壳聚糖作为药物载体在医学领域中的应用

1、壳聚糖作为药物载体在医学领域中的应用摘要：壳聚糖的理化性质、生物活性以及安全性都符合作为药物载体的标准，药物包封于壳 聚糖后其释放主要决定壳聚糖的生物降解和溶蚀，控制药物释药的浓度和时间，使药物的释 放时间明显延长，对疾病治疗另辟了新的方法和途径。关键字：壳聚糖药物载体医学应用刖言作为新型药物输送和控释载体，可生物降解的聚合物纳米粒子，特别是基于多糖的纳米 微球和纳米微囊，因其具有良好的生物相容性、超细粒径、合理的体内分布和高效的药物利 用率，近年日益受到广泛关注。可生物降解聚合物纳米微粒不仅可增强药物的稳定性、提高 疗效、降低毒副作用，而且可有效地越过许多生物屏障和组织间隙到达病灶部位，从而

2、更有 效地对药物进行靶向输送和控制释放，是包埋多肽、蛋白质、核酸、疫苗一类生物活性大分 子药物的理想载体1。壳聚糖是一种生物可降解的高分子聚合物，由于其良好的生物可降解性、对生物黏膜较 强的黏附性、无毒性及组织相容性，是一种理想的药物载体。由壳聚糖制备的纳米微球可以 能够提高药物的稳定性、提高了疏水性药物的溶解度、改变给药途径、增加药物的吸收、提 高药物的生物利用度、降低药物的不良反应等特点；也可以缓释、控释、靶向释放药物等。 因此，壳聚糖纳米微球作为药物载体有着巨大的应用潜力。1.1壳聚糖的物理化学及生物学性质随着对其物理化学和生物特性的不断揭示，壳聚糖基纳米微粒现已被认为是一类极具应 用前

3、景的药物控释载体，特别适用于具有生物活性大分子药物的包埋和释放。从技术角度来 看，壳聚糖最重要的优势在于它的可溶性和带正电性，这些特点使其在液态介质中可与带负 电荷的聚合物、大分子甚至一些聚阴离子相互作用，由此发生的溶胶-凝胶转变过程则可方 便地用于载药纳米微粒的制备；从生物药剂角度来看，壳聚糖纳米微粒具有附着在生物体粘 膜表面的特性，这使得它尤其适用于粘膜药物的靶向输送。黄小龙等2通过实验证明了壳聚 糖纳米粒子能打开小肠上皮细胞间紧密的节点，使大分子药物更易越过上皮组织、增加药物 在小肠内的吸收；Luessen等用壳聚糖纳米微粒包埋多肽类药物-布舍若林，发现药物在小 鼠体内吸收的生物利用度达

4、5.1%，而未被包埋药物的生物利用度仅为0.1%。纯净壳聚糖为白色或灰白色，半透明的片状固体。主要特性有：（1）不溶于水和碱性溶 液，可溶于低浓度无机酸或某些有机酸溶液。在稀酸中壳聚糖的步1，4糖苷键会慢慢水解， 生成低分子壳聚糖，溶液呈黏稠状。（2）壳聚糖在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有很强 的吸附性。（3）壳聚糖的溶解性与脱乙酰度、分子量、黏度有关，脱乙酰度越高，相对分子 质量越小，越易溶于水；相对分子质量越大，黏度越大。壳聚糖是为N-乙酰-D-葡糖胺和D-糖胺的共聚物，由甲壳素碱化脱乙酰基所得，其结构 类似于纤维素。壳聚糖含有游离氨基，呈弱碱性，不溶于水和有机溶剂，但溶于酸性溶液。 K

5、ATO等发现壳聚糖的氨基能与芳香醛或脂肪醛反应生成西佛碱。因此，可用具有双官能 团的醛或酸酐与壳聚糖交联，交联产物不易溶解，溶胀也小，性质较稳定。壳聚糖除具有良 好的生物黏附性、生物相容性、免疫刺激活性、抗肿瘤外，还具有抗酸、抗溃疡、降血压、 降血脂、抗菌、抗凝血、抗心律失常等作用。作为一种阳离子型高分子聚合物，壳聚糖可以通过化学交联、静电吸附等作用方式把药 物包裹起来，在药物表面形成一层半透膜，药物释放的时候要克服大分子骨架的阻碍，使药 物释放时间显著延长，从而达到缓释控释的目的。壳聚糖具有良好的生物相容性，进入人体 后可被人体吸收，且不引发免疫排斥反应，其降解产物为寡聚糖和单糖，终产物为C

