呂華課題組在降低蛋白質(zhì)藥物免疫源性取得重要進(jìn)展
蛋白質(zhì)藥物因其高特異性及高活性，近年來在癌癥、自身免疫病、血友病、糖尿病等多種重大惡疾的治療中愈發(fā)重要。然而，蛋白質(zhì)藥物通常具有較高的免疫原性，容易引發(fā)病人免疫應(yīng)答產(chǎn)生抗藥物抗體（anti-drug antibody, 簡稱ADA）。臨床數(shù)據(jù)表明即使是人源化的蛋白質(zhì)藥物也會(huì)引起ADA的產(chǎn)生。ADA會(huì)使藥物失去其效力，甚至引起嚴(yán)重的過敏反應(yīng)威脅病人的生命安全。通過對(duì)蛋白質(zhì)藥物進(jìn)行PEG化修飾能夠延長蛋白質(zhì)的循環(huán)時(shí)間，并一定程度上降低免疫原性。但近年來動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床證據(jù)均表明PEG自身具有可觀的免疫原性，會(huì)誘發(fā)機(jī)體產(chǎn)生anti-PEG抗體（本質(zhì)上也可認(rèn)為是一種ADA），進(jìn)而造成PEG化藥物在血液中的加速清除（accelerated blood clearance, 簡稱ABC效應(yīng)）。因此，尋找新型低免疫原性的抗生物污染高分子用于蛋白質(zhì)修飾成至關(guān)重要。
在眾多潛在的PEG替代高分子中，非結(jié)構(gòu)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(zhì)融合藥物中，其中聚多肽的設(shè)計(jì)往往會(huì)刻意排除具有明顯二級(jí)結(jié)構(gòu)的序列使其采取完全無規(guī)的構(gòu)象。然而，這一為人們廣泛采用的設(shè)計(jì)思路實(shí)際缺乏嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)證據(jù)支持。其客觀原因在于難以設(shè)置合理的對(duì)照實(shí)驗(yàn)組以嚴(yán)格區(qū)分聚合物共價(jià)化學(xué)組成與構(gòu)象二者分別的貢獻(xiàn)——對(duì)于絕大部分高分子，要改變聚合物構(gòu)象必然需改變其共價(jià)化學(xué)組成，反之亦然。
為了探討抗生物污染高分子二級(jí)結(jié)構(gòu)在降低蛋白質(zhì)免疫源性方面的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，并進(jìn)而發(fā)展低免疫源性高分子用于蛋白質(zhì)藥物修飾，呂華課題組將研究對(duì)象聚焦于聚氨基酸（也稱合成聚多肽）。聚氨基酸是一類可生物降解的合成高分子，側(cè)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氨基酸的手性類型可以在不改變側(cè)鏈化學(xué)組成的情況下得到二級(jí)結(jié)構(gòu)各異（如螺旋或線團(tuán)）的聚氨基酸，從而為驗(yàn)證聚合物二級(jí)結(jié)構(gòu)效應(yīng)設(shè)置較為理想的對(duì)照實(shí)驗(yàn)組。他們在前期的研究中已證明含寡聚乙二醇側(cè)鏈的聚谷氨酸酯（P(EG3Glu)）在金基底表面表現(xiàn)出二級(jí)結(jié)構(gòu)依賴的抗生物污染能力(Biomaterials, 2018, 178, 728-737)，即采取螺旋結(jié)構(gòu)的L-P(EG3Glu)比無二級(jí)結(jié)構(gòu)的DL-P(EG3Glu)抗污能力更強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，呂華課題組利用以上兩種聚氨基酸進(jìn)一步驗(yàn)證了螺旋結(jié)構(gòu)在降低蛋白質(zhì)偶聯(lián)物免疫源性方面的構(gòu)效關(guān)系（圖1），相關(guān)結(jié)果2019年1月在線發(fā)表于美國化學(xué)會(huì)的新旗艦期刊ACS Central Science（DOI: 10.1021/acscentsci.8b00548）。鏈接如下：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.8b00548.
圖1. 螺旋聚氨基酸比無規(guī)卷曲聚氨基酸或PEG在降低蛋白質(zhì)藥物的免疫原性方面效果更為顯著
以干擾素（IFN）為模型蛋白，論文作者利用課題組自己發(fā)展的聚氨基酸與蛋白質(zhì)N-端特異偶聯(lián)方法（Biomacromolecules. 2016, 17, 891-896; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 10995-11000; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1170-1178），構(gòu)建了3種干擾素聚氨基酸偶聯(lián)物（圖2），分別是：修飾了螺旋聚氨基酸L-P(EG3Glu)的L20K-IFN, 修飾了無規(guī)線團(tuán)聚氨基酸DL-P(EG3Glu)的DL20K-IFN，以及修飾了傳統(tǒng)PEG的PEG20K-IFN（bench maker）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)L20K-IFN在重復(fù)給藥后引起的免疫反應(yīng)最為微弱，具體表現(xiàn)在L20K-IFN在體內(nèi)刺激產(chǎn)生的抗干擾素與抗聚氨基的抗體滴度顯著低于DL20K-IFN與PEG20K-IFN兩種偶聯(lián)物在相同實(shí)驗(yàn)條件下所產(chǎn)生的抗體（表1）。為了驗(yàn)證該發(fā)現(xiàn)的普適性，論文作者采取相同的合成策略以生長激素（GH）為第二個(gè)模型蛋白構(gòu)建了3種不同的偶聯(lián)物：L20K-GH, DL20K-GH和PEG20K-GH（圖2）。免疫實(shí)驗(yàn)結(jié)果再一次證實(shí)了修飾了螺旋聚氨基酸L-P(EG3Glu)的偶聯(lián)物在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生的ADA最少（表1），并且在重復(fù)給藥時(shí)無ABC效應(yīng)；而修飾了無規(guī)卷曲聚氨基酸或PEG的兩個(gè)對(duì)照組偶聯(lián)物在第三次給藥時(shí)表現(xiàn)出明顯的ABC效應(yīng)。
圖2. 攜帶不同二級(jí)結(jié)構(gòu)高分子的蛋白質(zhì)偶聯(lián)物的合成
表1. 攜帶不同二級(jí)結(jié)構(gòu)高分子的蛋白質(zhì)偶聯(lián)物在第四次給藥后小鼠血液中的ADA相對(duì)滴度。
本論文通過設(shè)置嚴(yán)格的對(duì)照實(shí)驗(yàn)組，發(fā)現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)修飾螺旋聚氨基酸可以抑制ADA的產(chǎn)生，其效果顯著優(yōu)于PEG修飾。該結(jié)果與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)大相徑庭，啟發(fā)人們重新審視非結(jié)構(gòu)性高分子用于蛋白質(zhì)藥物修飾的優(yōu)缺點(diǎn)，并為人們設(shè)計(jì)新一代低免疫源性蛋白質(zhì)藥物提供了新思路。論文所報(bào)道的蛋白質(zhì)藥物的螺旋聚氨基酸化（PEPylation）具有廣闊的應(yīng)用前景和可觀的轉(zhuǎn)化潛力。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院2014級(jí)博士生侯穎欽為該論文的第一作者，呂華研究員為論文通訊作者。蘇州大學(xué)劉莊教授團(tuán)隊(duì)為本課題做出了貢獻(xiàn)。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0201400）國家自然科學(xué)基金（21474004 和 21722401）的支持?；谠摷夹g(shù)的國際專利申請(qǐng)獲得了北京大學(xué)科技開發(fā)部專利基金的資助。
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