CN106750254B - pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物及制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种pH敏感释放的10‑羟基喜树碱水溶性大分子缀合物及制备方法和应用。该缀合物通过结构改造,大大提高了10‑HCPT的水溶性;改善了10‑HCPT的药代动力学性质;利用肿瘤微环境的特点,实现了pH响应性释放药物,具有控释效果;化学键载药,载药量高,无药物泄露;可将化疗药物靶向至肿瘤且滞留较长时间,具有良好的靶向性。
Description
技术领域
本发明涉及化学制药技术领域,尤其是涉及一种pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物及制备方法和应用。
背景技术
10-羟基喜树碱(10-Hydroxycamptothecine,10-HCPT)是珙桐科旱莲属落叶植物喜树果实与叶中提取的一种具显著抗癌活性的喜树碱类生物碱,也可由喜树碱合成而得。其抗癌作用相当于喜树碱的30倍。10-HCPT对胰腺癌、前列腺癌、膀胱癌、口腔鳞癌、大肠癌、胃癌、肝癌、非小细胞肺癌等具有明显疗效。对口腔、颈面部癌、头颈部癌、头颈部圆柱型腺癌及皮肤癌也有较好疗效;对恶性葡萄胎,绒毛膜上皮癌、肺癌、急慢性粒细胞、白血病,银屑病,及血吸虫病引起的肝脾肿大等也具有一定的疗效。与其他常用的抗癌药无交叉耐药。10-HCPT的不良反应主要是消化道反应,表现为恶心、呕吐和迟发性腹泻,少数心律失常和血尿,停药后均可缓解。
化疗是肿瘤手术前后的有效疗法,也是主要疗法。但小分子抗肿瘤药物的体内半衰期短、给药量大、选择性差,会对正常组织器官产生很大的毒副作用,且大多数抗肿瘤药物存在耐药性问题,长期使用会降低治疗效果。此外,小分子抗肿瘤药物大多是疏水性的,临床应用受到限制。目前我国临床使用的10-HCPT制剂为钠盐注射液或其粉针。由于分子结构中具有酚羟基,10-HCPT露置于空气中或遇光、热不稳定,10-HCPT的钠盐注射液易氧化和水解;钠盐粉针虽解决了钠盐注射液的贮存稳定性,但仍存在内酯开环疗效降低且半衰期短的问题。药学工作者们一方面致力于10-HCPT化学结构的改造,以增加水溶性;另一方面通过开发多种剂型来增加10-HCPT的稳定性,以期实现对肿瘤组织的靶向性、缓释性、提高生物利用度、减少剂量和降低毒副作用。
1975年,Ringsdorf提出聚合物前药(polymeric prodrug)模型。目前仍然是药物输送研究领域的热点之一。聚合物前药是指将原药(或称母体药物)与聚合物载体通过化学键连接在一起,形成无药效的结合物或缀合物。当其进入体内后,经水解或酶解即可释放出具有药效的代谢物或原药。具有以下优点:1)实现药物的控制释放,延长药物的体内半衰期;2)实现药物的靶向输送,利用高通透性和滞留(EPR)效应将药物输送到肿瘤部位,降低其对正常组织的毒副作用,提高生物利用度;3)通过化学键键合、物理增溶或表面吸附等方式提高疏水性抗癌药物的溶解性,有效改善其给药方式;4)通过胞吞方式进入肿瘤细胞,有效克服上皮和内皮运输障碍;5)可通过包载或与显像剂连接,实现药物输送可视化,实时跟踪药物输送和释放过程。
与正常细胞(pH≈7.4)相比,肿瘤细胞具有酸性的微环境(pH≈5.8~7.2),其溶酶体中的pH值甚至更低(5.0~5.5)。酸敏感的化学键(如酯键、肟键)或者化学结构(如腙式、缩醛结构)在酸性的细胞内环境中可发生水解断裂或结构转变,从而调控药物的释放。因此,pH响应型智能药物输送系统具有极大的应用前景。近十几年来,pH响应型胶束的设计与合成成为智能药物输送领域的研究热点。一些聚合物疏水链上的伯胺、仲胺或叔胺在酸性条件下可发生质子化,增加链段的亲水性,使链段由收缩状态转变为舒展状态,表现出良好的pH响应特性。
在癌症治疗中,多药耐药(MDR)常是化疗失败的主要障碍,几乎所有的药物输送系统都面临这个问题。其原因之一是癌细胞膜表面的P-糖蛋白(P-gp)能够将小分子药物大量排出细胞外。P-gp是一种能量依赖(ATP依赖)型酶,它在细胞中过度表达之后,会导致药物泵出细胞外,使细胞内药物浓度下降,药效降低。对于多环生物碱类药物其耐药效果更加明显。关于P-gp是否与喜树碱(CPT)类药物的耐药性有关,存在争议。理由是某些P-gp过度表达的肿瘤细胞对于CPT类药物并没有耐药性,如P-gp过度表达的人白血病K562ADM细胞与未突变的K562细胞,在体内对于CPT几乎同样敏感;而Carolyn等人研究却证实:P-gp在某些肿瘤细胞上发挥了ATP依赖的药物外排作用,而导致耐药性的产生。