6、O：和H： 0,安全无毒。除了具有良好的成膜、絮凝、黏膜吸附等特性外，壳聚糖还具有降血压、降 血糖、降血脂、抗菌、抗肿瘤、抗凝血、抗心律失常等作用园。另外，壳聚糖来源广泛，价 格低廉，是一种理想的药物载体。1.2壳聚糖微球的缓释机制壳聚糖微球中药物的释放一般认为有以下3种机制：1、扩散：即位于壳聚糖微球表 面或靠近微球表面的药物分子扩散到介质或组织中，形成药物的初次爆释，此过程基本上足 物理过程，符合Higu-chi释药规律。2、壳聚糖的溶解：溶解速率取决于壳聚糖的性质、介 质的组成、pH值、体积和温度等。3、壳聚糖的降解：被体内的溶菌酶、胃蛋白酶降解，成 为体内的代谢产物，使药物释放出来，但

7、仍需溶解及扩散才能进入体液。1.3影响壳聚糖微球中药物缓释效果的因素7-91.3.1壳聚糖与药物的比值药物的相对含量愈少，药物被包裹得愈紧密，药物的释放速率通常也就越慢；反之，则 释药速度越快。因此，药物的释放速率叮借助壳聚糖的用量来调节。1.3.2交联度在采用乳化-交联法制备壳聚糖微球时，壳聚糖的交联度越大，即交联剂用量越多，交 联时间越长，则粒子越紧密，药物释放速率越低。1.3.3壳聚糖相对分子质量在交联度与脱乙酰度一定的情况下，壳聚糖相对分子质量越大，则形成的网络越疏松。 因此，缓释药物释放速率随相对分子质量的增大而增加。1.3.4壳聚糖脱乙酰度极性分子药物与壳聚糖之间存在一定的结合力，

8、脱乙酰度越大时，结合力越大，缓释效 果越好。但是当脱乙酰度超过90%时，药物的释放性能变化不大。1.3.5粒度药物与壳聚糖载体的比例当两者材料比例恒定时，药物的颗粒愈小，表面积愈大，药物的释放速率就愈快。1.3.6缓释介质由于壳聚糖易溶于酸性溶液，所以介质的pH值对药物的释放性能影响较大。释放介质 的pH值愈小，药物的释放速率就愈大，即在高pH介质环境里缓释效果好。此外，释放介质 的组成和离子强度等对药物的释放性能也有一定的影响。另外，药物的性质、药物释放速率测定方法等也影响壳聚糖微球中药物的缓释效果。2壳聚糖药物载体的制备方法微球的制备方法足控制微球内药物释放的关键。目前，壳聚糖微球的制备研

9、究方法主要 有共价（乳化）交联法、离子诱导法、反相微乳法、沉淀/凝胶法、喷雾干燥法、大分子复 合法、自组装法7种方法。2.1共价（乳化）交联法利用壳聚糖分子链上的氨基或羟基与一些化学交联剂反应的特性，可在一定条件下制备 出壳聚糖类药物纳米载体Ohya1994年首次以戊二醛为交联剂，运用乳化交联法制备了表 面带有阴离子多糖NAPGA的氟尿嘧啶壳聚糖微球，可被细胞表面特殊的受体识别，此种微球 对肝癌细胞有特殊亲和力和抗癌作用。该法具体为：将药物溶解或分散于壳聚糖醋酸溶液， 作为水相；将加入含有表面活性剂的乳化剂作为油相；在一定的搅拌速度下，将水相缓慢滴 入油相中，形成W/O型乳剂，再加入不同剂量的

