目的 改善天然药物的水溶性及将其转运入脑的效率,构建可负载难溶性药物的乳铁蛋白修饰的纳米凝胶滴丸剂并探究制备工艺,为神经退行性疾病的药物开发提供参考。
方法 以难溶性药物淫羊藿苷为负载药物,利用反相微乳法制备乳铁蛋白修饰的海藻酸锌纳米凝胶,采用HPLC法测定纳米凝胶中淫羊藿苷的载药率和包封率。以圆整度、丸重差异和溶散时限为评价指标,采用单因素和Box-Behnken响应面法优选滴丸的最佳制备工艺,并采用傅里叶变换红外光谱分析表征,转篮法探究滴丸中纳米凝胶的释放行为,荧光示踪法比较滴丸药物舌下含服和口服的入脑效率。
结果 HPLC法测得纳米凝胶的载药率为(2.67±0.05)%,包封率为(84.74±0.03)%。乳铁蛋白修饰的纳米凝胶滴丸的最佳制备工艺为:基质与纳米凝胶的比例5 ∶ 1,滴距5.5 cm,冷凝温度8.5 ℃。以修饰物乳铁蛋白为标志物,纳米凝胶体外累积释放率达到92.25%。荧光示踪研究表明,与口服给药相比,滴丸通过舌下给药时,能更快、更有效地协助药物穿过血脑屏障进入脑内,提升了制剂将药物转运入脑的效率。
结论 所制备的乳铁蛋白修饰的纳米凝胶可作为难溶性药物的负载平台,改善药物水溶性,进一步制备成滴丸剂舌下含服后极大提升了药物转运入脑的效率,提高了神经退行性患者的用药依从性,满足了临床用药需求。
神经退行性疾病是一类以神经元退化或死亡而引起的神经系统疾病,常见的疾病主要包括阿尔茨海默症、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和亨廷顿舞蹈症等。随着人口老龄化的加剧,目前神经退行性疾病已成为继心血管疾病、癌症与脑卒中以外的第四大疾病,不仅严重影响了患者的生命健康,而且造成了极大的医疗和经济负担[1-2]。
现有的治疗药物多以合成药物为主,存在不良反应大、靶向性差和长期使用药效减退等诸多问题。天然药物因其出色的神经保护、抗氧化和抗炎优势受到了广泛关注,被视为神经退行性疾病的潜在治疗手段。然而,活性强的天然药物多存在水溶性差及生物利用度低的缺点,因此,限制了天然药物的临床应用。选择合适的药物载体对于难溶性药物的递送至关重要,海藻酸钠是一种阴离子的亲水性多糖,可与二价金属阳离子(Ca2+、Zn2+等)交联发生凝胶化,由于具备良好的生物相容性和低毒性常将其用于设计药物递送的载体,海藻酸盐纳米制剂在脑部释药系统中也取得了良好的进展[3-4]。
此外,血脑屏障(blood brain barrier,BBB)是影响药物进入中枢神经系统的主要障碍,提高药物的转运入脑效率是治疗神经退行性疾病的关键[5-6]。目前促进药物穿过BBB入脑的策略主要有脑室注射等侵入性给药法;超声干扰增强BBB的通透性;增加分子脂溶性的药物化学策略;配体-受体相互作用的智能递送策略[7]。然而,脑室内注射给药可造成患者颅内损伤和感染[8];同时,BBB干扰给药也可破坏脑内稳态[9-11]。
利用配体-受体介导的胞吞作用来改善药物跨BBB的转运是一种很有前途的非侵入性入脑方式[12]。研究发现,脑微血管内细胞壁上存在转铁蛋白(transferrin,TF)受体、乳铁蛋白(lactoferrin,LF)受体和胰岛素受体等特异性受体[13]。其中,LF属于TF家族,参与铁离子的转运,还具有抗菌、抗氧化和调节免疫系统等药理活性[14]。研究表明,将这些可与受体结合的配体修饰于药物载体,有助于促使药物载体通过配体-受体介导的胞吞转运作用穿过BBB进入脑内,从而有效提升药物的生物利用度[15]。
