李寒梅, 王 瑶, 谢 娜, 董倩倩, 胥茹君, 刘 迪, 陈雪玲(成都大学 药学与生物工程学院, 四川 成都 610106)
目前,糖尿病患者数目呈逐年增加的趋势,这种趋势在我国表现得尤其突出.糖尿病的死亡率仅次于心血管病和肿瘤,位列第三名.糖尿病分为I型和II型糖尿病,但不论是I型还是II型糖尿病,利用胰岛素治疗都是一种非常重要的手段.众所周知,口服给药是患者顺应性最好的一种给药方式,但是由于胰岛素为多肽蛋白质类药物,经口服给药易被胃液与肠液降解,另外,即使未被降解,胰岛素分子也很难透过小肠上皮细胞而被吸收入血液循环系统发挥疗效.因此,胰岛素口服给药仍处于研究阶段,而皮下注射给药仍是目前最主要的给药途径.但胰岛素的皮下注射剂也存在一些问题,例如,作用时间短、需频繁给药、注射部位易出现红肿、发痒及皮下脂肪萎缩等.而原位缓控释制剂可在极大程度上解决这些问题,与普通制剂相比,原位缓控释制剂具有作用时间长、使用方便、释药平缓和毒副作用小等优点[1].目前,胰岛素的缓控释制剂主要有脂质体、微球、纳米粒和凝胶等,这些制剂可长时间维持稳定的血药浓度,大大减少给药次数,提高患者的依从性,减少药物不良反应.对此,本综述拟总结胰岛素的原位缓释给药系统,为相关的研究提供相应参考.
微粒给药系统将药物分散或者包埋微粒中,利用微粒在体内分布的特殊性,从而改善药物的治疗效果.相关研究表明,微粒给药系统在体内的分布取决于微粒的粒径:粒径较大者通过机械性栓塞作用分布于体内特定部位;粒径较小者则主要聚集在网状内皮系统所在部位;粒径更小的微粒则可逃开吞噬细胞的摄取.该系统可增加难溶性药物的溶解度、生物利用度及增强稳定性,缓释作用非常明显[2].近年来该系统成为科研人员的研究热点,发展迅猛,在药剂学领域有广阔的发展前景,将该系统应用于胰岛素的新剂型包括脂质体、微球、纳米粒等.
脂质体是一种双分子层囊泡,其结构与细胞膜类似,能将药物包裹在类脂双分子层中.由于药物的亲油、亲水性不同,使其可以以不同的方式与脂质体连接,脂质体再将其运送至靶部位产生药效[3].研究表明,脂质体的作用包括:①能够提高药物的溶解度.胰岛素在溶液中的溶解度有限,将其做成脂质体制剂能够适当增加药物浓度,使得给予小体积的剂量则能保持相对较长的治疗时间.②延长药物作用时间.一些普通胰岛素制剂的作用时间较短,将胰岛素做成脂质体能够较长时间使患者的血糖维持在正常水平.③增加药物的稳定性.胰岛素在光照或常温条件下容易降解,做成脂质体恰好克服了胰岛素的该项缺点[4].例如, 张煊等[5]将胰岛素溶液、胰岛素脂质体及聚乙二醇修饰的胰岛素脂质体以静脉注射的方式给予大鼠, 结果显示聚乙二醇修饰的胰岛素脂质体能缓慢释放胰岛素, 其降血糖作用十分明显.
纳米粒是一类以天然或合成高分子材料为载体制成的粒径为10~100 nm的固态胶体微粒.纳米粒可分为骨架固体型纳米球和膜壳药库型纳米囊,将药物溶解、包裹或吸附于纳米囊或纳米球中则成为载药纳米粒.研究证实,胰岛素可以通过与载体材料键合或者被高分子材料包埋的方式进入到纳米粒子的内部,也可以利用某种吸附作用附着于纳米粒子的表面而形成固态胶体粒子.这可保护胰岛素免受胃酸和相关酶的作用,使药物半衰期延长,以维持血药浓度,增长作用时间,有效减少给药次数,降低因药剂过量引发低血糖的风险,从而增加胰岛素稳定性,改善药物溶解度[6].同时,纳米药物载体经特定基团修饰后可达到主动靶向递药的目的,增强药物对病灶的靶向特异性[7-9].由于纳米粒表面具有多个结合位点,可结合不同性质的物质或基团,因而纳米粒在胰岛素递药系统方面的应用比较广泛.例如,Zhang等[10]利用胆酸分子修饰壳聚糖纳米粒载胰岛素,不仅具有肝靶向作用,而且能有效地增强胰岛素的降血糖作用.
