行研 | 小分子聚乙二醇：前沿修饰的“软黄金”（下）

03  聚乙二醇修饰药物应用进展

1. 蛋白、多肽类聚乙二醇修饰药势头正盛

蛋白和多肽类药物修饰是聚乙二醇化的主流应用场景。蛋白和多肽药物由多个氨基酸构成，此类药物作用于人体后往往迅速通过肾脏排出体外，或被大量存在于人体内的酶蛋白分解失活。因此，此类药物药效时间短，且会造成短时间内血液中药物浓度变化较大。另外，该类药物还可能被人体的免疫系统识别为体外异物，进一步造成不良反应。

通过合成特定的聚乙二醇衍生物（此衍生物的末端基团往往易于与特定蛋白或者多肽结合），并将其与蛋白/多肽类药物结合可形成长效化的聚乙二醇修饰蛋白/多肽类药物。由于聚乙二醇衍生物进一步增大了药物的相对分子量，使得其不容易被降解及被肾脏过滤排出体外，延长药物在体内维持的有效浓度时间；另外，长链状的聚乙二醇衍生物将药物包裹，避免药物迅速被酶解或被免疫系统识别；药物可缓慢在人体中释放，稳定了血药浓度，并减少了药物使用次数。

蛋白质、多肽类聚乙二醇化修饰药物种类繁多，常见物具体干扰素、人胰岛素、促红细胞生成素(EPO)、白介素和人生长激素等生物工程药。经由聚乙二醇修饰的长效蛋白和多肽类药物拥有显而易见的优势。未来，现有短效药物将进一步向长效药物过渡升级，整个聚乙二醇修饰药物的市场规模将随之扩大。

图表1 聚乙二醇对蛋白质、多肽类药物的修饰机理

2.小分子药物的聚乙二醇化修饰方兴未艾

一些小分子难溶药物，如喜树碱、紫杉醇等，主要用于恶性肿瘤和白血病等疾病的治疗。然而，许多有药物活性的小分子往往难溶于水且毒副作用大，难以制作成针剂或者注射液用于人体。由于聚乙二醇衍生物具有良好的水溶性，通过找寻能与特定小分子药物结合的末端基团，将聚乙二醇与小分子偶联后形成的药物也能迅速在水中溶解，从而制作成为针剂或注射液进而被人体所吸收。

此外，小分子药物的相对分子量普遍不大，极易被人体肾脏过滤排出体外。当小分子药物在人体中的浓度过低时，药效反应不明显；当其浓度过高时，又会对人体产生强烈的副作用。因此小分子往往需要在一定浓度范围内才能稳定地发挥药效。经由聚乙二醇修饰的小分子药物相对分子量增大，避免迅速被肾脏过滤排出体外，单次注射即可在人体内维持较长的有效药物浓度，使病灶处在给药间隙能持续保持有效药物浓度，增长药效半衰期，减少了病人的用药频率。

目前，已有部分聚乙二醇偶联小分子药物数量批准上市。2014 年，阿斯利康的纳洛酮聚乙二醇衍生物（Movantik）取得美国 FDA 批准，成为全球首款获批的聚乙二醇化修饰的小分子药物，用于伴有慢性非癌性疼痛的阿片药物诱导的成人便秘患者。经口服给药后作用于外周μ-阿片受体，是阿片受体拮抗剂纳洛酮的聚乙二醇衍生物。聚乙二醇可以降低纳洛酮穿过血脑屏障的能力，最大程度地减少阿片类药物的镇痛效果对中枢神经系统的干扰。

聚乙二醇化修饰在研管线已经开始向小分子领域探索，并取得了一定成果。国内聚乙二醇化药物在研管线仍以国内外已上市的成熟产品为主，但也有部分企业对肿瘤领域聚乙二醇长效化做出探索。

