殼聚糖納米粒子在藥物遞送系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)展

潘 超,王曉峰

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院 口腔頜面外科,黑龍江 哈爾濱,150000)

近年來，納米材料已然成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，基于納米技術(shù)產(chǎn)生的納米藥物遞送系統(tǒng)在提高藥物利用度方面顯示出卓越的潛力。納米藥物遞送系統(tǒng)在改善藥物穩(wěn)定性[1],提高藥物細(xì)胞攝取能力[2],實(shí)現(xiàn)藥物控釋[3]或靶向給藥[4]等方面具有良好的應(yīng)用價(jià)值。常見的納米藥物載體有脂質(zhì)體、納米膠束以及納米粒子等，隸屬于天然高分子納米材料的殼聚糖，由于來源廣泛，安全性好、無免疫原性，良好的生物相容性和生物可降解性以及帶有游離氨基便于修飾，成為最具代表性的藥物載體之一。但是，殼聚糖只在酸性溶液中溶解，在中性溶液和堿性溶液中不溶，形成的納米粒子穩(wěn)定性差，大大限制了一些藥物的包埋效率，同時(shí)殼聚糖降解速率緩慢且不可控制[5]。因此，為保證殼聚糖納米材料能夠被安全應(yīng)用于實(shí)踐中，臨床需對(duì)殼聚糖進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，如水溶性殼聚糖衍生物、接枝類殼聚糖衍生物、兩親性殼聚糖衍生物等[6]，還需明確其在體內(nèi)的吸收、分布、排泄?fàn)顩r及生物相容性、毒性?，F(xiàn)將近年來殼聚糖納米粒子在藥物遞送系統(tǒng)中的應(yīng)用情況以及殼聚糖的藥物代謝動(dòng)力學(xué)、生物相容性和毒性綜述如下，旨在為后續(xù)殼聚糖類藥物載體系統(tǒng)的研究提供思路。

1 殼聚糖類納米粒子在藥物遞送系統(tǒng)中的應(yīng)用

1.1 殼聚糖納米粒子遞藥系統(tǒng)的易修飾性

甲殼素是一種分布廣泛的天然高分子物質(zhì)，是自然界中產(chǎn)量僅次于纖維素的第2大可再生資源。殼聚糖是甲殼素的高脫乙酰化產(chǎn)物。殼聚糖類材料中應(yīng)用最廣泛的是兩親性殼聚糖衍生物(殼聚糖中同時(shí)含有親水基團(tuán)和親油基團(tuán)的聚合物，親油部分在疏水、靜電、氫鍵等作用下相互聚集，形成膠束內(nèi)核，而親水部分則形成膠束的親水外殼)，這種核-殼結(jié)構(gòu)材料的組織滲透性及體內(nèi)穩(wěn)定性好，是加載藥物的理想載體。

將殼聚糖進(jìn)行羧酸化、磺酸化、乙二醇化等，引入親水基團(tuán)，可改善殼聚糖的水溶性，同時(shí)通過成酰胺或成醚反應(yīng)，引入親油基團(tuán)，這種兩親性殼聚糖衍生物納米載藥體系已被廣泛應(yīng)用于藥物遞送系統(tǒng)中并取得了良好效果[7-8]。QU D等[9]設(shè)計(jì)并合成了一種茴香酰胺共軛的N-辛基-N,O-馬來酰-O-磷酰兩親性殼聚糖(a-OMPC),具有pH響應(yīng)釋放和對(duì)sigma-1受體過度表達(dá)的腫瘤有高親和力的特點(diǎn)，可用于紫杉醇(PTX)遞送。這種兩親性殼聚糖衍生物在靶向前列腺癌的藥物遞送系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。DE OLIVEIRA PEDRO R等[10]合成的2-氯-N，N-二乙基乙胺鹽酸鹽(DEAE)修飾的兩親性殼聚糖與槲皮素在控制MCF-7細(xì)胞活力方面顯示出協(xié)同作用，這種殼聚糖衍生物可用作癌癥治療的優(yōu)良納米載體。LIU Q等[11]設(shè)計(jì)了2種基于羧甲基殼聚糖(CMC)的pH響應(yīng)兩親性殼聚糖衍生物,N-2-羥丙基-3-丁基醚-O-羧甲基殼聚糖(HBCC)和N-2-羥丙基-3-(2-乙基己基縮水甘油醚)-O-羧甲基殼聚糖(H2ECC)，其對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌顯示出良好的抗菌活性。

