葡萄糖敏感性给药系统的研究进展

庄忠宝，邹 芳

(1 河北北方学院药学系，河北 张家口 075000；2 河北北方学院附属第一医院呼吸内科，河北 张家口 075000)

目前临床上糖尿病的治疗多为胰岛素注射方式，该治疗方法存在着如患者顺应性差等缺陷，口服给药虽然能在一定程度上得以改善，但同时造成低血糖等不良反应，所以国内外研究者们致力于开发基于糖尿病理特点的智能给药系统。该系统可以根据体内血糖浓度的变化调节药物释放，提高生物利用度。本文综述了载有葡萄糖氧化酶、刀豆蛋白A和苯硼酸体系三种葡萄糖敏感性给药系统的研究进展。

1 载有葡萄糖氧化酶体系

葡萄糖氧化酶(Glycose Oxidase，GOD)是一种外源性酶，在该体系中应用最多。载有GOD体系的原理是将GOD与pH敏感性药物载体(如水凝胶、纳米粒子和大分子聚合物等)组装，当机体中的葡萄糖渗透进入体系中时，GOD催化葡萄糖转化为葡萄糖酸，此时微环境pH降低，导致pH敏感性药物载体溶胀或皱缩，从而释放药物。

1.1 水凝胶

水凝胶能对其外部环境刺激(如温度、电场强度、离子强度、光等)做出响应，从而引发自身三维网络结构发生改变的聚合物[1]。pH敏感性水凝胶能够感应微环境pH的变化而做出响应，对于载有聚阳离子水凝胶而言，支链带有大量的氨基，当pH降低时，氨基质子化，此时由于分子内和分子间静电排斥导致水凝胶溶胀，药物释放。Podual等[2]以二甲基丙烯酸4-乙二醇酯作为交联剂，用甲基丙烯酸二乙基氨酯、聚甲基丙烯酸乙二醇酯和活化的GOD在溶液中通过共聚作用制备葡萄糖敏感性水凝胶。随着溶液体系中葡萄糖浓度升高，水凝胶溶胀程度越大，且具有脉冲行为。然而对于载有聚阴离子水凝胶而言，则药物释放机制不同。Hassan等[3]将甲基丙烯酸(methacrylic acid，MAAC)与聚乙二醇单甲基丙烯酸酯在GOD下聚合。MAAC的羧基在高pH下发生解离，导致水凝胶溶胀释放药物，或在低pH下收缩将药物挤出。

由于水凝胶本身响应时间长等缺陷，导致药物释放较慢。解决方法：(1)清除催化过程中产生的副产物过氧化氢以提高GOD活性利用率。Kang等[4]将GOD与过氧化氢酶(Catalase，CAT)进行共价偶联，CAT能够催化H2O2，此过程产生的氧气可以被GOD催化过程利用，该水凝胶表现为无滞后性溶胀。(2)减小水凝胶尺寸增加响应性，Gu等[5]制备的微米级葡萄糖敏感性微凝胶能够在微环境体系中血糖浓度高时迅速膨胀释放药物，血糖浓度低时又回到原来状态，可作为自控阀系统控制血糖浓度。(3)接枝阳离子侧链增加响应性[6]。具有高Zeta电位的水凝胶阳离子基团之间形成的静态排斥会削弱阳离子壳聚糖水凝胶(HTCC)分子内和分子间的氢键，在弱酸性环境中水凝胶变得更加疏松。Zou等[7]成功制备了不同取代程度的新型葡萄糖敏感性HTCC控释系统。研究结果表明，随着HTCC取代程度的增加，水凝胶的溶胀比率及pH敏感性增加。在较小的pH范围内(pH 6.8～7.4)显示出不同的敏感性。

此外，Li等[8-9]运用多种数字化模型模拟了GOD、CAT以及与酶反应同步相关的多重物理量对葡萄糖敏感性的影响，并成功计算出葡萄糖敏感性水凝胶多重物理量的最优数值。

1.2 微 囊

微囊作为一种可注射型自我调控给药系统，能根据体内血糖浓度的变化调节药物的释放速率。Chu等[10]通过界面聚合法制备带有多孔膜的聚酰胺微囊，应用离子接枝孔隙填充聚合法将聚丙烯酸(polyacrylic acid，PAAC)链接枝于微囊膜的孔上，通过碳化二亚胺法固定GOD于PAAC接枝的微囊中。模型药物从组装微囊中释放的速率与微环境中的葡萄糖浓度相关。此外，所制备的PAAC接枝及GOD固定的微胶囊显示出了可逆释放性的特征。