目前,大多数研究主要采用静脉给药的方式来考察LF修饰药物载体对神经退行性疾病的治疗效果[14],鉴于患者临床治疗的实际意义,本研究将纳米凝胶释药系统进一步制成滴丸,采用舌下含服的方式进行给药。舌下经由口腔黏膜丰富的毛细血管吸收,随后经颈内静脉进入全身循环,从而避免药物被胃酸或消化酶破坏的风险,同时也规避了肝脏的首过效应[16]。由于制备工艺简单、携带方便、质量稳定且易控制,药物的生物利用度高等,滴丸在临床的应用较为广泛[17-18]。
本试验以难溶性药物淫羊藿苷为负载药物,为提高其水溶性,设计了海藻酸锌纳米凝胶释药系统,以LF修饰释药体系并制备滴丸剂(LF-SA-NGDP@ICAR),探究其制备工艺,最后研究滴丸经舌下含服后的入脑效率,为神经退行性疾病的治疗提供一种新的途径。
1 材料
1.1 主要仪器
ME204型电子分析天平[梅特勒托利多仪器(上海)有限公司] ;JT1003D型分析天平(上海力辰邦西仪器科技有限公司);QL-901型涡旋振荡器[其林贝尔仪器制造(海门)有限公司] ;RWD 50型顶置式电动搅拌器(上海高致精密仪器有限公司);BT100-2J型蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司);VaCo 5-80冷冻干燥机(ZIRBUS);2998型高效液相色谱仪(Waters公司);Spark多功能酶标仪(Tecan公司);IVS Lumina Ⅲ小动物活体光学成像系统(PerkinElmer公司);FTS3000型红外光谱仪(BIO-RAD公司);D1524R型高速冷冻型微量台式离心机(大龙兴创实验仪器有限公司)。
1.2 主要药品与试剂
海藻酸钠(SA,批号:67H03232)、吐温80(批号316F011SX)、司盘80(批号:1045492201)、罗丹明B异硫氰酸酯(RBITC,批号:MKBS2591V)和溴化钾(KBr,批号:BCCD7234)均购自Sigma-Aldric;LF(来源于牛乳,上海源叶生物科技有限公司,批号:A16GS145363);淫羊藿苷(ICAR,江苏永健医药科技有限公司,批号:101141,纯度98%);无水氯化锌(ZnCl2,伊诺凯,批号:KCEDC22,纯度98%);聚乙二醇4000(PFG 4000,批号521E036)、PBS缓冲液(批号:P1003)均购自北京索莱宝科技有限公司;液体石蜡(分析纯,天津市风船化学试剂科技有限公司,批号:YTSL001);BCA蛋白定量试剂盒(赛默飞世尔科技有限公司,批号:WE325506);1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺(EDC,Alfa Aesar公司,批号:L2128245);N-羟基丁二酰亚胺(NHS,阿拉丁生化科技股份有限公司,批号:02019238);枸橼酸钠(天津市风船化学试剂科技有限公司,批号KMTSC0081);甲醇和乙腈为色谱纯;水为纯化水。
1.3 动物
健康C57BL/6J小鼠,雄性,8周龄,购自北京华阜康生物科技股份有限公司,动物合格证号:SCXK(京)2019-0008,饲养于天津中医药大学动物实验中心,小鼠在20~25 ℃、相对湿度40%~60%的条件下正常饮食饮水,适应性喂养1周后进行实验。本研究通过天津中医药大学实验动物伦理委员会审查批准(批件号:TCM-LAEC2023066)。
2 方法与结果
2.1 SA-LF的合成
称取1.0 g的SA粉末于250 mL圆底烧瓶中,向圆底烧瓶中加入100 mL去离子水,40 ℃条件下600 r/min搅拌4 h,得到1%的SA溶液;将适量EDC和NHS加入圆底烧瓶并将温度降低至30 ℃,继续搅拌2 h。称取100 mg的LF加至上述反应液并搅拌24 h,反应完毕后将其转移至超滤管内(截留分子量:80 kDa),380 ×g离心10 min纯化,最后预冻并冷冻干燥,密封保存样品备用。
