PEGylierung

Bei der sogenannten PEGylierung werden biopharmazeutische Wirkstoffe oder Diagnostika mit Polyethylenglykol (PEG) chemisch verbunden (konjugiert). Dabei werden kettenförmige Strukturen an den Wirkstoff oder das Diagnostikum angehängt, die diesen bzw. dieses nahezu vollständig umhüllen und somit zuverlässig gegen den vorzeitigen Abbau durch Antikörper oder körpereigene Enzyme, beispielsweise Proteasen, schützen. Durch diese „Maskierung“ kann der Wirkstoff (oder das Diagnostikum) Angriffen durch das Immunsystem und enzymatischen Abbauprozessen standhalten, ungehindert an seinen Bestimmungsort gelangen und seine therapeutische Wirkung effizient entfalten^[1]. Insbesondere bei biopharmazeutischen Wirkstoffen ist die PEGylierung ein sehr effizientes Verfahren zur einer wesentlichen Verringerung der Immunogenität, zu einer signifikant höheren Proteasestabilität und einer deutlich verlangsamten renalen Ausscheidung (über die Niere).

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Wirkungsmechanismus

In den 1970er Jahren entwickelten Davis, Abuchowski u.a. die Methode zur Konjugation von Polyethylenglycol (PEG) mit Proteinen. Das Verfahren ist heute Stand der Technik und wird bei einer Vielzahl von biopharmazeutischen Wirkstoffen und Diagnostika in der Produktion, als auch in Forschung und Entwicklung verwendet. PEGyliert werden dabei im wesentlichen Peptide, Protein und Antikörper und deren Fragmente, wie beispielsweise Aptamere. Die PEGylierung erhöht dabei die Sicherheit und Effizienz dieser Therapeutika. Die PEGylierung ändert die physikochemischen Eigenschaften, wie beispielsweise in der Konformation, den elektrostatische Bindungskräften und der Hydrophilie. Diese physikalischen und chemischen Änderungen erhöhen die systemische Retention des Therapeutikums. Ebenso kann die Bindungsaffinität des Therapeutikums an Zellrezeptoren und die Wirkstoffaufnahme und -verteilung erheblich beeinflusst werden.

Vorteile der PEGylierung

Die PEGylierung erhöht die Molekülmasse des Wirkstoffes und kann einige signifikante pharmakologische Vorteile gegenüber dem unmodifizierten Wirkstoff implizieren:

• erhöhte Wirkstofflöslichkeit
• Verlängerung der Zeiträume zwischen der Applizierung des Wirkstoffes ohne Reduzierung der Effizienz und meist geringeren toxischen Nebenwirkungen
• verlängerte Verweilzeit im Körper des Patienten, das heißt eine höhere Bioverfügbarkeit
• erhöhte Wirkstoffstabilität
• besserer Schutz gegen den Abbau durch Proteasen

Kommerziell gesehen hat die PEGylierung ebenfalls Vorteile. So können neben der Entwicklung patientenfreundlicherer Darreichungsformen und Dosierungen auch die Patentlaufzeiten älterer Wirkstoffpatente durch neue Patente verlängert werden.

PEGylierte Pharmazeutika

Der klinische Nutzen der PEGylierung ist allgemein anerkannt. Adagen^®, eine PEGylierte bovine Adenosin-Deaminase (ADAR = Adenosine Deaminase Acting on RNA), hergestellt von Enzon Pharmaceuticals Inc. (USA), war das erste PEGylierte Protein welches im März 1990 von der FDA zugelassen wurde. Seit der Einführung von Adagen hat eine Anzahl PEGylierter Proteine und Peptide die Zulassung erhalten und eine Vielzahl befindet sich in klinischen Studien oder im Entwicklungsstadium. Einige ausgewählte Beispiele:

