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胃肠道黏液对跨膜转运药物的影响及口服药物传递策略研究进展

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胃肠道黏液对跨膜转运药物的影响及口服药物传递策略研究进展

来源

《中国药学杂志》 2022 年2 月第57 卷第3 期

作者

刘欢，梁新丽，蒋且英，陈绪龙，廖正根

江西中医药大学现代中药制剂教育部重点实验室

江西中医药大学实验动物科技中心

摘要

胃肠道黏液是胃肠道转运屏障的首要屏障,可阻碍颗粒和药物分子渗透至黏膜组织上皮细胞｡对于口服药物的递送,胃肠道黏液是药物必须克服的第一道屏障,蛋白质､多肽等大分子药物,其尺寸大于黏液的网孔无法穿透黏液层｡一些与黏液发生物理化学相互作用的小分子药物被困于黏液层中,无法实现快速渗透;被不断分泌和清除的黏液带走的药物同样无法有效的穿透黏液层｡因此实现快速有效的黏液渗透对药物的吸收有着重要的意义｡

本研究对黏液组成与结构､黏液的物理化学性质､黏液的屏障特性以及改善黏液渗透的药物递送系统进行系统的综述,以期为提高药物的黏液渗透性研究提供理论指导｡

关键词

黏液屏障；口服药物；渗透；药物递送系统

正文

黏液存在于我们身体的各种湿上皮表面，包括眼睛、鼻腔、口腔、胃肠道、呼吸道和生殖道［１］，其本身是能够交换营养物质、水、气体、激素，同时具有空间阻碍和黏附特性的一种半透性网状物质。黏液对大多数细菌和病原体是不可渗透的［２］。胃和结肠的双层黏液结构保护上皮免受酸、酶和微生物入侵，并且起着润滑胃肠道的作用，保护上皮细胞免受消化过程相关的机械力引起的剪切损伤［３］。此外，通过持续的分泌和脱落，黏液可以快速清除截留在其中的外来颗粒和病原体，从而限制它们向下层上皮细胞的流动。然而，这种有用的黏液屏障也会对药物递送造成挑战，减慢药物透过黏液的速率，甚至阻止药物透过黏液，从而影响药物的有效递送，导致局部或全身吸收不良。

黏液的组成和结构

1. 1 黏液的组成

黏液主要是由水､黏蛋白(糖蛋白)､脂质､DNA､非黏蛋白和细胞碎片组成的复杂的水凝胶[4⁃8] ,水占黏液成分的90% ~ 95%｡黏液组分的动态平衡是复杂和高度相互依赖的,微小的变化会显著改变其理化性质,并可能导致疾病的发生｡这种复杂的生化组成,使黏液在上皮细胞上形成致密的黏弹性层,吸附各种各样的粒子,成为药物和其他分子的选择性屏障｡黏蛋白是黏液的主要有机成分,是存在于哺乳动物和其他生物细胞表面的高度糖基化的蛋白质｡成熟黏蛋白由两个不同的区域组成,分为中央区域和氨基酸区域｡中央区域蛋白质骨架富含脯氨酸(proline)､苏氨酸(threonine)和丝氨酸(serine)的串联重复序列,也被称为PTS区域[9] ,且被岩藻糖(fucose, Fuc)､半乳糖(galactose, Gal)､N⁃乙酰神经氨酸 (N⁃Acctylncuraminic acid, NeuAc)､N⁃乙酰葡糖氨(N⁃Acetyl-glucosamine, GlcNAc) 和N⁃乙酰半乳糖胺( N⁃Acetylgalactosamine, GalNAc)严重糖基化[10] ｡氨基酸区域位于氨基和羧基末端,有时穿插在PTS重复序列之间[11] ,氨基酸区域被轻度糖基化且富含半胱氨酸(图1)｡

