骨形态发生蛋白制剂的制作方法

专利名称：骨形态发生蛋白制剂的制作方法
专利说明骨形态发生蛋白制剂 发明领域 本发明涉及可冻干的、并且在有机溶剂中稳定的蛋白制剂。本发明也涉及用于植入和控制蛋白局部递送的蛋白/聚合物药物递送装置。

背景技术：
骨形态发生蛋白(BMPs)是独特的，因为其诱导间充质细胞向骨系细胞分化，并且增强造骨细胞的分化功能。在整形外科中具有很多用途。
骨形态发生蛋白(单体和二聚体形式)包括TGF-β超家族因子、BMP-2、BMP4、BMP-6、BMP-7、BMP-12、BMP-14、和重组人生长分化因子5(rhGDF-5)。已经采用重组DNA技术生产用于医疗用途的rhGDF-5，其也称作形态发生蛋白52(MP52)。首次分离的rhGDF-5的cDNA作为TGF-β超家族成员(Biochem.Biophy.Res.Comm.，Vol.204，No.2.1994)。随后，高级遗传工程技术使得制备MP52成为可能，而且并不破坏其骨形态发生活性。
典型地，为了达到骨生长诱导的目的，需要持续暴露于BMP数天/星期。因此，BMPs必需与第二种化合物，代表性地是聚合物配制，形成药物递送基质的形式。蛋白质比传统的无机和有机药物要大并且更加复杂，除了复杂的三维结构外还具有多个功能基团。因此，用于治疗用途的这样蛋白制剂，要具有合适剂量形式则存在特殊问题。对于一种蛋白质，如rhGDF-5，要想保留其生物活性，制剂必需至少保持蛋白质氨基酸核心序列的构象完整性，同时保护蛋白质的多个功能基团免于降解。
蛋白/聚合物药物递送制剂中的聚合物基质不仅提供控制蛋白质定量释放速度的机制，而且更重要地，保护未释放蛋白质不与体液直接接触，所述接触可降解蛋白质。
在经历了制备蛋白/聚合物药物递送制剂所需要的制备步骤之后，要保持其生物活性是富有挑战性的。通常用于混合热塑性聚合物的高温经常使蛋白变性。因此，经常在聚合物/溶剂溶液中混合蛋白质制备蛋白/聚合物药物递送制剂，其中的溶剂是聚合物的溶剂。混合步骤后接着进行去除溶剂的步骤，得到最终的蛋白/聚合物制剂。
通常，然而，将蛋白质暴露于有机溶剂可使蛋白质降解。降解蛋白质的途径包括化学不稳定性(也就是任何通过健形成或断裂修饰蛋白质形成新的化合物实体的过程)或物理不稳定性(也就是蛋白质高级结构的变化)。化学不稳定性起因于脱酰胺作用、(外)消旋作用、水解、氧化、β消除或二硫化物替换。物理不稳定性起因于变性、聚集和沉淀，或例如，吸收。三种最通常的蛋白质降解途径是蛋白聚集、脱酰胺和氧化作用。因此，溶剂环境稳定剂对于保持暴露于有机溶剂时蛋白的稳定是至关重要的。
在不存在溶剂环境稳定剂时，rhGDF-5在暴露于有机溶剂如二烷和二氯甲烷后显著降解(化学和物理地)。例如，当有机溶剂是二烷时，由RP-HPLC和非还原条件下十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)观察到，这种降解是由于聚集或沉淀和非特异位点的氧化作用。暴露于二烷的rhGDF-5样品与温育在0.1％过氧化物溶液中的rhGDF-5样品具有相似的RP-HPLC层析峰图谱。非还原条件下SDS-PAGE检查这些样品时，只观察到对应于完整rhGDF-5的单一条带，显示物理聚集是沉淀的原因。
对于长期储存，蛋白质在干燥状态时通常具有更好的稳定性。冷冻-干燥或冻干法，是保存蛋白质普遍采用的技术，这两项技术均是从所需蛋白质制剂中去除水分。冻干法是使材料干燥的一种方法，首先将材料冷冻，然后通过在真空环境中升华将冰或冷冻溶剂除去。
