CN103483582B - pH响应的生物可降解聚合物囊泡及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种合成简便的pH响应性的三嵌段聚合物,该聚合物为A-B-C型嵌段共聚物,其中,嵌段A为聚乙二醇单甲醚(mPEG),分子量为2000Da;嵌段B为聚(ε-己内酯)(PCL),分子量为6000Da;嵌段C为聚谷氨酸(PGA),分子量为1000Da。本发明还公开了一种由pH响应性的三嵌段聚合物自组装形成的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,膜核由疏水嵌段PCL构成,膜内外壁由mPEG和PGA构成。本发明还公开了一种包封率和载药量高的包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,是由pH响应性的三嵌段聚合物包装亲水性药物而成的,所述亲水性药物选自盐酸多柔比星、盐酸米托蒽醌、盐酸柔红霉素、盐酸阿糖胞苷。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型药物载体及其制备技术,具体涉及pH响应的生物可降解聚合物囊泡及其制备方法与应用,属于高分子化学和药物生物医药工程领域。
背景技术
生物可降解聚合物囊泡由生物可降解的两亲性嵌段聚合物聚集而成。典型的聚合物囊泡是由双层膜包裹内部液体核的圆球结构(Journal of Controlled Release,2012,161,473~483),其双层膜膜核由疏水嵌段聚集形成,可用于增溶疏水性药物;内部液体腔可用于包裹亲水性分子。由于双层膜将被包裹物质与外部环境隔离,保护被包裹物质免遭外界环境的破坏,所以被包载物质能够保持良好的稳定性。而且相比于具有类似结构的脂质体,聚合物比脂质体的构成材料磷脂稳定(磷脂易氧化),所形成的聚合物囊泡膜较磷脂膜稳定,厚,且具有较低的渗透性(Langmuir,2000,16,1035~1041),不容易发生内容物的泄漏。
近年来,聚肽成为了药物传递系统中最具潜力的材料(Current Opinion in Colloid&Interface Science,2009,14,329~339)。相比于传统合成的聚酯及聚醚类聚合物,其具有无可比拟的优点。首先,聚肽可被体内酶代谢,且其代谢产物可被人体利用(European.Physical.Journal.E,2001,4,403~410);其次,聚肽可根据外界刺激(pH,温度,离子强度等)的变化调节嵌段的精细二级构象,从而聚集形成结构较为可控的聚集体。聚肽的pH响应性在药物传递系统中具有重要的意义,因为pH值的差异在体内广泛存在:各个组织器官之间,正常组织与病变组织之间均存在pH值的差异。危害人类健康的最主要疾病之一:癌症,其病变组织与正常组织就存在明显的pH值差异:癌变组织pH值介于6.5~7.2,相比正常体液pH值(7.4)偏低。所以,聚肽的pH响应性在运载抗癌药物中具有较显著的意义。
盐酸阿霉素(盐酸多柔比星)是临床上治疗癌症的一线药物,其对多种实体瘤、白血病、淋巴癌、乳腺癌等都有良好的治疗效果,但是其也具有一定的副作用,例如造血抑制、恶心、呕吐、脱发等,但最为严重的是其心脏毒性(Journal of Molecular and Cellular Cardiology,2012,52,1213~1225),近年来有研究报道,将阿霉素包裹在聚合物囊泡中能有效降低其心脏毒性(Biomaterials,2010,31,2882~2892)。
发明内容
针对上述现有技术,本发明的目的是提供一种pH响应性的可降解聚合物囊泡,本发明的pH响应性的可降解聚合物囊泡可利用癌组织的酸控制触发释放,降低药物的毒副作用并达到较高的治疗效果。本发明还提供了pH响应性的可降解聚合物囊泡的制备方法与应用,
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种pH响应性的三嵌段聚合物,结构式如下(结构式中的2000、6000、1000是指分子量):
该聚合物为A-B-C型嵌段共聚物,其中,嵌段A为聚乙二醇单甲醚(mPEG),分子量为2000Da;嵌段B为聚(ε-己内酯)(PCL),分子量为6000Da;嵌段C为聚谷氨酸(PGA),分子量为1000Da。
上述pH响应性的三嵌段聚合物的制备方法,步骤如下:
(1)二嵌段共聚物mPEG2000-PCL6000的合成:通过开环聚合法,以聚乙二醇单甲醚为引发剂,辛酸亚锡为催化剂,与ε-己内酯发生聚合反应得到mPEG2000-PCL6000;
