PEGilación

Polietilenglicol.

A PEGilación é o proceso consistente na unión ou amalgamación covalente ou non covalente de cadeas de polímeros de polietilenglicol (PEG, en farmacia chamado macrogol) a moléculas e macroestruturas, como fármacos, proteínas terapéuticas ou vesículas, que entón se di que están PEGiladas.^[1][2][3][4] A PEGilación afecta as interaccións derivadas ou agregadas resultantes, que normalmente fan máis lenta a coalescencia e degradación destes produtos, así como a súa eliminación do organismo in vivo.^[5][6]

A PEGilación conséguese rutineiramente por incubación dun derivado reactivo do PEG coa molécula diana. A unión covalente do PEG a un fármaco ou proteína terapéutica pode "enmascarar" o axente ante o sistema inmunitario do hóspede (reducindo a inmunoxenicidade e antixenicidade), e incrementa o seu tamaño hidrodinámico (tamaño en solución), que prolonga o seu tempo circulatorio reducindo a súa eliminación renal. A PEGilación pode tamén proporcionar hidrosolubilidade a fármacos e proteínas que eran hidrófobos. A tecnoloxía da PEGilación, que probou as súas vantaxes farmacolóxicas e aceptabilidade, converteuse na base dunha industria en crecemento que move miles de millóns de dólares.^[7]

Metodoloxía

Unha comparación da uricase e da PEG-uricase; a PEG-uricase inclúe 40 polímeros de PEG de 10 kDa. A PEGilación mellora a súa solubilidade a pH fisiolóxico, incrementa a vida media no soro e reduce a inmunoxenicidade sen comprometer a súa actividade. As imaxes superiores mostran o tetrámero completo, mentres que as inferiores mostran unha das lisinas que está PEGilada. (uricase de PDB 1uox e modelo da PEG-uricase da referencia;^[8] só se inclúen 36 polímeros PEG).

A PEGilación é o proceso de unir as febras do polímero de PEG a moléculas, normalmente péptidos, proteínas e fragmentos de anticorpos, que pode mellorar a seguridade e eficiencia de moitas terapias.^[9][10] Produce alteracións en propiedades fisioquímicas como cambios na conformación, unión electrostática, hidrofobia etc. Estes cambios físicos e químicos incrementan a retención sistémica do axente terapéutico. Ademais, poden influír na afinidade de unión do residuo terapéutico aos receptores da célula e poden alterar os padróns de absorción e distribución.

Como a PEGilación incrementa o peso molecular dunha molécula, pode outorgar varias vantaxes farmacoloxicas significativas con respecto á forma non modificada, como mellorar a solubilidade dun fármaco, reducir a frecuencia das doses, o que pode reducir a toxicidade sen diminuír a eficacia, ampliar a vida en circulación, incrementar a estabilidade do fármaco e aumentar a protección da degradación proteolítica; a formas PEGiladas poden tamén ser patentadas.^[11]

Fármacos PEGilados

En 1970 informouse da unión dun polímero inerte e hidrófilo primeiramente para ampliar a vida no sangue e o control da inmunoxenicidade de proteínas.^[12] O polietilenglicol foi o polímero elixido.^[13][14] En 1981 Davis e Abuchowski fundaron Enzon, Inc., que puxo no mercado tres fármacos PEGilados. Abuchowski fundou posteriormente e foi o director executivo de Prolong Pharmaceuticals.^[15]

O valor clínico da PEGilación está agora ben establecido. O ADAGEN (pegademase bovina) fabricado por Enzon Pharmaceuticals, Inc., EUA foi a primeira proteína PEGilada aprobada pola FDA estadounidense en marzo de 1990 que saíu no mercado. Utilízase para tratar unha forma grave de síndrome de inmunodeficiencia combinada grave, como alternativa ao transplante de medula ósea e a substitución de encimas por terapia xénica. Desde a introdución de ADAGEN, lévanse introducido un gran número de proteínas e péptidos PEGilados como medicamentos, e moitos outros están en ensaios clínicos ou en diversas fases do seu desenvolvemento. As vendas dos dous produtos con máis éxito, Pegasys e Neulasta, superron os 5.000 millóns de dólares en 2011.^[16][17] Todos os fármacos PEGilados comercialmente dispoñibles conteñen metoxipoli(etilenglicol) ou mPEG. Os fármacos PEGilados no mercado (en orde cronolóxica inversa do ano de aprobación pola FDA) son:^[18]

