以天然多糖为基质构建口服蛋白质纳米粒子的研究进展

蔡泓滢,太敏瑞,李瑞,2*,宋兵兵,2,陈建平,2,刘晓菲,2,钟赛意,2

1(广东海洋大学 食品科技学院,广东省海洋生物制品工程实验室,广东省海洋食品工程技术研究中心,广东省水产品加工与安全重点实验室,广东省亚热带果蔬加工科技创新中心,广东 湛江,524088)2(海洋食品精深加工关键技术省部共建协同创新中心(大连工业大学),辽宁 大连,116034)

口服是摄入功能性物质最便捷的方式,也是具有活性的蛋白质和多肽最理想的吸收方式。虽然目前已经证明,口服蛋白质纳米递送载体可以被小肠吸收,但其较低的吸收率仍然是开发口服纳米载体的最大障碍。蛋白质在口服过程中需要克服数重屏障[1],才能到达体循环被有效吸收。第一个屏障是胃酸屏障:胃部的pH为1.2,在该条件下大部分蛋白质都会失活,且胃液中的蛋白质酶会分解蛋白质。第二个屏障是肠黏膜屏障:肠腔表面附着的黏液层,主要成分是高度糖基化的黏蛋白分子形成的凝胶网络,确保了肠黏膜屏障的结构稳定性,也阻止了异物入侵;有效的口服纳米粒子应能够穿透肠黏膜屏障,穿过肠上皮细胞,才能进入体循环。在多重屏障的阻碍下,口服蛋白质的生物利用度仅为1%～2%[2]。因此,构建口服蛋白质纳米粒子最重要的挑战是提高蛋白质的口服利用度。近几年,研究发现纳米递送载体如纳米粒子[3]、水凝胶[4]、乳液[5]、微胶囊[6]等对蛋白质具有保护作用,被用于蛋白质类物质的递送,并能有效提高蛋白质的生物利用度。

天然多糖是由糖苷键连接的单糖组成的碳水化合物,具有抗肿瘤、抗氧化、抗菌、降血糖等多种生物活性[7],在食品和制药行业中均得到了广泛应用。当多糖作为纳米粒子的壁材,它可以穿过内皮系统,在体循环中具有更高的稳定性[8]。此外,多糖中的羧基、羟基和氨基可增加其与细胞和组织间的黏附性,提高芯材在口服过程中的生物利用度[9]。学者们广泛探究了多糖作为纳米载体的可行性及提高口服大分子蛋白质生物利用度的效果[10],天然多糖因其无毒、化学结构可修饰、良好的生物相容性和生物降解性等性质,并与活细胞之间相互作用广泛,因此,其作为体循环和靶向治疗生物材料的原料具有独特优势[11-12]。本文主要综述了以天然多糖为基质制备纳米粒子的常用方法,影响口服蛋白质纳米载体稳定性的主要因素,制备口服蛋白质纳米载体常用的天然多糖及其独特优势。

1 以天然多糖为基质制备纳米粒子的常用方法

制备纳米粒子的方法有薄膜浇铸、浸涂、自组装、静电纺丝、逐层组装、聚电解质络合等[13],前2种方法常用于纳米复合膜的制备。下文将详细介绍制备口服纳米粒子常用的方法:自组装、逐层组装和静电纺丝等。

1.1 自组装

自组装是目前制备纳米粒子最常见的方法,是指某些分子、大分子或复合材料能够与自身结合形成三维网络或其他结构的形式,并通过相互作用力(如氢键、范德华力等)进行交联,该过程可以在分子或超分子水平上进行[14],常用的方法是化学交联法和聚电解质络合法。化学交联法多用于壳聚糖改性,即将疏水基团接枝到壳聚糖分子上,增加壳聚糖对亲脂性药物的获取能力,DU等[15]用N-三甲基壳聚糖(N-trimethyl-chitosan, TMC)作为载体,显著提高了山萘酚的血液滞留时间。聚电解质络合是将2种具有不同电荷的聚电解质溶液,通过离子相互作用,可以使电解质在不添加任何共价交联剂的情况下形成聚电解质化合物(polyelectrolyte complex,PEC),与化学交联化合物相比,PEC通常无毒、耐受性良好且具有生物相容性[16]。