然而，冷却和干燥过程本身可造成压力导致蛋白质降解。二聚物和其他非溶性蛋白聚集物表明，物理(非-共价)聚集，也导致蛋白损失。因此，在预冻干制剂中必需包含冻干保护剂以增强冷冻-干燥过程中的稳定性和/或提高储存中冻干产品的稳定性。
当蛋白暴露于溶剂时，会变性(解折叠)形成不可逆的聚集。变性蛋白趋向于更易于受不可逆化学过程如蛋白水解、氧化和脱酰胺作用的影响，从而造成蛋白生物活性的损失。
因此，本发明的一个目的是提供可冻干的、并且在有机溶剂中稳定的骨形态发生蛋白制剂。冻干制剂在正常储存条件下稳定贮存。进一步的目的是提供在有机溶剂环境中稳定的骨形态发生蛋白稳定制剂，所述有机溶剂环境适于构成植入和控制所述蛋白局部递送的聚合基质。
发明概述 本发明是蛋白制剂。所述制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂，和一定量的有效稳定制剂中骨形态发生蛋白的氧化/还原稳定剂。
令人惊奇地，蛋白制剂中添加氧化/还原稳定剂能显著增强制剂中骨形态发生蛋白的稳定性，相对于无氧化/还原稳定剂时获得的稳定性。增强的稳定性吸大的提高了制剂的治疗效果。
在另一个实施方案中，本发明是递送蛋白的医学装置。该装置包括聚合基质和掺入到聚合基质中的蛋白质制剂。所述蛋白制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂，和一定量的有效稳定医学装置中所述蛋白的氧化/还原稳定剂。
仍在另一个实施方案中，本发明是医学装置的涂层。该涂层包括聚合基质和掺入到聚合基质中的蛋白质制剂。所述蛋白制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂，和一定量的有效稳定涂层中所述蛋白的氧化/还原稳定剂。
本发明的蛋白制剂、医学装置和医学装置的涂层可用于所有需要骨生长诱导的应用中，特别是整形外科中。
发明祥述 可用于本发明的制剂中的骨形态发生蛋白(BMPs)包括，但不限于，TGF-β超家族因子、BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7、BMP-12、BMP-14、和重组人生长分化因子5(rhGDF-5)。优选的BMP是rhGDF-5，其也称作形态发生蛋白52(MP52)。制备MP52的方法产生的产物是在溶液中的形式。可商业购买溶液，其浓度至高达4.2mg/ml。
冻干保护剂增强冷冻-干燥过程中BMP的稳定性。其也提高冻干产品在储存过程中的稳定性。因此，其必需包括在预冷冻制剂中。用于本发明制剂中的冻干保护剂包括，但不限于，甘露醇、蔗糖、海藻糖和其混合物。在一个优选的实施方案中，用于本发明的冻干保护剂是甘露醇。在最优选的实施方案中，冻干保护剂是甘露醇和蔗糖的混合物。本发明制剂中骨形态发生蛋白与冻干保护剂的重量比是约1∶10到约1∶40。优选地，重量比是约1∶25到约1∶35。
氧化/还原稳定剂降低蛋白对不可逆化学过程如蛋白质水解、氧化和脱酰胺作用的易感性，所述过程造成蛋白生物活性的损失。这可发生在制剂最后灭菌过程中。我们已经证实这些稳定剂增加蛋白的稳定性。用于本发明制剂中的氧化/还原稳定剂包括，但不限于，牛血清白蛋白(BSA)、甲硫氨酸、L-精氨酸、组氨酸和环糊精。本发明制剂中骨形态发生蛋白与氧化/还原稳定剂的重量比是约1.2∶1到约1∶30。优选地，该重量比是约1∶3到约1∶15。