此外,3-羟基丁酸-3-羟基乙酸聚合物(PHBHHx)为可生物降解的纳米载体材料,具有较强的亲脂性,而胰岛素有一定的亲水性,为提高胰岛素在PHBHHx纳米粒中的包封率,Peng等[11-13]将胰岛素与磷脂混合制备成胰岛素-磷脂复合物(INS-PLC),在INS-PLC形成后,胰岛素的亲脂性增强,在PHBHHx中的载药量和包封率大大提高.胰岛素-磷脂复合物PHBHHx纳米粒(INS-PLC-NPs)大多呈球形且尺寸均匀.在皮下注射INS-PLC-NPs(4 IU/kg)后0.5 h,血糖水平下降至70%,在2 h为最低血糖水平16.66%,显著低于皮下注射胰岛素溶液组.INS-PLC-NPs组血糖水平在注射后83.5 h才升高至70%,这明显长于胰岛素溶液.该研究表明,INS-PLC-NPs属于较理想的胰岛素缓释制剂.吴蕾等[14]利用pH敏感聚乙二醇—聚己内酯—聚甲基丙烯酸-N,N-二乙氨基乙酯(mPEG-PCL-PDEAEMA)制备载胰岛素缓释纳米粒,并考察其在体内外的缓控释及降血糖效果,同时,分别以mPEG5k-PCL13k-PDEAEMA10k和mPEG5k-PCL10k-PDEAEMA10k 2种材料制备了载胰岛素纳米粒.体外释放实验结果显示,mPEG5k-PCL13k-PDEAEMA10k纳米粒在前8 h的突释量较低,在120 h的累积释放药量更低,缓释时间更长;体内降糖效果考察结果显示,mPEG5k-PCL13k-PDEAEMA10k的降血糖作用可持续48 h,约为mPEG5k-PCL10k-PDEAEMA10k降血糖作用持续时间的4倍.该研究表明,此种pH敏感三嵌段聚合物mPEG-PCL-PDEAEMA是胰岛素缓释制剂较为理想的载体.
微球是指药物分散或被吸附在高分子聚合物基质中而形成的微小球状实体,其粒径一般在1~250 μm之间[15].微球是常用的具有长效缓释或靶向作用的制剂,将微球作为胰岛素的载体,能够缓慢释放胰岛素这类蛋白多肽类药物,延长作用时间,从而大大提升患者用药的依从性,可在一定程度上减轻糖尿病患者的痛苦.目前,微球制剂在临床上已突显优势,是一种极具潜力的剂型.此外,微球制剂产品附加值较大,市场前景广阔,已成为药物研发的热点.
近年来,关于胰岛素缓控释微球有很多的研究报道,然而由于蛋白质的不稳定性,胰岛素缓控释微球在体内的释放效果不是很理想,主要问题是初始的高突释行为,突释效应常常发生在释药初期,在短时间内药物大量释放[16].影响微球释药的因素有很多,例如,药物的种类、聚合物的种类和微球的制备方法等.为了减少胰岛素微球制剂的突释效应,Kenneth等[17]将胰岛素聚乙二醇化,聚乙二醇化胰岛素可与聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)共溶于二氯甲烷,然后通过单一水包油乳液法制备微球.结果显示,经过聚乙二醇化的胰岛素仍保留生物活性,通过此法所制备的胰岛素微球没有明显的突释现象,对后期胰岛素缓释有极大的益处.杨辰辰等[18]制备了泊洛沙姆水凝胶和胰岛素固体植入剂,其研究发现,温敏型水凝胶胰岛素微球拥有长达72 h的持续降血糖作用,水凝胶胰岛素微球的固体植入剂的降血糖持续时间还可以在此基础上延长24 h,大大减少用药频率,从而提高了糖尿病的临床治疗效果.