1.2 逐层组装

逐层组装是一种用于制备纳米复合材料的独特构造方法。将2种不同的纳米材料交替堆叠在一起,得到纳米复合材料结构[17],ZHANG等[18]用阴离子羧甲基淀粉和季铵型阳离子淀粉作为载体,包载牛血清白蛋白制备纳米胶囊,该纳米胶囊能够靶向到结肠释放并有一定的作用效果。但逐层组装技术用于口服蛋白质纳米粒子的研究仍处于起步阶段,更常用于对脂质体的包载,并且在毒性以及高分散性等方面仍存在一定挑战。

1.3 离子凝胶法

离子凝胶法是利用聚阳离子壳聚糖和带负电离子之间的络合作用诱导并形成凝胶,常应用于单克隆抗体的递送。VONGCHAN等[19]制备了负载抑制肝细胞癌的单克隆抗体的三甲基壳聚糖和蛋白质形成纳米粒子,该纳米制剂可以进入细胞,并在癌细胞中保留更长的时间,能够潜在延长抗体的半衰期。

1.4 胶体组装法、共沉淀法

多糖可以与某些合成聚合物形成稳定的离子仿生纳米复合物,用肝素-Pluroinc偶联物包载聚丙交酯-乙交酯,改善了聚丙交酯-乙交酯的肿瘤靶向效率[20]。共沉淀是一种同时沉淀技术,纳米复合材料通过沉淀形成最终结构,在壳聚糖-赖氨酸体系中共沉淀伊曲康唑和壳聚糖,180 min时,伊曲康唑在角膜上的累积渗透率达到(5.22±0.20)%,为商业悬浮液的1.7倍[21]。

1.5 其他方法

在制备天然多糖纳米载体中,静电纺丝[22]、薄膜浇铸[23]、浸涂[24]也是常用的方法。静电纺丝是在高压场的作用,经过注射器挤出纳米材料复合溶液的过程[25], FARALLI等[26]制备了黄原壳聚糖纳米纤维,封装了姜黄素,证明该纳米纤维可用于胃肠道中水溶性差的化合物的口服递送应用,当黏液附着于静电纺丝制备的纳米纤维可以设计多种功能,如快速溶解特性、控释等作用,在黏膜递送存在较大优势,但静电纺丝用于递送时,存在技术规模小、载药量不稳定等限制。而薄膜浇铸、浸涂通常用于制备柔性纳米复合膜,以延长食品货架期,而在蛋白质递送方面的研究较少。

2 影响纳米粒子递送效果的因素

已知的口服蛋白质纳米粒子的吸收有3种途径,分别是肠道淋巴途径、跨细胞膜转运、细胞旁途径。肠道淋巴途径是让多肽和蛋白质物质通过胃肠壁直接进入淋巴管[27]。口服蛋白质纳米制剂通过该通路,直接将药物输送到腔静脉,避免了首过效应,避免了在肠黏膜和肝脏中代谢的过程,能有效提高生物利用度[28]。跨细胞膜转运是指纳米粒子被肠上皮层的肠细胞吸收,因此粒径较大的口服药物可以靶向到派伊尔结中,大于500 nm的口服药物微球更容易被派伊尔结中的M细胞吸收,随后通过跨膜运输进入体循环中[29],有效提高药物的生物利用度。细胞旁途径即纳米粒子从细胞间隙的紧密连接(tight junctions, TJs)穿过上皮细胞,进入体循环的途径,是被动扩散,也是亲水分子被吸收的唯一途径。因此,粒径和电位是影响纳米粒子稳定性和递送效果的2个重要因素。