溶剂环境稳定剂可加入到本发明的制剂中。所述稳定剂有助于在蛋白接触有机溶剂时保持其稳定性。用于本发明制剂中的溶剂环境稳定剂包括，但不限于，聚氧乙烯山梨聚糖脂肪酸酯。优选地，用于本发明中的溶剂环境稳定剂是聚氧乙烯20去水山梨糖醇单油酸酯表面活性剂，商品名是吐温80(ICI AmericasInc.，Bridgewater NJ)。本发明制剂中骨形态发生蛋白与溶剂环境稳定剂的重量比是约7∶1到约1∶7。优选地，该重量比是约1∶1到约1∶2。
理想地，将MP52贮存液(通常冷冻在-80℃)慢慢解冻到约4℃。其他等级组分的贮存液的制备就是在去离子水中简单混合，其中的等级如美国药典等级(USP)或欧洲药典等级(PhEur)。将MP52贮存液，和冻干保护剂和氧化/还原稳定剂的溶液吸入冻干瓶中。简短地使溶液形成旋涡以保证均一性，然后放入冷冻干燥器中，进行合适的冷却和初级干燥和二级干燥循环。理想的冷冻干燥循环是-40℃下初级干燥约10小时，接着顺序在15℃、40℃下进行二级干燥，总共另外8小时。干燥过程中，真空维持在100mTorr。冷冻干燥后，通常形成无任何收缩和崩解迹象的干燥饼。白色片状饼的玻璃转化温度通常在60℃以上，残留水含量低于按重量计的3％。优选地含水量为约1％。
不易受有机溶剂影响的骨形态发生蛋白的稳定制剂，适合于构造蛋白/聚合物药物递送装置，所述装置用于植入和控制所述蛋白的局部递送。这样的医学装置的特征在于具有聚合基质和掺入其中的蛋白质制剂。这些装置包括膜、三维基质和微粒。稳定的蛋白制剂也用作许多类型的植入医学装置的涂层。在一相似的方式中，这些涂层具有聚合基质以及掺入其中的蛋白制剂。
在膜的情况时，将本发明的制剂与聚合物溶液混合，然后将混合物铸模形成膜。在去除溶剂后，聚合膜可植入到需要蛋白质的局部位置，所述蛋白从聚合基质中释放长达数周，仍旧保留生物活性。另外，所述膜包含至少一种成孔试剂，或致孔剂，其在植入前、植入过程中或植入后被去除产生多孔的膜以有助于释放蛋白质。
对于制备微粒，制剂被包裹在聚合物颗粒中，要么通过传统的水相/油相/水相(W/O/W)双层乳剂，要么通过旋转盘的方法，其中通过多种物理手段在盘周围雾化所述聚合物溶液。制剂也可封装入聚合颗粒中，然后研磨。微粒也可在存在致孔剂的情况下制备。
本发明的制剂也可用作多种植入医学装置上的蛋白/聚合物涂层。可包被本发明的蛋白/聚合物涂层的装置包括，但不限于，缝合线、针、整形外科的大头针、夹子、螺丝钉、盘子、回形针、U形钉、牵引钩、按钮、摁扣、手术器械、脊椎盘、流动移植物、和组织工程应用中的细胞支撑物。
构成用于医学装置和涂层的聚合基质的聚合物，可以是生物降解的或非生物降解的，其中的医学装置和涂层用于植入和控制所述蛋白的局部递送。在接触湿润的身体组织时，生物降解聚合物易分解为小的片段。然后片段要么被身体吸收，要么排出体外。更具体地，生物降解片段并不会诱发永久的慢性异物反应，因为其被身体吸收或排出体外，因此体内并不会有永久的痕迹或片段残留。
用于蛋白/聚合物药物递送装置和涂层的生物可降解聚合物和共聚物例子，包括同聚物，如聚(乙交酯)、聚(丙交酯)、聚(ε-己内酯)、聚(环丙烷碳酸酯)、和聚(对-二烷酮(dioxanone))；共聚物如聚(丙交酯-共(co)-乙交酯)、聚(ε-己内酯-共-乙交酯)、和聚(乙交酯-共-环丙烷碳酸酯)，其中所述装置和涂层用于植入和控制本发明的所述蛋白的控制局部递送。这些聚合物可以是统计学上的随机共聚体、多嵌段共聚物、嵌段共聚物或接枝共聚物。
下述实施例例证了本发明的原理和实施，但并不仅限于此。包含在本发明的范围和精神内的无数其他实施方案对于本领域技术人员来说是显而易见的。