3. 前沿应用领域潜力巨大

如前文所述，PEG在mRNA递送中起着重要作用，此外，在siRNA递送、ADC linker等领域，都有着丰富的应用潜力。

siRNA是长度为 20 到 25 个核苷酸的双股 RNA，在生物学上有许多不同的用途。目前已知 siRNA 主要参与 RNA 干扰（RNAi）现象，即干扰了表达与互补的核苷酸序列的特定基因的转录后降解的 mRNA（message RNA，信使 RNA）从而防止其翻译，即以专一性的方式调节基因的表达。但由于 siRNA 相对较大且带负电荷，因此 siRNA 不易穿过特定细胞的细胞膜，并且它们非常容易被细胞内吞后形成内体并发展为溶酶体，后被其内大量的酶和酸降解。因此，开发新型基因递送平台将 siRNA 递送入目标细胞中并促进内体逃逸是研究人员面临的重大挑战。聚乙二醇化多聚纳米微粒可提高基因的穿膜效率，提高细胞内基因药物浓度，提升基因绑定能力，并提高内涵体逃逸效率。例如，体外抗肿瘤实验表明，聚乙二醇化可形成稳定的 300 纳米、80%络合效率的 siRNA 复合物，在应用于沉默淋巴瘤细胞 BLIMP-1 蛋白基因时，可显著降低细胞内 BLIMP-1 蛋白水平。

抗体偶联药物（ADC）是在肿瘤治疗中增长最快的领域之一，其由单克隆抗体（Antibody）、链接子（Linker）和活性药物（Payload）组成，通过单克隆抗体与肿瘤细胞表面的特异性抗原结合，将细胞毒药物定向递送到肿瘤病灶，对比传统的化药和生物药，明显提升了安全性和有效性。ADC药物从提出到现在，共经过了三代技术变革，目前一些完善的抗体修饰技术，先进的定点偶联技术以及强有效的小分子毒素的研发，ADC 药物研究如雨后春笋般的蓬勃发展，大量的 ADC 药物正在临床试验当中。

图表2  ADC药物的结构

目前，全球共有14款ADC药物获批上市。2020年，全球ADC药物销售超过38亿美元。2021年，全球ADC销售额突破50亿美元。预测2020-2027年复合增速超过30%。在全球ADC 药物研发热潮下，随着未来更多其它ADC药物获批以及适应症的不断拓展，销售额有望快速增长。根据202年Nature Reviews Drug Discovery的预测，到2026年全球已上市ADC药物的市场规模将超过164亿美元。

图表3  已获批ADC药物的全球销售及未来预测

选择最合适的 linker 对于 ADC 的研发过程至关重要。首款上市的ADC药物吉妥单抗的失败原因之一在于当时使用的 linker 化学性质不稳定，在未达到靶点时就易被水解，以致于药物毒性较大。连接细胞毒素分子和抗体的 linker 的结构以及化学性质对 ADC 药效有重要影响，对特异性和安全性也很重要。合适 linker 有助于维持抗体和药物之间的稳定性并帮助抗体选择性地将药物递送至肿瘤细胞和准确释放药物。

聚乙二醇是靶向治疗中应用最广泛的 linker 之一。PEG-linker 具有使用率高、靶向性强、调节 PH 值等特点。一方面，药物分子一般水溶性都比较差，linker 结构中加入 PEG，可以增加整个分子的水溶性。另一方面，PEG 可适当提高 DAR值（单位数量的抗体上所能携带的药物分子数量），使 ADC 药物在低毒性的基础上提高药效。此外，其也可提高 ADC的循环半衰期。云顶新耀的创新药戈沙妥组单抗便应用了PEG化的linker，该产品于2021年5月获批上市。

最近，PEG 双链接子技术出现，通过多种官能团的选择，PEG-linker 可以与不同的抗体和药物结合，形成不同的连接体，从而实现定点特异性链接，再到实现降解、缓释。这一技术不仅让难以突破的双抗 ADC 变成现实，还让“三抗”（三重免疫作用）药物成为了可能。运用两个特异性不同的 linker 对现有药物靶点进行组合，拓展了现有药物靶点的应用，并能够成功克服原有药物研发领域的一些技术壁垒，例如双抗 ADC、三重免疫等。

