藥物的聚乙二醇修飾研究進(jìn)展

2009年第29卷有機化學(xué)vol.29,2009第8期,1167~1174Chinese Journal of Organic ChemistryNo8,116~1174綜述與進(jìn)展·藥物的聚乙二醇修飾研究進(jìn)展路娟硏劉清飛b羅國安*王義明(清華大學(xué)化學(xué)系北京10004)(清華大學(xué)醫學(xué)院北京100084摘要簡(jiǎn)要介紹了聚乙二醇( polyethylene glycol,PG)的生理化學(xué)特性,藥物的聚乙二醇修飾的優(yōu)勢,詳細介紹了蛋白質(zhì)藥物和小分子藥物的聚乙二醇修飾技術(shù)及其在藥物研究中的應用進(jìn)展,認為藥物的聚乙二醇修飾技術(shù)通過(guò)改變藥物的分子結構,可以有效地改善藥物動(dòng)力學(xué)和藥效等性質(zhì),增加注射藥物的臨床應用范圍同時(shí)基于藥物的聚乙二醇修飾技術(shù)的優(yōu)勢和研究現狀,評述了藥物的聚乙二醇修飾技術(shù)的發(fā)展前景關(guān)鍵詞聚乙二醇修飾技術(shù);蛋白質(zhì);小分子藥物Advances in PEGylation of Drug ConjugatesLu, Juan" Liu, Qingfei Luo, Guoan*a Wang, YimingC institute of Biomedicine, Tsinghua University, Beijing 10084Abstract The current review presents the advances in PEGylation of drug conjugates based on plentifulliteratures up to date. The physiochemical properties of PEG [poly(ethylene glycol)] and advantages of Pe-Gylation for drug conjugates are introduced briefly. The technology of PEGylation of protein and small mo-lecular drug conjugates and application to drug investigation are presented in detail It is found that PeGylation technology can effectively improve the pharmacokinetic and pharmacodynamic properties of drugs byaltering the structures of drug conjugates. It also presents a method to extend the area of clinic application ofdrug conjugates. The foresight of development and investigation of PEGylation of drug conjugates is alsobrought forward based on the discussion of advantages and investigation status in quo of PEGylation techKeywords PEGylation; protein; small molecular drug聚乙二醇 polyethylene glycol, PEG)是一種pH中性,白,發(fā)現可以有效地改變其免疫性質(zhì).隨后研究者采用無(wú)毒,水溶性較高的親水聚合物,其重復單元為氧乙烯PEG修飾抗癌藥物天門(mén)冬酰胺酶,并將其應用于臨床基,端基為兩個(gè)羥基,呈線(xiàn)性或支化鏈狀結構PEG聚除此之外,研究者還成功地將PEG應用于酰苷脫氨合物是迄今為止已知聚合物中蛋白和細胞吸收水平最酶、干擾素等蛋白質(zhì)藥物°明、喜樹(shù)堿、紫杉醇低的聚合物,由于PEG無(wú)毒及良好的生物相容性,阿糖胞苷1、燈盞乙素等小分子藥物的修飾.