• Un lípido PEGilado utilízase como excipiente tanto na vacina de Moderna coma na de Pfizer-BioNTech da COVID-19. Ambas son vacinas de ARN que constan dun ARN mensaxeiro (ARNm), encerrado nunha burbulla de moléculas lipídicas. Utilízase tecnoloxía de lípidos patentada en cada unha. En ambas as vacinas, as burbullas están cubertas cunha molécula estaabilizante de polietilenglicol. Houbo unha pequena porcentaxe de casos de reaccións alérxicas ao PEG.^[19][20][21] A molécula PEGilada da vacina de Moderna chámase DMG-PEG 2000.
• Pegvaliase (Biomarin) – fenilalanina amoníaco-liase recombinante PEGilada para o tratamento da fenilcetonuria, aprobada pola FDA en EUA en maio de 2018.^[22][23]
• Adynovate – Factor VIII antihemofílico PEGilado para o tratamento de pacientes con hemofilia A. (Baxalta, 2015)^[24]
• Irinotecan liposoma (Onivyde) – Irinotecan hidrocloruro trihidrato liposomal PEGilado para o tratamento do cancro pancreático metastático en adultos que están sendo tratados con gemcitabine. (Ipsen, 2015)
• Plegridy – Interferón Beta-1a PEGilado para o tratamento de pacientes de formas recorrentes de esclerose múltiple. (Biogen, 2014)
• Naloxegol (Movantik) – Naloxol PEGilado para o tratamento de estrinximento inducido por opioides en pacientes adultos con dor crónica non canceríxena (a metadona non PEGilada pode causar reaccións intestinais adversas). (AstraZeneca, 2014)
• Peginesatide (Omontys) – Medicamento que se toma unha vez ao mes para tratar a anemia asociado coa enfermidade renal crónica en pacientes adultos sometidos a diálise (Affymax/Takeda Pharmaceuticals, 2012)
• Pegloticase (Krystexxa) – Uricase PEGilada para o tratamento da gota (Savient, 2010)
• Certolizumab pegol (Cimzia) – Anticorpo monoclonal para o tratamento de artrite reumatoide de moderada a grave e da enfermidade de Crohn, un trastorno inflamatorio intestinal (Nektar/UCB Pharma, 2008)
• Metoxi polietilenglicol-epoetina beta (Mircera) – Forma PEGilada da eritropoetina para combater a anemia asociada con enfermidade renal crónica (Roche, 2007)
• Pegaptanib (Macugen) – Usado para tratar a dexeneración macular neovascular relacionada coa idade (Pfizer, 2004)
• Pegfilgrastim (Neulasta) – Factor estimulante das colonias de granulocitos humano metionil recombinante PEGilado para neutropenia grave inducida pola quimioterapia contra o cancro (Amgen, 2002)
• Pegvisomant (Somavert) – Unha muteína antagonista do receptor da PEG-hormona do crecemento humana para o tratamento da acromegalia (Pfizer, 2002)
• Peginterferon alfa-2a (Pegasys) – Interferón alfa PEGilado para usalo no tratamento da hepatite C crónica e hepatite B (Hoffmann-La Roche, 2002)
• Peginterferón alfa-2b (PegIntron) – Interferón alfa PEGilado para o seu uso no tratamento da hepatite C crónica e hepatite B (Schering-Plough/Enzon, 2000)
• Doxorrubicina HCl liposoma (Doxil/Caelyx) – Liposoma PEGilado que contén doxorrubicina para o tratamento do cancro (Alza, 1995)
• Pegaspargase (Oncaspar) – L-asparaxinase PEGilada para o tratamento da leucemia linfoblástica aguda en pacientes que son hipersensibles á forma non modificada nativa da L-asparaxinase (Enzon, 1994). Este fármaco foi aprobado recentemente para o seu uso en casos especiais.
• Pegademase bovina (Adagen) – PEG-adenosina desaminase para o tratamento da inmunodeficiencia combinada grave (SCID) (Enzon, 1990)

