|
摘要: 尽管面临众多挑战,多肽和蛋白质药物口服给药依然是药剂学领域的热点研究方向。多肽蛋白质药物口服给药系统的设计有三个关键点:保护药物免遭胃肠道内酶降解、穿越肠黏膜屏障以及促进药物吸收进入系统循环。目前多肽蛋白质药物口服制剂已进入临床应用,纳米技术在多肽蛋白质药物口服给药中展示了良好的临床应用前景。该文介绍了多肽蛋白质口服纳米载药系统种类、特点、载体材料以及纳米载药系统口服给药摄取机制,综述近年来新发展的几类新型多肽蛋白质口服纳米载药系统及其作用机制。 多肽蛋白质药物具有作用靶点专一、生物活性高、不良反应少等特点,目前已有超过60种多肽蛋白质药物获美国食品药品管理局(FDA)批准上市。口服给药是最常见的给药途径,但由于多肽蛋白质药物分子量大,亲水性强,稳定性差,以及胃肠道生理屏障的影响,绝大多数多肽蛋白质药物口服生物利用度低。因此,目前只有干扰素、胸腺素、脑蛋白水解物等少数多肽蛋白质药物口服制剂批准上市。提高多肽蛋白质药物口服生物利用度,克服其口服给药技术难题,多年来一直是国际药剂学的热点研究领域。已有各种策略用于改善多肽蛋白质药物口服吸收,包括药物结构修饰、蛋白酶抑制剂、吸收促进剂、肠溶包衣和生物黏附技术等。近年来,纳米载药系统成为多肽蛋白质药物口服给药领域关注的焦点,纳米载药系统可保护多肽蛋白质药物免受胃肠道环境破坏,载负药物跨越肠黏膜屏障,有效提高多肽蛋白质药物口服生物利用度。笔者系统总结国内外文献,介绍多肽蛋白质口服纳米载药系统的种类、特点、载体材料以及纳米载药系统口服给药摄取机制,综述近年来新发展的几类新型多肽蛋白质口服纳米载药系统及其作用机制。 1 多肽蛋白质药物口服给药困境 多肽蛋白质药物具有分子量大、易受酶降解、渗透性低以及受胃肠道环境影响易于聚集、吸附、变性等性质,同时,胃肠道具有多种生理屏障,如酸屏障、酶屏障和黏膜屏障等,导致多肽蛋白质药物口服吸收困难。多肽蛋白质药物口服后,首先被胃液中的胃蛋白酶降解成氨基酸序列较短的肽,到达十二指肠时pH值增加接近6,部分多肽蛋白质因pH值与其等电点相近导致沉淀。药物进入肠道后进一步被肽酶降解成小分子肽或氨基酸,酶降解可发生在肠腔内、肠绒毛刷边、肠细胞的胞浆、细胞内的溶酶体和其他细胞器,这是多肽蛋白质药物失去生物活性的主要原因。 最后一道生理屏障是小肠黏膜系统,主要由小肠上皮细胞和黏液层组成。人胃肠道上皮细胞表面附着多达300 m2的黏液层,由杯状细胞和黏膜下腺分泌的黏蛋白纤维交联缠绕而成,充满水、蛋白质、脂质、电解质、细菌和细胞碎片等。黏液流动水层具有不断更新的清除机制,不流动水层疏水性强,孔隙为50~1 800 nm,粘蛋白纤维具有静电作用,阻碍多肽蛋白质等亲水性大分子向上皮细胞的扩散。小肠上皮细胞的磷脂双分子层结构允许脂溶性药物扩散,细胞间隙约10 Å,只有氨基酸、二肽和三肽能穿过肠膜,大多数多肽蛋白质需要主动转运才能跨膜进入细胞内。因此,多肽蛋白质药物由于分子量大,缺乏主动跨膜转运机制,难以有效地被肠上皮细胞摄取进入循环系统。 此外,部分多肽蛋白质药物口服后经过肝脏首关效应,以及肠道的刷状缘、肠内皮细胞溶酶体和胆汁内容物的氧化还原及脱烷基化作用等,导致多肽蛋白质药物失去活性。 