1.2 殼聚糖納米粒子遞藥系統(tǒng)能增強(qiáng)藥物的穩(wěn)定性

多肽蛋白質(zhì)藥物可在體內(nèi)被酶輕易降解，滲透性和穩(wěn)定性差，且半衰期短。但是殼聚糖納米粒子可以很好地保護(hù)蛋白質(zhì)，促進(jìn)藥物與生物膜之間的接觸，從而提高生物利用度[12]。ZHANG N等[13]設(shè)計(jì)了由-環(huán)糊精(-cd)、環(huán)氧氯丙烷(EP)和氯化膽堿(CC)經(jīng)一步縮聚合成的陽離子-環(huán)糊精聚合物(CPbetaCDs)與胰島素形成海藻酸鹽/殼聚糖納米顆粒體系。由于胰島素與CPbetaCDs之間的靜電吸引，以及其聚合鏈的輔助作用,CPbetaCDs可以在模擬胃腸道條件下有效保護(hù)胰島素。模擬腸液中胰島素的累積釋放量(40%)明顯高于未加CPbetaCDs的腸液(18%),這是因?yàn)橐葝u素主要保留在納米顆粒的核心，且在模擬胃液中有良好的降解保護(hù)。RGD肽是一種全身抗血管生成肽藥物，在體內(nèi)的半衰期較短，易被腎臟清除，因此治療效果不明顯。KIM J H等[14]制備了經(jīng)5-膽酸(HGC)疏水改性的自組裝的乙二醇?xì)ぞ厶羌{米顆粒，該結(jié)構(gòu)作為RGD肽的一個(gè)延長和持續(xù)的藥物傳遞系統(tǒng)，可延長RGD肽的釋放時(shí)間，持續(xù)1周。同時(shí),RGD肽很容易被包裹到HGC納米顆粒中(生成RGD-HGC納米顆粒)，且具有較高的負(fù)載效率(>85%)。黃芪多糖(APS)是從中藥黃芪中提取的有效成分，是一種免疫促進(jìn)劑或免疫調(diào)節(jié)劑，還具有抗氧化、抗衰老、抗癌、抗病毒等多種作用，但其分子過大且?guī)ж?fù)電荷，故口服生物利用度較低。LAI M等[15]設(shè)計(jì)合成以脫氧膽酸為疏水基，維生素B12為親水基的兩親性殼聚糖衍生物(VB12-DA-Chit)用于遞送黃芪多糖，該聚合物具有正電性(+16 mV),可以通過靜電作用包載負(fù)電性的黃芪多糖，提升其穩(wěn)定性及生物利用度。

1.3 殼聚糖納米粒子遞藥系統(tǒng)能控制藥物的釋放

殼聚糖分子鏈上有羥基和氨基2種活潑的反應(yīng)基團(tuán)，可通過酯化、?；⒚鸦?、羧基化、醛化、水解等各種反應(yīng)進(jìn)行修飾改性，使其具備緩釋、控釋或靶向功能。YU X等[16]設(shè)計(jì)了一種兩親性的西替利嗪-殼聚糖聚合物(CTZ-CSs),形成的CTZ-CSs自組裝形成納米載體，再通過物理作用包載西替利嗪。這種納米遞藥系統(tǒng)在溶菌酶的存在下實(shí)現(xiàn)了藥物釋放的爆發(fā)性和持續(xù)性，在前6 h爆發(fā)性釋放，然后在溶菌酶的存在下釋放速度明顯減慢，可持續(xù)釋放72 h。該遞藥系統(tǒng)不僅可以迅速緩解癥狀，而且具備緩釋功能，可延長作用時(shí)間，使得治療效果大大改善。WU M等[17]以脫氧膽酸為疏水基，磷脂酰膽堿(PC)為親水基合成生物可降解的兩親性殼聚糖衍生物(DCA-PCCS),以牛血清白蛋白(BSA)為模型蛋白通過溶劑蒸發(fā)法形成納米復(fù)合物(BSA/DCA-PCCs)。BSA的載藥量達(dá)到15.6%,在前12 h約有45%的BSA被迅速釋放，隨后緩慢釋放，累積釋放時(shí)間長達(dá)72 h,表明BSA/DCA-PCC納米復(fù)合物具有一階指數(shù)衰減動(dòng)力學(xué)的緩釋行為。JANG E H等[18]以四硝基氯甲酸芐酯和葉酸為原料，經(jīng)疏水改性后合成的乙二醇?xì)ぞ厶羌{米顆粒(HRGF),可在低氧條件下特異性釋放藥物。由于其結(jié)構(gòu)在低氧條件下被硝化還原酶(NTR)裂解，因此具有腫瘤靶向性，并且能夠以依賴于NTR的方式釋放藥物。與未加葉酸的乙二醇?xì)ぞ厶羌{米顆粒相比,HRGF具有更好的體內(nèi)腫瘤靶向性。體外藥物釋放譜顯示，負(fù)載阿霉素(DOX)的HRGF在缺氧條件下比未添加葉酸修飾的乙二醇?xì)ぞ厶羌{米顆粒釋放更快。