Litixios de patentes

O sistema de entrega de fármacos en nanopartículas (LNP) lipídicas PEGiladas das vacinas de ARNm coñecidas como mRNA-1273 foi obxecto dun litixio de patentes actual con Arbutus Biopharma, da cal Moderna previamente obtivera licenza da tecnoloxía LNP.^[25][26] O 4 de setembro de 2020, Nature Biotechnology informou que Moderna perdera unha parte clave no caso xudicial sobre a propiedade intelectual que estaba en marcha.^[27]

Uso en investigación

A PEGylation ten usos prácticos en biotecnoloxía para a entrega de proteínas,^[28] transfección de células, e edición do xenoma en células non humanas.^[29]

Procedemento

O primeiro paso da PEGilación é a adecuada funcionalización do polímero de PEG nun ou en ambos os extremos. Os PEGs que son activados en cada extremo co mesmo residuo reactivo denomínanse "homobifuncionais", mentres que se os grupos funcionais presentes son diferentes, entón o derivado de PEG denomínase "heterobifuncional" ou "heterofuncional". Prepáranse os derivados quimicamente activos ou activados do polímero de PEG para que o PEG se una á molécula desexada.^[30]

O proceso global de PEGilación usada ata agora para a conxugación de proteínas pode ser clasificado en dous grandes tipos: un proceso en lotes de fase en solción e un proceso en lotes alimentado en columna.^[31] O proceso en lotes que xeralmente se adopta implica a mestura dos reactivos xunto cunha solución tampón axeitada, preferiblemente a unha temperatura entre 4 e 6 °C, seguida da separación e purificación do produto desexado usando unha técnica apropiada baseada nas súas propiedades fisicoquímicas, como a cromatografía de exclusión por tamaños (SEC), cromatografía de intercambio iónico (IEX), cromatografía de interaccións hidrofóbicas (HIC) e sistemas de dúas fases acuosos ou de membrana (ATPS).^[32][33]

A elección do grupo funcional apropiado para o derivado de PEG baséase no tipo de grupo reactivo dispoñible na molécula que será acoplada ao PEG. Para as proteínas, os aminoácidos reactivos típicos son os seguintes: lisina, cisteína, histidina, arxinina, ácido aspártico, ácido glutámico, serina, treonina e tirosina. O grupo amino N-terminal e o carboxilo C-terminal poden tamén usarse como uns sitios específico de sitio por conxugación con polímeros funcionais aldehido.^[34]

As técnicas usadas para formar derivados do PEG de primeira xeración son xeralmente facer reaccionar o polímero de PEG cun grupo que é reactivo cos grupos hidroxilo, tipicamente anhídridos, cloruros de acilo, cloroformatos e carbonatos. Na química de PEGilación de segunda xeración están dispoñibles para a conxugación grupos funcionais máis eficientes, como aldehidos, ésteres, amidas etc.

As aplicacións da PEGilación fixéronse cada vez máis avanzadas e sofisticadas, e aumentou a necesidade de PEGs heterobifuncionais para a conxugación. Estes PEGs heterobifuncionais son moi útiles para ligar dúas entidades, onde se necesita un espazador hidrófilo, flexible e biocompatible. Os grupos terminais preferidos para os PEGs heterobifuncionais son a maleimida, vinil sulfonas, piridil disulfuro, aminas, ácidos carboxílicos e ésteres de NHS.^[35][36][37]

Os axentes de PEGilación de terceira xeración, nos que o polímero foi ramificado, están dispoñibles os de forma de Y ou de peite e mostran unha viscosidade reducida e non producen acumulación en órganos.^[38] Recentemente, tamén se desenvolveron estratexias encimáticas para a PEGilación, ampliando así as ferramentas de conxugación.^[39][40] Os conxugados PEG-proteína obtidos por métodos encimáticos están xa en uso clínico, por exemplo: Lipegfilgrastim, Rebinyn ou Esperoct.