10、戊二醛、甲醛等交联剂，形成的微球经过滤 或离心，并用适宜的溶剂洗涤，干燥，即得壳聚糖微球。这些开创性工作显示了合成稳定性 和重现性好、能包埋及释放药物的壳聚糖纳米载体材料的可行性。该法存在一些不足：戊二 醛作为交联剂，有一定的毒性和刺激性，可与一些药物反应使被载药物失效，同时也会对细 胞的存活率产生不利影响。使用新的化学交联剂如甘油醛等可有效解决此问题。2.2离子交联法离子交联法是目前壳聚糖纳米粒制备中最常使用的方法。壳聚糖溶于醋酸溶液中其氨基 基团发生质子化，带有大量正电荷，在电磁搅拌下，用针头（或喷嘴）滴入（或喷入）一定 浓度的阴离子溶液，对壳聚糖进行离子诱导凝胶化，即可制得纳米粒。离子交

11、联法在室温条 件下可进行，不使用有机溶剂，可通过调整壳聚糖溶液浓度、pH值及壳聚糖与阴离子凝胶 剂的质量比调整粒径范围，冻干后复原可以保持球的完整性和药物成分的活力。常用的阴离 子凝胶剂有：三聚磷酸钠、柠檬酸钠、硫酸钠等。Huang等10合成了包埋人类细胞A549的 壳聚糖纳米微粒；De Campos等11制备出壳聚糖纳米粒子用于治疗外眼球疾病药物CyA，通 过眼球粘膜的输送，提高了药效。值得一提的是，通过离子诱导法制备的壳聚糖类纳米载体特别有利于多肽、蛋白质、疫 苗、寡核苷酸一类大分子药物的输送。究其原因，这不仅是因为纳米载体的形成是在极其温 和的条件下进行且其粒径大小、表面电荷、药物释放速

12、率可方便地通过改变条件和粒子组分 进行调控，而且还因为它通常具有高的药物包埋率及可保留药物的活性和完整性。2.3沉淀/凝胶法Berthold等12于1996年首次提出使用硫酸钠为沉淀剂制备壳聚糖微粒。在壳聚糖的 醋酸溶液中，加入吐温原愿园作为分散剂，将硫酸钠溶液滴入搅拌的壳聚糖溶液中，超声处 理，通过溶液的浊度来判定微粒的形成。可通过选择不同分子量的壳聚糖、调节搅拌速度及 超声强度制备不同粒径的纳米微球。2.4反相微乳法Mitra等幽2001年首次使用反相微乳法制备了负载右旋糖苷-多柔比星的壳聚糖纳米微 粒。W/O反相微乳法同乳化交联法相似，唯一不同的是水相被表面活性剂包裹形成微水滴分 散于油

13、相中。本法通过控制微水滴的大小，控制纳米微粒的大小。2.5喷雾干燥法喷雾干燥法是在惰性热流中，将一定比例的药物壳聚糖稀醋酸溶液，或与油相形成O/W、 W/O/W、O/W/O乳液进行喷雾后加入交联剂或直接热固化成球。一般说来，乳化喷雾获得的 微球粒径分布较窄Mi等14报道，以京尼平为交联剂通过喷雾干燥法，制备了一种低毒性 的注射用壳聚糖基质给药系统。研究结果表明，与戊二醛交联的壳聚糖微球相比，京尼平交 联的壳聚糖微球有更好的生物相容性和更慢的降解速率，适用于长效靶向控释制剂，是一种 合适的用于长循环注射给药系统的聚合物载体。喷雾-液体凝聚法是对喷雾干燥法的进一步改良，系将液体成分雾化成小液滴，在

14、溶剂 中凝聚形成固体颗粒的过程。此法制备的壳聚糖微球是酰化壳聚糖微球，因酰化壳聚糖微球 是疏水性的，从而降低了微球的吸胀能力，克服了喷雾干燥法制备的壳聚糖微球释药快的缺 陷，达到延缓药物释放的目的。2.6大分子复合法将荷电相反的阴离子聚合物同壳聚糖在溶液中进行复合，借两种聚离子之间的相互作用 也可在一定条件下形成壳聚糖基载药纳米微粒。据此，Hu等1最近采用两种途径制备了包 埋丝缩氨酸、粒径介于50400nm的壳聚糖/聚丙烯酸复合型纳米载体：一种途径是先将壳 聚糖溶解于所需浓度的丙烯酸单体溶液中，然后加入引发剂进行模板聚合；另一种途径则是 将聚丙烯酸溶液直接滴加到壳聚糖乙酸溶液中。随着反应的进行

