甲殼素及其衍生物在醫(yī)藥領域的應用＊

李玉文,張梁棟

(1.青島農(nóng)業(yè)大學,山東 青島 266109;2.濟南大學,山東 濟南 250022)

甲殼素(chitin)又名幾丁質、甲殼質、殼多糖等,廣泛存在于甲殼綱動物如蟹、蝦、昆蟲及真菌中,其資源豐富,產(chǎn)量僅次于纖維素,是自然界第二大有機物質。殼聚糖(chitosan)是甲殼素最重要的衍生物,是甲殼素部分或全部脫乙?；漠a(chǎn)物。研究發(fā)現(xiàn)甲殼素及其衍生物具有相似的生物特性:(1)生物可降解性,在生物體內(nèi)通過溶菌酶的作用可以分解。(2)生物相容性,兼有高等動物組織中膠原質和高等植物組織中纖維素兩者的生物功能,對動、植物都具有良好的適應性,與生物體的親和性能體現(xiàn)在細胞水平上,產(chǎn)生抗原的可能性很小。(3)具有加快傷口愈合能力,對受損傷的生物體能誘生特殊細胞,加快創(chuàng)傷愈合,特別是促進愈合張力的增長。(4)無口服毒性,殼聚糖與體內(nèi)存在的無毒氨基葡萄糖結構類似,故作為人體服用材料應是安全的,實驗也證明,它是安全的機體用材料。(5)對血清中的中分子量物質具有高透過性。(6)對血清蛋白質等血液成分的吸附能力很大。(7)具有消炎、止血、鎮(zhèn)痛和抑菌等性能,這些生物學特性使得甲殼素及其衍生物在醫(yī)藥領域獲得廣泛的應用。

1 在燒傷、燙傷方面的臨床應用

1.1 醫(yī)用敷料

甲殼素和殼聚糖制成的醫(yī)用敷料包括無紡布、紗布、繃帶、止血棉、醫(yī)用纖維、膠粘帶、薄膜等,主要用于治療燒燙傷病人。該類敷料可以減輕傷口疼痛;并具有極好的氧滲透性,可防止傷口缺氧;能吸收水分,通過體內(nèi)酶自然降解,降解產(chǎn)生N-乙酰葡糖胺,可大大提高傷口的愈合速度,用于治療大面積燒傷、燙傷效果良好[1]。

1.2 吸收性手術縫合線

研究表明[2],甲殼素對烷基鋰、消化酶及受感染的尿等的抵抗力比聚乳酸和羊腸要好,另外,甲殼素纖維的強度能滿足手術操作的需要(在酰胺-氯化鋰溶劑中紡出的復絲抗張強度約為50 kg/mm2);線性柔軟便于打結,無毒性;可加速傷口愈合,因此甲殼素纖維縫合線是理想的吸收性手術縫合線,該類縫合線在國外已進入實用階段,如日本 Yunichika公司[3]是較早出售甲殼素可降解的手術縫合線的公司之一。據(jù)報道[4],中國紡織大學甲殼素研究課題組研制出的甲殼素縫合線經(jīng)臨床應用,效果良好,未發(fā)現(xiàn)有過敏、刺激、炎癥現(xiàn)象,并具有消炎、促進傷口愈合和愈合后傷口平滑無疤痕等優(yōu)點。

利用高質量的甲殼素為原料制成的手術縫合線能被組織降解吸收,患者無須忍受拆線的痛苦,且這種線比腸衣線更易于縫合和打結,對外科醫(yī)師來說極為方便。另外,甲殼素手術縫合線還能加速傷口愈合。據(jù)Ballassa報道[1]用甲殼素及其衍生物制備的縫合線,可使傷口愈合速度提高75%。因此,甲殼素手術縫合線完全可以替代腸衣手術縫合線,廣泛應用于各種外科手術。

