Archives quotidiennes : 22 septembre 2016






La PEGylation : définition, principes, méthodes et avantages


Qu’est ce que la PEGylation ?

PEGylationLa PEGylation désigne les techniques de modification de composés ou supports, par des chaines polymériques d’EthyleneGlycol (ou PolyEthylene Oxide, ou polyoxyethylene) ainsi que leurs applications.
Introduites dans les années 1970 pour améliorer la biodisponibilité de médicaments (durée de vie plasmatique, réduction de l’immunogénicité), ces techniques se sont diversifiées, embrassant des applications variées de la synthèse organique aux biomatériaux ou la culture cellulaire. 

Cet article rappelle quelques avantages majeurs générés par la PEGylation, puis présente quelques méthodes de PEGylation, notamment des agents PEG versus PEO, et leur  couplage par chimie click.

 

Principe et méthode de PEGylation

Pegyler une molécule ou un support consiste à la ou le greffer avec des chaines hydrophiles, ce qui induit diverses modifications physicochimiques au niveau moléculaire, principalement l’hydrophilicité, mais aussi le PM, l’encombrement stérique… Corolairement, au niveau macroscopique, on obtient des modifications physiques, biochimiques et biologiques mises à profit en industrie (matériaux), pharmaceutique (médicaments, vaccins), médical (prothèses)…

Le greffage est fait  usuellement par liaison covalente. Cependant, il est parfois réalisé par adsorption, ou piégeage (gels).

 

Avantages de la PEGylation

1/ L’amélioration des propriétés de la biomolécule

Modifier une biomolécule par un agent PEG ou PEO vise à améliorer ses propriétés et comportements au niveau moléculaire, dans l’organisme, ou dans une technique (analyse, purification, matériaux). Typiquement, on peut constater :

  • une solubilité et/ou hydrosolubilité améliorées
  • des effets stériques et hydrodynamiques (interactions moléculaires améliorées en milieux aqueux),
  • un effet espaceur (longueurs ajustables)
  • une non toxicité, faible immunogénicité, biodisponibilité améliorée…
  • une compatibilité avec toutes les chimies de couplage/marquage/fonctionnalisation

2/ Des caractéristiques, propriétés et applications aux déclinaisons multiples

Les agents de PEGylation sont polaires, donc solubles en solutions aqueuses ce qui les rend adaptés aux applications biologiques/biochimiques. Des concentrations supérieures sont réalisables lors de l’étape de couplage, autorisant des taux de couplage supérieurs.

Plus intéressant, l’hydrosolubilité est portée par le bras espaceur (et non par la fonction réactive des agents sulfonés (aussi polaires), qui est éliminée, donc l’hydrophilie est conférée au conjugué. Ce qui a pour implication les élements ci-dessous :

  • Les chaines hydrophiles favorisent la solubilité des conjugués en tampons aqueux, ce qui réduit l’agrégation parfois observée avec des conjugués formés par des crosslinkers classiques. Cela évite aussi des précipitations donc augmente la stabilité du conjugué.
  • L’hydrophilicité d’un médicament pegylé change sa distribution entre les compartiments dans l’organisme : il sera en général moins séquestré dans les compartiments gras et plus biodisponible. La mobilité est augmentée en solution aqueuse, modifiant en général favorablement l’interaction d’un médicament ou sonde affine vis-à-vis de sa cible (enzyme, récepteur sur une paroi biologique…).
  • Les poids et tailles moléculaires du conjugué sont augmentés, et modulables en fonction de la longueur de la chaine PEO/PEG. De petits PEG greffés peuvent rendre hydrosoluble avec une augmentation limitée de taille. Au contraire un médicament pegylé par de grands PEG ne sera plus filtré par les reins.
  • Le volume stérique, notamment hydrodynamique, est aussi accru. Cela permet de protéger bioactif contre une activité proteolytique, changer les propriétés de surface d’un support et ses interactions avec des solutés ou d’autres supports (effet anti agrégeant pour des particules). Ainsi, des propriétés macromoléculaires très intéressantes apparaissent (ex : capacité d’absorbtion et viscosité d’hydrogels ; séquestration/relargage d’agents actifs ; amphipilicité de polymères alternant des motifs hydrophiles et hydrophobes, CMC et nombre d’agrégation de micelles).
  • Les agents de PEGylation peuvent être ramifiés, ce qui permet de créer des structures originales (ex. dendrons) en solution ou immobilisées. La PEGylation crée alors des propriétés singulières au niveau physique (de par la stéricité), chimique voire biochimique (de par la multivalence).
  • Les agents de PEGylation sont proposés fonctionnalisés par des groupes utilisés en chimies classiques (NHS/Amine, Maléimide/Sulfhydrile,…) et modernes (chimies click). Il est alors possible de greffer des marqueurs (fluorophore, tag,…), des groupes affins, substrat, antigènes, oligos ou peptides, de facon bioorthogonale (sans interférer avec les composés biologiques / in vivo). La conjugaison peut associer plusieurs mêmes fonctions, ou des différentes qui se combinent ou interfèrent dans le polymère ou avec des partenaires (AntibodyDrugConjugate, affinité + substrat, fixation bispécifique, FRET, molecular beacons,…). Les constructions sont infinies, disposant ces fonctions linéairement ou non sur le PEG (ou à l’inverse: peptides multi-PEGylé), régulièrement (polymères) ou non…

