壳聚糖纳米粒子在药物递送系统中的应用进展

潘 超,王晓峰

(哈尔滨医科大学附属第二医院 口腔颌面外科,黑龙江 哈尔滨,150000)

近年来，纳米材料已然成为生物医学领域的研究热点，基于纳米技术产生的纳米药物递送系统在提高药物利用度方面显示出卓越的潜力。纳米药物递送系统在改善药物稳定性[1],提高药物细胞摄取能力[2],实现药物控释[3]或靶向给药[4]等方面具有良好的应用价值。常见的纳米药物载体有脂质体、纳米胶束以及纳米粒子等，隶属于天然高分子纳米材料的壳聚糖，由于来源广泛，安全性好、无免疫原性，良好的生物相容性和生物可降解性以及带有游离氨基便于修饰，成为最具代表性的药物载体之一。但是，壳聚糖只在酸性溶液中溶解，在中性溶液和碱性溶液中不溶，形成的纳米粒子稳定性差，大大限制了一些药物的包埋效率，同时壳聚糖降解速率缓慢且不可控制[5]。因此，为保证壳聚糖纳米材料能够被安全应用于实践中，临床需对壳聚糖进行结构改造，如水溶性壳聚糖衍生物、接枝类壳聚糖衍生物、两亲性壳聚糖衍生物等[6]，还需明确其在体内的吸收、分布、排泄状况及生物相容性、毒性。现将近年来壳聚糖纳米粒子在药物递送系统中的应用情况以及壳聚糖的药物代谢动力学、生物相容性和毒性综述如下，旨在为后续壳聚糖类药物载体系统的研究提供思路。

1 壳聚糖类纳米粒子在药物递送系统中的应用

1.1 壳聚糖纳米粒子递药系统的易修饰性

甲壳素是一种分布广泛的天然高分子物质，是自然界中产量仅次于纤维素的第2大可再生资源。壳聚糖是甲壳素的高脱乙酰化产物。壳聚糖类材料中应用最广泛的是两亲性壳聚糖衍生物(壳聚糖中同时含有亲水基团和亲油基团的聚合物，亲油部分在疏水、静电、氢键等作用下相互聚集，形成胶束内核，而亲水部分则形成胶束的亲水外壳)，这种核-壳结构材料的组织渗透性及体内稳定性好，是加载药物的理想载体。

将壳聚糖进行羧酸化、磺酸化、乙二醇化等，引入亲水基团，可改善壳聚糖的水溶性，同时通过成酰胺或成醚反应，引入亲油基团，这种两亲性壳聚糖衍生物纳米载药体系已被广泛应用于药物递送系统中并取得了良好效果[7-8]。QU D等[9]设计并合成了一种茴香酰胺共轭的N-辛基-N,O-马来酰-O-磷酰两亲性壳聚糖(a-OMPC),具有pH响应释放和对sigma-1受体过度表达的肿瘤有高亲和力的特点，可用于紫杉醇(PTX)递送。这种两亲性壳聚糖衍生物在靶向前列腺癌的药物递送系统中具有广阔的应用前景。DE OLIVEIRA PEDRO R等[10]合成的2-氯-N，N-二乙基乙胺盐酸盐(DEAE)修饰的两亲性壳聚糖与槲皮素在控制MCF-7细胞活力方面显示出协同作用，这种壳聚糖衍生物可用作癌症治疗的优良纳米载体。LIU Q等[11]设计了2种基于羧甲基壳聚糖(CMC)的pH响应两亲性壳聚糖衍生物,N-2-羟丙基-3-丁基醚-O-羧甲基壳聚糖(HBCC)和N-2-羟丙基-3-(2-乙基己基缩水甘油醚)-O-羧甲基壳聚糖(H2ECC)，其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌显示出良好的抗菌活性。

