依托泊苷纳米混合胶束的制备及其理化性质

2021-09-09 22:37张欣欣许洁蒋岩赵丽艳张万明
河北科技大学学报 2021年4期
关键词:药量粒径水化

张欣欣 许洁 蒋岩 赵丽艳 张万明

摘 要:為提高依托泊苷制剂的水溶性和稳定性,采用星点设计-效应面法优化依托泊苷纳米混合胶束(ETP mPEG-PLA/P123)的处方工艺。在单因素试验基础上,以投药量、mPEG-PLA所占质量比和水化体积为自变量,以依托泊苷包封率、载药量以及粒径为因变量,进行3因素5水平的星点设计-效应面法实验,采用荧光探针法测定临界胶束浓度(CMC),并对所制备的胶束制剂进行理化性质和释放行为的评估。结果表明,ETP mPEG-PLA/P123胶束制剂的最优处方工艺如下:mPEG-PLA与P123质量比为38∶62,投药量为5 mg,水化体积为6 mL;采用最优处方制得的混合胶束的包封率为87.4%,载药量为4.19%,粒径为115.6 nm,PDI为0.216,Zeta电位为-16.3 mV;荧光探针法测定的CMC值为1.7×10-3 g/L,mPEG-PLA/P123胶束稳定性良好;体外释放实验中,依托泊苷可从胶束中缓慢而持续地释放,在48 h内释放量可达80%。采用优化处方制得的ETP mPEG-PLA/P123纳米混合胶束,能显著增加依托泊苷的溶解度,胶束制剂稳定性好,且有一定的缓释作用,可为进一步拓宽依托泊苷新型制剂的应用范围提供理论依据。

关键词:药剂学;依托泊苷;P123;胶束;UPLC;薄膜水化法;星点设计-效应面法

中图分类号:TQ460.7;R961   文献标识码:A

doi:10.7535/hbkd.2021yx04009

收稿日期:2021-04-13;修回日期:2021-05-09;责任编辑:张士莹

基金项目:国家自然科学基金(81274005);河北省教育厅高校基本科研业务费(JYT2020002);河北省卫生健康委科研基金(20180812)

第一作者简介:张欣欣(1994—),女,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事药物分析、药剂学方面的研究。

通讯作者:张万明教授。E-mail: 429269523@qq.com

张欣欣,许洁,蒋岩,等.依托泊苷纳米混合胶束的制备及其理化性质[J].河北科技大学学报,2021,42(4):389-399.ZHANG Xinxin, XU Jie, JIANG Yan, et al.Preparation and evaluation of physicochemical properties of etoposide nano-mixed micelles[J].Journal of Hebei University of Science and Technology,2021,42(4):389-399.

Preparation and evaluation of physicochemical properties of etoposide nano-mixed micelles

ZHANG Xinxin1,XU Jie1,JIANG Yan1,ZHAO Liyan1,2,ZHANG Wanming1,2

(1.School of Pharmacy,Hebei North University,Zhangjiakou,Hebei 075000,China;2.Hebei Key Laboratory of Neuropharmacology,Zhangjiakou,Hebei 075000,China)

Abstract:In order to enhance the aqueous solubility and stability of etoposide preparation,the central composite design-response surface method was used to optimize the prescription technology of etoposide nano-mixed micelles (ETP mPEG-PLA/P123).Based on the results of single factor test,central composite design-response surface method of three factors and five levels was carried out to optimize the prescription technology with drug dosage,the mass ratio of mPEG-PLA and hydration volume as independent variables,and the entrapment efficiency,drug loading and particle size as dependent variables.The critical micelle concentration (CMC) was determined by fluorescence probe method,and the physicochemical properties and release behavior of the prepared micelle preparations were evaluated.The results showed that the optimal prescription of ETP mPEG-PLA/P123 micelle preparation was that mPEG-PLA∶P123=38∶62,the drug dosage was 5 mg,and the hydration volume was 6 mL.After optimization,the  entrapment efficiency and drug loading were 87.4% and 4.19%,the particle size was 115.6 nm,PDI was 0.216,and Zeta potential was -16.3 mV.The CMC value was 1.7×10-3 g/L,so mPEG-PLA/P123 micelles had high stability.In vitro release experiments,etoposide could be released from micelles slowly and continuously,up to 80% within 48 h.The optimized ETP mPEG-PLA/P123 nano-mixed micelles were able to enormously improve the aqueous solubility of etoposide,and the micelle preparation had good stability and a certain slow-release effect.The results of this study could provide theoretical guidance for further broadening the range of application of new etoposide preparations.

