專利名稱:人成纖維細(xì)胞生長因子-21(hFGF-21)的N-末端化學(xué)修飾及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種使用聚乙二醇(PEG)N末端化學(xué)修飾人成纖維細(xì)胞生長因 子-21 (hFGF-21)的偶聯(lián)物,還涉及該偶聯(lián)物的應(yīng)用。
背景技術(shù):
成纖維細(xì)胞生長因子(FGF)是一種多功能非特異性的活性物質(zhì)。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)該成纖維 細(xì)胞生長因子家族(FGFs)共有23個成員,即FGF-I到FGF-23 (Olsen SH et al.,J Biol Chem278 :34226_34236,2003)。它們功能各異,主要由成纖維細(xì)胞,內(nèi)皮細(xì)胞,骨細(xì)胞,多形 細(xì)胞等分泌,相對分子量一般在17_34kD,其中心區(qū)域的氨基酸含有30% -70%的同源性。FGF-21是FGF家族的一個新成員,屬于FGF-19亞家族;最先從老鼠胚胎中分離得 到,是一種分泌蛋白;主要在肝臟中表達(dá),少量表達(dá)于胸腺。人FGF-21 (hFGF-21) cDNA編碼 209個氨基酸,N端前28個氨基酸為信號肽序列,其后181個氨基酸為人FGF-21成熟氨基 酸序列。hFGF-21與hFGF-19、hFGF-23以及鼠的FGF-21的氨基酸序列相比分別有35%、 24%和 75%的同源性(Nishimura et al.,Biochim Biophys Acta 1492:203-206,2000)。臨床前研究顯示,hFGF-21的主要生物學(xué)功能表現(xiàn)在糖脂代謝調(diào)控方面。hFGF-21 的代謝調(diào)節(jié)功能所表現(xiàn)出的作用與胰島素類似,它可以增強(qiáng)胰島素的敏感性,改善β 細(xì)胞功能及其存活率,降低血糖,改善胰島素抵抗,卻不出現(xiàn)低血糖的不良反應(yīng);同時 它能有效降低血脂,對脂代謝和動脈粥樣硬化也有重要的作用(A Kharitonenkov et al., J Clin Invest 115 1627-1635,2005 ;Wente et al. , Diabetes 55:2470—2478, 2006 ;A Kharitonenkov et al. Endocrinology 148 774-781,2007 ;A Kharitonenkov et al. , Biodrugs. 22(1) 37-44,2008 ;AKharitonenkoν et al. , Current Opinion in Investigational Drugs 10:359_364,2009)。因此hFGF-21的研究以及在臨床上的應(yīng)用前 景日益受到人們的關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)hFGF-21在體內(nèi)半衰期短,這限制了其在臨床治療中的應(yīng)用。在其他治 療用蛋白質(zhì)藥物的研究中,發(fā)現(xiàn)了解決蛋白類藥物在機(jī)體內(nèi)半衰期短和免疫原性等問題的 方法。其中方法之一,是將蛋白質(zhì)與水溶性聚合物共價結(jié)合成偶聯(lián)物。其中所使用的水溶 性聚合物包括聚乳糖、聚乙二醇、聚合氨基酸等,而聚乙二醇的使用較為普遍。聚乙二醇-蛋白質(zhì)偶聯(lián)物具有良好的熱穩(wěn)定性、抗酶解、增加水溶性、延長半衰 期、降低免疫原性和毒性等優(yōu)勢(Inada, et al.,J. Bioact. And Compatible Polymers, 5 343(1990) ;Delgalo, etal. ,Critical Reviews in Therapeutic Drug Carrier systems, 9:249(1992) ;katre,Advanced DrugDelivery Systems,10 :91 (1993))。自 1991 年第一禾中 用PEG修飾的藥物PEG-ADA被FDA批準(zhǔn)上市后,制藥公司們積極推進(jìn)PEG修飾藥物蛋白質(zhì) 的技術(shù)。近幾年上市的的產(chǎn)品有PEG-干擾素、PEG-粒細(xì)胞集落刺激因子、PEG-天冬酰胺 酶、PEG-生長抑素以及PEG化單鏈抗體等;而且,還有數(shù)幾十種PEG修飾的蛋白藥物處于研 究或臨床實驗階段。