1.3 人造皮膚

文獻[6]報道用甲殼素纖維制作人工皮膚,醫(yī)治燙傷、燒傷的效果非常好。其方法是:先用血清蛋白質對甲殼素微細纖維進行處理以提高其吸附性,然后用水作分散劑、聚乙烯醇(PVA)作粘合劑,制成無紡布,切塊后滅菌即可備用。其優(yōu)點是:密著性好,便于表皮細胞長入;具有鎮(zhèn)痛止血功能;可促進傷口愈合,且愈合不發(fā)生粘連。另外還可以用這種材料作基體來大量培養(yǎng)表皮細胞,將這種載有表皮細胞的無紡布貼于深度燒、創(chuàng)傷表面,一旦甲殼素纖維分解,就形成完整的新生真皮。這類人工皮膚在國外已商品化,并在整形外科手術中獲得了一定的應用[3-7]。日本健康福利部于1988年頒布了同意用殼聚糖無紡布作為皮膚替代物的條例。Kim&M in用殼聚糖和磺化殼聚糖的混合物制成的傷口恢復材料,對傷口區(qū)皮膚的再生有很好的效果。日本Hataku-rachikarin醫(yī)藥公司用殼聚糖-膠原復合材料制成的人工皮膚對外傷和燒傷的愈合也有促進作用。我國中國海洋大學樓寶城等[5]以殼聚糖、角元乙酸鹽為主,添加中草藥有效成分及天然原料研制成功甲殼素人造皮膚。近來,Su等[8]研究發(fā)現(xiàn),糖化甲殼素膜可以通過誘發(fā)細胞繁殖、促進成纖細胞轉移來加速傷口愈合,因此它作為人工皮膚的功效可以與日本 Yunichika公司和法國Roussel M edica公司聯(lián)合推出的商品Beschitin相媲美。

2 眼科材料

2.1 人工淚液

用幾丁糖、聚乙烯山梨醇、油酸酯加防腐劑氯代丁醇配制的等滲溶液作為人工淚液,補充自然淚液的不足。用于無淚患者及干燥性角膜炎、結膜炎效果明顯優(yōu)于植物甲基纖維索制成的人工淚液。徐斌[9]等用幾丁糖凝膠及幾丁糖溶液連續(xù)滴入兔眼7天,在熒光素鈉染色下,觀察兩組兔眼無結膜角膜刺激反應。國內(nèi)研制的幾丁糖分子量達到300萬道爾頓,因分子中含有許多極性基團,溶于水中形成具有

粘滯性的大分子膠體溶液,可延長藥物在結膜囊內(nèi)的滯留時間而延長療效,而其本身又有抑菌、止血及良好的生物相容性,同其它無生理活性的物質相比具有明顯的優(yōu)越性。

2.2 醫(yī)用粘彈劑

粘彈劑現(xiàn)已成為眼科顯微手術中必不可少的手術工具之一。幾丁糖是甲殼素經(jīng)化學改性及修飾后形成的,具有作為眼用粘彈的理化特性。李由等[10]通過向兔眼內(nèi)注射自制幾丁糖,以國際公認的粘彈劑透明質酸鈉作為對照,觀察球結膜充血、角膜混濁、前房滲出、眼壓變化、角膜內(nèi)皮活細胞染色并計數(shù),發(fā)現(xiàn)實驗組與對照組均無顯著性差異。同時,電鏡觀察細胞形態(tài)無明顯異常,臨床結果驗證幾丁糖與透明質酸鈉在眼內(nèi)反應相似,有作為眼內(nèi)粘彈劑的良好應用前景。

2.3 抑制青光眼術后纖維增生及玻璃體視網(wǎng)膜增殖性病變

為了提高青光眼濾過手術的成功率,開拓新型抗纖維組織增生的藥物,陸放等[11]利用幾丁糖可抑制纖維細胞增生的特性,制備甲殼類多糖膜及溶液,置于青光眼濾過手術后的兔眼結膜下。結果表明:甲殼類多糖在兔眼結膜下可自行性降解,并能有效抑制纖維細胞增生,維持濾過道通暢。幾丁糖有選擇性抑制人成纖維細胞生長的生物活性。又是一種無毒、無刺激、無免疫原性的生物可降解材料,有可能成為一種有效抑制PVR的藥物。但目前對于幾丁糖眼內(nèi)藥物代謝動力學和毒性研究較少,仍有待于進一步探討,使之最終能成功地應用于臨床。

2.4 眼用藥物長效緩釋制劑

甲殼素及其衍生物均有很強的親水性,可在酸性介質中膨脹形成膠體粘稠物質而阻止藥物擴散及溶出,由此可制成緩釋微球、緩釋片等,同時幾丁糖具有良好的成膜性,可作為片劑、顆粒劑的包衣材料。Shozo等[12]曾用幾丁糖制備了消炎痛緩釋顆粒,顯示了良好的緩釋效果。并發(fā)現(xiàn)其緩釋時間隨著幾丁糖配比濃度增大而延長。完全釋藥時間為8—10 h。因幾丁糖在低p H范圍內(nèi)形成凝膠層,可降低對胃腸道刺激,解決了臨床上因胃腸道刺激而限制使用的問題。王愛琴等[13]用改性后的羥丙基甲殼素作為增稠材料,制備了含1%羥丙基甲殼素鹽酸環(huán)丙沙星滴眼液,提高了藥物的粘附性和滯留時間,在臨床觀察中取得了較好結果。Centa等[14]利用幾丁糖包裹無環(huán)鳥苷制備的滴眼液在活性實驗中證實:幾丁糖可提高無環(huán)鳥苷的生物利用度,延長給藥時間間隔,并且在用藥期間沒有觀察到任不適反應。

