CN102212146B

CN102212146B - 一种侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物

Info

Publication number: CN102212146B
Application number: CN 201110110986
Authority: CN
Inventors: 钟志远; 李玉玲; 刘兆忠; 周磊; 孟凤华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Borui Biomedical Suzhou Co ltd; Brightgene Bio Medical Technology Co Ltd
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2029-07-23
Also published as: CN102212146A

Abstract

本发明公开了侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物及其制备和应用，所述侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物为两亲聚合物，所述两亲聚合物的主链为亲水性聚合物，侧链为硫辛酰基，硫辛酰基与亲水性聚合物中的羟基或胺基缩合形成酯键或酰胺键；可以通过对两亲聚合物自组装形成的纳米粒子进行交联，得到稳定的交联的还原敏感的聚合物纳米粒子，使得纳米粒子在细胞外和血液中不易解离，从而保证纳米粒子包封的药物稳定；一旦进入肿瘤细胞，纳米粒子则快速解交联而解离，药物快速释放出来，产生高效治疗作用；克服了药物在体内易被泄漏、运载效率低、细胞内释放慢等不足。

Description

一种侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物

本申请为申请号为200910181922.6的中国发明专利申请的分案申请，原申请的申请日为：2009年7月23日，申请号为：200910181922.6，发明名称为：侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物及其制备和应用。

技术领域

本发明涉及一种改性亲水性聚合物，具体涉及一种侧链用硫辛酸修饰的亲水性聚合物。

背景技术

由双亲性聚合物利用分子间的相互作用在水中可以自组装形成聚合物纳米粒子（Nanoparticles）。纳米粒子作为药物载体进入体内,可以有效地减少人体网状内皮系统（RES）巨噬细胞的吞噬，能穿越细胞间隙，可通过人体最小的毛细血管及血脑屏障（BBB）并被细胞组织吸收。纳米粒子药物载体可以控制药物在靶向部位控制释放、减少药物用量、增强药物疗效并降低药物毒性。同时，纳米粒子系统可以避免药物活性丧失，有利于药物的贮藏和运输。因为纳米粒子的诸多优点，使其在药物的控制释放上具有巨大应用潜力。

在亲水主链上连上各种疏水链段得到双亲结构，是制备两亲聚合物的常用方法之一，常见的亲水主链包括聚乙二醇（PEG）或聚氧乙烯（PEO），多糖类物质如葡聚糖，水溶性壳聚糖或低分子量壳聚糖（chitosan oligosaccharide, CSO）等。常用的可生物降解的疏水链段包括聚酯（聚己内酯，聚丙交酯等）和聚氨基酸（如聚β-苯甲酰-L-天冬氨酸、聚γ-苄基-L-谷氨酸和聚天冬氨酸等）。作为亲水主链，聚乙二醇（PEG）是pH中性、无毒、水溶性的聚合物，具有高度的亲水性和良好的生物相容性及血液相容性，并且没有免疫原性，而天然多糖葡聚糖来源广泛，重复单元中有多个羟基，易于改性。例如，有文献报道分别以缩醛（Bachelder, et al. J. Am. Chem. Soc.，2008, 130:10494-10495）和聚己内酯(Gref, et al. Macromolecules, 2002, 35:9861-9867）对葡聚糖进行疏水改性，研究其在溶液中的自组装行为和生物医学应用。水溶性壳聚糖或低分子量壳聚糖是壳聚糖的衍生物，重复单元中有众多官能团，如羟基和氨基，易于改性，加之良好的水溶性和生物相容性而成为新型的药物载体。作为疏水链段，天然和合成的聚氨基酸具有良好的生物相容性，代谢产物对人体无害；而脂肪族聚酯包括PGA（聚乙交酯），PLA（聚丙交脂），PCL（聚ε-己内酯）因其生物降解性、生物相容性、很好的机械强度和极好的成膜性质，在药物释放及组织工程等方面得到广泛应用。