1. 2 黏液的网状结构

黏液网状结构是由黏液蛋白单元之间的二硫化物桥接形成的,黏蛋白通过二硫键聚合连接成高相对分子质量､多分散性大分子(2 × 106~ 40 × 106),这些大分子相互缠绕和交联(主要通过非共价相互作用)形成一个有组织的网状结构,这个具有选择性的网状过滤器,使黏液能够调节一些微粒和小分子的扩散[13] ｡Bajka等[14] 利用扫描电子显微镜 (SEM)观察小鼠肠超微结构,SEM 图像表明黏蛋白层之间可能存在间隙,允许大于黏液孔径的颗粒通过,并且在更高的放大倍数下,可见黏蛋白孔隙网状结构(图2)｡

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黏液的物理化学性质影响药物跨黏液转运的作用及机制

2. 1 黏弹性对药物吸收的影响及影响黏弹性的因素

黏液由于其黏弹性能更好地发挥生物学功能,黏液的黏弹性与黏蛋白结构密切相关[15] ,黏蛋白的高相对分子质量和广泛的O⁃连接的糖基化是其黏弹性的关键,该性质受凝胶基质内发生的共价(二硫键)和非共价相互作用程度的严格控制[16] ,黏液的黏度与剪切速率成正比[17] ｡黏液的黏弹性随黏蛋白的组成和它们的糖基化而变化,且与年龄､宿主的饮食以及特定抗原､共生体和病原体的存在和活性相关｡因此,当黏液的黏弹性较大时,其发挥的屏障功能更强,更有利于防止有害物质进入,黏弹性适中或较低时,才有利于药物渗透｡

黏液的黏弹性与多种因素有关,除物种与器官外,黏弹性也与pH 值和离子强度有很大的关系｡口服给药时药物在胃黏液中,由于黏蛋白糖基化区域中唾液酸上羧基负电荷的减少,pH 值降低,黏液的黏弹性增加,pH 值也可以通过黏蛋白聚合物之间的静电相互作用来调节黏液黏弹性｡如用猪胃黏蛋白进行的实验中[18] ,与中性聚乙二醇化颗粒相比,带正电荷和负电荷的颗粒流动性较低,它们在酸性条件(pH 3)下的运输受到更多阻碍,相比之下,在中性条件(pH 7)时,带电和中性聚乙二醇化颗粒几乎自由地扩散到黏液中｡

2. 2 物理化学相互作用对药物黏液转运的影响

黏液可以通过静电相互作用､范德华力､疏水力､氢键或链缠结等与微粒产生相互作用而使其缠绕在黏液网状结构中,从而减慢分子和颗粒的渗透及其扩散速率,药物与黏液的相互作用对粒子扩散的影响取决于粒子尺寸､粒子结合位点等｡研究表明,黏液通常降低小分子的扩散速率不明显,然而,对于100 nm 或更大尺寸的粒子,黏液可以将其扩散速率降低几千倍[19] ｡当一个颗粒与黏液有多个结合位点时,这种阻碍其扩散的现象越显著,这种现象被称为多价结合,意味着即使每个结合位点单独的相互作用都很弱,但其总的效应是几乎不可逆的结合,从而被黏液捕获｡

黏液的屏障特性及对药物转运影响的规律

黏液对大多外来粒子具有屏障拦截功能,研究发现,在有无黏液存在的情况下,粒子的细胞摄取与转运情况明显不同[20] ｡屏障功能的发挥可以概括为动态屏障和静态屏障,静态屏障可以分为空间屏障和物理化学相互作用屏障｡

3. 1 空间屏障

小分子通过黏液屏障时大多为自由扩散,而像球状蛋白这样的大分子不能有效穿透黏液(图3A)｡黏蛋白通过可逆､疏水作用和二硫键交联形成聚合物网状结构,这种网状结构可以对较大的化合物形成过滤网,充当粒子的物理过滤屏障｡天然黏液的网孔大小不均一,有研究发现黏液的网格大小在在100 ~ 500 nm 之间[21⁃22] ｡其中小分子颗粒通过弹性基质内的低黏度孔传递,从这个角度来分析黏液的渗透性可能受到其孔径的限制,事实上,研究发现随着颗粒尺寸的增加,黏液中的颗粒流动性降低[23] ｡