2 多肽蛋白质药物口服纳米载药系统 近年来,随着药物制剂技术的发展,纳米载药系统开始应用于多肽蛋白质口服给药。纳米载药系统粒径一般为10~200 nm,多肽蛋白质药物可以溶解、包裹或吸附于其中避免受到胃酸和消化酶破坏。纳米载药系统可通过细胞旁或肠黏膜派伊尔氏结的M细胞吞噬途径吸收,也可直接被肠上皮细胞吸收。口服纳米载药系统的设计目标是通过控制粒径大小、表面特性(电荷、亲水疏水性等)以及载体形状等,提高药物稳定性,促进药物口服吸收,从而提高药物口服生物利用度。用于多肽蛋白质口服给药的纳米载药系统有纳米球/纳米囊、纳米脂质体、固体脂质纳米粒(solid lipid nanoparticle,SLN)、聚合物胶束、纳米结晶、聚合物药物复合纳米粒等。脂质体的磷脂双分子层结构和特性与细胞膜相似,易与肠黏膜细胞发生融合、吸附、内吞等作用,增强药物的肠细胞摄取并在体内缓慢释放延长药物作用时间。SLN是采用高压匀质和微乳技术制备的高效无毒型脂质载体,不使用有毒有机溶剂,用于多肽蛋白质口服给药有很好前景,SHEN等利用SLN载胰岛素经小鼠灌胃给予后其降血糖效果显著,作用持续了24 h。聚合物胶束是两亲性聚合物在水中自发形成的热力学稳定体系,粒径小,性质稳定,制备方法简单,对包载的多肽蛋白质药物具有保护作用。胶束作为口服给药的载体,提高药物在胃肠道中稳定性,增加吸收部位的药物浓度,进而提高药物生物利用度。纳米载药系统常用制备方法包括乳状液聚合法、界面聚合法等核心方法,以及乳化蒸发法、溶剂置换法和盐析法等物理化学方法,其中溶剂置换法和盐析法对多肽蛋白质药物的生物活性影响较小。 制备纳米载药系统的载体材料包括生物可降解材料如合成或天然高分子材料、脂质等,也有无机材料如金属和金属氧化物、介孔二氧化硅、纳米粘土和碳纳米材料等。载体材料的物理特性(大小、形状)和化学或材料性质(生物黏附性、可降解性、生物安全性等)对纳米载药系统暴露于生理介质中的物理化学性质、黏膜渗透性、药物有效载荷以及药物吸收、运载和释放等有显著影响。CASTRO等研究发现黏膜黏附性纳米载药系统如壳聚糖或卡波普包衣的脂质体或聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]纳米粒、SLN等能延长多肽蛋白质药物在胃肠道的滞留时间,具有良好的黏膜渗透性。常用的合成高分子材料有聚乳酸(PLA)、PLGA、聚己内酯(PCL)等聚酯,天然高分子材料有明胶、海藻酸盐、壳聚糖和多肽蛋白质等。天然高分子材料的降解和释药速度比合成高分子材料快。如壳聚糖、果胶、硫酸软骨素或菊酯等材料易于被结肠微菌群降解,可用于结肠给药系统。近年来介孔纳米材料作为生物大分子药物载体引起人们重视,如介孔二氧化硅纳米载药系统可通过不同的孔隙大小、形状、表面积和表面化学修饰等来调节药物的装载和释放行为。SHAHBAZI等开发的纳米复合材料以DNA嵌入的多孔硅为核心,PEI-PMVE-MA聚合物为纳米壳,并修饰细胞穿透肽(cell penetrating peptides,CPP)。结果显示该系统生物相容性良好,可以稳定负载并运输亲水型和疏水性药物,CPP修饰不影响纳米复合材料的聚合物性能,同时该纳米载药系统可显著提高纳米粒的胶体稳定性、细胞内化和纳米粒的溶酶体逃逸。 