但是两亲聚合物通过自组装形成的聚集体如胶束、纳米粒、聚合物囊泡等药释载体往往不够稳定，注入体内由于大量稀释而解离，造成药物过早释放。化学交联是目前用来提高纳米药物载体稳定性的主要方法。交联可以是核交联，壳交联或界面交联（Joralemon, et al. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127: 16892-16899; Zhang, et al. Biomacromolecules, 2008, 9: 3321-3331; Xu, et al. J. Mater. Chem. 2009, 19: 4183-4190）。但是，对于理想的药物释放而言，需要的是一种对体内环境敏感的交联：即在体内非常稳定能长循环，进入细胞后，能对体内环境具有响应性而解除交联，将药物释放出来。近年来，设计具有环境（pH、温度，氧化还原环境等）响应性的纳米载体成为研究热点之一（Meng, et al. Biomaterials, 2009, 30:2180-2198；Li, et al. Macromolecules, 2008，41:6605-6607）。然而，到目前为止，还没见报道完全可生物降解的、环境敏感的、可逆交联的纳米药物载体。

发明内容

本发明目的是提供一种两亲聚合物。

为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种两亲聚合物，所述两亲聚合物的主链为亲水性聚合物，侧链为硫辛酰基。

上述技术方案中，所述亲水聚合物可选用的原料为本领域技术人员公知的原料，所述亲水性聚合物可选自但不限于：聚乙二醇(PEG)、葡聚糖、聚乙烯醇、水溶性壳聚糖或低分子量壳聚糖中的一种；所述的亲水性聚合物的分子量为1000～100000Da。

上述技术方案中，所述两亲聚合物包含的硫辛酰基侧链疏水，其中硫辛酰基的取代度（每个糖单元中硫辛酸的个数）为20～90%。

制备上述两亲聚合物的方法为本领域技术人员公知的技术，以葡聚糖-硫辛酸（Dex-LA）的制备为例来说明两亲聚合物的制备方法，Dex-LA聚合物可通过酯化反应方便得到：首先用DCC将硫辛酸活化为硫辛酸酐，然后将葡聚糖与硫辛酸酐反应，制备一系列不同硫辛酸取代度的Dex-LA，其合成路线如图1所示。

上述技术方案中，所述两亲聚合物中硫辛酰基的取代度可通过加入的葡聚糖与硫辛酸酐的比例、反应时间、反应温度等来调节。

上述技术方案中，由于将硫辛酰基作为疏水链段引入亲水聚合物的侧链，得到两亲性聚合物，所述两亲性聚合物可以自组装形成纳米粒，然后可以通过还原剂如二硫代苏糖醇（DTT）对硫辛酰基的五元环进行交联，来增加纳米粒子的稳定性，形成交联纳米粒子，这种交联纳米粒子对细胞内的还原环境敏感，能解除交联。

因此，本发明的另一目的为提供一种交联纳米粒子。为达到上述目的，本发明具体技术方案是，一种交联纳米粒子，所述交联纳米粒子由上述两亲聚合物构成，所述纳米粒子的外层亲水层由亲水性聚合物构成，内层疏水层由硫辛酰基的五元环交联构成。

上述技术方案中，所述交联纳米粒子的粒径为80～300纳米，粒径分布PDI为0.02～0.30。

制备上述交联纳米粒子的方法包括以下步骤：

(1)将上述两亲聚合物通过自组装形成纳米粒子，所述纳米粒子的亲水外层由亲水性聚合物构成，内层疏水层由硫辛酰基构成；

(2)将步骤(1)中纳米粒子的内层疏水层交联，通过对硫辛酰基的五元环的交联来稳定纳米粒子结构，得到交联纳米粒子。

上述技术方案中，步骤(1)中所述两亲聚合物在水中自组装形成以硫辛酰基为疏水部分的尺寸稳定，分布均一的纳米粒子，所述纳米粒子的粒径为80～300nm。

上述技术方案中，步骤(2)中所述的交联可采用但不局限于下列方法：

利用巯基-二硫键交换反应，通过1,4-二硫代-D, L-苏丁醇对步骤(1)所得纳米粒子中的含二硫键的五元环进行化学交联；其中，1,4-二硫代-D,L-苏丁醇（DTT）的用量为两亲聚合物中硫辛酰基的摩尔数的5～30%，纳米粒能够被成功交联。

