CN105943496B - pH响应的半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物及其制备和用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有邻基效应的pH响应半乳糖化壳聚糖‑聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物及其制备方法和在医药上的用途。其特征为：(1)单甲醚聚乙二醇首先经过羧基化，然后与半乳糖化壳聚糖中氨基形成酰胺键，制备得到壳聚糖‑聚乙二醇药物载体；(2)组氨酸中的氨基与戊二醛发生反应得到具有醛基的组氨酸；(3)对阿霉素上的氨基进行保护，再进行组氨酸羧基与阿霉素中羟基的酯化反应，然后进行脱保护；(4)含有醛基的组氨酸阿霉素酯与壳聚糖‑聚乙二醇进行席夫碱反应，并用氰基硼氢化钠还原；(5)通过透析法制备载药胶束；(6)所制备的载药胶束具有良好的pH响应性及肝靶向性，可进一步研制开发为治疗肝癌的新型靶向制剂。

Description

pH响应的半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体 药物及其制备和用途

技术领域

本发明涉及一种聚合物键合阿霉素的前体药物，具体涉及具有pH响应性的壳聚糖-聚乙二醇嫁接物与抗肿瘤药物阿霉素的化学键合前体药物，以及其制备方法和在医学上的用途，属于高分子材料和生物医学工程领域。

背景技术

恶性肿瘤是一种严重威胁人类生命的重大疾病，肝癌是常见的消化系统肿瘤之一。阿霉素是临床常用的蒽环类抗肿瘤药物，能嵌入DNA中，阻止RNA转录过程，抑制RNA的合成，也能阻止DNA的复制。阿霉素药抗瘤谱广，疗效高，主要用于恶性淋巴肉瘤、乳腺癌、卵巢癌、小细胞肺癌、胃癌、肝癌及膀胱癌等。然而小分子药物易于被身体所吸收，体内分布广泛，缺乏特异性；因此现有的盐酸阿霉素注射液，在杀伤肿瘤细胞的同时，也产生明显的全身不良反应，如心肌退行性病变、心肌间质水肿、骨髓抑制等，临床应用受到限制。

壳聚糖是一类由氨基葡萄糖组成的阳离子聚合物，能够通过碱或酶使甲壳素脱乙酞基而得到。这种天然的多糖是一种具有生物相容性、生物可降解性、低毒的聚阳离子天然高分子材料。聚乙二醇具有良好的血液相容性，其水合的悬挂长链影响血液与材料界面微观动力学环境，使血浆蛋白与材料间的相互作用降低，可以提高生物利用度和降低毒副作用。壳聚糖经聚乙二醇修饰后，所得的壳聚糖-聚乙二醇在水性介质中可以通过自组装形成胶束。

高分子载体药物包括：(1)高分子作为载体对药物进行物理包裹；(2)小分子药物与高分子载体的连接，后者可以先把小分子药物连接到单体之上然后聚合，也可以直接往高分子载体上连接。由两亲嵌段共聚物分子在水性介质中自聚集形成的聚合物胶团(polymermicelles，PM)，是传递药物的新型纳米给药载体。因其具有一些特有的药物载体性质，如粒径小，在体内和体外具有良好的稳定性和生物相容性，药物的控制释放以及生物膜通透性等特性，被认为是一种具有广阔前景的新型靶向给药系统。聚合物胶团通过“增强渗透与保留作用”，被动靶向肿瘤部位。在肝癌的治疗中，可以通过肝靶向的靶点实验主动靶向，其中主要的靶点为：无唾液酸糖蛋白受体，甘露糖受体介导，脂蛋白受体，甘草酸/甘草次酸特异性结合受体。通过在嵌段物上连接半乳糖基，即可靶向与肝细胞的无唾液酸糖蛋白受体。肿瘤细胞的旺盛生长，大量的酸性代谢物外排，使得肿瘤细胞外出现酸性的微环境。利用对pH敏感的 载体制备pH敏感制剂，使药物在特定的pH靶区释药，也可以利用弱酸性条件下能够水解的化学键将药物键合与载体上，实现定点释药。

在已有以聚合物胶束作为药物载体的方法中，大多是对药物进行物理包载，一般是运用药物的疏水性使得药物与载体疏水基团的相互作用进入核内，存在载药量不确定或载药量较小等缺点；也有采用化学键合法将药物直接接入疏水端，在CN101564539A中，利用顺乌头酸酐将阿霉素与壳聚糖以酰胺键相连，此情况下，当载药胶束进入体内后，酰胺键难以水解而导致药物不能快速释放且释放率较低，因此，载药胶束的生物利用度降低。本发明将阿霉素通过氨基酸酯键结合到载体上，一方面可以通过控制阿霉素的投料量来决定胶束的载药量，另一方面，通过引入咪唑基，由于邻基效应催化酯基的水解，使载药胶束具有更好的pH响应性，在肿瘤组织的微酸性环境中，能够尽快释放药物，发挥药效。

