基于明胶的新型药物载体的研究进展

王龙江，程中伟，宋 龙，秦小洁，翟光喜*

（1. 山东达因海洋生物制药股份有限公司，山东 荣成 264300；2. 山东大学 药学院 药剂学教研室，山东 济南250012）

明胶是一种天然的、生物相容并可生物降解的多功能聚合物，广泛应用于食品、药品、化妆品和医疗领域。在医药领域，明胶被用作植入剂的基质，抗麻疹、腮腺炎、风疹、日本脑炎、狂犬病疫苗、白喉、破伤风类毒素等疫苗的稳定剂[1]，也可用于血浆扩容剂、伤口敷料、组织生物黏附剂、止血剂、密封剂等[2-3]。明胶的多种品质及其能产生热可逆凝胶的性能，使其作为药物载体材料的研究正日益引起人们的关注，本文综述了近年来明胶作为微纳米药物载体的研究，以冀为明胶微纳米制剂的开发与应用提供思路。

1 纳米粒

明胶纳米粒被广泛用于包封生物活性分子，可控制药物的释放，浓集于病灶区域，提高药物的疗效，降低药物毒副作用。

地达诺新（didanosine）是一种广泛用于抗人类免疫缺陷病毒（HIV）的药物，口服肠道耐受性差，治疗指数窄，血浆蛋白结合率低，血浆半衰期短、需频繁给药。将其包载入明胶纳米粒中，纳米粒外包覆甘露聚糖，可进一步增强巨噬细胞的摄取和在器官中的分布（这些器官可作为药物的储库）。体外研究表明巨噬细胞从该纳米粒中摄取地达诺新的速率是从PBS缓冲液摄取游离地达诺新速率的5倍[4]。

为了减少抗疟药磷酸氯喹的毒副作用，研制了一种包载磷酸氯喹的明胶纳米粒。在该制剂中磷酸氯喹的释放受扩散控制，并随温度升高而升高。在纳米粒中加入交联剂戊二醛可降低药物的释放速率；明胶的类型影响释放曲线，B型明胶纳米粒比A型明胶具有更高的药物释放能力[5]。

Kumar等[6]使用一步去溶剂法制备了包载治疗疟疾药物磷酸氢氧奎酮的半乳糖化明胶纳米粒（Gel-LA-PQ-NP），该纳米粒平均粒径为93.4 nm，zeta电位为4.80 mV，药物包封率为69.90 %，电镜下纳米粒呈均匀分布的球形。该纳米粒可控制药物缓慢释放，溶血性明显小于游离药物。体外抗疟原虫试验显示，对血液期的无性繁殖恶性疟原虫3D7菌株，Gel-LA-PQ-NP 的IC50值（2.862 μmol/L）明显小于游离药物的IC50值（3.879 μmol/L）。Gel-LA-PQ-NP的体内药动学参数如半衰期和药时曲线下面积（AUC）明显增大，即具有更高的生物利用度。动物体内研究表明纳米粒的半乳糖基化使药物能产生肝靶向，Gel-LA-PQ-NP到达肝脏的药物量是游离药物的8倍。

Lee 等[7]通过乳化（O/W/O）-溶剂扩散法制备了包载紫杉醇（PTX）的明胶纳米粒，以亚油酸作为油相。载药纳米粒平均粒径为164.55 nm，多分散系数为0.074，zeta电位-23.85 mV。透射电镜显示包载的紫杉醇主要位于明胶纳米粒的内部。 因此，在蛋白降解酶存在条件下，纳米粒中药物在50 h内释放缓慢，无突释现象，由于蛋白酶对明胶的降解作用，50～70 h内药物产生较快的释放。该纳米粒对紫杉醇的载药量为54.5 %，表明这种乳化（O/W/O）-溶剂扩散法比仅用去溶剂化法制备的明胶纳米粒对紫杉醇有更高的载药量。

Sabet等[8]研究了一种与丙型肝炎病毒基因型4a（HCV4a）的非结构蛋白2（NS2）基因结合的稳定的明胶纳米粒，作为安全有效的疫苗递送系统。该明胶纳米粒粒径150 nm，zeta电位为+17.6 mv；将NS2基因与明胶纳米粒结合（conjugated），通过共聚焦激光扫描显微镜进行标记和成像来证实二者的结合，并通过蛋白质印迹验证重组NS2蛋白的抗原性。实验表明基因-纳米粒复合物转染到大肠杆菌DH5-α中的效率比单独使用NS2基因的转化效率高50 %。另外，比例为1:100（w/w）的基因-纳米粒结合复合物对大肠杆菌DH5-α的转染效率高于其他比例[1:50，2:50（w/w）]。