上述技术方案所得交联纳米粒子的稳定性相对于没有交联的纳米粒子大大提高，即使稀释1000倍（模拟IV注射）也不发生解离；对150mM的氯化钠盐的水溶液稳定，粒径不变；对有机溶剂如二甲亚砜稳定，在一定范围内粒径只是稍有变大。

上述技术方案所得交联纳米粒子在还原环境中可以被解交联，用以解交联的还原剂可选自但不限于：含巯基的分子，如1,4-二硫代-D, L-苏丁醇（DTT），谷胱甘肽（GSH）或含三价磷的化合物，如三（2-氯乙基）磷酸酯（tris(2-carboxyethyl)-phosphine，TCEP）；例如当DTT的浓度为10mM的时候，上述交联纳米粒子会被解交联。

因为上述交联纳米粒子具有还原敏感性，所以可以应用所述交联纳米粒子作为药物载体，可提高交联纳米粒子对药物的包载效率，提高交联纳米粒子在体内血液中循环的稳定性，提高交联纳米粒子被肿瘤细胞内吞的效率，从而提高药物的生物利用度，同时交联纳米粒子可方便排除体外。

本发明的另一目的为提供上述交联纳米粒子的应用，所述交联纳米粒子作为药物载体的应用。

为达到上述目的，本发明的具体技术方案为，应用上述两亲聚合物作为药物载体的方法，包括以下步骤：

(1)药物先溶在有机溶液中，再与所述两亲聚合物的有机溶液共同搅拌，然后再滴加二次水，将得到的溶液搅拌0.5小时后透析，得到包裹药物的纳米粒子；

(2)利用巯基-二硫键交换反应，通过1,4-二硫代-D, L-苏丁醇对步骤(1)所得纳米粒子中的含二硫键的五元环进行化学交联；其中，1,4-二硫代-D,L-苏丁醇的用量为两亲聚合物中硫辛酰基的摩尔数的5～30%；

(3)步骤(2)中包裹药物的交联纳米粒子在还原性环境中，1,4-二硫代-D,L-苏丁醇含量大于等于2 mM时，解交联释放药物。

上述技术方案中，所述药物可选自但不局限于：疏水性药物中的一种。本领域技术人员可以根据需要选择所需包封的药物分子。

进一步技术方案中，为了解决药物释放中载体的细胞穿透/渗透性差的问题，通常可以通过受体介导的细胞内吞（receptor mediated endocytosis）来促进细胞摄取。受体介导的细胞内吞一般通过生物靶向分子如单抗、多肽（如RGD）、叶酸和一些维生素的主动靶向来实现细胞内吞，从而增加药物的生物利用度。

以Dextran-LA为例，在聚合物纳米粒子表面引入靶向分子半乳糖：首先通过Dextran与溴乙酸反应在Dextran表面引入羧基，然后与硫辛酸酐反应得到侧链用硫辛酸修饰的葡聚糖，再用DCC/NHS法活化Dextran上的羧基，再与半乳糖氨基衍生物反应即得到靶向载体。

优选的技术方案中，Dextran-LA(DS=80%)，其中，Dextran是自然界存在丰富的一种多糖，具有来源广，价格低廉，易于改性的优点；硫辛酸是FDA批准的一种内源性的抗氧化剂，可以去除机体自由基，降低血糖。因此整个体系具有非常优良的生物相容性。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

