蝦青素口服納米制劑的研究進(jìn)展

仲 晨，劉 梅，高 焱，徐科鳳，王 穎,2,*

（1.山東省海洋科學(xué)研究院，山東青島 266104；2.青島市水產(chǎn)生物品質(zhì)評(píng)價(jià)工程研究中心，山東青島 266104）

蝦青素（Astaxanthin，AST），化學(xué)名為3,3′-二羥基-4,4′-二酮基-β,β′-胡蘿卜素，是一種脂溶性葉黃素類胡蘿卜素，存在于貝類、甲殼類和某些植物中[1]。由于具有顯著的抗氧化性能，蝦青素在預(yù)防和治療癌癥、糖尿病、心血管疾病[2]以及保護(hù)神經(jīng)系統(tǒng)[3]等方面發(fā)揮重要作用。此外，美國(guó)食品藥品管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）已經(jīng)批準(zhǔn)蝦青素作為食用色素使用[4]。然而，蝦青素水溶性差，體內(nèi)吸收率低，在熱、光或氧的作用下容易降解，限制了其在臨床中的應(yīng)用[5]。近年來，為了提高蝦青素的生物利用度，各種類型的納米制劑被廣泛研究。與靜脈給藥相比，口服給藥無(wú)痛、患者依從性好、成本效益顯著，被認(rèn)為是最具潛力的給藥方式[6]。其中納米乳液、脂質(zhì)體、固體脂質(zhì)納米顆粒、殼聚糖納米顆粒和聚乳酸-羥基乙酸聚合物（poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA）納米顆粒已被證明可有效提高蝦青素的口服生物利用度[7]。本文旨在總結(jié)不同類型的納米制劑對(duì)于提高蝦青素口服生物利用度的作用，為今后蝦青素口服劑型的開發(fā)提供參考依據(jù)。

1 蝦青素的來源、結(jié)構(gòu)及功能

1.1 來源

蝦青素有多種不同的來源，包括微生物、植物和動(dòng)物[8]。微生物來源包括藻類，主要有雨生紅球藻、小球藻、綠球藻；細(xì)菌，主要有副球菌屬和短波單胞菌屬；真菌，主要有擔(dān)菌酵母、紅發(fā)夫酵母；原生生物，主要有破囊壺菌[9-10]。植物主要包括鳳仙花和黃花蒿[11]。動(dòng)物來源包括鳥類，如火烈鳥和鵪鶉；海洋生物，主要有鮭魚、螃蟹、龍蝦和磷蝦[10,12]?；蚬こ谈脑斓木耆绱竽c桿菌、釀酒酵母也可產(chǎn)生蝦青素[9]。其中，雨生紅球藻中蝦青素的提取率最高，可達(dá)1.5%～3.0%[13]。蝦青素除了天然來源，還可以通過化學(xué)催化人工合成。合成的蝦青素在組成上與天然的不同，含有各種立體異構(gòu)體，其中一些不是天然存在的，生物利用度較差[8]。此外，由于人工合成的蝦青素對(duì)人體健康的影響尚不明確，目前在食品、制藥和化妝品行業(yè)中首要選擇天然來源的蝦青素[8]。

1.2 結(jié)構(gòu)

像大多數(shù)已知的類胡蘿卜素一樣，蝦青素包含一個(gè)C40 骨架，由連接的異戊二烯單元組成。該單元由11 個(gè)共軛雙鍵組成，蝦青素的紅色特征以及抗氧化活性與其有關(guān)。蝦青素兩個(gè)端環(huán)都含有一個(gè)羥基（-OH），位于兩個(gè)不對(duì)稱碳（C）的3 和3′位置。根據(jù)不對(duì)稱C3 的羥基構(gòu)型，形成了三種不同的同分異構(gòu)體：（3S，3′S）、（3S，3′R）和（3R，3′R），如圖1 所示。這三種同分異構(gòu)體在生物利用度、物理化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上均有所不同，例如，異構(gòu)體之間的差異影響了生物體的抗氧化性能[14]。有研究表明，水生動(dòng)物體內(nèi)蝦青素異構(gòu)體的積累與飼料中蝦青素的異構(gòu)體構(gòu)型有關(guān)，并且具有物種和組織特異性[15]。此外，-OH可以與脂肪酸，如棕櫚酸、油酸、硬脂酸或亞油酸反應(yīng)，形成單酯或二酯，從而增加蝦青素在細(xì)胞中的溶解度[16]。蝦青素以反式和順式（E 和Z）幾何異構(gòu)體的形式存在，這取決于多烯鏈中雙鍵的構(gòu)型，其中主要以全反式為主[17]。蝦青素含有的高度不飽和結(jié)構(gòu)使其容易遭受空氣氧化和光氧化的破壞，從而導(dǎo)致其在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性和生物利用度較低[18]。蝦青素的水溶性差也極大地限制了其在生物體內(nèi)的吸收[18]。因此，研究有效的遞送策略對(duì)于提高蝦青素的穩(wěn)定性、溶解度和生物利用度至關(guān)重要。

