精确性以及PEG的生物相容性结合在一起,没有任何疏水缺陷,具有高度的灵活性,并且其拥有多种独-特的结构来确定结构-功能关系并优化偶联性质。在下面的例子中,Vector Laboratories展示了dPEG linker的独-特优势。

 

【小分子偶联物(Small molecule conjugates)

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有研究证明了使用dPEG将小分子与诊断显像剂连接起来的优势。例如,当用2 kDa PEG、1 kDa PEG或dPEG24交联剂制备荧光素标记的叶酸二聚体时,具有dPEG24交联的二聚体表现出最高的细胞摄取量。在另一项关于多肽多聚体的研究中,PCMA靶向配体的两种二聚体通过两种均一的PEG4 linker与DOTA结合,提供了一种四聚体,比二聚体和单体结合物具有更好的药代动力学特点(PK)和肿瘤靶向性。

  

多肽偶联物(Peptide Conjugates)

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研究表明,dPEG间隔剂(dPEG spacers)可以改善多肽药物偶联物的性能。例如,可以通过使用dPEG4间隔剂提高RGD-隐霉素偶联物的溶解度。此外,dPEG4还可以促进RGD-Glu-MMAE偶联物的有效载荷释放。

 

寡核苷酸偶联物(Oligo Conjugates)

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目前,寡核苷酸药物的递送是限制其应用的主要障碍之一。因此,科研工作者们研发设计了多种基于PEG交联剂的提送系统用于寡核苷酸偶联物的递送,包括抗体偶联物,肽偶联物和脂质偶联物。例如,有多种脂质-寡核苷酸偶联物(lipid-ON conjugates),包括线性和SideWinder®型dPEG4间隔剂,可用于调节药代动力学表现和跨膜递送。

 

降解物和降解物偶联物(Degraders and Degrader Conjugates)

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邻近诱导降解(Proximity-induced degradation)是一种很有前景的新方法,可用于对无法药物治疗的靶点进行药物治疗的研究,且PROTACs是较受欢迎的降解物之一。连接酶和目标蛋白的配体之间的连接物通常是烷基linker或短而均一的PEG4 linker,它们在PROTAC的开发中起着关键作用。通过优化dPEG的长度可以实现高效的降解,并且一些基于dPEG的linker有助于设计“可点击"的PROTAC,从而更快地优化配体组合。

 

片段偶联物(Fragment Conjugates)

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目前,正在研发中的片段偶联物有望克服与抗体大尺寸相关的研究难点,例如抗体药物扩散性和肿瘤组织穿透力差等。由于抗体片段的尺寸较小,连接体linker的特性可以在修饰偶联物的性质方面发挥更大的作用。例如,使用不同长度的dPEG间隔剂将靶向双特异性抗体的TAG72与DOTA进行交联。dPEG48间隔剂能够增加双特异性抗体的流体力学体积,从而减少肾脏清除率,提高肿瘤摄取。其中dPEG48间隔剂提供最高的肿瘤/肾脏比率。Vector Labs的SideWinder®交联剂也被证明对diabody-TCO-MMAE偶联物有益,其中较小体积的生物制剂需要正交PEG修饰剂来防止TCO触发物在体内失活。

 

抗体偶联物(Antibody Conjugates)

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抗体偶联药物(ADC)利用dPEG间隔剂的特性来抵消疏水性有效载荷的不利影响,并改善PC、PK、BD和毒性。虽然线性dPEG交联剂提供了疏水性降低的有效载荷(例如,特西林),但类Sidewinder™的交联剂已被证明可以增加肿瘤摄取,减少脱靶摄取,并提高ADC对各种有效载荷的耐受性。此外,有研究证实,类BodyArmor™ linker还可以提供额外的结构变量,用于控制有效载荷保护和酶介导的有效载荷释放。

 

纳米颗粒偶联物(NP Conjugates)

