重組人生長激素穩定性研究進展

中圖分類號：R944.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533-(2010)09-0414-03

隨著生物技術的發展，多肽類藥物在臨床上的應用越來越廣泛，相應的制劑學研究也日益受到重視。與傳統小分子有機藥物相比，多肽具有穩定性差、體內半衰期短和生物膜透過性差等特點。在我國，重組人生長激素主要用于兒童內源性生長激素缺乏引起的矮小癥、Turner綜合癥、成人GHD、燒傷及創傷的修復等治療。隨著臨床研究的深入，其在抗衰老、骨質疏松和心血管疾病的治療方面亦顯示有很好的療效。近年來，重組人生長激素相關研究已成為國內外學者研究的熱點之一，研究范圍從工程菌培養、生產、發酵、純化、凍干，一直延伸到制劑的改良和穩定性提高等。本文就重組人生長激素的穩定性研究進展作一綜述。

1 人生長激素的結構特性和生理作用

人生長激素(hGH)是由腦垂體前葉分泌的一種單一肽鏈的蛋白質激素，含191個氨基酸殘基，分子量為22 KDa，有兩個二硫鍵，無糖基化，是人出生后促生長的最重要激素，有很強的種屬特異性。hGH是一種具有廣泛生理功能的生長調節劑，能影響幾乎所有的組織類型和細胞，甚至包括免疫組織、腦組織及造血系統，其主要作用是刺激骨、軟骨細胞的生長和分化，調節蛋白質、糖及脂肪的代謝。hGH發揮功能作用主要經由兩個途徑：一是誘導肝細胞、肌細胞產生生長激素介質(somatomedin，SM)，再經由SM間接起作用；二是直接作用于靶細胞產生生理效應。無論何種途徑，hGH都需要首先同細胞表面特異性受體結合，再由受體介導，激發一系列生化反應并最終產生生物效應。hGH的基本功能是刺激所有機體組織的發育，增加體細胞的大小與數量，hGH的這種促進細胞增殖作用的基礎是促進合成代謝。

2 引起重組人生長激素不穩定的因素及其物理、化學不穩定性

重組人生長激素(rhGH)是一種不穩定的蛋白藥物，暴露在生理環境中或與有機溶劑接觸易發生聚集，形成可溶性和不溶性的蛋白聚集體。一些物理因素如劇烈攪拌、冷凍干燥和射線輻照等也都會加速rhGH聚集。溫度和pH值是影響rhGH穩定性的最重要的因素。由于其結構的復雜性，很難總結出溫度對蛋白質結構和功能影響的普遍機理。一般來說，溫度越高，穩定性越差。蛋白質和多肽都是兩性電解質，當蛋白質處于極端pH值時，分子間靜電排斥增加，引起蛋白質折疊，這一過程會導致電荷密度降低，即降低靜電自由能。極端的pH值會降低鹽橋(salt bridge)的形成能力，這也會導致蛋白質穩定性降低。此外，天然結構與去折疊狀態內帶電基團的pKa值不同，pH值的改變會影響帶電基團的性質，導致結構改變。

多肽和蛋白質的不穩定性可以分為兩種情況，即物理不穩定性和化學不穩定性。最常見的物理不穩定性是聚合。最常見的化學反應包括以下幾種：1)脫酰胺反應。在脫酰胺反應中，Asn／Gin殘基水解形成Asp／Glu。非酶催化的脫酰胺反應與環境條件和多肽的結構有關，提高pH值、升高溫度都將有利于脫酰胺反應的進行。2)氧化。多肽溶液易氧化的主要原因有兩種，一是溶液中有過氧化物的污染，二是多肽的自發氧化。在所有的氨基酸殘基中，Met、Cys和His、Trp和Tyr等最易氧化。氧分壓、溫度和緩沖溶液對氧化也都有影響。3)水解。多肽中的肽鍵易水解斷裂，由Asp參與形成的肽鍵比其它肽鍵更易斷裂。4)形成錯誤的二硫鍵。二硫鍵之間或二硫鍵與巰基之間發生交換可形成錯誤的二硫鍵，導致三級結構改變和活性喪失。5)消旋。除Gly外，所有氨基酸殘基的(3C碳原子都是手性的，易在堿催化下發生消旋反應。6)β消除。β消除是指氨基酸殘基中β碳原子上基團的消除。Cys、Set、Thr、Phe和TYr等殘基都可通過消除降解。在堿性pH下易發生B消除，溫度和金屬離子對其也有影響。

3 提高重組人生長激素穩定性的途徑

3.1 化學修飾

目前研究最多的是聚乙二醇(PEG)修飾。PEG是一種水溶性高分子化合物，在體內可降解，無毒。PEG與多肽結合后能提高熱穩定性，抵抗蛋白酶的降解，降低抗原性，延長體內半衰期。選擇合適的修飾方法和控制修飾程度可保持或提高原生物活性。通過高效液相色譜法(HPLC)可對修飾結果進行評價。