• PEGasys: PEGyliertes α-Interferon zur Behandlung von Hepatitis C (Hoffmann-La Roche)^[2]
• PEG-Intron: PEGyliertes α-Interferon zur Behandlung der chronischen Hepatitis C (Schering-Plough / Enzon)
• Oncaspar: PEGylierte L-Asparaginase zur Behandlung der akuten lymphatischen Leukämie für Patienten, die eine Überempfindlichkeit gegenüber der unmodifizierten L-Asparaginase aufweisen (Enzon)
• Neulasta: Rekombinanter PEGylierter humaner Granulocyte-Colony Stimulating Factor G-CSF, zur Behandlung von Neutropenie nach einer Chemotherapie gegen Krebs (Amgen)
• Doxil: Ein PEGyliertes Liposom welches Doxorubicin enthält für die Chemotherapie von Krebs eingesetzt wird (Sequus)
• CERA (Continuous Erythropoiesis Receptor Activator): ein PEGyliertes Erythropoetin („EPO“), derzeit in klinischer Studie, Phase III (Hoffmann-La Roche)
• Pegaptanib (PEGylated aptamer inhibitor): ein PEGyliertes anti-VEGF-Aptamer zur Behandlung der feuchten altersabhängigen Makula-Degeneration (AMD)

Die PEGylierung

Der erste Schritt zur PEGylierung ist die Funktionalisierung des Polyethylengylcol-Moleküls an beiden Enden. Polyethylenglycole, die an beiden Molekülenden mit der gleichen funktionellen Gruppe aktiviert sind, heißen „homobifunktional“. Bei der Funktionalisierung mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen spricht man von „heterobifunktional“ oder „heterofunktional“. Die funktionellen Gruppen sind so aktiviert, dass sie das PEG an das gewünschte Zielmolekül chemisch binden.

Die Wahl der funktionellen Gruppen an den Enden des PEG ist davon abhängig, welche reaktiven Gruppen das Zielmolekül hat, an welches das PEG gekoppelt werden soll. Bei Proteinen sind die typischen Bindungsstellen die reaktiven Aminosäuren Lysin, Cystein, Histidin, Arginin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Serin, Threonin, Tyrosin, das heißt im wesentlichen endständige Amino-Gruppen oder endständige Carboxyl-Gruppen.

Die Technik der ersten Generation der PEGylierung nutzte dabei generell Verbindungen aus, die mit den Hydroxylgruppen des PEGs reagieren, wie beispielsweise Carbonsäureanhydride oder Säurechloride. In der zweiten Generation der PEGylierungschemie werden leistungsfähigere funktionelle Gruppen wie beispielsweiseAldehyde oder Ester für die Konjugation mit dem entsprechenden Biomolekül eingesetzt.

Durch die Weiterentwicklung und Verbreitung der PEGylierung ist der Bedarf an heterobifunktionalen PEGs für die Konjugation gestiegen. Diese PEGs sind sehr nützlich, um zwei Entitäten miteinander zu verbinden, wenn ein hydrophiler biokompatibler Spacer benötigt wird. Bevorzugte Endgruppen sind Maleimide, Vinylsulfonate, Amine, Carboxylsäuren und NHS-Ester.

Literaturhinweise

• Abuchowski, McCoy, Palczuk, van Es und Davis, Effect of covalent attachment of polyethylene glycol on immunogenicity and circulating life of bovine liver catalase., in J. Biol. Chem. 252/1977, S. 3582-3586
• Conan Fee, Size-exclusion reaction chromatography (SERC): A new technique for protein PEGylation., in Biotechnology and Bioengineering, 82/2003, S. 200-206
• Fee, Alstine, PEG-proteins: Reaction engineering and separation issues., in Chemical Engineering Science 61/2006, S. 924-939
• Kodera, Matsushima et. al., Pegylation of proteins and bioactive substances for medical and technical applications. in Progress in Polymer Science, 23/1998, S. 1233-1271
• Morar et. al., PEGylation of Proteins: A Structural Approach., in Biopharm International, 19/2006, S. 34
• Roberts et. al., Chemistry for peptide and protein PEGylation., in Advanced Drug Delivery Reviews, 54/2002, S. 459-476
• Veronese, Peptide and protein PEGylation: a review of problems and solutions., in Biomaterials 22/2001, S. 405-417
• Veronese und Harris , Introduction and overview of peptide and protein pegylation., in Advanced Drug Delivery Reviews, 54/2002, S. 453-456
• Veronese and Pasut, PEGylation, successful approach to drug delivery., in Drug Discovery Today 10/2005, S. 1451-1458

Quellen

1. ↑ Das Ziel der PEGylierung
2. ↑ Pegasys von Roche, ein pegyliertes Interferon