壳聚糖纳米粒载体的应用研究进展

马 茜，范 娟（泸州医学院，泸州 646000）

·综述·

壳聚糖纳米粒载体的应用研究进展

马 茜，范 娟＊（泸州医学院，泸州 646000）

目的 介绍壳聚糖纳米粒载体在药物、基因递送等方面的研究应用进展，为其在新领域的应用提供依据。方法 广泛查阅中外文有关文献，整理分析归纳了其中27篇文献内容。结果 壳聚糖纳米粒载体在药物和基因递送方面已经有诸多研究应用。结论 壳聚糖纳米粒载体是一种有前途的非病毒递送载体，其特性和应用有待进一步探索。

壳聚糖；纳米粒；药物和基因递送系统

有效的药物和基因传递面临许多问题，包括保护药物或基因免受胃肠道的破坏，并促进细胞吸收，组织和细胞靶向性，减少毒性和不良反应等。克服这些障碍的一个可行的方法是，将药物或基因载入纳米粒子形成药物或基因递送系统。壳聚糖（chitosan，CS）所形成的纳米粒载体，具有水溶性、正电性、低毒性、黏膜黏附性、生物降解性、生物相容性、无致突变性、低免疫反应、易大量生产、易组装改性、可重复给药、制备方便、良好的缓释和控释作用的特点［1］。对壳聚糖进行改性，如聚乙二醇化壳聚糖、季铵化壳聚糖，尤其是对壳聚糖的多官能团改性，能克服壳聚糖溶解性差、转染率低、靶向性弱的缺点，这些壳聚糖衍生物纳米粒载体具有更广阔的应用前景［2］。

1 壳聚糖纳米粒载药

壳聚糖纳米粒作为药物载体系统，已有大量关于其作为药物递送载体的研究。大致分为黏膜给药、肠外给药和眼部给药。

1.1 黏膜给药 研究表明，壳聚糖及其衍生物是改善肽、蛋白质类药物和肝素等经黏膜（鼻、口）给药的安全有效的吸收促进剂。吸收促进的机制，与壳聚糖的黏膜黏附、瞬时打开细胞膜黏膜紧密连接的功能以及带正电的壳聚糖与带负电荷的黏蛋白交互作用，延长了药物和吸收表面之间的接触时间相关。带正电的壳聚糖结合在细胞膜上，既减少细胞单层的转移上皮电阻（TEER），又增加细胞旁渗透性，从而影响游离药物的渗透率和微粒摄取。壳聚糖及其衍生物形成的纳米粒保留了它的黏膜黏附性能。如：壳聚糖纳米胶囊提高和延长了鲑鱼降钙素（SCT）的肠吸收，自组装壳聚糖－神经酰胺纳米粒子能增强紫杉醇的口服吸收。壳聚糖胰岛素纳米粒对糖尿病大鼠给药导致血糖水平长期下降［3］。壳聚糖纳米粒可保护胰岛素免受胃肠道的降解，且可通过黏膜黏附和／或渗透增强胰岛素的吸收。重组水蛭素（rHV2）制成的rHV2壳聚糖纳米粒，经鼻腔给药后生物利用度得到提高，该结果也由Vila的破伤风类毒素－壳聚糖纳米粒大鼠鼻黏膜给药实验证实［4］。壳聚糖纳米粒也是一种有发展前景的疫苗载体系统，特别是作黏膜疫苗载体，通过口腔和鼻腔途径诱导增强免疫反应。有效的黏膜免疫的关键问题包括抗原滞留时间与淋巴系统的相互作用，选择无毒的佐剂和模仿黏膜病原体诱发所需免疫反应的能力。Pawar D研究了鼻内注射乙型肝炎表面抗原（HBsAg）－乙二醇壳聚糖纳米颗粒的系统和黏膜免疫反应，结果表明，该纳米粒能同时诱导产生较强的两种免疫反应，使该纳米载体系统有望成为黏膜给药疫苗的载体［5］。前体药物的研究也使壳聚糖纳米粒成为了研究热点，如：阿霉素共轭壳聚糖自组装纳米粒制得的前体药物细胞摄取率高，在细胞内快速释放且大量积聚，并在Hela细胞表现出明显的细胞毒性［6］。除了亲水性药物，亲脂性药物也被有效地封装在壳聚糖纳米粒给药［7］，如封装环孢素A的壳聚糖纳米粒子导致药物相对生物利用度大大提高［7］。竞争性酶抑制剂，诸如蛋白酶抑制剂或胰凝乳蛋白酶抑制剂，也可以通过胺基共价地连接到壳聚糖，抑制剂在药物吸收位点减少药物降解，从而提高药物的生物利用度，实现更有效的口服给药。如：壳聚糖－EDTA共价连接10%的Bowman－Birk酶抑制剂，其胰岛素降解将减少40%～60%［8］。Orthmann等指出，纳米粒可有效转运药物通过血脑屏障，可用作脑靶向给药的载体。在中枢神经系统疾病，例如脑肿瘤、老年痴呆、帕金森综合征等治疗中，具有独特的优势和潜在的临床应用价值，纳米粒载体可增大中枢神经系统中的药物浓度并达到缓释作用［9］。壳聚糖纳米粒子用聚山梨酯涂层后，直接通过鼻脑通路被用于大脑药物的靶向运输。因其可控的生物黏附性，甚至用其与活性药物结合靶向于嗅觉区域来保持药物的吸收特性。盐酸阿霉素壳聚糖纳米粒（ADM－CS－NPs）鼻腔给药可有效实现脑内递药，脑内药物浓度增加并得到缓释［10］。雌二醇－壳聚糖纳米颗粒鼻腔给药也同样证明，壳聚糖纳米粒是中枢神经系统（CNS）用药的理想载体。有报道，表明壳聚糖的结构特征和相对分子质量对2，3，5，6－磷酸川芎嗪（TMPP）的鼻腔吸收有促进作用。