3 口服纳米载药系统作用机制 纳米载药系统提高多肽蛋白质药物口服生物利用度要克服胃肠道的不同生理屏障,尤其是肠黏膜系统屏障,见图1。黏液层是肠黏膜系统的第一个屏障,纳米载药系统可通过扩散穿越黏液流动层,但黏液不流动水层的黏性和粘蛋白及多糖-蛋白质复合物的相互作用会抵抗纳米载药系统的扩散。纳米载药系统和黏液的相互作用包含静电作用、范德华力、疏水力和氢键作用等,它们影响纳米载药系统的扩散速率和纳米载药系统在黏液层的滞留时间。粘蛋白纤维与纳米载药系统的静电作用导致粒子聚集进而影响纳米载药系统的传输速率,如带负电荷的羧基和硫酸盐或中性电荷修饰的纳米载药系统扩散速率比带正电荷的氨基修饰纳米载药系统高,带正电荷或巯基的黏膜黏附性纳米载药系统可增加纳米载药系统在黏膜层的保留时间。纳米载药系统表面性质对其穿越黏液层有较大影响,黏膜黏附性纳米载药系统可大量滞留黏液层,从而提高黏膜表面的药物浓度。但是这类纳米载药系统难以穿透黏液层,即使黏膜层的药物浓度提高,由于多数多肽蛋白质药物缺乏主动跨膜转运机制,因此仍然难以被肠上皮细胞摄取。设计类似于病毒细菌可穿透黏液层的纳米载药系统,在纳米载药系统表面耦联一层克服黏膜吸附的电中性亲水层(高密度的低分子PEG),可在粘蛋白网中扩散并渗透黏液达到上皮细胞表面。总之,口服纳米载药系统的设计必需考虑纳米载药系统与黏液之间的相互作用,以及纳米载药系统在黏液的可渗透性。尤其是配体靶向的纳米载药系统,必须穿过黏液达到上皮细胞表面才能实现受体靶向作用。 纳米载药系统经过黏液层到达上皮细胞表面后,需要克服纳米载药系统易位和细胞摄取少。研究表明纳米载药系统在小肠的吸收和易位不到1 h,能快速转移至淋巴管,而微米尺寸的颗粒则易沉积在肺内,在淋巴结转移取决于吞噬作用。纳米载药系统的细胞摄取径通常为吞噬、胞饮和细胞旁扩散,除壳聚糖等会影响紧密连接外,一般认为纳米载药系统的摄取主要发生于M细胞或胞饮,M细胞对纳米载药系统的摄取和运输明显高于肠细胞。胞饮是由巨胞饮、网格蛋白或小窝介导或依赖的内吞作用引起的。纳米载药系统的物理化学性质会影响胞饮作用,例如粒径越小胞饮作用就越强。提高纳米载药系统肠细胞摄取的策略:减小粒径;表面疏水性;表面电荷呈电中性;纳米载药系统表面耦联靶向配体。  4 新型多肽蛋白质药物口服纳米载药系统 4.1 靶向肽配体的口服纳米载药系统 靶向分子修饰纳米载药系统是提高其口服吸收的的一种有效方法。纳米载药系统“主动靶向”基于分子的识别过程,即配体受体或抗原抗体相互作用。研究表明,耦联具有上皮细胞受体或抗体的多肽蛋白质配体纳米载药系统可以显著增强上皮细胞的摄取和转运。纳米载药系统通过物理吸附或共价耦联靶向肽配体,可增加纳米载药系统的转运并影响细胞摄取方式,如叶酸、白蛋白和胆固醇等配体促进小窝蛋白介导的内吞,乙二醇受体的配体促进网格蛋白介导的内吞。配体影响纳米载药系统的粒径、形状和粒子间的空间距,并影响纳米载药系统的表面特性和纳米载药系统与其环境界面之间的性能。 肽配体可通过大规模的化学方法合成或者噬菌体产生,用于各种类型的受体或细胞,如整合蛋白受体、心肌细胞、凝血受体、肿瘤细胞、小肠组织、M细胞和胰腺细胞等。