基于海洋生物多聚物的功能因子遞送系統(tǒng)

陳西廣， 郎需謙， 畢世超

(1.中國海洋大學(xué) 海洋生命學(xué)院，山東 青島 266003；2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室，山東 青島 266003)

海洋是人類賴以生存的資源寶庫，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是“海洋強國戰(zhàn)略”的實施使得對于海洋資源的深度開發(fā)與高值化利用逐漸成為研究熱點。海洋生物資源是海洋中已探明資源的重要組成部分，具有儲量豐富、多樣性、獨特的理化性質(zhì)和優(yōu)越的生物活性等特點。目前已經(jīng)被廣泛研究的海洋生物資源主要分為兩個大類：以魚、蝦、貝和藻類等海洋生物外殼為主的生物礦化物如羥基磷灰石、碳酸鈣和二氧化硅；以有機聚合物為主的生物大分子如海洋功能性酶、藻酸鹽、甲殼素/殼聚糖、多巴胺和膠原蛋白等。根據(jù)海洋生物資源的屬性也可分為有機質(zhì)海洋生物資源和無機質(zhì)海洋生物資源。目前無機質(zhì)海洋生物資源主要被應(yīng)用在生物陶瓷和骨修復(fù)領(lǐng)域，有機質(zhì)海洋生物資源則在軟組織工程、納米醫(yī)藥和營養(yǎng)健康等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，包括海洋生物多聚物在納米載藥、食品微包裝和營養(yǎng)成分的遞送吸收等領(lǐng)域的前沿應(yīng)用研究。

1 傳統(tǒng)藥物與營養(yǎng)遞送體系

注射(肌肉注射、靜脈注射和皮下注射)、透皮(經(jīng)皮和經(jīng)黏膜)和口服是目前臨床上廣泛應(yīng)用的藥物與功能成分遞送方式。傳統(tǒng)的注射遞送可以在短時間內(nèi)提高有效成分在血液中的濃度，然而伴隨而來的體感差、醫(yī)療廢棄物和其他副作用使得這一方式飽受爭議。透皮遞送副作用小，患者體感也有較大提升，但遞送量小、皮膚及黏膜滲透性差等因素同樣限制了這一方式的大范圍應(yīng)用?？诜?yīng)該是目前使用最為廣泛的一種遞送方式，然而當(dāng)藥物或功能成分經(jīng)口服到達(dá)胃腸時及容易喪失活性，是其重要缺陷。另外載體的吸收和生物相容性也是亟須解決的難題。

2 納米功能因子遞送體系

納米功能因子遞送體系是近些年來興起的一項里程碑式技術(shù)革新，其兼括了藥物保護(hù)、藥物控釋、靶向給藥、低副作用和增強藥物吸收等特點。納米技術(shù)為口服遞送體系和經(jīng)皮遞送體系提供了新助力?？诜f送體系研究：Feng等[1]和Liu等[2]利用超聲分散和親疏水自組裝技術(shù)制備了亞麻酸殼聚糖納米凝膠，實驗結(jié)果表明該遞送體系能夠顯著提高胰蛋白酶的口服生物利用度；Liu等[3]基于正負(fù)電荷交聯(lián)制備了油酰/殼聚糖/羧甲基殼聚糖納米顆粒，該遞送體系能夠?qū)崿F(xiàn)口服疫苗的高活性遞送。透皮遞送體系研究：Kong等[4]通過化學(xué)修飾將透明質(zhì)酸連接到傳遞體表面，傳遞體能夠穿透深層皮膚組織，增強淋巴吸收效果。然而基于納米載體作為功能因子遞送體系在發(fā)展過程中也遇到了諸多挑戰(zhàn)：例如負(fù)載功能成分溶解性、滲透性和穩(wěn)定性的調(diào)控；胃腸通過時間、吸收通道、藥物跨膜運輸、系統(tǒng)代謝等生物屏障因素；另外胃部復(fù)雜的酶環(huán)境、低pH值以及功能成分在腸道的吸收效率同樣為納米載體遞送體系的選擇增加了難度。

3 殼聚糖基納米載體口服功能成分遞送體系

甲殼素是目前已知資源儲量中僅次于纖維素的第二大天然資源，其主要來源于甲殼類動物的外殼。堿性和高溫環(huán)境中發(fā)生的脫乙酰作用可以使甲殼素轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖环N天然的聚陽離子多糖即殼聚糖。殼聚糖是由氨基葡萄糖通過β-1,4糖苷鍵交替連接而成的大分子，分子鏈上化學(xué)性質(zhì)活潑的羥基和氨基賦予了殼聚糖基多聚物良好的組織黏附、抑菌、抗腫瘤和促進(jìn)組織再生修復(fù)等特性。近些年來通過對殼聚糖分子鏈上的氨基和羥基進(jìn)行化學(xué)修飾已經(jīng)開發(fā)出上百種衍生物，包括羧甲基殼聚糖、羥丁基殼聚糖、季銨鹽殼聚糖和油?；鶜ぞ厶堑?，大大拓寬了殼聚糖基材料的應(yīng)用范圍。