实施例1MP52制剂 MP52贮存液(3.5mgMP52/ml 0.01标准HCL水溶液)，获自BIOPHARMGmbH(Heidelberg，Germany)，分成200微升每批。每200微升MP52贮存液具有0.7毫克MP52。对于每批MP52贮存液，以表1所示的量加入冻干保护剂、氧化/还原稳定剂、和溶剂环境稳定剂组合，制备各种制剂。
冻干保护剂是甘露醇(EM Science，Darmstadt，Germany)和蔗糖(Fisher，FakLawn，NJ)。氧化/还原稳定剂是甲硫氨酸(Sigma，St.Louis，MO)。溶剂环境稳定剂是TWEEN 80(Sigma，St.Louis，MO)。将制剂混合，并以下述循环冻干1)-40℃下初级干燥，和2)15℃下二级干燥，其中真空维持在100mTorr。总的冷冻-干燥时间约20小时。干燥制剂饼中典型含水量为1％-3％重量。
冻干样品浸在200微升二氯甲烷(Mallinckrodt Baker Inc.，Phillisburg，NJ)中，真空箱(23℃)中干燥过夜。冻干样品重新溶解在0.01标准(Normal)HCL水溶液中，通过反相高效液相层析(RP-HPLC)测定蛋白量。HPLC测试使用RP-HPLC系统(Waters，Milford，MA)，所述系统由泵(Model 510)和UV监测器(Waters 490E)和自动加样器(Waters 717 Plus auto sampler)组成。HPLC系统配有C18218TP54 Vydac柱(The Separation Group，Hesperia，CA)。所述柱子用流动相洗脱，其中以设定比例混合乙腈和0.1％三氟乙酸形成梯度模式。
表1显示各种制剂和RP-HPLC测定的MP52的复苏(recovery)百分比。
表1.制剂 表1显示单独的冻干保护剂(甘露醇和蔗糖)或与溶剂环境稳定剂(吐温80)的组合显示MP52复苏很少(少于50％)至没有(编号B-0到B-6)。当氧化/还原稳定剂(甲硫氨酸)加入到冻干保护剂(单独或与溶剂环境稳定剂的组合)时，MP52复苏率提高到超过80％。
实施例2比较氧化/还原稳定剂 MP52贮存液(3.5mgMP52/ml 0.01标准(Normal)HCL水溶液)，获自BIOPHARM GmbH(Heidelberg，Germany)，分成200微升每批。每200微升MP52贮存液具有0.7毫克MP52。对于每批MP52贮存液，以表2-6所示的量加入冻干保护剂、氧化/还原稳定剂、和溶剂环境稳定剂的组合，制备各种制剂。
冻干保护剂是甘露醇(EM Science，Darmstadt，Germany)和蔗糖(Fisher，FairLawn，NJ)。氧化/还原稳定剂是L-组氨酸、L-精氨酸、环糊精、牛血清白蛋白(BSA)和甲硫氨酸(所有都来自Sigma，St.Louis，MO)。溶剂环境稳定剂是TWEEN 80(Sigma，St.Louis，MO)。
将制剂如实施例1描述的混合并冻干。干燥制剂饼中典型含水量为1％-3％。如实施例1所描述的，冻干样品浸在200微升二氯甲烷中，真空箱(23℃)中干燥过夜。冻干样品重新溶解在0.01标准(Normal)HCL水溶液中，通过反相高效液相层析(RP-HPLC)测定蛋白量。
表2-6显示各种制剂和RP-HPLC测定的MP52的复苏(recovery)百分比。
