基于明膠的新型藥物載體的研究進(jìn)展

王龍江，程中偉，宋 龍，秦小潔，翟光喜*

（1. 山東達(dá)因海洋生物制藥股份有限公司，山東 榮成 264300；2. 山東大學(xué) 藥學(xué)院 藥劑學(xué)教研室，山東 濟(jì)南250012）

明膠是一種天然的、生物相容并可生物降解的多功能聚合物，廣泛應(yīng)用于食品、藥品、化妝品和醫(yī)療領(lǐng)域。在醫(yī)藥領(lǐng)域，明膠被用作植入劑的基質(zhì)，抗麻疹、腮腺炎、風(fēng)疹、日本腦炎、狂犬病疫苗、白喉、破傷風(fēng)類毒素等疫苗的穩(wěn)定劑[1]，也可用于血漿擴(kuò)容劑、傷口敷料、組織生物黏附劑、止血劑、密封劑等[2-3]。明膠的多種品質(zhì)及其能產(chǎn)生熱可逆凝膠的性能，使其作為藥物載體材料的研究正日益引起人們的關(guān)注，本文綜述了近年來明膠作為微納米藥物載體的研究，以冀為明膠微納米制劑的開發(fā)與應(yīng)用提供思路。

1 納米粒

明膠納米粒被廣泛用于包封生物活性分子，可控制藥物的釋放，濃集于病灶區(qū)域，提高藥物的療效，降低藥物毒副作用。

地達(dá)諾新（didanosine）是一種廣泛用于抗人類免疫缺陷病毒（HIV）的藥物，口服腸道耐受性差，治療指數(shù)窄，血漿蛋白結(jié)合率低，血漿半衰期短、需頻繁給藥。將其包載入明膠納米粒中，納米粒外包覆甘露聚糖，可進(jìn)一步增強(qiáng)巨噬細(xì)胞的攝取和在器官中的分布（這些器官可作為藥物的儲庫）。體外研究表明巨噬細(xì)胞從該納米粒中攝取地達(dá)諾新的速率是從PBS緩沖液攝取游離地達(dá)諾新速率的5倍[4]。

為了減少抗瘧藥磷酸氯喹的毒副作用，研制了一種包載磷酸氯喹的明膠納米粒。在該制劑中磷酸氯喹的釋放受擴(kuò)散控制，并隨溫度升高而升高。在納米粒中加入交聯(lián)劑戊二醛可降低藥物的釋放速率；明膠的類型影響釋放曲線，B型明膠納米粒比A型明膠具有更高的藥物釋放能力[5]。

Kumar等[6]使用一步去溶劑法制備了包載治療瘧疾藥物磷酸氫氧奎酮的半乳糖化明膠納米粒（Gel-LA-PQ-NP），該納米粒平均粒徑為93.4 nm，zeta電位為4.80 mV，藥物包封率為69.90 %，電鏡下納米粒呈均勻分布的球形。該納米粒可控制藥物緩慢釋放，溶血性明顯小于游離藥物。體外抗瘧原蟲試驗顯示，對血液期的無性繁殖惡性瘧原蟲3D7菌株，Gel-LA-PQ-NP 的IC50值（2.862 μmol/L）明顯小于游離藥物的IC50值（3.879 μmol/L）。Gel-LA-PQ-NP的體內(nèi)藥動學(xué)參數(shù)如半衰期和藥時曲線下面積（AUC）明顯增大，即具有更高的生物利用度。動物體內(nèi)研究表明納米粒的半乳糖基化使藥物能產(chǎn)生肝靶向，Gel-LA-PQ-NP到達(dá)肝臟的藥物量是游離藥物的8倍。

Lee 等[7]通過乳化（O/W/O）-溶劑擴(kuò)散法制備了包載紫杉醇（PTX）的明膠納米粒，以亞油酸作為油相。載藥納米粒平均粒徑為164.55 nm，多分散系數(shù)為0.074，zeta電位-23.85 mV。透射電鏡顯示包載的紫杉醇主要位于明膠納米粒的內(nèi)部。 因此，在蛋白降解酶存在條件下，納米粒中藥物在50 h內(nèi)釋放緩慢，無突釋現(xiàn)象，由于蛋白酶對明膠的降解作用，50～70 h內(nèi)藥物產(chǎn)生較快的釋放。該納米粒對紫杉醇的載藥量為54.5 %，表明這種乳化（O/W/O）-溶劑擴(kuò)散法比僅用去溶劑化法制備的明膠納米粒對紫杉醇有更高的載藥量。