圖1 蝦青素的立體結(jié)構(gòu)Fig.1 Stereoscopic structure of astaxanthin

1.3 功能

蝦青素具有良好的抗氧化性能，其可以清除自由基、保護(hù)線粒體、降低炎癥以及抵御糖基化[19]；并且能夠有效防止氧化應(yīng)激、協(xié)同抵御脂質(zhì)過氧化[20]。蝦青素可穿過血腦和血視網(wǎng)膜屏障[21]，在眼睛、大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮抗氧化和抗炎作用，具有神經(jīng)保護(hù)作用[22]。急性毒性、誘變性、轉(zhuǎn)基因性、胎兒毒性和生殖毒性實(shí)驗(yàn)均證實(shí)蝦青素的安全性[23]。雖然蝦青素具有很高的藥理潛力，但由于溶解度和穩(wěn)定性較差，極大地限制了其在臨床中的應(yīng)用[24]。

2 蝦青素口服納米制劑

口服給藥是大多數(shù)人常用且喜歡的服藥方式?？诜o藥方便患者隨時(shí)服藥，提高患者依從性。此外，口服劑型的制備過程不需要嚴(yán)格的無(wú)菌條件[25]。納米給藥系統(tǒng)是口服給藥的良好途徑之一，它可以改善藥物在胃腸道（gastrointestinal tract，GI）環(huán)境中的穩(wěn)定性，增強(qiáng)靶向性，同時(shí)增加藥物的吸收、溶解和生物利用度[26]。為了克服蝦青素生物利用度低和不穩(wěn)定性等缺陷，納米給藥系統(tǒng)已被用于蝦青素的遞送研究。本論文中主要介紹基于脂質(zhì)的納米制劑和聚合納米顆粒，表1 對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)。

表1 蝦青素口服納米制劑總結(jié)Table 1 Summary of oral nano-formulations of astaxanthin

2.1 基于脂質(zhì)的納米制劑

脂質(zhì)納米載體主要由脂質(zhì)組成，主要用于遞送疏水性化合物。將蝦青素制備成脂質(zhì)納米顆?？商岣咂渖锢枚?，在體內(nèi)達(dá)到較高的藥物濃度，并且增強(qiáng)穩(wěn)定性[26]。

2.1.1 納米乳劑 納米乳劑是一種膠體顆粒系統(tǒng)，在乳化劑存在下由穩(wěn)定的油相和水相結(jié)合產(chǎn)生。粒徑10～200 nm，呈現(xiàn)小液滴乳液形式，具有穩(wěn)定的抗沉降性。乳化劑除了對(duì)乳劑的組成和液滴大小有影響外，還起到中間相的作用，增強(qiáng)乳劑的穩(wěn)定性[27-28]。納米乳劑有三種類型：（1）水滴分散在連續(xù)油相的油包水納米乳（W/O）；（2）以油滴為分散相、水為連續(xù)相的水包油納米乳（O/W）；（3）雙連續(xù)納米乳（B.C）[24]。Shen 等[29]利用乳清分離蛋白（whey protein isolate，WPI）、聚合乳清蛋白（polymerized whey protein，PWP）、WPI-卵磷脂、PWP-卵磷脂、卵磷脂和Tween20 六種不同的乳化劑制備蝦青素乳劑，并研究了人結(jié)腸癌細(xì)胞系Caco-2 對(duì)蝦青素的攝取情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，包載在乳劑中的蝦青素的細(xì)胞攝取顯著高于游離蝦青素；乳劑粒徑越小，其細(xì)胞膜穿透性越高；與其他乳化劑相比，WPI 制備的納米乳劑遞送蝦青素的細(xì)胞攝取率更高（P＜0.05）。對(duì)于口服制劑來說，在其被腸上皮細(xì)胞吸收前需要經(jīng)過胃腸道（口腔、胃、小腸和腸粘膜），因此，乳清蛋白乳劑經(jīng)過消化系統(tǒng)的作用后可能會(huì)被腸上皮細(xì)胞更好地吸收，從而有助于提高蝦青素的生物利用度[21]。Affandi等[30]將蝦青素油（16%）與純凈水（80% w/w）混合，添加Tween80 和卵磷脂作為乳化劑制備蝦青素納米乳，并比較三種不同顆粒大小的蝦青素乳的口服生物利用度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米級(jí)、微米級(jí)蝦青素乳與參比制劑的血藥峰濃度（Cmax）分別為698.7±38.7、465.1±43.0 和313.3±12.9 ng/mL，這說明Cmax與乳液粒徑大小有關(guān)，乳液粒徑越小，表面積越大，吸收率越高，溶解度和滲透性越好。Chen 等[31]采用（3-羧基戊基三苯基）溴化磷-WPI-葡聚糖偶聯(lián)物自組裝制備蝦青素納米顆粒，雙乳液蒸發(fā)法將硫辛酸修飾的透明質(zhì)酸涂覆在納米顆粒表面，用于治療結(jié)腸炎。體內(nèi)研究表明納米顆粒能夠靶向并積累于小鼠結(jié)腸組織中，其機(jī)理可能與蝦青素納米顆?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)TLR4/MyD88/NF-κB 信號(hào)通路來減輕炎癥有關(guān)[31]。Gao等[32]利用WPI 和羥丙基-β-環(huán)糊精制備了蝦青素單酯微膠囊，并將其添加到酸奶中，以期得到一種具有高生物利用度的乳制品。結(jié)果表明，該微膠囊酸奶顯著改善了蝦青素單酯的穩(wěn)定性和風(fēng)味；并且有效提高了其在雌性ICR 小鼠中的口服生物利用度。