1.4 殼聚糖納米粒子遞藥系統(tǒng)可提高藥物的細(xì)胞攝取能力

藥物向細(xì)胞內(nèi)部的轉(zhuǎn)運(yùn)是藥物發(fā)揮療效的關(guān)鍵步驟，然而需要克服細(xì)胞膜的親脂性和耐藥性等難題。殼聚糖納米粒子與細(xì)胞表面的蛋白多糖非特異性靜電結(jié)合，以及殼聚糖的配體與細(xì)胞膜表面的受體之間相互作用，能顯著提高殼聚糖遞藥系統(tǒng)的細(xì)胞攝取及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能力。HUANG P等[19]制備了透明質(zhì)酸(HA)接枝聚己內(nèi)酯(PCL)的多功能聚電解質(zhì)殼聚糖納米粒(HA-g-PCL NPs),細(xì)胞攝取研究表明HA-g-PCL NPs通過受體介導(dǎo)的內(nèi)吞作用進(jìn)入癌細(xì)胞(EC109),而正常成纖維細(xì)胞(NIH3T3)很少吸收，克服了親脂性抗癌藥物水溶性差、胃腸道微環(huán)境和體循環(huán)障礙等缺點(diǎn)，在提高親脂性抗癌藥物口服給藥效率方面具有很大的潛力。WANG T等[20]設(shè)計(jì)了HA枝接殼聚糖(CS NPs)包載5-氟尿嘧啶(5-Fu)作用于高表達(dá)CD44的腫瘤細(xì)胞的納米遞藥系統(tǒng)(HA-CS NPs),并發(fā)現(xiàn)RhB標(biāo)記的HA-CS NPs發(fā)出的強(qiáng)烈紅色熒光出現(xiàn)在高表達(dá)CD44的A549細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，表明HA-CS NPs在CD44高表達(dá)的腫瘤細(xì)胞中有效促進(jìn)了5-Fu的聚集。為了進(jìn)一步闡明由HA和CD44相互作用介導(dǎo)的HA-CS NPs的內(nèi)在化過程，WANG T等[20]使用游離HA作為CD44受體的競(jìng)爭性抑制劑對(duì)細(xì)胞進(jìn)行預(yù)共孵育，以研究NPs的競(jìng)爭性細(xì)胞攝取機(jī)制。結(jié)果顯示，HA-CS NPs培養(yǎng)A549細(xì)胞后，細(xì)胞內(nèi)部可觀察到強(qiáng)烈的紅色熒光。但向培養(yǎng)基中添加2 mg/mL的游離HA后，細(xì)胞內(nèi)熒光強(qiáng)度顯著降低，而納米顆粒(NP)吸收被顯著抑制。由此表明,HA-CS NPs選擇性結(jié)合CD44受體并加速NPs內(nèi)在化進(jìn)入細(xì)胞。存在于培養(yǎng)基中的游離HA已與HA-CS NPs競(jìng)爭結(jié)合到細(xì)胞表面的CD44受體，從而導(dǎo)致受體飽和并阻止NP進(jìn)入細(xì)胞。相比之下，添加HA對(duì)CD44低表達(dá)的HepG2細(xì)胞中HA-CS NPs的內(nèi)在化沒有明顯影響。該實(shí)驗(yàn)[20]證明了HA-CS NPs能通過靶向給藥來提高腫瘤細(xì)胞對(duì)藥物的攝取能力，進(jìn)而提高藥物的抗腫瘤效率。MANSOURI A等[21]設(shè)計(jì)了一種聚丙交酯-乙交酯(PLGA)和CD8AP17s適體(Apt)修飾的包載他克莫司(TAC)的殼聚糖靶向遞送平臺(tái)(TAC-PLGA-CS-Apt),采用MOLT-4細(xì)胞作為CD8陽性和JURKAT細(xì)胞作為CD陰性來研究體外遞送系統(tǒng)的功效。結(jié)果顯示,TAC-PLGA-CS-Apt增加了MOLT-4細(xì)胞(靶標(biāo))中TAC的細(xì)胞攝取，同時(shí)降低了其在JURKAT細(xì)胞(非靶標(biāo))中的細(xì)胞毒性，表明TAC-PLGA-CS-Apt可有效地將TAC作為細(xì)胞毒性T細(xì)胞的模型遞送至MOLT-4細(xì)胞，并可認(rèn)為是TAC遞送的潛在遞送平臺(tái)。

