環(huán)糊精及其衍生物在藥物制劑中的應(yīng)用

肖姍姍，吉時(shí)蕾，蔣欣欣，韓 軍,2

(1. 聊城大學(xué) 生物制藥研究院，山東 聊城 252059；2. 聊城高新生物技術(shù)有限公司，山東 聊城 252059)

0 引言

環(huán)糊精(Cyclodextrins，簡(jiǎn)稱CDs)是由α-1,4糖苷鍵連接的一系列環(huán)狀低聚糖的總稱，它是直鏈淀粉在環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(芽孢桿菌)作用下生成的，通常含有6-12個(gè)D-吡喃葡萄糖單元。作為在現(xiàn)代藥物制劑中的一種重要輔料，CDs具有制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、易于包合等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于天然環(huán)糊精結(jié)構(gòu)單一，限制了CDs在藥劑學(xué)中的應(yīng)用。目前，包括環(huán)糊精醚衍生物，環(huán)糊精酯衍生物，橋聯(lián)環(huán)糊精，環(huán)糊精交聯(lián)聚合物，與高分子相連環(huán)糊精，嵌入功能基團(tuán)改性環(huán)糊精等在內(nèi)的諸多環(huán)糊精及其衍生物被合成和應(yīng)用[1]。近年來(lái)，為解決藥物由于自身溶解性、穩(wěn)定性、生物利用度等不足導(dǎo)致的劑型設(shè)計(jì)及安全有效性問題，國(guó)內(nèi)外科研工作者將藥物與環(huán)糊精制成包合物、固體分散體、納米顆粒等給藥系統(tǒng)，拓寬了環(huán)糊精及其衍生物在藥劑學(xué)的應(yīng)用。

1 環(huán)糊精及其衍生物

研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)糊精分子的內(nèi)部是具有三維形態(tài)的疏水性空腔，而外部則具有親水性，這為水溶性復(fù)合物的合成奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，CDs的疏水性內(nèi)腔可以包合藥物，并能夠?qū)λ幬镞M(jìn)行體內(nèi)運(yùn)輸，因此也被認(rèn)為是“通用的分子容器”。目前，α-CD、β-CD和γ-CD是研究和應(yīng)用較多的CDs(圖1)。其中，α-CD孔隙較小，多用于包合小分子基團(tuán)；γ-CD分子孔隙大，然而合成成本高；β-CD孔徑大小適中，價(jià)格低廉，但其低溶解度的性質(zhì)限制了β-CD的應(yīng)用[2]。為了克服天然環(huán)糊精結(jié)構(gòu)單一的缺點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外科研工作者通過(guò)結(jié)構(gòu)修飾合成了大量CDs衍生物，更好地改善了絡(luò)合藥物分子的能力。

圖1 α-CD、β-CD和γ-CD結(jié)構(gòu)示意圖

2 環(huán)糊精及其衍生物在藥物制劑中的研究進(jìn)展

2.1 增加藥物的溶解度和溶出度

改善難溶性藥物的溶解度，調(diào)節(jié)藥物的釋放，是現(xiàn)代藥劑學(xué)面臨的最重要、最緊迫的任務(wù)。目前，科研工作者開發(fā)了旨在改善難溶性藥物溶解性的多種方法，如共晶混合物[3]，脂質(zhì)納米粒[4]，噴霧干燥技術(shù)[5]等。其中，基于CDs的藥物遞送系統(tǒng)處于重要地位[6]。

蛇足草是印度著名的藥用植物，其樹脂具有抗炎特性，活性成分為五環(huán)三萜類化合物，簡(jiǎn)稱乳香酸(BAs)。BAs因其抗炎、抗腫瘤、免疫調(diào)節(jié)活性而受到了廣泛地關(guān)注[7]。其中，乙?；?酮-乳香酸(AKBA)是一種乳香樹脂中的五環(huán)三萜酸，因其對(duì)5-脂氧合酶有抑制作用，從而具有較好的抗炎活性。然而，較差的生物利用度限制了AKBA的應(yīng)用[8]。AKBA屬于BCS IV類化合物[9]，水溶性差和腸道通透性差是影響其生物利用度的主要因素。Amruta團(tuán)隊(duì)[10]研究了由環(huán)糊精和泊洛沙姆固體分散物(PXM SD)對(duì)AKBA溶解度的影響。研究證明，AKBA在腸道pH值下的溶出速率和溶解性能得到了極大的改善，且CD復(fù)合物的釋放率高達(dá)85%以上。體外大鼠腸囊外翻實(shí)驗(yàn)顯示，由捏合法合成的HP-β-CD配合物(1:1)對(duì)AKBA的腸吸收效果最好，比其他CD配合物的腸道吸收增強(qiáng)9.1倍[11]。