2.1 粒径

对于口服蛋白质纳米粒子而言,粒径是非常重要的指标之一,并且会影响蛋白质的生物利用度,纳米载体的大小会影响M细胞和肠细胞对其的摄取,当纳米粒子粒径小于50 nm时可以通过肠细胞内吞优先转移,而M细胞优先在较小(20～100 nm)的粒径范围内运输颗粒。DESAI等[30]以聚苯乙烯为载体制备了不同粒径的牛血清白蛋白纳米粒子,发现当粒径小于100 nm时,吸收率较高,并且能够穿越肠上皮细胞,而粒径大于100 nm的主要位于小肠上皮层,不能被吸收,同时,小于500 nm的能够到达循环系统。SUN等[31]发现280 nm级别的环孢菌素A纳米悬浮液比522、2 976 nm的纳米悬液具有更高的生物利用度。但由于制备较小纳米级别的纳米悬浮液成本更高,在实际生产中,应考虑成本、效率、能源的消耗,确定一个最佳粒径范围。

2.2 电位

带正电的多糖(如壳聚糖)和带负电的黏蛋白的静电作用可导致强烈的黏膜吸附效果,能使纳米粒子接近小肠上皮细胞,增加摄入,由于小肠黏液层中带有负电荷,具备正电荷的纳米粒子更可能黏附在小肠黏液层,并延长纳米粒子在肠道的滞留时间。但阳离子纳米粒子和黏液层的相互作用会阻碍纳米粒子通过黏液层,从而影响纳米粒子的吸收[32]。带中性电荷的粒子最适合延长纳米粒子在体内的循环时间[33]。目前,常用聚乙二醇修饰纳米粒子的表面,提高其亲水性,并且使纳米粒子的表面电荷接近中性[34],SUSA等[35]发现,纳米粒子的电位绝对值大于10 mV时,会有明显的黏膜黏附性。

3 天然聚合物纳米递送载体的制备及应用

3.1 壳聚糖及其衍生物

3.1.1 以壳聚糖为载体制备口服蛋白质纳米粒子

壳聚糖(chitosan, CS)是甲壳素脱乙酰化的产物,由葡萄糖胺和N-乙酰葡糖胺连接构成的阳离子多糖,具有抗菌、抗炎及抗肿瘤等生物活性,其理化性质主要取决于甲壳素脱乙酰度、分子量和pH值,由于氨基葡萄糖单元的脱乙酰壳聚糖主链具有高密度的带电酰胺,壳聚糖表面带正电荷,能与在中性条件下携带负电荷的蛋白质和基因发生强烈的静电作用,同时也能与负电荷的黏蛋白层形成氢键和静电离子键[36],使壳聚糖纳米粒子能够稳定穿越肠道屏障[37]。SONAJE等[3]发现,壳聚糖能够诱导紧密连接蛋白中的闭合蛋白4(claudin-4)从细胞膜重新分布到胞质溶胶,从而减弱紧密连接,并可在短时间内增强细胞旁通透性。使用壳聚糖作为包载材料能够延长其在肠道的滞留时间,增加药物对膜的通透性。YAO等[38]用果胶和壳聚糖修饰牛乳铁蛋白,有效提高了口服牛乳铁蛋白在大鼠血液内的平均停留时间。体外释放是评价蛋白质类药物给药纳米制剂稳定性的常用方法。首先,将纳米粒子置于人工胃液(simulated gastric fluid, SGF)中孵育0～2 h,随后将纳米粒子转移到人工肠液(simulated intestinal fluid, SIF)中孵育6～12 h,测游离蛋白质含量,模拟纳米粒子在胃肠道中的释放情况,进而推断纳米粒子在体内的消化方式[39],得到的壳聚糖纳米粒子具有pH响应性,即酸性条件下稳定,碱性条件下释放。LING等[40]用海藻酸盐、钙离子和壳聚糖包裹绿色荧光蛋白形成的绿色荧光纳米液滴,得到的绿色荧光蛋白保留效率为(59.9±1.1)%,交联后的海藻酸钠/壳聚糖多磺酸粘多糖包裹绿色荧光蛋白的纳米粒子在模拟胃液中培养2 h后荧光能够逐渐恢复,在模拟肠液中2 h约70%纳米粒子(nano particle, NPs)可被释放,说明使用海藻酸盐、钙离子、壳聚糖包载的绿色荧光蛋白保证了其在胃液中白的稳定,通过实验发现绿色荧光蛋白能够在肠液中有效释放。由于氨基的质子化作用,壳聚糖在酸性条件会高度溶解,这说明壳聚糖在胃液的条件下时常不稳定。若以壳聚糖作为单纯的载体,制备的CS-NPs在人工胃液中可能会发生严重肿胀和离解,导致内部蛋白质的突然释放。但在小肠的碱性条件下,壳聚糖去质子化,去质子化后的CS变得不溶于水,会削弱聚合物网络并导致纳米颗粒的破损[41]。因此,单纯的壳聚糖不适合作为口服蛋白质的载体,为了克服壳聚糖载体的这个缺点,目前常采用化学交联或壳聚糖改性。