由于PEG已被FDA批準可作為體內注射藥用聚合物.藥物PEG修飾后的藥物分子量增加,超出腎臟過(guò)濾的分子量的PEG修飾是將活化的PEG通過(guò)化學(xué)方法偶聯(lián)到藥物范圍她地長(cháng)物的半衰期,增強藥物的上的過(guò)程,即PEG化( PEGylation,PEG最早用于藥物修穩定忄中國煤化工般均增加,藥物通飾,是1977年 Abuchowsk等用PEG來(lái)修飾牛血清蛋過(guò)改CNMHG力學(xué)和藥效等性質(zhì),.E-mail:luoga@mail.tsinghua.edu.cnReceived September 20, 2008; revised November 20, 2008; accepted January 8, 2009116有機化學(xué)VoL.29,2009提高了作用部位的血藥濃度1與SOD相連從而在SOD外圍形成了一個(gè)保護膜,使穩PEG修飾后的藥物與修飾前相比,具有突出的優(yōu)定酶分子構象的次級鏈得到了保護,從而增強了對熱勢卟s:()藥物的溶解性提高;(2)半衰期延長(cháng);(3)最大酸、堿和酶破壞的耐受性,使其穩定性明顯提高.血藥濃度降低,血藥濃度波動(dòng)較小;(4)酶降解作用減少,姚文兵等回用三光氣和羥基琥珀酰亞胺對免疫原性和抗原性減少;(5)毒性降低.本文以蛋白質(zhì)以mPEG5000進(jìn)行活化,再對人干擾素a2b進(jìn)行了修飾研及喜樹(shù)堿、紫杉醇、阿糖胞苷和燈盞乙素四種小分子藥究,反應方程式如Fq1所示物為例,對PEG修飾藥物的近三十年的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述R-NPEG (1)PEG1PEG對蛋白質(zhì)藥物的修飾結果表明,修飾后其熱穩定性和耐酸堿穩定性有極在臨床上,蛋白質(zhì)類(lèi)藥物作用位點(diǎn)專(zhuān)一、療效明確,大提高,體內半衰期明顯延長(cháng)他們2還以不同濃度但是在胃腸道內極易被蛋白酶水解,血漿中半衰期較的PEG修飾后的人千擾素a2b和人干擾素a-2b對人肝短,抗原性較強,采用PEG修飾技術(shù)可以改變蛋白質(zhì)的癌細胞(SMMC-7721)、人紅白血病細胞(K562)、人宮頸生物化學(xué)特性,增加蛋白水溶性和穩定性,已有大量文癌細胞(HeLa)、人鼻咽癌細胞(KB)和人胃癌細胞(BGC)獻報道8PEG化蛋白在保留天然蛋白質(zhì)的內在生物學(xué)的生長(cháng)均有不同程度的抑制作用進(jìn)行比較,發(fā)現PEG活性的同時(shí),能有效克服蛋白質(zhì)類(lèi)藥物在臨床應用中的修飾后的人干擾素的抗腫瘤細胞增殖作用優(yōu)于干擾素些缺點(diǎn),如可以提高血漿半衰期,增強生物利用度,12巰基的修飾降低蛋白質(zhì)的免疫原性,提高藥物療效及安全性等巰基在蛋白質(zhì)組成中通常含量不高,但是位置確為了使PEG在較溫和的反應條件下與蛋白質(zhì)偶聯(lián),定,因而可針對那些對活性影響不大、呈游離狀態(tài)的巰需將PEG活化,活化后的PEG再與蛋白質(zhì)分子上的氨基進(jìn)行定量、定點(diǎn)修飾.目前可用于巰基修飾的活化基、巰基或羧基進(jìn)行偶聯(lián),以下按照蛋白質(zhì)分子上與PEG有以下幾種:(1)PEG鄰-吡啶-二硫醚(PEG-orhoPEG偶聯(lián)基團的不同進(jìn)行分類(lèi)介紹pyridyl-disulphide);(2)PEG馬來(lái)酰亞胺( PEG-maleim1.1氨基的修飾ide;(3)PEG-乙烯基砜( PEG-vinylsulfone);(4)PEG碘乙蛋白質(zhì)分子表面的氨基有較高的親核反應活性,因酰胺( PEG-iodoacetamide)而是蛋白質(zhì)化學(xué)修飾中最常被修飾的基團.