1.2 肠外给药 纳米粒的生物分布与其大小、表面电荷和疏水性相关。直径大于100nm的纳米粒迅速被网状内皮系统（RES）吞噬，而较小的颗粒则具有更长的循环时间。纳米级的颗粒可静脉给药，是因为毛细血管的最小直径大约为4 μm。壳聚糖纳米粒经静脉注射后，在许多肿瘤表现出明显的聚集倾向。这种现象的原因是肿瘤脉管系统的泄漏（EPR效应）［11］。研究表明，肿瘤细胞对载多柔比星的壳聚糖纳米粒有选择性吞噬作用，而壳聚糖多柔比星右旋糖酐长循环纳米粒加强了药物疗效，降低了多柔比星的毒性和不良反应［12］。Kim等制得乙二醇壳聚糖－紫杉醇纳米粒，输送难溶性抗癌药物紫杉醇（PTX），治疗荷瘤小鼠的结果显示，PTX－CNP较PTX具有更良好的抗肿瘤效应［13］。白细胞介素（IL）－12的三磷酸壳聚糖纳米粒，用于预防结肠癌肝转移的研究提示，壳聚糖纳米粒可以作为运载细胞因子的载体［14］。抗癌药物7－乙基－10－羟基喜树碱（SN38），由于其溶解度差和高毒性，无法直接应用于临床，壳聚糖连接MUC 1配体后载药的CSSN38－Apt纳米粒，通过增加溶解性和靶向性，提高了SN38靶向抗结肠癌的疗效［15］。

1.3 眼部给药 滴眼剂和眼膏剂虽然配制容易、使用方便，但生物利用度极低，仅有1% 甚至更少剂量的药物能够通过角膜转运进入眼内［16］。眼部的局部给药需要克服血眼屏障、角膜对药物的渗透性低等困难。设计了一系列眼部给药新剂型，其中包括纳米载药体系。基于壳聚糖纳米粒的眼科制剂在兔子的角膜表面表现出极好的耐受性，并且被视网膜色素上皮（RPE）细胞吞噬、释放，提供并维持血药浓度达到缓释作用，除了采用壳聚糖纳米粒改善眼部药物转运，壳聚糖涂层纳米粒子也被用作提高角膜穿透。De Campos等研究表明，壳聚糖纳米粒可以附着在兔角膜和结膜至少24h［17］。黏膜黏附壳聚糖（CS）－海藻酸钠纳米颗粒已被研究作为长期局部眼给药加替沙星抗生素的新载体［18］。但应用于眼部的壳聚糖纳米载药体系仍然存在稳定性、药物包封率、粒径的一致性等问题，这些都有待于进一步研究解决。

2 壳聚糖纳米粒运载基因

核酸越来越多地应用于疫苗接种和基因治疗。通过壳聚糖带正电荷的氨基与DNA带负电荷的磷酸基团间凝聚形成壳聚糖－DNA纳米颗粒，并通过空间位阻效应保护DNA免受核酸酶的降解。但研究表明，壳聚糖－DNA纳米颗粒的转染效率并不理想。通过配体缀合或加入核内体破坏分子进一步修饰，纳米颗粒可进一步克服运载障碍，提高细胞转染水平。2.1 递送DNA疫苗 蛋白质亚单位疫苗主要通过抗原传递产生循环抗体激活人体免疫应答。而转染编码抗原的DNA既可以产生基于抗体的免疫应答，又可以产生细胞介导的免疫应答。一些颗粒系统，如纳米颗粒与疫苗关联，通过黏膜淋巴组织增强对抗原的摄取，从而对其出现强的全身和黏膜免疫应答。壳聚糖纳米粒是研究最广泛的DNA黏膜疫苗载体，其吸收促进作用被认为可以提高黏膜的免疫应答。Illum研发的基于壳聚糖的DNA流感疫苗，在小鼠滴鼻后表现出较高的抗体水平。卵清蛋白（OVA）／壳聚糖纳米粒经鼻腔给药后，既诱导产生更强烈的体液免疫反应（IgG水平），又诱导产生黏膜免疫反应（IgA水平）［19］。空肠弯曲菌pcDNA3.1（－）－peb1ADNA疫苗结合壳聚糖，能增强pcDNA3.1（－）－peblA的免疫原性，有望制得壳聚糖佐剂疫苗，用于预防空肠弯曲菌感染及其相关疾病［20］。另外，壳聚糖－DNA纳米颗粒，既成功地用于花生过敏原Arah2基因、尘螨过敏原Derp 1基因的免疫应答，也被测试作为细胞内寄生虫弓形虫的疫苗。

