Heterogeneous PEGylation as a Strategy to Extend Intravascular Half-Life of Protein Therapeutics: Lessons from Hemoglobin-Based Oxygen Carriers

चिकित्सा की दुनिया में, कई शक्तिशाली उपचार प्रोटीन से बने होते हैं, जो वे सूक्ष्म आणविक मशीनें हैं जो जीवन के आवश्यक कार्यों को पूरा करती हैं। जबकि ये प्राकृतिक संरचनाएं अपने कार्यों में अविश्वसनीय रूप से प्रभावी होती हैं, उन्हें मानव शरीर में इंजेक्ट करने पर एक बड़ी बाधा का सामना करना पड़ता है: वे बहुत जल्दी गायब हो जाती हैं। शरीर बाहरी पदार्थों को छानने के लिए बना है, और चूंकि कई चिकित्सीय प्रोटीन छोटे होते हैं, इसलिए गुर्दे एक महीन छलनी की तरह काम करते हैं, जो उन्हें उन ऊतकों तक पहुँचने से पहले ही रक्तप्रवाह से बाहर निकाल देते हैं जिन्हें उनकी आवश्यकता होती है। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक लंबे समय से 'पेगिलेशन' (PEGylation) नामक तकनीक पर भरोसा करते आए हैं। इसमें पॉलीइथाइलीन ग्लाइकॉल नामक एक सिंथेटिक पॉलीमर की लंबी, लचीली कड़ियों को प्रोटीन की सतह से जोड़ना शामिल है। ये कड़ियाँ एक सुरक्षात्मक बादल की तरह कार्य करती हैं, जिससे प्रोटीन शरीर की छनन प्रणाली के लिए बड़ा दिखाई देता है और प्रतिरक्षा हमलों से सुरक्षित रहता है, जिससे रक्तप्रवाह में इसके समय को प्रभावी रूप से बढ़ाया जा सकता है। दशकों से, मानक दृष्टिकोण ऐसी कड़ियों का उपयोग करना रहा है जो आकार में बिल्कुल एक समान हों, जिससे एक समान और अनुमानित कोटिंग तैयार होती है।

सनबायो इंक (SunBio, Inc.) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने, जिनका नेतृत्व क्वांग न्हो (Kwang Nho) कर रहे थे, इस लंबे समय से चली आ रही धारणा को चुनौती देने का निर्णय लिया कि क्या विभिन्न आकारों की कड़ियों का मिश्रण बेहतर काम कर सकता है। हीमोग्लोबिन पर आधारित एक मॉडल सिस्टम का उपयोग करते हुए, जो लाल रक्त कोशिकाओं में पाया जाने वाला ऑक्सीजन ले जाने वाला प्रोटीन है, उन्होंने एक ही आकार की कड़ियों का उपयोग करने वाली पारंपरिक विधि की तुलना एक नई रणनीति से की जहाँ एक ही प्रोटीन से अलग-अलग लंबाई की कड़ियाँ जुड़ी हुई थीं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह संरचनात्मक विविधता प्रोटीन के अन्य भौतिक गुणों को बदले बिना इसे रक्त में अधिक समय तक रख सकती है। परिणाम चौंकाने वाले थे: मिश्रित लंबाई वाली कड़ियों वाले संस्करण ने समान कड़ियों वाले संस्करण की तुलना में रक्तप्रवाह में काफी अधिक समय तक बने रहने की क्षमता दिखाई, भले ही वजन और मोटाई के मामले में दोनों लगभग एक जैसे दिखते थे। यह खोज बताती है कि इन सुरक्षात्मक कड़ियों को व्यवस्थित करने का तरीका उतना ही महत्वपूर्ण है जितना कि उनकी संख्या, जो उन दवाओं को डिजाइन करने का एक नया मार्ग खोलता है जो शरीर में लंबे समय तक टिक सकें।

शोधकर्ताओं ने हीमोग्लोबिन को अपने परीक्षण विषय के रूप में चुना क्योंकि यह एक ऐसा अणु है जिसे रक्त में बनाए रखना अत्यंत कठिन होता है। जब हीमोग्लोबिन को लाल रक्त कोशिकाओं से निकालकर सीधे रक्त में डाला जाता है, तो यह छोटे टुकड़ों में टूट जाता है जिन्हें गुर्दे तुरंत छान देते हैं, और इससे रक्त वाहिकाओं में खतरनाक संकुचन भी होता है। इसे उपयोगी बनाने के लिए, वैज्ञानिकों को अणु को स्थिर करना होता है और इसे PEG से कोट करना होता है। इस अध्ययन में, टीम ने इस कोटेड हीमोग्लोबिन के दो अलग-अलग संस्करण बनाए। पहला संस्करण पारंपरिक नियमों का पालन करता था, जिसमें प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु से एक ही आकार की पंद्रह कड़ियाँ जोड़ी गईं। दूसरा संस्करण, प्रयोगात्मक वाला, जिसमें एक ही अणु से लघु, मध्यम और दीर्घ कड़ियों का संयोजन जोड़ा गया था। महत्वपूर्ण रूप से, वैज्ञानिकों ने दोनों संस्करणों को लगभग समान कुल वजन और घोल में समान मोटाई के साथ इंजीनियर किया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि कोई भी अंतर केवल कड़ियों की व्यवस्था के कारण हो, न कि उनके समग्र आकार या भारीपन के कारण।

