甲壳素及其衍生物在医药领域的应用＊

李玉文,张梁栋

(1.青岛农业大学,山东 青岛 266109;2.济南大学,山东 济南 250022)

甲壳素(chitin)又名几丁质、甲壳质、壳多糖等,广泛存在于甲壳纲动物如蟹、虾、昆虫及真菌中,其资源丰富,产量仅次于纤维素,是自然界第二大有机物质。壳聚糖(chitosan)是甲壳素最重要的衍生物,是甲壳素部分或全部脱乙酰基的产物。研究发现甲壳素及其衍生物具有相似的生物特性:(1)生物可降解性,在生物体内通过溶菌酶的作用可以分解。(2)生物相容性,兼有高等动物组织中胶原质和高等植物组织中纤维素两者的生物功能,对动、植物都具有良好的适应性,与生物体的亲和性能体现在细胞水平上,产生抗原的可能性很小。(3)具有加快伤口愈合能力,对受损伤的生物体能诱生特殊细胞,加快创伤愈合,特别是促进愈合张力的增长。(4)无口服毒性,壳聚糖与体内存在的无毒氨基葡萄糖结构类似,故作为人体服用材料应是安全的,实验也证明,它是安全的机体用材料。(5)对血清中的中分子量物质具有高透过性。(6)对血清蛋白质等血液成分的吸附能力很大。(7)具有消炎、止血、镇痛和抑菌等性能,这些生物学特性使得甲壳素及其衍生物在医药领域获得广泛的应用。

1 在烧伤、烫伤方面的临床应用

1.1 医用敷料

甲壳素和壳聚糖制成的医用敷料包括无纺布、纱布、绷带、止血棉、医用纤维、胶粘带、薄膜等,主要用于治疗烧烫伤病人。该类敷料可以减轻伤口疼痛;并具有极好的氧渗透性,可防止伤口缺氧;能吸收水分,通过体内酶自然降解,降解产生N-乙酰葡糖胺,可大大提高伤口的愈合速度,用于治疗大面积烧伤、烫伤效果良好[1]。

1.2 吸收性手术缝合线

研究表明[2],甲壳素对烷基锂、消化酶及受感染的尿等的抵抗力比聚乳酸和羊肠要好,另外,甲壳素纤维的强度能满足手术操作的需要(在酰胺-氯化锂溶剂中纺出的复丝抗张强度约为50 kg/mm2);线性柔软便于打结,无毒性;可加速伤口愈合,因此甲壳素纤维缝合线是理想的吸收性手术缝合线,该类缝合线在国外已进入实用阶段,如日本 Yunichika公司[3]是较早出售甲壳素可降解的手术缝合线的公司之一。据报道[4],中国纺织大学甲壳素研究课题组研制出的甲壳素缝合线经临床应用,效果良好,未发现有过敏、刺激、炎症现象,并具有消炎、促进伤口愈合和愈合后伤口平滑无疤痕等优点。

利用高质量的甲壳素为原料制成的手术缝合线能被组织降解吸收,患者无须忍受拆线的痛苦,且这种线比肠衣线更易于缝合和打结,对外科医师来说极为方便。另外,甲壳素手术缝合线还能加速伤口愈合。据Ballassa报道[1]用甲壳素及其衍生物制备的缝合线,可使伤口愈合速度提高75%。因此,甲壳素手术缝合线完全可以替代肠衣手术缝合线,广泛应用于各种外科手术。