15、，壳聚糖分子链上的质子化 氨基与聚丙烯酸分子链上的羧基借库仑力作用产分子内和分子间的相互连接，进而使得壳聚 糖分子链发生卷曲和收缩，导致壳聚糖溶液凝胶并纳米粒子化。研究发现，由此制得的纳米 微粒在pH值为48的酸性和中性条件下非常稳定，而在pH值大于9的碱性条件下发生聚 集。较之直接滴加制备法，模板聚合法更易控制所得微粒的大小、表面形貌和结构。体外释 放实验表明，这些载药纳米微粒能提供直到lOd的连续释放，且具有pH敏感特性，尤其适 合用作药物在胃道内的控制释放。2.7自组装法经化学改性的壳聚糖在溶液中有自簇集组装特征，可以在一定条件下制备出壳聚糖纳米 微粒。Ohya等15通过壳聚糖分子链上酰

16、胺基将聚乙二醇(PEG)接枝到壳聚糖骨架链上，发现 在碱性条件下壳聚糖骨架链表现出疏水性而接枝上的PEG支链表现出亲水性，进一步研究表 明，两亲性的改性壳聚糖可在溶液中发生胶束化作用形成自簇集组装结构、进而得到核壳型 纳米粒子。由于所得壳聚糖纳米微粒表面存在大量亲水性或离子基团，象胰岛素、多肽、蛋 白质一类亲水性较强的大分子药物，便容易通过氢键或静电相互作用结合在该微粒表面。依 赖于PEG接枝支链的长短，所得纳米微粒的粒径大小可在50-150nm范围内进行调控，且随 着亲水支链长度的增加，壳聚糖纳米粒子的粒径逐渐减小。3壳聚糖药物载体缓控释系统壳聚糖具有理想的药物载体的特点，即它能使药物充分发

17、挥药效，保证血药浓度维持恒 定，保护药物免受体内生物酶降解，并具有良好的生物降解性和生物相容性，无毒副作用等 特征。3.1控释系统由于壳聚糖及其衍生物具备海绵状特殊结构和溶解性，且降解产物不含任何对人体有害 的物质，已应用于控制药物持续释放、改善药物的溶解性和吸收性等方面，作为药物可控制 释放载体的壳聚糖已展现出诱人应用前景。Chen等16通过改变壳聚糖微粒的交联程度和负载氯氮平的量达到了优化药物包封率、 微粒大小和释放度的目的。研究了微粒在体内的吸收动力学，在pH7.4磷酸盐缓冲溶液中 体外控制释放达12h。3.2缓释系统壳聚糖作为缓释剂可使药物的释放受到控制，血药浓度平稳，并保持在有效浓度

18、范围内， 延长有效时间而不出现毒性。而且壳聚糖制成的缓释剂在胃肠内可以延长滞留时间，提高药 物的生物利用度。目前研究的缓释剂型有：颗粒剂、片剂和胶囊剂等，随着研究的不断深入, 壳聚糖将在缓释系统得到广泛的应用。4壳聚糖作为药物载体在医学领域中的应用4.1壳聚糖作为肿瘤药物载体目前，临床上应用的抗癌药物多因其半衰期短、毒副作用大等特点，导致其在体内抗痛 作用并不理想。经壳聚糖负载的抗癌药物的作用时间显著延长，并且壳聚糖本身就具有抗肿 瘤的特性，它作为抗癌药物的载体和抗癌药物共同使用后，能够明显地提高药物疗效并降低 药物的毒副作用，是抗癌药物的理想载体。壳聚糖作为抗癌药物载体的优势：1、有利于药物