发明内容

本发明的一个目的是提供壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物，具有代表性的结构通式为：

其中x与n的积表示阿霉素化学修饰比例；y为壳聚糖中为被聚乙二醇和阿霉素化学结合的氨基葡萄糖单元和乙酰化氨基葡萄糖单元数；n为聚乙二醇的化学修饰比例；阿霉素与载体之间连有具有邻基效应的组氨酸，能使其在较弱的酸性条件下水解释放阿霉素；所述的壳聚糖聚乙二醇聚合物中壳聚糖的分子量在1～100kDa；聚乙二醇的分子量为：1000～5000； 壳聚糖的脱乙酰度为：60％～95％；氨基取代度为：5％～50％。

本发明的第二个目的是提供壳聚糖-聚乙二醇嫁接物键合阿霉素前体药物的合成，通过以下方案实现：

(1)半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物制备：称取壳聚糖于1～2％的乙酸水溶液中溶胀，加入乳糖，壳聚糖单体与乳糖的摩尔比为100:1～20:1，于40℃水浴条件下搅拌24h，加入弱还原剂氰基硼氢化钠并搅拌1h，将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖；称取单甲醚聚乙二醇和3,3’-二硫代二丙酸酐，溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺，加入4-二甲氨基吡啶溶解，加入三乙胺，单甲醚聚乙二醇与3,3’-二硫代二丙酸酐的摩尔比为1:1.2，与35℃条件下反应24h，加入乙醚沉淀，真空干燥得到羧基化的聚乙二醇；称取羧基化的聚乙二醇加入到二甲基亚砜中溶解，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐搅拌活化1h，将其加入到半乳糖化壳聚糖溶液中，聚乙二醇和半乳糖化壳聚糖单体的摩尔比为1:20-1:5，常温下搅拌反应48h，将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物。

(2)阿霉素中氨基的保护：精确称取阿霉素于蒸馏水中，加入三乙胺搅拌8h，加入等摩尔量的邻苯二甲酸酐，在100℃的条件下回流反应2.5h，停止加热降至室温后，用乙酸乙酯萃取3次，合并乙酸乙酯相并旋干，经抽滤得到沉淀，于80℃下干燥8h。

(3)组氨酸的醛基化：组氨酸加入到KOH的乙醇溶液中，搅拌至完全溶解。组氨酸的乙醇溶液逐滴加入到戊二醛的乙醇溶液中。该反应在50℃的条件下搅拌反应1h。减压蒸馏并干燥。

(4)酯化反应：将步骤(3)中得到的醛基化组氨酸，N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，N,N-二环己基碳二亚胺(DCC)(摩尔比为5:6:10)溶于10mlDMF中，室温下搅拌反应24h，过滤除去副产物后，用过量的乙醚沉淀过滤并真空干燥。将邻苯二甲酰阿霉素溶于DMSO10ml中，并加入等摩尔量的活化醛基化组氨酸，于40℃下反应48h。加入10ml水，用乙酸乙酯萃取三次，合并乙酸乙酯相旋转蒸发并干燥的酯化产物。

(5)阿霉素中氨基的脱保护：在干燥的烧瓶中加入50mL甲醇、酯化产物、三乙胺、水合肼，搅拌均匀，水浴加热，保持温度为(60±5)℃反应6h。加入少量盐酸中和，冰水浴降温至10℃以下,抽滤至干。于70～80℃烘干8～10h。

(6)组氨酸阿霉素酯与载体的键合：称取壳聚糖-聚乙二醇并溶于蒸馏水中，加入步骤(6)所得产物，并加入适量乙酸调节pH至3-4，于40℃条件下反应24h，并加氰基硼氢化钠还原数小时，透析并冷冻干燥得到载药聚合物。

(7)载药胶束的制备：精确称取载药聚合物溶于DMF中，并超声10min，用蒸馏水透析48h，冷冻干燥的聚合物胶束。

本发明的第三个目的是提供壳聚糖-聚乙二醇嫁接物键合阿霉素前体药物在体外的释药的pH响应性。结果表明，通过本发明的键合方法在体外具有较高的pH响应性，能在pH为5.5的条件下快速释放。同时提供了载药胶束与纯阿霉素对比的血药浓度的变化和肝靶向性的相关数据，结果表明，该载药胶束能在血液中的保留时间长，且具有较强的肝靶向性。