3.2 使用添加劑

穩定蛋白質類藥物常加入的輔料有糖類、多元醇、表面活性劑、鹽、氨基酸和大分子化合物等。糖和多元醇在低濃度下迫使更多的水分子圍繞在蛋白質周圍，從而提高多肽的穩定性；表面活性劑可降低蛋白質溶液的表面張力，抑制蛋白質在疏水性表面的聚集、沉淀和吸附或阻止蛋白質的化學降解；鹽類可以起到穩定蛋白質的作用，也可以破壞蛋白質的穩定性，這主要取決于鹽的種類、濃度、離子相互作用的性質及蛋白質的電荷；一些氨基酸單獨或與其它輔料并用，通過優先排除機制穩定蛋白質，在凍干過程中，上述物質還可以取代水而與多肽形成氫鍵來穩定多肽的天然構象，而且還可以提高凍干制品的玻璃化溫度；大分子化合物穩定蛋白質的作用機制可能包括大分子的表面活性、優先排除、蛋白質一蛋白質相互作用的空間隱蔽度提高、限制蛋白質運動及優先吸附等。白蛋白(HSA)是穩定蛋白質常用的大分子物質，羥丙基β-環糊精(HP-p-CD)也是較有前途的蛋白質穩定劑。

此外，一些二價金屬離子如鈣、鎂、鋅和鈷等通過配位作用容易與蛋白質結合，使整個蛋白質結構更加緊實和穩定，從而使蛋白質穩定。使用不同的測試手段，如熱力學法和凝膠法可測試金屬離子和生長激素的結合部位。生長激素中的組氨酸的咪唑基、半胱氨酸的巰基可能是生長激素中的金屬結合位點。關于金屬離子對生長激素的影響可采用多種方法從不同角度去測量，如用差熱法去檢測鈣離子對重組人生長激素的影響，用熱穩定性檢測鎂離子對于生長激素的作用，測試鈷離子的金屬鍵對生長激素的影響”等。結果表明，金屬離子確實使生長激素的穩定性有所提高，但是其反應的機理和過程尚不明確，而且，對于測量方法也沒有最佳的評價方法，每個方法都有各自的優缺點。

3.3 其它

多肽發生的一系列化學反應如脫酰胺、消除和水解等都需要水參與，水含量降低還可使多肽的變性溫度升高，因此，使用凍干技術可提高多肽的穩定性。此外，通過使用生物降解材料，如聚乙交酯－丙交酯、乳酸羥基乙酸共聚物等制備重組人生長激素微球可達到較好的釋放效果并提高其穩定性。通過基因工程手段替換引起多肽不穩定的殘基或引入能增加多肽穩定性的殘基可提高多肽的穩定性。

4 重組人生長激素的分析檢測

rhGH屬于多肽類藥物的一種，其檢測方法與多肽類藥物相同。常用方法主要有高效液相色譜(HPLC)、毛細管電泳(HPCE)、質譜、凝膠電泳等法。檢測目的主要包括等電點測定(CIEF技術)、分子量測定(SDS—PAGE和SDS—CGE)、穩定性研究(HPCE輔以基質輔助激光解吸質譜法)、氨基酸組成分析(Edman酶解、化學降解法或直接多肽特異酶解后經HPCE和HPLC分離進入氨基酸自動分析儀進行序列測定)以及結構分析(質譜、核磁共振、傅立葉紅外轉換光譜、圓二柱色譜)等。

4.1 高效液相色譜

HPLC法是檢測多肽組分含量、純度最常用和最成熟的一種方法。其中，反相色譜柱對多肽類藥物的分析占高效液相色譜分析的80％以上。

4.2 毛細管電泳

HPCE主要用于多肽純度的鑒定。與HPLC法相比，HPCE具有更高的分辨率和靈敏度，某些純化的多肽在凝膠電泳和HPLC上鑒定純度為100％，但用HPCE分析純度僅90％。同時，HPCE法的進樣量也更少。

4.3 DSC熱差分析儀

使用熱差分析儀可對蛋白質藥物的熱穩定性進行分析。

4.4 快原子轟擊質譜

快原子轟擊質譜是準確測定多肽物質分子量的有效方法。由于不易獲得碎片峰，其在測定多肽順序上有困難，應用串聯質譜可解決這一問題。通過快原子轟擊質譜確定多肽分子量，在此基礎上通過活化碰撞(CA)技術可對氨基酸序列進行識別。

4.5 電噴霧電離質譜

電噴霧電離質譜依靠強電場使分子電離。電噴霧技術與串聯質譜聯用，不僅能測定生物分子的分子量，而且能確定多肽和蛋白質的序列信息。

4.6 基質輔助的激光解吸電離飛行時間質譜技術

基質輔助的激光解吸電離飛行時間質譜技術具有操作簡單、靈敏度高、質量分辨率高和測定質量范圍寬等特點，非常適合生物分子和高聚物的分子量測定。

4.7 核磁共振

核磁共振(NMR)可用于確定氨基酸序列，并可對混合物中的各組分含量進行分析。

5 結語

目前，對rhGH的研究主要集中在劑型的改良和穩定性研究上。隨著科技的進步，更加精密的檢測儀器的出現必將加速這一研究進程。未來研究方向可以分為幾個方面：1)聚乙二醇化rhGH的制備、純化、理化性質以及生物活性研究；2)金屬離子穩定rhGH機理的研究；3)rhGH液體制劑的開發和穩定性研究；4)采用生物可降解材料開發rhGH控釋、緩釋劑型的研究。