Keywords:

pharmaceutics;etoposide;P123;micelles;UPLC;thin film hydration method;central composite design-response surface method

鬼臼毒素是从小蘖科鬼臼属植物华鬼臼的根和茎中提取的木脂类抗肿瘤成分。由鬼臼毒素結构改造而得的衍生物依托泊苷(etoposide,ETP)作为一种临床常用化疗药物,对于肺癌、白血病、淋巴瘤、睾丸肿瘤、神经母细胞瘤等多种恶性肿瘤均有治疗作用[1]。研究发现,依托泊苷能与拓扑异构酶Ⅱ结合,形成牢固的药-酶-DNA复合物,阻碍TopoⅡ对DNA的修复[2-3]。然而,依托泊苷在临床应用中存在水溶性差(153 mg/L)、易代谢失活、生物利用度低以及剂量限制性血液毒性等问题[4-5]。此外,市售的依托泊苷注射液中添加的辅料如无水乙醇、苯乙醇、聚山梨酯80等,也可能引发机体的超敏反应[6]。因此,构建依托泊苷新型给药系统,对增加依托泊苷的溶解性、提高其生物利用度和靶向缓释特性具有重要意义。

胶束制剂可以改变活性物质原有的药代动力学和生物分布,在提高药效、降低药物毒性方面具有独特优势[7-11]。近年来,国内外科研人员在对依托泊苷的研究中发现其胶束制剂的抗肿瘤作用明显优于依托泊苷注射液,但对胶束本身的稳定性和载药量仍有待深入研究。本研究以普郎尼克P123和甲氧基聚乙二醇-聚乳酸(mPEG-PLA)共同作为载体材料制备负载ETP的混合胶束制剂。普朗尼克P123是由亲水性的聚氧乙烯嵌段和疏水性的聚氧丙烯嵌段构成的两亲性共聚物,具有安全、易降解、无免疫原性、良好生物相容性[12]、免于被肝脏和肾脏清除和高载药[13]性能等优点。甲氧基聚乙二醇-聚乳酸中的聚乙二醇能提供胶束微粒间的空间位阻[14],提高纳米载药体系的稳定性。聚乳酸(PLA)因水分子间的排斥作用,促使疏水链间相互吸引而缔合,为脂溶性药物提供疏水内腔,提高胶束的载药量和稳定性。

本研究采用薄膜水化法制备依托泊苷纳米混合胶束,通过单因素考察与星点设计-效应面法优化处方,建立mPEG-PLA/P123比例、投药量和水化体积3个因素对胶束包封率、载药量和粒径的函数关系,并对制备的新型胶束制剂进行粒径、电位、临界胶束浓度等理化性质的评估,以及差示扫描量热分析和释放行为考察,为进一步研究依托泊苷新型制剂的应用提供理论依据。