大量實(shí)例表明，環(huán)糊精有助于提高抗真菌類似物的水溶性[12,13]。最近，Volkova團(tuán)隊(duì)[14]開展了環(huán)糊精對(duì)改善三唑類抗真菌類似物L(fēng)-173[15]溶解度的研究。結(jié)果表明，利用環(huán)糊精的包合作用可以改善L-173的溶解性。當(dāng)HP-β-CD濃度為0.086 mol·kg-1時(shí)，L-173的溶解度在pH 2.0(模擬胃液)時(shí)提高了29倍，在pH 7.4(模擬血漿)時(shí)提高了3216倍。在DM-β-CD為0.034 mol·kg-1的低濃度溶液中，其溶解度也分別提高了30倍和15755倍。此外，如表1[14]所示，在標(biāo)準(zhǔn)溫度298 K，pH值為2.0和7.4時(shí)，DM-β-CD的絡(luò)合效率(CE)分別為9.011%和6.603%，其摩爾比值分別為1:12和1:16。穩(wěn)定性研究的結(jié)果表明，在酸性介質(zhì)中，β-CD和HP-β-CD配合物的穩(wěn)定常數(shù)相差不大，而DM-β-CD的穩(wěn)定常數(shù)為HP-β-CD的2倍以上?；谘芯拷橘|(zhì)的增溶性分析，DM-β-CD被認(rèn)為是三唑類抗真菌類似物L(fēng)-173的最佳增溶劑。

表1 不同溫度和壓力下，在pH 2.0和pH 7.4的緩沖液中L-173對(duì)β-CD，HP-β-CD，DM-β-CD的絡(luò)合效率(CE)，絡(luò)合常數(shù)和摩爾比(L-173:CD)[14]

2.2 控釋給藥

阿昔洛韋是用于治療Ⅱ型單純皰疹病毒(HSV-2)感染的金標(biāo)準(zhǔn)藥物。然而，由于阿昔洛韋在治療部位滯留率低，需要大劑量和頻繁給藥[17]。Manuela團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種由磺丁基醚-β-環(huán)糊精修飾的納米滴新型制劑[18]，用于阿昔洛韋局部遞送，以提高其抗病毒活性。結(jié)果表明，制備的納米液滴平均直徑約為400 nm，且表面帶正電荷。如圖2[18]所示，阿昔洛韋被有效地包合在納米液滴中(包封率約為97%)，并隨時(shí)間緩慢釋放。細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與游離的阿昔洛韋相比，包合在納米液滴中的阿昔洛韋表現(xiàn)出增強(qiáng)的抗病毒活性，這歸因于納米液滴處理的細(xì)胞內(nèi)藥物濃度比游離藥物的細(xì)胞內(nèi)濃度積累更高。

圖2 阿昔洛韋從負(fù)載ACV的NDs的體外釋放動(dòng)力學(xué)[18]

卡馬西平(CBZ)是一種抗癲癇和抗驚厥的精神類藥物，通常通過(guò)口服途徑給藥。CBZ屬于BCSⅡ類化合物，其低溶解性和高滲透性的特點(diǎn)導(dǎo)致CBZ需要頻繁給藥?？?慢雙相釋放系統(tǒng)可以短時(shí)間內(nèi)快速釋放藥物達(dá)到治療效果，同時(shí)，延長(zhǎng)釋放時(shí)間保持治療效果來(lái)避免重復(fù)給藥[19]。Concei??o團(tuán)隊(duì)[20]制備了一種親水性和疏水性環(huán)糊精組合的雙層片劑，該片劑可以作為難溶性藥物的快/慢雙相釋放系統(tǒng)。羥丙基-β-環(huán)糊精(HP-β-CD)為快速釋放層中的絡(luò)合劑，乙酰-β-環(huán)糊精(TA-β-CD)為緩釋層中的控釋劑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了快速/慢速雙相釋放系統(tǒng)的可行性，如圖3[20]所示，HP-β-CD/CBZ包合物與交聯(lián)羧甲基纖維素鈉在快速釋放層的組合能實(shí)現(xiàn)前30-45 min快速溶出，而雙層片的緩釋層中TA-β-CD作為控釋劑，將藥物釋放延長(zhǎng)至720 min。

