口服胰島素納米粒的吸收機制

張慧 宋曉麗 閆彩鳳

口服胰島素納米粒的吸收機制

張慧 宋曉麗 閆彩鳳

胰島素口服給藥可以顯著改善糖尿病患者的生活質量，然而，胃腸道中各種生理障礙限制了胰島素的口服吸收。將胰島素用特定的聚合納米材料封裝可增加口服胰島素的生物利用度。載胰島素納米?？赏ㄟ^細胞旁路和跨細胞途徑穿過腸上皮細胞層，其吸收機制可能是通過增加與黏膜相互作用或可逆性打開相鄰細胞緊密連接。

胰島素；口服給藥；納米粒

糖尿病是一種慢性疾病，易導致多種并發(fā)癥，嚴重威脅人類健康。而胰島素是治療糖尿病常用藥物，目前主要給藥方式為皮下注射。而長期皮下注射可致患者順應性差，且易導致外周高胰島素血癥，加重2型糖尿病患者的胰島素抵抗[1]。胰島素口服給藥可模擬內源性胰島素作用模式，且服用方便，是最理想的給藥途徑[1]。但是胰島素直接口服易被胃腸道中各種酶降解，且難以通過腸道上皮細胞。用納米粒包裹胰島素可避免胃酸對藥物的破壞及各種酶的降解，達到緩釋效果，增加藥物在小腸吸收部位的濃度。納米粒作為胰島素的口服載體具有良好的應用前景[2]。

1 腸上皮細胞的結構與功能

腸上皮細胞層主要有4種細胞構成：腸細胞（吸收營養(yǎng)物質）、杯狀細胞（分泌黏液）、潘氏細胞以及位于派氏淋巴結的M細胞。除M細胞外，腸上皮細胞表面都有一層黏液覆蓋，其主要成分為黏蛋白，杯狀細胞持續(xù)分泌的黏液能夠快速清除病原體和外來粒子[3]。

腸上皮細胞層的物理屏障保持完整還依賴于相鄰上皮細胞間緊密連接的存在。緊密連接由跨膜整合蛋白、胞質蛋白和調節(jié)蛋白組成?？缒ふ系鞍装ňo密連接蛋白、閉合蛋白和交聯黏附分子，其主要作用是建立相鄰細胞間的封閉性空間；胞質蛋白包括封閉小帶蛋白及扣帶蛋白，其功能是連接完整的緊密連接蛋白和肌動蛋白細胞骨架間的橋梁，作為胞質平臺，在緊密連接處集中了各種細胞信號蛋白，包括激酶、磷酸酶、G蛋白和轉錄因子；調節(jié)蛋白起信號轉導作用，涉及到緊密連接的滲透性[4]。

除腸上皮細胞層本身的物理結構限制了大分子的通透外，腸腔內復雜的生理環(huán)境也使得蛋白質類藥物難以保持活性。胃腸道pH值波動幅度較大，易導致胰島素氧化水解，失去活性[5]。黏液層的黏蛋白纖維與蛋白質通過靜電/離子相互作用、范德華力、疏水力及氫鍵結合可致蛋白質結構改變及吸收降低[6]。胃腸道中存在的各種酶可將蛋白質藥物催化降解成小分子肽類及氨基酸進而吸收，失去藥效。

由于上述物理化學屏障的存在，胰島素很難通過腸上皮細胞層進入體循環(huán)。

2 納米粒通過腸上皮細胞的吸收途徑

2.1 跨膜運輸 跨膜運輸主要有4種形式：M細胞的吞噬、胞飲、網格蛋白介導內吞、陷窩蛋白介導內吞。由于M細胞表面缺乏黏液分泌及多糖-蛋白質復合物，蛋白酶少，使得納米粒子更易被M細胞攝取，然而，因M細胞位于免疫派氏淋巴結，可能會導致免疫反應而減少藥物吸收[7]。胞飲是肌動蛋白依賴過程，可以吞沒含納米顆粒的大量流體，通過細胞膜的內陷包裹形成小囊泡（胞飲囊泡），此過程不受細胞類型限制，是非特異性受體介導。網格蛋白和陷窩蛋白是存在于細胞膜頂端和基底側的一類特殊轉運蛋白，有研究證明網格蛋白介導的內吞作用在納米?？缒み\輸中發(fā)揮重要作用，而陷窩蛋白介導的轉運及胞飲在藥物運輸過程中的作用可能較小[8]。