用于氨基修Goodson等通過(guò)重組技術(shù)把Cys殘基引入白介素飾的PEG的種類(lèi)較多,其中氰脲酰氯法為最經(jīng)典的(rL2)的非活性單糖基化位點(diǎn),采用馬來(lái)酰亞胺活化的PEG活化方法,烷基化( alkylating)pEGs和?；疨EG(PEG- maleimide)對其進(jìn)行修飾反應方程式如Fq( acylation)PFGs也是兩種常用的PEG活化方法2所示季波等2采用氰脲酰氯法先對聚乙二醇單甲醚6000(mPEG6000進(jìn)行活化(如 Scheme 1所小,再以活化后的PEG對牛血Cu,Zn-SOD凍干粉進(jìn)行化學(xué)修飾,N-PEGR-SHN-PEG制得 PEG-SOD與天然的SOD相比, PEG-SOD衍生物在耐熱酸堿以及抗酶解方面都有顯著(zhù)提高,而抗胰蛋白酶的能結果表明, PEG-Cys-rIL-2與rL2具有幾乎相同的力強于抗胃蛋白酶.主要原因是PEG作為一種修飾劑生物活性,而前者在體循環(huán)中的滯留時(shí)間是后者的4倍O-mPEGo—mPEGO-mPEGO-mPEG中國煤化工o--mPEGeYHCNMHGScheme 1路娟等:藥物的聚乙二醇修飾研究進(jìn)展11693羧基的修飾可以把它的許多優(yōu)良性質(zhì)也隨之轉移到結合物中,使該羧基也是蛋白質(zhì)分子側鏈上常見(jiàn)的化學(xué)反應基團,聚合物具有優(yōu)異的生物相容性,在體內能溶于組織液般在二環(huán)己基碳二亞胺DCC)或1-乙基-3-二甲氨基中,能被機體迅速排出體外而不產(chǎn)生任何毒副作用,因丙基-碳二亞胺鹽酸鹽EDC存在下,羧基可與氨基此它在醫學(xué)上的應用受到了廣泛的重視,目前以抗腫瘤PEG結合,如Eq3所示藥物為多.近年來(lái),采用PEG修飾技術(shù)的小分子藥物主要有:紫杉醇,喜樹(shù)堿,阿糖胞苷,燈盞乙素等.PEG修dr"wa o ow EDc pecor p R飾小分子藥物,仍然主要與藥物的OH,NH2,COOH等基團反應,小分子藥物與PEG的連接,既可以是永久性連接,也可以做成前體藥物,目前前體藥物的形式較為自1990年始PEG修飾的蛋白類(lèi)藥物,如腺苷脫氨多見(jiàn)酶、天冬酰胺酶、粒細胞集落刺激因子、以及兩種亞型2.1永久性連接a干擾素(HN-a)已獲美國食品和藥物管理局(FDA批準993年,人們開(kāi)始致力于藥物載體方面的研究,利上市.2005年,FDA批準了治療老年黃斑變性的新PEG用低分子量的PEG與藥物成永久性連接的方式來(lái)改善制劑 Macugen(其主要成分為能抑制血管內皮生長(cháng)因子抗癌藥物的水溶性.其中最典型的例子為 Greenwald的蛋白質(zhì)類(lèi)藥物 Pegaptanib);2006年,批準了PEG化蛋等用低分子量(5000的PEG修飾紫杉醇的7OH,化白質(zhì)類(lèi)新藥 Neulastin(PEG化菲格司汀,用于治療癌癥學(xué)反應 Scheme2如所示病人經(jīng)化療后白細胞數量減少癥)和 Oncaspar(即PEG化聚乙二醇單甲(mPEG)與紫杉醇7-OH以碳酸鹽和天冬氨酸酶,可用于治療急性淋巴母細胞白血病2007氮基甲酸鹽的鍵和方式永久性連接,得到產(chǎn)物的溶解度年,新批準一種PEG化新制劑Mcom(PEG化促紅素)比紫杉醇增大3000倍,但抑瘤活性卻幾乎完全喪失上市,目前尚有多種PEG化的蛋白質(zhì)藥物處于臨床研究階段22前體藥物2.21PEG對喜樹(shù)堿的修飾2PEG對小分子藥物的修飾喜樹(shù)堿( Camptothecin,cP)是1966年從珙桐科植物喜樹(shù)( Camptotheca acuminata)中提取的一種細胞毒性很多有機小分子藥物也逐漸采用PEG修飾技術(shù),生物堿,其化學(xué)結構式如圖1所示并取得了一定的進(jìn)展,聚乙二醇對小分子藥物的修飾,(CH3 COhOOCONHRNaHCO3Dibutyltin dilauratec5°bAcc。 