專利PCT2005/113606 報道用 IgG4_Fc 或 BSA 同 FGF-21 融合,形成一種 hFGF-21 融合蛋白。該蛋白能有效改善hFGF-21在體內(nèi)的藥代動力學(xué),可用于治療2型糖尿病、肥胖 癥或代謝綜合癥。專利PCT2005/091944報道用聚乙二醇修飾hFGF-21的Lys的ε -氨基 和其Cys的巰基,該修飾后的hFGF-21也能有效改善TOF-21在體內(nèi)的藥代動力學(xué)。本發(fā)明 采用N末端修飾方法修飾人成纖維細(xì)胞生長因子-21及其突變體或變異體,形成單一位點 PEG修飾的均一產(chǎn)物。通過實施能有效改善hFGF-21在體內(nèi)的藥代動力學(xué),可適用于治療2 型糖尿病、肥胖癥或代謝綜合癥的一種藥物。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用聚乙二醇(PEG)N末端化學(xué)修飾人成纖維細(xì)胞生 長因子-21 (hFGF-21)的偶聯(lián)物;同時,該偶聯(lián)物可用于制備治療2型糖尿病、肥胖癥或代謝 綜合癥的藥物。對于聚乙二醇分子來說,可通過多種方法將其加到蛋白質(zhì)上??偟膩碚f,聚乙二醇 分子是通過一個分子上的反應(yīng)基團(tuán)而聯(lián)到蛋白質(zhì)分子上的。PEG偶聯(lián)的主要基團(tuán)是氨基、 巰基和羧基(Veroneee FM, Biomaterials, 2001, 22 :405),絕大部分修飾劑主要與Lys的
ε -氨基和N-末端的氨基進(jìn)行共價偶聯(lián)的。目前的方法顯示,任何活化的PEG (包括SPA、 OTS、NH2, NPC、SS、SC等)與Lys的ε -氨基反應(yīng)時,易造成產(chǎn)物的不均一性。如果這些治 療蛋白質(zhì)在組合物中各批量間有區(qū)別,人們將無法對其生物活性進(jìn)行預(yù)測。不同位點的的 聚乙二醇分子穩(wěn)定性不同。如果這些分子是隨機(jī)附著而因此隨機(jī)解離,那么治療用PEG化 蛋白質(zhì)的藥物動力學(xué)就不可能準(zhǔn)確預(yù)測。本發(fā)明采用一種醛基化的PEG對人成纖維細(xì)胞生長因子-21進(jìn)行修飾,選擇性激 活hFGF-21的N-末端殘基的氨基基團(tuán),使PEG專一性共價結(jié)合hFGF-21的N-末端,從而形 成穩(wěn)定和單一的PEG修飾偶聯(lián)物。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的,本發(fā)明提供了一種修飾的人成纖維細(xì)胞生長因子-21, 其中每一分子人成纖維細(xì)胞生長因子-21的N-末端與一分子的聚乙二醇類聚合物通過化 學(xué)鍵相偶聯(lián)(PEG-rhFGF-21)。所述聚乙二醇為醛基活化的mPEG,包括甲醛基、乙醛基、丙 醛基、丁醛基、戊醛基等,優(yōu)選丙醛基和丁醛基活化的mPEG。優(yōu)選的丙醛基和丁醛基活化的 mPEG分子量為10KD-40KD,進(jìn)一步優(yōu)選丁醛基活化的mPEG的分子量為20KD。修飾后的人成 纖維細(xì)胞生長因子-21經(jīng)常規(guī)的柱層析色譜分離純化后,純度大于95%。所述的人成纖維細(xì)胞生長因子-21為天然的人成纖維細(xì)胞生長因子-21或天然人 成纖維細(xì)胞生長因子-21的突變體或天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21的變異體。天然人 FGF-21 (hFGF-21) cDNA編碼209個氨基酸,其N端含有28個信號肽序列,其后181個氨基酸 為人成熟氨基酸序列(SEQ ID NO :1)。