2.1.2 脂質(zhì)體 脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu)與細(xì)胞膜相似，是由一個(gè)或多個(gè)核心為水相的磷脂雙層結(jié)構(gòu)組成的球形囊泡，通常是由天然或加工的磷脂與膽固醇合成。相較于其他傳統(tǒng)的藥物遞送系統(tǒng)，脂質(zhì)體尺寸更小，包封率更高，生物相容性與安全性更高[33]。脂質(zhì)體具有很高的穩(wěn)定性，可以遞送疫苗、類固醇等活性成分，也可用于傳遞親脂性生物活性物質(zhì)，如蝦青素[34-35]。脂質(zhì)體具有保護(hù)活性成分不被降解和提高藥物靶向性的能力[36]。Sangsuriyawong 等[37]通過Caco-2 細(xì)胞攝取評(píng)估了蝦青素脂質(zhì)體的生物利用度。研究發(fā)現(xiàn)磷脂（phosphatidylcholine，PC）含量為70%的蝦青素脂質(zhì)體的細(xì)胞攝取率高達(dá)95.33%，而磷脂含量為23%的脂質(zhì)體沒有被細(xì)胞吸收，這表明磷脂成分含量高的載體具有更好的粘附膜和穿透腸道屏障的能力。此外，還可能由于70%-PC 脂質(zhì)體（0.14 μm）的粒徑小于23%-PC 脂質(zhì)體（0.31 μm）。因此，親脂性和較小的粒徑是滲透腸道屏障的重要因素之一，從而提高活性化合物的生物利用度。盡管脂質(zhì)體展現(xiàn)出遞送多種生物活性化合物的潛力，但其應(yīng)用也存在局限性，例如在遞送水溶性藥物時(shí)，藥物在血液中發(fā)生泄漏[36]。目前，有一種類似于脂質(zhì)體的囊泡被認(rèn)為能更好地包裹藥物，稱為類脂質(zhì)體[26]。它是一種非離子表面活性劑為基礎(chǔ)的體系，囊泡內(nèi)部存在多種力如范德華力、熵斥力，維持囊體的囊泡結(jié)構(gòu)[38]。該結(jié)構(gòu)能夠包載親水和疏水性化合物，其中親水化合物可以存在囊泡或雙層表面水相中，疏水化合物包封在非水的雙層核心中[39]。目前尚未有研究報(bào)道類脂質(zhì)體遞送蝦青素，這為今后蝦青素載體的開發(fā)提供一種新的策略。

