葡萄糖敏感型胰島素智能給藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展
2021-11-12糖尿病是嚴(yán)重的全球性健康問題之一， 皮下注射胰島素是糖尿病的主要藥物治療手段， 不僅給藥不便而且造成患者痛苦，此外，皮下注射胰島素還可能引起低血糖癥的潛在風(fēng)險(xiǎn)。除了口服胰島素，控釋遞藥系統(tǒng)通過優(yōu)化藥物釋放行為和改善藥物體內(nèi)動(dòng)力學(xué)來提高治療效率和安全性也成為當(dāng)前的熱點(diǎn)，其中葡萄糖敏感的智能型胰島素遞送系統(tǒng)引起了很大的關(guān)注。智能型胰島素遞送系統(tǒng)模擬內(nèi)源性胰腺β細(xì)胞，在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間根據(jù)患者的血糖水平釋放出適量的胰島素發(fā)揮作用。根據(jù)葡萄糖敏感單元，智能型胰島素遞藥系統(tǒng)可以分為三類，葡萄糖氧化酶、刀豆蛋白A和苯硼酸。當(dāng)血糖濃度發(fā)生變化時(shí)，載體結(jié)構(gòu)改變或葡萄糖與胰島素競爭結(jié)合位點(diǎn)觸發(fā)藥物釋放。
1、基于葡萄糖氧化酶的遞藥系統(tǒng)
在葡萄糖氧化酶( GOx)催化條件下，葡萄糖和氧氣反應(yīng)生成為葡糖酸內(nèi)酯和 H2O2，然后在水性環(huán)境中葡糖酸內(nèi)酯迅速水解為葡糖酸。因此，基于GOx的胰島素遞藥系統(tǒng)可分為pH觸發(fā)和H2O2觸發(fā)型。
pH觸發(fā)胰島素釋放系統(tǒng)利用GOx氧化葡萄糖時(shí)產(chǎn)生的葡萄糖酸，造成局部pH降低， 進(jìn)而引發(fā)載體結(jié)構(gòu)的變化(解離、溶脹或坍塌) ，最終導(dǎo)致藥物釋放。水凝膠是遞送胰島素的優(yōu)良載體，但交聯(lián)劑的使用和植入不便限制了其應(yīng)用。自組裝多肽水凝膠避免使用交聯(lián)劑，具有良好的生物相容性，同時(shí)具有可注射給藥的優(yōu)勢。有學(xué)者開發(fā)了一種可注射的載有GOx，過氧化氫酶（CAT）和胰島素的pH敏感多肽水凝膠。GOx氧化葡萄糖引起局部pH降低，導(dǎo)致水凝膠中相鄰的堿性氨基酸側(cè)鏈排斥，引起發(fā)夾結(jié)構(gòu)的打開和水凝膠的分解進(jìn)而釋放出胰島素。將GOx物理包覆于納米粒中是最常用而簡單的方式，但是釋藥過程中GOx的損失會(huì)引起系統(tǒng)的葡萄糖敏感度降低。此外，與納米級(jí)粒子相比，微球可以提供更持久的藥物遞送。微針是一種患者可自行給藥的微創(chuàng)遞藥系統(tǒng)，其可以暫時(shí)插入角質(zhì)層，以穿透表皮并防止對較深組織的傷害。
H2O2觸發(fā)胰島素釋放系統(tǒng)利用GOx氧化葡萄糖時(shí)產(chǎn)生的H2O2觸發(fā)胰島素的釋放。如通過交替沉積在碳酸鈣微球上構(gòu)建莽草酸修飾聚烯丙基胺鹽酸鹽(SA-PAH) 和苯基硼酸修飾聚烯丙基胺鹽酸鹽(PBA-PAH) 多層膜。葡萄糖被GOx氧化產(chǎn)生的H2O2引起PBA-PAH的碳-硼鍵斷裂而分解。載藥微粒在0.9mg·ml﹣1葡萄糖濃度下保持穩(wěn)定，在﹥1.8mg·ml﹣1葡萄糖濃度下才釋放胰島素。