葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)的研究進展

莊忠寶，鄒 芳

(1 河北北方學院藥學系，河北 張家口 075000；2 河北北方學院附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科，河北 張家口 075000)

目前臨床上糖尿病的治療多為胰島素注射方式，該治療方法存在著如患者順應性差等缺陷，口服給藥雖然能在一定程度上得以改善，但同時造成低血糖等不良反應，所以國內(nèi)外研究者們致力于開發(fā)基于糖尿病理特點的智能給藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)體內(nèi)血糖濃度的變化調(diào)節(jié)藥物釋放，提高生物利用度。本文綜述了載有葡萄糖氧化酶、刀豆蛋白A和苯硼酸體系三種葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)的研究進展。

1 載有葡萄糖氧化酶體系

葡萄糖氧化酶(Glycose Oxidase，GOD)是一種外源性酶，在該體系中應用最多。載有GOD體系的原理是將GOD與pH敏感性藥物載體(如水凝膠、納米粒子和大分子聚合物等)組裝，當機體中的葡萄糖滲透進入體系中時，GOD催化葡萄糖轉化為葡萄糖酸，此時微環(huán)境pH降低，導致pH敏感性藥物載體溶脹或皺縮，從而釋放藥物。

1.1 水凝膠

水凝膠能對其外部環(huán)境刺激(如溫度、電場強度、離子強度、光等)做出響應，從而引發(fā)自身三維網(wǎng)絡結構發(fā)生改變的聚合物[1]。pH敏感性水凝膠能夠感應微環(huán)境pH的變化而做出響應，對于載有聚陽離子水凝膠而言，支鏈帶有大量的氨基，當pH降低時，氨基質(zhì)子化，此時由于分子內(nèi)和分子間靜電排斥導致水凝膠溶脹，藥物釋放。Podual等[2]以二甲基丙烯酸4-乙二醇酯作為交聯(lián)劑，用甲基丙烯酸二乙基氨酯、聚甲基丙烯酸乙二醇酯和活化的GOD在溶液中通過共聚作用制備葡萄糖敏感性水凝膠。隨著溶液體系中葡萄糖濃度升高，水凝膠溶脹程度越大，且具有脈沖行為。然而對于載有聚陰離子水凝膠而言，則藥物釋放機制不同。Hassan等[3]將甲基丙烯酸(methacrylic acid，MAAC)與聚乙二醇單甲基丙烯酸酯在GOD下聚合。MAAC的羧基在高pH下發(fā)生解離，導致水凝膠溶脹釋放藥物，或在低pH下收縮將藥物擠出。

由于水凝膠本身響應時間長等缺陷，導致藥物釋放較慢。解決方法：(1)清除催化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物過氧化氫以提高GOD活性利用率。Kang等[4]將GOD與過氧化氫酶(Catalase，CAT)進行共價偶聯(lián)，CAT能夠催化H2O2，此過程產(chǎn)生的氧氣可以被GOD催化過程利用，該水凝膠表現(xiàn)為無滯后性溶脹。(2)減小水凝膠尺寸增加響應性，Gu等[5]制備的微米級葡萄糖敏感性微凝膠能夠在微環(huán)境體系中血糖濃度高時迅速膨脹釋放藥物，血糖濃度低時又回到原來狀態(tài)，可作為自控閥系統(tǒng)控制血糖濃度。(3)接枝陽離子側鏈增加響應性[6]。具有高Zeta電位的水凝膠陽離子基團之間形成的靜態(tài)排斥會削弱陽離子殼聚糖水凝膠(HTCC)分子內(nèi)和分子間的氫鍵，在弱酸性環(huán)境中水凝膠變得更加疏松。Zou等[7]成功制備了不同取代程度的新型葡萄糖敏感性HTCC控釋系統(tǒng)。研究結果表明，隨著HTCC取代程度的增加，水凝膠的溶脹比率及pH敏感性增加。在較小的pH范圍內(nèi)(pH 6.8～7.4)顯示出不同的敏感性。