3. 2 物理化学相互作用屏障

虽然空间屏障对小于黏液网孔的分子的运动几乎没有影响,但是,黏液可通过相互作用减慢甚至阻止任何大小颗粒的扩散,从而抑制转运｡黏液层具有大量由共价和非共价相互作用的缠结,包括疏水､静电､氢键或其他有助于黏液黏弹性的特定结合相互作用,形成网状过滤器,降低粒子的渗透及扩散速率(图3B)｡由于黏液带负电,所以粒子的电荷分布对其黏液渗透速率也有很大的影响,粒子带正电则被吸附在黏液层(图3C);带负电荷的粒子则被排除(图3D);当为中性电荷时,粒子既不被吸附在黏液层也不被排除(图3E),因此,中性电荷最容易通过黏液屏障｡Liu 等[24] 在体内外实验中发现,带中性电荷的共聚物在穿过黏液层以增强药物吸收方面具有显著优势｡Bhattacharjee 等[25] 在微通道装置中观察具有不同表面电荷的罗丹明标记的脂质体(120 ~ 130nm)穿过新鲜猪肠黏液的能力,结果发现亲水性和表面电荷为阴离子的脂质体比阳离子脂质体渗透的更多｡

3. 3 动态屏障

快速的黏液周转率也是药物渗透黏液的一个重要障碍,颗粒的转运和滞留时间受到黏膜组织黏液周转速度的限制,位于上皮细胞之间的杯状细胞负责黏液层的更新,每天在胃肠道中共分泌约10 L 的黏液,其中最大的一部分被消化和回收,并且杯状细胞在肠上皮细胞中的分布密度并不均衡,从十二指肠的4 %逐步增加到远端结肠的16 %[26] ｡黏液是不断分泌和脱落的,人体内层黏液的更新起始于上皮细胞侧,由腔表面上皮的杯状细胞介导的远端结肠内黏液层大约每小时轮回一次｡黏液可通过蠕动(肠道)､眨眼(眼睛)､黏液纤毛清除和咳嗽(气道)等机械过程不断脱落,如果药物渗透慢或者缠结在黏液网状结构中,则会随黏液一起被清除,无法实现有效渗透｡

改善黏液渗透的药物递送系统

4. 1 固体纳米颗粒递送系统

通常,纳米系统能快速扩散越过黏液屏障而逃避黏液清除,并接近上皮表面,以确保释放的药物在接近上皮表面时获得最大吸收,对于100 nm 及更小的载药纳米颗粒,在清除前容易通过黏液屏障,对于尺寸大于黏液网状孔隙的纳米颗粒,通常要慢得多｡在这些情况下,如果纳米颗粒不能有效穿透黏液屏障,它就会被迅速地从黏液中清除,因此,纳米颗粒粒径对药物有效通过黏液屏障具有重要的影响[27] ｡

4. 1. 1 纳米颗粒负载黏液溶解剂

黏液溶解剂是通过破坏黏液结构来克服黏液屏障,如破坏黏蛋白的肽键､黏蛋白网状结构的二硫键､共价键､DNA 水解因子,可将缠结在黏蛋白网状结构中的DNA 分开[28] ｡木瓜蛋白酶和菠萝酶是破坏黏蛋白肽键的水解酶,Pereira 等[29] 分别使用木瓜蛋白酶和菠萝酶与聚丙烯酸制备成纳米颗粒,结果发现用黏液溶解剂配制的颗粒体系表现出更强的黏液渗透性｡Köllner 等[30] 制备的硫代聚丙烯酸纳米颗粒具有黏液溶解特性,能够克服黏液层,可使颗粒在黏附前扩散到更深的黏液区域｡虽然黏液溶解剂可以大大降低黏液对药物分子的阻碍,但对于正常的胃肠道黏液,黏液网状结构的破坏可能使得除药物之外的一些物质的进入,因此,Peng 等[31] 描述了一种基于胆碱的离子液体作为非破坏性的黏液调节剂,用于改善药物的黏液渗透,既能降低黏液黏度,又不会显著影响天然黏液的网状结构｡