依據(jù)應(yīng)用形式可將殼聚糖基材料分為溶液、粉劑、膜、功能化纖維、水凝膠、納米顆粒等。殼聚糖基納米顆?？梢越Y(jié)合藻酸鹽多層微球構(gòu)建口服功能因子遞送體系。研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖基納米顆粒具有較強的黏膜黏附能力，能夠打開小腸上皮細(xì)胞的緊密連接，從而有效地提高包載藥物和功能因子的生物利用度。然而，由于殼聚糖自身的pKa值為6.3，因此單純的殼聚糖納米顆粒在胃部的酸性環(huán)境下易被分解，此外該納米載體僅在環(huán)境pH值達(dá)到6時才能實現(xiàn)有效吸收。應(yīng)用中多用藻酸鹽多層球包埋技術(shù)解決上述問題。

3.1 基于殼聚糖/羧甲基殼聚糖納米載體的口服抗癌藥物遞送體系

Feng等[5]利用三聚磷酸鈉(tripolyphosphate,TPP)作為交聯(lián)劑成功將阿霉素包載于羧甲基殼聚糖納米顆粒的核心區(qū)域，隨后通過電荷吸附作用將殼聚糖引入到該納米顆粒的表層，制備了一種殼聚糖/羧甲基殼聚糖包載阿霉素的復(fù)合納米載體。該納米載體的粒徑分布在200～450 nm，殼聚糖、羧甲基殼聚糖和TPP之間存的電荷吸附作用使其可以穩(wěn)定的存在于pH 值小于7的環(huán)境中，當(dāng)環(huán)境pH值上升到7.4時殼聚糖分子鏈上的氨基完全去質(zhì)子化，復(fù)合納米載體發(fā)生崩解，實現(xiàn)包載藥物的釋放。體外模擬胃腸道釋藥環(huán)境的研究結(jié)果顯示，單純殼聚糖納米載體包載的阿霉素在胃部pH值小于7的環(huán)境下已經(jīng)發(fā)生負(fù)載藥物的突釋；而相比于殼聚糖組，殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米載體包載的阿霉素可以穩(wěn)定通過胃部的酸性環(huán)境，實現(xiàn)負(fù)載藥物在小腸部位的有效釋放。該研究進(jìn)一步探究了復(fù)合納米載體包載阿霉素在大鼠小腸部位的吸收效率，結(jié)果表明該遞送體系能夠有效地實現(xiàn)被運載藥物在大鼠小腸部位的滲透和吸收，整體生物利用度達(dá)到了42%。

3.2 基于殼聚糖/羧甲基殼聚糖納米載體的口服胰島素遞送系統(tǒng)

Wang等[6]通過控制殼聚糖與羧甲基殼聚糖的添加順序制備兩種了表面電荷相反的殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米載體，該納米載體的粒徑分布在240～260 nm，對于胰島素的包封率和載藥率分別達(dá)到了75%和30%。該研究通過體內(nèi)實驗探究了兩種負(fù)載胰島素的復(fù)合納米載體對于大鼠血糖水平的控制效果。研究結(jié)果顯示，兩種復(fù)合納米載體都能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載胰島素在小腸部位的有效釋放，表面帶負(fù)電荷的復(fù)合納米載體的血糖控制效果要明顯優(yōu)與正電荷組。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)載胰島素的殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米載體的腸道轉(zhuǎn)運主要分為以下兩個通路。1)通過網(wǎng)格蛋白介導(dǎo)以及非網(wǎng)格蛋白依賴性的內(nèi)吞途徑經(jīng)腸道細(xì)胞轉(zhuǎn)運進(jìn)入體循環(huán)；2)通過打開細(xì)胞間緊密連接經(jīng)細(xì)胞旁途徑進(jìn)入體循環(huán)。研究結(jié)果表明，當(dāng)pH值小于7時，質(zhì)子化殼聚糖組分與去質(zhì)子化羧甲基殼聚糖組分可以通過螯合鈣離子打開細(xì)胞間緊密連接；當(dāng)pH值大于7時，表面帶負(fù)電荷的復(fù)合納米載體可以更有效的螯合鈣離子從而打開細(xì)胞間緊密連接，最終實現(xiàn)負(fù)載胰島素更高的生物利用度。