壳聚糖在疫苗领域的应用受其本身对免疫反应的作用影响。Otterlei证实壳聚糖受相对分子质量、脱乙酰度和在中性溶液中的溶解度影响导致单核细胞TNF－α水平不同［21］；Bacon经鼻内给小鼠含10g·L－1纯化流感表面抗原的壳聚糖谷氨酸盐溶液导致球蛋白IgG和IgA的水平升高，与鼻内单独给表面抗原相比分泌抗体的淋巴细胞增加［22］。Shibata静脉注射可细胞吞噬的（1～10μm）壳聚糖颗粒，引发肺泡巨噬细胞突发释放超氧阴离子［23］；同时使用Mao的方法形成的壳聚糖－DNA纳米颗粒，在巨噬细胞系孵育后不能诱发细胞因子TNF－α，IL－1β，IL－6或IL－10的分泌［24］。因此，壳聚糖可以作为疫苗佐剂，但这些属性可能依赖于所使用的壳聚糖的类型和剂量以及递送方法。如：壳聚糖包裹口蹄疫DNA疫苗pcD－VP1形成的纳米颗粒，在滴鼻、直肠和生殖道免疫中均一定程度提高了DNA疫苗黏膜免疫的效果，但口服免疫效果极微。对于壳聚糖介导的免疫调节，尤其是纳米粒子递送的情况需要更多的研究。

2.2 利用壳聚糖－DNA纳米颗粒传递治疗基因 除了口服接种，另一应用是口服递送DNA进行治疗性基因的表达，即所谓的“基因丸”。Sheu等总结了该递送系统的优点，包括安全性、患者依从性和剂量调节。Mumper提出壳聚糖作为有前途的基因传递载体。壳聚糖聚合物比聚－L－赖氨酸、PEI的毒性和免疫原性低，并且不易突变。此外，它提高了药物跨膜运输能力。人凝血因子Ⅷ（FⅧ）的基因已经成功以壳聚糖－DNA纳米颗粒的形式对小鼠给药。用甲氧基聚乙二醇连接壳聚糖纳米粒（mPEG－CS）介导绿色荧光蛋白基因（pEGFP－C1）转染HeLa细胞和A549细胞转染率提高，且具有较好的血清耐受能力。Jiang等合成的壳聚糖衍生物半乳糖化聚乙二醇修饰壳聚糖接枝聚乙烯亚胺（Gal－PEG－CHI－g－PEI）／DNA在肝脏中的基因表达率较高。用壳聚糖纳米粒作为EGFP基因载体，在体外及鼠子宫内对比基因表达情况，转录基因在胎肺及肠内的短期表达，证明了壳聚糖纳米载体在胚胎基因治疗的发展前景［25］。

3 结语

壳聚糖纳米粒载体具有提高药物、基因或蛋白质的稳定性、增强吸收、缓释作用等优势，是用于胰岛素和其他药物的载体及疫苗递送的良好佐剂，在若干肿瘤中的积聚抗肿瘤倾向证明，其是一种有前途的非病毒基因传递载体。但其属性及纳米粒子的负生物效应［26］与壳聚糖纳米粒的制备方法及性质密切相关，因此，需要研究人员研制出纳米粒子合成的最优参数组合方案，进一步结合动物实验研究得出与人类相关的更多疗效，尽快摆脱体外和动物实验的局限。

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Research progress of chitosan nanoparticles as a carrier

MA Qian，FAN Juan＊（Luzhou Medical College，Luzhou 646000，China）

Objective This article is a brief introduction of the applications of chitosan nanoparticles as drug and gene delivery carrier，providing references for further study.Methods 27Chinese and foreign articles were analyzed.Results Chitosan nanoparticles have many applications as drug and gene delivery carrier.Conclusion Chitosan nanoparticle carrier is a kind of promising non－viral delivery carrier，its characteristics and application need further exploration.

chitosan；nanoparticle；drug and gene delivery system

10.3969／j.issn.1004－2407.2015.02.035

R94

A

1004－2407（2015）02－0213－03

2014－10－15）

国家青年科学基金项目（编号：81201784）

马茜，女，硕士研究生

＊通信作者：范娟，女，教授，硕士研究生导师