JIN等研究了靶向杯状细胞的CSKSSDYQC(CSK)肽修饰的三甲基壳聚糖纳米载药系统(TMC NPs)对胰岛素体内外口服吸收行为的影响。结果表明,与未修饰的纳米载药系统相比,CSK肽修饰的TMC纳米载药系统可有效促进纳米载药系统在绒毛中的吸收,增强肠上皮细胞的药物转运,大鼠口服生物利用度提高1.5倍。Caco-2/HT29-MTX共培养细胞摄取实验表明,CSK肽修饰的纳米载药系统即使在靶向识别受到黏液影响时,仍能有效促进肠细胞的摄取。研究还发现黏液对于修饰和未修饰的TMC NPs转运胰岛素均有促进作用。SHRESTHA等报道3种不同表面修饰的纳米粒如壳聚糖(CS UnNPs)、l-半胱氨酸(CYS-CS UnNPs)或细胞穿透肽(CPP-CS UnNPs)。结果显示,CYS-CS和CPP-CS UnNPs在细胞内的胰岛素表观渗透率分别增加17和12倍。胰岛素在肠细胞的吸收机制通也被阐明是主动转运过程和静电相互作用,以及吸附和网格蛋白介导的内吞途径。糖尿病大鼠灌胃治疗结果显示,与空纳米粒和胰岛素溶液相比,CPP-CS UnNPs的胰岛素相对生物利用度分别增加1.86和2.03倍。 4.2 非肽配体的口服纳米载药系统 靶向肽配体纳米载药系统只有在活性位点或摄取部位蓄积才能有效增强细胞的摄取和转运,但是,在不断变化的胃肠环境中纳米载药系统很容易被迅速清除,导致靶向肽配体纳米载药系统的细胞转运量有限。此外,生物大分子配体纳米载药系统存在粒径增加和非特异性相互作用减弱难以通过黏液层、部分生物大分子具有免疫原性以及生物大分子耦联困难、耦联后生物活性难以保持等问题。采用糖衍生物、拟肽或代谢物等小分子(分子量<1 500)作为配体的口服纳米载药系统具有以下几个优势:在胃肠道环境中稳定性更好;不诱导受体表面的类固醇障碍;可通过简单化学合成耦联,得到耦联产物更容易表征;配体靶向可控好;无免疫原性。目前研究的口服纳米载药系统非肽小分子配体包括甘露糖衍生物、精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸(RGD)或亮氨酸-天冬氨酸-缬氨酸(LDV)模拟物、凝集素模拟物(lectin)、脂肪酸和维生素等。KE等研究维生素B12对三甲基壳聚糖纳米载药系统(TMC NPs)的胰岛素吸收的影响。与未修饰的纳米载药系统相比,维生素B12改性的NPs在Caco-2/HT29-MTX细胞模型中明显提高药物的转运量,其内化机制包括小窝蛋白和网格蛋白介导的内吞途径。结扎大鼠回肠循环实验研究表明,与未修饰的纳米颗粒相比,维生素B12修饰的TMC NPs可以减少肠腔内残留的胰岛素59%,并增加其对上皮组织的吸收4.8倍。 4.3 蛋白质纳米结晶技术 目前世界各地公司已经开发出蛋白质的口服载药系统见表1。  为了延长蛋白质药物的保质期,蛋白质药物通常被冻干成固态形式。但是,冻干的蛋白质药物常常出现蛋白质聚集和二级结构改变,最终导致药物失去生物活性。纳米结晶技术是保持蛋白质高稳定性和生物活性的方法之一。