2.2 LF-SA-NG@ICAR的制备
向三颈烧瓶内加入50 mL的液体石蜡和0.5 mL亲水亲油平衡值为7.4的表面活性剂,将顶置式搅拌器的搅拌速度设为500 r/min,水浴温度为40 ℃,充分混匀30 min后,以蠕动泵流速为0.75 mL/ min向三颈烧瓶内缓慢加入15 mL的SA-LF溶液,滴加完毕后调节搅拌速度为1 000 r/min,继续搅拌1 h,调节蠕动泵流速为0.15 mL/ min,将5 mL的1.2 mg/mL含淫羊藿苷的氯化锌溶液(其中淫羊藿苷的浓度为0.3%)加入其中,凝胶化1 h后停止搅拌;将反应液380 ×g离心15 min,保留下层纳米凝胶预冻并冷冻干燥,得到LF-SA-NG@ICAR,密封干燥储存。
图1A和图1B所示,纳米凝胶在冻干前呈现水油分层的现象,将下层水相冷冻干燥,纳米凝胶呈现疏松多孔的海绵状,体积几乎不变,保存备用。图1C和图1D分别比较了相同含量的淫羊藿苷和SA-NG@ICAR(以淫羊藿苷的含量计算)溶于等体积超纯水后溶解性的变化,前者淫羊藿苷的水溶性较差,呈现混悬液的状态,而后者将其制成纳米凝胶后呈现均一、稳定的溶液状态。因此,利用海藻酸锌纳米凝胶作为释药储库明显改善了难溶性药物淫羊藿苷的水溶性。
2.3 LF-SA-NG@ICAR载药率和包封率测定
HPLC色谱条件[19]:采用ODS-2 Hypersil C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm);流动相为乙腈-超纯水(30 ∶ 70);流速为1.0 mL/ min ;检测波长为270 nm;柱温为25 ℃;进样量为10 μL;检测时间为10 min。淫羊藿苷的线性范围为3.90~500.00 µg/mL(r=0.999 9),平均回收率为102.00%,RSD为1.57%(n=3)。
称取3份纳米凝胶样品于15 mL离心管中,加入柠檬酸钠溶液裂解凝胶释放药物,接着加入无水甲醇溶解淫羊藿苷,60 Hz超声30 min助溶,溶液经0.45 μm孔径滤膜过滤用于HPLC测定,按以下公式计算纳米凝胶的载药率和包封率:
其中,C为纳米凝胶样品中药物的浓度(μg/ mL);V为纳米凝胶样品溶解的体积(mL);m1为纳米凝胶样品的质量(mg);m2为投入药物的初始质量(mg)。计算得LF-SA-NG@ICAR中淫羊藿苷的载药率为(2.67±0.05)%、包封率为(84.74±0.03)%(n=3)。
2.4 LF-SA-NGDP@ICAR的制备
水溶性基质PFG 4000具有良好的分散力和内聚力[20-21],将冷冻干燥的LF-SA-NG@ICAR溶解后与PFG 4000按照比例混合,在流动性良好的情况下及时转移至带水浴循环的滴制装置中,以轻质液体石蜡为冷凝剂制备纳米凝胶的滴丸制剂LF-SA-NGDP@ICAR。
2.4.1 LF-SA-NGDP@ICAR单因素考察
以《中国药典(2020年版)》四部[22]中规定的圆整度、丸重差异和溶散时限为考察指标,选择制备工艺中基质与纳米凝胶的比例、滴距和冷凝温度进行单因素试验,考察各因素对滴丸成型性的影响。滴丸圆整度和丸重变异系数的计算公式如下:
单因素试验的结果可见表1~表3,分别评价各因素对圆整度、丸重差异和溶散时限的影响,最终选择基质与纳米凝胶的比例4 ∶ 1、滴距为6 cm和冷凝温度5 ℃进行后续的响应面试验研究。
2.4.2 LF-SA-NGDP@ICAR响应面优化试验
确定影响因素后,采用Box-Behnken响应面法进行处方优化,以圆整度、丸重差异以及溶散时限综合评分为响应值[23],综合评分(Y)=(1-圆整度)×40%+丸重差异×30%+溶散时限×30%,Y值越低越好,试验设计因素与水平见表4。