1.2 壳聚糖纳米粒子递药系统能增强药物的稳定性

多肽蛋白质药物可在体内被酶轻易降解，渗透性和稳定性差，且半衰期短。但是壳聚糖纳米粒子可以很好地保护蛋白质，促进药物与生物膜之间的接触，从而提高生物利用度[12]。ZHANG N等[13]设计了由-环糊精(-cd)、环氧氯丙烷(EP)和氯化胆碱(CC)经一步缩聚合成的阳离子-环糊精聚合物(CPbetaCDs)与胰岛素形成海藻酸盐/壳聚糖纳米颗粒体系。由于胰岛素与CPbetaCDs之间的静电吸引，以及其聚合链的辅助作用,CPbetaCDs可以在模拟胃肠道条件下有效保护胰岛素。模拟肠液中胰岛素的累积释放量(40%)明显高于未加CPbetaCDs的肠液(18%),这是因为胰岛素主要保留在纳米颗粒的核心，且在模拟胃液中有良好的降解保护。RGD肽是一种全身抗血管生成肽药物，在体内的半衰期较短，易被肾脏清除，因此治疗效果不明显。KIM J H等[14]制备了经5-胆酸(HGC)疏水改性的自组装的乙二醇壳聚糖纳米颗粒，该结构作为RGD肽的一个延长和持续的药物传递系统，可延长RGD肽的释放时间，持续1周。同时,RGD肽很容易被包裹到HGC纳米颗粒中(生成RGD-HGC纳米颗粒)，且具有较高的负载效率(>85%)。黄芪多糖(APS)是从中药黄芪中提取的有效成分，是一种免疫促进剂或免疫调节剂，还具有抗氧化、抗衰老、抗癌、抗病毒等多种作用，但其分子过大且带负电荷，故口服生物利用度较低。LAI M等[15]设计合成以脱氧胆酸为疏水基，维生素B12为亲水基的两亲性壳聚糖衍生物(VB12-DA-Chit)用于递送黄芪多糖，该聚合物具有正电性(+16 mV),可以通过静电作用包载负电性的黄芪多糖，提升其稳定性及生物利用度。

1.3 壳聚糖纳米粒子递药系统能控制药物的释放

壳聚糖分子链上有羟基和氨基2种活泼的反应基团，可通过酯化、酰化、醚化、羧基化、醛化、水解等各种反应进行修饰改性，使其具备缓释、控释或靶向功能。YU X等[16]设计了一种两亲性的西替利嗪-壳聚糖聚合物(CTZ-CSs),形成的CTZ-CSs自组装形成纳米载体，再通过物理作用包载西替利嗪。这种纳米递药系统在溶菌酶的存在下实现了药物释放的爆发性和持续性，在前6 h爆发性释放，然后在溶菌酶的存在下释放速度明显减慢，可持续释放72 h。该递药系统不仅可以迅速缓解症状，而且具备缓释功能，可延长作用时间，使得治疗效果大大改善。WU M等[17]以脱氧胆酸为疏水基，磷脂酰胆碱(PC)为亲水基合成生物可降解的两亲性壳聚糖衍生物(DCA-PCCS),以牛血清白蛋白(BSA)为模型蛋白通过溶剂蒸发法形成纳米复合物(BSA/DCA-PCCs)。BSA的载药量达到15.6%,在前12 h约有45%的BSA被迅速释放，随后缓慢释放，累积释放时间长达72 h,表明BSA/DCA-PCC纳米复合物具有一阶指数衰减动力学的缓释行为。JANG E H等[18]以四硝基氯甲酸苄酯和叶酸为原料，经疏水改性后合成的乙二醇壳聚糖纳米颗粒(HRGF),可在低氧条件下特异性释放药物。由于其结构在低氧条件下被硝化还原酶(NTR)裂解，因此具有肿瘤靶向性，并且能够以依赖于NTR的方式释放药物。与未加叶酸的乙二醇壳聚糖纳米颗粒相比,HRGF具有更好的体内肿瘤靶向性。体外药物释放谱显示，负载阿霉素(DOX)的HRGF在缺氧条件下比未添加叶酸修饰的乙二醇壳聚糖纳米颗粒释放更快。