2 微球

明胶微球作为多种药物的载体系统被广泛地研究，并由于粒径等原因可产生肺部的靶向作用。

Solorio等[9]开发了装载有转化成长因子（TGF-b1）的自组装明胶微球系统，作为一种促进人骨髓间质干细胞（hMSC）培养形成新软骨组织的手段。除了能产生具有优越机械性能的人骨髓间质干细胞层外，该微球系统能在植入人骨髓间质干细胞前减少必需的培养时间，并可通过人骨髓间质干细胞层持续局部暴露于微球中的生长因子来避免体内软骨形成表型丧失的问题。

明胶微粒在肺部给药方面表现出许多优点，例如明胶微球可在肺上皮细胞大量分布及所包载生物活性分子对感染细胞具有高效性。利福平和异烟肼能用于治疗肺结核，但是其毒副作用较大，并且可能产生耐药性。将这些药物包载于明胶微球中可确保持续的药物递送至肺部，减少治疗剂量，延长作用时间，从而改善患者的依从性。因此，开发了基于明胶与异烟肼共价结合并含利福平的新型聚合物微球体系。结果显示，该微球表现出较低的细胞毒性，利福平与异烟肼的载药量分别为51 %和22 %，并具有良好的雾化效果，有利于抗结核药物的肺部递送[10]。

Madan等[11]研制了包载抗癌药物诺斯卡品（noscapine）的空间稳定的明胶微球，用于靶向治疗人非小细胞型肺癌。体外释放研究表明该微球制剂遵循一级释放动力学，开始时有突释现象，随后药物释放缓慢。体外细胞研究表明，与游离的诺斯卡品相比，载药明胶微球的IC50大约降低了3倍。动物体内实验表明明胶微球制剂延长了诺斯卡品的释放，其血浆半衰期增加了约9.57倍，约48 %的药物浓集于肺部。

3 水凝胶

水凝胶可利用几种合成的或天然的聚合物制成，合成的聚合物包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙烯醇，天然的聚合物如壳聚糖、明胶和藻酸盐。Oun等[12]研制了一种由明胶、聚乙烯醇组成的水凝胶包载抗癌药物顺铂作为缓释给药系统。体内实验表明，含低剂量顺铂的水凝胶和传统腹腔注射的高剂量游离顺铂在抑制肿瘤生长方面同样有效。这可以减少药物的不良反应，提高患者在治疗期间的生活质量。

明胶/甲基丙烯酰（GelMA）是一种廉价的生物相容的水凝胶，为了改善物理化学性质使其更加模拟细胞外基质，Rahali等[13]在光聚合过程中将油菜籽纳米脂质体和纳米乳液滴并入GelMA的水凝胶网格中，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）和酶促降解反应等考察了其对水凝胶的理化和机械性能的影响。发现将纳米粒子添加到GelMA中可改善水凝胶表面性质（孔隙率），调节凝胶基质膨胀和降解性能。但纳米乳并没有显著改变剪切和压缩的机械性能，而纳米脂质体的加入则降低了压缩条件下的杨氏模量（Young’s modulus）。该实验表明可通过选择纳米粒子（纳米脂质体或纳米乳液）的类型来控制明胶水凝胶材料功能化的设计。

Jo等[14]合成了含胶原结合基团的生物活性钙积聚肽（calcium accumulating peptide，CAP），其可诱导成骨分化。在H2O2/辣根过氧化物酶存在条件下，使用CAP中的酪氨酸残基将多肽与以明胶为基质的酶促交联的羟苯基丙酸水凝胶进行化学键合，并将人牙周膜干细胞（PDLSC）包载到化学键合的CAP水凝胶中，以测试骨形成的速度。 体外实验表明CAP水凝胶可诱导PDLSC周围的骨矿化，增加体外成骨标志物的表达。植入动物后4周时发现在颅骨缺损处恢复了骨层。表明可注射的CAP水凝胶支架系统可作为潜在有用的工程微环境以增强骨修复，也可用作组织再生治疗中干细胞的生物活性递送载体。

Ngo等[15]将甲基丙烯酰胺-明胶水凝胶作为微环境研究了透明质酸与胶质母细胞瘤细胞（GBM）共培养对内皮细胞网络形成的影响，进一步说明了GBM诱导的血管选择性改变、退化和随后的血管生成强烈地影响了GBM的入侵。

4 纺丝纤维

由于与天然细胞外基质的结构形态相似，聚合物纤维可用于生物医学中如组织工程基质和伤口愈合贴片等。 近年，使用静电纺丝制备聚合物纳米纤维的发展，引起了生物医学领域的高度重视。通过静电纺丝生产的纤维可形成具有较高表面积，高孔隙率和可控尺寸的多孔网络。作为药物载体，能增加药物在水溶液中的溶解度，并提高药物的疗效。许多参数如溶液性质、温度和湿度等都会影响纳米纤维的形态，从而影响药物的释放速率[16]。