2.2 細胞旁路運輸 盡管細胞間隙空間狹?。ㄉ儆谀c道總面積的1%），但對于胰島素類親水性藥物來說，旁路運輸仍是一種可選擇途徑。只有相對分子質量低于200的小分子親水性藥物才能通過細胞旁路吸收，缺乏吸收增強劑時，蛋白類藥物基本不能通過[9]。但有一些納米材料如殼聚糖能可逆性打開細胞緊密連接，導致緊密連接蛋白結構重組，還有些材料可能通過螯合鈣離子誘導緊密連接的破壞。盡管緊密連接的開放增加了細胞旁通透性，但細胞間隙對完整納米粒子運輸仍有限制，增加的細胞旁通透性更有可能是因為藥物從破碎的納米粒中預先釋放。因此，納米粒通過旁路運輸可能受多種機制調節(jié)。

3 載胰島素聚合納米粒

納米?？捎刹煌木酆喜牧蠘嫵?，包括天然聚合物和人工合成高分子聚合物等。通過對納米粒的理化性質的調節(jié)可使胰島素保持活性、控制其釋放過程、增加其生物利用度。殼聚糖及其衍生物由于具有良好的膜黏附性、滲透能力和生物相容性，受到極大關注。其他聚合物如藻酸鹽、透明質酸、聚乳酸等也常用作口服胰島素載體。

3.1 殼聚糖納米粒 殼聚糖是一種天然多糖類聚合物，具有親水性且生物相容性好、可降解、無毒，被廣泛用作口服胰島素的載體。殼聚糖納米粒主要通過細胞旁路途徑促進胰島素的吸收。

很多研究表明，殼聚糖納米粒能夠可逆性打開上皮細胞緊密連接，而緊密連接蛋白-4對維持緊密連接的完整性有至關重要的作用，殼聚糖納米粒增加胰島素的旁路吸收可能與緊密連接蛋白-4的重排有關。有研究發(fā)現，殼聚糖處理細胞單層后，緊密連接蛋白-4從細胞膜到胞質重新分布，緊密連接作用削弱，致細胞旁路通透性增加[10]。另一項研究表明殼聚糖納米粒打開緊密連接與交聯黏附分子-1移位有關，可致緊密連接破壞，隨著殼聚糖消除，交聯黏附分子-1可恢復[11]。閉合蛋白和封閉小帶蛋白-1的下調也可能參與緊密連接破壞，從而增加細胞旁路通透性。

殼聚糖納米粒的旁路吸收還可能涉及到細胞信號轉導。酪氨酸激酶通過催化蛋白質酪氨酸殘基磷酸化作用，影響緊密連接的結構和功能。局部黏著斑激酶和原癌基因Src編碼的一種酪氨酸激酶被認為是可以介導肌動蛋白細胞骨架信號轉導的調節(jié)蛋白。有學者用Caco-2細胞研究了殼聚糖誘導緊密連接打開的信號轉導機制，結果表明細胞膜上整聯蛋白受體的激活極大促進了緊密連接的破壞，激發(fā)了緊密連接開放的級聯反應[12]。殼聚糖可誘導整聯蛋白沿著細胞邊界聚集，黏著斑激酶和Src酪氨酸激酶磷酸化，通過緊密連接蛋白-4由細胞膜到基質的重新分布，調節(jié)緊密連接的滲透性。

另外，殼聚糖還有黏附性能，殼聚糖納米粒能夠滲入腸道黏膜，延長在腸道的滯留時間，可使包裹在納米粒中的胰島素持久釋放，使胰島素濃度在體內更加穩(wěn)定，更好的控制血糖水平。殼聚糖的黏附特性是由于其帶正電荷的氨基與上皮細胞表面帶負電荷的功能基團相互作用[13]。有學者研制了載胰島素殼聚糖納米粒，在模擬胃酸環(huán)境中，僅有15%的胰島素釋放，可能是由于帶正電荷的殼聚糖與帶負電荷的胰島素發(fā)生強烈的離子相互作用[14]。殼聚糖的酸解離常數為6.5，在低pH值環(huán)境下，殼聚糖的氨基發(fā)生質子化從而保護胰島素免受胃中蛋白酶的降解。在模擬腸道環(huán)境中，胰島素能從納米粒中大量釋放，增加胰島素在腸道的吸收。