本发明的有益之处是：一方面，药物和载体之间通过一个具有邻基效应的组氨酸酯键进行连接，在组氨酸的结构中存在咪唑基，且在β位，使得药物进入肿瘤微酸性的环境之后能尽快释药，而在其他的部位基本不释药，使得药物定点释放；另一方面，壳聚糖进行半乳糖化，得到具有肝靶向性的药物载体。该前体药物有望解决抗肿瘤化疗药物在体内的靶向性和药物的定点释放，从而降低药物的毒性。本发明已在模拟不同体内环境下进行pH相应性分析，证明该前体药物具有良好的pH响应性。

附图说明

图1为壳聚糖-聚乙二醇嫁接物键合阿霉素前体药物在不同pH释放介质中的释放曲线。

图2为载药胶束与阿霉素在不同时间的血药浓度变化。

图3为载药胶束与阿霉素在不同器官的浓度分布。

具体实施方式

本范明通过实施例和附图进一步的说明，本发明并不仅限于此。

实施例1

半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物制备：

(1)壳聚糖的半乳糖化：称取市售的壳聚糖3.2g于2％(v/v)的60ml乙酸水溶液中，常温下搅拌1h，使壳聚糖充分溶胀后，加入0.3g乳糖，于40℃水浴条件下搅拌24h，加入弱还原剂氰基硼氢化钠并搅拌1h，将反应液置于透析袋(MWCO＝3500)中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖。采用硫酸苯酚法测定半乳糖的接枝率，经测定，所得的半乳糖化壳聚糖的半乳糖接枝率为0.315％。

(2)单甲醚聚乙二醇羧基化：称取单甲醚聚乙二醇1.4g和3,3’-二硫代二丙酸酐0.426g，溶于分子筛干燥后的N,N-二甲基甲酰胺，加入4-二甲氨基吡啶溶解，加入三乙胺，于35℃条件下反应24h，加入大量的乙醚沉淀，真空干燥得到羧基化的聚乙二醇。

(3)壳聚糖-聚乙二醇接枝物的制备：称取羧基化的聚乙二醇0.375g加入到二甲基亚 砜中溶解，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐搅拌活化1h，将其加入到半乳糖化壳聚糖(1.0g)溶液中，常温下搅拌反应48h，将反应液置于透析袋(MWCO＝3500)中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物。

载药胶束的制备：

(1)阿霉素中氨基保护：精确称取盐酸阿霉素12mg于10ml的蒸馏水中，加入三乙胺搅拌6h，加入邻苯二甲酸酐3mg，在100℃的条件下回流反应2.5h，停止加热降至室温后，用乙酸乙酯萃取三次(10ml×3)，合并乙酸乙酯相并旋干，经抽滤得到沉淀，于60℃下干燥8h。

(2)组氨酸的醛基化：称取组氨酸0.1648g加入到KOH的乙醇溶液(A溶液)中，搅拌至完全溶解。量取戊二醛2ml(含戊二醛0.5g)溶于乙醇(B溶液)中，并加热至50℃。将A溶液缓慢逐滴加入到B溶液中，半个小时内加完，再继续反应半个小时，减压蒸馏并干燥。

(3)酯化反应：称取醛基化组氨酸，N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)，N,N-二环己基碳二亚胺(DCC)(摩尔比为5:6:10)溶于10mlDMF中，室温下搅拌反应24h，过滤除去副产物后，用过量的乙醚沉淀过滤并真空干燥。将邻苯二甲酰阿霉素溶于DMSO10ml中，并加入等摩尔量的活化醛基化组氨酸，于40℃下反应48h。加入10ml水，用乙酸乙酯萃取三次，合并乙酸乙酯相旋转蒸发并干燥的酯化产物。

(4)阿霉素中氨基的脱保护：在干燥的烧瓶中加入50mL甲醇、酯化产物、三乙胺、水合肼，搅拌均匀,水浴加热,保持温度为(60±5)℃反应6h。加入少量盐酸中和,冰水浴降温至10℃以下,抽滤至干。于80℃烘干8h。

(5)组氨酸阿霉素酯与载体的键合：称取壳聚糖-聚乙二醇并溶于蒸馏水中，加入实施例4所得产物，并加入适量乙酸调节pH至4-5，于40℃条件下反应24h，并加入氰基硼氢化钠搅拌数小时，透析并冷冻干燥得到载药聚合物。