1.3 人造皮肤

文献[6]报道用甲壳素纤维制作人工皮肤,医治烫伤、烧伤的效果非常好。其方法是:先用血清蛋白质对甲壳素微细纤维进行处理以提高其吸附性,然后用水作分散剂、聚乙烯醇(PVA)作粘合剂,制成无纺布,切块后灭菌即可备用。其优点是:密着性好,便于表皮细胞长入;具有镇痛止血功能;可促进伤口愈合,且愈合不发生粘连。另外还可以用这种材料作基体来大量培养表皮细胞,将这种载有表皮细胞的无纺布贴于深度烧、创伤表面,一旦甲壳素纤维分解,就形成完整的新生真皮。这类人工皮肤在国外已商品化,并在整形外科手术中获得了一定的应用[3-7]。日本健康福利部于1988年颁布了同意用壳聚糖无纺布作为皮肤替代物的条例。Kim&M in用壳聚糖和磺化壳聚糖的混合物制成的伤口恢复材料,对伤口区皮肤的再生有很好的效果。日本Hataku-rachikarin医药公司用壳聚糖-胶原复合材料制成的人工皮肤对外伤和烧伤的愈合也有促进作用。我国中国海洋大学楼宝城等[5]以壳聚糖、角元乙酸盐为主,添加中草药有效成分及天然原料研制成功甲壳素人造皮肤。近来,Su等[8]研究发现,糖化甲壳素膜可以通过诱发细胞繁殖、促进成纤细胞转移来加速伤口愈合,因此它作为人工皮肤的功效可以与日本 Yunichika公司和法国Roussel M edica公司联合推出的商品Beschitin相媲美。

2 眼科材料

2.1 人工泪液

用几丁糖、聚乙烯山梨醇、油酸酯加防腐剂氯代丁醇配制的等渗溶液作为人工泪液,补充自然泪液的不足。用于无泪患者及干燥性角膜炎、结膜炎效果明显优于植物甲基纤维索制成的人工泪液。徐斌[9]等用几丁糖凝胶及几丁糖溶液连续滴入兔眼7天,在荧光素钠染色下,观察两组兔眼无结膜角膜刺激反应。国内研制的几丁糖分子量达到300万道尔顿,因分子中含有许多极性基团,溶于水中形成具有

粘滞性的大分子胶体溶液,可延长药物在结膜囊内的滞留时间而延长疗效,而其本身又有抑菌、止血及良好的生物相容性,同其它无生理活性的物质相比具有明显的优越性。

2.2 医用粘弹剂

粘弹剂现已成为眼科显微手术中必不可少的手术工具之一。几丁糖是甲壳素经化学改性及修饰后形成的,具有作为眼用粘弹的理化特性。李由等[10]通过向兔眼内注射自制几丁糖,以国际公认的粘弹剂透明质酸钠作为对照,观察球结膜充血、角膜混浊、前房渗出、眼压变化、角膜内皮活细胞染色并计数,发现实验组与对照组均无显著性差异。同时,电镜观察细胞形态无明显异常,临床结果验证几丁糖与透明质酸钠在眼内反应相似,有作为眼内粘弹剂的良好应用前景。

2.3 抑制青光眼术后纤维增生及玻璃体视网膜增殖性病变

为了提高青光眼滤过手术的成功率,开拓新型抗纤维组织增生的药物,陆放等[11]利用几丁糖可抑制纤维细胞增生的特性,制备甲壳类多糖膜及溶液,置于青光眼滤过手术后的兔眼结膜下。结果表明:甲壳类多糖在兔眼结膜下可自行性降解,并能有效抑制纤维细胞增生,维持滤过道通畅。几丁糖有选择性抑制人成纤维细胞生长的生物活性。又是一种无毒、无刺激、无免疫原性的生物可降解材料,有可能成为一种有效抑制PVR的药物。但目前对于几丁糖眼内药物代谢动力学和毒性研究较少,仍有待于进一步探讨,使之最终能成功地应用于临床。

2.4 眼用药物长效缓释制剂

甲壳素及其衍生物均有很强的亲水性,可在酸性介质中膨胀形成胶体粘稠物质而阻止药物扩散及溶出,由此可制成缓释微球、缓释片等,同时几丁糖具有良好的成膜性,可作为片剂、颗粒剂的包衣材料。Shozo等[12]曾用几丁糖制备了消炎痛缓释颗粒,显示了良好的缓释效果。并发现其缓释时间随着几丁糖配比浓度增大而延长。完全释药时间为8—10 h。因几丁糖在低p H范围内形成凝胶层,可降低对胃肠道刺激,解决了临床上因胃肠道刺激而限制使用的问题。王爱琴等[13]用改性后的羟丙基甲壳素作为增稠材料,制备了含1%羟丙基甲壳素盐酸环丙沙星滴眼液,提高了药物的粘附性和滞留时间,在临床观察中取得了较好结果。Centa等[14]利用几丁糖包裹无环鸟苷制备的滴眼液在活性实验中证实:几丁糖可提高无环鸟苷的生物利用度,延长给药时间间隔,并且在用药期间没有观察到任不适反应。