Sabet等[8]研究了一種與丙型肝炎病毒基因型4a（HCV4a）的非結(jié)構(gòu)蛋白2（NS2）基因結(jié)合的穩(wěn)定的明膠納米粒，作為安全有效的疫苗遞送系統(tǒng)。該明膠納米粒粒徑150 nm，zeta電位為+17.6 mv；將NS2基因與明膠納米粒結(jié)合（conjugated），通過共聚焦激光掃描顯微鏡進(jìn)行標(biāo)記和成像來證實(shí)二者的結(jié)合，并通過蛋白質(zhì)印跡驗證重組NS2蛋白的抗原性。實(shí)驗表明基因-納米粒復(fù)合物轉(zhuǎn)染到大腸桿菌DH5-α中的效率比單獨(dú)使用NS2基因的轉(zhuǎn)化效率高50 %。另外，比例為1:100（w/w）的基因-納米粒結(jié)合復(fù)合物對大腸桿菌DH5-α的轉(zhuǎn)染效率高于其他比例[1:50，2:50（w/w）]。

2 微球

明膠微球作為多種藥物的載體系統(tǒng)被廣泛地研究，并由于粒徑等原因可產(chǎn)生肺部的靶向作用。

Solorio等[9]開發(fā)了裝載有轉(zhuǎn)化成長因子（TGF-b1）的自組裝明膠微球系統(tǒng)，作為一種促進(jìn)人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞（hMSC）培養(yǎng)形成新軟骨組織的手段。除了能產(chǎn)生具有優(yōu)越機(jī)械性能的人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞層外，該微球系統(tǒng)能在植入人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞前減少必需的培養(yǎng)時間，并可通過人骨髓間質(zhì)干細(xì)胞層持續(xù)局部暴露于微球中的生長因子來避免體內(nèi)軟骨形成表型喪失的問題。

明膠微粒在肺部給藥方面表現(xiàn)出許多優(yōu)點(diǎn)，例如明膠微球可在肺上皮細(xì)胞大量分布及所包載生物活性分子對感染細(xì)胞具有高效性。利福平和異煙肼能用于治療肺結(jié)核，但是其毒副作用較大，并且可能產(chǎn)生耐藥性。將這些藥物包載于明膠微球中可確保持續(xù)的藥物遞送至肺部，減少治療劑量，延長作用時間，從而改善患者的依從性。因此，開發(fā)了基于明膠與異煙肼共價結(jié)合并含利福平的新型聚合物微球體系。結(jié)果顯示，該微球表現(xiàn)出較低的細(xì)胞毒性，利福平與異煙肼的載藥量分別為51 %和22 %，并具有良好的霧化效果，有利于抗結(jié)核藥物的肺部遞送[10]。

Madan等[11]研制了包載抗癌藥物諾斯卡品（noscapine）的空間穩(wěn)定的明膠微球，用于靶向治療人非小細(xì)胞型肺癌。體外釋放研究表明該微球制劑遵循一級釋放動力學(xué)，開始時有突釋現(xiàn)象，隨后藥物釋放緩慢。體外細(xì)胞研究表明，與游離的諾斯卡品相比，載藥明膠微球的IC50大約降低了3倍。動物體內(nèi)實(shí)驗表明明膠微球制劑延長了諾斯卡品的釋放，其血漿半衰期增加了約9.57倍，約48 %的藥物濃集于肺部。

3 水凝膠

水凝膠可利用幾種合成的或天然的聚合物制成，合成的聚合物包括聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）、聚甲基丙烯酸羥乙酯、聚乙烯醇，天然的聚合物如殼聚糖、明膠和藻酸鹽。Oun等[12]研制了一種由明膠、聚乙烯醇組成的水凝膠包載抗癌藥物順鉑作為緩釋給藥系統(tǒng)。體內(nèi)實(shí)驗表明，含低劑量順鉑的水凝膠和傳統(tǒng)腹腔注射的高劑量游離順鉑在抑制腫瘤生長方面同樣有效。這可以減少藥物的不良反應(yīng)，提高患者在治療期間的生活質(zhì)量。