19、的缓释和控释，壳聚糖在酸性介质中 膨胀形成黏稠物质可阻滞药物扩散和溶出，药物的释放主要取决于壳聚糖的生物降解及溶 蚀，因此药物的释放明显延长。2、提高药物的生物利用度。3、提高化疗药物的靶向性，纳 米微粒比血红细胞还小许多，可透过肿瘤血管不连续的血管内皮间隙，达到肿瘤组织，而壳 聚糖氨基的阳离子可与细胞膜表面的阴离子及细胞间紧密连接的阴离子相结合，从而打开紧 密连接，被肿瘤细胞摄取进入细胞内，将所包含的化疗药物在细胞和(或)亚细胞水平释放。 4、降低药物的不良反应，由壳聚糖纳米粒载体所负载的药物大部分被运送到作用部位方缓 慢释放药物，而在其他部位的分布量较少，减少了药物对正常组织的不良反应。此

20、外，壳聚糖还具有直接抑制肿瘤细胞、与吸附肿瘤细胞表面负电荷、电中和及活化免 疫系统的作用，从而与抗肿瘤药物发挥协同作用。壳聚糖微球靶向作用于肿瘤组织，加强药物的通透性和滞留性，提高药物的稳定性及生 物利用度，降低全身血药浓度，减少不良反应的发生。黄河宁等1选用壳聚糖为微米粒包 被材料，制备茶多酚锰(Tea Polyphenol Manganese，TPMn)-壳聚糖微球。用荧光显微技术 研究了 TPMn-壳聚糖微球的荧光特性，用扫描和透射电子显微镜证实TPMn-壳聚糖微球尺寸 和分布规律。RP-HPLC定量分析TPMn-壳聚糖微球包封率为68%，符合微米级微粒控释药物 包封率的要求。动力学研究

21、结果表明，茶多酚(TP)-壳聚糖和TPMn-壳聚糖的微球均有控释 TP的能力，控释时间高达40h以上，但前者释放速率稍快于后者。TPMn和TPMn-壳聚糖微 球均能诱导肝癌细胞凋亡，但TPMn-壳聚糖微球诱导肿瘤细胞的凋亡速率稍高于TPM。以 TPMn-壳聚糖微球方式控释TPMn有利于提高诱导肿瘤细胞凋亡速率。TPMn-壳聚糖微球具有 研发成注射型抗肿瘤新药的可能性。4.2壳聚糖作为基因药物载体壳聚糖作为无毒、生物相容性好的多聚阳离子，具有较低的免疫源性，因此它是基因传 递系统好的选择，带有阳离子可以和带有阴离子的DNA有效的结合，并且保护它免受核酸酶 的降解，它有利于在准备期内不需采用超声波

22、生物降解和加入有机溶剂，因此使配位过程中 DNA可能受到的破坏最小化，而且装载DNA的壳聚糖微粒在储存时较为稳定，所以用壳聚糖 作为基因药物的载体具有重大意义。有研究报道，壳聚糖及其衍生物生物相容性好、可生物降解、可以有效地浓缩质粒DNA 保护其免受DNase的降解，此外壳聚糖作为基因转移载体还能够与具有特殊细胞作用的诸如 铁传递蛋白、右旋糖苷、半乳糖苷配位，从而提高基因治疗的效果。由此可以认为壳聚糖及 其衍生物是一种有效的非病毒性基因疫苗载体，将可能成为病毒性基因载体和阳离子脂质体 载体有效的替代载体，具有良好的研究价值和广阔的应用前景。基因工程药物转移运载体系必须解决以下问题：(1)确定目

23、标细胞的转移运载体系；(2) 通过细胞膜的传输；(3)内溶酶体的吸收降解；(4)在细胞内质粒DNA到细胞核的输送最 关键的问题是如何选择合适的载体对病变组织有选择性且能高效率协助目的基因进入目的 细胞的低毒基因载体18但是，壳聚糖用于基因传染载体由于它的低转染效率而受到限制。基因治疗在替代功能障碍基因和肿瘤治疗方面具有良好的应用前景。在基因治疗过程中 最重要的是选择合适的基因载体。病毒性载体的转染率较高但也存在着免疫源性高、毒性大 等明显的缺点19。因此，有关非病毒类载体的研究更受关注。壳聚糖.因其良好的性质成 为非病毒类载体的研究热点。李大伟等%以壳聚糖为基质研究载基因纳米粒子的制备及其对血