3.1.2 以壳聚糖衍生物为载体制备口服蛋白质纳米粒子

由于壳聚糖在碱性条件下溶解性差,会使纳米粒子无法稳定抵达目标位点,目前采用对壳聚糖改性的方法提高壳聚糖纳米载体的稳定性。N-三甲基壳聚糖(N-trimethyl-chitosan,TMC)是壳聚糖的伯胺基被碘代甲烷取代而成的产物,TMC有较好的溶解性,在pH 1～9内均能溶解,TMC引入了三甲基,使壳聚糖带有更多的正电荷,能显著促进其吸收,效果与其季氨化程度成正比。当pH>6时,壳聚糖的溶解性较差,多用于酸性环境纳米粒子的构建,而使用TMC构建纳米粒子能减少pH对其溶解性影响的问题[42]。除了TMC,常见的壳聚糖衍生物还有邻苯二甲酸壳聚糖、硫醇化壳聚糖、十二烷基琥珀酰壳聚糖等[42]。通过壳聚糖改性,HE等[43]开发出一种由羧化壳聚糖接枝纳米颗粒和双层薄膜包裹钙绿素的复合载体,该羧化壳聚糖接枝纳米载体(carboxylated chitosan grafted nanoparticles, CCGN)具有海藻酸盐-Ca2+黏附层和疏水背衬层。体外模拟释放时,CCGN在模拟胃液环境的酸性介质中的释放量受到限制,在模拟肠液环境的中性培养基中,在30 min内达到了100%的释放量,说明CCGN或许能够有效实现口服的有效递送。LI等[44]合成了一种具有抗蛋白水解能力的口服细胞程序性死亡-配体1(programmed cell death 1 ligand 1, PD-L1)结合肽(oral pd-l1 binding peptide 1, OPBP-1),它可以阻断免疫PD-1/PD-L1细胞蛋白的过表达,从而抑制肿瘤生长,有作为癌症免疫治疗的潜在作用。用TMC负载OPBP-1形成水凝胶,该水凝胶呈现高度多孔结构,有利于OPBP-1在水凝胶内封装,能保护封装的OPBP-1免受蛋白酶的降解,同时,在缓冲液的作用下,多孔结构能够提高OPBP-1从水凝胶中释放出来的效率。

3.2 以海藻酸钠为载体制备口服蛋白质纳米粒子

海藻酸是一种天然多糖,由甘露糖醛酸(mannuronic acid, M)和古洛糖醛酸(guluronic acid, G)结合而成,高甘露糖醛酸海藻酸盐纤维具有更好的胶凝能力,高古洛糖醛酸海藻酸盐通过静电纺丝形成的纳米纤维膜具有纤维薄和高孔隙率的特点,并且这2种单体的比例会对海藻酸与金属离子的结合能力有一定的影响[45]。钠离子是海藻酸盐常结合的一种离子,古洛糖醛酸残基通过钠离子交换可与二价离子交联,形成凝胶,并将目标物质包裹在内部,结合后的海藻酸钠具有良好的生物降解性、生物相容性、低毒性和控释效果良好等特点,在制备营养素或药物释放载体方面中应用广泛。通过离子凝胶法或聚电解质络合法制备了多种海藻酸钠纳米粒子,除了使用纳米技术外,还探索了具有pH响应性的复合水凝胶等微粒[46]。