原位凝胶,是指一种以液态给药后,在用药部位发生相变化,由液态转变为固体或者半固体药物储库的新型缓控释给药载体[19].合理地利用原位凝胶的缓控释性能,用原位凝胶作为载体给药,可大大降低给药频率.研究发现,原位凝胶的相态可随温度、离子强度、pH值的改变而改变,从而使溶液在用药部位转变成半固体制剂[20].按照原位凝胶相态改变的条件,可将原位凝胶分为温度敏感型凝胶、离子敏感型凝胶以及pH敏感型凝胶等[21].目前,泊洛沙姆是常见的用于制备温度敏感型凝胶的材料,它是由聚氧乙烯和聚氧丙烯聚成的嵌段共聚物,其具有毒性小、体内可降解、可增加难溶物的溶解度等优点[22].比如,质量浓度为20%~30%的泊洛沙姆407(P407)水溶液在低温下为液态,而当温度达到体温即转变成凝胶状态,具有特殊的反向热胶凝性质.因此,P407作为缓释系统的载体具有优越性[23].印娜等[24]研究发现,以P407作为药物载体,注射入体内后变为凝胶,可以延长药物在给药部位滞留时间.Ur-Rehman等[25]考察了壳聚糖原位凝胶中壳聚糖对P407凝胶载药量和截留性能的影响,结果显示泊洛沙姆凝胶在生理条件下溶解相对较快,极大地限制了它在缓控释制剂方面的应用.为了解决这个问题,研究人员通过改变其结构或掺入黏膜黏附聚合物如海藻酸钠、聚卡波非、角叉菜胶或壳聚糖来改善泊洛沙姆系统的强度、黏膜黏附性和停留时间.例如,阳离子壳聚糖(CT)与阴离子三聚磷酸钠(TPP)混合后,可形成离子型凝胶,通过双注射器法制备含CT和TPP的P407原位凝胶制剂,大大增加了P407凝胶的药物负载和控释能力.且该体系不仅具有相当好的注射性,而且大大减慢了在生理条件下的溶解.Barichello等[26]将P407用于制备胰岛素缓控释制剂,发现P407的浓度和pH值会影响药物缓释的效果,质量浓度为30%、pH值为7.0的P407缓释效果最好.
此外,Kang等[27]开发了基于原位凝胶的单剂量胰岛素递送系统,即将聚乳糖(PLA)溶解在疏水性(苯甲酸苄酯)和亲水性(苯甲醇)溶剂混合物中制得原位形成凝胶制剂.其研究发现,通过控制溶剂系统的组成比例和聚合物浓度,可以容易地调节来自原位形成凝胶的胰岛素释放.而来自注射部位的组织样品的组织学研究显示,其初始轻度组织刺激反应,并且炎症反应随着植入时间而减少.基于空白和胰岛素加载系统之间的类似组织学观察发现,胰岛素本身不会从原位形成凝胶系统诱导额外的炎症反应,即具有一定的生物相容性.
研究表明,人体内胰岛素储存在锌基六聚体中,而锌基六聚体一旦分泌到血液中,就会分解成二聚体,最后分解成单体,即为胰岛素的活性形式.若在凝胶库中加入锌,则可以延长胰岛素的释放周期,并能保护其不折叠或误折叠,从而提高胰岛素的稳定性.比如,壳聚糖—锌—胰岛素复合物在热敏性三嵌段共聚物聚乳酸—聚乙二醇—聚乳酸(PLA-PEG-PLA)给药体系中,能维持胰岛素结构完整性、长期控制胰岛素释放.Oak等[28]通过生物相容性实验发现,皮下注射壳聚糖—锌—胰岛素复合物组在实验结束时,没有观察到慢性炎症或坏死的迹象.体内释放研究结果显示,壳聚糖—锌—胰岛素(45 IU/kg)复合物给药组血清胰岛素水平维持在40 μU/mL以上,70 d后才逐渐恢复到基线水平,与单独使用胰岛素相比有明显的缓释作用.高婷婷[29]对壳聚糖进行结构改造,使其在碱性条件下与1,2-环氧丁烷反应,从而生成羟丁基壳聚糖.然后以羟丁基壳聚糖制备温敏型载胰岛素水凝胶.羟丁基壳聚糖的细胞相容性和血液相容性均较好.体外释放显示,该水凝胶在48 h后,仍还有约一半的胰岛素未释放,具有良好的缓释作用.因此,该水凝胶具有良好的生物相容性,对胰岛素等蛋白多肽类药物有一定的缓释效果.