但殼聚糖在酸性環(huán)境中易溶解，降低了對胰島素的保護作用，因此有學者研制了羥丙甲纖維素酞酸酯殼聚糖納米粒，其具有pH值敏感性，酸解離常數為5.2，使得聚合納米粒僅在較高的pH值環(huán)境中溶解，從而避免了胰島素在胃中的破壞[15]。三甲基殼聚糖是殼聚糖的季胺化衍生物，在中性和弱堿性條件下易溶解，也被廣泛用作胰島素載體。最近的一項研究認為旁路通透性的增加是由于三甲基殼聚糖表面正電荷與緊密連接相關蛋白（如閉合蛋白和封閉小帶蛋白-1）相互作用和纖維狀肌動蛋白細胞骨架的重排，在相互作用的過程中，肌動蛋白細胞骨架改變，封閉小帶蛋白-1的細胞定位改變及閉合蛋白對細胞形態(tài)的修飾，導致緊密連接可逆性開放，從而促進胰島素納米粒通過細胞旁路吸收[16]。

由于殼聚糖的氨基和羥基易被修飾形成不同的衍生物，以殼聚糖為原料可制成具有不同性質的納米粒，其在胰島素的口服吸收途徑中具有良好的應用前景。

3.2 藻酸鹽納米粒 藻酸鹽是一種陰離子多糖，與殼聚糖相反，其在低pH值環(huán)境下不溶，而在較高的pH值條件下溶解，是一類較為普遍的pH值敏感性聚合物，在胃中能保護蛋白類藥物免受酶的消化，且具有極強的膜黏附性能，也常被用作口服胰島素的載體。藻酸鹽促進胰島素的吸收主要是通過感應胃腸道pH值的變化，從而促進藥物在腸道吸收部位大量釋放，增加藥物濃度。有學者制備了載胰島素的殼聚糖藻酸鹽納米顆粒，在模擬腸道環(huán)境中，絕大部分胰島素從納米粒中持續(xù)釋放，體內實驗有顯著的降糖效果，表明胰島素的相對生物利用度明顯增高[2]。

藻酸鹽可與多價陽離子交聯形成可逆性凝膠，這種凝膠在酸性環(huán)境下凝結，從而保護藥物的活性，環(huán)糊精可以改善腸黏膜流動性，防止胰島素降解。有學者研制了由三甲基殼聚糖、藻酸鹽、陽離子β-環(huán)糊精合成的載胰島素納米粒，使胰島素能在腸道緩慢釋放，且通透率顯著增高，延長了藥物作用時間[17]。在另一項研究中，有學者研制了以胰島素為核心，藻酸鹽和硫酸葡聚糖包裹，再以殼聚糖穩(wěn)定的多層納米顆粒，顆粒外周以白蛋白涂層，其藥物通透率顯著增高[18]。白蛋白作為納米粒的外周涂層，可保護胰島素免受蛋白酶降解，在腸道中保持藥物活性。

果膠是一類具有生物相容性、生物可降解、安全無毒的陰離子雜多糖，可降低動物血糖，增加胰島素濃度。當前研究結果表明，果膠可促進大腦和胰腺中蛋白激酶C活性，而抑制肝臟中蛋白激酶C活性，從而能促進胰腺中胰島素的釋放和糖原合成，減少糖原分解。因此，有學者研制了載胰島素果膠酸鈣納米粒，將納米粒與藻酸膠結合后，增加了納米粒的膜黏附性，延長腸道滯留時間，增加了胰島素的釋放，但沒有表現出協同效果，因為納米粒的鈣離子與藻酸膠交聯結合的形式延緩了胰島素的釋放和腸黏膜的吸收[19]。另有研究表明富含高分子量的甘露糖醛酸的藻酸鹽更適合作口服胰島素的載體，能在較長時間緩慢釋放胰島素，時間可超過24 h[20]。

3.3 透明質酸納米粒 透明質酸是一種陰離子黏多糖自然聚合物，具有良好的生物相容性和生物降解能力，可用作口服胰島素的載體。有學者研制了載胰島素透明質酸納米粒，其具有pH值敏感性，可保護胰島素免受胃中強酸破壞，而且不會破壞腸上皮細胞的連接完整，保證長期胰島素治療的安全性[21]。藥物轉運實驗提示納米粒主要通過跨細胞途徑吸收，通過大鼠腸道滲透實驗證實，透明質酸納米粒顯著增加胰島素在十二指腸和回腸的運輸。與胰島素溶液相比，其降糖效果顯著。