Limitacións

A impredicibilidade nos tempos de eliminación do organismo dos compostos PEGilados pode causar a acumulación de compostos de elevado peso molecular no fígado orixinando corpos de inclusión con consecuencias toxicolóxicas descoñecidas.^[41] Ademais, a alteración na lonxitude da cadea pode causar tempos de eliminación inesperados in vivo.^[42] Ademais, as condicións experimentais da reacción de PEGilación (é dicir, pH, temperatura, tempo de reacción, custo global do proceso e razón molar entre o derivado do PEG e o péptido) tamén tañen un impacto na estabilidade dos produtos finais PEGilados.^[43] Para superar as limitacións mencionadas varios investigadores ofreceron diversas estratexias, como cambios de tamaño (Mw), de número, de localización e do tipo de ligazón da molécula de PEG.^[44][45] A conxugación de polisacáridos biodegrdables, que é unha alternativa prometedora á PEGilación, é outra forma de resolver o asunto da biodegradabilidade do PEG.^[46]

Notas

1. Jokerst, Jesse V; Lobovkina, Tatsiana; Zare, Richard N; Gambhir, Sanjiv S (xuño de 2011). "Nanoparticle PEGylation for imaging and therapy". Nanomedicine 6 (4): 715–728. PMC 3217316. PMID 21718180. doi:10.2217/nnm.11.19. 
2. Knop, Katrin; Hoogenboom, Richard; Fischer, Dagmar; Schubert, Ulrich S. (23 de agosto de 2010). "Poly(ethylene glycol) in Drug Delivery: Pros and Cons as Well as Potential Alternatives". Angewandte Chemie International Edition 49 (36): 6288–6308. PMID 20648499. doi:10.1002/anie.200902672. 
3. Veronese, Francesco M; Mero, Anna (2008). "The Impact of PEGylation on Biological Therapies". BioDrugs 22 (5): 315–329. PMID 18778113. doi:10.2165/00063030-200822050-00004. 
4. Veronese, Francesco M.; Pasut, Gianfranco (novembro de 2005). "PEGylation, successful approach to drug delivery". Drug Discovery Today 10 (21): 1451–1458. PMID 16243265. doi:10.1016/S1359-6446(05)03575-0. 
5. Blume G, Cevc, G (13 de abril de 1990). "Liposomes for the sustained drug release in vivo". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes 1029 (1): 91–97. PMID 2223816. doi:10.1016/0005-2736(90)90440-y. 
6. Klibanov AL, Maruyama K, Torchilin VP, Huang L (30 e xullo de 1990). "Amphipathic polyethyleneglycols effectively prolong the circulation time of liposomes". FEBS Lett 268 (1): 235–237. PMID 2384160. doi:10.1016/0014-5793(90)81016-h. 
7. Damodaran V. B. ; Fee C. J. (2010). "Protein PEGylation: An overview of chemistry and process considerations". European Pharmaceutical Review 15 (1): 18–26. 
8. Sherman, MR; Saifer, MG; Perez-Ruiz, F (3 de xaneiro de 2008). "PEG-uricase in the management of treatment-resistant gout and hyperuricemia.". Advanced Drug Delivery Reviews 60 (1): 59–68. PMID 17826865. doi:10.1016/j.addr.2007.06.011. 
9. Veronese, FM; Harris, JM (xuño de 2002). "Introduction and overview of peptide and protein pegylation". Advanced Drug Delivery Reviews 54 (4): 453–456. PMID 12052707. doi:10.1016/s0169-409x(02)00020-0. 
10. Porfiryeva, N. N.; Moustafine, R. I.; Khutoryanskiy, V. V. (xaneiro de 2020). "PEGylated Systems in Pharmaceutics" (PDF). Polymer Science, Series C 62 (1): 62–74. doi:10.1134/S181123822001004X. 
11. Milla, P; Dosio, F (13 de xaneiro de 2012). "PEGylation of proteins and liposomes: a powerful and flexible strategy to improve the drug delivery.". Current Drug Metabolism 13 (1): 105–119. PMID 21892917. doi:10.2174/138920012798356934. hdl:2318/86788. 
12. Davis, Frank F. (xuño de 2002). "The origin of pegnology". Advanced Drug Delivery Reviews 54 (4): 457–458. PMID 12052708. doi:10.1016/s0169-409x(02)00021-2. 