3 在药物制剂领域的应用

作为天然大分子,甲壳素及其衍生物具有低毒、生物相容、可生物降解等性质,还具有抗菌、抗肿瘤、抗凝血、抗酸、抗溃疡活性,可阻止或减弱药物对胃肠道的刺激性等[15],并且在酸性条件下可形成水凝胶,具有粘膜吸附的特性,这些优良的生物与物理化学性质决定了甲壳素及其衍生物在药物制剂领域有着广泛的应用前景。

3.1 在药物制剂中用作缓释辅料

甲壳质或其衍生物作为缓释辅料[16]与原料药混匀后,加入其它配料可直接用于压片,或制成颗粒剂,或用压力扬吸机模压成型材。然后制成丸剂,或制备缓释用微球、微囊、纳米球、纳米囊[17-18]。目前已制备成功的缓释口服药物主要有抗炎镇痛药(双氯芬酸钠、吲哚美辛等)、胰岛素、糖皮质激素、褪黑激素以及某些疫苗等。

壳聚糖的性质会影响到药物的释放,脱乙酰度较低、相对分子质量较大的壳聚糖具有良好的缓释作用,而高脱乙酰度、低粘滞度的壳聚糖的缓释作用较差。

3.2 用作药物的靶向载体

基于壳聚糖及其衍生物在不同酸性环境中具有不同的药物释放速率的特性,制成具有吸收部位特异性的消化道制剂,可起到靶向作用。如在众多的结肠靶向药物传递系统中,以壳聚糖及其衍生物作为辅料的生物高分子药物传递系统可被结肠部位的微生物所降解,是一种优良的结肠靶向的传递系统,因而具有广泛的应用前景。

更重要的是,壳聚糖还能以“被动机制”选择性地蓄积于肿瘤组织,可用作抗肿瘤药物的靶向载体。实验证明水溶性壳聚糖衍生物(如丁二酰壳聚糖[19])能够增加药物对病灶区血管壁的通透性,有利于药物向肿瘤组织的渗透,从而将药物选择性地分布于癌变部位,降低对正常组织的毒副作用;同时还能够延缓药物在体内的降解速度,提高药效,已成为当前抗肿瘤药物研究领域的热点。Song Youhua等[20]将丝裂霉素和丁二酰壳聚糖偶联,通过动物实验发现丝裂霉素在体内的持续时间大大延长,毒副作用显著降低,抗肿瘤活性明显增强。此外,国外学者已把研究重点转向了在壳聚糖及其衍生物分子中偶联能被肿瘤组织中相应受体特异性识别的“靶头”,从而获得基于受体识别系统上的主动靶向作用的药物载体系统,研究较成熟的是肝靶向的药物载体[21]。如 Kato等[22]将乳糖与丁二酰壳聚糖偶联(Lac-Suc),因为哺乳类动物的肝实质细胞表面存在着一类特有的去唾液酸糖蛋白受体(ASGPR),对半乳糖基具有特异性识别作用,乳糖分子中的半乳糖基在此起到了“靶头”的作用。动物体内实验发现Lac-Suc主要分布于肝脏,具有明显的肝靶向性。

3.3 用作崩解剂和难溶药物的助溶剂

由于壳聚糖及其衍生物遇水能发生溶胀,故可将其用作崩解剂。在片剂中壳聚糖作为崩解剂的含量应＜70%,含量太高药片崩解过快,不符合药典要求。此外,壳聚糖及其衍生物还可作为某些难溶药物的助溶剂,增加药物的溶解度,利于药物的吸收,提高药物的生物利用度[23]。