3.3 基于殼聚糖/羧甲基殼聚糖納米載體的口服疫苗遞送系統(tǒng)

Liu等[3]選用油酰/羧甲基殼聚糖和透明質(zhì)酸制備了一種負(fù)載于pcDNA3.1-aerA的復(fù)合納米載體。研究結(jié)果表明，該遞送體系能夠在鯉魚苗體內(nèi)誘導(dǎo)高效的抗體應(yīng)答效應(yīng)；Gao等[7]成功將細(xì)胞外基質(zhì)負(fù)載與殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米載體中，所制備的載藥復(fù)合納米顆粒粒徑分布在250～300 nm，對于胞外基質(zhì)的包封率和包載率分別達(dá)到了57.8%和14.5%。體外的抗體應(yīng)答結(jié)果顯示，負(fù)載于殼聚糖/羧甲基殼聚糖納米載體內(nèi)的胞外基質(zhì)表現(xiàn)出更高的抗體應(yīng)答率。隨后進(jìn)行的大菱鲆血清溶菌酶和抗體活性檢測進(jìn)一步證實該遞送體系可以實現(xiàn)口服胞外基質(zhì)疫苗的有效遞送。

4 海藻酸鈉/氯化鈣多層球口服給藥遞送體系

4.1 基于海藻酸鈉/氯化鈣多層微球的口服益生菌遞送體系

Li等[8]利用反復(fù)浸潤法制備了海藻酸鈉/氯化鈣多層微球，該微球可以有效地負(fù)載益生菌通過胃部的低pH值環(huán)境，顯著提升多種益生菌的生存能力。此研究還進(jìn)行了海藻酸鈉多層球包載枯草桿菌的實驗。結(jié)果表明，多層球的包裹未影響枯草桿菌的代謝效率，在整個發(fā)酵過程中產(chǎn)物酶的分泌持續(xù)穩(wěn)定，同時多層球的存在避免了產(chǎn)物的爆發(fā)釋放。研究表明海藻酸鈉/氯化鈣多層球具有作為口服益生菌高效遞送體系的潛力。

4.2 基于海藻酸鈉/氯化鈣多層球的納米藥物遞送體系

Feng等[9]成功將阿霉素/殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米顆粒和槲皮素負(fù)載于海藻酸鈉/氯化鈣多層微球中。研究結(jié)果表明，海藻酸鈉/氯化鈣多層微球能夠保證阿霉素/殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米顆粒和槲皮素順利通過胃部的酸性環(huán)境。多層微球在到達(dá)pH = 7.4的小腸環(huán)境后發(fā)生崩解并釋放內(nèi)部包載的復(fù)合納米顆粒和槲皮素。這項研究可使抗癌藥物阿霉素的生物利用度達(dá)到了55.75%，是口服游離藥物生物利用度的18.65倍。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些效用的實現(xiàn)主要得益于以下兩種途徑。1)殼聚糖/羧甲基殼聚糖復(fù)合納米顆粒可以有效地打開小腸上皮細(xì)胞的緊密連接，提高藥物的吸收率；2)多層微球負(fù)載的槲皮素能夠抑制p-糖蛋白對于藥物的外排作用，增加藥物的吸收通道。上述結(jié)果表明海藻酸鈉/氯化鈣多層球具有作為口服化療藥物多重給藥遞送體系的潛力。

5 結(jié)論與展望

殼聚糖與海藻酸鈉是目前海洋生物多聚物高值化利用的研究熱點，本文以筆者所在課題組研究結(jié)果為例簡明扼要地介紹了基于殼聚糖與海藻酸鈉的口服功能因子遞送系統(tǒng)。這些研究證明殼聚糖-羧甲基殼聚糖納米顆粒能夠保證負(fù)載藥物或功能因子穩(wěn)定通過胃部的酸性環(huán)境到達(dá)小腸吸收部位。此外殼聚糖基納米顆粒螯合鈣離子的特性能夠促使小腸上皮細(xì)胞的緊閉通道的開啟，提高負(fù)載功能成分的生物利用度。海藻酸鈉的加入進(jìn)一步增強了復(fù)合載體在胃部的穩(wěn)定性，為負(fù)載功能成分在小腸部位的最大化釋放提供了有力的保障。綜上所述，基于海洋生物多聚物的口服功能因子遞送系統(tǒng)可以在保證負(fù)載功能因子活性的前提下大大提高其生物利用度，拓寬了口服遞送藥物和功能成分的應(yīng)用范圍。