1 实验材料

1.1 主要仪器

ACQUITY UPLC色谱仪,PDA检测器,Empower3.0化学工作站(美国Waters公司提供);Standby sartorius ME/SE系列微量电子天平(赛多利斯科学仪器有限公司提供);HJ-4D数显恒温测速磁力加热搅拌器(金坛市友联仪器研究所提供);GAOKE旋转蒸发仪(巩义市英峪高科仪器厂提供);SHZ-D(Ⅲ)循环水式真空泵(巩义市予华仪器有限责任公司提供);DZF-6020型真空干燥箱(宁波市江南仪器厂提供);JPCQ1028型数控超声波清洗机(武汉嘉鹏电子科技有限公司提供);SHA-B水浴恒温振荡器(国旺仪器公司提供);Milli-Q纯水系统(美国Millipore公司提供);Lab Tech UV2100紫外-可见分光光度仪(北京莱伯泰科有限公司提供);HH-S6数显恒温水浴锅(金坛市金南仪器制造有限公司提供);ZETASIZER Nano series纳米粒度电位仪(英国马尔文仪器有限公司提供);HITACHI F-700荧光光谱仪(日立公司提供);ZNCL-TS加热套(巩义市英裕仪器公司提供);RC8CD溶出仪,RZQ-8D取样收集系统(天大天发公司提供);DSC1差示扫描量热仪(瑞士梅特勒托利多公司提供)。

1.2 试药

依托泊苷(批号为EC220094,质量分数为98%),安耐吉化学试剂有限公司提供;P123(批号为MKBQ0305V),Sigma公司提供;甲氧基聚乙二醇-聚乳酸(济南岱罡生物科技有限公司提供);乙腈,色谱纯,天津市大茂化学试剂厂提供;甲醇、丙酮、无水乙醇,均为分析纯;水为超纯水。

2 方法与结果

2.1 ETP mPEG-PLA/P123的制备

采用薄膜水化法制备负载依托泊苷的mPEG-PLA/P123共聚物胶束。将一定量的mPEG-PLA,P123和ETP溶解于适量甲醇中,搅拌至溶解(1 000 r/min,15 min)。使用旋转真空蒸发器至甲醇完全蒸发并形成干燥药膜,之后真空干燥过夜以除去残留的有机溶剂。再加入适量超纯水,超声处理,于50 ℃恒温振荡1 h后,通过0.45 μm滤膜过滤,除去未包封的药物和共聚物的聚集体,得到ETP胶束制剂。

2.2 色谱条件

Waters BEH C18 色谱柱(100 mm×2.1 mm,1.7 μm),检测波长为284 nm(ETP),流动相为乙腈/水(二者体积比为50∶50),体积流量为0.3 mL/min,柱温为35 ℃,进样量为1 μL。

2.2.1 专属性试验

以“2.2”项下色谱条件分别对mPEG-PLA/P123空白胶束溶液和ETP mPEG-PLA/P123载药胶束溶液进样。结果如图1所示,在284 nm波长下,辅料对依托泊苷的含量测定无干扰。

2.2.2 线性关系考察

精密称取10 mg依托泊苷,放入10 mL容量瓶中,乙腈定容,制得质量浓度为1 000 μg/mL的依托泊苷储备液。将质量浓度依次稀释至80,40,20,10,5 μg/mL,进样。以样品质量浓度为横坐标,峰面积为纵坐标作图,得到线性回归方程为y=2.029 9x+2.109,R2=0.999 9。在5~80 μg/mL范围内,依托泊苷的线性关系良好。

2.3 ETP载药量和包封率的测定

精密吸取0.2 mL ETP mPEG-PLA/P123胶束溶液,放入10 mL容量瓶中,用乙腈稀释至刻度,摇匀,即为所得供试品溶液。按“2.2”项下色谱条件进样,将所得峰面积带入线性方程,根据稀释倍数计算ETP mPEG-PLA/P123胶束溶液中ETP的含量。

ETP载药量=胶束中ETP含量/(胶束中ETP含量+載体材料总量)×100%,

ETP包封率=胶束中ETP含量/ETP的投药量×100%。

2.4 单因素考察

2.4.1 投药量

固定载体材料mPEG-PLA和P123各50 mg,有机溶剂为甲醇,水化体积4 mL,其他条件与2.1项下一致,考察投药量为2,4,6,8,10 mg时对胶束包封率、载药量和粒径的影响,结果见表1。

由表1可知,随着投药量的增加,包封率和粒径均呈下降趋势,载药量则先升高后降低。故对投药量项进行后续星点设计-效应面法分析。

2.4.2 mPEG-PLA所占质量比

固定载体材料(mPEG-PLA与 P123)总量为100 mg,投药量为4 mg,其他条件不变,考察mPEG-PLA占载体材料总量为0.2,0.3,0.5,0.7和0.8时,对胶束包封率、载药量和粒径的影响,结果见表2。