此外，Li等[8-9]運用多種數(shù)字化模型模擬了GOD、CAT以及與酶反應同步相關的多重物理量對葡萄糖敏感性的影響，并成功計算出葡萄糖敏感性水凝膠多重物理量的最優(yōu)數(shù)值。

1.2 微 囊

微囊作為一種可注射型自我調(diào)控給藥系統(tǒng)，能根據(jù)體內(nèi)血糖濃度的變化調(diào)節(jié)藥物的釋放速率。Chu等[10]通過界面聚合法制備帶有多孔膜的聚酰胺微囊，應用離子接枝孔隙填充聚合法將聚丙烯酸(polyacrylic acid，PAAC)鏈接枝于微囊膜的孔上，通過碳化二亞胺法固定GOD于PAAC接枝的微囊中。模型藥物從組裝微囊中釋放的速率與微環(huán)境中的葡萄糖濃度相關。此外，所制備的PAAC接枝及GOD固定的微膠囊顯示出了可逆釋放性的特征。

1.3 組裝膜

由于水凝膠體系響應時間較長，導致藥物釋放滯后，因此具有響應時間短等優(yōu)點的葡萄糖敏感性薄膜載藥系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。該體系的原理是將GOD、CAT涂布于無機粒子表面的pH敏感性薄膜中，當體系處于葡萄糖環(huán)境中時，葡萄糖被氧化成葡萄糖酸，體系微環(huán)境的pH降低，導致酶多層外殼膨脹，隨后藥物從多孔系統(tǒng)中釋放出來。Zhao等[11]將酶多層鍍膜涂于多孔二氧化硅粒(mesoporous silica particles，MSPs)中構建葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)。該多孔、多層MSPs可作為藥物儲層，而與戊二醛相互交聯(lián)的酶多層鍍膜則作為一種對葡萄糖濃度敏感的閥去控制胰島素釋放。Claudia R等[12]制備了類似于健康人胰腺的葡萄糖敏感性無機納米復合物薄膜。該薄膜是通過聚(N-異丙基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸)納米顆粒和與GOD和CAT偶聯(lián)的牛血清白蛋白(BSA)-二氧化錳(MnO2)納米粒子相互交聯(lián)而制備的。MnO2納米粒子的使用不僅加強了膜機械強度，也提高了酶的長時程活性。Chen等[13]用層層組裝的方法制備葡萄糖敏感性的多層薄膜，研究發(fā)現(xiàn)胰島素、GOD和帶正電荷的小形聚合物加入的順序能明顯影響葡萄糖敏感性釋藥行為。僅僅通過重排構成單元的組裝順序，體外胰島素的釋放能夠被調(diào)整為線性釋放，從17天延長至36天。此后Chen等[14]將多層薄膜皮下注入于糖尿病家兔體內(nèi)，該薄膜能夠持續(xù)不斷的釋放胰島素，正常血糖濃度至少維持兩周。

2 載有刀豆蛋白A體系

2.1 水凝膠

刀豆蛋白A(Concanavalin A，ConA)是一種外源性植物凝集素，能結合寡糖，其中與葡萄糖有四個結合位點。該系統(tǒng)的原理是將ConA與糖基化胰島素結合并包載于載藥骨架中，當葡萄糖進入體系時，葡萄糖競爭結合ConA置換出糖基化胰島素，藥物釋放出體系外。Zhang等[15]用羧甲基葡聚糖通過碳化亞二胺法交聯(lián)葡萄糖鍵連的ConA制備水凝膠薄膜，該水凝膠薄膜具有細胞毒性低和其滲透率對外部體系中葡萄糖濃度的改變具有響應性和可逆性的優(yōu)點。除此之外，Sahota等[16]制備出基于葡萄聚糖和ConA的光聚合丙烯酸衍生物在一個穩(wěn)定的復合黏度和溫度下超過700天不變性，在50 kDa透析袋中超過500天不降解。

