Polysaccharide-based Micro/Nano Drug Delivery System: Design, Construction, and Application

Abstract

多糖类高分子储量丰富，易于修饰，具有优越的生物兼容性、生物降解性和生物粘附性，是一种理想的药物载体基质。本论文针对蛋白质多肽药物和抗肿瘤化疗药物的不同应用需求，基于多糖设计了一系列新颖的药物载体，系统评价了粒径大小和结构差异对生物学效应的影响。首先，本论文发现交联的壳聚糖微球具有明亮的自发荧光，借助此性质考察了粒径大小对微球在体内生物学行为的影响，进一步设计了一系列结构新颖的微球药物载体，探讨了其作为蛋白质多肽类药物口服载体的可行性。此外，本论文还发现壳聚糖和其它多糖分子可以显著影响特定有机物和无机物的结晶过程；借助这种软模板效应，构建了两种结构新颖的智能传输体系，用于癌症的靶向治疗。论文具体开展的研究工作如下： 1. 在实验中发现壳聚糖上的氨基与醛类物质发生反应后具有明亮的自发荧光。基于此现象，并结合本实验室的微孔膜乳化技术，通过乳化交联法制备出了尺寸均一、粒径可控的自发荧光壳聚糖微球。微球的荧光颜色可以通过交联剂的选择和进一步的化学修饰来调节，微球的荧光强度也可以通过交联程度和粒径大小实现精准控制。为了评价上述自发荧光微球在生物医学领域应用的可行性，将其与人肝癌HepG2细胞共孵育，用流式细胞仪和激光共聚焦显微镜检测了细胞对微球的内吞过程。结果显示这些荧光微球具有明亮而稳定的自发荧光，是一种理想的生物示踪剂。此外，这些微球可以被细胞大量地内化，在药物载体领域也显示出很大的应用潜力。 2. 微球做为药物载体时，其粒径大小对后续体内的转运和代谢产生着重要的影响。鉴于壳聚糖具有优越的生物粘附性，我们系统评价了壳聚糖微球经过口服灌胃后在体内的生物学行为。实验中首先采用膜乳化技术制备了2.1 μm，7.2 μm和12.5 μm三种粒径的壳聚糖微球。基于微球尺寸均一和自发荧光的性质，借助激光共聚焦显微镜和流式细胞仪考察了上述不同粒径的微球经过口服灌胃后在胃肠道的粘附和吸收、体内的组织分布和代谢、以及内皮网状系统的结构转化。结果显示，微球经过口服后体内的生物学行为与粒径大小关系密切，为本论文后续的研究工作提供了借鉴。 3. 采用化学交联制备的壳聚糖微球均为实心结构，对蛋白质多肽类药物的吸附率较低，药物释放行为单一，无法满足临床不同的给药需求。为了克服上述缺点，我们在壳聚糖基质中复配其衍生物，并采用多重交联反应，对壳微球的结构进行了调控；进一步结合膜乳化技术，制备出了一系列尺寸均一、结构新颖的壳聚糖微球。这些微球的表面电荷、孔隙大小以及中空程度各不相同，并且易于调控。这些结构性质可以大大提高微球对药物的装载量，并且呈现出不同的药物释放行为，从而满足临床给药时的不同需求。 4. 基于上述对不同粒径大小的微球在体内生物学行为的评价以及微球结构调控的研究，我们将壳聚糖复配其季铵盐的衍生物，以此为基质包埋多肽类药物胰岛素，探讨了其用于胰岛素口服给药的可行性。结果表明，微球的中空结构有利于保持胰岛素的生物活性和优化胰岛素的释放行为；基质中季铵盐结构由于位阻作用减少了胰岛素在制备过程中的泄露，并且借助其正电荷效应也增加了微球在肠道内的生物粘附；微球的多孔结构也可以促进药物的释放。如所预期，后续的药效学实验表明这种微球作为口服胰岛素制剂时，能够在体内产生平稳的降糖效果，显示出很好的应用前景。 5. 通过大量的筛选，我们发现半乳糖化壳聚糖（GC）的氨基可以与10-羟基喜树碱（HCPT）开环内酯中的羧基发生相互作用，从而影响HCPT的闭环结晶过程，并产生显著的纳米晶化作用。制备出的HPCT纳米晶表现出了良好的胶体稳定性，解决了HCPT难溶性所带来的临床给药问题。GC中的半乳糖结构还可以通过结合肝细胞膜表面大量表达的去唾液酸糖蛋白受体，从而增加纳米晶对肝的靶向性。此外，由于纳米晶的小尺寸效应（~20 nm），可以使其顺利地通过核孔进入细胞核，有利于药物与DNA拓扑异构酶直接作用，进一步提升对肝癌细胞的杀伤效果。 6. 受到上述实验的启发，我们进一步发现淀粉可以对碳酸钙的结晶产生显著的影响，并且这种影响高度依赖于反应物的浓度以及反应体系的温度。所生成的碳酸钙微晶可以自发地组装，在空间上能够形成一系列多级有序的三维结构。我们选取了具有中空结构的纳米晶自组装体，包埋了抗癌药物阿霉素。由于以碳酸钙成分为基质，该体系可以选择性地在弱酸性的癌组织释放药物。此外，这种纳米晶自组装体还能增加癌细胞对药物的摄取量，并且具有明显的细胞核聚集和入侵效应，从而增强药物对癌细胞的杀伤效果