由交聯(lián)聚乙烯醇( PVA)凝膠組成的核-殼微針貼劑，微針的內(nèi)核是4-硝基苯基4- ( 4,4,5,5-四甲基-1,3,2-二氧雜硼硼 烷-2-基) 碳酸芐酯將胰島素固定在 PVA基質(zhì)上，進(jìn)而產(chǎn)生H2O2觸發(fā)釋放的行為，而外殼則加入了CAT，以減少H2O2引起炎癥的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)葡萄糖與GOx反應(yīng)生成H2O2時(shí)，觸發(fā)內(nèi)核凝膠解離釋放胰島素。該貼劑可有效降低糖尿病小鼠血糖，在2h內(nèi)將血糖降低至1mg·ml﹣1， 并維持在2mg·ml﹣1達(dá)6h。此外，膠體粒子整合微針是另一種實(shí)現(xiàn)微針智能化的策略。
2、基于刀豆蛋白A的遞藥系統(tǒng)
刀豆蛋白A (Con A) 具有四個(gè)與 D-葡萄糖，D-甘露糖和多糖可逆性親和的結(jié)合位點(diǎn)。在1970年代，首次合成了糖基化的胰島素衍生物并將其與Con A結(jié)合，制備葡萄糖反應(yīng)型胰島素遞送系統(tǒng)。在高葡萄糖濃度下，通過競爭性置換釋放胰島素衍生物。如由羧化支鏈淀粉和 Con A組成的可腹腔植入的葡萄糖敏感型水凝膠，通過Con A-葡萄糖結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)胰島素從水凝膠的可控釋放。由Con A和支鏈淀粉共同組裝的裝載胰島素的納米粒。胰島素的包封率約為69.73%。胰島素的載藥量高達(dá)17%。納米粒在3mg·ml﹣1葡萄糖溶液中的釋放速率比在無葡萄糖的溶液中的釋放速率高2.23倍。有學(xué)者開發(fā)了一種抗性淀粉-糖蛋白復(fù)合物生物黏附載體和靶向結(jié)腸的生物黏附性口服微粒系統(tǒng)。Con A 與抗性乙酸淀粉酯結(jié)合，從而形成了抗性淀粉-糖蛋白復(fù)合物。該微?？煽刂铺悄虿〈笫笱撬皆谡７秶鷥?nèi)44-52h。
盡管Con A型胰島素遞送系統(tǒng)已取得了一定進(jìn)展， 但是該系統(tǒng)仍存在一些限制，包括其毒性，水溶性、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間長。Con A 的溶解度，穩(wěn)定性和葡萄糖敏感性可通過親水性聚合物的修飾加以改進(jìn)，但Con A的免疫原性是阻礙其進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵因素，仍有待解決。
3、基于苯硼酸的遞藥系統(tǒng)
與借助GOx或Con A實(shí)現(xiàn)葡萄糖觸發(fā)的系統(tǒng)相比，基于苯硼酸( PBA) 的胰島素遞藥系統(tǒng)具有成本較低、無免疫原性、通用性強(qiáng)和體內(nèi)穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。PBA 與含有順式二醇結(jié)構(gòu)的糖類反應(yīng)生成可逆的酯鍵，利用此過程中 PBA 電荷狀態(tài)的變化以及親水性和疏水性的轉(zhuǎn)換或者與含二醇化合物的競爭實(shí)現(xiàn)胰島素的釋放。不過PBA 的pKa( 約9.0) 高于生理pH， 導(dǎo)致PBA在體內(nèi)聚集，PBA 與葡萄糖的相互作用減弱，從而限制了其葡萄糖敏感性。目前主要采用兩種策略方法來解決此問題。一是開發(fā)PBA 與其他單體組合的聚合物，使其在生理?xiàng)l件下更好地與葡萄糖相互作用。二是使用含有可與硼原子配位的羧基聚合物來修飾 PBA。根據(jù)觸發(fā)藥物釋放機(jī)制，可將 PBA 型的胰島素遞藥系統(tǒng)的分為溶脹、降解和競爭三種類型。