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纳米颗粒通常通过被动靶向改善药物递送,目前正在探索通过连接靶向目标实现主动靶向。传统而言,这一方法是通过多分散的PEG交联剂实现的,但抗原结合和细胞内化都受到PEG涂层和交联剂中EO单位数量的影响。在一项关于靶向胶束和脂质体的研究中发现,使用不同长度的dPEG交联剂连接整合素或HER2靶向肽,细胞内化取决于dPEG长度、靶向抗原和纳米颗粒的类型。只有dPEG才能优化具有这种粒度的靶向纳米颗粒的的性能。

 

共价连接dPEG可作为PC和ADMET性能改良剂

抗体片段(Antibody fragments)

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工程抗体片段的 PEG 化通常使用较大的多分散 PEG(Cimzia、Dapirolizumab Pegol 等)来延长小分子量蛋白的半衰期。最近,Genentech公司的研究人员注意到,将多种Fab偶联物与16 kDa的支链dPEG(QBD-11487)偶联后,其流体力学半径约为5 nm,超过了公-认的肾脏过滤尺寸临界值。另外,Astra Zeneca 公司的研究人员制备了一组双特异性抗体偶联物,并注意到通过与较小支链的 5 kDa dPEG(如 QBD-11471)偶联,双特异性抗体的尺寸可从 2.9 nm 增加到 3.3 nm。虽然该偶联物仍表现出明显的肾脏积聚,但药物的半衰期T½相对于原Fab药物增加了7.5倍,而且在肺、脾和皮肤中的组织/肿瘤比率相对于含有较大多分散PEG偶联物更为有利。

 

肽(Peptides)

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将肽PEG化或将PEG共价连接到肽上,仍然是改善肽的DMPK特性的一种很有吸引力的方法。目前处于临床试验阶段的肽-PEG偶联物包括艾塞那肽、肾上腺髓质素和培莫沙肽(exenatide, adrenomedullin, and sihematide)。将较小的均一PEG(如dPEG)共价连接到肽上,以改变其物理化学性质和ADMET特征,最近取得了更多成功。例如,临床前研究表明,dPEG24 (QBD-11304)与甘丙肽和NPY肽结合可防止它们穿过血脑屏障 (BBB),从而使中枢和外周作用分离,同时促进镇痛活性。将dPEG24加入Zilucoplan的结构中[3]也被证明具有良好的PC和DMPK特性,该疗法最近获得FDA批准,用于治疗成人患者的重症肌无力(gMG)。

 

小分子(Small molecules)

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早期的临床前研究一般采用大PEG作为载体,以延长小分子的半衰期,改善疏水性小分子的水溶性,并通过被动储存来改善肿瘤靶向性。将小dPEG与小分子偶联以改善 PC 性能或体内性能的成功案例数不胜数。例如,于2014年获批的,Movantik,其使用一种小而均匀的PEG7偶联μ-阿片样物质拮抗剂(μ-opioid antagonist)来防止穿过血脑屏障,以促进治疗阿片诱导的便秘(OIC),且无中枢神经系统活性。

 

寡核苷酸(Oligonucleotides (ONs)

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虽然核苷或磷酸骨架的化学衍生化解决了治疗性寡核苷酸的许多潜在问题,但包括反义核酸、转义核酸、siRNA和miRNA在内的各种核酸都被PEG化了。研究发现,短dPEG12能够与siRNA的有义链或反义链偶联,并且对mRNA敲除没有不利影响;短 dPEG12 与磷酸二酯和硫代磷酸酯反义制剂连接,对基因沉默能力也没有不利影响。因此,小 dPEG(small dPEGs) 可增强寡核苷酸的化学衍生作用。

 

纳米颗粒(NPs)和药物输送系统(Nanoparticles (NPs) and Drug Delivery Systems)

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纳米颗粒有多种形式,包括树状大分子聚合物、聚合纳米颗粒、脂质纳米颗粒和无机颗粒。虽然它们都有特定的考虑因素,但纳米颗粒表面的PEG化已被证明对大多数形式有益。其PEG化可以避开免疫系统的识别和清除,并减少血清蛋白的非特异性吸附。目前已经有几种PEG化纳米颗粒在临床得到使用(Spikevax、Comirnaty等)。另外,还有更多的PEG化纳米颗粒正处于临床试验阶段(如Promitil、ThermoDox等),所有这些都使用2kDa的PEG。虽然这通常是多分散PEG的领域,但也有采用这种截留分子量的dPEG产品。并且大量研究表明,包括PEG长度在内的变量可能有利于血清蛋白的吸附、通过粘液和细胞外基质的运输,以及加速血浆清除过程。