3.4 用作吸附剂和吸收促进剂

壳聚糖及其衍生物具有粘膜吸附的特性,可延长药物在消化道内的滞留时间,延缓药物的释放,提高药物的生物利用度。动物实验表明壳聚糖吸水后可形成凝胶状物质粘附于消化道表面,这不但加快了所携带药物的吸收,而且药物清除率也明显下降。Lehr等在体外实验中发现壳聚糖比羟丙基纤维素和羧甲基纤维素具有更好的粘膜吸附性,以壳聚糖作为硫氮草酮的载体制成片剂后在消化道的作用时间显著延长,其生物利用度大大提高。此外,由于壳聚糖携带大量的氨基,具有一定的抗酸性,可抑制质子向粘膜的扩散,因此还可以起到保护胃肠粘膜的作用,临床上可用于治疗胃炎及胃溃疡等。

药物吸收促进剂是指能够增加药物脂溶性或增加粘膜上皮通透性的物质,过去常用的吸收促进剂有各种表面活性剂(SDS、胆盐、脂肪酸等)、氨基酸衍生物螫合剂、环糊精等,这些物质有的对人体产生毒副作用,有的对消化道粘膜上皮致密结构造成不可逆转的损伤。A rtursson等[24]报道了壳聚糖及其衍生物用作吸收促进剂可提高消化道粘膜对某些亲水性分子的通透性。实验证明在微酸性条下,壳聚糖盐酸盐、谷氨酸盐[25]能够大幅度地降低单分子膜的跨膜电阻抗(TEER),并增加其通透性;N,N,N-三甲基壳聚糖盐酸盐[26]、N-羧甲基壳聚糖[27]等在中性以及微碱性条件下具有显著提高消化道粘膜通透性的特点。分子水平的研究认为壳聚糖及其衍生物的作用机制是以其分子上携带的正电荷连接到细胞膜上,诱导细胞间致密结合蛋白发生变构,导致跨膜通道的可逆性开放,因此不会对粘膜上皮的致密结构造成损伤。

3.5 用作大分子生化药物的保护剂

生物大分子药物(多肽、蛋白质、核酸类)口服后往往会受到体内各种酶的降解,从而使药物丧失活性。采用酶抑制剂虽能一定程度上抑制大分子药物的降解,但在肠道内易被稀释故要加大其用量,从而易导致局部或全身性毒性反应。目前,以壳聚糖及其衍生物为原料制备这些亲水性高分子药物的口服制剂已成为近年来的研究热点,如直接将这些大分子药物与壳聚糖进行压片、或将其与壳聚糖进行化学偶联,或以壳聚糖及其衍生物为原料制备微囊、微球、纳米囊或纳米球等,这些方法不仅能够保护亲水性高分子药物免受消化道内的各种酶的降解,并可促进吸收,显著提高生物利用度。Bernkop等[28]将壳聚糖-ED TA (56.7%)、壳聚糖-EDTA Bowman Birk抑制因子螫合物(BB I)(10%)、甘露醇(30%)和胰岛素(3.3%)研成均匀的粉末后压成片剂,这种片剂能有效地抑制人工胃液和人工肠液中的羧基肽酶、氨基肽酶、胰蛋白酶、糜蛋白酶等酶的活性,使胰岛素在胃肠道免于被降解。这一作用与壳聚糖-EDTA可以螫合酶的辅助因子以及Zn2+和壳聚糖-EDTA-BBI螫合物对各种蛋白酶的抑制作用有着密切的关系。同时由于壳聚糖还提高了消化道粘膜的通透性,片中胰岛素降糖作用也明显增强。因此,可以说壳聚糖及其衍生物的药物保护作用为生物大分子口服给药的研究工作开辟了一条可行之路。

4 结论与展望

甲壳素及其衍生物是一类资源丰富,具有独特生物活性的高分子材料,尽管目前由于甲壳素及其衍生物质量标准难以建立,其在医药领域的应用尚处在初始阶段,但随着国内外对其研究的不断深入,其药理、毒理、安全性方面的理论也会日臻完善,甲壳素及其衍生物在医药领域的应用必将日益广阔。

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