2 殼聚糖納米粒子的藥物代謝動(dòng)力學(xué)

2.1 殼聚糖納米粒子在體內(nèi)的分布和吸收

目前關(guān)于殼聚糖納米粒子的體內(nèi)分布方面的研究較少，殼聚糖納米粒子的生物分布與其分子量大小和脫乙酰度有關(guān)。殼聚糖納米粒子的代謝動(dòng)力學(xué)和生物分布由殼聚糖聚合物的分子量和表面電荷來控制[22]。SUZUKI Y S等[23]制備了螯合holum-166的殼聚糖聚合物(具有放射性)，通過靜脈途徑(尾靜脈)對(duì)小鼠注射72 h后,4.2%的鼠的尿液和4.8%的鼠的糞便中檢測(cè)到放射性物質(zhì)，而胴體中檢出率達(dá)90.6%。BANERJEE T等[24]制備了99mTc標(biāo)記的戊二醛殼聚糖納米顆粒(<100 nm),靜脈注射于瑞士白化小鼠體內(nèi),1 h后仍能在小鼠血液內(nèi)檢測(cè)到放射性物質(zhì)。RICHARDSON S C等[25]用放射性物質(zhì)125I標(biāo)記了3種分子量(<5 kDa、5～10 kDa和>10 kDa)的殼聚糖，在5 min和1 h時(shí)對(duì)雄性Wistar大鼠的殼聚糖生物分布進(jìn)行評(píng)估，發(fā)現(xiàn)殼聚糖分子量越大，在血液中停留時(shí)間越短，而殼聚糖在肝臟中的積累量隨分子量的增加而增加。GUPTA A K[26]也觀察到超過200 nm的殼聚糖納米粒子更容易被脾臟和肝臟吸收。BANERJEE T等[24]和ZHANG C等[27]研究發(fā)現(xiàn)，殼聚糖還能分布在胃部。此外,ZHANG C等[27]熒光標(biāo)記的改性殼聚糖還分布在腎臟中。

總之，殼聚糖納米粒子的體內(nèi)分布情況與其分子量大小密切相關(guān)，分子量越大，其在腎臟及肝臟的密集度越高。放射標(biāo)記和熒光標(biāo)記已被普遍用于研究殼聚糖及其衍生物在靜脈給藥后的生物分布，這種標(biāo)記有助于評(píng)估生物分布，但不能保證評(píng)估的準(zhǔn)確性，因此在后續(xù)的研究中仍需開發(fā)更完善的生物分析技術(shù)來進(jìn)行評(píng)估。