 

dPEG在化学和生物学的十字路口

总而言之,dPEG技术是众多生物偶联疗法和临床诊断分析的基础。众多研究已经展示了基于dPEG linker的实用性,并阐述了这种交联剂*的靶标特异性,其能够改善肿瘤摄取并具有更低的毒性。使用dPEG作为连接剂(linker)、改性剂、嵌段共聚物或功能标签的优势在于它的离散性,这是传统PEG所不具备的。

 

Vector Laboratories拥有深厚的技术专长和制造能力,可以帮助您设计和开发独-特的基于dPEG的产品,以便将其运用到您的偶联方案中。通过BioDesign服务,我们可以为您提供个性化的专家指导咨询,将您的生物偶联疗法提升到一个新的水平。

 

文献引用

① Jinming Hu., Shiyong Liu., et al. (2022). Emerging trends of discrete Poly(ethylene glycol) in biomedical applications. Curr Opin Biomed Eng, V. 24(100419), 2468-4511.

② Quiles S., Raisch K.P., Sanford L.L., Bonner J.A., Safavy A., et al. (2010). Synthesis and preliminary biological evaluation of high-drug-load paclitaxel-antibody conjugates for tumor-targeted chemotherapy. J. Med. Chem., 53(2), 586-94.

③ Giese M.W., Woodman R.H., Hermanson G.T., Davis P.D., et al. (2021). Chapter 9: The Use of Uniform PEG Compounds in the Design of ADCs. The Royal Society of Chemistry, ch. 9, 286-376. [The Royal Society of Chemistry]

④ Tiberghien A.C., Levy J.N., Masterson L.A., Patel N.V., Adams L.R., Corbett S., Williams D.G., Hartley J.A., Howard P.W., et al. (2016). Design and Synthesis of Tesirine, a Clinical Antibody-Drug Conjugate Pyrrolobenzodiazepine Dimer Payload. ACS Med Chem Lett., 7(11), 983-987. [PubMed]

 Giese M., Davis P.D., Woodman R.H., Hermanson G., Pokora A., Vermillion M. et al. (2021). Linker Architectures as Steric Auxiliaries for Altering Enzyme-Mediated Payload Release from Bioconjugates. Bioconjugate Chemistry, 32(10), 2257-2267. [ACSPub]

⑥ Tang G. Q., Tang Y., Dhamnaskar K., Hoarty M.D., Vyasamneni R., Vadysirisack D.D., Ma Z, Zhu N., Wang J.G., Bu C., Cong B., Palmer E., Duda P.W., Sayegh C., Ricardo A., et al. (2023). Zilucoplan, a macrocyclic peptide inhibitor of human complement component 5, ⑦ uses a dual mode of action to prevent terminal complement pathway activation. Front Immunol., 14, 1213920. [PubMed]

 

品牌简介

Vector Laboratories位于旧金山湾区,由Jim Whitehead博士于1976年创建该品牌,Vector致力于为世界各地的研究人员创造性能最佳的产品。2016年被Maravai LifeSciences品牌收购,成为其品牌一部分。Vector Laboratories是研发免疫组织化学、免疫荧光、糖生物学和生物结合的标记和检测试剂的先驱,并已成为该领域市场的领-导-者。作为第-一-家开发出avidin-biotin酶复合物试剂盒(VECTASTAIN ABC试剂盒)用于免疫组织化学染色和抗荧光淬灭封片剂(VECTASHIELD® Mounting Media)用于免疫荧光染色的商业化公司,Vector已经从世界各地引进了600多种用于疾病和治疗研究的试剂和试剂盒。Vector的设施通过了ISO 9001:2015认证,其研究成果已被350,000多种科学出版物引用。

  

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