Megumi等人在研究拓扑替康的耐药机制的过程中,设计合成了多个结构类似的化合物用来考察药物结构与ABC类蛋白(ATP-bind-ing cassette,具有与ATP连接的结构特征域的一系列蛋白)所引起的药物外排胞外作用的关系。实验结果表明:耐药细胞PC-6,SN2-5H和非耐药细胞PC-6(人小细胞肺癌细胞)的TOPOⅠ与细胞内药物积累浓度的测试结果证实耐药率高的化合物在细胞内的积累率较低。说明细胞内药物浓度积累不足是喜树碱类药物耐药性产生的一个重要原因。酸敏感大分子聚合物前药给药系统可通过胞吞作用进入细胞,药物在溶酶体中从聚合物上释放出来,可以跨质膜以被动扩散进入周围细胞质,进一步到达细胞核。因此,pH-响应聚合物给药系统往往会引发药物在微酸性肿瘤细胞中有效浓度达到一个较高的水平,促进细胞内积累化学药物,有利于发挥抗肿瘤效果。也体现了其抵抗P-gp外排药物和抗MDR的潜力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,旨在提高10-HCPT制剂的溶解度、改善药物动力学特征,改善对肿瘤组织的靶向性,改善抗多药耐药性,以及降低毒副作用。
本发明的另一个目的是提供上述缀合物的制备方法及应用。
为解决上述技术问题,本发明采用如下技术方案:
一种pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,该缀合物是经过修饰的10-羟基喜树碱与聚乙二醇的缀合物。
优选地,所述经过修饰的10-羟基喜树碱为对10-羟基喜树碱的10位羟基进行酯化,接入一个带有酮羰基的短链,再接入一个pH敏感的腙键。
优选地,该缀合物为将经过修饰的10-羟基喜树碱的另一端与聚乙二醇分子链接得到的。
优选地,所述缀合物具有式(1)所示的结构,
式(1)中,n为正整数;优选n为10-35的正整数。
优选地,所述n为22。
上述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物的制备方法,该方法的合成路径如下:
一种10-羟基喜树碱制剂,该制剂中含有上述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物。
优选地,所述制剂在体内循环时间大于4h。
上述的10-羟基喜树碱制剂在制备抗肿瘤药物中的应用。
上述的10-羟基喜树碱制剂在pH响应型智能药物输送系统中的应用。
本发明的有益效果如下:
本发明制备的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物具有如下特点:
1、通过结构改造,大大提高了10-HCPT的水溶性;
2、改善了10-HCPT的药代动力学性质;
3、利用肿瘤微环境的特点,实现了pH响应性释放药物,具有控释效果;
4、化学键载药,载药量高,无药物泄露;
5、可将化疗药物靶向至肿瘤且滞留较长时间,具有良好的靶向性。
附图说明
图1为10-羟基喜树碱的分子结构图。
图2为pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物结构示意图。
图3为化合物F的核磁共振氢谱图;
图4为化合物F的核磁共振碳谱图;
图5为PEG2000质谱图;
图6为化合物F质谱图;
图7为化合物F自组装形成的纳米胶束的透射电镜图;
图8为化合物F自组装形成纳米胶束的粒径分布图;
图9为37℃下10-HCPT在体外不同pH值PBS和血浆中的释放;
图10为激光共聚焦显微镜照片;
图11A为表1和表2中的AUC0-inf的柱形示意图;
图11B为表1和表2中MRT0-inf的柱形示意图;
图12肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后肿瘤大小情况;
图13A肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后肿瘤的生长曲线;
图13B肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后实验动物体重降低曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