随着ADC药物市场规模不断扩大， PEG linker 作为解决其研发难点的关键部分，未来前景广阔。

04  小分子PEG需求迫切，量产成为核心瓶颈

1.传统技术痛点明显，小分子PEG大显身手

虽然聚乙二醇在多种药物递送中潜力巨大，但也面临着很多问题，乙二醇本身是混合物而产生一系列各种分子量大小的同系物，聚乙二醇的分子质量不均，将会直接影响修饰后药物分子的相对分子质量分布，进一步影响药物的均一性，甚至其稳定性，导致化学表征、纯度控制、生物活性、安全性以及一系列药代动力学变异性的问题，致药物研发和纯化的过程等变得复杂，对药物的疗效和安全性也有一定的影响。

随着医药事业的不断发展，对药品的质量要求越来越高，使用多分散性的聚乙二醇修饰药物分子已经不能满足当今社会对高质量药物的要求，因此，使用具有单一成分的单分散聚乙二醇代替多分散聚乙二醇就可以有效解决常规聚乙二醇的多分散性带来的难题。单分散性聚乙二醇是具有精确、非连续的分子量，确切的分子构型的纯化合物，可以精确测定相关衍生物的分子量、易于纯化表征和并且具有高批次重现性，这是制药行业中非常重要的特征。在基因药物递送、ADC Linker等领域使用单分散聚乙二醇替代多分散的聚乙二醇的需求更加迫切。

2.量产成为核心瓶颈，技术突破曙光初现

虽然单分散聚乙二醇具有显著的优势，但单分散聚乙二醇的合成要比简单聚合耗费更多的时间和资源，无法进行大规模的工业生产，因此，小单分散聚乙二醇价格昂贵，被称为“软黄金”，无法用于大规模的药物生产。1863年聚乙二醇首次被 Lourenco 和Wurtz 发现以来，之后有很多相关的研究，并取得了较大的进展。经过多年的发展，现有的合成单分散聚乙二醇的方法主要有四种：链双端倍增法、双端延伸法、链单端倍增法、单端延伸法。

• 链双端倍增法是出现最早的合成单分散聚乙二醇的方法，在 1936 年由 perry 等人最先提出研究，也是合成最为高效的一种方法。链双端倍增法是将一个双卤代聚乙二醇( PEGn)的两端分别与单钾盐化的聚乙二醇片段( PEGn)通过Williamson 反应来连接，获得长链 PEG3n，若此反应重复g次，最终获得链长为3gn 的聚乙二醇。但此合成方法虽可以使 PEGs 得到快速的扩增，但存在 PEGS的去对称化困难的问题。后来经过研究验证，通过链双端倍增法得到的并非单分散聚乙二醇，而是具有多分散性的聚乙二醇混合物。
• 双端延伸法是用固定长度的PEGs链进行逐步延伸，与链双端倍增法类似，均是通过 Williamson 反应来连接，反应效率低于链双端倍增法。与早期的链双端倍增法相比，双端延伸法不仅改变了反应模式，同时通过加入单官能团化的 PEGs 提高反应选择性。因此用双端延伸法能够获得高纯度的单分散聚乙二醇。但此方法虽解决了多分散性的问题，但合成效率低，且只能用于合成对称性的单分散聚乙二醇，限制了该方法的广泛应用。
• 为了解决以上合成方法出现的问题，直至 2004 年 Loiseau 等人提出双官能团保护法，即链单端倍增法，先将 2个 PEG 片段分别用保护基将段保护起来，再通过 Williamson 醚合成反应将2个PEGs 连接起来，重复操作其合成效率仅次于链双端倍增法。但该方法一般使用色谱柱纯化，其过程繁琐且昂贵。Loiseau 等人在纯化方法上做了改进，使用混合溶剂将单分散聚乙二醇通过重结晶的方法析出得到较高纯度的聚乙二醇。链单端倍增法虽合成效率高，但反应过程需要消耗大量的单官能团化的聚乙二醇，且随着链长的增加，单官能团化的聚乙二醇的合成效率越低，反应过程操作繁琐且十分不经济。
• 单端延伸法是最传统的合成方法，适合于单边保护的聚乙二醇的合成，可以合成不对称单分散聚乙二醇。但此方法每次 PEGs 链延伸都涉及一端羟基保护与脱保护的繁琐操作，且合成效率较低。