(2)大分子引发剂mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2的合成:利用mPEG2000-PCL6000的端羟基与N-叔丁氧羰基-L-苯丙氨酸的羧基成酯,水解掉保护氨基的叔丁氧羰基后,暴露氨基,得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2;
(3)终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000的合成:以mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2为引发剂,与谷氨酸活性单体:L-谷氨酸-γ-苄酯-N-羧酸酐发生聚合反应,得到:mPEG2000-PCL6000-PBLG1000(PBLG为聚谷氨酸苄酯),酸解除去谷氨酸单体上的苄基,得到终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000。
具体步骤如下:
(1)二嵌段共聚物mPEG2000-PCL6000的合成:
将2g聚乙二醇单甲醚、6gε-己内酯和24μl催化剂辛酸亚锡(Sn(Oct)2)加入到圆底烧瓶中,氮气(N2)保护下进行反应;然后加入100ml冷乙醚终止反应并沉淀产物,过滤后将沉淀产物真空干燥,得到mPEG2000-PCL6000。
(2)大分子引发剂mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2的合成:
(2-1)合成mPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc:
将步骤(1)中制得的mPEG2000-PCL6000与N-叔丁氧羰基-L-苯丙氨酸(BOC-L-Phe)以及催化剂二环己基碳二亚胺(DCC)、4-二甲氨基吡啶(DMAP)溶于二氯甲烷(CH2Cl2)中(各反应物的摩尔质量比为:BOC-L-Phe:DCC:DMAP:CH2Cl2=1:2:3:0.2),进行反应;反应完毕,减压过滤除去二环己基脲(DCU)(二环己基脲为DCC吸水后的产物),滤液先用饱和碳酸氢钠溶液洗涤,分层后留取下层溶有产物的二氯甲烷层,再用蒸馏水洗涤,各洗涤3次后,留取二氯甲烷层,向二氯甲烷层加入至少20倍二氯甲烷体积的冷乙醚进行沉淀得沉淀产物,过滤,将沉淀产物真空干燥,得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc。
(2-2)水解BOC基团得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2:
将步骤(2-1)中所制得的mPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc溶于二氯甲烷和三氟乙酸(TFA)的混合液(溶质与溶剂的用量比为:每5gmPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc用15ml混合液)中,冰浴条件下反应2h;反应完毕,旋蒸除去三氟乙酸,旋蒸后的产物溶于二氯甲烷中,然后依次用饱和碳酸氢钠及蒸馏水洗涤,留取二氯甲烷层,浓缩后加入的冷乙醚(冷乙醚的用量为浓缩液体积的20倍)沉淀,得沉淀产物,过滤,将沉淀产物真空干燥,得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2。
(3)合成终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000:
(3-1)合成mPEG2000-PCL6000-PBLG1000:
将步骤(2)制得的大分子引发剂mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2,以及谷氨酸的活性单体:L-谷氨酸-γ-苄酯-N-羧酸酐(BLG-NCA)溶于四氢呋喃(三者的用量比为mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2:BLG-NCA:四氢呋喃:=1mmol:9mmol:60ml)中,30℃条件下反应72h;然后将反应液旋蒸浓缩,反应后加入冷乙醚(冷乙醚的用量为浓缩液体积的10倍)沉淀,得沉淀产物,过滤,将沉淀产物真空干燥,得到mPEG2000-PCL6000-PBLG1000。
(3-2)水解苄酯得到mPEG2000-PCL6000-PGA1000:
取1g步骤(3-1)中所得的mPEG2000-PCL6000-PBLG1000溶于由10ml三氟乙酸(TFA)、1.2ml三氟甲磺酸和1.4ml茴香硫醚组成的混合液中,冰浴条件下反应1h,然后室温反应30min后,加入100ml冷乙醚终止反应并沉淀产物,过滤后,将沉淀产物真空干燥,得终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000,对终产物进行表征:所采用的方法是利用1HNMR确定其结构。结果如图4所示;并采用表面张力测定法,测定其临界聚集浓度,结果如图5所示。
所述步骤(1)中,mPEG用前需与甲苯进行共沸除水(mPEG与甲苯的用量比为:每1gmPEG用10ml甲苯);ε-CL用前需与氢化钙回流除水(ε-CL与氢化钙的用量比为:每10gε-CL用0.1g氢化钙);mPEG与ε-CL的摩尔比为1:53,反应温度为120℃,反应时间为12h。
所述步骤(2-1)中,在冰浴条件下反应48h。
所述步骤(2-2)中,二氯甲烷和三氟乙酸的混合液中,二氯甲烷与三氟乙酸的体积比为2:1。
所述步骤(3-2)中,三氟乙酸、三氟甲磺酸和茴香硫醚的混合液中,三氟乙酸:三氟甲磺酸:茴香硫醚为10:1.2:1.4(体积比)。
一种pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,是由上述pH响应性的三嵌段聚合物自组装形成的;所述pH响应性的生物可降解聚合物囊泡的膜核由疏水嵌段PCL构成,膜内外壁由mPEG和PGA构成,PGA嵌段可以根据外界pH环境改变自身的二级构象,从而改变自身的两亲性质,进而调节聚合物囊泡的结构;所述pH响应性的生物可降解聚合物囊泡的平均粒径为180nm,zeta电势为-38mv。
上述pH响应性的生物可降解聚合物囊泡的制备方法,步骤如下:首先将pH响应性的三嵌段聚合物溶于二甲亚砜(DMSO)(二者的用量比为:每10mg聚合物溶于0.1mlDMSO中)中,然后在搅拌下向其中逐滴加入9倍DMSO体积的磷酸盐缓冲液(PBS,pH7.4)进行水化,最后置磷酸盐缓冲液(pH7.4)中透析除去DMSO,在这个过程中聚合物进行自组装形成囊泡,疏水性的嵌段PCL构成囊泡的膜核,mPEG和PGA则构成囊泡膜的内外壁,从而形成囊泡的稳定结构。
一种包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,囊泡的膜核由疏水嵌段PCL构成,膜内外壁由mPEG和PGA构成,囊泡内包裹有亲水性药物,是通过以下制备方法制备得到的:
(1)将pH响应性的三嵌段聚合物及亲水性药物(聚合物与亲水性药物的质量比为10:2)溶于有机共溶剂二甲基亚砜中,加入磷酸盐缓冲液(pH7.4)水化;
(2)将上述水化后的混合液转移至透析袋中,并置于pH7.4的磷酸盐缓冲液中,透析除去有机溶剂及未包封的药物,即得包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡。
所述亲水性药物选自可带正电荷的小分子抗癌药物,比如盐酸多柔比星、盐酸米托蒽醌、盐酸柔红霉素、盐酸阿糖胞苷等,优选盐酸阿霉素(盐酸多柔比星)。
所述步骤(1)中,pH响应性的三嵌段聚合物、亲水性药物、有机共溶剂和磷酸盐缓冲液四者的用量比例为:10mg:2.0mg:0.1ml:0.9ml,此时的药物包封率为78.7%,载药量为10.4%。
所述步骤(2)中,每2ml水化后的混合液置于500ml透析液中,共透析4h,前2h每隔0.5h换液一次,后2h每隔1h换液一次。
本发明所用磷酸盐缓冲液均为pH7.4的PBS,为本领域常规用试剂。
本发明具有以下优点:
(1)本发明所采用的聚合物合成方法简便,无需使用各种复杂的聚合技术。
(2)采用生物可降解聚合物材料包裹盐酸阿霉素,调节适宜的pH值,PGA单体所带羧基可带负电荷,盐酸阿霉素可带正电荷,通过静电相互吸引复合,比单纯的物理包封,包封率及载药量都得到了相应的提高。
(3)PGA嵌段的二级构象还可以随pH的改变而发生改变,使囊泡的结构能根据pH进行精细调节,从而使盐酸阿霉素的释放具有pH依赖性。
附图说明
图1为本发明实施例1中mPEG2000-PCL6000-PGA1000的合成示意图。
图2为本发明实施例1中中间产物mPEG2000-PCL6000的氢核磁图谱。
图3为本发明实施例1中中间产物mPEG2000-PCL6000-PBLG1000的氢核磁图谱。
图4为本发明实施例1中终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000的氢核磁图谱。
图5为本发明实施例2中聚合物的表明张力曲线。
图6为本发明实施例3中聚合物囊泡的TEM照片。
图7为本发明实施例7中盐酸阿霉素在不同pH磷酸盐缓冲液中的释放曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1:pH响应性三嵌段聚合物的合成