10-羟基喜树碱(10-HCPT)的分子结构见图1,是由一个吡咯喹啉环,一个共轭吡吡啶环和一个六元α羟基基内酯环(环E)组成,分子式C20H16N2o5,摩尔质量364.357,是黄色棱柱状一水合物结晶,熔点268~270℃,微溶于少数有机溶剂,不溶于水,在稀碱溶液中变成开环羧酸盐形式溶解,溶液具有蓝色荧光。闭环结构油水分配系数分别为LogP1.06(正辛醇/蒸馏水)与1.28(正辛醇/pH5.0的磷酸盐缓冲液),亲脂性稍强。10-HCPT不具有明显的生物碱性质,近中性,不溶于酸,与酸不成盐;难溶于水及一般有机溶剂,可溶于吡啶、二甲基亚枫、醋酸和氯仿与甲醇的混合液,溶液有明显的蓝色荧光。对光、热敏感。光照射喜树碱溶液,其吸光度降低,光越强,吸光度下降越多,避光则十分稳定。加热可使喜树碱分解。
腙键由于其生理pH条件下良好的稳定性,和酸性条件下迅速水解断裂的响应特性已被许多文献报道用于设计pH响应的药物输送系统。体外释放实验表明,腙键在酸性条件下水解快速,可大大提高药物的释放速率。可以有效克服耐药性问题,提高肿瘤治疗效果。
为克服HCPT制剂的缺陷,本发明的发明人制备出HCPT聚合物前药给载药系统,旨在提高其溶解度、改善药物动力学特征,肿瘤靶向,抗多药耐药,以及降低毒副作用。
聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)是常用的纳米系统表面修饰材料。可避免体内网状内皮系统对其识别,从而延长纳米系统在血液中的循环时间,改善药代动力学性质。
发明人采用对10-羟基喜树碱的10位羟基进行酯化,接入一个带有酮羰基的短链,再接入一个pH敏感的腙键,以达到肿瘤微环境敏感和控制释放,另一端链接PEG2000,做为亲水部分,提高水溶性和体内循环时间,制备的大分子水溶性聚合物前药具有更好的药动力学性质、良好的稳定性、靶向性、控释性和更低的毒副作用。
如图2所示的本发明的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,内酯环结构,为抗肿瘤活性部位,开环可造成毒性升高和生物利用度降低,因此没有选择此环做为反应部位以免对其结构造成破坏。10羟基和羰基己酸形成的酯键。在碱性条件下不稳定。腙键在低pH条件下迅速降解。2000Da MPEG,是水溶性部分,可大大提高分子的水溶性,并且具有体内长循环作用。当聚合物前药进入肿瘤组织和细胞时,由于其内部的酸性环境,腙键断裂释放出药物,进入细胞核发挥药效。由于肿瘤组织缺乏淋巴引流作用,其对大分子的排出较慢,药物可在肿瘤部位停留较长时间。本发明的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物(化合物F)的合成路径如下:
pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物的具体制备方法如下:
根据上面的合成路径,合成步骤包括:
(1)化合物B的合成
将化合物A(1.00g,2.7mmol)和5-羰基己酸(1.07g,8.1mmol)溶解于10mL吡啶中,于室温下加入EDCI(2.06g,10.8mmol),搅拌3h,薄层色谱法监测反应。向反应体系中加入50mL二氯甲烷和50mL水,搅拌反应30分钟后,分出有机层,减压干燥浓缩得到的残渣用硅胶柱进行纯化,用二氯甲烷:甲醇10:1洗脱,得到黄色的固体化合物B(1.25g,96%)。
(2)化合物C的合成
室温下将化合物B(377mg,2.1mmol)溶解于100ml无水二氯甲烷中[2]。将氨基硫脲溶解于50ml无水甲醇中,混合二者,50℃搅拌反应24h,降温至室温,得到白色沉淀,依次用100ml无水二氯甲烷和100ml无水甲醇洗涤,减压干燥得到白色干燥固体粉末即化合物C;
(3)化合物E的合成
室温下将线型MeO-PEG2000-COOH溶解于2ml无水N,N-二甲基甲酰胺中,加入100ml无水二氯甲烷,加入5ml氯化亚砜,氮气保护下,50℃搅拌反应5h。减压除去氯化亚砜,得到淡黄色油状液体,即化合物E,充入氮气,保存于4℃;
(4)化合物F的合成
将化合物E(205mg,0.1mmol)溶解于50ml无水N,N-二甲基甲酰胺中,0℃冰浴条件下逐滴加入化合物C(55mg,0.1mmol),充氮气进行保护,加入适量碳酸钾将体系的pH值维持在碱性状态。冰浴条件下搅拌反应3h,减压除去溶剂,浓缩体系,使用分子排阻色谱柱(Sephadex LH-20)纯化产物。重力法装柱3.0×20cm。将浓缩后的反应体系室温下加入到柱上,每次1ml,用二氯甲烷:甲醇1:1溶液洗脱,每5ml洗脱液收集一管,薄层色谱监测洗脱物,收集纯化合物F的洗脱液,减压浓缩。产物用二氯甲烷:甲醇1:1溶液洗涤,室温减压干燥过夜。