海藻酸钠与壳聚糖质子化行为不同,它在碱性环境下可溶,在酸性环境中不溶解,酸性条件下形成多孔、不溶性酸基质,能够保护药物免收胃肠道的损伤,但是在中性、碱性条件下时,海藻酸钠基质转化为可溶性黏性层,导致聚合物分解和化合物的释放[46-47]。因此,海藻酸钠纳米粒子在SIF中的释放曲线更快,可能是因为中性或碱性的条件下,海藻酸钠网络被侵蚀[47],PARK等[48]从蛋清中提取的溶酶体在胃中低pH条件的影响下,抗菌活性显著降低,通过制备海藻酸盐-溶酶体复合物,将水解时间延长至2 h,有效提高了该复合物在酸性条件下的稳定性。但海藻酸钠纳米粒子存在机械强度低、膜密度不均匀等问题,使膜变性,导致药物泄露。因此,目前采用制备PEC的方法制备海藻酸钠-子蛋白质纳米制剂,以提高稳定性、减少给药后的快速破裂。CHEN等[49]开发了一种新型pH敏感口服胰岛素PEC,该PEC由2种已经负载胰岛素的纳米粒子,CS-NPs和海藻酸钠NPs通过静电相互作用制备而成。CS上游离的氨基(—NH3+)和海藻酸钠上游离羧基(—COO-)之间静电吸引是PEC形成的主要作用力,形成的PEC能够提高胰岛素的稳定性,不受胃液和胃蛋白酶的影响[16]。用透射电镜(transmission electron microscope,TEM)观察到PEC在不同pH条件下的形态,在pH为1.2时PEC结构破损,交联结构有明显差异,在pH为6.8和7.4时呈现不规则圆形状,该纳米粒子有利于pH敏感性的纳米载体的研制。

3.3 以淀粉为载体制备口服蛋白质纳米粒子

淀粉在自然界分布广泛,并具有价格低廉、生物相容性好、易获取、无毒、高稳定性等特点。不管是直链淀粉还是支链淀粉,均含有大量羟基基团,具有强大的吸水性。但作为口服制剂,淀粉容易被上消化道中的如唾液淀粉酶等多种淀粉酶水解,若将其作为口服药物载体,必须将大小为微米级别的淀粉颗粒改性成为纳米级别的淀粉颗粒,提高稳定性[50]。对比其他载体材料,淀粉纳米颗粒最终降解产物为H2O和CO2,可以通过循环系统排出体外,在体内无残留,安全性较高。贝伐单抗是一种人源化单克隆抗体IgG1,能够有效抑制肿瘤血管生长,但无法通过口服吸收。DE DLIVEIRA等[51]通过结冷胶和逆行淀粉包载了贝伐珠单抗,有效提高贝伐珠单抗的缔合效率,并保证其稳定性。姬娜[52]通过自组装的方法,以短直链淀粉作为主要基材、玉米醇溶蛋白和壳聚糖作为辅助基材,包载胰岛素。糖尿病大鼠口服实验表明,当短直链淀粉-胰岛素纳米复合物剂量为100 IU/kg时,生物利用度为4.59%,在8 h内血糖无明显波动,表明此载体具有长时降血糖效果,但由于制备的淀粉颗粒为混合物,无法明确具体相互作用的方式。因此,淀粉作为纳米载体的作用机制需进一步探究。

3.4 以右旋糖酐为载体制备口服蛋白质纳米粒子

右旋糖酐是由葡萄糖为单糖组成,由糖苷键连接而成的同型多糖,具有较好的水溶性、生物相容性和生物降解性。在纳米递送系统中发挥重要作用,如,SONG等[53]用右旋糖酐-低分子量鱼精蛋白-聚乳酸-羟基乙酸共聚物制备包封艾塞那肽的纳米粒子,该纳米粒子能够促进黏液屏障的渗透,通过蛋白转导域介导细胞易位,此外,口服艾塞那肽纳米粒子的相对生物利用度为8.4%,对2型糖尿病小鼠有显著降血糖作用。