明膠/甲基丙烯酰（GelMA）是一種廉價的生物相容的水凝膠，為了改善物理化學(xué)性質(zhì)使其更加模擬細(xì)胞外基質(zhì)，Rahali等[13]在光聚合過程中將油菜籽納米脂質(zhì)體和納米乳液滴并入GelMA的水凝膠網(wǎng)格中，通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、掃描電鏡（SEM）和酶促降解反應(yīng)等考察了其對水凝膠的理化和機(jī)械性能的影響。發(fā)現(xiàn)將納米粒子添加到GelMA中可改善水凝膠表面性質(zhì)（孔隙率），調(diào)節(jié)凝膠基質(zhì)膨脹和降解性能。但納米乳并沒有顯著改變剪切和壓縮的機(jī)械性能，而納米脂質(zhì)體的加入則降低了壓縮條件下的楊氏模量（Young’s modulus）。該實(shí)驗表明可通過選擇納米粒子（納米脂質(zhì)體或納米乳液）的類型來控制明膠水凝膠材料功能化的設(shè)計。

Jo等[14]合成了含膠原結(jié)合基團(tuán)的生物活性鈣積聚肽（calcium accumulating peptide，CAP），其可誘導(dǎo)成骨分化。在H2O2/辣根過氧化物酶存在條件下，使用CAP中的酪氨酸殘基將多肽與以明膠為基質(zhì)的酶促交聯(lián)的羥苯基丙酸水凝膠進(jìn)行化學(xué)鍵合，并將人牙周膜干細(xì)胞（PDLSC）包載到化學(xué)鍵合的CAP水凝膠中，以測試骨形成的速度。 體外實(shí)驗表明CAP水凝膠可誘導(dǎo)PDLSC周圍的骨礦化，增加體外成骨標(biāo)志物的表達(dá)。植入動物后4周時發(fā)現(xiàn)在顱骨缺損處恢復(fù)了骨層。表明可注射的CAP水凝膠支架系統(tǒng)可作為潛在有用的工程微環(huán)境以增強(qiáng)骨修復(fù)，也可用作組織再生治療中干細(xì)胞的生物活性遞送載體。

Ngo等[15]將甲基丙烯酰胺-明膠水凝膠作為微環(huán)境研究了透明質(zhì)酸與膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞（GBM）共培養(yǎng)對內(nèi)皮細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)形成的影響，進(jìn)一步說明了GBM誘導(dǎo)的血管選擇性改變、退化和隨后的血管生成強(qiáng)烈地影響了GBM的入侵。

4 紡絲纖維

由于與天然細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)形態(tài)相似，聚合物纖維可用于生物醫(yī)學(xué)中如組織工程基質(zhì)和傷口愈合貼片等。 近年，使用靜電紡絲制備聚合物納米纖維的發(fā)展，引起了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的高度重視。通過靜電紡絲生產(chǎn)的纖維可形成具有較高表面積，高孔隙率和可控尺寸的多孔網(wǎng)絡(luò)。作為藥物載體，能增加藥物在水溶液中的溶解度，并提高藥物的療效。許多參數(shù)如溶液性質(zhì)、溫度和濕度等都會影響納米纖維的形態(tài)，從而影響藥物的釋放速率[16]。

Meng等[17]使用聚（D, L-丙交酯-共-乙交酯）（PLGA）和明膠混合物通過靜電紡絲技術(shù)制備包載有非甾體抗炎藥芬布芬（fenbufen）的納米纖維支架。結(jié)果表明，明膠含量的增加提高了PLGA /明膠支架的親水性，增加了芬布芬的釋放速率。交聯(lián)劑戊二醛的加入可降低藥物的釋放速率。Del等[18]研究了載有人血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）的京尼平交聯(lián)明膠纖維對誘導(dǎo)早期血管生成的作用。表明載有VEGF的明膠纖維可誘發(fā)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的存活力、內(nèi)皮分化和化學(xué)吸引的性能，并可誘發(fā)血管生成的潛能以刺激新生血管的形成。