化合物F采用1H NMR(BRUKER,400MHz),13C NMR和基质辅助飞行时间质谱(MALDITOF)鉴定结构,线性正离子模式,15mV(sum=850mv),
数据结果采用Kratos PC Axima CFR plus V 2.4.1.软件进行分析。
1H NMR谱图和13C NMR谱图用氘代二甲基亚砜(DMSO-d6)做溶剂。以下为核磁信号结果:
1H NMR(Bruker,400MHz).δ0.89CH3(t),δ1.87CH2(m),δ1.95CH3(s),δ2.37CH2(t),δ2.42CH3(s),δ2.70CH2(t),δ3.23CH2(s),δ3.43CH2(t),δ3.50(CH2CH2)45(s),δ3.68OH(s),δ4.11CH2(t),δ5.30CH2(s),δ5.44CH2(s),δ6.54CH(s),δ7.35CH(s),δ7.55NH(s),δ7.67CH(dd),δ7.90CH(d),δ8.13NH(s),δ8.21CH(d)。
13C NMR(Bruker,100MHz)=8.2,17.0,21.1,29.1,29.2,30.7,33.3,37.7,58.5,63.8,65.7,68.7,70.0,70.2,71.7,72.8,97.1,119.6,119.8,126.6,128.8,130.9,131.7,145.8,149.5,150.5,153.9,157.3,172.2,172.9,173.8,174.0.
MALDI-TOF法为高分子分子量测定的有效方法。未反应的PEG(MW 2065)测定值与理论值相差一个道尔顿,终产物化合物F的分子量测定结果在单质谱峰中均与理论值相差一个道尔顿。表明化合物F成功合成。而且没有发现其他分子量的产物和未反应完全的PEG。化合物F的产率为32.4%。
图3为化合物F的核磁共振氢谱图;图4为化合物F的核磁共振碳谱图;图5为PEG2000的质谱图;图6为化合物F的质谱图。
本发明合成的化合物F聚合物前药给药系统分子结构具有两亲性,可自组装形成纳米胶束,利用肿瘤组织EPR效应被动靶向至肿瘤。粒径在80nm左右。如图7和图8所示,图7为化合物F自组装形成的纳米胶束的透射电镜图;图8为化合物F自组装形成纳米胶束的粒径分布图。
化合物F给药后可通过胞吞作用进入细胞,由于肿瘤细胞内的酸性环境,药物聚合物之间的酸敏感腙键断裂,药物释放出来,进入细胞核发挥抗肿瘤作用。该体系的设计路线利用了靶向给药体系设计的前药策略、pH响应等靶向给药控释策略,利用化学键键合药物,具有载药量高、不泄露、可控释放的优点。
大分子缀合物(化合物F)给药系统性质测定
测定体外各pH条件下的药物释放。发现在中性条件下大分子缀合物(化合物F)稳定,但在酸性(pH 6.0以下)溶液中腙键断裂,药物迅速释放,具有显著地pH响应特性。采用香豆素-6对胶束进行荧光标记,利用激光共聚焦显微镜观察细胞摄取药物的过程;采用MTT法检测其对MCF-7、HepG2、SW180细胞的毒性。结果表明:细胞摄取10-HCPT-Hyd-PEG的速度较快,1小时后即可观察到细胞内的黄绿色荧光,2小时后可观察荧光增强,4小时荧光强度最大,药物大量进入细胞核,且细胞内长期维持较高浓度,没有迅速被细胞排出,有助于药效的持久发挥。
图9为37℃下10-HCPT在不同pH值PBS和血浆中的体外释放说明了在中性条件下化合物F稳定,但在酸性(pH 6.0以下)溶液中腙键断裂,药物迅速释放,具有显著地pH响应特性。
表1为体外细胞增殖抑制实验结果,说明了化合物F在三种肿瘤细胞种IC50值均小于10-HCPT,因此具有比10-HCPT更强的抑制肿瘤细胞增殖的作用。
表1
图10为激光共聚焦显微镜观察MCF-7细胞摄取香豆素-6标记的化合物F胶束7.5mg/mL 100μl后1小时,2小时,4小时后的照片;
A:FITC通道显示香豆素-6标记化合物F的黄绿色荧光;
B:DAPI通道表示DAPI染细胞核后的蓝色荧光;
C:A和B通道的融合;
图10结果表明细胞摄取化合物F的速度较快,1小时后即可观察到细胞内黄绿色荧光,2小时后可观察荧光增强,4小时荧光强度最大,药物大量进入细胞核,且细胞内长期维持较高浓度,没有迅速被细胞排出,有助于药效的持久发挥。