合成路线如图1所示,具体步骤如下:
(1)二嵌段共聚物mPEG2000-PCL6000的合成
20gmPEG溶于200ml甲苯中,120℃加热至沸腾,回流10h,蒸除甲苯后,加入200ml冷无水乙醚沉淀mPEG,过滤,将干燥过后的mPEG置真空干燥箱保存。
10gε-CL与0.1gCaH2同置于100ml圆底烧瓶中,磁力搅拌下,60℃回流除水12h,然后115℃条件下将ε-CL减压蒸馏出来;烧瓶中剩余少量液体舍弃不要。
2gmPEG(分子量:2000Da)、6gε-CL和24μl催化剂辛酸亚锡加入到反应瓶中,氮气(N2)置换3次,120℃下反应12h,冷却至室温后,加入100ml冷乙醚沉淀产物,过滤后真空干燥得到mPEG2000-PCL6000(核磁结果如图2所示,证实其结构为mPEG2000-PCL6000),产率90%。
(2)大分子引发剂mPEG2000-PCL6000-NH2的合成
(2-1)合成mPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc
8gmPEG2000-PCL6000(1mmol)与0.53gN-叔丁氧羰基-L-苯丙氨酸(Boc-L-Phe)(2mmol)及0.91g催化剂二环己基碳二亚胺(DCC)(3mmol)、0.925g4-二甲氨基吡啶(DMAP)(0.2mmol)溶于20ml二氯甲烷中,冰浴条件下反应48h,反应完毕,减压过滤除去DCC吸水后的产物二环己基脲(DCU),滤液先用饱和碳酸氢钠溶液及蒸馏水洗涤,各洗涤3次后,留取二氯甲烷层浓缩至5ml,加入100ml冷乙醚沉淀后,过滤,真空干燥得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NBoc,产率85%。
(2-2)水解BOC基团得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2
5gmPEG2000-PCL6000-Phe-NBOC溶于由10ml二氯甲烷和5.0ml三氟乙酸(TFA)组成的混合液中,冰浴条件下反应2h,反应完毕,旋蒸除去三氟乙酸,旋蒸产物溶于50ml二氯甲烷中,并依次用饱和碳酸氢钠及蒸馏水洗涤,各洗涤3次,留取二氯甲烷层浓缩至5ml,加入100ml冷乙醚沉淀后,过滤,真空干燥得到mPEG2000-PCL6000-Phe-NH2,产率91%。
(3)合成终产物mPEG2000-PCL6000-PGA1000
(3-1)合成mPEG2000-PCL6000-PBLG1000
4gmPEG2000-PCL6000-NH2(0.5mmol)及0.12gL-谷氨酸-γ-苄酯-N-羧酸酐(BLG-NCA,0.45mmol)溶于30ml干燥的四氢呋喃中,30℃下反应72h,然后将反应液旋蒸浓缩至10ml,加入100ml冷乙醚沉淀,过滤后真空干燥得到mPEG2000-PCL6000-PBLG1000(核磁结果如图3所示,证实其结构为mPEG2000-PCL6000-PBLG1000),产率87%。
(3-2)水解苄酯得到mPEG2000-PCL6000-PGA1000
1gmPEG2000-PCL6000-PBLG1000溶于由10ml三氟乙酸(TFA)、1.2ml三氟甲磺酸和1.4ml茴香硫醚组成的混合液中,冰浴条件下反应1h,然后室温反应30min后,加入100ml冷乙醚终止反应并沉淀产物,过滤后,真空干燥,得到mPEG2000-PCL6000-PGA1000(核磁结果如图4所示,证实结构为mPEG2000-PCL6000-PGA1000),产率60%。
实施例2:pH响应性三嵌段聚合物聚集行为的研究
配制质量浓度为0.1-6mg·ml-1的一系列聚合物(聚合物为实施例1制备)溶液,采用表面张力仪,25℃,吊片法测定样品的表面张力,结果如图5所示,结果表明,此聚合物能够使水的表面张力从70mN·m-1降低到45mN·m-1,其临界聚集浓度大约为4mg·ml-1。
实施例3:纳米沉淀法制备pH响应性的三嵌段聚合物囊泡
20mg聚合物(实施例1制备)溶于0.2mlDMSO(可加热至溶解)中,然后在搅拌下向其中逐滴加入1.8mlpH7.4的磷酸盐缓冲液,混合溶液转入透析袋(MWCO 3500 Da)中,最后置500ml磷酸盐缓冲溶液(pH7.4)中透析除去DMSO,即得pH响应性的三嵌段聚合物囊泡。透析进行4h,前2h每隔0.5h换液一次,后2h每隔1h换液一次。
实施例4:pH响应性三嵌段聚合物囊泡的表征