2.1.3 固體脂質(zhì)納米顆粒 固體脂質(zhì)納米顆粒（solid lipid nanoparticles，SLNs）由可生物降解的固體脂質(zhì)組成，通過表面活性劑產(chǎn)生膠體載體，其直徑在50～1000 nm[40]。納米結(jié)構(gòu)脂質(zhì)載體（nanostructured lipid carriers，NLCs）是繼SLNs 之后的第二代脂質(zhì)納米顆粒。NLCs 是通過固體和液體脂質(zhì)混合產(chǎn)生的納米顆粒，與SLNs 相比，基質(zhì)結(jié)構(gòu)不同[41]。這兩種載體系統(tǒng)可通過高壓均質(zhì)和微乳液的方法合成[41]，適用于遞送口服吸收有限的親脂性藥物[42]。Wang等[43]研究發(fā)現(xiàn)，與10 μg/mL 的游離蝦青素相比，SLNs包載的蝦青素在低濃度（0.25 μg/mL）也表現(xiàn)出強(qiáng)抗氧化活性。Li 等[44]研究發(fā)現(xiàn)，與游離蝦青素相比，SLNs 包載的蝦青素在胃腸道模擬液中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，并且蝦青素的釋放率增強(qiáng)。游離蝦青素被迅速分解，分解率高達(dá)68.3%±1.5%，而SLNs 包載的蝦青素分解率為10%，這說明SLNs 可以保護(hù)蝦青素不被降解。然而，SLNs 也有局限性，例如在儲(chǔ)存期間藥物會(huì)從載體中泄露。NLCs 的脂質(zhì)再結(jié)晶少于SLNs，因此可以減少儲(chǔ)存過程中藥物的泄露[45]。目前，許多研究者對(duì)NLCs 口服遞送蝦青素進(jìn)行了研究，與SLNs 相比NLCs 具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性[26]。

2.2 其他聚合納米顆粒

2.2.1 殼聚糖納米顆粒 殼聚糖是帶正電荷的多糖，具有生物可降解以及對(duì)細(xì)胞膜的親和力高等特性。通過交聯(lián)法、離子凝膠法和溶劑蒸發(fā)法可制備殼聚糖納米顆粒[46-48]。Hu 等[46]通過交聯(lián)法制備殼聚糖-酪蛋白-氧化葡聚糖納米顆粒用于提高蝦青素口服生物利用度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，殼聚糖-酪蛋白-氧化葡聚糖納米顆粒（粒徑120 nm）提高了蝦青素在胃腸道模擬液中的穩(wěn)定性，并且相比于游離蝦青素，包載的蝦青素的抗氧化活性可達(dá)85.6%。Kim 等[47]通過離子凝膠法制備殼聚糖-三聚磷酸納米顆粒包載蝦青素，并研究了其穩(wěn)定性、抗氧化活性和蝦青素的生物利用度。結(jié)果表明，殼聚糖-三聚磷酸納米顆粒包載的蝦青素在胃腸道模擬液中釋放的時(shí)間延長(zhǎng)；通過鐵還原抗氧化法評(píng)估其包載的蝦青素的抗氧化活性良好。Zhu 等[48]采用溶劑蒸發(fā)法制備了一種新型聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）接枝殼聚糖納米顆粒包封蝦青素。研究發(fā)現(xiàn)，與游離的蝦青素相比，包裹在納米顆粒中的蝦青素在腸道被很好地吸收，達(dá)到20 μg/mL；體內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得Cmax分別為231.45±7.47和2264.03±64.58 ng/mL，這說明PEG 接枝殼聚糖納米顆粒包載蝦青素可顯著提高其生物利用度[48]。殼聚糖納米顆粒具有緩釋特性，其可抵御胃腸道消化液對(duì)蝦青素的降解；此外，殼聚糖納米顆粒具有更高的表面積，有助于顆粒通過細(xì)胞膜，從而提高蝦青素的口服生物利用度[47-48]。Guan 等構(gòu)建了殼聚糖/DNA納米體系，并通過冷凍干燥技術(shù)制備得到納米粉劑用于口服遞送蝦青素[49]。結(jié)果表明，與游離蝦青素相比，包載蝦青素的納米粉劑具有更強(qiáng)的抗氧化作用，顯著降低了酒精性急性肝損傷小鼠體內(nèi)丙二醛和蛋白羰基含量，并提高了谷胱甘肽含量和超氧化物歧化酶活性；納米粉劑中蝦青素的口服生物利用度提高了2 倍。此外，該納米體系中殼聚糖存在于顆粒表層，通過質(zhì)子化氨基和磷酸基之間的靜電相互作用，在酸性環(huán)境（例如胃）中形成了致密的納米結(jié)構(gòu)，加上天然DNA 存在于顆粒的內(nèi)核中，實(shí)現(xiàn)了蝦青素的可控釋放。

