原位可控合成位点特异性药用蛋白质-高分子偶联物

Therapeutic proteins have become a class of important biologics for the treatment of human diseases；however, they often have several drawbacks, such as poor solubility and stability, short circulating half-life, and immunogenicity, which severely limit their clinical applications. To address these issues, we have recently developed site-specific in situ polymerization (SIP) technology for in situ synthesis of site-specific protein-polymer conjugates, but this technology currently has some limitations. For example, the methodology of site-specific protein modification is complicated and poor in universality, the reaction conditions are not mild, and the reaction efficiency is not high. In situ living radical polymerization is not well controlled, and it is hard to control and characterize the molecular weight and polydispersity of the polymer in situ formed. Consequently, it is difficult to in situ grow polymers with well-defined structure and properties. These issues limit the application of the SIP technology in modification of therapeutic proteins. Therefore, this project proposes to solve these problems by multi-interdisciplinary approaches, such as molecular biology, chemical biology and polymer chemistry, to develop new-generation SIP technology with own intellectual property that is suitable to modify therapeutic proteins. In addition, the influence of the structure and properties of the in situ polymer on the in vitro and in vivo characteristics of the protein will be investigated systematically, providing theoretical basis for the application of the new-generation SIP technology in medicine.

药用蛋白质已成为治疗人类疾病的一类重要生物药物；然而，由于溶解性和稳定性差、体内循环半衰期短以及免疫原性等问题，药用蛋白质在临床治疗中的应用仍受到严重制约。为了解决上述问题，近年来，我们研发了位点特异性原位聚合（SIP）技术以原位合成位点特异性蛋白质-高分子偶联物，但是目前该技术仍面临一些问题，如：蛋白质位点特异性修饰方法比较复杂、普适性较差、反应条件不温和以及反应效率较低；原位活性自由基聚合的可控性较差，难以控制和表征原位高分子的分子量和分布，因而难以原位可控生长出具有特定结构与功能的高分子。这些问题限制了SIP技术在药用蛋白质修饰上的应用。为此，本项目提出通过分子生物学、化学生物学和高分子化学等多学科交叉手段解决上述问题，研发出适用于药用蛋白质的具有自主知识产权的新一代SIP技术，并系统研究原位高分子结构与功能对蛋白质体内外特性的影响规律，为新一代SIP技术在医药中的应用提供理论依据。

与小分子药物相比，蛋白质药物具有更高的活性与特异性，同时还是治疗一些重大疾病的必需药物，但是蛋白质存在稳定性较差、体内循环半衰期较短、免疫原性等问题。解决这些问题的最常用方法是用聚乙二醇修饰蛋白质表面的反应性基团，形成蛋白质-聚乙二醇偶联物，这种方法通常被称为聚乙二醇化。聚乙二醇化可有效保护蛋白质，增加稳定性，同时增大蛋白质流体力学半径，减缓肾脏清除，延长循环半衰期，提高疗效，降低副作用。目前已有20个聚乙二醇化蛋白质药物被批准用于治疗多种重大疾病，但是传统的聚乙二醇化方法仍然存在亟需解决的问题，例如：（1）难以位点特异性（定点）修饰蛋白质，导致聚乙二醇化的产物为位点异构体混合物，蛋白质生物活性降低；（2）蛋白质与聚乙二醇之间的空间位阻效应导致聚乙二醇化效率低；（3）聚乙二醇是一种结构与功能简单的惰性的水溶性高分子，难以满足复杂的生物医药需求。针对这些关键问题，本项目开展了蛋白质-高分子偶联物定点高效可控合成与蛋白质递送研究。主要创新点如下：（1）发展了温和高效的定点原位聚合方法，实现了位点精准的蛋白质-高分子偶联物的高效合成，所合成的新型蛋白质-高分子偶联物不仅大幅度提高蛋白质的稳定性和循环半衰期，并且在生物活性与疗效上均大幅度优于传统的聚乙二醇化蛋白质；（2）建立了定点原位聚合诱导自组装方法，实现了两亲性蛋白质-高分子偶联物的可控自组装，并发现新型蛋白质-高分子偶联物自组装体在生物活性、循环半衰期、生物分布以及治疗功效上均大幅度优于传统的聚乙二醇化蛋白质；（3）发展了类弹性蛋白多肽融合方法，实现了蛋白质-多肽偶联物的精准合成，取得了长达1个月的零级药物释放动力学。这些研究成果突破了制约蛋白质-高分子偶联物发展的瓶颈，实现了新型蛋白质-高分子偶联物及其自组装体的定点高效合成，为研发下一代长效蛋白质药物提供了新的技术平台。