但ConA本身水溶性差及不穩(wěn)定，因此Kim等[17]試圖用聚乙二醇(PEG)修飾ConA，結果發(fā)現(xiàn)，PEG化ConA水溶性增加、長時間穩(wěn)定以及響應時間短。此外，Kim等[18]又檢測了三種不同胰島素載藥遞送系統(tǒng)：擴散控制儲層、擴散控制基質(zhì)和溶蝕控制基質(zhì)系統(tǒng)的響應性。結果顯示，胰島素通過擴散控制儲層和擴散控制骨架均能根據(jù)葡萄糖濃度的變化釋放，而溶蝕系統(tǒng)則不能。

Yin等[19]通過反相乳化交聯(lián)法制備基于葡聚糖衍生物和ConA微凝膠，其粒徑小于5微米，研究發(fā)現(xiàn)，甲基丙烯酸葡萄聚糖衍生物的取代程度會影響微凝膠的釋放速率和表面突釋，且高取代的葡萄聚糖衍生物會抑制微凝膠對葡萄糖的敏感性。之后Yin等[20]制備了基于京龍尼平交聯(lián)ConA和GEA-殼聚糖構成的葡萄糖敏感性微凝膠，其脈沖釋藥行為超過8個周期。為進一步提高微凝膠的敏感性，Yin[21]進一步制備了ConA和N-(2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺)(DMAEMA)陽離子基團結合的葡萄糖、pH雙重敏感性微凝膠。體外釋放驗證了該微凝膠能夠很快的響應體系中葡萄糖和pH微小的變化。

2.2 復合微粒

復合微粒是一種粒徑小及制備方法簡單的藥物載體，因其響應時間短、釋藥速率快以及高載藥量的特點，具有廣泛的應用前景。Yin等[22]制備了基于殼聚糖、ConA和葡萄聚糖的葡萄糖敏感性復合微粒。研究發(fā)現(xiàn)，該多層微粒平均粒徑為2.5 μm，以球形形狀單獨的存在，載藥量為9.1%，包封率高達92.2%。藥物釋放結果顯示，微粒對葡萄糖濃度變化具有敏感性及可逆，所釋放的胰島素依然保持活性。

3 載有苯硼酸體系

基于苯硼酸(Phenylboronic Acid，PBA)體系葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)的原理為PBA及其衍生物與二羥基化合物生成復合物，當葡萄糖進入體系中時，通過競爭結合PBA生成更穩(wěn)定的化合物，此時載藥骨架膨脹而釋放藥物。

3.1 水凝膠

3.1.1 宏觀凝膠

Xu等[23]合成了一系列基于PBA體系的帶有不同糖鏈長度(C2-C11)低分子量水凝膠。隨著鏈長度增加到C11時，膠凝能力增加，但對葡萄糖的敏感能力逐漸降低。Nurpeissova等[24]通過聚乙烯醇與4-巰基苯硼酸在氧化的水溶液中(pH>9)制備新型氧化還原及葡萄糖敏感性水凝膠，研究顯示其在L-谷胱甘肽及D-葡萄糖溶液中降解速率快。

人體是一個復雜的機體，體內(nèi)各種因素都會影響藥物釋放行為。Wang等[25]將甲基丙烯酸(2-二甲基氨基)乙基酯(DMAEMA)聚合3-丙烯酰胺苯硼酸(AAPBA)制備的水凝膠，其釋藥行為很大程度上受緩沖液溫度、pH和葡萄糖濃度影響。Huang等[26]制備的聚(3-丙烯酰胺苯硼酸-共聚(2-二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯)/(β-環(huán)糊精-環(huán)氧氯丙烷)半互穿型水凝膠的平衡溶脹率受溶脹體系中的pH、溫度、離子強度和葡萄糖濃度的影響。