(1)由于本发明的两亲聚合物的疏水部分为硫辛酰基，因此可以通过对两亲聚合物自组装形成的纳米粒子进行交联，得到稳定的交联的还原敏感的聚合物纳米粒子，该纳米粒子在细胞外和血液中不易解离，从而保证纳米粒子包封的药物稳定；克服了药物在体内易被泄漏、运载效率低等不足。

(2)一旦进入肿瘤细胞，纳米粒子则快速解交联而解离，药物快速释放出来，从而产生高效治疗作用。

附图说明

附图1 实施例一、二、三中制备聚合物葡聚糖-硫辛酸（Dex-LA）的合成路线图；

附图2 实施例中所得聚合物Dex-LA自组装成纳米粒子、交联为还原敏感的聚合物纳米粒子的工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一，合成聚合物Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %)

氩气保护下，将硫辛酸（0.639 g，3.10 mmol）溶解在10mL二氯甲烷中，加入到50mL的Schlenk真空密封瓶中，通氩气条件下，溶解在5.0mL的二氯甲烷中的DCC（0.384g，1.86 mmol）加入密封瓶中，把瓶子放在30℃的油浴中，搅拌反应22小时后，冷却，过滤除去反应中生成的脲，滤液旋蒸，除去溶剂后得到硫辛酸酐。

将上面得到的硫辛酸酐加入经过无水处理的二甲亚砜3mL。在50mL的三口烧瓶中加入溶解在19mL二甲亚砜中的葡聚糖（Dextran）（0.25 g，1.55 mmol AHG）氩气保护下再依次加入硫辛酸酐及溶解在2mL二甲亚砜中的4-二甲氨基吡啶（0.189g，1.55 mmol），反应器放置在30℃的油浴中，搅拌反应48小时后，沉淀到冷的乙醇中，沉淀物用乙醇洗涤多次。真空干燥48小时，产率79 %。核磁结果表明其结构为Dex-LA，其中硫辛酸的取代度80%。

实施例二，合成聚合物Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 20 %)

氩气保护下，将硫辛酸（0.255 g，1.24 mmol）溶解在10mL二氯甲烷中，加入到50mL的Schlenk真空密封瓶中，通氩气条件下，溶解在5.0mL的二氯甲烷中的DCC（0.154g，0.74 mmol）加入密封瓶中，把瓶子放在30℃的油浴中，搅拌反应22小时后，冷却，过滤除去反应中生成的脲，滤液旋蒸，除去溶剂后得到硫辛酸酐。

将上面得到的硫辛酸酐加入经过无水处理的二甲亚砜3mL。在50mL的三口烧瓶中加入溶解在19mL二甲亚砜中的Dextran（0.25 g，1.55 mmol AHG）氩气保护下再依次加入硫辛酸酐及溶解在2mL二甲亚砜中的4-二甲氨基吡啶（0.076g，0.62 mmol），反应器放置在30℃的油浴中，搅拌反应48小时后，沉淀到冷的乙醇中，沉淀物用乙醇洗涤多次。真空干燥48小时，产率82 %。核磁结果表明其结构为Dex-LA，其中硫辛酸的取代度20%。

实施例三，合成聚合物Dex-LA(M _ndextran =70 kDa，DS = 40 %)

氩气保护下，将硫辛酸（0.352 g，1.71 mmol）溶解在10mL二氯甲烷中，加入到50mL的Schlenk真空密封瓶中，通氩气条件下，溶解在5.0mL的二氯甲烷中的DCC（0.212g，1.03 mmol）加入密封瓶中，把瓶子放在30℃的油浴中，搅拌反应22小时后，冷却，过滤除去反应中生成的脲，滤液旋蒸，除去溶剂后得到硫辛酸酐。