1.3 组装膜

由于水凝胶体系响应时间较长，导致药物释放滞后，因此具有响应时间短等优点的葡萄糖敏感性薄膜载药系统逐渐发展起来。该体系的原理是将GOD、CAT涂布于无机粒子表面的pH敏感性薄膜中，当体系处于葡萄糖环境中时，葡萄糖被氧化成葡萄糖酸，体系微环境的pH降低，导致酶多层外壳膨胀，随后药物从多孔系统中释放出来。Zhao等[11]将酶多层镀膜涂于多孔二氧化硅粒(mesoporous silica particles，MSPs)中构建葡萄糖敏感性给药系统。该多孔、多层MSPs可作为药物储层，而与戊二醛相互交联的酶多层镀膜则作为一种对葡萄糖浓度敏感的阀去控制胰岛素释放。Claudia R等[12]制备了类似于健康人胰腺的葡萄糖敏感性无机纳米复合物薄膜。该薄膜是通过聚(N-异丙基丙烯酰胺-共聚-甲基丙烯酸)纳米颗粒和与GOD和CAT偶联的牛血清白蛋白(BSA)-二氧化锰(MnO2)纳米粒子相互交联而制备的。MnO2纳米粒子的使用不仅加强了膜机械强度，也提高了酶的长时程活性。Chen等[13]用层层组装的方法制备葡萄糖敏感性的多层薄膜，研究发现胰岛素、GOD和带正电荷的小形聚合物加入的顺序能明显影响葡萄糖敏感性释药行为。仅仅通过重排构成单元的组装顺序，体外胰岛素的释放能够被调整为线性释放，从17天延长至36天。此后Chen等[14]将多层薄膜皮下注入于糖尿病家兔体内，该薄膜能够持续不断的释放胰岛素，正常血糖浓度至少维持两周。

2 载有刀豆蛋白A体系

2.1 水凝胶

刀豆蛋白A(Concanavalin A，ConA)是一种外源性植物凝集素，能结合寡糖，其中与葡萄糖有四个结合位点。该系统的原理是将ConA与糖基化胰岛素结合并包载于载药骨架中，当葡萄糖进入体系时，葡萄糖竞争结合ConA置换出糖基化胰岛素，药物释放出体系外。Zhang等[15]用羧甲基葡聚糖通过碳化亚二胺法交联葡萄糖键连的ConA制备水凝胶薄膜，该水凝胶薄膜具有细胞毒性低和其渗透率对外部体系中葡萄糖浓度的改变具有响应性和可逆性的优点。除此之外，Sahota等[16]制备出基于葡萄聚糖和ConA的光聚合丙烯酸衍生物在一个稳定的复合黏度和温度下超过700天不变性，在50 kDa透析袋中超过500天不降解。

但ConA本身水溶性差及不稳定，因此Kim等[17]试图用聚乙二醇(PEG)修饰ConA，结果发现，PEG化ConA水溶性增加、长时间稳定以及响应时间短。此外，Kim等[18]又检测了三种不同胰岛素载药递送系统：扩散控制储层、扩散控制基质和溶蚀控制基质系统的响应性。结果显示，胰岛素通过扩散控制储层和扩散控制骨架均能根据葡萄糖浓度的变化释放，而溶蚀系统则不能。

Yin等[19]通过反相乳化交联法制备基于葡聚糖衍生物和ConA微凝胶，其粒径小于5微米，研究发现，甲基丙烯酸葡萄聚糖衍生物的取代程度会影响微凝胶的释放速率和表面突释，且高取代的葡萄聚糖衍生物会抑制微凝胶对葡萄糖的敏感性。之后Yin等[20]制备了基于京龙尼平交联ConA和GEA-壳聚糖构成的葡萄糖敏感性微凝胶，其脉冲释药行为超过8个周期。为进一步提高微凝胶的敏感性，Yin[21]进一步制备了ConA和N-(2-(二甲氨基)乙基-甲基丙烯酰胺)(DMAEMA)阳离子基团结合的葡萄糖、pH双重敏感性微凝胶。体外释放验证了该微凝胶能够很快的响应体系中葡萄糖和pH微小的变化。

2.2 复合微粒

复合微粒是一种粒径小及制备方法简单的药物载体，因其响应时间短、释药速率快以及高载药量的特点，具有广泛的应用前景。Yin等[22]制备了基于壳聚糖、ConA和葡萄聚糖的葡萄糖敏感性复合微粒。研究发现，该多层微粒平均粒径为2.5 μm，以球形形状单独的存在，载药量为9.1%，包封率高达92.2%。药物释放结果显示，微粒对葡萄糖浓度变化具有敏感性及可逆，所释放的胰岛素依然保持活性。

3 载有苯硼酸体系

基于苯硼酸(Phenylboronic Acid，PBA)体系葡萄糖敏感性给药系统的原理为PBA及其衍生物与二羟基化合物生成复合物，当葡萄糖进入体系中时，通过竞争结合PBA生成更稳定的化合物，此时载药骨架膨胀而释放药物。