硫醇化聚合物可與黏液蛋白層豐富的半胱氨酸形成二硫鍵，相比非共價結合如范德華力、氫鍵及離子間相互作用等有更強的膜黏附性能。將天然聚合物與人工合成聚合物相結合可減少天然聚合物的降解速率，避免其在體內快速溶解。聚乙烯醇是一類合成水溶性聚合物，因其具有良好的成膜性、機械性能好及可降解性常被用作口服藥物載體。有學者用聚乙烯醇及硫醇化透明質酸研制了多層水凝膠遞送胰島素，其能顯著延長在腸道滯留時間，實現胰島素的持續(xù)釋放，使得降糖效果更平穩(wěn)[22]。

3.4 合成聚合物類納米粒 除自然界存在的一些天然聚合物可作為蛋白類藥物載體外，人工合成的一些高分子材料在蛋白類藥物的口服遞送中也發(fā)揮重要作用。聚乳酸是一類生物相容性好、可降解的脂肪族聚酯聚合物。有學者研制了聚乳酸-普朗尼克共聚物作為口服胰島素的新型載體，體外和體內實驗均證明胰島素能持續(xù)釋放，口服載胰島素顆粒后，糖尿病小鼠降糖效果顯著[23]。以人類卵巢癌細胞研究聚乳酸-普朗尼克共聚物的毒性，發(fā)現其具有良好的生物相容性，是一類有前景的口服胰島素載體。

聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）也是口服胰島素的常用載體之一，具有良好的生物相容性，可降解，無毒。有學者研制了載胰島素PLGA納米粒，其藥物吸收過程呈時間依賴性，主要是通過跨細胞途徑吸收，依賴于網格蛋白介導的內吞，納米粒在細胞基底側以胞吐的形式釋放[24]。另一項研究中，有學者研究了載胰島素PLGA納米粒的pH值敏感性，發(fā)現在酸性條件下，胰島素的釋放極其緩慢，在pH=1.0的環(huán)境中，90%的胰島素釋放時間長達11 d；而堿性條件下，pH=7.8的環(huán)境中，90%胰島素在3 d內釋放，避免了胃酸對胰島素的破壞，增加了胰島素在腸道的吸收[25]。但是PLGA帶負電荷，降低了胰島素的口服生物利用度，為了改善這一缺陷，有學者研制了表面帶正電荷的殼聚糖-PLGA納米顆粒，與未用殼聚糖修飾的PLGA相比，其表現出很強的膜黏附性，使得胰島素的口服生物利用度明顯提高[26]。

丙烯酸類聚合物可抑制酶活性、增加膜黏附性，改變上皮細胞緊密連接而增加藥物在腸道吸收，因此，也常用作口服胰島素載體。有學者研制了pH值敏感的羧甲基纖維素/聚丙烯酸水凝膠作為口服胰島素載體，水凝膠在酸性人工胃液中不膨脹，在中性人工腸液中迅速膨脹，可促進胰島素在腸道環(huán)境中迅速釋放，糖尿病小鼠口服水凝膠后，有顯著的降糖效果[27]。

3.5 配體修飾的納米粒 通過在納米粒的表面接合一些配體，可優(yōu)化納米粒的特性，增加藥物在腸道的吸收。癸酸可顯著增加細胞旁路的通透性，有研究表明癸酸可使跨膜電阻可逆性下降，改變細胞緊密連接。有學者研制了癸酸接枝的低聚殼聚糖納米粒（CSO-DA-NPs）作為胰島素的載體，藥物釋放呈pH值敏感性，可能與細胞膜上整聯蛋白受體的激活導致殼聚糖去質子化有關[28]。還有學者利用細胞穿透肽增加胰島素的口服吸收[29]。體外研究表明細胞穿透肽能介導多種載體的穿膜作用，其機制可能為通過胞吞作用穿膜或者通過靜電作用與細胞膜相結合誘導膜脂質雙分子層發(fā)生改變，從而促進胰島素的吸收。在另外一項研究中，有學者研究了三甲基殼聚糖納米粒和黏膜細胞特異性多肽（CSK）修飾的納米粒（可靶向杯狀細胞）的吸收機制，結果證明兩者都能有效保護胰島素免受胰蛋白酶水解，以Caco-2/HT29-MTX細胞模擬腸上皮細胞，兩者的細胞攝取都涉及到小窩蛋白介導的內吞和大胞飲，而CSK修飾的納米粒能夠進一步誘導網格蛋白介導的內吞，經CSK肽修飾后，很多內吞作用的亞途徑都發(fā)生了改變，如大胞飲的磷脂酰肌醇3激酶途徑抑制[30]。同時，發(fā)現兩者可逆性打開上皮細胞緊密連接是通過激活c-Jun氨基末端激酶依賴途徑[30]。然而，CSK修飾后的殼聚糖納米粒可使緊密連接的開放和恢復更迅速。此外，還有一些其他的配體如凝集素、維生素B12等都可與胰島素納米粒結合促進藥物吸收。