由表2可知,随着mPEG-PLA占比的增加,包封率和载药量先降再升,而粒径呈现先升后降的趋势。因此,将mPEG-PLA与P123的比例作为后续处方优化考察因素之一。

2.4.3 有机溶剂种类

固定载体材料m(mPEG-PLA)∶m(P123)=3∶7 (30 mg∶70 mg),投药量为4 mg,其他条件不变,考察有机溶剂分别为甲醇、乙腈和丙酮时对胶束包封率、载药量和粒径的影响,结果见表3。

由表3可知,有机溶剂的改变,对包封率、载药量和粒径均无显著影响。由于丙酮挥发性和毒性较强,乙腈沸点较高,故本实验选取甲醇作为有机溶剂。

2.4.4 超声时间

固定载体材料m(mPEG-PLA)∶m(P123)=3∶7 (30 mg∶70 mg),投药量为4 mg,有机溶剂为甲醇,其他条件不变,考察超声时间为5,10,20,30,60 min时,对胶束包封率、载药量和粒径的影响,结果见表4。

由表4可知,随着超声时间的增加,仅粒径略有下降,当超声时间达到10 min后,粒径基本不变。故选取10 min为本实验的超声时间。

2.4.5 水化体积

固定载体材料m(mPEG-PLA)∶m(P123)=3∶7 (30 mg∶70 mg),投药量为4 mg,有机溶剂为甲醇,超声时间为10 min,其他条件不变,考察水化体积为2,4,6,8,10 mL时,对胶束包封率、载药量和粒径的影响,结果见表5。

由表5可知,随着水化体积的增加,会导致胶束粒径减小,而包封率和载药量则呈先升后降的趋势。因此,将水化体积作为后续处方优化考察因素之一。

2.5 星点设计-效应面法优化处方

在单因素考察基础上,通过星点设计-效应面法优化ETP mPEG-PLA/P123胶束。以投药量(X1)、mPEG-PLA占比(X2)和水化体积(X3)作为3个自变量,建立对依托泊苷纳米胶束包封率(Y1)、载药量(Y2)和粒径(Y3)的函数关系。利用Design Expert 10 (32-bit) 软件进行3因素5水平的CCD中心组合实验设计,各因素的取值范围如下:投药量2~10 mg,mPEG-PLA占比0.3~0.7,水相体积2~10 mL。各水平取值见表6,实验安排及结果见表7。

根据Design Expert 10 (32-bit) 软件对各因素及指标进行多元线性及二项式拟合,确定最优处方参数。统计结果显示,二次多项式回归模型是描述各因素与指标关系的最佳模型,数学模型如下:

Y1=71.78-22.98X1-2.98X2+0.39X3+0.25X1X2+2.70X1X3-

0.90X2X3-4.78X21+2.43X22-3.88X23(r2=0.980 0,P<0.01);

Y2=4.13+0.11X1-0.16X2+0.06X3-0.05X1X2+0.16X1X3-

0.03X2X3-0.73X21+0.10X22-0.24X23(r2=0.969 3,P<0.01);

Y3=116.80-7.01X1+2.07X2+3.04X3+0.77X1X2-0.45X1X3-

0.45X2X3+2.17X21-0.41X22+0.21X23(r2= 0.884 2,P<0.01)。

方差分析见表8—表10。

由表8—表10可知,各模型P<0.000 1,表明以上二次多项式方程的显著性极高,也显示了独立变量X1,X2和X3对因变量Y1,Y2和Y3 的影响;失拟项均大于0.05,说明各回归方程与其实验结果拟合度良好,使用二项式数学模型预测的实验数据结果可取。

根据二项式拟合方程绘制因素对各指标影响趋势的三维效应面与等高线图,描述各独立变量(投药量、mPEG-PLA占比、水化体积)对因变量(包封率、载药量和粒径)响应的影响,结果如图2所示。

