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精氨酸脱亚胺酶(Arginine deiminase，ADI，EC3.5.3.6)能将L-精氨酸不可逆地水解为L-瓜氨酸和氨，可用于治疗精氨酸营养缺陷型癌症。PEG修饰蛋白质药物可以提高蛋白药物的半衰期和药理学特性，并可获得更加良好的疗效和较低的副作用。为解决ADI在体内生理条件下的半衰期短和免疫原性强等问题，本研究采用PEG对ADI进行修饰并研究其药理学特性。在前期研究中，通过蛋白质工程改造获得了一株来源于变形假单胞菌(Pseudomonasplecoglossicida)，在生理条件下具有高比酶活和改良的酶学性质的ADI优良突变株M13-3。首先，采用单因素优化与响应面法优化M13-3菌株发酵培养基，提高产酶效率。优化后培养基经摇瓶发酵，ADI酶活达到5.7U mL-1发酵液，比LB培养基提高了2.01倍。在3L发酵罐中发酵8h后，ADI酶活最大值为17.38U mL-1发酵液，较LB培养基提高了3.51倍。对M13-3菌株发酵后的粗酶液进行阴离子交换层析和凝胶过滤层析纯化获得ADI纯酶，选用七种不同PEG修饰剂对ADI进行修饰，获得了三种产率较高的修饰产物：ADI-SS-PEG20kDa，ADI-SC-PEG20kDa，ADI-SPA-PEG20kDa。经过体外稳定性分析，三种PEG修饰酶较好地保留了ADI在生理条件下的酶活，且pH稳定性和热稳定性都略有提高。选择ADI-SPA-PEG20kDa(ADI-SPA)进行药理学实验，由药效/药代动力学结果分析可得，ADI-SPA修饰酶在小鼠体内表现出增强的药物效应与延长的药效时间，5U注射剂量均能有效降解血液中精氨酸并维持5天以上，大大高于未修饰的ADI。药代动力学参数整体上也优于未修饰酶，其中经由静脉注射比肌肉注射和皮下注射具有更好的药代动力学表现：静脉注射5UADI-SPA，半衰期为53.2h，较ADI提高了11倍；而通过肌肉注射则为34.5h，提高了6倍多。在H22肿瘤模型小鼠体内对ADI-SPA进行药物评估，结果显示通过肌肉注射高剂量组ADI-SPA，即每5天注射5U ADI-SPA，15天内共注射3次共计15U，对H22肝癌的抑制率可以达到95.02%，高于ADI-SPA中、低剂量组和ADI组，说明总剂量相同的ADI-SPA比未修饰ADI具有更强更持久的疗效。同时高剂量ADI-SPA组抑制率接近5-FU化疗药物治疗的阳性组(98.34%)。本研究结果表明，PEG修饰的ADI酶(如：ADI-SPA)可以作为有效的抗肝癌药物进行进一步研究。