(6)载药胶束的制备:精确称取载药聚合物100mg溶于DMF中，并超声10min，用蒸馏水透析48h，冷冻干燥的聚合物胶束。

体外释药行为的测定：

精确称取载药胶束50mg各3份，用PBS(pH 5.5，7.4)缓冲分散，并转移至透析袋(MWCO:3500)。分别放入装有对应的缓冲液烧杯中。于37℃，100prm恒温搅拌，在设定的时间点定时定点取样，更换为新鲜的释放介质，并量取缓冲液的体积。紫外可见分光光度法测定释放液中的药物含量，计算药物的累计释放量，计算公式如式(1)。

其体外释药情况如图1所示，在pH为5.5的条件下，释药速率大且释放的量远大于pH为7.4环境下的释放速率与释放率。由此可以说明该载药胶束的具有较高的pH响应性。在12h时，胶束在pH为7.4的条件下溶出度仅为12.86％，而在pH为5.5的条件下溶出度为63.46％.

图1胶束在不同pH条件下的释放曲线

体内血药浓度变化与肝靶向性的测定：

以生理盐水配置纯阿霉素和载药胶束，其浓度为100μg/mL，用于注射用。

取小鼠3组，禁食12h，自由饮水，以相当于2mg/kg阿霉素剂量分别尾静脉注射给予载药胶束，分别在时间为0.125h、0.25h、0.5h、1h、2h、3h、4h、8h、24h将小鼠断头取血样测定阿霉素浓度。同时取肝脏、心脏、肾、肺、脾等器官，测定阿霉素浓度。

用同样的方法给小鼠注射纯阿霉素溶液，测定其血药浓度和肝脏、心脏、肾、肺、脾中阿霉素浓度。

图2阿霉素与载药胶束血药浓度的变化

阿霉素与载药胶束血药浓度随时间的变化结果如图2所示，在血液中，胶束进入体内后，血液中药物浓度呈现一个先急剧上升，后缓慢降低的过程；而纯阿霉素则其浓度很快达到最大值，并在血液中迅速减少，在8h时，血液中的药物浓度基本为零。因此，一方面，载药胶束在血液中达到的最大药物浓度值较低，可以减小周边的不良反应；另一方面，载药胶束的保留时间比游离阿霉素长。

各器官的最高药物浓度如图3可知，对于纯阿霉素注射液，心脏中的药物浓度最高，其次是肝脏，所以纯阿霉素的心脏毒性强。对于载药胶束注射液，药物浓度由高到低排列为：肝脏、脾、肺、肾、心脏，可见载药胶束具有较强的肝靶向性。

图3体内组织分布图(a)载药胶束分布图；(b)纯阿霉素分布图

实施例2

根据实施例1中同样的方法制备半乳糖化壳聚糖和羧基化聚乙二醇，精确称取半乳糖化壳聚糖1.0g，羧基化的聚乙二醇0.417g，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐搅拌反应48h，反应后将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物。

在实施例1同样条件下进行阿霉素氨基保护。组氨酸的醛基化：称取组氨酸0.1648g加入到KOH的乙醇溶液(A溶液)中，搅拌至完全溶解。量取戊二醛2ml(含戊二醛0.5g)溶于乙醇(B溶液)中，并加热至40℃。将A溶液缓慢逐滴加入到B溶液中，0.5h内加完，再继续反应1h，减压蒸馏并干燥。其他步骤按实施例1进行制备得到阿霉素载药胶束，进行体外释药实验，在12h时，胶束在pH为7.4的条件下溶出度仅为16.05％，而在pH为5.5的条件下溶出度为54.36％.

实施例3

壳聚糖的半乳糖化：称取市售的壳聚糖3.2g于2％(v/v)的60ml乙酸水溶液中，常温下搅拌1h，使壳聚糖充分溶胀后，加入0.2g乳糖，于35℃水浴条件下搅拌36h，加入弱还原剂氰基硼氢化钠并搅拌1h，将反应液置于透析袋(MWCO＝3500)中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖，备用。采用硫酸苯酚法测定半乳糖的接枝率，经测定，所得的半乳糖化壳聚糖的半乳糖接枝率为0.275％。

按照实施例1制备羧基化聚乙二醇，精确称取半乳糖化壳聚糖1.0g，羧基化的聚乙二醇0.625g，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐搅拌反应48h，反应后将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物，备用。

按照实施例1对阿霉素的氨基进行保护。组氨酸的醛基化：称取组氨酸0.1648g加入到KOH的乙醇溶液(A溶液)中，搅拌至完全溶解。量取戊二醛2ml(含戊二醛0.5g)溶于乙醇(B溶液)中，并加热至30℃。将A溶液缓慢逐滴加入到B溶液中，0.5h内加完，再继续反应2h，减压蒸馏并干燥。其他步骤按实施例1进行制备得到阿霉素载药胶束，进行体外释药实验，在12h时，胶束在pH为7.4的条件下溶出度仅为24.47％，而在pH为5.5的条件下溶出度为68.92％。