用MCF-7细胞建立腋下荷瘤裸小鼠动物模型,进行组织分布靶向性研究,健康大鼠进行体内药动学研究。结果表明化合物F在荷大鼠体内的循环时间显著高于游离10-HCPT溶液,这有利于提高药物可逆性地与拓扑异构酶Ⅰ结合的机率,而提高药效。荷瘤裸鼠肿瘤内、肝脏和肺部10-HCPT药物量大小顺序为:化合物F>10-HCPT注射液。结果表明10-HCPT-Hyd-PEG对肿瘤、肝脏和肺脏具有更好的靶向性。在心脏和肾脏内药物分布由小到大顺序为:化合物F<10-HCPT。表明本发明的制剂有利于降低10-HCPT的心脏和肾脏毒性。测定肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后肿瘤的生长情况。结果各组制剂的肿瘤抑制效果由强至弱顺序为:化合物F>10-HCPT>生理盐水组。化合物F抑瘤率显著提升。水溶性大分子缀合物疗效显著优于游离小分子抗肿瘤药物。
表2为大鼠体内10-HCPT和compound F的药动学参数比较(n=6,A:AUC0-inf;B:MRT0-inf)与10-HCPT注射液组相比p<0.05*;与10-HCPT注射液组相比P<0.01**,.说明了化合物F在荷瘤裸小鼠体内的循环时间显著高于游离10-HCPT溶液,这有利于提高药物可逆性地与拓扑异构酶Ⅰ结合的机率,而提高药效。肿瘤内、肝脏和肺部10-HCPT药物量大小顺序为:化合物F>10-HCPT注射液。结果表明10-HCPT-Hyd-PEG对肿瘤、肝脏和肺脏具有更好的靶向性。在心脏和肾脏内药物分布由小到大顺序为:化合物F<10-HCPT。表明本发明的大分子缀合物有利于降低10-HCPT的心脏和肾脏毒性。
表2
a药时曲线下面积;
b平均滞留时间;
c 10-HCPT注射液5.0mg/kg;
d化合物F:35.1mg/kg;
*与10-HCPT注射液组比较p<0.05;
**与10-HCPT注射液组比较p<0.01。
图11A为以上表格中AUC0-inf的柱形示意图,比表格数据更加形象和突出地表示了以上结果。图11B为以上表格中MRT0-inf的柱形示意图,比表格数据更加形象和突出地表示了以上结果。
通过分析给药后实验动物体重降低曲线,分析各给药系统的毒性。结果表明毒性的大小顺序为化合物F<10-HCPT。制剂的初步毒性研究显示:本发明制剂毒性较市售参比制剂更低。
图12为肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后肿瘤的大小图片。说明了:结果各组制剂的肿瘤抑制效果由强至弱顺序为:化合物F>10-HCPT组>生理盐水组。化合物F比10-HCPT具有更强的肿瘤抑制活性
图13A为肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后肿瘤的生长曲线;说明了各组制剂的肿瘤抑制效果由强至弱顺序为:化合物F>10-HCPT组>生理盐水组。化合物F抑瘤率显著提升。水溶性大分子缀合物疗效显著优于游离小分子抗肿瘤药物。
图13B为肿瘤各给药化合物F组、10-HCPT组和生理盐水对照组14天后实验动物体重降低曲线,均值±标准差(n=8);说明了毒性的大小顺序为化合物F<10-HCPT。制剂的初步毒性研究显示:本发明制剂毒性较市售参比制剂更低。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,其特征在于,该缀合物是经过修饰的10-羟基喜树碱与聚乙二醇的缀合物;
所述缀合物具有式(1)所示的结构,
式(1)中,n为正整数;所述n为22。
2.根据权利要求1所述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,其特征在于,所述经过修饰的10-羟基喜树碱为对10-羟基喜树碱的10位羟基进行酯化,接入一个带有酮羰基的短链,再接入一个pH敏感的腙键。
3.根据权利要求2所述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物,其特征在于,该缀合物为将经过修饰的10-羟基喜树碱的另一端与聚乙二醇分子链接得到的。
4.如权利要求1所述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物的制备方法,其特征在于,该方法的合成路径如下:
5.一种10-羟基喜树碱制剂,其特征在于,该制剂中含有如权利要求1至3任一项所述的pH敏感释放的10-羟基喜树碱水溶性大分子缀合物。
6.根据权利要求5所述的10-羟基喜树碱制剂,其特征在于,所述制剂在体内循环时间大于4h。
7.根据权利要求5所述的10-羟基喜树碱制剂在制备抗肿瘤药物中的应用。
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