2.6 最优处方的验证试验

为获得最大的包封率、载药量及最小粒径,使用Design-Expert软件评估了独立变量对响应影响的显著性,使用响应面图确定了制备胶束的最佳条件。最优处方:m(mPEG-PLA)∶m(P123)=38∶62,投药量为5 mg,水化体积为6 mL。预测此条件下胶束的包封率为86.05%,载药量为4.21%,粒径为118.05 nm。根据最佳条件将预测值与最新制备的3批ETP mPEG-PLA/P123胶束的实验值进行比较,以证明该模型的适用性,结果见表11。

由表11可知,该胶束实际的平均包封率为87.4%,平均载药量为4.19%,粒径为116.6 nm,该方法的实验值与预测值的绝对值均小于5%。结果表明,该数学模型预测的实验数据结果可取。

3 ETP mPEG-PLA/P123混合胶束制剂理化性质

3.1 胶束粒径及Zeta电位

利用Zetasizer粒度仪测定ETP mPEG-PLA/P123胶束的粒径和Zeta电位。将2.1项下胶束溶液用超纯水适当稀释,滤膜过滤,测定其电位和粒径(d),结果见图3和图4。

由图3和图4可知,ETP mPEG-PLA/P123胶束粒径分布均一,平均粒径为115.6 nm,PDI为0.216,Zeta电位为-16.3 mV。

3.2 临界胶束浓度

在室温下,使用芘作为荧光探针,通过荧光分光光度计,测定mPEG-PLA/P123混合胶束的临界胶束浓度(CMC)。 将适量芘溶解在丙酮中,然后分别加入到9个10 mL容量瓶中,并在氮气下蒸发丙酮。将以超纯水稀释的质量浓度分别为6.4×10,3.2×102,1.6×103,8×103,4×104,2×105,1×106,5×106,2.5×107 μg/mL的空白胶束溶液加入上述容量瓶中,稀释至刻度,

使混合胶束溶液中芘的最终浓度保持在5×10-7 mol/L。将所得溶液于45 ℃恒温振荡2 h,冷却到室温过夜平衡。采用荧光分光光度计测定各浓度溶液中芘的荧光激发光谱,发射波长为390 nm,激发波长的范围为300~360 nm,发射波长和激发波长的狭缝宽度均为5 nm,记录337.2 nm和334.8 nm处的荧光强度I337.2和I334.8。以I337.2和I334.8的强度比与聚合物浓度(c)的对数作图,CMC值为拐点处曲线的切线与低浓度点上水平切线的交点,结果见图5。由图5可知,mPEG-PLA/P123空白胶束的CMC为2.5×10-3 g/L,该临界胶束质量浓度与mPEG-PLA(1.7×10-3 g/L)相近,低于P123(CMC为5×10-2 g/L)。因此,在体内稀释条件下,mPEG-PLA/P123混合胶束具有更高的稳定性和保证胶束完整性的能力。

3.3 热性能

采用差示扫描量热仪测定天然依托泊苷、mPEG-PLA/P123空白胶束、依托泊苷和mPEG-PLA/P123的物理混合物以及ETP mPEG-PLA/P123载药胶束的热性能,以空标准铝坩埚为空白对照。温度扫描设定为40~200 ℃,速度为20 ℃/min,结果见图6。

图6中,a—d分别为天然依托泊苷、mPEG-PLA/P123空白膠束、ETP mPEG-PLA/P123载药胶束以及依托泊苷和mPEG-PLA/P123的物理混合物的热分析图。

由图6可知,天然依托泊苷在189 ℃时出现放热峰,此为依托泊苷的特征峰;在空白胶束中,58 ℃处出现一个放热峰,当其与依托泊苷物理混合后,在58 ℃和185 ℃处出现两者的叠加峰,说明依托泊苷以晶体形式存在;在载药胶束中,未发现依托泊苷的特征峰,表明胶束内部的依托泊苷可能处于分散的无定形或无序结晶相形式。