HsCOHN中國煤化工∞CNMHGHs1170有機化學(xué)vol.29.2009表1不同連接基團對PEG喜樹(shù)堿藥動(dòng)學(xué)參數影響Table 1 The influence of different spacer on pharmacokineticparameters of PEG-CPTCompound tu/min funN'min Mean residence time/hPEG-CPT圖1喜樹(shù)堿的化學(xué)結構式PEG-Gly-CPT75Figure 1 Chemical structure of CamptothecinPEG-Ala-CPT 8159CPT具有明顯的抗腫瘤活性,尤其對消化道腫瘤、白血病、膀胱癌等活性更強,但是由于其水溶性差而限大限制了其臨床應用及發(fā)展,近年來(lái)為了改善其水溶性制了其臨床應用,所以成為了用于聚乙二醇修飾的首選和藥理作用人們做了大量的嘗試,發(fā)現PEG對紫杉醇藥物 Greenwald等報道了PEG對喜樹(shù)堿的修飾路的修飾是最有前景的一種方法線(xiàn),如 Scheme2所示,PEG40000對喜樹(shù)堿20OH進(jìn)行修飾后在水中的溶解度約為2mg/mL,是原藥喜樹(shù)堿溶解度(00025mg/mL)的800倍.喜樹(shù)堿結構中的內酯和20位的叔醇都是抑制拓撲酶的基本活性部位,PEG對20-羥基的修飾不僅增加了藥物的水溶性,還提高了內酯的穩定性,同時(shí)賦予了藥物抗腫瘤的靶向性,動(dòng)物實(shí)圖2紫杉醇的結構式驗發(fā)現前藥在腫瘤部位的藥物濃度是喜樹(shù)堿的30倍,Figure 2 Chemical structure of paclitaxel大大提高了其療效,現該藥物已進(jìn)入臨床階段以不同種類(lèi)和系列的氨基酸作為連接基( ( spacer),Greenwald等.用高分子(40000的 mPEG-COOH發(fā)現不同的連接基會(huì )不同程度地影響喜樹(shù)堿的活性,表與紫杉醇的2OH反應,如 Scheme3所示,產(chǎn)物水解后1為不同連接基團對PEG-喜樹(shù)堿前藥藥動(dòng)學(xué)參數的影釋放出紫杉醇,在體外和體內實(shí)驗中,抑瘤活性和紫杉響,從表中可以看出,采用Gy,Ala作為連接基時(shí)藥動(dòng)醇相同或更好.學(xué)參數要明顯優(yōu)于 PEG-CPTGreenwald等以不同種類(lèi)和系列的氨基酸作為連222PEG對紫杉醇的修飾接基,如 Scheme4所示,發(fā)現不同的連接基會(huì )不同程度地影響紫杉醇的活性.Feng等也合成了一系列PEG紫杉醇( paclitaxel,商品名Taxo)是由太平洋杉樹(shù)中化的紫杉醇,如 Scheme5所示,同樣證明了不同的連接分離出的一種天然產(chǎn)物,化學(xué)結構式如圖2所示,對卵巢癌、乳腺癌、非小細胞肺癌以及與艾滋病有關(guān)的癌癥基對紫杉醇的活性的影響2PEG紫杉醇的溶解度為125g,是原藥紫杉醇有很好的療效.然而由于紫杉醇本身幾乎不溶于水,大(1)DIPC, Boc-N-XOHCamptothecin(2)TFAX-NHRPEG-Diacid DMAPPEG-DiacidCH30-Spacert.中國煤化工CNMHGScheme 3路娟等:藥物的聚乙二醇修飾研究進(jìn)展)Amino acid i-Bu esterIPC DMAP(2)Trifluoroacetic acidPEGPEGcheme 4Succinic anhydridePEG(OH)→/PEGo及 NHS, DCCOHPEG-OAmino acidPaclitaxolPEGOCOCH2 CH/ CO-AA) DCC DMAP PEG(OCOCH2CHzCO-AA-2-TaxolkScheme 5(025μg/mL)的50000倍.P3880白血病動(dòng)物模型證明2-PEG紫杉醇的療效要優(yōu)于未修飾的紫杉醇如表2所HO\表2P3880白血病動(dòng)物模型中紫杉醇和PEG紫杉醇前藥體內活性比較Table 2 In vivo activity of paclitaxel and PEg paclitaxel prodrugs against P388 leukemia圖3阿糖胞苷的結構式Total dose/ Mean time toFigure 3 Chemical structure of Ara-CCompoundLS/%(mgkg) death/d555187±13的批準PEG5000-Paclitaxel14.1±23對于阿糖胞苷的PEG修飾,可以進(jìn)行定點(diǎn)修飾.