Meng等[17]使用聚（D, L-丙交酯-共-乙交酯）（PLGA）和明胶混合物通过静电纺丝技术制备包载有非甾体抗炎药芬布芬（fenbufen）的纳米纤维支架。结果表明，明胶含量的增加提高了PLGA /明胶支架的亲水性，增加了芬布芬的释放速率。交联剂戊二醛的加入可降低药物的释放速率。Del等[18]研究了载有人血管内皮生长因子（VEGF）的京尼平交联明胶纤维对诱导早期血管生成的作用。表明载有VEGF的明胶纤维可诱发人骨髓间充质干细胞的存活力、内皮分化和化学吸引的性能，并可诱发血管生成的潜能以刺激新生血管的形成。

Topuz等[19]研究了具有可调整纤维形态的明胶静电纺丝，可实现从圆形到扁平/带状的形态调节。发现施加的电压和明胶浓度的改变可使纤维形态从圆形转变为扁平/带状。随着施加电压和明胶浓度的增加，溶剂（甲酸）会从纤维基质中快速蒸发，从而形成扁平形纤维；甲酸在整个纤维横截面上的稳定蒸发则形成圆形纤维。广角度X射线散射（WAXS）分析显示静电纺丝形成后明胶中三螺旋晶体结构消失。在静电纺丝制备过程中加入甲苯2,4-二异氰酸酯（TDI）可使明胶纤维交联，X射线光电子能谱（XPS）证实由于加入TDI，交联纤维元素组成中碳的含量增加。

Laha等[20]将包载药物（胡椒碱）的明胶纳米纤维网夹在另一种非载药明胶纳米纤维基质（作为扩散屏障）中进行交联，形成交联复合物。首先对复合物的降解、形态学、药物-聚合物相互作用，热稳定性等进行了研究，并对所制备的多层电纺纳米纤维网状物进行表征，然后研究了其在不同生理pH下的药物释放动力学。结果表明，通过优化扩散屏障和交联工艺，可实现长达48 h的零级药物持续释放，并可灵活地根据治疗需要改变药物的载药量。这项工作证实了生物聚合物的多层纳米纤维网可作为疏水性药物的递送载体，并可实现零级释放以延长药物作用时间。

Liu等[21]研究了从猪皮明胶（PG）和高分子量鱼皮明胶（HMWFG）通过溶液吹塑（SBS）方法获得食品级明胶纳米纤维的条件参数。将具有不同布卢姆值（Bloom value）、溶液黏度和表面张力的PG经SBS产生纳米纤维的能力与HMWFG进行对比，发现无论加工条件如何，HMWFG都能被制成纳米纤维，其形态类似蓬松的棉花糖，可能的原因是HMWFG相较于PG有较完整的胶原结构。在中等明胶浓度、中等空气压力和中等进料速率下，HMWFG纳米纤维呈圆形，直径分布较窄，平均纤维直径（AFD）较低。在中等浓度、中等气压和高或低进料速率下获得最高的玻璃化转变温度（Tg）值。经响应面分析知，在浓度为17.6 %（w/v），空气压力为0.379 MPa，进料速率为0.06 ml/min条件下可制备AFD为80.1 nm和最高Tg值为59.0 ℃的最薄HMWFG纳米纤维。表面积可从221 m2/g增加到237 m2/g，表明它们有望应用于活性化合物的载体。

Gao等[22]采用静电纺丝技术制备了以明胶为基础的复合纤维膜，用作骨支架材料。该复合纤维包括壳聚糖，明胶，羟基磷灰石（HA）和氧化石墨烯（GO）。Gao等研究了组分浓度对复合纤维的形态、抗菌性能和蛋白质吸附性能的影响。发现复合纤维对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出有效的抗菌活性，在pH 5.32～6.00时对牛血清白蛋白（BSA）的吸附能力高于pH 3.90～4.50或7.35时的吸附能力。随着BSA初始浓度的增加，复合纤维表面的蛋白吸附量增加，在20 min时达到吸附平衡。

5 结论

作为生物相容、生物降解的多功能聚合物，明胶用作药物载体的研究已取得长足的进步，通过对药物的包载及靶向递送，能显著改善药物的体内药动学参数、提高疗效、降低其毒副作用，但其作为药物微纳米载体在体内的过程如组织分布、降解、毒性及规模化生产等方面尚需进一步研究。相信随着科学技术的发展，明胶作为微纳米药物载体在不远的将来一定能用于临床，发挥其良好的药物传递作用。