综上所述，利用传统的方法合成单分散聚乙二醇，存在繁琐的保护、脱保护、分离纯化困难、单官能团化困难和合成效率低等一系列问题。鉴于单分散聚乙二醇是目前在生物医学领域中使用最多的聚合物之一，合成适合药物修饰的单分散聚乙二醇具有十分重要的意义。随着研究的深入，单分散PEG的合成技术有所突破。

在科研领域，武汉大学江中兴团队在 2015 年开发了一种基于大环环硫酸的亲核开环反应高效合成单分散聚乙二醇及单官能团化的单分散聚乙二醇的方法，这种合成单分散聚乙二醇的方法先将聚乙二醇环合成大环环硫酸酯，,再通过较短链的聚乙二醇通过单端延伸法或双端延伸法进行亲核开环反应合成更长链的单分散聚乙二醇。与传统的合成方法相比，此方法合成高效、易于纯化，能够满足单官能团化的不对称性和对称性单分散聚乙二醇的合成。

图表4  基于大环环硫酸酯的单分散聚乙二醇及其衍生物的合成

在工业领域，博仁凯润药业通过自有知识产权技术，实现了单一分子量聚乙二醇的公斤级生产，并形成了成熟的可产业化的生产技术，开发了千种PEG LINKER类产品及其衍生物。公司开发聚乙二醇链接剂的规模化生产、开发新型可挂载主动靶向的聚乙二醇链接剂修饰的纳米脂质体制剂材料，目前是国内外多家头部药企、CRO企业的核心供应商。

图表5  博仁凯润发明专利

05  行业格局：大分子PEG龙头初现，小分子标的稀缺

1.健凯科技

在大分子PEG领域，代表公司为北京键凯科技股份有限公司（证券代码688356，证券简称健凯科技），公司成立于2001年，致力于医用药用聚乙二醇衍生物产业化，是国内规模化生产高质量医用药用聚乙二醇及其衍生物领域的先行者之一。

公司是主要从事医用药用聚乙二醇及其活性衍生物的研发、生产和销售的高新技术企业。同时，基于其拥有自主知识产权的聚乙二醇合成及聚乙二醇化技术，公司向下游客户提供聚乙二醇医药应用创新技术服务，并自主开发创新的聚乙二醇化药物和第三类医疗器械。是国内外为数不多能进行高纯度和低分散度的医用药用聚乙二醇及活性衍生物工业化生产的公司，填补了国内长期缺乏规模化生产高质量的医用药用聚乙二醇及其衍生物空白。

键凯科技于2020年在科创板上市，2019、2020、2021年收入分别为1.34亿元、1.87亿元、3.51亿元，当前市值101亿元（2023.1）。

鉴于小分子PEG未来巨大的市场潜力，公司也逐步开始探索该领域，公司合成方法开发部主要负责各种单一分子量PEG衍生物、阳离子脂质体、PEG化新药分子、ADC药物连接子的合同研发生产及新分子结构的设计、合成与工艺开发，公司目前提供提供用于ADC Linker的单一分子量PEG衍生物及PEG Linker 的定制合成服务。

2. 博仁凯润药业

博仁凯润是国内乃至全球单一分散PEG分子规模化生产领先企业。公司成立于2019年，创始人杨峰博士毕业于国内一流的糖化学实验室—中科院生物环境研究中心生物技术室孔繁作、杜宇国实验室，获得糖化学专业获博士学位，之后在加拿大著名的Alberta大学糖化学研究中心与美国加州大学UCSD医学院细胞分子药物系糖生物学训练中心进行博士后研究，曾就职于日本日东电工（Nitto Denko Technical），负责前沿药物递送技术的开发项目，开发的项目2016年在美国实现了10亿美金的技术转让。