所述的天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21的突變體或天然人成纖維細(xì)胞生長因 子-21的變異體指的是天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21的至少一個氨基酸被另一個氨基酸 取代或天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21的氨基酸序列被延長或被截斷,或天然人成纖維細(xì) 胞生長因子-21的至少一個氨基酸被另一個氨基酸取代的同時人成纖維細(xì)胞生長因子-21 的氨基酸序列被延長或被截斷。人成纖維細(xì)胞生長因子-21的結(jié)構(gòu)和功能在近年得到廣泛的研究(Reuss et al.,Cell TissueRes. 313 :139_157(2003) ;Olsen SH et al.,J Biol Chem 278 :34226_34236, 2003 ;AKharitonenkovet al., J Clin Invest 115 1627-1635,2005 ;Wente et al., Diabetes 55 2470-2478,2006 ;AKharitonenkov et al. Endocrinology 148:774—781, 2007 ;A Kharitonenkov et al. , Biodrugs. 22(1) 37-44,2008 ;AKharitonenkov et al., Current Opinion in Investigational Drugs 10:359-364,2009) ;Ryden Μ. Cell Mol Life Sci. 2009Mar 11 ;Micanovic R et al. ,J Cell Physiol. 2009May ;219 (2) :227_34·; Yie J et al. ,FEBS Lett. 2009Jan 5 ;583(1) :19_24.),為了提高其穩(wěn)定性和臨床應(yīng)用,對 其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的突變和變異。如專利CN101010338A,通過氨基酸的取代,改變FGF-21 的糖基化數(shù)量和類型;專利PCT 2006/065582,用帶電的和/或極性但不帶電荷的氨基酸 取代 hFGF-21 Kglutamine 54,arginine 77,leucine 139,alanine 145,leucine 146, isoleucine 152,glutamine 156,glycine 161,serine 163 氨基酸等。為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的,人成纖維細(xì)胞生長因子-21是通過基因重組技術(shù),經(jīng)宿 主表達(dá)和純化而得的重組人成纖維細(xì)胞生長因子-21 (rhFGF-21)。所述宿主體系主要指大 腸桿菌或酵母。本發(fā)明還提供了通過N末端PEG修飾后的人成纖維細(xì)胞生長因子-21或其突變體 和變異體能有效改善hFGF-21在體內(nèi)的藥代動力學(xué),作為用于制備治療2型糖尿病、肥胖癥 或代謝綜合癥的藥物。為實現(xiàn)本發(fā)明的目的,采用CD-I鼠研究N末端PEG修飾后的重組人成纖維細(xì)胞生 長因子-21(PEG-rhFGF-21)在體內(nèi)的藥代動力學(xué);采用3T3-LI脂肪細(xì)胞和Ob/ob小鼠模型 研究PEG-rhFGF-21的體內(nèi)外生物活性。該藥物的有效劑量指的是能夠有效實現(xiàn)治療2型糖尿病、肥胖癥或代謝綜合癥的 所需醫(yī)學(xué)效果的量。本文涉及的所有專利和出版物引為參考。
圖1為pET-3c-FGF_21的構(gòu)建示意圖。圖2為rh-CNTF在大腸桿菌中表達(dá)的SDS-PAGE圖譜,其中1為誘導(dǎo)前;2為誘導(dǎo) 3hr ;3為誘導(dǎo)4hr ;M為蛋白質(zhì)marker。圖 3 為 mPEG-ButylALD-20KD 修飾 rhFGF-21 的 SDS-PAGE 圖,其中 M 為蛋白質(zhì) marker ;1 為 rhFGF-21 ;2 為 mPEG-ButylALD_20KD 對 rhFGF-21 的修飾。圖 4 為 mPEG-PropionALD-40KD 修飾 rhFGF-21 的 SDS-PAGE 圖,其中 M 為蛋白質(zhì) marker ;1 為 rhFGF-21 ;2 為 mPEG-PropionALD_40KD 對 rhFGF-21 的修飾。