通PEG40000-Paclitaxel190士1過(guò)改變PEG的分子量和結合點(diǎn),可以有效地調節聚合PEG40000-gly-Paclitaxel 75218±1.074物藥物在血漿中的半衰期以取得適合的藥物活性3Choe等山采用五種成鍵方式實(shí)現了PEG對阿糖胞苷的由上表可以看出,當按照相同劑量給藥時(shí),紫杉醇定位修飾, Scheme6為其中三種典型的成鍵方式.通過(guò)治療組的平均存活時(shí)間是187d,生命延長(cháng)指數(ILS)PEG修飾使得阿糖胞苷在小鼠血液中水解的半衰期由50%,而前藥(PEG4000gy-紫杉醇)治療組的平均存活約1h延長(cháng)到3d,抗腫瘤活性要明顯優(yōu)于未經(jīng)修飾的阿時(shí)間是21.8d,LLS74%,紫杉醇前藥表現出的增加療效糖胞苷,PEG化在改善阿糖胞苷的藥效方面發(fā)揮了重要作用僅僅來(lái)自于大分子量的聚乙二醇的作用2.2.3PEG對阿糖胞苷的修飾22.4PEG對燈盞乙素的修飾阿糖胞苷(AaC)是一種治療人類(lèi)急性和慢性白血燈盞乙素( Scutellarin)又稱(chēng)野黃芩苷,是菊科植物燈病的藥物,其化學(xué)結構式如圖3所示盞細如坦收物,其化學(xué)結構式由于其在血漿中的半衰期很短,在臨床上只能通過(guò)如圖中國煤化工增加血腦流量、降持續給藥以獲得最佳的療效為了延長(cháng)其半衰期,人低腦CNMHG等作用,臨床主要用們做了大量的研究工作,如在3和5位上形成羧酸酯于治療冠心病、心紋痛、心肌缺血損傷及腦血栓形成等和磷酸酯等,取得了一定的效果,但均未獲得藥物生產(chǎn)燈盞乙素從20世紀70年代初期就已開(kāi)始研究,但1172有機化學(xué)ol.29,2009(1)a烷氧基酰胺PEGT-PEG圖4燈盞乙素的結構式igure 4 Structure of scutellarin2)卟或β氨基酰胺由于水溶性低,口服生物利用度差,且半衰期短,臨應用需大劑量多次給藥才能達到治療目的,不能維持有Boc. AA-OHEDC DMAP. DCM效的血藥濃度而發(fā)揮持久的治療功效而限制了其臨床應用近年,采用PEG化來(lái)克服燈盞乙素以上缺點(diǎn)成為Ara-Cpyridine BocAAN,Aac TFA, DCM了研究的熱點(diǎn),以下對迄今為止所做的研究工作按照對燈盞乙素不同基團的修飾進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi)介紹PEG acid, EDC DMAP(1)羧基的修飾周慶頌等338用不同分子量的PEG20,400Arac1000對燈盞乙素羧基進(jìn)行了修飾(如Eq4所示AHAA=9a,aa,L. dimethyl時(shí)(3)芳香基酰胺DMAP. DCCOH T-PEGPEG→0、0燈盞乙素經(jīng)PEG化后,產(chǎn)物的水溶性大幅提高,并獲得了適于口服吸收的理想的油/水分配系數.通過(guò)穩PEGTHm定性試驗表明,該類(lèi)衍生物表現出前藥的特性,在pH74的PBS緩沖液中半衰期長(cháng)達12h以上,在血漿中快NH-AraC速降解釋放出燈盞乙素,n1n約為1.5~3h將燈盞乙素(Scu)和燈盞乙素的PEG400酯(PEG400-Scu)分別經(jīng)大鼠尾靜脈注射后進(jìn)行藥代動(dòng)力學(xué)方面的研究,結果見(jiàn)表3.