2.2.2 PLGA 納米顆粒 PLGA 聚合物納米顆粒由于其可控和緩釋特性、低毒性以及良好的組織和細(xì)胞生物相容性，已被美國(guó)FDA 批準(zhǔn)用于藥物遞送[50]。PLGA 制備所得的納米顆粒具有可生物降解性，且在GI 環(huán)境中水解后毒性較低，因此常被用作紫杉醇、輔酶Q10 和維生素E 等活性成分的遞送載體[51]。Liu 等[52]制備了一種殼聚糖寡糖和PLGA 組成的核殼納米顆粒包載蝦青素，通過反溶劑沉淀法制備殼聚糖芯，靜電沉積法制備包衣。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米顆粒包載的蝦青素在體外胃腸道模擬的酸性環(huán)境中展現(xiàn)出最快的釋放速率，位于納米顆粒表面的蝦青素快速擴(kuò)散形成初始的爆發(fā)式釋放，然后核心中的剩余蝦青素通過核殼結(jié)構(gòu)緩慢擴(kuò)散，從而能夠在胃（pH2.1）和小腸（pH7.4）條件下更持久地釋放。殼聚糖寡糖-PLGA納米顆粒包載的蝦青素在水中具有良好的分散性，溶解度提高，口服生物利用度也隨之提高。Zhang 等[53]利用帶正電荷的殼聚糖/PLGA 納米顆粒包載蝦青素，并將其附著在天然帶負(fù)電的微藻表面，構(gòu)建了一種殼聚糖/PLGA-微藻納米系統(tǒng)。研究表明，殼聚糖/PLGA 納米顆粒能夠改善蝦青素的溶解度、胃穩(wěn)定性，促進(jìn)其細(xì)胞攝取和腸道吸收；并且微藻與殼聚糖/PLGA 納米顆粒具有協(xié)同作用，能夠改善蝦青素在腸道和血液中的分布，提高其口服生物利用度。

3 結(jié)論

目前多種類型的納米給藥系統(tǒng)用于口服遞送蝦青素，主要包括納米乳劑、脂質(zhì)體、SLNs、殼聚糖納米顆粒和PLGA 納米顆粒。其中納米乳劑由于具有脂相能夠溶解疏水性化合物而使蝦青素穩(wěn)定存在于疏水核心[54]；然而由于絮凝、沉淀、成乳和開裂等作用，納米乳劑在儲(chǔ)存中可能產(chǎn)生混濁或分層。脂質(zhì)體相較于其他傳統(tǒng)的藥物遞送系統(tǒng)，尺寸更小，包封率更高，生物相容性與安全性好；但其在包封水溶性藥物時(shí)，藥物會(huì)在血液中發(fā)生泄漏，儲(chǔ)存穩(wěn)定性差。SLNs 具有包封率高、無(wú)毒、易于大規(guī)模生產(chǎn)和可凍干的優(yōu)點(diǎn)[42]，然而其靜脈給藥后的半衰期很短[8,55]。泊洛沙姆等表面活性劑涂于表面可改變SLNs 的生物分布，改善其血液循環(huán)時(shí)間和在非網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)器官中的沉積[56-57]。殼聚糖納米顆粒作為口服給藥載體具有良好的生物利用度和穩(wěn)定性，然而交聯(lián)法制備過程中使用的表面活性劑毒性較大、離子凝膠法制備的納米顆粒粒徑大，分散性差[58]。PLGA 納米顆粒可以防止藥物降解并增加其穩(wěn)定性；此外，由于其粒徑小能夠穿越細(xì)胞膜或者血腦屏障，實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送[50]。然而，該系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，例如對(duì)于多數(shù)藥物的載藥量低、生產(chǎn)成本高以及擴(kuò)大規(guī)模困難。因此，在應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求選擇最佳的納米制劑類型以及制備方法。

4 展望

研究表明，納米遞送系統(tǒng)可以提高蝦青素的口服生物利用度。脂質(zhì)納米載體和聚合納米顆粒已被研究用于蝦青素的遞送，旨在改善其細(xì)胞滲透性、細(xì)胞吸收和提高口服生物利用度。然而，目前關(guān)于蝦青素口服生物利用度的研究有限。此外，雖然蝦青素具有很好的藥理特性，但關(guān)于其臨床應(yīng)用的研究數(shù)據(jù)仍然很少，大多數(shù)研究結(jié)果依賴于體外研究[59]。因此，今后需要開展更多體內(nèi)與臨床研究以及新型納米載體的探索，將蝦青素口服制劑轉(zhuǎn)化到實(shí)際臨床應(yīng)用中。

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