13. Abuchowski, A; Van Es, T; Palczuk, N. C.; Davis, F. F. (1977). "Alteration of immunological properties of bovine serum albumin by covalent attachment of polyethylene glycol". The Journal of Biological Chemistry 252 (11): 3578–81. PMID 405385. doi:10.1016/S0021-9258(17)40291-2. 
14. Abuchowski, A; McCoy, J. R.; Palczuk, N. C.; Van Es, T; Davis, F. F. (1977). "Effect of covalent attachment of polyethylene glycol on immunogenicity and circulating life of bovine liver catalase". The Journal of Biological Chemistry 252 (11): 3582–6. PMID 16907. doi:10.1016/S0021-9258(17)40292-4. 
15. "Dr. Abraham Abuchowski, Ph.D. – Home". prolongpharma.com. Arquivado dende o orixinal o 15 de xaneiro de 2020. Consultado o 2020-01-15. 
16. Klauser, Alexander (Head), Roche Group Media Relations, "Roche in 2011: Strong results and positive outlook," www.roche.com/med-cor-2012-02-01-e.pdf, Feb 1, 2012, p.7
17. "Amgen 2011 Annual Report and Financial Summary," [1] 2011 AnnualReport.pdf, Feb 23 2012, p. 71
18. Zalipsky, Samuel; Pasut, Gianfranco (2020). "Evolution of polymer conjugation to proteins". Polymer-Protein Conjugates. pp. 3–22. ISBN 9780444640819. doi:10.1016/b978-0-444-64081-9.00001-2. 
19. Cabanillas, Beatriz; Akdis, Cezmi; Novak, Natalija (2020). "Allergic reactions to the first COVID‐19 vaccine: A potential role of Polyethylene glycol?". Allergy 76 (6): 1617–1618. PMID 33320974. doi:10.1111/all.14711. 
20. Weiland, Noah; LaFraniere, Sharon; Baker, Mike; Thomas, Katie (17 de decembro de 2020). "2 Alaska Health Workers Got Emergency Treatment After Receiving Pfizer's Vaccine". New York Times. 
21. Firger, Jessica; Caldwell, Travis (19 de decembro de 2020). "Third Alaskan health care worker has allergic reaction to Covid-19 vaccine". Cable News Network. 
22. Powers, Marie (29 de maio de 2018). "Biomarin aces final exam: Palynziq gains FDA approval to treat PKU in adults". BioWorld (en inglés). 
23. Levy, Harvey L.; Sarkissian, Christineh N.; Stevens, Raymond C.; Scriver, Charles R. (xuño de 2018). "Phenylalanine ammonia lyase (PAL): From discovery to enzyme substitution therapy for phenylketonuria". Molecular Genetics and Metabolism 124 (4): 223–229. PMID 29941359. doi:10.1016/j.ymgme.2018.06.002. 
24. "FDA approves modified antihemophilic factor for hemophilia A". www.fda.gov. Arquivado dende o orixinal o 2015-11-16. 
25. Auth, Dorothy R.; Powell, Michael B. (14 de setembro de 2020). "Patent Issues Highlight Risks of Moderna's COVID-19 Vaccine". New York Law Journal. Consultado o 1 de decembro de 2020. 
26. Vardi, Nathan (29 de xuño de 2020). "Moderna's Mysterious Coronavirus Vaccine Delivery System". Forbes. Consultado o 1 de decembro de 2020. 
27. "Moderna loses key patent challenge". Nature Biotechnology 38 (9): 1009. setembro de 2020. PMID 32887970. doi:10.1038/s41587-020-0674-1. 
28. Pasut, Gianfranco; Zalipsky, Samuel (2020). Polymer-Protein Conjugates: From Pegylation and Beyond. Elsevier. ISBN 978-0-444-64082-6. OCLC 1127111107. 
29. Balazs, Daniel A.; Godbey, WT (15 de decembro de 2011). "Liposomes for Use in Gene Delivery". Journal of Drug Delivery 2011: 326497. PMC 3066571. PMID 21490748. doi:10.1155/2011/326497. 
30. Pasut, Gianfranco; Veronese, Francesco M. (xullo de 2012). "State of the art in PEGylation: The great versatility achieved after forty years of research". Journal of Controlled Release 161 (2): 461–472. PMID 22094104. doi:10.1016/j.jconrel.2011.10.037. 
31. Fee, Conan J.; Van Alstine, James M. (2006). "PEG-proteins: Reaction engineering and separation issues". Chemical Engineering Science 61 (3): 924. doi:10.1016/j.ces.2005.04.040. 