1.4 壳聚糖纳米粒子递药系统可提高药物的细胞摄取能力

药物向细胞内部的转运是药物发挥疗效的关键步骤，然而需要克服细胞膜的亲脂性和耐药性等难题。壳聚糖纳米粒子与细胞表面的蛋白多糖非特异性静电结合，以及壳聚糖的配体与细胞膜表面的受体之间相互作用，能显著提高壳聚糖递药系统的细胞摄取及跨膜转运能力。HUANG P等[19]制备了透明质酸(HA)接枝聚己内酯(PCL)的多功能聚电解质壳聚糖纳米粒(HA-g-PCL NPs),细胞摄取研究表明HA-g-PCL NPs通过受体介导的内吞作用进入癌细胞(EC109),而正常成纤维细胞(NIH3T3)很少吸收，克服了亲脂性抗癌药物水溶性差、胃肠道微环境和体循环障碍等缺点，在提高亲脂性抗癌药物口服给药效率方面具有很大的潜力。WANG T等[20]设计了HA枝接壳聚糖(CS NPs)包载5-氟尿嘧啶(5-Fu)作用于高表达CD44的肿瘤细胞的纳米递药系统(HA-CS NPs),并发现RhB标记的HA-CS NPs发出的强烈红色荧光出现在高表达CD44的A549细胞的细胞质中，表明HA-CS NPs在CD44高表达的肿瘤细胞中有效促进了5-Fu的聚集。为了进一步阐明由HA和CD44相互作用介导的HA-CS NPs的内在化过程，WANG T等[20]使用游离HA作为CD44受体的竞争性抑制剂对细胞进行预共孵育，以研究NPs的竞争性细胞摄取机制。结果显示，HA-CS NPs培养A549细胞后，细胞内部可观察到强烈的红色荧光。但向培养基中添加2 mg/mL的游离HA后，细胞内荧光强度显著降低，而纳米颗粒(NP)吸收被显著抑制。由此表明,HA-CS NPs选择性结合CD44受体并加速NPs内在化进入细胞。存在于培养基中的游离HA已与HA-CS NPs竞争结合到细胞表面的CD44受体，从而导致受体饱和并阻止NP进入细胞。相比之下，添加HA对CD44低表达的HepG2细胞中HA-CS NPs的内在化没有明显影响。该实验[20]证明了HA-CS NPs能通过靶向给药来提高肿瘤细胞对药物的摄取能力，进而提高药物的抗肿瘤效率。MANSOURI A等[21]设计了一种聚丙交酯-乙交酯(PLGA)和CD8AP17s适体(Apt)修饰的包载他克莫司(TAC)的壳聚糖靶向递送平台(TAC-PLGA-CS-Apt),采用MOLT-4细胞作为CD8阳性和JURKAT细胞作为CD阴性来研究体外递送系统的功效。结果显示,TAC-PLGA-CS-Apt增加了MOLT-4细胞(靶标)中TAC的细胞摄取，同时降低了其在JURKAT细胞(非靶标)中的细胞毒性，表明TAC-PLGA-CS-Apt可有效地将TAC作为细胞毒性T细胞的模型递送至MOLT-4细胞，并可认为是TAC递送的潜在递送平台。

2 壳聚糖纳米粒子的药物代谢动力学

2.1 壳聚糖纳米粒子在体内的分布和吸收

目前关于壳聚糖纳米粒子的体内分布方面的研究较少，壳聚糖纳米粒子的生物分布与其分子量大小和脱乙酰度有关。壳聚糖纳米粒子的代谢动力学和生物分布由壳聚糖聚合物的分子量和表面电荷来控制[22]。SUZUKI Y S等[23]制备了螯合holum-166的壳聚糖聚合物(具有放射性)，通过静脉途径(尾静脉)对小鼠注射72 h后,4.2%的鼠的尿液和4.8%的鼠的粪便中检测到放射性物质，而胴体中检出率达90.6%。BANERJEE T等[24]制备了99mTc标记的戊二醛壳聚糖纳米颗粒(<100 nm),静脉注射于瑞士白化小鼠体内,1 h后仍能在小鼠血液内检测到放射性物质。RICHARDSON S C等[25]用放射性物质125I标记了3种分子量(<5 kDa、5～10 kDa和>10 kDa)的壳聚糖，在5 min和1 h时对雄性Wistar大鼠的壳聚糖生物分布进行评估，发现壳聚糖分子量越大，在血液中停留时间越短，而壳聚糖在肝脏中的积累量随分子量的增加而增加。GUPTA A K[26]也观察到超过200 nm的壳聚糖纳米粒子更容易被脾脏和肝脏吸收。BANERJEE T等[24]和ZHANG C等[27]研究发现，壳聚糖还能分布在胃部。此外,ZHANG C等[27]荧光标记的改性壳聚糖还分布在肾脏中。