将实施例3制备的囊泡溶液滴到碳膜铜网上,用滤纸吸去多余溶液;吸取一滴2.0wt%的磷钨酸滴到载有样品的铜网上,静止10秒钟使样品被均匀染色,用滤纸将铜网上的溶液吸干,红外灯下照射待干燥后置于透射电镜下观察聚合物囊泡的形貌。其透射电子显微镜(TEM)照片如图6所示,图6中具有闭合膜结构的圆球显示了囊泡的形成。动态光散射仪测得聚合物囊泡溶液的平均粒径为180nm,zeta电势为-38mv。
实施例5:制备包载盐酸阿霉素的聚合物囊泡
首先将20mg聚合物(实施例1制备)和4mg盐酸阿霉素溶于0.2mlDMSO中,其余操作同实施例3中聚合物囊泡的制备方法,最后透析除去DMSO和未包裹的药物,得包载盐酸阿霉素的聚合物囊泡。
实施例6:盐酸阿霉素聚合物囊泡载药量和包封率的测定
取实施例5制备好的盐酸阿霉素聚合物囊泡溶液20μl,DMSO稀释至1ml,0.22μm的微孔滤膜滤除不溶物,采用高效液相法测定盐酸阿霉素含量。
色谱条件:Agilent1200高效液相色谱仪,色谱柱:Phenomenex Gemini 5u C18(250×4.6mm);流动相为0.01mol/LNH4H2PO4:甲醇:冰醋酸(35:65:0.2;流速0.7ml/min;检测波长:266nm;进样量20μl;盐酸阿霉素在1-60μg/mL范围线性关系良好,回归方程为c=(A-2.02)/34.65,r=0.9999。载药量和包封率按照下式进行计算:
载药量(%)=聚合物囊泡中的药物量/聚合物囊泡的总质量×100%
包封率(%)=聚合物囊泡中的药物量/加入药物的总质量×100%
实验结果证明盐酸阿霉素聚合物囊泡的载药量为10.4%,包封率为78.7%。
实施例7:盐酸阿霉素聚合物囊泡体外释放行为的测定
取1ml实施例5制备好的盐酸阿霉素聚合物囊泡溶液及等浓度的多柔比星原料药溶液置于透析袋(MWCO3500Da)内,并将透析袋置于20ml3中不同pH值(pH5.0、pH6.5及pH7.4)的磷酸盐缓冲盐释放介质中,各平行三组进行,37.0℃恒温、振荡频率100次/分钟条件下于水浴恒温振荡器中进行体外释放实验。分别在规定时间点取出所有释放介质,同时补充同体积的新鲜释放介质。释放介质中的药物含量采用高效液相色谱法测定,并计算累积释放百分率。结果如图7所示,结果表明:多柔比星囊泡组的释放较原料药组明显延长,表明囊泡包裹后使药物的释放具有缓释性;且多柔比星的释放量随着pH的升高而降低,虽然不同pH条件下多柔比星原料药的释放也有差异,但是相比于多柔比星囊泡组的差异较小,所以不同pH条件下药物释放量的差异也可能与不同pH条件下聚谷氨酸嵌段构象的差异有关,药物在较低pH条件下释放量较多,预示了此聚合物包裹后囊泡可以使盐酸阿霉素较多的释放在肿瘤部分。
Claims (4)
1.一种pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,其特征在于:是由pH响应性的三嵌段聚合物自组装形成的,膜核由疏水嵌段PCL构成,膜内外壁由mPEG和PGA构成,其中,所述pH响应性的三嵌段聚合物的结构式如下:
该聚合物为A-B-C型嵌段共聚物,其中,嵌段A为聚乙二醇单甲醚,分子量为2000Da;嵌段B为聚(ε-己内酯),分子量为6000Da;嵌段C为聚谷氨酸,分子量为1000Da。
2.权利要求1所述的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡的制备方法,其特征在于:首先将权利要求1的pH响应性的三嵌段聚合物溶于二甲亚砜中,每10mg聚合物溶于0.1ml DMSO中,然后在搅拌下逐滴加入9倍DMSO体积的磷酸盐缓冲液进行水化,最后置磷酸盐缓冲液中透析除去DMSO,即得。
3.一种包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡,其特征在于:是由权利要求1中的pH响应性的三嵌段聚合物包装亲水性药物而成的,囊泡的膜核由疏水嵌段PCL构成,膜内外壁由mPEG和PGA构成,囊泡内包裹有亲水性药物;所述亲水性药物选自盐酸多柔比星、盐酸米托蒽醌、盐酸柔红霉素、盐酸阿糖胞苷。
4.权利要求3所述的包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡的制备方法,其特征在于:步骤如下:
(1)将权利要求1的pH响应性的三嵌段聚合物及亲水性药物溶于有机共溶剂二甲基亚砜中,聚合物与亲水性药物的质量比为10:2,加入磷酸盐缓冲液水化;
(2)将上述水化后的混合液转移至透析袋中,并置于磷酸盐缓冲液中,透析除去有机溶剂及未包封的药物,即得包裹有药物的pH响应性的生物可降解聚合物囊泡。
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