蛋白质纳米结晶(cross-linked enzyme crystal,CLEC®)是一类新型口服纳米载药系统,采用结晶技术使蛋白质药物形成粒径为50~500 nm的纳米颗粒,通过表面活性剂的电荷或空间稳定化作用使纳米颗粒形成稳定的纳米混悬液。蛋白质纳米结晶可有效保护蛋白质生物活性,生物相容性良好,易降解,可自组装。CLEC®过程主要由两个步骤组成,包括蛋白质的结晶化和蛋白质微晶体与戊二醛的化学交联。CLEC®技术具有以下优点:分离纯化蛋白质的有效方法;适合于高剂量需求的蛋白质药物;蛋白质的晶体稳定性远高于其溶解型或无定形状态的稳定性。另外,部分蛋白质不容易结晶或无法形成结晶状态,或者结晶型的蛋白质生物活性低,因此,需要对制备蛋白质结晶的辅料和工艺进行优化,才能确保蛋白质的高活性和稳定性。GRUJIC等报道在两个小鼠模型(AGT1基因敲除或未敲除)口服草酸脱羧酶(OxDc-CLEC®)可减少尿草酸(44%)和肾损伤,降低高氧尿症,预防钙、草酸钙和尿石症。 4.4 Eligen®载体技术 Eligen®技术是Emisphere科技公司开发的适合于多肽蛋白质等载体生物大分子的口服载药系统。该技术采用具有促吸收功能的N-8-(2-羟基苯甲酰)氨基盐(SNAC)与药物分子结合形成微弱的非共价复合物,确保在不改变药物结构、不破坏上皮细胞膜或不产生新毒性的情况下增加药物的肠吸收。Eligen®载体技术用于口服载药的作用机制主要是蛋白质构象的可逆变化以及防止药物被胃肠降解的作用。多肽蛋白质药物和载体材料产生的非共价相互作用会改变多肽蛋白质药物的物理化学性质(如亲水性、构象、稳定性等),但这种作用是可逆的。当非共价复合物将药物经上皮细胞运输到血液循环后,载体材料与药物分离,药物恢复具有生物活性的原生构象。相比传统的促吸收剂具有的破坏细胞紧密连接、改变膜流动性以及增加毒性等作用,Eligen®载体技术对肠上皮细胞的组织损害小。Eligen®载体技术目前拥有超过1 800个不同物理化学性质的载体材料,大部分的材料为小分子氨基酸(分子量 250~350)。Eligen®载体技术已被开发用于各种类型的口服制剂,包括液体制剂、片剂和胶囊。目前进入临床试验的多肽蛋白质药物有鲑降钙素、肝素、胰岛素、甲状旁腺激素、人类生长激素和色甘酸钠。ABBAS等研究发现10名健康志愿者口服胰岛素与SNAC的复合物后,胰岛素被迅速吸收进入系统循环,并在25 min内达到血浆浓度峰值。在2型糖尿病患者临床研究中,标准餐前30 min服用含有10 mg胰岛素和200 mg SNAC的胰岛素胶囊的患者,其系统循环的胰岛素水平显著增加。目前,已开展Eligen®技术应用于多肽蛋白质药物口服给药的人体临床试验研究。 5 结束语 目前的研究表明,纳米载药系统的结构和性质具有多样性,可有效克服体内胃肠道生理屏障,提高多肽蛋白质药物口服生物利用度,是理想的口服给药载体。但是要实现多肽蛋白质药物口服纳米载药系统的临床应用,还需要开展大量的基础和应用研究工作,如阐明纳米载药系统体内生物药剂学和毒理学作用机制,研制安全、经济的口服纳米载药系统功能性辅料,建立完善的纳米载药系统质量评价体系和质量标准,开发可工业化的制备技术和设备等。相信随着研究的不断深入,纳米载药系统将成为实现多肽蛋白质口服给药的重要技术。 参与文献 |
|
|