3.1.2 微觀凝膠

由于水凝膠本身對外界刺激響應時間長及滯留性的缺點，應用性不高?？赏ㄟ^減小水凝膠的粒徑以提高其對葡萄糖的敏感程度，因此葡萄糖敏感性微觀凝膠被廣泛研究。Zhao等[27]制備了一種基于PBA的葡萄糖敏感性聚肽納米水凝膠，該水凝膠隨著磷酸鹽緩沖液中葡萄糖濃度的增加，胰島素釋放速率加快，而且具有良好的生物相容性。

然而很多因素影響藥物釋放行為，微凝膠會隨著葡萄糖濃度的增加表現(xiàn)出溶脹或皺縮相反的釋藥行為[28]。Hoare等[29]研究發(fā)現(xiàn)，微凝膠的pH、PBA接枝密度以及微凝膠中陰、陽離子功能化基團的相對濃度會影響這種相反的釋藥行為。Tang等[30]研究結果表明，當葡萄糖與葡萄糖-苯硼酸絡合物比例為1∶2時，葡萄糖濃度的增加微凝膠單調(diào)性皺縮。

此外，研究者們致力于開發(fā)更加靈敏的多重響應性載藥微凝膠，研究發(fā)現(xiàn)，溫度、葡萄糖雙重敏感性微凝膠在室溫下葡萄糖加入前處于塌陷狀態(tài)，葡萄糖加入后，變得親水而膨脹[31-32]，可作為葡萄糖傳感器根據(jù)熒光強度檢測葡萄糖濃度[33]。此外，Zhang等[34]制備的葡萄糖、pH和溫度三重敏感性微凝膠具有高載藥量及體內(nèi)可降解性，生理條件下穩(wěn)定性更高。

3.2 載體微粒

葡萄糖敏感性微粒是新型藥物遞送載體之一，具有粒徑小、類球形分布、載藥量大及快速響應性的特點，因此被國內(nèi)外學者大量的研究[35]。研究發(fā)現(xiàn)[36-37]，基于PBA的兩親性、不規(guī)則糖聚合物自組裝納米粒子(NPs)能夠以單獨的球形粒子形式很好的分散，具有一定的葡萄糖敏感性和生物相容性。此外，Ma等[38]通過層層組裝技術制備了葡萄糖敏感性聚合物微粒。通過監(jiān)測光散射強度和膠束溶液的熒光(ARS)的方法研究絡合微粒的葡萄糖敏感性。結果顯表明，絡合微粒相比于簡單微粒葡萄糖敏感性強，且隨著復合物中P(AA-co-AGA)數(shù)量的降低，絡合微粒對葡萄糖的敏感性增加。

3.3 薄 膜

Ding等[39]將聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸與1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽和乙二胺相互交聯(lián)通過層層組裝技術制備了刺激敏感性薄膜，該薄膜呈現(xiàn)出pH和溫敏性溶脹行為。當葡萄糖存在時，薄膜的溶脹性增強，釋藥速率加快。

3.4 傳感器

Zhang等[40]設計了超薄膜快速靈敏性水凝膠傳感器，該水凝膠薄膜比通常使用的水凝膠傳感器薄兩倍，其不僅對葡萄糖敏感，而且能夠對葡萄糖進行持續(xù)監(jiān)測。Li等[41]合成的聚(丙烯酰胺-3-丙烯酰胺基硼酸)(PAA-ran-PAAPBA)葡萄糖傳感器能夠在生理pH條件下探測葡萄糖，因此該裝置很有潛力成為于皮下組織不間斷檢測葡萄糖濃度的監(jiān)測器。

4 結 語

葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)能夠根據(jù)體內(nèi)血糖濃度的變化調(diào)節(jié)藥物釋放，減少低血糖等不良反應，提高患者的順應性。盡管該系統(tǒng)應用前景光明，但仍然存在許多不足，如系統(tǒng)響應較慢，回復初始狀態(tài)時間長；GOD活性利用率低，ConA和PBA也能識別果糖和半乳糖；外源性物質(zhì)引起體內(nèi)免疫反應等。相信隨著人們不斷的深入研究，葡萄糖敏感性給藥系統(tǒng)取得重大突破，能早日應用于臨床。