3 在藥物制劑領域的應用

作為天然大分子,甲殼素及其衍生物具有低毒、生物相容、可生物降解等性質,還具有抗菌、抗腫瘤、抗凝血、抗酸、抗?jié)兓钚?可阻止或減弱藥物對胃腸道的刺激性等[15],并且在酸性條件下可形成水凝膠,具有粘膜吸附的特性,這些優(yōu)良的生物與物理化學性質決定了甲殼素及其衍生物在藥物制劑領域有著廣泛的應用前景。

3.1 在藥物制劑中用作緩釋輔料

甲殼質或其衍生物作為緩釋輔料[16]與原料藥混勻后,加入其它配料可直接用于壓片,或制成顆粒劑,或用壓力揚吸機模壓成型材。然后制成丸劑,或制備緩釋用微球、微囊、納米球、納米囊[17-18]。目前已制備成功的緩釋口服藥物主要有抗炎鎮(zhèn)痛藥(雙氯芬酸鈉、吲哚美辛等)、胰島素、糖皮質激素、褪黑激素以及某些疫苗等。

殼聚糖的性質會影響到藥物的釋放,脫乙酰度較低、相對分子質量較大的殼聚糖具有良好的緩釋作用,而高脫乙酰度、低粘滯度的殼聚糖的緩釋作用較差。

3.2 用作藥物的靶向載體

基于殼聚糖及其衍生物在不同酸性環(huán)境中具有不同的藥物釋放速率的特性,制成具有吸收部位特異性的消化道制劑,可起到靶向作用。如在眾多的結腸靶向藥物傳遞系統(tǒng)中,以殼聚糖及其衍生物作為輔料的生物高分子藥物傳遞系統(tǒng)可被結腸部位的微生物所降解,是一種優(yōu)良的結腸靶向的傳遞系統(tǒng),因而具有廣泛的應用前景。

更重要的是,殼聚糖還能以“被動機制”選擇性地蓄積于腫瘤組織,可用作抗腫瘤藥物的靶向載體。實驗證明水溶性殼聚糖衍生物(如丁二酰殼聚糖[19])能夠增加藥物對病灶區(qū)血管壁的通透性,有利于藥物向腫瘤組織的滲透,從而將藥物選擇性地分布于癌變部位,降低對正常組織的毒副作用;同時還能夠延緩藥物在體內(nèi)的降解速度,提高藥效,已成為當前抗腫瘤藥物研究領域的熱點。Song Youhua等[20]將絲裂霉素和丁二酰殼聚糖偶聯(lián),通過動物實驗發(fā)現(xiàn)絲裂霉素在體內(nèi)的持續(xù)時間大大延長,毒副作用顯著降低,抗腫瘤活性明顯增強。此外,國外學者已把研究重點轉向了在殼聚糖及其衍生物分子中偶聯(lián)能被腫瘤組織中相應受體特異性識別的“靶頭”,從而獲得基于受體識別系統(tǒng)上的主動靶向作用的藥物載體系統(tǒng),研究較成熟的是肝靶向的藥物載體[21]。如 Kato等[22]將乳糖與丁二酰殼聚糖偶聯(lián)(Lac-Suc),因為哺乳類動物的肝實質細胞表面存在著一類特有的去唾液酸糖蛋白受體(ASGPR),對半乳糖基具有特異性識別作用,乳糖分子中的半乳糖基在此起到了“靶頭”的作用。動物體內(nèi)實驗發(fā)現(xiàn)Lac-Suc主要分布于肝臟,具有明顯的肝靶向性。

3.3 用作崩解劑和難溶藥物的助溶劑

由于殼聚糖及其衍生物遇水能發(fā)生溶脹,故可將其用作崩解劑。在片劑中殼聚糖作為崩解劑的含量應＜70%,含量太高藥片崩解過快,不符合藥典要求。此外,殼聚糖及其衍生物還可作為某些難溶藥物的助溶劑,增加藥物的溶解度,利于藥物的吸收,提高藥物的生物利用度[23]。