将上面得到的硫辛酸酐加入经过无水处理的二甲亚砜3mL。在50mL的三口烧瓶中加入溶解在19mL二甲亚砜中的Dextran（0.25 g，1.55 mmol AHG）氩气保护下再依次加入硫辛酸酐及溶解在2mL二甲亚砜中的4-二甲氨基吡啶（0.104g，0.86 mmol），反应器放置在30℃的油浴中，搅拌反应48小时后，沉淀到冷的乙醇中，沉淀物用乙醇洗涤多次。真空干燥48小时，产率78 %。核磁结果表明其结构为Dex-LA，其中硫辛酸的取代度40%。

实施例四，合成聚合物PEG-LA

氩气保护下，将硫辛酸（0.413g, 2mol）溶解在6ml二氯甲烷中，加入到25ml的 Schlenk真空密封瓶中，通氩气条件下，溶解在4ml的二氯甲烷中的DCC（0.249 g, 1.2mol）加入到密封瓶中，把瓶子放在30℃的油浴中，搅拌反应22h后，冷却，过滤除去反应中的生成的脲。

在25ml的Schlenk反应瓶中加入5ml二氯甲烷，0.5 g 支化PEG-NH₂（M _n = 14000, NH₂ = 0.5mol，平均每个PEG分子有14个NH₂），溶解后在氮气保护下，将上述滤液滴加到25ml反应瓶中。反应瓶放置在30℃的油浴中，搅拌反应24h后，在冷的无水乙醚中沉淀，沉淀物用冷的乙醚洗涤多次。真空干燥48h，得到淡黄色油固状物体。平均每个PEG接有14个硫辛酸。

实施例五，Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %)纳米粒子制备

聚合物Dex-LA纳米粒子通过透析方法制备。具体过程是：将2 mg 聚合物Dex-LA(DS = 80 %)溶在1 mL 二甲亚砜中，在25℃搅拌条件下，向其中滴加5 mL去离子水。得到的溶液搅拌1h后，装入预先准备好的透析袋中（SPECTRA/POR, MWCO: 3500），用去离子水透析24hr。纳米粒子145纳米，粒径分布为0.23。

实施例六，Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 20 %)纳米粒子制备

聚合物Dex -LA纳米粒子通过透析方法制备。具体过程是：将2 mg 聚合物Dex -LA(DS = 10 %)溶在1 mL 二甲亚砜中，在25℃搅拌条件下，向其中滴加5 mL去离子水。得到的溶液搅拌1h后，装入预先准备好的透析袋中（SPECTRA/POR, MWCO: 3500），用去离子水透析24hr。纳米粒子尺寸为262纳米，粒径分布为0.14.

按照实施例五和例六制备不同取代度的聚合物，并测试所得聚合物在二次水中形成的纳米粒子的尺寸和分布，结果如表1所示：

表1 不同取代度的硫辛酸修饰的葡聚糖纳米粒子

。

实施例七，PEG-LA（M _nPEG = 14000，平均每个PEG接有14个硫辛酸) 纳米粒子制备

聚合物PEG-LA纳米粒子通过透析方法制备。具体过程是：将1 mg 聚合物PEG-LA溶在1 mL 四氢呋喃中，在25℃搅拌条件下，向其中滴加2 mL 50 mM PB。得到的溶液搅拌1h后，装入预先准备好的透析袋中（MWCO 3500），用去离子水透析24hr。纳米粒子85纳米，粒径分布为0.25。

实施例八，Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %)纳米粒子交联

为了得到交联的聚合物纳米粒子，将实施例四中形成的聚合物纳米粒子（0. 1毫克/毫升）溶液调节pH至8.5，并通氮气10分钟，加入1 mg/mL 1,4-二硫代-D, L-苏丁醇 (DTT)78.8μL，将混合液在室温氩气保护条件下搅拌反应22小时。得到的交联的纳米粒子用去离子水透析，除去没反应的DTT。交联的纳米粒子尺寸为113纳米，粒径分布为0.16，对高度稀释（模拟静脉注射），生理盐度（150 mM），有机溶剂(DMSO)有显著的稳定性。