3.4 体外释放行为

采用动态透析袋法研究依托泊苷在不同制剂中的体外释放行为。将依托泊苷注射液、依托泊苷原料药溶液以及负载依托泊苷的胶束溶液置于透析袋(截留Mw=3 500)中,然后放入200 mL释放介质(含有0.5%十二烷基硫酸钠的磷酸盐缓冲溶液)中,恒温保持在(37±0.5)℃,并以100 r/min搅拌。分别于1,3,5,7,9,12,24,36,48 h时收集样品2 mL ,并以同等体积空白释放介质替换,最后通过UPLC测定释放的ETP浓度,计算累计释放率。释放曲线如图7所示。

由图7可以看出,在1~5 h内,依托泊苷注射液和原料药溶液释放速率较快,在7 h已达到释放末期,累计释放率均在80%以上;与之相比,依托泊苷胶束溶液释放缓慢,此时释放率仅为30%左右;当释放时间为48 h时,胶束制剂中依托泊苷的最大释放率达到82%,因此ETP mPEG-PLA/P123胶束制剂符合缓释制剂的特点。

4 结 论

1)临界胶束浓度(CMC)是衡量两亲性聚合物胶束性能的主要指标之一,反映了胶束制剂的稀释稳定性。CMC值越小,形成胶束的聚合物所需浓度越低,胶束的结构也更稳定。一般而言,与混合胶束相比,单一聚合物形成的胶束受其链段限制,常出现载药量较低和稳定性较差等问题。本实验成功制备了以P123和mPEG-PLA为载体的依托泊苷纳米混合胶束。普朗尼克P123是一种结构简单、安全性高的多功能药用辅料,以P123自组装形成的胶束,具有较高的包封率和载药量[15],但其稳定性较差,且随保存时间的延长,粒径变大、PDI增加。而mPEG-PLA的加入显著增强了该胶束的稳定性[16]。实验结果表明,该混合胶束的临界胶束质量浓度(2.5×10-3 g/L)与mPEG-PLA(1.7×10-3 g/L)相近,低于P123(CMC为5×10-2 g/L),表明与P123相比,mPEG-PLA/P123混合胶束具有更高的自身稳定性、完整性和抗稀释能力。

2)载药胶束制剂的释放采用动态透析袋法。为满足漏槽条件,选择磷酸盐缓冲液(pH值为7.4,0.5%十二烷基硫酸钠)为释放介质考察依托泊苷聚合物胶束的体外释放特性。由于依托泊苷在PBS水溶液中的溶解度极低,为了使释放介质中药物浓度远低于其饱和浓度[17](即维持漏槽条件),采用添加表面活性剂的方法提高药物的溶解度。药物释放实验中常用的释放介质包括磷酸盐(PBS)缓冲溶液[18-19]、含Tween 80的PBS溶液[20-21]以及含十二烷基硫酸钠(SDS)的PBS溶液[22]等。实验结果表明,依托泊苷在以上3种释放介质中的溶解度分别为0.36,1,2.5 mg/mL。本实验选用含SDS的磷酸盐缓冲溶液研究疏水药物依托泊苷的释放行为。相较于传统制剂,ETP mPEG-PLA/P123胶束在7 h内的释放率仅为30%。因此,该胶束制剂具有显著的缓释作用,可延长依托泊苷的血液循环时间,维持血药浓度,增加药物在肿瘤细胞中的累积率。

3)本研究以P123和mPEG-PLA共同作为载体材料,采用薄膜水化法制备了负载ETP的纳米混合胶束制剂,通过单因素考察与星点设计-效应面法优化处方,对制备的新型胶束制剂进行了理化性质评估。研究结果表明,以mPEG-PLA/P123为载体材料制备的ETP胶束制剂,在水溶性、安全性、缓释性、稳定性和载药量等方面均具有显著优势,是一种极具应用前景的纳米制剂。

今后,关于ETP mPEG-PLA/P123纳米胶束制剂的药代动力学、组织分布以及抗肿瘤活性与机制方面还有待作进一步的研究。

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