3.1 水凝胶

3.1.1 宏观凝胶

Xu等[23]合成了一系列基于PBA体系的带有不同糖链长度(C2-C11)低分子量水凝胶。随着链长度增加到C11时，胶凝能力增加，但对葡萄糖的敏感能力逐渐降低。Nurpeissova等[24]通过聚乙烯醇与4-巯基苯硼酸在氧化的水溶液中(pH>9)制备新型氧化还原及葡萄糖敏感性水凝胶，研究显示其在L-谷胱甘肽及D-葡萄糖溶液中降解速率快。

人体是一个复杂的机体，体内各种因素都会影响药物释放行为。Wang等[25]将甲基丙烯酸(2-二甲基氨基)乙基酯(DMAEMA)聚合3-丙烯酰胺苯硼酸(AAPBA)制备的水凝胶，其释药行为很大程度上受缓冲液温度、pH和葡萄糖浓度影响。Huang等[26]制备的聚(3-丙烯酰胺苯硼酸-共聚(2-二甲基氨基)乙基甲基丙烯酸酯)/(β-环糊精-环氧氯丙烷)半互穿型水凝胶的平衡溶胀率受溶胀体系中的pH、温度、离子强度和葡萄糖浓度的影响。

3.1.2 微观凝胶

由于水凝胶本身对外界刺激响应时间长及滞留性的缺点，应用性不高。可通过减小水凝胶的粒径以提高其对葡萄糖的敏感程度，因此葡萄糖敏感性微观凝胶被广泛研究。Zhao等[27]制备了一种基于PBA的葡萄糖敏感性聚肽纳米水凝胶，该水凝胶随着磷酸盐缓冲液中葡萄糖浓度的增加，胰岛素释放速率加快，而且具有良好的生物相容性。

然而很多因素影响药物释放行为，微凝胶会随着葡萄糖浓度的增加表现出溶胀或皱缩相反的释药行为[28]。Hoare等[29]研究发现，微凝胶的pH、PBA接枝密度以及微凝胶中阴、阳离子功能化基团的相对浓度会影响这种相反的释药行为。Tang等[30]研究结果表明，当葡萄糖与葡萄糖-苯硼酸络合物比例为1∶2时，葡萄糖浓度的增加微凝胶单调性皱缩。

此外，研究者们致力于开发更加灵敏的多重响应性载药微凝胶，研究发现，温度、葡萄糖双重敏感性微凝胶在室温下葡萄糖加入前处于塌陷状态，葡萄糖加入后，变得亲水而膨胀[31-32]，可作为葡萄糖传感器根据荧光强度检测葡萄糖浓度[33]。此外，Zhang等[34]制备的葡萄糖、pH和温度三重敏感性微凝胶具有高载药量及体内可降解性，生理条件下稳定性更高。

3.2 载体微粒

葡萄糖敏感性微粒是新型药物递送载体之一，具有粒径小、类球形分布、载药量大及快速响应性的特点，因此被国内外学者大量的研究[35]。研究发现[36-37]，基于PBA的两亲性、不规则糖聚合物自组装纳米粒子(NPs)能够以单独的球形粒子形式很好的分散，具有一定的葡萄糖敏感性和生物相容性。此外，Ma等[38]通过层层组装技术制备了葡萄糖敏感性聚合物微粒。通过监测光散射强度和胶束溶液的荧光(ARS)的方法研究络合微粒的葡萄糖敏感性。结果显表明，络合微粒相比于简单微粒葡萄糖敏感性强，且随着复合物中P(AA-co-AGA)数量的降低，络合微粒对葡萄糖的敏感性增加。

3.3 薄 膜

Ding等[39]将聚乙烯吡咯烷酮和聚丙烯酸与1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐和乙二胺相互交联通过层层组装技术制备了刺激敏感性薄膜，该薄膜呈现出pH和温敏性溶胀行为。当葡萄糖存在时，薄膜的溶胀性增强，释药速率加快。

3.4 传感器

Zhang等[40]设计了超薄膜快速灵敏性水凝胶传感器，该水凝胶薄膜比通常使用的水凝胶传感器薄两倍，其不仅对葡萄糖敏感，而且能够对葡萄糖进行持续监测。Li等[41]合成的聚(丙烯酰胺-3-丙烯酰胺基硼酸)(PAA-ran-PAAPBA)葡萄糖传感器能够在生理pH条件下探测葡萄糖，因此该装置很有潜力成为于皮下组织不间断检测葡萄糖浓度的监测器。

4 结 语

葡萄糖敏感性给药系统能够根据体内血糖浓度的变化调节药物释放，减少低血糖等不良反应，提高患者的顺应性。尽管该系统应用前景光明，但仍然存在许多不足，如系统响应较慢，回复初始状态时间长；GOD活性利用率低，ConA和PBA也能识别果糖和半乳糖；外源性物质引起体内免疫反应等。相信随着人们不断的深入研究，葡萄糖敏感性给药系统取得重大突破，能早日应用于临床。