32. Veronese, Francesco M., ed. (2009). "Protein conjugates purification and characterization". PEGylated protein drugs basic science and clinical applications (Online-Ausg. ed.). Basel: Birkhäuser. pp. 113–125. ISBN 978-3-7643-8679-5. 
33. Fee, Conan J. (2003). "Size-exclusion reaction chromatography (SERC): A new technique for protein PEGylation". Biotechnology and Bioengineering 82 (2): 200–6. PMID 12584761. doi:10.1002/bit.10561. hdl:10092/351. 
34. Fee, Conan J.; Damodaran, Vinod B. (2012). "Production of PEGylated Proteins". Biopharmaceutical Production Technology. p. 199. ISBN 9783527653096. doi:10.1002/9783527653096.ch7. 
35. "Polypeptide therapeutics and uses thereof". Wipo (PCT) WO (138413A1). 2016. 
36. "Methods and pharmaceutical compositions for treating candida auris in blood". Wipo (PCT) WO (126695A2). 2019. 
37. "Arginase formulations and methods". Wipo (PCT) WO (8495A2). 2011. 
38. Ryan, Sinéad M; Mantovani, Giuseppe; Wang, Xuexuan; Haddleton, David M; Brayden, David J (2008). "Advances in PEGylation of important biotech molecules: Delivery aspects". Expert Opinion on Drug Delivery 5 (4): 371–83. PMID 18426380. doi:10.1517/17425247.5.4.371. 
39. Maso, Katia; Grigoletto, Antonella; Pasut, Gianfranco (2018). "Transglutaminase and Sialyltransferase Enzymatic Approaches for Polymer Conjugation to Proteins". Therapeutic Proteins and Peptides. Advances in Protein Chemistry and Structural Biology 112. pp. 123–142. ISBN 9780128143407. PMID 29680235. doi:10.1016/bs.apcsb.2018.01.003. 
40. da Silva Freitas, Débora; Mero, Anna; Pasut, Gianfranco (20 de marzo de 2013). "Chemical and Enzymatic Site Specific PEGylation of hGH". Bioconjugate Chemistry 24 (3): 456–463. PMID 23432141. doi:10.1021/bc300594y. hdl:11577/2574695. 
41. Kawai, F. (1 de xaneiro de 2002). "Microbial degradation of polyethers". Applied Microbiology and Biotechnology 58 (1): 30–38. PMID 11831473. doi:10.1007/s00253-001-0850-2. 
42. Veronese, Francesco M (marzo de 2001). "Peptide and protein PEGylation". Biomaterials 22 (5): 405–417. PMID 11214751. doi:10.1016/s0142-9612(00)00193-9. 
43. González-Valdez, José; Rito-Palomares, Marco; Benavides, Jorge (xuño de 2012). "Advances and trends in the design, analysis, and characterization of polymer–protein conjugates for 'PEGylaided' bioprocesses". Analytical and Bioanalytical Chemistry 403 (8): 2225–2235. PMID 22367287. doi:10.1007/s00216-012-5845-6. 
44. Zhang, Genghui; Han, Baozhong; Lin, Xiaoyan; Wu, Xin; Yan, Husheng (decembro de 2008). "Modification of Antimicrobial Peptide with Low Molar Mass Poly(ethylene glycol)". The Journal of Biochemistry 144 (6): 781–788. PMID 18845567. doi:10.1093/jb/mvn134. 
45. Obuobi, Sybil; Wang, Ying; Khara, Jasmeet Singh; Riegger, Andreas; Kuan, Seah Ling; Ee, Pui Lai Rachel (outubro de 2018). "Antimicrobial and Anti-Biofilm Activities of Surface Engineered Polycationic Albumin Nanoparticles with Reduced Hemolytic Activity". Macromolecular Bioscience 18 (10): 1800196. PMID 30066983. doi:10.1002/mabi.201800196. 
46. Zhou, Yang; Petrova, Stella P.; Edgar, Kevin J. (2021-11-15). "Chemical synthesis of polysaccharide–protein and polysaccharide–peptide conjugates: A review". Carbohydrate Polymers (en inglés) 274: 118662. ISSN 0144-8617. PMID 34702481. doi:10.1016/j.carbpol.2021.118662. 

Véxase tamén

Outros artigos

• Citocromo c
• Interferón
• Desorción/ionización láser asistida por matriz
• Proteómica
• Nanopartículas lipídicas sólidas

Ligazóns externas

• PEGylation, ScienceDirect (2017)