2.4.2.1 响应曲面模型的建立和回归方程显著性结果分析
利用Design Expert软件进行分析,拟合出综合评分与基质与纳米凝胶比例、滴距和冷凝温度的高次多项回归方程:Y=4.39+0.062 5A+0.068 8B-0.176 3C-0.215 0AB-0.315 0AC+1.06BC+0.890 3A2+1.79B2+0.3078C2。由表5可知,该模型的F为19.74,P为0.000 4,该模型的显著性良好,对综合得分的影响顺序依次为:冷凝温度>滴距 >基质与纳米凝胶的比例。
2.4.2.2 因素间交互作用分析
利用Design Expert软件对各因素之间的交互作用做响应面分析,得到相应的响应曲面图及等高线图(图2)。由图可知,响应曲面的坡度较为陡峭,说明基质与纳米凝胶的比例和滴距以及滴距和冷凝温度的交互作用对综合评分较为明显。
2.4.2.3 最佳工艺的验证
根据优化结果预测基质与纳米凝胶的比例为5 ∶ 1,滴距为5.5 cm,冷凝温度为8.5 ℃,平行制备3批LF-SA-NGDP@ICAR,测得其圆整度为0.92±0.02、丸重差异为(8.67±0.3)%、溶散时限为(6.32±0.13)min(n=3),丸形完整,硬度较好,无拖尾粘连现象(图3),说明该工艺的可行性较好。
2.5 LF-SA-NGDP@ICAR的傅里叶变换红外光谱分析
用溴化钾将PEG 4000、LF-SA-NG@ICAR和LF-SA-NGDP@ICAR分别压片,设定波长范围为4 000~400 cm-1,在此范围内分别对样品进行傅里叶变换红外(fourier-transform infrared,FT-IR)光谱测定。
图4结果显示,PEG 4000的FT-IR光谱中,3 410 cm-1处为-OH的伸缩振动吸收峰,且吸收峰较宽,1 110 cm-1波长处为C-O的伸缩振动吸收峰;在LF-SA-NG@ICAR的FT-IR光谱中,3 376 cm-1是LF支链或末端氨基-NH的伸缩吸收峰,1 658 cm-1和1 573 cm-1分别是SA与LF结合后新形成的酰胺键中-C=O和-NH的吸收峰;将LF-SA-NG@ICAR与基质PEG 4000熔融制备成滴丸LF-SA-NGDP@ICAR后,由于基质的比例较大,LF-SA-NGDP@ICAR的FT-IR光谱图与PEG 4000的FT-IR光谱图相似,且未出现新的吸收峰。这一结果表明,在制备过程中,纳米凝胶与PEG 4000两者未发生化学反应,各自保持了其化学稳定性,这一点符合《中国药典(2020年版)》四部[22]中对于滴丸基质的要求,即基质不应与主药发生相互作用,不影响主药的性质和检测。因此,LF-SA-NGDP@ICAR的制备过程科学合理,确保了制剂的稳定性和安全性,为后续的动物实验提供了坚实的基础。
2.6 LF-SA-NGDP@ICAR中纳米凝胶释放行为研究
以LF为标志物,研究LF-SA-NGDP@ICAR中纳米凝胶的释放行为。采用转篮法,在容器中加入0.1 mol/L的磷酸盐缓冲液100 mL,设定温度为37 ℃,调节水平转速为100 r/min,投入6 粒滴丸,于预先设定的时间点收集5 mL释放液,并补充相同体积和温度的释放介质;然后通过BCA法测定各时间点取样的释放介质中LF的浓度,每个时间点设置3个平行对照样品。
由图5结果可知,在0~2 h内,LF-SA-NG@ICAR纳米凝胶的释放速率较快,0.5、1、2 h的累积释放率分别为28.23%、43.10%、56.17%,6 h后释放速度逐渐趋于平缓,最终的累积释放率达到92.25%。说明纳米凝胶释药储库可以从滴丸制剂中释放,与BBB上的LF受体特异性结合,从而增加药物进入大脑的机会。通过对纳米凝胶的释放行为进行拟合,表6结果显示,LF-SA-NG@ICAR的体外释放拟合更符合一级释放方程。虽然滴丸属于速释制剂,但是由于其中包载纳米凝胶释药系统,因此总体呈现出缓释行为。