实施例九，Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %)纳米粒子交联

为了得到交联的聚合物纳米粒子，将实施例五中形成的聚合物纳米粒子（0. 1毫克/毫升）溶液调节pH至8.5，并通氮气10分钟，加入1 mg/mL 1,4-二硫代-D, L-苏丁醇 (DTT) 158 μL，将混合液在室温氩气保护条件下搅拌反应22小时。得到的交联的纳米粒子用去离子水透析，除去没反应的DTT。交联的纳米粒子尺寸为118纳米，粒径分布为0.20，对高度稀释（模拟静脉注射），生理盐度（150 mM），有机溶剂(DMSO)有显著的稳定性。

按照实施例八制备不同取代度的聚合物的交联的纳米粒子，并测试形成的交联纳米粒子的尺寸和分布，结果如表2所示：

表2 不同取代度的硫辛酸修饰的葡聚糖交联纳米粒子

。

实施例十：过量DTT使交联的聚合物纳米粒子解交联Dex-LA (M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %)

氩气保护下，将称好的DTT加到2.0ml交联了的Dex-LA聚合物纳米粒子（0.001毫克/毫升）的玻璃样品池中，使最终DTT的浓度分别是0，10mM，然后玻璃样品池用橡胶塞封住，摇晃均匀，置于37℃ 恒温摇床（200rpm）中，在选定时间、37 ℃下，通过动态激光光散射（DLS）来跟踪测定颗粒的粒径变化。结果表明，加10 mM DTT需要8小时使粒径从原来的220 纳米降到68纳米。

实施例十一：包裹模型小分子抗癌药物阿霉素及其DTT触发释放

聚合物Dex-LA(M _ndextran =20 kDa，DS = 80 %) (2 mg) 和阿霉素(0.2 mg)溶解在二甲亚砜中，搅拌1小时，在25 ℃搅拌条件下，向其中滴加5 mL去离子水。得到的溶液搅拌1h后，装入预先准备好的透析袋中（SPECTRA/POR, MWCO: 3500），用去离子水透析。

将形成的载药聚合物纳米粒子溶液取一半体积，调节pH至8.5，并通氮气10分钟，加入1 mg/mL 1,4-二硫代-D, L-苏丁醇 (DTT) 39.4μL，将混合液在室温氮气保护条件下搅拌22小时。交联的载药纳米粒子溶液用去离子水透析，除去没反应的DTT。

把载有DOX的交联NPs 用PB（pH = 7.4, 20mM）稀释50倍，分成两份：一个加入等体积DTT 的PB溶液（20mM），另一个只加入等体积的PB溶液，温度为37℃，这些溶液被马上分别转移到透析袋中，置于37℃ 恒温摇床（200rpm）中。前者被浸入25 mL 相同DTT浓度，相同温度的PB中，后者被浸入25 mL 相同温度的PB（20mM）中，到一定时间取6mL的透析袋外的透析液用来测定其荧光强度，并把6mL的相应的新鲜液体加入透析袋外。

DOX在聚合物纳米粒子中的包封率的确定：取一定量的交联和未交联的载药纳米粒子溶液，先通过冷冻干燥法将溶液中的水除去，然后加入0.5 mL DMSO超声1 h充分溶解冷冻干燥后的固体，取该溶液20 μL，加入3 mL DMSO，通过荧光测试，结合阿霉素的标准曲线计算包封率。

包封率 = （纳米粒子中阿霉素的质量/投入的阿霉素的质量）× 100 ％。

结果表明：DOX不影响纳米粒子的形成且尺寸基本不变，包封率为84%。载有DOX的交联纳米粒子在10 mM DTT、37℃下20 mM PB中，很快解交联，DOX在11小时内释放出约93% 。

Claims

1.一种两亲聚合物，其特征在于：所述两亲聚合物的主链为亲水性聚合物，侧链为硫辛酰基；所述亲水性聚合物为葡聚糖；所述亲水性聚合物的分子量为1000～100000Da；硫辛酰基的取代度为20～90%。