Claims (6)

1.一种具有邻基效应的pH响应半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物，具有代表性的结构通式为：

其中x与n的积表示阿霉素化学修饰比例；y为壳聚糖中为被聚乙二醇和阿霉素化学实施的氨基葡萄糖单元和乙酰化氨基葡萄糖单元数；n为聚乙二醇的化学修饰比例；阿霉素与载体之间连有具有邻基效应的组氨酸，能使其在较弱的酸性条件下水解释放阿霉素；所述的壳聚糖聚乙二醇聚合物中壳聚糖的分子量在1～100kDa；聚乙二醇的分子量为：1000～5000；壳聚糖的脱乙酰度为：60％～95％；氨基取代度为：5％～50％。

2.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物的制备方法，其特征在于通过以下步骤实现：

(1)半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物制备：称取壳聚糖于1～2％的乙酸水溶液中溶胀，加入乳糖，于水浴加热条件下搅拌数小时后，加入弱还原剂氰基硼氢化钠并搅拌1h，将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖；称取单甲醚聚乙二醇和3,3'-二硫代二丙酸酐，溶于干燥后的N,N-二甲基甲酰胺，加入4-二甲氨基吡啶溶解和三乙胺反应，加入大量的乙醚沉淀，真空干燥得到羧基化的聚乙二醇；称取羧基化的聚乙二醇加入到二甲基亚砜中溶解，并加入1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐搅拌活化，将其加入到半乳糖化壳聚糖溶液中，常温下搅拌反应，将反应液置于透析袋中，蒸馏水透析，冷冻干燥，得到半乳糖化壳聚糖-聚乙二醇聚合物；

(2)阿霉素中氨基的保护：精确称取阿霉素于蒸馏水中，加入三乙胺搅拌8h，加入等摩尔量的邻苯二甲酸酐，在100℃的条件下回流反应2.5h，停止加热降至室温后，用乙酸乙酯萃取3次，合并乙酸乙酯相并旋干，经抽滤得到沉淀，于80℃下干燥8h；

(3)组氨酸的醛基化：组氨酸加入到氢氧化钾的乙醇水溶液溶液中，搅拌至完全溶解；组氨酸的乙醇溶液逐滴加入到戊二醛的乙醇溶液中；该反应在50℃的条件下搅拌反应1h；减压蒸馏并真空干燥；

(4)酯化反应：将步骤(3)中得到的醛基化组氨酸，N-羟基琥珀酰亚胺，N,N-二环己基碳二亚胺溶于N,N-二甲基甲酰胺中，室温下搅拌反应24h，过滤除去副产物后，用过量的乙醚沉淀过滤并真空干燥；将邻苯二甲酰阿霉素溶于二甲基亚砜中，并加入等摩尔量的活化醛基化组氨酸，搅拌反应48h；加入适量的水，用乙酸乙酯萃取三次，合并乙酸乙酯相旋转蒸发并干燥的酯化产物；

(5)阿霉素中氨基的脱保护：在干燥的烧瓶中加入甲醇、酯化产物、三乙胺、水合肼，搅拌均匀，加热搅拌反应数小时；加入少量盐酸中和，冰水浴降温沉淀，抽滤并干燥；

(6)组氨酸阿霉素酯与载体的键合：称取壳聚糖-聚乙二醇并溶于蒸馏水中，加入步骤(5)所得产物，并加入适量乙酸调节pH至3-4，于40℃条件下反应24h，并加入还原剂氰基硼氢化钠搅拌数小时，透析并冷冻干燥得到载药聚合物；

(7)载药胶束的制备:精确称取载药聚合物溶于N,N-二甲基甲酰胺中，并超声10min，用蒸馏水透析48h，冷冻干燥的聚合物胶束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于步骤(1)中，壳聚糖单体与乳糖的摩尔比为100:1～20:1，聚乙二醇和半乳糖化壳聚糖单体的摩尔比为1:20-1:5，水浴加热的温度和时间分别为30-50℃，24-48h。

4.根据权利2所述的方法，其特征在于步骤(3)中，水浴加热的温度和时间分别为30-50℃和1-3h。

5.根据权利2所述的方法，其特征在于步骤(5)中，反应温度为50-80℃，反应时间为5-8h。

6.根据权利要求1所述的壳聚糖-聚乙二醇聚合物键合阿霉素前体药物，用于制备肝靶向性的抗肿瘤药物。