4. 1. 2 聚乙二醇修饰纳米颗粒表面

聚乙二醇(Polyethylene glycol, PEG)是一种亲水性非离子聚合物,共价吸附在纳米颗粒的表面,以减少颗粒与黏液的相互作用｡PEG 化纳米颗粒已被用作促进黏液屏障扩散的潜在策略,具有良好的生物相容性和黏液惰性,是设计黏液穿透颗粒的前提｡

研究发现在直径为200 和500 nm 的颗粒表面涂上PEG,在黏液中的有效扩散系数较同样大小的粒子在水中的有效扩散系数低4 ~ 6 倍,而未包覆PEG 的100 ~ 500 nm 的粒子,其在黏液中的有效扩散系数较水中低2 400 ~ 40 000倍[32] ｡Inchaurraga 等[33] 用PEG 包裹纳米颗粒,发现PEG 包裹的纳米颗粒迅速移动到肠道与黏膜发生相互作用,到达上皮的表面,表明PEG 在纳米颗粒表面的物理构象是防止与黏液相互作用的关键,然而PEG 的量表现得尤为重要,过量的PEG 也会降低药物的吸收[34] ｡

4. 2 自乳化给药系统(self⁃emulsifying drug delivery systems, SEDDS)

SEDDS 由于其本身的优势或添加其他辅料,也是一种非常有效的方法｡自20 世纪80 年代以来,SEDDS 的发展引起了研究者的关注,SEDDS 可以提高口服不溶性药物的溶出度和生物利用度,对肠道酶活性表现出高度的稳定性,更重要的是,在黏液屏障上具有相对快速的渗透特性｡

Griesser 等[35] 研究结果显示SEDDS 液滴大小和渗透速率之间存在明显的相关性,SEDDS 越小,黏液渗透性越高;带负电的SEDDS 比带正电的SEDDS 具有更高的渗透速率;与脂质体和固体纳米载体相比,SEDDS 具有高达5 倍的黏液渗透性能｡

同时改善药物黏液渗透和细胞摄取的策略

5. 1 纳米粒子联合Zeta 电位变化策略

改变Zeta 电位是一种非常有效的提高黏液渗透和细胞摄取的方法,这对药物发挥疗效是非常重要的｡由于黏液层带负电,近年来,人们利用带有磷酸基团的聚合物加入到纳米颗粒中,使其产生负电位,从而顺利穿透黏液,而上皮细胞表面表达的碱性磷酸酶可以裂解这些阴离子磷酸基团,导致Zeta 电位转变为正值,进而增强细胞摄取｡

Nazir 等[36] 利用壳聚糖与硫酸软骨素原位凝胶形成聚合型纳米颗粒,利用己糖激酶对这些纳米颗粒进行磷酸化,合成的磷酸化纳米颗粒与肠道碱性磷酸酶(IAP)孵育前的Zeta电位为-12. 7 mV,孵育后的Zeta 电位上升到- 1. 2 mV｡体外黏液渗透性研究发现,合成的磷酸化纳米颗粒具有更好的黏液渗透性,且由于IAP 的去磷酸化作用,细胞对合成的磷酸化纳米颗粒的吸收增加了2 倍｡后来,他们又用阳离子聚亚胺与阴离子聚磷酸酯原位凝胶法制备了聚磷酸盐纳米颗粒, 其黏液通透性高出2 倍,酶切后细胞摄取增加2. 6倍[37] ｡Dyawanapelly 等[38] 用阳离子壳聚糖包覆在带负电荷的乳酸⁃羟基乙酸共聚物纳米粒子表面,结果发现其在体外黏液渗透和细胞摄取方面优于未包覆的纳米粒子｡