基于溶脹機(jī)制的 PBA 型胰島素遞藥系統(tǒng)通常將胰島素加載到水凝膠網(wǎng)絡(luò)上或包裹在水凝膠內(nèi)部，當(dāng)環(huán)境中葡萄糖濃度增加時(shí)，凝膠溶脹，凝膠篩網(wǎng)尺寸變大，從而釋放藥物?；诮怆x機(jī)制的 PBA 型胰島素遞藥系統(tǒng)是利用葡萄糖與苯基硼酸反應(yīng)引起載體結(jié)構(gòu)坍塌而釋放藥物。與基于溶脹的系統(tǒng)相比，載體解離的遞藥系統(tǒng)葡萄糖靈敏度更高，同時(shí)，載體解離后更容易從體內(nèi)排出?；诟偁幍?PBA 智能型胰島素遞藥系統(tǒng)的原理是當(dāng)環(huán)境中葡萄糖濃度增加時(shí)，葡萄糖與藥物競爭同一結(jié)合位點(diǎn)或產(chǎn)生可以占據(jù)藥物結(jié)合位點(diǎn)的物質(zhì)以釋放藥物。
另外，為了增強(qiáng) PBA 系統(tǒng)的葡萄糖敏感度，有研究將GOx和 PBA 結(jié)合使用。GOx 氧化葡萄糖時(shí)產(chǎn)生的H2O2會(huì)加速 PBA 在體內(nèi)降解，此外GOx的引入也會(huì)增強(qiáng)系統(tǒng)的葡萄糖敏感度。如有學(xué)者開發(fā)了聚(丙烯酰胺基苯基硼酸) /海藻酸鈉納米粒。環(huán)硼酸鹽可與葡萄糖反應(yīng)，導(dǎo)致其分解并形成親水性苯基硼酸酯-葡萄糖復(fù)合物。葡萄糖氧化產(chǎn)生的H2O2進(jìn)一步將環(huán)硼酸鹽氧化為苯酚并破壞碳-硼鍵。此外，在GOx催化葡萄糖向葡萄糖酸的轉(zhuǎn)化過程中，局部pH降低，苯基硼酸酯鍵進(jìn)一步分解，這三種破壞作用導(dǎo)致納米粒觸發(fā)藥物釋放行為。給糖尿病小鼠皮下注射該納米粒后，其血糖在 0.5h內(nèi)降到正常水平，并可維持至少14h。
安全有效的胰島素遞藥系統(tǒng)有望增強(qiáng)藥物治療效果、提高患者生活質(zhì)量。葡萄糖敏感型遞藥系統(tǒng)可提供與患者的代謝需求相匹配的胰島素，有效地治療高血糖癥，同時(shí)防止低血糖癥狀的發(fā)生?；?GOx，PBA 或Con A的葡萄糖敏感型胰島素遞藥系統(tǒng)的研究取得了一定的進(jìn)展，在不增加低血糖風(fēng)險(xiǎn)和減輕患者負(fù)擔(dān)的情況下提供了血糖智能控制的希望。不過，葡萄糖敏感型胰島素遞送系統(tǒng)仍面臨著諸多挑戰(zhàn)。首先，潛在的生物相容性問題。GOx、Con A 和 PBA 在為遞藥系統(tǒng)帶來葡萄糖響應(yīng)性的同時(shí)，其生物相容性也成為了巨大挑戰(zhàn)，特別是以注射給藥的制劑。其次，藥物控釋的問題。目前，葡萄糖敏感型藥物傳遞系統(tǒng)均可以在模擬的高血糖條件下實(shí)現(xiàn)藥物的有效釋放，但大部分系統(tǒng)在正常血糖濃度下仍存在5%-80%不同程度的胰島素釋放。如何進(jìn)一步減少低血糖濃度時(shí)藥物的釋放量仍需重點(diǎn)關(guān)注， 尤其是基于載體解離型胰島素遞送體系，其載體的解離均是不可逆性。最后，葡萄糖響應(yīng)速度的問題。葡萄糖響應(yīng)速度的問題限制了智能型胰島素遞藥系統(tǒng)的發(fā)展。多刺激響應(yīng)結(jié)合的智能型遞藥系統(tǒng)的研究仍需加強(qiáng)。