具體實施例方式以下實施實例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容,但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。實例1、rhFGF-21的上游構(gòu)建與表達(dá)根據(jù)Gene Bank獲得人FGF_21cDNA序列后進(jìn)行大腸桿菌偏愛密碼子改變,設(shè)計 FGF-21的表達(dá)cDNA序列(SEQ ID NO :2),序列5,端和3,分別設(shè)計限制性內(nèi)切酶Nde I 和BamHI位點。委托寶生物工程(大連)有限公司全基因人工合成,并嵌入pMD_19_T載體且命名為pMD-FGF-21。質(zhì)粒pMD-FGF_21/DH5 α和表達(dá)載體質(zhì)粒pET_3c用限制性內(nèi)切酶 Nde I和BamH I雙酶切,根據(jù)1 %瓊脂糖電泳結(jié)果,回收pET_3c酶切后約4638bp的片段,回 收pMD-FGF-21酶切后的FGF_21cDNA約550bp的片段,將兩個片段用T4連接酶進(jìn)行連接。 用LA (胰蛋白胨2g,酵母提取物lg, NaCl 2g,瓊脂3g,加水定溶至200mL,121°C,高壓滅菌 30min,當(dāng)溫度降到50°C左右時加入Amp至終濃度為100ug/mL,取適量倒培養(yǎng)皿,凝固后即 成LA瓊脂平板)平板篩選重組子,Nde I和BamH I雙酶切鑒定陽性克隆。正確質(zhì)粒命名 為 pET-3c-FGF-21(圖 1)。再將質(zhì)粒 pET-3c-FGF_21 轉(zhuǎn)化 BL21 (DE3) plysS 宿主菌中,篩選 目的蛋白表達(dá)的工程菌命名pET-3c-FGF-21/BL21(DE3) plysS。用于表達(dá)的載體和宿主菌菌 購于Novagen公司,Nde I和BamH I酶購于寶生物工程(大連)有限公司。
將上述表達(dá)最佳工程菌株劃線接種于LA瓊脂平板,37°C培養(yǎng)過夜。從過夜培養(yǎng)的 LA平板上挑取菌苔接種于含LB液體培養(yǎng)基試管中,37°C培養(yǎng)12小時。然后按的比例 轉(zhuǎn)接到含200mL LB培養(yǎng)液的IOOOmL三角瓶中,37°C培養(yǎng)過夜即成為上罐種子液。將上罐 種子液按5%的比例接種于含20L M9YT培養(yǎng)液的30L發(fā)酵罐中,37°C培養(yǎng)。整過發(fā)酵過程 中,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、通空氣量、通純氧量來保持溶氧在30%以上,用28%的氨水調(diào)節(jié)pH并保 持在7. O。至菌液0D600 = 10 14時,加入終濃度為0. 5mM IPTG,繼續(xù)培養(yǎng)4小時獲得高 效hFGF-21 (圖2),SOOOrpm離心10分鐘,收集菌液,棄上清,收集菌體放入_20°C冰箱保存 實例 2、rhFGF-21 的純化從_20°C冰箱中取出菌體,按加入細(xì)菌裂解液(50mM Tris-HCl ρΗΙΟ. O, IOmM EDTA,0. 2mg/mL溶菌酶)中,37°C下攪拌1小時。冷卻后超聲(400W,工作時間5s,間歇 5s,超聲40個循環(huán)),12000rpm離心10分鐘棄上清,沉淀用溶液A (20mM Tris-HCl pH 10, 1 OmMEDTA, 2M urea, 1% TritonX-100)洗滌,37°C攪拌 30min,12000rpm 離心 10 分鐘,棄上 清。沉淀再用溶液 B(20mM Tris-HCl pH 10,4M urea, 1. OM NaCl)洗滌,37°C攪拌 30min,再 12000rpm離心10分鐘,收集包涵體(沉淀)。包涵體用溶解液(8M尿素,IOmM乙醇胺,PH11. 5,1/1000 β β _ME,2mM EDTA)溶解, 除去不溶物后,溶解液用Q-S印harose FF柱分離。用Q-S印harose FF平衡液(8M尿素, IOmM 乙醇胺,PH11. 5,1/1000 β -ME, 2mM/L EDTA)平衡 Q_s印harose FF 柱,上樣溶解液樣 品,再平衡。