公司主要从事国内外紧缺的聚乙二醇链接剂的定制生产、药物纳米制剂材料开发及针对肿瘤患者个性化抗癌药物靶向制剂材料的开发，公司利用自有知识产权技术，实现了单一分子量聚乙二醇的公斤级供给，公司开发已有上千种PEG Linker类产品，已形成了成熟的可产业化的生产技术，在化学合成技术层面上遥遥领先于其它同类公司，以满足诊断试剂、精准医疗化学药物用的链接剂市场的巨大需求，填补国内空白。

博仁凯润在新型靶向药物制药和诊断试剂等行业有广泛的用户群，客户包括诺华、礼来、康龙化成、药明康德等生物制药领域知名企业，并且是国内多家小分子PEG企业的上游供应商。

3. 厦门赛诺邦格

厦门赛诺邦格生物科技股份有限公司致力于药物释放业务。总部位于福建厦门，是一家专注于为全球制药公司、医疗器械公司、高校以及科研院所提供高纯度的聚乙二醇衍生物、嵌段共聚物、PEG化磷脂、新冠疫苗辅料、脂肪酸修饰侧链以及原料（包括长效生长激素侧链、索玛鲁肽侧链、利拉鲁肽侧链、十八烷二酸、十八烷二酸单叔丁酯、AEEA-AEEA等）、短肽类药物修饰侧链（索玛二肽、索玛四肽）和药用辅料的高新技术公司。

公司主要产品包括聚乙二醇化水凝胶、聚乙二醇化药物、聚乙二醇羟基原料、单分散聚乙二醇等。

4. 华腾制药

华腾制药是一家致力于高端生物医药化学产品研发及生产，同时开展精准靶向抗肿瘤新药研发的高新技术企业。公司自行研发生产的产品有几千种，包括大分子和小分子PEG衍生物、高端生物化学试剂、医药中间体、原料药、制剂和靶向抗肿瘤新药。

华腾制药利用自主研发的分子片段拼接技术、固相合成技术、凝胶过滤-离子交换分离-超大孔介质技术三大核心专利技术体系，建立起全球最大的PEG修饰剂分子库，并成功开发了多个药物的PEG修饰技术。

05  结语

随着近几年来在靶向药物开发领域的投入不断加大，及针对肿瘤患者个性化抗癌药物靶向制剂材料的开发需求十分强劲。尤其是最近美国两种最早接种的辉瑞和Modena的mRNA新冠疫苗须依靠脂质体纳米颗粒来进行药物输送的成功范例的刺激下，药用递送材料产业蓬勃大发展，将会属于战略战备的产业链上重要原材料基础开发行业。据悉，2020年年初美国辉瑞的新冠疫苗供给缓慢的主要瓶颈是药用纳米制剂材料的供给问题。而随着基因治疗、ADC、PROTAC等新一代技术不断成熟，为新的药物递送技术与递送材料提供广阔市场空间的时候也提出更高要求，递送在未来一定时间内依然是卡脖子的核心技术壁垒。

大分子聚乙二醇在医药领域已经有较为成熟的应用，多款药物获批上市，并取得了良好的治疗效果，但同时也看到，由于其的本身是混合物以及免疫原性，对药物化学表征、纯度控制、生物活性、安全性以及有效性带来了巨大的挑战，随着从监管到患者对药物质量要求的不断提高，更优质的新一代材料需求迫切，单分散PEG恰逢其时。

单分散PEG合成工艺极为复杂，限制了其在制药领域的广泛应用。能够使用简单的工艺、低成本实现大规模生产是目前迫切的需求，率先实现这一突破，将在生物医药的下一波浪潮中站在前列。（完）