圖3 雙層片在含有月桂基硫酸鈉(1%,w/v)的蒸餾水中在37℃時(shí)的CBZ溶出曲線[20]

2.3 提高藥物的穩(wěn)定性

近年來(lái)，聚合納米顆粒(PNP)因其多用途的性質(zhì)引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究興趣[21]。其優(yōu)勢(shì)為靶向性高[22]，能增強(qiáng)藥物穩(wěn)定性，顯著降低毒性并改善治療效果。PNP和CDs組裝的超分子可以通過(guò)生物膜從而用于藥物或基因的傳遞[23]。藥物可以通過(guò)CDs與納米顆粒表面的附著，共同封裝到納米顆粒的聚合物核中，或預(yù)先與聚合物骨架連接的方式結(jié)合到PNP中。由于其結(jié)構(gòu)易于修飾，天然環(huán)糊精及其衍生物能夠很容易地共價(jià)連接到聚合物上[24]。

通過(guò)CDs與聚酸酐骨架的共價(jià)鍵連接，Lucio及其同事[25]制備了一種環(huán)糊精-聚酸酐納米顆粒(NP-HP)。研究結(jié)果顯示，該納米顆粒具有出色的載藥量，能在模擬腸液中進(jìn)行穩(wěn)定的藥物釋放(如圖4[25]所示)；Ghera等[26]采用納米沉淀技術(shù)，開發(fā)了含有阿昔洛韋的兩親性α-CD納米顆粒。研究結(jié)果表明，所制備的納米顆粒穩(wěn)定性好，并能夠持續(xù)釋放阿昔洛韋，且?guī)缀鯖]有初始爆發(fā)釋放。

圖4 GB(a)、NP(b)、NP-β(c)、NP-HP(d)在模擬胃液(SGF)和模擬腸液(SIF)中的釋放曲線[25]

2.4 靶向給藥

環(huán)糊精藥物遞送系統(tǒng)能夠?qū)⑺幬镉行У剞D(zhuǎn)運(yùn)至靶組織，從而發(fā)揮抗腫瘤的功效[27,28]。結(jié)腸直腸癌(CRC)是胃腸道中常見的惡性腫瘤，其發(fā)病率和病死率在消化系統(tǒng)惡性腫瘤中僅次于胃癌、食管癌和原發(fā)性肝癌。喜樹堿(CPT)是一種具有拓?fù)洚悩?gòu)酶抑制活性的抗腫瘤藥物。其中，CPT有兩種不同的存在形式，即內(nèi)酯和羧酸鹽，而只有內(nèi)酯形式的藥物才可以通過(guò)細(xì)胞膜并表現(xiàn)出抗癌活性。然而，CPT在堿性生理環(huán)境中易轉(zhuǎn)化為羧酸鹽形態(tài)，具有pH依賴性和可逆性，導(dǎo)致臨床效率降低，毒性增加。相對(duì)于傳統(tǒng)的藥物傳遞系統(tǒng)，納米粒載藥系統(tǒng)(NPs)可以通過(guò)對(duì)材料類型、粒子大小和表面特性的調(diào)控來(lái)提高載藥能力，達(dá)到更好的靶向釋放，增強(qiáng)治療效果，同時(shí)，減少不良反應(yīng)[29]。由于NPs在溶液中表現(xiàn)出自組裝和刺激響應(yīng)的特性，環(huán)糊精和納米載藥系統(tǒng)構(gòu)筑的超分子聚合物在藥物控制釋放、基因治療等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)CPT表現(xiàn)出的低活性問題，Sedat團(tuán)隊(duì)[30]用兩種不同的兩親性環(huán)糊精制備了基于環(huán)糊精的陽(yáng)離子納米顆粒(NPs)，用于CRC的治療。研究結(jié)果表明，負(fù)載喜樹堿納米粒子可以通過(guò)腸粘膜(GIT)保護(hù)CPT，在粘液層積累，為腫瘤區(qū)域提供有效的局部治療。同時(shí)，在體外釋放實(shí)驗(yàn)中，負(fù)載CPT的Poly-β-CD-C6 NPs表現(xiàn)出了優(yōu)異的靶向能力：如圖5[30]所示，以模擬胃腸道pH值和傳輸時(shí)間為指標(biāo)，顯示52%的內(nèi)酯形式CPT成功地傳遞到模擬結(jié)腸。