总之，壳聚糖纳米粒子的体内分布情况与其分子量大小密切相关，分子量越大，其在肾脏及肝脏的密集度越高。放射标记和荧光标记已被普遍用于研究壳聚糖及其衍生物在静脉给药后的生物分布，这种标记有助于评估生物分布，但不能保证评估的准确性，因此在后续的研究中仍需开发更完善的生物分析技术来进行评估。

2.2 壳聚糖纳米粒子在体内的排泄

经不同途径给药后，壳聚糖主要通过尿液和粪便排出。MINGMING Y等[28]以异硫氰酸荧光素为原料，合成了荧光素标记的PS916(PS916-FTC)。PS916是壳聚糖衍生物，目前正作为一种抗动脉粥样硬化药物进行临床试验。MINGMING Y等[28]对大鼠静脉注射PS916-FTC或口服给药,72 h内收集血浆、尿液、粪便和组织标本，发现PS916-FTC静脉给药后尿路为主要排泄途径(54.4%),粪路为次要排泄途径(6.29%),而PS916-FTC口服给药后粪路为主要排泄途径(79.0%)。JIANG L Q等[29]研究发现，除肾尿排泄途径外，肝胆排泄途径是壳聚糖纳米粒子的主要排泄途径。

3 壳聚糖纳米粒子的生物相容性及毒性研究

壳聚糖纳米粒子在化学、生物工程、疾病检测和药物输送等诸多领域已成为一种重要的载体或工具，故临床还需对其生物相容性及毒性进行深入研究。壳聚糖纳米粒子表面的阳离子基团(或电荷)的增加，电荷与聚合物之间紧密程度的增加以及某些季铵盐壳聚糖衍生物烷基链长度的增加，会导致细胞毒性的增加[30]。KEAN T等[31]研究证明，三甲基壳聚糖(季铵盐壳聚糖)的三甲基化程度越高，电荷密度越大，毒性越大。SCHIPPER N G等[32]描述了不同乙酰化度和分子量的壳聚糖对细胞毒性的影响，在高脱乙酰度情况下，毒性与壳聚糖的分子量和浓度呈正相关，在低脱乙酰度下，毒性很低且与壳聚糖分子量的相关性不大。目前的研究普遍认为壳聚糖纳米粒子是一种无毒的高分子材料，也是一种安全的药物递送系统的载体。PEREIRA L A等[33]制备了一种乙酰丙酮与乙二胺(Cacen)或二乙基三胺(Cacdien)联合头孢他啶(F)的改性壳聚糖，并进行体外溶血细胞毒性试验，结果表明细胞溶血指数随时间延长逐渐下降，溶血率低(<5%)且与血浆有良好亲和力，具有良好的生物相容性。THAI H等[34]通过离子凝胶法制备了藻酸盐修饰的负载洛伐他汀的壳聚糖纳米粒子(ACL),在急性毒性试验中,ACL对小鼠的毒性足够低，洛伐他汀的LD50高于5 000 μg/kg,而在亚慢性毒性试验中，以100 μmg/kg和300 μmg/kg的ACL纳米粒子进行治疗时，小鼠的关键器官未出现异常的结构和功能变化。由此表明,ACL纳米粒子在小鼠中是安全的，这种壳聚糖纳米粒子可用作新的药物载体。

4 总 结

壳聚糖纳米粒子为载体的药物递送系统，在提高药物稳定性、控制药物释放、提高细胞对药物的摄取能力方面展现出了巨大潜力。壳聚糖纳米粒子很容易进行表面修饰，可保护蛋白质类药物避免其过早地在体内降解，提高药物利用度;对壳聚糖纳米粒子上的氨基或羟基基团进行修饰改性，实现药物的精准释放;与细胞表面相互作用，显著提高了药物的细胞摄取能力及跨膜转运能力。但目前临床关于壳聚糖纳米粒子的生物学效应和安全性的相关研究尚较少，还需深入探讨壳聚糖纳米粒子的体内分布和吸收、排泄等过程，而壳聚糖修饰后细胞毒性增大的矛盾也需加以解决。随着壳聚糖纳米粒子研究的日益深入，其在药物递送系统方面的应用前景必将更为广阔。