2019/01/28 信息來源： 化學與分子工程學院
蛋白質藥物因其高特異性及高活性，近年來在癌症、自身免疫病、血友病、糖尿病等多種重大惡疾的治療中愈發重要。然而蛋白質藥物通常具有較高的免疫原性，容易引發病人免疫應答產生抗藥物抗體（anti-drug antibody，簡稱ADA）。臨床數據表明即使是人源化的蛋白質藥物也會引起ADA的產生。ADA會使藥物失去其效力，甚至引起嚴重的過敏反應威脅病人生命安全。通過對蛋白質藥物進行PEG化修飾能夠延長蛋白質的循環時間，並在一定程度上降低免疫原性。近年來動物實驗及臨床證據均表明，PEG自身具有可觀的免疫原性，會誘發機體產生anti-PEG抗體（本質上也可認為是一種ADA），進而造成PEG化藥物在血液中加速清除（accelerated blood clearance，簡稱ABC效應）。因此，尋找新型低免疫原性的抗生物汙染高分子用於蛋白質修飾至關重要。
在眾多潛在的PEG替代高分子中，非結構性(unstructured)的柔性高分子往往更受人們青睞。比如在長效聚多肽-蛋白質融合藥物中，聚多肽的設計往往刻意排除具有明顯二級結構的序列使其採取完全無規的構象。然而，這一為人們廣泛採用的設計思路實際缺乏嚴格的實驗證據支持。其客觀原因在於難以設置合理的對照實驗組以嚴格區分聚合物共價化學組成與構象二者分別的貢獻——對於絕大部分高分子，要改變聚合物構象必然需要改變其共價化學組成，反之亦然。
為探討抗生物汙染高分子二級結構在降低蛋白質免疫源性方面的結構-功能關係，進而發展低免疫源性高分子用於蛋白質藥物修飾，北京大學化學與分子工程學院呂華研究員課題組將研究對象聚焦於聚胺基酸（也稱合成聚多肽）。聚胺基酸是一類可生物降解的合成高分子，側鏈易修飾，通常具有較好的生物相容性。更為特殊的是，通過改變單體胺基酸的手性類型可以在不改變側鏈化學組成的情況下得到二級結構各異（如螺旋或線團）的聚胺基酸，從而為驗證聚合物二級結構效應設置較為理想的對照實驗組。他們在前期的研究中已證明含寡聚乙二醇側鏈的聚穀氨酸酯（P(EG3Glu)）在金基底表面表現出二級結構依賴的抗生物汙染能力(Biomaterials，2018，178，728-737)，即採取螺旋結構的L-P(EG3Glu)比無二級結構的DL-P(EG3Glu)抗汙能力更強。在此基礎上，呂華課題組利用以上兩種聚胺基酸進一步驗證了螺旋結構在降低蛋白質偶聯物免疫源性方面的構效關係（圖1），相關成果以「Therapeutic Protein PEPylation: The Helix of Nonfouling Synthetic Polypeptides Minimizes Antidrug Antibody Generation」為題，於2019年1月在線發表於美國化學會新旗艦期刊ACS Central Science（DOI:10.1021/acscentsci.8b00548）。
圖1.螺旋聚胺基酸比無規捲曲聚胺基酸或PEG在降低蛋白質藥物的免疫原性方面效果更為顯著
以幹擾素（IFN）為模型蛋白，課題組利用自己發展的聚胺基酸與蛋白質N-端特異偶聯方法（Biomacromolecules. 2016, 17, 891-896; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10995-11000; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1170-1178），構建了三種幹擾素聚胺基酸偶聯物（圖2），分別是：修飾了螺旋聚胺基酸L-P(EG3Glu)的L20K-IFN，修飾了無規線團聚胺基酸DL-P(EG3Glu)的DL20K-IFN，以及修飾了傳統PEG的PEG20K-IFN（bench maker）。實驗結果發現，L20K-IFN在重複給藥後引起的免疫反應最為微弱，具體表現在L20K-IFN在體內刺激產生的抗幹擾素與抗聚氨基的抗體滴度顯著低於DL20K-IFN與PEG20K-IFN兩種偶聯物在相同實驗條件下所產生的抗體（表1）。為了驗證該發現的普適性，他們採取相同的合成策略以生長激素（GH）為第二個模型蛋白構建了三種不同的偶聯物：L20K-GH、DL20K-GH和PEG20K-GH（圖2）。免疫實驗結果再一次證實，修飾了螺旋聚胺基酸L-P(EG3Glu)的偶聯物在動物體內產生的ADA最少（表1），並且在重複給藥時無ABC效應；而修飾了無規捲曲聚胺基酸或PEG的兩個對照組偶聯物在第三次給藥時表現出明顯的ABC效應。
圖2.攜帶不同二級結構高分子的蛋白質偶聯物的合成
表1.攜帶不同二級結構高分子的蛋白質偶聯物在第四次給藥後小鼠血液中的ADA相對滴度
該研究通過設置嚴格的對照實驗組，發現了對蛋白質修飾螺旋聚胺基酸可以抑制ADA的產生，其效果顯著優於PEG修飾。這一結果與傳統認識大相逕庭，啟發人們重新審視非結構性高分子用於蛋白質藥物修飾的優缺點，並為人們設計新一代低免疫源性蛋白質藥物提供了新思路。論文所報導的蛋白質藥物的螺旋聚胺基酸化（PEPylation）具有廣闊的應用前景和可觀的轉化潛力。
北京大學化學與分子工程學院2014級博士生侯穎欽為該論文的第一作者，呂華為通訊作者。蘇州大學劉莊教授團隊為本課題作出貢獻。該研究得到國家重點研發計劃（2016YFA0201400）、國家自然科學基金（21474004和21722401）支持。基於該技術的國際專利申請獲得北京大學科技開發部專利基金資助。
編輯：麥洛