圖5 不同配方中CPT穿過(guò)人造粘液明膠層的量[30]

血腦屏障(BBB)限制了大多數(shù)藥物向大腦的轉(zhuǎn)移和遞送。Ye等人[31]開發(fā)了一種腦靶向的新型納米藥物遞送系統(tǒng)，并在體外和體內(nèi)進(jìn)行了研究。以乳鐵蛋白(Lf)為腦靶向配體，并通過(guò)異雙功能聚乙二醇(PEG)結(jié)合NHS-PEG-MAL與β-CD偶聯(lián)，得到Lf偶聯(lián)的β-環(huán)糊精(Lf-CD)。以近紅外熒光染料IR-775氯化物(IR)作為難溶性藥物的模型化合物，成功制備了負(fù)載IR的Lf-CD納米粒子(Lf-CD/IR)，其包封率高達(dá)98.1±4.8%。靜脈給藥后在KM小鼠中評(píng)估Lf-CD/IR的生物分布和藥代動(dòng)力學(xué)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Lf-CD/IR顯著提高了IR通過(guò)BBB的轉(zhuǎn)運(yùn)效率。與IR治療相比，Lf-CD/IR在注射90 min后，IR在大腦中的攝取量增加了6.8倍。此外，如表2所示[31]，通過(guò)Lf-CD/IR的治療，腦內(nèi)IR的AUC0-2 h比IR治療高7倍。

表2 以0.20 mg·kg-1IR的劑量靜脈注射IR、PEG-CD/IR、Tf/IR、Tf-CD/IR和Lf-CD/IR 后腦和血漿中的AUC0-2 h[31]

2.5 提高藥物的生物利用度

精氨酸脫亞胺酶(ADI)是一種低毒高效的外來(lái)蛋白質(zhì)抗癌酶，通過(guò)將腫瘤中的精氨酸分解為瓜氨酸來(lái)阻斷部分實(shí)體瘤的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，從而引起腫瘤細(xì)胞的死亡[32]。因此，ADI在抗癌方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，其體內(nèi)穩(wěn)定性差、生物利用度低等不足，限制了ADI在臨床上的應(yīng)用[33]。聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)是一種安全的藥用輔料[34]，在藥物遞送方面應(yīng)用廣泛[35]。楊強(qiáng)團(tuán)隊(duì)[36]制備了一種負(fù)載ADI的TPGS-CDs脂質(zhì)納米粒(ACLN)，研究發(fā)現(xiàn)ACLN發(fā)揮出了良好的酶活性和體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)。如表3[36]所示，ACLN的AUC(0-168 h)、MRT(0-168 h)、Cmax分別為游離酶ADI的3.81、2.69、1.59倍，ACLN的相對(duì)生物利用度為381.42%。在最適溫度或pH下，ACLN的酶活性提高了約1.35和1.3倍，這表明將ADI負(fù)載到ACLN中，可以明顯提高ADI的酶活性和生物利用度。

表3 靜脈給藥后ADI和ACLN的非房室模型藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)[36]