Topuz等[19]研究了具有可調(diào)整纖維形態(tài)的明膠靜電紡絲，可實(shí)現(xiàn)從圓形到扁平/帶狀的形態(tài)調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)施加的電壓和明膠濃度的改變可使纖維形態(tài)從圓形轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄?帶狀。隨著施加電壓和明膠濃度的增加，溶劑（甲酸）會從纖維基質(zhì)中快速蒸發(fā)，從而形成扁平形纖維；甲酸在整個纖維橫截面上的穩(wěn)定蒸發(fā)則形成圓形纖維。廣角度X射線散射（WAXS）分析顯示靜電紡絲形成后明膠中三螺旋晶體結(jié)構(gòu)消失。在靜電紡絲制備過程中加入甲苯2,4-二異氰酸酯（TDI）可使明膠纖維交聯(lián)，X射線光電子能譜（XPS）證實(shí)由于加入TDI，交聯(lián)纖維元素組成中碳的含量增加。

Laha等[20]將包載藥物（胡椒堿）的明膠納米纖維網(wǎng)夾在另一種非載藥明膠納米纖維基質(zhì)（作為擴(kuò)散屏障）中進(jìn)行交聯(lián)，形成交聯(lián)復(fù)合物。首先對復(fù)合物的降解、形態(tài)學(xué)、藥物-聚合物相互作用，熱穩(wěn)定性等進(jìn)行了研究，并對所制備的多層電紡納米纖維網(wǎng)狀物進(jìn)行表征，然后研究了其在不同生理pH下的藥物釋放動力學(xué)。結(jié)果表明，通過優(yōu)化擴(kuò)散屏障和交聯(lián)工藝，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)48 h的零級藥物持續(xù)釋放，并可靈活地根據(jù)治療需要改變藥物的載藥量。這項工作證實(shí)了生物聚合物的多層納米纖維網(wǎng)可作為疏水性藥物的遞送載體，并可實(shí)現(xiàn)零級釋放以延長藥物作用時間。

Liu等[21]研究了從豬皮明膠（PG）和高分子量魚皮明膠（HMWFG）通過溶液吹塑（SBS）方法獲得食品級明膠納米纖維的條件參數(shù)。將具有不同布盧姆值（Bloom value）、溶液黏度和表面張力的PG經(jīng)SBS產(chǎn)生納米纖維的能力與HMWFG進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)無論加工條件如何，HMWFG都能被制成納米纖維，其形態(tài)類似蓬松的棉花糖，可能的原因是HMWFG相較于PG有較完整的膠原結(jié)構(gòu)。在中等明膠濃度、中等空氣壓力和中等進(jìn)料速率下，HMWFG納米纖維呈圓形，直徑分布較窄，平均纖維直徑（AFD）較低。在中等濃度、中等氣壓和高或低進(jìn)料速率下獲得最高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）值。經(jīng)響應(yīng)面分析知，在濃度為17.6 %（w/v），空氣壓力為0.379 MPa，進(jìn)料速率為0.06 ml/min條件下可制備AFD為80.1 nm和最高Tg值為59.0 ℃的最薄HMWFG納米纖維。表面積可從221 m2/g增加到237 m2/g，表明它們有望應(yīng)用于活性化合物的載體。

Gao等[22]采用靜電紡絲技術(shù)制備了以明膠為基礎(chǔ)的復(fù)合纖維膜，用作骨支架材料。該復(fù)合纖維包括殼聚糖，明膠，羥基磷灰石（HA）和氧化石墨烯（GO）。Gao等研究了組分濃度對復(fù)合纖維的形態(tài)、抗菌性能和蛋白質(zhì)吸附性能的影響。發(fā)現(xiàn)復(fù)合纖維對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌表現(xiàn)出有效的抗菌活性，在pH 5.32～6.00時對牛血清白蛋白（BSA）的吸附能力高于pH 3.90～4.50或7.35時的吸附能力。隨著BSA初始濃度的增加，復(fù)合纖維表面的蛋白吸附量增加，在20 min時達(dá)到吸附平衡。

5 結(jié)論

作為生物相容、生物降解的多功能聚合物，明膠用作藥物載體的研究已取得長足的進(jìn)步，通過對藥物的包載及靶向遞送，能顯著改善藥物的體內(nèi)藥動學(xué)參數(shù)、提高療效、降低其毒副作用，但其作為藥物微納米載體在體內(nèi)的過程如組織分布、降解、毒性及規(guī)?；a(chǎn)等方面尚需進(jìn)一步研究。相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，明膠作為微納米藥物載體在不遠(yuǎn)的將來一定能用于臨床，發(fā)揮其良好的藥物傳遞作用。