用0-500mM/L的NaCl線性洗脫,收集目的洗脫峰。包涵體的復(fù)性經(jīng)Q-s印harose純化的目的蛋白置于4°C復(fù)性液(20mMTris_HCl pH9. 0)中進(jìn)行透析復(fù)性H或稀釋復(fù)性12小時。復(fù)性液經(jīng)RP-HPLC(Waters公司C18柱純化流動相A液(0. 1 %三氟乙酸、5%乙 腈),流動相B液(0. 三氟乙酸、95%乙腈),0-100% B線性洗脫,進(jìn)一步純化復(fù)性后的 rhFGF-21 蛋白。經(jīng) RP-HPLC 純化的目的蛋白再經(jīng) Superdex-75 (Amersham Biosciences) (緩沖為IOmm的磷酸鹽緩沖,pH7. 4)凝膠柱層析獲得rhFGF-21的純度可達(dá)95%以上。實例3、mPEG-ButylALD-20KD 對 rhFGF-21 的修飾rhFGF-21溶液由實例2制備,mPEG-ButylALD_20KD (相對分子質(zhì)量為20 X IO3),氰 基硼氫化鈉(CH3BNNa)溶液作為α-NH2的活化劑。rhFGF-21溶液經(jīng)對IOOmM PB pH5. 0透析后,加入CH3BNNa終濃度為20mM。取 rhFGF-21 與 mPEG-ButylALD-20KD 質(zhì)量比 1 2,4°C條件下,100r/min 攪拌,反應(yīng) 24hr,取樣進(jìn)行SDS-PAGE電泳(圖3),確定PEG-20-FGF-21的修飾比例,其修飾率達(dá)到75%。
實例4、mPEG-Prop ionALD-40KD 對 rhFGF-21 的修飾rhFGF-21溶液經(jīng)對100mM/L PB pH5. O透析后,加入CH3BNNa終濃度為20mM。取 rhFGF-21 與 mPEG-ButylALD_40KD 質(zhì)量比 1 3,4°C條件下,100r/min 攪拌,反應(yīng) 24hr,取 樣進(jìn)行SDS-PAGE電泳(圖4),確定PEG-40-FGF-21的修飾比例,其修飾率達(dá)到70%。
實例5、PEG-FGF-21 的純化修飾后樣品PEG-FGF-21 (包括20KD和40KD PEG修飾),用DDW稀釋5_10倍后,調(diào) PH至8. O。采用Source 15-Q進(jìn)一步分離純化。用平衡液(50mM Tris-HCl pH8. 0)平衡后, 上樣再平衡。用0-500mM的NaCl線性洗脫,收集不含未修飾的rhFGF-21的PEG-20-FGF-21 或 PEG-40-FGF-21 洗脫峰。
實例6、PEG-20-FGF-21 和 PEG-40-FGF-21 體外生物活性測定3T3-L1前體脂肪細(xì)胞培養(yǎng)于含10% FBS的高糖DMEM中培養(yǎng)中,在37°C、5% C02, 飽和濕度條件下培養(yǎng),以2. 5 X IO4密度將細(xì)胞接種于12孔板中。待細(xì)胞生長至接觸抑制 時,用脂肪分化液 1(含 10% FBS,0. 25ymol/L dexamethasone、0· 5mmol/L IBMX、5mg/L 重 組人胰島素)的DMEM培養(yǎng)基分化48h后。再用脂肪分化液II (含10% FBS、5mg/L重組人 胰島素的DMEM培養(yǎng)基)繼續(xù)分化48h,此后用含10% FBS的DMEM培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng),每2d 換1次液直到90%以上(IOd左右)的細(xì)胞表現(xiàn)出脂肪細(xì)胞特征。已分化的成熟3T32L1脂肪細(xì)胞饑餓12h,分別將rhFGF-21、PEG-20_FGF_21和 PEG-40-FGF-21用細(xì)胞培養(yǎng)液(含0. 2% FBS的高糖DMEM培養(yǎng)基)稀釋成以下不同的濃度 (100nm、20nm、4nm、0. 8nm、0. 16nm、0. 032nm),分別處理細(xì)胞 24h_48h 后,分別取上清培養(yǎng)基 測定葡萄糖的含量,采用葡萄糖氧化酶-過氧化物酶法(G0D-P0D)測定,運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)分析實驗結(jié)果。