2.6 增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞毒性

黑色素瘤[37]是最具侵襲性的皮膚癌，早期可通過(guò)手術(shù)切除，而晚期(轉(zhuǎn)移期)因高度突變異質(zhì)導(dǎo)致治療效果較差[38]。黑色素瘤的突變會(huì)影響V600處的絲氨酸/蘇氨酸激酶BRAF(占40-70%)活性，導(dǎo)致絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)的組成性激活，從而引起細(xì)胞增殖[39]。目前已經(jīng)有大量的天然分子[40, 41]被報(bào)道用于治療黑色素瘤，這些化合物[42]通過(guò)上調(diào)促凋亡靶標(biāo)的表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)細(xì)胞死亡。Harman(HAR)是一種天然的β-carboline生物堿，臨床上多用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。近年來(lái)，因其抗菌抗癌活性，HAR受到了廣泛關(guān)注。Ferraz團(tuán)隊(duì)[43]首次研究了HAR與β-CD的包合物β-CD-HAR對(duì)突變黑色素瘤細(xì)胞(A2058細(xì)胞系)的細(xì)胞毒作用。研究結(jié)果顯示，β-CD-HAR的半抑制濃度(IC50)為23.36±5.02 μM，HAR的IC50值為83.42±26.10 μM，表明HAR與β-CD的絡(luò)合作用提高了藥物對(duì)黑色素瘤細(xì)胞系的毒性作用。

阿法替尼(AFA)[44]是FDA批準(zhǔn)的pan-ErbB抑制劑和已知的p-糖蛋白(P-gp)底物[45]，通過(guò)結(jié)合ErbB受體的細(xì)胞內(nèi)酪氨酸激酶結(jié)構(gòu)域發(fā)揮作用。這種不可逆的結(jié)合又可抑制同型和異型二聚體的信號(hào)傳導(dǎo)，最終抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。但是，由于其腸內(nèi)滲透性差，口服生物利用度低，迫切需要開發(fā)一種新的配方來(lái)提高藥物的吸收。環(huán)糊精可以通過(guò)調(diào)節(jié)P-gp介導(dǎo)的底物外排(如AFA)來(lái)增強(qiáng)腸道滲透性。Vineela團(tuán)隊(duì)[46]通過(guò)相溶解度研究和分子模擬技術(shù)，篩選出β-環(huán)糊精磺化丁基醚衍生物(SBE-β-CD)，成功制備了阿法替尼-環(huán)糊精包合物(AFA-CD)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，AFA-CD可以增強(qiáng)藥物活性，同時(shí)減少P-gp的外排，從而改善藥物在腸膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)。如圖6[46]所示，AFA-CD對(duì)不同糖蛋白表達(dá)量的Caco-2、MCF7、SW620/AD300以及KB-C2細(xì)胞系的毒性效應(yīng)顯著增強(qiáng)，IC50值有所降低，表明AFA-CD有效內(nèi)化，導(dǎo)致更多的AFA在細(xì)胞內(nèi)積累，從而使復(fù)合物具有更高的細(xì)胞毒性。

圖6 細(xì)胞毒性研究[46]：不同P-gp表達(dá)量的A. MCF7、B. KB-C2、C. SW620/AD300和D. Caco-2的NSCLC細(xì)胞經(jīng)AFA和相應(yīng)的AFA-CD復(fù)合物處理72 h后，對(duì)細(xì)胞的抑制作用E. AFA和相應(yīng)的AFA-CD復(fù)合物對(duì)于不同細(xì)胞系的IC50值

3 總結(jié)與展望

3.1 主要研究結(jié)論

目前，環(huán)糊精及其衍生物的應(yīng)用研究已涉及藥物制劑的各個(gè)領(lǐng)域，并已取得許多優(yōu)異的研究成果。CDs由于自身結(jié)構(gòu)的可操作性，為新型給藥制劑提供了一系列功能優(yōu)良的輔料。同時(shí)，大量的研究成果也拓寬了環(huán)糊精及其衍生物的應(yīng)用范圍，在藥物制劑中具有良好的應(yīng)用前景。

本文主要以環(huán)糊精及其衍生物為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)其分子結(jié)構(gòu)、國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及在藥劑領(lǐng)域的應(yīng)用等方面進(jìn)行總結(jié)，展現(xiàn)了這種藥用輔料的可塑性以及未來(lái)發(fā)展的潛在可能性。

3.2 展望

環(huán)糊精具有特殊的分子結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和易于化學(xué)修飾等特性，在藥物遞送中表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，目前仍處于高速發(fā)展的階段。此外，由于環(huán)糊精納米載藥系統(tǒng)的多功能性和顯著的治療潛力，如改善藥物制劑的溶解度、穩(wěn)定性和包封效率等，近年來(lái)已成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。然而，目前已報(bào)道的研究大多缺乏對(duì)毒性的考察。因此，為了拓展環(huán)糊精在藥物制劑中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步探究其毒性。