3/ Les applications de la PEGylation sont très nombreuses :

  • synthèse organique,PEGylation application
  • biochimie,      
  • analyse,
  • purification,                  
  • fonctionnalisation de surface,
  • sciences des matériaux (bio-, nano-),
  • hydrogels,       
  • culture cellulaire,        
  • proteomics,
  • genomics

 

Comparaison de l’uricase et la PEG-uricase

Fig : Comparaison de l’uricase et la PEG-uricase La PEG-uricase comporte 40 polymères de PEG 10kDa.

La PEGylation :

  • accroit la solubilité au pH physiologique,
  • accroit la demi-vie dans le serum, 
  • réduit l’immunogenicité sans compromettre l’activité biologique.

 

PEGylation PEO versus PEG :

Les agents de PEGylation sont comparaison_PEG_PEO_pegylation_interchim_blog_0916obtenus en général par polymérisation et purification.
Ils présentent alors une certaine dispersion de taille/poids (MW), typiquement Gaussienne avec un index de dispersion (PDI) de 1.05 à 1.2 ce qui fait plus de 30 (voire 100) composés différents.
Cette dispersion, même au plus faible (~1%: pour les PEG dits ‘monodisperses’, ‘homogènes’, de 100 à 1250Da), génère une variabilité des conjugués souvent néfaste.
Il est rarement proposé des PEG parfaitement définis au niveau moléculaire (qualifiés de ‘discrets’ ou plus proprement ‘composé unique’).

PEG_PEO_Pegylation_interchim_blog_0916

Analyse HPLC de PEG discrets (PEO) et polydisperses (PEG): Le PEO est un produit mono-signal (composé unique), le PEG polydisperse n’est pas homogene (>14 composés)

Pour éviter l’ambiguïté des appellations, Interchim qualifie :
– ‘PEO’ ces derniers ‘single compounds’, d’origine synthétique (tailles jusqu’à 2KD, voire 8KDa);
– ‘PEG’ les composés classiques poly- et pauci- voir mono-disperses (de 0.1 à 300KD).

 

Chimies de PEGylation :

Chimie PEGylationLa PEGylation covalente utilise des crosslinkers à bras espaceur PEG ou PEO terminés par des groupes fonctionnels variés, en chimies de couplage classique (NHS/MAL, EDC,…) ou par chimies click (Azide, Alkyne, DBCO, CHO, 4FB, HyNic, AminoOxy…).

Ces dernières chimies, dites bioorthogonales (n’interférant pas avec les composés biologiques), présentent une spécificité et orientation du couplage chimique, tout en restant plus flexible et contrôlable (voir l’article ‘Chimies click et marquage métabolique’).

 

Retrouvez nos agents de PEGylation directement sur notre site, en cliquant ici ou en cliquant sur les propositions ci-dessous :

Type/espaceur :

  • PEG  (160-950Da à 1-300KD)
  • PEO (2 à 48)
  • Branché (multi-bras): arm (2 à 9 )

Groupes fonctionnels :