3.4 用作吸附劑和吸收促進劑

殼聚糖及其衍生物具有粘膜吸附的特性,可延長藥物在消化道內(nèi)的滯留時間,延緩藥物的釋放,提高藥物的生物利用度。動物實驗表明殼聚糖吸水后可形成凝膠狀物質粘附于消化道表面,這不但加快了所攜帶藥物的吸收,而且藥物清除率也明顯下降。Lehr等在體外實驗中發(fā)現(xiàn)殼聚糖比羥丙基纖維素和羧甲基纖維素具有更好的粘膜吸附性,以殼聚糖作為硫氮草酮的載體制成片劑后在消化道的作用時間顯著延長,其生物利用度大大提高。此外,由于殼聚糖攜帶大量的氨基,具有一定的抗酸性,可抑制質子向粘膜的擴散,因此還可以起到保護胃腸粘膜的作用,臨床上可用于治療胃炎及胃潰瘍等。

藥物吸收促進劑是指能夠增加藥物脂溶性或增加粘膜上皮通透性的物質,過去常用的吸收促進劑有各種表面活性劑(SDS、膽鹽、脂肪酸等)、氨基酸衍生物螫合劑、環(huán)糊精等,這些物質有的對人體產(chǎn)生毒副作用,有的對消化道粘膜上皮致密結構造成不可逆轉的損傷。A rtursson等[24]報道了殼聚糖及其衍生物用作吸收促進劑可提高消化道粘膜對某些親水性分子的通透性。實驗證明在微酸性條下,殼聚糖鹽酸鹽、谷氨酸鹽[25]能夠大幅度地降低單分子膜的跨膜電阻抗(TEER),并增加其通透性;N,N,N-三甲基殼聚糖鹽酸鹽[26]、N-羧甲基殼聚糖[27]等在中性以及微堿性條件下具有顯著提高消化道粘膜通透性的特點。分子水平的研究認為殼聚糖及其衍生物的作用機制是以其分子上攜帶的正電荷連接到細胞膜上,誘導細胞間致密結合蛋白發(fā)生變構,導致跨膜通道的可逆性開放,因此不會對粘膜上皮的致密結構造成損傷。

3.5 用作大分子生化藥物的保護劑

生物大分子藥物(多肽、蛋白質、核酸類)口服后往往會受到體內(nèi)各種酶的降解,從而使藥物喪失活性。采用酶抑制劑雖能一定程度上抑制大分子藥物的降解,但在腸道內(nèi)易被稀釋故要加大其用量,從而易導致局部或全身性毒性反應。目前,以殼聚糖及其衍生物為原料制備這些親水性高分子藥物的口服制劑已成為近年來的研究熱點,如直接將這些大分子藥物與殼聚糖進行壓片、或將其與殼聚糖進行化學偶聯(lián),或以殼聚糖及其衍生物為原料制備微囊、微球、納米囊或納米球等,這些方法不僅能夠保護親水性高分子藥物免受消化道內(nèi)的各種酶的降解,并可促進吸收,顯著提高生物利用度。Bernkop等[28]將殼聚糖-ED TA (56.7%)、殼聚糖-EDTA Bowman Birk抑制因子螫合物(BB I)(10%)、甘露醇(30%)和胰島素(3.3%)研成均勻的粉末后壓成片劑,這種片劑能有效地抑制人工胃液和人工腸液中的羧基肽酶、氨基肽酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶等酶的活性,使胰島素在胃腸道免于被降解。這一作用與殼聚糖-EDTA可以螫合酶的輔助因子以及Zn2+和殼聚糖-EDTA-BBI螫合物對各種蛋白酶的抑制作用有著密切的關系。同時由于殼聚糖還提高了消化道粘膜的通透性,片中胰島素降糖作用也明顯增強。因此,可以說殼聚糖及其衍生物的藥物保護作用為生物大分子口服給藥的研究工作開辟了一條可行之路。

4 結論與展望

甲殼素及其衍生物是一類資源豐富,具有獨特生物活性的高分子材料,盡管目前由于甲殼素及其衍生物質量標準難以建立,其在醫(yī)藥領域的應用尚處在初始階段,但隨著國內(nèi)外對其研究的不斷深入,其藥理、毒理、安全性方面的理論也會日臻完善,甲殼素及其衍生物在醫(yī)藥領域的應用必將日益廣闊。

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