結(jié)果顯示(圖5),不同濃度的 rhFGF-21、PEG-20-FGF-21 和 PEG-40-FGF-21 處理小鼠3T32L1脂肪細(xì)胞后,對葡萄糖的攝取利用顯著增加,呈劑量依賴關(guān)系。其中 PEG-20-FGF-21和PEG-40-FGF-21提高葡萄糖攝取利用率潛能比FGF-21有所降低。在相同 濃度條件下,PEG-20-FGF-21保留65%左右,PEG-40-FGF-21保留50%左右。實例7、PEG-FGF-21在⑶-1小鼠體內(nèi)的藥代動力學(xué) 取 CD-I 小鼠 48 只,隨機(jī)分成三組(PEG-20-FGF-21 組,PEG-40-FGF-21 組, rhFGF-21組)。每組按0. 4mg/kg皮下注射,于注射后0到144hr間,間隔多次取血。采用 FGF-21ELISAKit(康肽生物公司)測定血中FGF-21的血藥濃度,計算半衰期。
權(quán)利要求
一種化學(xué)修飾的人成纖維細(xì)胞生長因子 21(hFGF 21)偶聯(lián)物,其特征在于,具有如下結(jié)構(gòu)通式式中mPEG (CH2)n C 為醛基聚乙二醇鏈,其中n為1至7的整數(shù);NH 為N末端氨基;FGF 21為人成纖維細(xì)胞生長因子 21。F2009101046529C0000011.tif,F2009101046529C0000012.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人成纖維細(xì)胞生長因子-21偶聯(lián)物,其特征在于,所述人成纖 維細(xì)胞生長因子-21為天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21或天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21 的突變體或天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21的變異體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的FGF-21偶聯(lián)物,其特征在于,所述偶聯(lián)部分是直鏈或分支鏈聚乙二醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)修飾,其特征在于,聚乙二醇以N末端化學(xué)修飾人成纖維 細(xì)胞生長因子-21。
5.根據(jù)權(quán)利要求3、4任一項所述的聚乙二醇,其特征在于,所述聚乙二醇為醛基活化 的mPEG,其分子量為10KD-40KD。
6. 一種人成纖維細(xì)胞生長因子_21(hFGF-21)的化學(xué)修飾偶聯(lián)物的應(yīng)用,其特征在于, 該偶聯(lián)物可用于制備治療2型糖尿病、肥胖癥或代謝綜合癥的藥物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的藥物,其特征在于,所述藥物為治療有效劑量的權(quán)利要求1、 2、4任一項所述的用聚乙二醇N末端化學(xué)修飾天然人成纖維細(xì)胞生長因子-21及其突變體 和變異體的蛋白。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人成纖維細(xì)胞生長因子-21(hFGF-21)的化學(xué)修飾及其應(yīng)用。其特征為它是以分子量為10KD-40KD的聚乙二醇N末端化學(xué)修飾人成纖維細(xì)胞生長因子-21而形成的hFGF-21偶聯(lián)物。本發(fā)明的hFGF-21偶聯(lián)物修飾率高,產(chǎn)物均一;該偶聯(lián)物保持了hFGF-21在體內(nèi)的活性,改善了hFGF-21在體內(nèi)的藥物代謝動力學(xué)性質(zhì);同時,該偶聯(lián)物可用于制備治療2型糖尿病、肥胖癥或代謝綜合癥的藥物。
文檔編號A61P3/04GK101993494SQ20091010465
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月20日
發(fā)明者曹宇, 梅翔, 范開, 譚克海, 陳勇 申請人:重慶富進(jìn)生物醫(yī)藥有限公司