5. 2 SEDDS 联合Zeta 电位变化策略

由于SEDDS 的液滴尺寸小,可以通过黏液快速扩散,并且对肠道细胞的磷脂双层具有较高的亲和力｡因此,结合Zeta 电位变化策略和SEDDS 可以改善黏液的通透性和药物吸收｡Suchaoin 等[39] 将几种阳离子表面活性剂和一种含磷酸酯化合物1,2⁃二棕榈酰⁃sn⁃甘油⁃3⁃磷脂酸钠(PA)分别加入到SEDDS 中,PA 作为IAP 的底物,通过酶解磷酸亚结构产生Zeta 电位的转移｡研究发现带负电的SEDDS 在黏液中更快的扩散,且在液滴到达上皮细胞膜时,Zeta 电位由负转为正｡因此,Zeta 电位变化策略结合SEDDS 为药物实现有效的黏液渗透和较强地细胞吸收提供了技术支撑｡Nazir等[40] 合成了磷酸化的丝氨酸⁃油胺偶联物,并加入到SEDDS中,结果也发现显示出更高的黏液渗透和细胞摄取｡

5. 3 仿生策略

许多病毒在黏液中的扩散速度和在水中一样快,是由于其特殊的表面带电性质,粒子表面被阴阳离子覆盖表现出电中性｡此外,病毒的表面通常具有特殊的蛋白质,这些蛋白质通过使病毒包膜与宿主细胞膜融合或形成膜孔,使其结合并侵入宿主细胞｡因此,研究人员开发了仿生策略来提高纳米颗粒的黏液渗透能力｡

Wu 等[41] 将一种细胞穿透肽阳离子八⁃精氨酸肽和阴离子磷酸丝氨酸紧密包被在乳酸⁃羟基乙酸共聚物纳米颗粒上,从而开发出一种具有仿生能力和电荷逆转能力纳米粒子｡由于仿生纳米颗粒的尺寸小且具有病毒样的中性带电表面,因此能实现快速的黏液渗透｡表面固定的阴离子通过IAP 可发生水解,导致Zeta 电位转变为正( + 7. 37 mV),在Caco⁃2/ E12 共培养的细胞模型上表现出快速的细胞摄取和跨上皮运输｡对于开发电中性表面和亲水性的纳米颗粒来负载胰岛素的研究越来越广泛[42] ,这种策略对大分子药物的有效递送来说是一种很好的方法,如Zhang 等[43] 通过模拟病毒表面,将介孔二氧化硅纳米颗粒加以修饰,使其呈电中性和亲水性,再负载胰岛素,使药物有效地穿透黏液层并通过肠上皮,提高生物利用度｡结果发现经修饰的纳米颗粒与黏蛋白的结合显著降低,在黏液层的穿透速度更快,并且在体内外研究中未发现明显毒性,在糖尿病大鼠体内降血糖水平将近50%｡

综上所述,黏液是一种非常复杂的水凝胶,保护上皮免受外部威胁的同时阻碍了药物的渗透,在保留其优势的同时克服其劣势是我们研究的主要目的｡黏液屏障主要通过动态清除､尺寸过滤机制､物理化学相互作用来阻碍药物的黏液渗透｡可以通过破坏黏液屏障,促进药物渗透,对纳米粒子表面进行改性如涂覆PEG 可以有效减少粒子与黏液的相互作用也是一种行之有效的方法,此外利用SEDDS 液滴的尺寸较小的特性,增强药物黏液渗透也是目前研究较多的有效方法之一;而利用病毒的特性开发的仿生策略等均是实现药物在黏液中的快速扩散的有效方法｡虽然已经开发出针对黏液屏障特性来改善药物渗透的策略,但还需要进一步的深入研究｡黏液是非侵入性给药方式必须克服的屏障,因此了解黏液的屏障特性并提高药物通过黏液的渗透率至关重要｡

参考文献

详见《中国药学杂志》 2022 年2 月第57 卷第3 期