表2.L-组氨酸制剂 表3.L-精氨酸制剂 表4.环糊精制剂 表5.牛血清白蛋白(BSA)制剂 表6.甲硫氨酸制剂 上述表显示所有测试的氧化/还原稳定剂都能增加MP52复苏。氧化/还原稳定剂甲硫氨酸和BSA显示最强的MP52复苏能力。
实施例3甲硫氨酸作为氧化/还原稳定剂 制剂包括MP52、冻干保护剂(甘露醇和蔗糖)、氧化/还原稳定剂(甲硫氨酸)，和溶剂环境稳定剂(吐温80)，如实施例1和2所述的混合并冻干。干燥制剂饼中典型含水量为1％-3％。如实施例1和2所描述的，冻干样品浸在200微升二氯甲烷中，真空箱(23℃)中干燥过夜。冻干样品重新溶解在0.01标准(Normal)HCL水溶液中，通过RP-HPLC测定蛋白量。表7显示所述制剂，以及RP-HPLC测定的MP52的复苏百分比。
表7.甲硫氨酸制剂 表7显示甲硫氨酸和少量吐温80的组合能够有效提高MP52蛋白的复苏率。此表也显示高水平的吐温80是无益处的。
实施例4从聚合物膜中释放MP52 聚(丙交酯-co-乙交酯)，或50/50PLGA聚合物(Alkermes，Cincinnati，OH)，固有粘度(L.V)为0.25-0.43dl/g，与二氯甲烷在30℃混合制备10％重量百分比的聚合物溶液。一种成孔剂，致孔剂188(BASF，Mt.Olive，NJ)以177.5毫克每5克聚合物溶液的比率加入到聚合物溶液中。致孔剂，也叫作Pluronic F68，是环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物。
将冻干制剂饼B-8-8m-2(参见实施例3，表7)研磨成小颗粒。将上述小颗粒与聚合物溶液混合，浓度水平分别为17％重量百分比(高)和5.25％重量百分比(低)，通过温和旋转以形成均一的悬浮液。将所述溶液倒入TEFLON-包被的模子中，室温下层流通风橱中凉干。
干燥的膜用于测试释放介质中MP52的释放，所述介质的组成20mmol醋酸钠和0.1％牛血清白蛋白(pH4.0)。每个时间点更换释放介质，更换下的释放介质使用如实施例1描述的RP-HPLC测定方法测定MP52。
表8.聚合物膜中MP52的累积释放 表8显示从蛋白装载膜中累积释放MP52的百分比。此表显示，在加速释放条件下，复苏的MP52是完整的。释放百分比与装载蛋白有正的相关性，较高装载的膜在48小时的加速研究中释放蛋白约80％，在同一个时间间隔较低装载膜仅释放61％。
实施例5包含MP52的微球 制备12单位的制剂，每单位制剂包含2.8mg MP52、分别10mg的甘露醇和蔗糖(冻干保护剂)、6mg甲硫氨酸(氧化/还原稳定剂)，和1mg吐温80(溶剂环境稳定剂)。如实施例1和2所述的依次将制剂混合并冻干。干燥制剂饼中典型含水量为1％-3％。冻干制剂饼研磨成小颗粒。
另外，将8克50/50PLGA聚合物(Alkermes，Cincinnati，OH)，固有粘度(I.V)为0.66-0.80dl/gm，溶解在二氯甲烷中制备5％(w/w)聚合物溶液。
将12单位的制剂通过高速旋转一分钟而悬浮在聚合物溶液中。
旋转盘装置如下所述室顶部的温度设定为58-60℃；底层室的温度设定为45-47℃，在底层收集颗粒。盘的直径为3英寸。悬浮蛋白粉的聚合物溶液以150g/min的速率添加到盘上，盘旋转速度为4000rpm。微球从系统雾化后，用旋流器上的玻璃瓶收集微球，使用氮气将微球从圆盘室吹入玻璃瓶。
筛选微球，收集尺寸小于65微米的微球。复苏(recover)MP52时，微球放入二氯甲烷中，其从聚合相中溶解，沉淀出MP52。MP52随后溶解在6M尿素和磷酸盐缓冲系统(pH＝2.75)中。使用反相高效液相层析(RP-HPLC)如上所述分析测定蛋白量。RP-HPLC分析测定结果为复苏的MP52占到微球最初总装载量的约80％。