衰3Scu和PEG400Scu經(jīng)大鼠靜脈注射后藥代動(dòng)力學(xué)參數比較Table 3 Comparison of pharmacokinetic parameters for Scu and PEG400-Scu in rats after inTotal dose of Scw/(mg.ParameterTotal dose of PEG400-Scw/(mg*kg)0050.10中國煤化工1.29AUC(O-1,(mgL-")106321.534247CNMHGAUC(0∞)(mgLh')109l21.6942.54SUI525No 8路娟等:藥物的聚乙二醇修飾研究進(jìn)展1173將燈盞乙素(Scu)和燈盞乙素的PEG400酯3PEG修飾藥物發(fā)展前景展望PEG400Scu)分別經(jīng)灌胃給藥后進(jìn)行藥代動(dòng)力學(xué)方面的研究,結果見(jiàn)表4PEG對藥物地修飾有效地解決了藥物制劑中提高表4Scu和PEG400cu經(jīng)大鼠灌胃給藥后藥代動(dòng)力學(xué)參數藥物的水溶性,降低毒副作用,延長(cháng)藥物在血液中的半比較衰期,提高靶向性和增加療效等難題.近年來(lái),隨著(zhù)Tnbe4 Comparison of pharmacokinetic parameters for Scu PEG化學(xué)的迅猛發(fā)展,一些重要蛋白藥物的PEG修飾and PEG400-Scu in rats after oral administration已進(jìn)入產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段,并且在有機小分子抗腫瘤前體藥PEG400-Scu物和抗腫瘤藥物脂質(zhì)體的研究領(lǐng)域也取得突破性進(jìn)展,Total dose/(mg*kg)但是在現階段仍存在許多問(wèn)題亟待進(jìn)一步解決Ninth(1)對PEG修飾后藥物在體內的作用機制尚缺乏深Tinah入系統的研究,只有明確了PEG修飾后藥物在體內的Ting/h1588作用機制才能有針對性的設計藥物,而且可以從分子層AUC(O-h(mgL.h")796面上去闡釋藥物的作用機理及安全性AUC(0~∞)(mg"Lh-)10.24(2)PEG修飾后藥物的質(zhì)量標準體系的建立,由于PEG修飾中目標產(chǎn)物的純化較困難,產(chǎn)品中可能存在聚由表3和表4可以證明PEG化能夠延長(cháng)燈盞乙素乙二醇單甲醚(mPEG,交叉連接或聚合的PEG二醇在大鼠體內的半衰期,提高口服生物利用度等難以分離的物質(zhì),對于此類(lèi)物質(zhì)的檢測還沒(méi)有標(2)4OH的修飾準的分析方法,這也在一定程度上限制了PEG修飾技葉海等嗎以PEG單甲醚2000為原料,與丁二酸酐術(shù)的深入研究和應用反應后再與N羥基琥珀酰亞胺縮合得到活潑酯,最后(3)小分子藥物PEG修飾的研究平臺目前集中于抗與燈盞乙素4·OH反應得到燈盞乙素PEGK單甲醚前腫瘤藥物的修飾,除此之外,PEG修飾技術(shù)還應拓展至藥( DZmPEG2K),如 Scheme7所示其它藥物修飾領(lǐng)域,如抗心腦血管疾病藥物、抗瘧疾類(lèi)該前藥室溫25℃時(shí)在蒸餾水中的溶解度約為800藥物等mg/mL,與燈盞乙素(534μg/mL)相比得到大大改善,隨著(zhù)PEG化學(xué)的高速發(fā)展,以上問(wèn)題若得以妥善有望延長(cháng)燈盞乙素的半衰期和生物利用度解決,PEG修飾藥物的開(kāi)發(fā)和臨床應用必將得到長(cháng)足發(fā)由于燈盞乙素的作用機制還不明確,所以還不能確展,藥物的PEG修飾技術(shù)在增強各種藥物(蛋白質(zhì)、肽定其結構中的活性位點(diǎn),對燈盞乙素的PEG化還有待類(lèi)、抗腫瘤藥、抗真菌藥、抗生素和免疫抑制劑等)的進(jìn)一步系統的研究療效和擴大藥物臨床應用范圍方面具有非常誘人的發(fā)展前景N-OHmPEGo-C-CH2 CH2 COOHmPEGO-C-CH2 CH2-CDCCmPEGO-C-CH2CH2C-R R=DMADZmPEG2Kheme 7Referenceshowski. 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