4 安全性評價

通常情況下，胃腸道中有許多化學毒素和細菌毒素，但由于腸上皮細胞層的屏障作用，這些毒素難以通過腸道，不會對機體造成損害。而納米載體通常需要可逆性打開腸上皮細胞的緊密連接，破壞了腸上皮細胞的完整性，納米載體在增加藥物通透性的同時是否會增加毒素的吸收尚有爭議。而內毒素（脂多糖）是胃腸道內主要的細菌毒素，一旦進入體循環(huán)，將引起全身炎性反應，致內毒素性休克或死亡。為此，有學者專門研究了殼聚糖納米粒對脂多糖吸收的影響，分別對脂多糖和胰島素進行標記，結果顯示胰島素可進入體循環(huán)，而脂多糖主要停留在胃腸道，表明殼聚糖納米粒僅增加其負載的胰島素的吸收[31]。但是，用于制備納米材料的各種高分子聚合物的理化性質各不相同，長期使用是否會對機體造成影響仍有待長期的觀察研究。

5 小結與展望

胰島素是治療絕大多數糖尿病患者的有效藥物，其口服方式簡單方便，易被患者接受。如上文所述，腸道上皮細胞層及相鄰細胞間緊密連接構成的完整屏障對口服胰島素的吸收有極大限制，如穩(wěn)定性差、滲透率低等。而近年來納米載藥技術的迅速發(fā)展使得口服胰島素成為可能。胰島素可利用載體經跨細胞途徑或細胞旁途徑進入體循環(huán)。載體促進吸收的機制包括緊密連接相關蛋白的重新分布及增加膜的黏附性等。在吸收過程中，可能存在多種調節(jié)機制并存。隨著生物技術的進一步發(fā)展及國內、外研究者的不斷探索，納米載藥系統(tǒng)調節(jié)口服胰島素吸收的機制也會越來越完善，將來一定能制備出安全可靠的口服制劑應用于臨床，改善糖尿病患者的生活質量。

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Absorptive mechanism s of oral insulin nanoparticles

Zhang Hui*，Song Xiaoli，Yan Caifeng.*Medical S chool of Xiangya，Central South University，Changsha 410013，China

Yan Caifeng，Email：yancaifeng@126.com

Oral delivery of therapeutic insulin can significantly improve the quality of life of diabetic patients.However，oral absorption of insulin is limited by various physiological barriers in the gastrointestinal tract.Theencapsulation ofinsulin intospecific polymer-based nanoparticles can increase theoralbioavailability of insulin.Nanoparticles can transportacross the intestinalepithelium via the paracellular route or transcellular route.The absorptivemechanisms of insulin delivered by nanoparticlesmay increase the interactionswith the intestinalmucosaoropen tight junctionsbetween contiguousepithelialcells reversibly.

Insulin；Oraldelivery；Nanoparticles

（Int JEndocrinolMetab，2015，35：275-279）

10.3760/cma.j.issn.1673-4157.2015.04.017

國家自然科學基金資助項目（21201149）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK2012259）；揚州市八大產業(yè)科技攻關項目（YZ2010083）

410013 長沙，中南大學湘雅醫(yī)學院（張慧）；225002揚州大學化工學院（宋曉麗）；225001 揚州，江蘇省蘇北人民醫(yī)院內分泌科（張慧，閆彩鳳）

閆彩鳳，Email：yancaifeng@126.com

2015-02-02）