3.5 以果胶为载体制备口服蛋白质纳米粒子

果胶是一种广泛存在于植物细胞壁的多糖,果胶可分为2种类型,即低甲氧基果胶和高甲氧基果胶[54]。在纳米粒子的运输中,果胶也得到了广泛的关注。由于果胶属于可溶性膳食纤维,直到结肠处才会被微生物降解,因此果胶也是结肠靶向给药的理想载体[54]。β-乳球蛋白是一种乳清蛋白,有抵抗胃蛋白酶以及易与疏水配体结合等特点,使其具有运输结肠癌药物的潜力[55]。将β-乳球蛋白-果胶纳米粒子设计用于将新合成的抗癌铂络合物转移到结肠[56],模拟胃肠道条件下,该络合物在酸性条件下稳定,在pH 7下释放其产物。

4 天然多糖作为口服蛋白质递送系统的优势

4.1 高黏附能力

多糖,如壳聚糖[15]、淀粉[57]、海藻酸钠[48]等都具有黏膜黏附特性,黏附特性能有效延长纳米粒子在肠道的滞留时间,从而提高生物利用度。逆行淀粉形成的纳米粒子在pH 1.2和6.8的表达中显示了较弱的相互作用,说明该多糖不会显著影响黏液的流变学和屏障特性,该纳米粒子形成的弱相互作用,不会轻易受到吐温20等阻滞剂的影响,可以成为黏膜黏附递送系统发展方向[57]。

4.2 克服肠道屏障的能力

由于带负电的黏蛋白和聚合物正电荷的相互作用,壳聚糖能够提高肠上皮细胞通透性。此外,壳聚糖可以螯合TJs中的Ca2+,同时下调claudin-4蛋白[3]。然而,到目前为止,尚没有证明完整的纳米结构在正常生理条件下能通过细胞旁途径突破肠道屏障的研究。

4.3 用于结肠靶向用药

壳聚糖[58]、果胶[59]、海藻酸钠[60]、右旋糖酐[61]均有结肠靶向运输的报道,但对壳聚糖、果胶的研究较为深入。壳聚糖在酸性条件下的溶解性,保证了壳聚糖在胃部环境的稳定性,并能够被丰富的结肠微生物群降解[58],用壳聚糖胶囊和羧甲基纤维素分别包载5-氨基水杨酸治疗患结肠炎的大鼠,通过盲肠内容物分析,壳聚糖胶囊释放的5-氨基水杨酸含量显著上升,说明该体系具有结肠靶向的潜力[62]。果胶在上消化道保持完整,并几乎能够完全被结肠菌群降解,因此能用于结肠特异性药物输送。姜黄素被证明具有抗癌作用的药物,成功配制了柑橘果胶包载的姜黄素,在结肠培养基上显示了高黏膜黏附性,在胃时黏附性最小,pH 1.2时,约有18%姜黄素释放,在24 h内在盲肠培养基释放高达68%,说明该纳米粒子具有作为口服靶向治疗结肠癌制剂的应用潜力[59]。

5 结语

本文主要概述了天然多糖类物质用于制备口服大分子蛋白质类物质纳米递送载体及其应用。天然多糖因其无毒和生物可降解性、化学结构的可修饰性以及可形成具有不同机械性能和结构的基质,并能在生物分子与基质结合后保持生物活性的能力,因此在过去十几年中被广泛用来开发生物疗法给药系统,用于营养物质的递送。而在口服大分子蛋白质类物质递送方面,使用单一多糖作为载体通常无法达到口服控释的效果,需要对多糖进行更精确的化学修饰,或将其与其他天然或合成聚合物结合,以改善递送载体的总体结构行为,如机械性能或降解行为,并在分子和纳米水平上调节与生物活性剂的相互作用,以进一步提高大分子蛋白质类物质的口服生物利用度。同时,到目前,大部分的口服蛋白质纳米制剂的研究主要仍处于实验室阶段,未能够进行商业化,天然多糖主要缺点包括机械强度低、稳定性差、水化速率不受控制以及存在杂质,因此,必须严格控制天然多糖的质量稳定性,为后续多糖载体商业化提供研究基础。