研究表明,葡萄糖响应胰岛素递送系统可以在血糖水平变化时自我调节胰岛素的释放,该系统通常由葡萄糖氧化酶和对酸碱度敏感的聚合凝胶组成.在此系统下,药物的释放原理是载体发生形变或被降解,破坏了体系的结构从而使包载的胰岛素释放,并且胰岛素载体的不同种类可使该系统具有不同的性能特点,适用范围更广[30].自组装短肽原位凝胶可用作蛋白药物载体,以自组装短肽RAD16-I为代表,在接触到磷酸盐缓冲溶液后能够迅速形成水凝胶,蛋白容易从中释放并表现出一定的控释作用,蛋白质类药物的结构完整性和活性得到了很好的保持[31].研究发现,由于红细胞生物相容性高、寿命长、内部容量大,对酸碱度敏感的自组装肽水凝胶可以响应环境酸碱度和高含水量的机械力进行可逆的自组装.基于红细胞的胰岛素递送系统的生物相容性好、对人体几乎无刺激、具有超快的葡萄糖响应性、高负载量等特点[32].基于葡萄糖感应元件的胰岛素递送系统,其感应元件包括葡萄糖氧化酶(GO)、凝集素蛋白(Con A)和苯基硼酸(PBA)衍生物.基于蛋白质的GO和Con A的临床应用经常受到其不稳定性、细胞毒性和免疫原性的阻碍.合成的PBA衍生物在水性环境中的葡萄糖响应性、耐久性和稳定性以及成本方面明显优于基于蛋白质的组分,使其成为葡萄糖调节的胰岛素递送系统的理想候选.特别是,基于PBA的聚合物水凝胶结合了PBA的理想特征和水凝胶的显著特征,这不仅可以智能地介导响应环境葡萄糖水平的胰岛素释放行为,而且能够通过使用微创方法来提供药物贮库以实现持久性治疗效果.目前,该技术已广泛用作葡萄糖调节胰岛素输送平台.
Xia等[33]以小鼠红细胞制备了基于红细胞的胰岛素递送系统,并考察了其体内外稳定性.先将红细胞从血样中离心出来,再用低渗透析法将胰岛素包封于红细胞中,不同的初始胰岛素浓度会影响在红细胞中的包封率.体外稳定性实验表明,9 h后仍有80%左右的胰岛素未被释放,说明该系统有一定的缓释作用.Zhao等[34]开发了一种邻苯二甲酸二辛酯(DOP)修饰的HA水凝胶,该水凝胶以PBA功能化的聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)微粒(表示为MP-凝胶)作为葡萄糖响应,且可注射和可生物降解的胰岛素递送系统.实验结果表明,MP-凝胶系统能够提供葡萄糖调节的胰岛素释放,具有高血糖反应率和正常血糖状态下的低渗漏.在单次皮下注射到STZ诱导的糖尿病小鼠中后,装载胰岛素的MP-凝胶可以在正常范围内达到准稳态血糖水平约2周.Li等[35]开发了一种新型的生物相容性葡萄糖响应胰岛素递送系统,该系统使用一种对酸碱度敏感的肽水凝胶作为负载葡萄糖氧化酶、过氧化氢酶和胰岛素的载体.该肽在生理条件下可以自组装成水凝胶,当遇到低血糖时,邻近的碱性氨基酸侧链由于葡萄糖向葡萄糖酸的酶促转化降低了局部酸碱度而被显著排斥.实验结果表明,该系统不仅能在体外调节血糖水平,而且能在STZ诱导的糖尿病小鼠模型中调节血糖水平.此外,一些学者通过对纳米粒材料的性质进一步的研究发现了一些独特的胰岛素输送系统,例如,Sun等[36]基于糖和苯基硼酸之间的硼酸酯键对pH条件敏感的性质设计了一种pH值控葡萄糖响应仿生胰岛素输送系统,实现自我调节的胰岛素输送从而控制胰岛素剂量,避免过量导致严重的低血糖.
与传统的胰岛素皮下注射剂相比,胰岛素缓控释制剂具有作用时间长、无需频繁给药、不良反应少和患者依从性高等优点.近年来,大量的研究致力于开发缓释时间更长的胰岛素微粒给药载体,其中脂质体、纳米粒和微球受到了科研人员的高度关注,并取得了一系列的进展.同时,原位凝胶作为一种新型的蛋白类药物缓释载体不断受到科研人员的关注.原位凝胶能在低温溶解,体温下则凝胶化,使胰岛素在皮下注射部位缓慢释放,由于其制备方便、工艺简单、生物相容性好等优点,已成为胰岛素制剂的一个研究热点.此外,部分科研人员致力于基于葡萄糖响应的胰岛素递送系统的研究,现已初见成效.但目前的胰岛素缓控释制剂仍面临稳定性低、胰岛素易降解和突释较大等问题.面对这些问题,需要对胰岛素的载体进行科学的筛选和设计,提高载体对胰岛素的保护作用,保证其稳定.更重要的是,必须深入研究胰岛素的突释机理,确保在用药整个过程中血糖维持在一个稳定的水平,从而减少药物的不良反应.