जब इन दो संस्करणों का चूहों पर परीक्षण किया गया, तो उनके व्यवहार में अंतर स्पष्ट और मापने योग्य था। चूहों को उनकी नसों के माध्यम से हीमोग्लोबिन दिया गया, और शोधकर्ताओं ने ट्रैक किया कि प्रोटीन उनके रक्त में कितने समय तक बना रहा। एक समान कड़ियों वाला संस्करण एक अनुमानित दर पर गायब हो गया, जिसका परिसंचरण समय एक मानक खुराक पर उन्नीस घंटे से थोड़ा कम रहा। हालांकि, मिश्रित लंबाई वाली कड़ियों वाले संस्करण ने इस अपेक्षा को धता बता दिया। समान खुराक पर, यह रक्तप्रवाह में लगभग उनतीस घंटों तक बना रहा। जब खुराक को दोगुना किया गया, तो यह लाभ और भी स्पष्ट हो गया; एक समान संस्करण लगभग सत्ताईस घंटों तक रहा, जबकि मिश्रित-श्रृंखला वाला संस्करण सोलह घंटों से अधिक समय तक बना रहा। इसका अर्थ है कि प्रयोगात्मक डिजाइन ने पारंपरिक डिजाइन की तुलना में दवा के शरीर में रहने के समय को आधे से अधिक, और कुछ मामलों में लगभग तीन-चौथाई तक बढ़ा दिया।

अध्ययन ने यह भी देखा कि ऐसा क्यों हुआ। शोधकर्ताओं ने पाया कि मिश्रित-श्रृंखला वाले संस्करण का तरल में प्रभावी आकार, जिसे हाइड्रोडायनामिक रेडियस (hydrodynamic radius) कहा जाता है, थोड़ा बड़ा था, भले ही कड़ियों का कुल वजन समान था। यह सुझाव देता है कि कड़ियों की विभिन्न लंबाई प्रोटीन के चारों ओर एक अधिक जटिल, शायद अधिक प्रभावी अवरोध बनाती है। छोटी कड़ियाँ एक सघन ढाल प्रदान करने के लिए सतह के विरुद्ध कसकर पैक हो सकती हैं, जबकि लंबी कड़ियाँ और दूर तक पहुँचती हैं ताकि समग्र आकार बढ़ सके और गुर्दे द्वारा अणु को छानने की दर धीमी हो सके। यह संयोजन अणु को रक्त प्रवाह के भौतिक बलों और शरीर की प्राकृतिक निकासी तंत्र के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाता प्रतीत होता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यह सुधार ऑक्सीजन ले जाने की दवा की क्षमता या इसकी श्यानता (viscosity) को बदले बिना हुआ, जो सुरक्षा और कार्य के लिए महत्वपूर्ण कारक हैं।

यद्यपि परिणाम उत्साहजनक हैं, लेखक सावधानीपूर्वक यह उल्लेख करते हैं कि उन्होंने अभी तक इस सुधार के पीछे के सटीक जैविक तंत्रों का पूरी तरह से मानचित्रण नहीं किया है। उन्होंने परिणाम को देखा—लंबा परिसंचरण समय—और भौतिक अंतरों को मापा, लेकिन वह सटीक आणविक प्रक्रिया जो मिश्रित श्रृंखलाओं को एक समान श्रृंखलाओं से बेहतर प्रदर्शन करने देती है, भविष्य के अनुसंधान का विषय बनी हुई है। अध्ययन ने केवल एक प्रकार के प्रोटीन और विशिष्ट परिस्थितियों पर ध्यान केंद्रित किया, इसलिए यह अभी तक ज्ञात नहीं है कि क्या यह रणनीति प्रत्येक प्रकार की दवाओं के लिए काम करेगी। हालाँकि, डेटा इस बात का पुख्ता प्रमाण देता है कि इन दवाओं को डिजाइन करने के लिए समान कड़ियों का उपयोग करने का पुराना नियम ही एकमात्र तरीका नहीं है। सुरक्षात्मक कड़ियों के आकार में एक नियंत्रित विविधता पेश करके, वैज्ञानिक इन प्रोटीनों के जीवन को बढ़ाने के लिए एक नया साधन पा सकते हैं, जो उन उपचारों की प्रभावशीलता को सीमित करने वाली समस्या के लिए एक नया दृष्टिकोण प्रदान करता है जो वर्षों से एक बड़ी बाधा बनी हुई है।