2.7 RBITC标记的LF-SA-NGDP@ICAR转运入脑研究
2.7.1 RBITC标记的LF-SA-NGDP@ICAR的制备
在避光条件下称取适量RBITC于烧杯中,加入超纯水搅拌2 h,再加入适量EDC和NHS至反应体系中搅拌2 h,最后加入20 mL 1%的SA溶液,反应24 h。将上述反应液进行透析(截留分子量:7 000 kDa),结束后预冻并冷冻干燥得到RBITC标记的SA。
按照“2.4”项下方法将RBITC标记的SA制备成负载纳米凝胶释药系统的滴丸剂。
2.7.2 动物分组、给药与取材
将小鼠随机分为2组,每组分别采用口服和舌下含服的方式给予含有RBITC标记的LF-SA-NGDP@ICAR,分别于10、60、120、240 min取小鼠的全脑,并用预冷的生理盐水冲洗,采用小动物成像仪观察LF-SA-NGDP@ICAR在小鼠脑内的分布情况。
由图6结果可知,口服组是在120 min时荧光强度最强,而舌下含服组在10 min时的荧光强度显著高于口服组,原因是RBITC标记的LF-SA-NGDP@ICAR舌下含服后,纳米凝胶从滴丸中释放后经过舌下黏膜吸收入血,随血液循环到达脑组织,LF修饰的释药系统与BBB上的LF受体相结合,将药物递送至脑内发挥疗效,显著提高药物的生物利用度,同时避免了口服给药导致部分LF被胃蛋白酶消化而脑靶向性降低的问题。
3 讨论
随着人口老龄化加剧,神经退行性疾病的发病率呈上升趋势,逐渐受到了大家的广泛关注。然而,中枢神经系统独特而复杂的生理环境以及BBB的难透过性使神经退行性疾病的临床治疗异常困难[24-25]。由于内源性TF含量较多,可与TF受体结合,导致外源性TF修饰的载体靶向性减弱,而LF与TF不同,LF本身带有的弱正电性将会促进与表面带有负电荷细胞的相互作用[15, 26-28]。除此之外,LF受体会预留未被内源性LF结合的靶点,不会对外源性LF的结合产生竞争抑制。因此,与TF相比较,以LF为脑靶向配体修饰药物载体具有更好的优势 [29]。
目前以LF为脑靶向配体修饰的药物载体主要采用静脉注射的方式考察其在体内的应用,但神经退行性疾病多为慢性疾病,患者需长期用药,因此,静脉注射给药的方式并不适合临床应用。将LF修饰后的药物载体采用口服的形式虽然是目前最便捷的用药方式,但存在两个主要问题:一方面,首过效应降低药物疗效;另一方面,LF会被胃蛋白酶消化,吸收进入血液后无法与BBB上的受体结合,从而降低制剂的脑靶向性。由于唾液中不存在分解LF的酶,因此采用舌下给药的形式可避免以上两种情况。除此之外,考虑到患者的顺应性及实际需求,制备了可舌下含服的纳 米凝胶滴丸剂。
综上所述,本文首先利用反向微乳法制备LF-SA-NG@ICAR,提高了难溶性药物淫羊藿苷的水溶性。进一步构建了负载纳米凝胶释药系统的滴丸剂,采用单因素考察和Box-Behnken响应面法进行LF-SA-NGDP@ICAR的工艺优化。LF修饰的纳米凝胶释药系统首先从滴丸中释放,经过舌下静脉吸收进入血液循环,与BBB上的LF受体结合,通过配体-受体特异性结合将药物转运入脑。与口服给药比较,LF-SA-NGDP@ICAR舌下含服的方式不仅提高了难溶性药物转运入脑的效率,而且对于患者的用药依从性具有重要意义,证明了其在治疗神经退行性疾病方面具有一定的潜力,为难溶性天然药物治疗神经退行性疾病的制剂开发和临床应用提供一种新型思路。
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