2.2 殼聚糖納米粒子在體內(nèi)的排泄

經(jīng)不同途徑給藥后，殼聚糖主要通過尿液和糞便排出。MINGMING Y等[28]以異硫氰酸熒光素為原料，合成了熒光素標(biāo)記的PS916(PS916-FTC)。PS916是殼聚糖衍生物，目前正作為一種抗動(dòng)脈粥樣硬化藥物進(jìn)行臨床試驗(yàn)。MINGMING Y等[28]對(duì)大鼠靜脈注射PS916-FTC或口服給藥,72 h內(nèi)收集血漿、尿液、糞便和組織標(biāo)本，發(fā)現(xiàn)PS916-FTC靜脈給藥后尿路為主要排泄途徑(54.4%),糞路為次要排泄途徑(6.29%),而PS916-FTC口服給藥后糞路為主要排泄途徑(79.0%)。JIANG L Q等[29]研究發(fā)現(xiàn)，除腎尿排泄途徑外，肝膽排泄途徑是殼聚糖納米粒子的主要排泄途徑。

3 殼聚糖納米粒子的生物相容性及毒性研究

殼聚糖納米粒子在化學(xué)、生物工程、疾病檢測(cè)和藥物輸送等諸多領(lǐng)域已成為一種重要的載體或工具，故臨床還需對(duì)其生物相容性及毒性進(jìn)行深入研究。殼聚糖納米粒子表面的陽離子基團(tuán)(或電荷)的增加，電荷與聚合物之間緊密程度的增加以及某些季銨鹽殼聚糖衍生物烷基鏈長度的增加，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞毒性的增加[30]。KEAN T等[31]研究證明，三甲基殼聚糖(季銨鹽殼聚糖)的三甲基化程度越高，電荷密度越大，毒性越大。SCHIPPER N G等[32]描述了不同乙?；群头肿恿康臍ぞ厶菍?duì)細(xì)胞毒性的影響，在高脫乙酰度情況下，毒性與殼聚糖的分子量和濃度呈正相關(guān)，在低脫乙酰度下，毒性很低且與殼聚糖分子量的相關(guān)性不大。目前的研究普遍認(rèn)為殼聚糖納米粒子是一種無毒的高分子材料，也是一種安全的藥物遞送系統(tǒng)的載體。PEREIRA L A等[33]制備了一種乙酰丙酮與乙二胺(Cacen)或二乙基三胺(Cacdien)聯(lián)合頭孢他啶(F)的改性殼聚糖，并進(jìn)行體外溶血細(xì)胞毒性試驗(yàn)，結(jié)果表明細(xì)胞溶血指數(shù)隨時(shí)間延長逐漸下降，溶血率低(<5%)且與血漿有良好親和力，具有良好的生物相容性。THAI H等[34]通過離子凝膠法制備了藻酸鹽修飾的負(fù)載洛伐他汀的殼聚糖納米粒子(ACL),在急性毒性試驗(yàn)中,ACL對(duì)小鼠的毒性足夠低，洛伐他汀的LD50高于5 000 μg/kg,而在亞慢性毒性試驗(yàn)中，以100 μmg/kg和300 μmg/kg的ACL納米粒子進(jìn)行治療時(shí)，小鼠的關(guān)鍵器官未出現(xiàn)異常的結(jié)構(gòu)和功能變化。由此表明,ACL納米粒子在小鼠中是安全的，這種殼聚糖納米粒子可用作新的藥物載體。

4 總 結(jié)

殼聚糖納米粒子為載體的藥物遞送系統(tǒng)，在提高藥物穩(wěn)定性、控制藥物釋放、提高細(xì)胞對(duì)藥物的攝取能力方面展現(xiàn)出了巨大潛力。殼聚糖納米粒子很容易進(jìn)行表面修飾，可保護(hù)蛋白質(zhì)類藥物避免其過早地在體內(nèi)降解，提高藥物利用度;對(duì)殼聚糖納米粒子上的氨基或羥基基團(tuán)進(jìn)行修飾改性，實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)釋放;與細(xì)胞表面相互作用，顯著提高了藥物的細(xì)胞攝取能力及跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)能力。但目前臨床關(guān)于殼聚糖納米粒子的生物學(xué)效應(yīng)和安全性的相關(guān)研究尚較少，還需深入探討殼聚糖納米粒子的體內(nèi)分布和吸收、排泄等過程，而殼聚糖修飾后細(xì)胞毒性增大的矛盾也需加以解決。隨著殼聚糖納米粒子研究的日益深入，其在藥物遞送系統(tǒng)方面的應(yīng)用前景必將更為廣闊。