原位分散聚合驱动蛋白质形成蛋白质-高分子自组装体及其在提高蛋白质药物代谢动力学中的应用

Proteins are becoming popular drugs due to their high-activity and high-specificity;however,most of proteins have poor pharmacokinetics,which limits their utility in clinic.Up to now, water-soluble polymers such as PEG and its analogues have widely been used to modify proteins to improve their pharmacokinetics; nevertheless, it has not been reported that water-insoluble polymers can be used to modify proteins to enhance their pharmacokinetics.This proposal puts forward a new methodology of in situ dispersion polymerization to directly synthesize biocompatible nanoparticles of amphiphilic protein-polymer conjugates to improve protein's pharmacokinetics. In a homogeneous aqueous solution atom transfer radical polymerization (ATRP) will be used to in situ grow a biocompatible hydrophobic polymer like poly(2-hydroxypropyl methacrylate)(PHPMA)at the N- or C-terminus of a protein to in situ form biocompatible protein-polymer nanoparticles. We call this methodology in situ dispersion polymerization. Self-assembly of proteins into protein-polymer nanoparticles driven by in situ dispersion polymerization will significantly increase the size of proteins and thus minimize their renal clearance,which will result in improved pharmacokinetics.

蛋白质由于其较高的生物活性和特异性，正成为医药市场的主流药物。但是大部分蛋白质在体内的药物代谢动力学较差，限制了其在临床治疗中的应用。到目前为止，水溶性高分子如聚乙二醇（PEG）及其类似物等已广泛用于修饰蛋白质以提高其药物代谢动力学，但是并没有关于用疏水性高分子修饰蛋白质来提高其药物代谢动力学的相关报道。本研究项目提出原位分散聚合的新方法来直接合成生物相容的两亲性蛋白质-高分子结合体的纳米颗粒以提高蛋白质的药物代谢动力学。在均相水溶液中通过原子转移自由基聚合（ATRP）在蛋白质的N-或C-末端原位生长出生物相容的疏水性高分子如聚甲基丙烯酸羟丙酯（PHPMA）等，同时驱动蛋白质自组装成生物相容的蛋白质-高分子纳米颗粒。我们将此方法称为原位分散聚合。由于所形成的蛋白质-高分子纳米颗粒可以显著地增加蛋白质的尺寸，减少肾脏对蛋白质的清除，所以可望提高蛋白质在体内的药物代谢动力学。

蛋白质由于其较高的生物活性和特异性，正成为医药市场的主流药物，但是大部分蛋白质在体内的药物代谢动力学较差，限制了其在临床治疗中的应用。水溶性高分子如聚乙二醇（PEG）已广泛用于修饰蛋白质以提高其药物代谢动力学，但是这些高分子通常是非特异性地偶联到蛋白质上，形成非均相的蛋白质-高分子偶联物。这些位点异构体难以分离提化，并且活性大幅度降低。由于两个大分子蛋白质与高分子之间的空间位阻效应，蛋白质-高分子偶联物的产率较低。为了解决蛋白质与高分子相偶联的非特异性与低效率问题，本项目通过类弹性蛋白多肽融合技术（ELPfusion）和定点原位生长技术（SIG）精准合成新型蛋白质-高分子偶联物，并取得了以下研究成果。我们通过ELPfusion技术一站式解决了具有肿瘤与病毒治疗功能的重要药用蛋白干扰素面临一系列问题，如提纯难、成本高、药代差、药效不理想等，并基于此技术研发了一类新型抗肿瘤生物药物，即干扰素-类弹性蛋白多肽融合蛋白（IFN-ELP）。我们通过SIG技术设计合成了新型干扰素-聚（寡聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯）（IFN-POEGMA）以及干扰素-聚丙烯酰氧基乙基磷脂酸胆碱 (IFN-PMPC)。研究表明，IFN-POEGMA和IFN-PMPC较好地保留了IFN的活性且能显著提高IFN的药代，从而展现出比罗氏公司的派罗欣（PEGASYS）更好的抗肿瘤功效。我们将绿色荧光蛋白（GFP）的Ｎ与C端环化，并通过SIG技术制备出环化GFP-POEGMA偶联物（cGFP-POEGMA）。研究表明，cGFP-POEGMA显著提高了GFP的体内外稳定性。我们通过SIG技术制备出新型抗体-荧光高分子偶联物，并发现该偶联物通过检测信号放大可以大幅度地提高抗体对抗原的检测灵敏度。此外，我们还通过SIG技术制备出白蛋白-聚甲基丙烯酸羟丙酯偶联物（HAS-PHPMA）纳米组装体，并成功地将GFP原位装载于HSA-PHPMA囊泡中，实现了GFP的胞内递送。这些研究成果为精准合成新型蛋白质-高分子偶联物奠定基础，并且所制备的IFN-ELP、IFN-POEGMA与IFN-PMPC具有向临床转化的潜力。