24、管平滑肌细胞的转染 效率。制备载绿色荧光蛋白(Enhanced green fluorescent protein， EGFP)和组织因子途 径抑制因子(Tissue factor pathway inhibitor， TFPI)质粒DNA的壳聚糖纳米粒子，透射 电镜观察两种纳米粒子皆呈球形，光子相关色谱仪(PCS)测定显示纳米粒子的平均粒径为 149 nm,粒径分布在80250 nm之间；载基因纳米粒子的DNA包埋效率和DNA含量分别为 96%1.38%和37%3.0%。载基因壳聚糖纳米粒子可以有效地保护DNA，防止核酸酶对其的 降解作用。血管平滑肌细胞转染实验表明，纳米粒子对细胞基本无毒性

25、，其转染效率与阳离 子脂质体转染试剂LipofectAMINETM相近。对壳聚糖进行修饰不但能够提高细胞的转染率，还能够实现基因的靶向定位传递。体内 的一些细胞膜上有特殊的受体，在壳聚糖分子上连接与之相对应的配体，利用受体。配体之 间的有效结合就能够把基因导入到特定的细胞中，从而实现基因的靶向运输。常用的改构修 饰壳聚糖有咪唑丙烯酸修饰的壳聚糖、聚乙二醇接枝修饰的壳聚糖及琥珀酰壳聚糖等。刘劲 松等21采用冷冻干燥法制备不同比例的纳米羟基磷灰石/壳聚糖-明胶(n-HA/CS-Gel)三维 多孔支架材料，加入含骨形态发生蛋白-2(BMP-2)基因的质粒后再次冷冻干燥，制成具有基 因缓释功能的组织工

26、程支架材料。对支架材料的形貌结构、力学性能、体外降解特性、质粒 的体外释放特性及质粒完整性进行检测。其实验结果显示:纳米羟基磷灰石均匀分散在支架 材料中，随着其含量的增加，孔隙率减少，抗压强度提高，在体外降解速度减慢。质粒DNA 在体外13d快速释放，并能够维持释放5周以上，随着纳米羟基磷灰石含量的增加，释放 时间延长，释放出的质粒DNA能够保持完整性。具有基因缓释功能的n-HA/CS-Gel支架材料 是一种有望用于临床的新型骨组织工程支架材料。在不同程度上提高了壳聚糖负载的基因药物的转染率，从而使壳聚糖载体在基因治疗领 域发挥重要作用；但是，由于基因类药物的作用机制十分复杂，涉及到的环节很多

27、，其临床 疗效还有待进一步深入考察。4.3壳聚糖作为生物大分子载药微粒载体疫苗、蛋白质类生物大分子药物在微球的制备、贮存和释放过程中，容易受到某些不利 条件影响而失活。壳聚糖属亲水性聚合物，可制得不同大小的微球，微球与药物结合过程中 可以避免有机溶剂的使用，阻止抗原蛋白质的变性；壳聚糖微球具有多孔结构，这使得抗原 蛋白质不仅町吸附在微球体的表面，而且能够嵌入其内部；壳聚糖微球还可以控制蛋白质类 药物的释放，提高抗原蛋白质的吸收。付加雷等22制备出壳聚糖。海藻酸钠/T扰素-tau微 粒。体外释放实验结果表明，该微囊在模拟胃液中的释放率低，而在模拟肠液中的释放率相 对较高，具有明显的肠溶缓释作用。另外，调节壳聚糖和海藻酸钠的浓度比，还可以改变微 囊释放药物的最适pH值，进而调节药物在胃肠道内的释放部位，以达到药物的最佳吸收利 用。4.4壳聚糖作为磁性制剂药物载体磁性制剂是指药物与铁磁性物质共同包埋于或分散于载体中，应用于有机体后利用外加 磁场的效应引导药物在体内定向移动和定位聚集的靶向体系