权利要求
1.一种蛋白制剂，包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂，和一定量的有效稳定制剂中骨形态发生蛋白的氧化/还原稳定剂。
2.权利要求1的蛋白制剂，其中骨形态发生蛋白选自TGF-β超家族因子、BMP-2、BMP-4、BMP-6、BMP-7、BMP-12、BMP-14、和rhGDF-5。
3.权利要求2的蛋白制剂，其中骨形态发生蛋白是rhGDF-5。
4.权利要求1的蛋白制剂，其中冻干保护剂选自甘露醇、蔗糖和海藻糖。
5.权利要求4的蛋白制剂，其中冻干保护剂是甘露醇和蔗糖的混合物。
6.权利要求1的蛋白制剂，其中氧化/还原稳定剂选自牛血清白蛋白、甲硫氨酸、L-精氨酸、组氨酸和环糊精。
7.权利要求6的蛋白制剂，其中氧化/还原稳定剂是甲硫氨酸。
8.权利要求1的蛋白制剂，其中所述制剂进一步包括溶剂环境稳定剂。
9.权利要求8的蛋白制剂，其中溶剂环境稳定剂选自聚氧乙烯山梨聚糖脂肪酸酯和聚氧乙烯20去水山梨糖醇单油酸酯。
10.权利要求1的蛋白制剂，其中氧化/还原稳定剂在制剂中的含量是骨形态发生蛋白与氧化/还原稳定剂的重量比是约1.2∶1到约1∶30。
11.权利要求10的蛋白制剂，其中骨形态发生蛋白与氧化/还原稳定剂的重量比是约1∶3到约1∶15。
12.递送蛋白质的一种医学装置，所述装置包括聚合基质和掺入聚合基质中的蛋白制剂，其中的蛋白制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂、和一定量的有效稳定医学装置中所述蛋白的氧化/还原稳定剂。
13.权利要求12的医学装置，其中所述蛋白制剂进一步包括溶剂环境稳定剂。
14.权利要求12的医学装置，其中的聚合基质由生物可降解聚合物组成。
15.权利要求14的医学装置，其中的生物可降解聚合物选自聚(乙交酯)、聚(丙交酯)、聚(ε-己内酯)、聚(环丙烷碳酸酯)、聚(对-二烷酮(dioxanone))、聚(丙交酯-共(co)-乙交酯)、聚(ε-己内酯-共-乙交酯)、和聚(乙交酯-共-环丙烷碳酸酯)。
16.权利要求12的医学装置，其中所述装置的形式是膜、三维基质或微粒。
17.一种医学装置的涂层，所述涂层包括聚合基质和掺入聚合基质中的蛋白制剂，其中的蛋白制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂、和一定量的有效稳定涂层中所述蛋白的氧化/还原稳定剂。
18.权利要求17的涂层，其中所述制剂进一步包括溶剂环境稳定剂。
19.权利要求18的涂层，其中所述医学装置选自缝合线、针、整形外科的大头针、夹子、螺丝钉、盘子、回形针、U形钉、牵引钩、按钮、摁扣、手术器械、脊椎盘、流动移植物、和组织工程应用中的细胞支撑物。
全文摘要
可以被冻干、并且在有机溶剂中稳定的蛋白制剂。所述制剂包含骨形态发生蛋白、冻干保护剂、和氧化/还原稳定剂。任选地，所述制剂还包含溶剂环境稳定剂。所述蛋白制剂可以掺入到聚合基质中制备用于递送所述蛋白的医学装置，和医学装置的涂层。
文档编号A61K38/18GK101198348SQ200680021260
公开日2008年6月11日 申请日期2006年6月5日 优先权日2005年6月17日
发明者T·周, C·杨, J·C·吉辛, A·纳坦, J·J·哈默 申请人:伊西康公司