CN112807274A - 一种内源性水凝胶新型给药系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型药物给药系统，更具体地涉及可控地释放药理活性物质的可生物降解的内源性水凝胶基质，属于制药技术领域。本发明的给药系统，包括：（a）可生物降解的内源性水凝胶基质，其包含蛋白质，多糖和在它们之间提供网络连接的交联剂，其中基质中多糖与蛋白质的重量比为约10:90至90:10;和（b）有效量的基质中所含药物，以提供所需的全身或局部作用。本发明的优点在于其增强的生物相容性。据信在制剂中使用多糖或粘多糖（特别是肝素）可增强血液相容性并显着降低补体系统的活化。此外，由于水凝胶的聚合物组分是内源的，因此酶促降解的产物也是内源的。

Description

一种内源性水凝胶新型给药系统

技术领域

本发明涉及一种新型药物给药系统，更具体地涉及可控地释放药理活性物质的可生物降解的内源性水凝胶基质，属于制药技术领域。

技术背景

在过去的十年中，药物给药领域发展迅速。特别地，已经开发了许多药物给药系统以实现药理活性物质的受控释放。

研究的一个领域是在药物给药系统中使用“水凝胶”或水溶胀性聚合物基质。水凝胶是可吸收大量水以形成弹性凝胶的网格状聚合物。“加载”到这种凝胶中的药理活性物质的释放通常包括通过溶胀控制扩散机制来进行水的吸收和活性物质的解吸。然而，使用水凝胶有一个显著缺点，已经严重阻碍了水凝胶在药物给药系统中的使用，这个缺点是这种制剂通常是不可生物降解的。因此，配制有水凝胶的药物给药装置通常必须在皮下或肌内给药后去除，或者如果必须直接引入血液中则根本不能使用。因此，使用在人体中降解后不会引起毒性或其他不良反应的水凝胶将是有好处的。

目前仅有几种类型的可生物降解的水凝胶被报导。它们基于蛋白质，使用白蛋白微球，聚（α氨基酸）等。然而，即使是这些制剂，也已证明在生物相容性方面存在问题。另外，胶原蛋白基质，包括胶原蛋白-粘多糖基质，已经制备出来并将其用于伤口愈合应用以及当做人造皮肤使用的层压膜中。但是，这些胶原蛋白基质在药物给药中的效用是有限的，因为它们不是“血液相容的”。也就是说，这些基质使伤口愈合（例如，通过促进凝血）的作用，使其在药物输送系统中不能使用。

发明内容

本发明是一种可生物降解的水凝胶，其具有显着增强的生物相容性，因为（1）血液相容性得到显着改善，（2）免疫抗原性降至最低，并且（3）水凝胶被酶降解为内源性无毒化合物。制备新型水凝胶的方法代表了本领域的进一步进步，因为在合成过程中，人们可以小心地控制诸如亲水性，电荷和交联度之类的因素。通过改变所制备的水凝胶的组成，可以控制特定药物的摄取，水凝胶制剂的降解动力学和总体定时释放曲线。

本发明的药物输送系统，包括：

（a）一种可生物降解的水凝胶基质，其包含蛋白质，多糖和在它们之间提供网格连接的交联剂，其中基质中多糖与蛋白质的重量比为约10:90至90:10；和

（b）基质内所含的药物。

本发明还包括制备这种药物给药系统的方法，该方法包括将上述成分溶解在水性介质中，使这些成分交联以提供三维网络，以及以溶液或液体形式负载选择的药物，进入基质。形成的水凝胶的组成可以在合成过程中变化，从而改变亲水性，电荷和交联度。

由于本发明的系统是血液和组织相容的，因此它们可以根据多种给药方式，例如口服，肠胃外给药等用于给药多种药物。

如上所述，新型水凝胶的主要优点在于其增强的生物相容性。据信在制剂中使用多糖或粘多糖（特别是肝素）可增强血液相容性并显着降低补体系统的活化。此外，由于水凝胶的聚合物组分是内源的，因此酶促降解的产物也是内源的。

附图说明

图1为本发明一个实施例的制备流程图。

图2为白蛋白-肝素微球的制备流程图。

图3为肝素含量曲线图。

图4为合成物中EDC含量示意图。

图5为缓冲液的离子强度图。

图6为缓冲液的PH值。

图7为水凝胶中白蛋白的蛋白质释放图。

具体实施方式

本发明的药物给药系统是通过将多糖或粘多糖与蛋白质交联并将药物以溶液或液体形式加载到水凝胶基质中而形成的。可以使用多糖或粘多糖与蛋白质的不同比例来制备水凝胶基质，并且可以以各种尺寸和几何形状来制备水凝胶基质。如将要描述的，在掺入所选药物时，水凝胶可膨胀至不同程度，这取决于凝胶的组成以及pH，温度和加载介质的电解质浓度。这允许掺入不同类型和类别的药物，包括低分子量药物，肽和蛋白质。将含药物的水凝胶暴露于生理环境后，即在血液或组织中，药物将逐渐释放。像载药参数一样，释放速率将取决于凝胶的组成，交联程度，组分的任何表面处理（例如，增加或减少其亲水性，电荷，降解动力学），使用的药物以及水凝胶体的几何形状。

这里所用的“水凝胶”是指由共价交联连接在一起的可膨胀的三维大分子网络。（这些共价交联有时在本文中被称为在大分子结构内提供“网络连接”）在水环境中放置时，这些网络膨胀到交联度允许的程度。如本文所用，术语“药理活性物质”或“药物”是指任何适于期望有全身或局部作用的化学材料或化合物。通常，这包括所有主要治疗领域中的治疗剂。“有效”量的药理活性物质或药物是指无毒但足够量的化合物以提供所需的全身或局部作用。

本文所用的“液体形式”的药物或药理活性物质是指液体药物，即纯净的，或溶解或分散在药理相容性载体中的药物。“包含在”水凝胶基质中的药物是指分散或溶解在其中的药物。

如本文所用，“蛋白质”是指全长蛋白质和多肽片段，其在任何情况下都可以是天然的，重组产生的或化学合成的。如本文所用，“多糖”旨在包括多糖和粘多糖两者。合适的多糖的实例包括肝素，分馏的肝素（例如，在AT-III柱上），肝素，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素和右旋糖酐。通常，可用于形成本发明的水凝胶的多糖或粘多糖是美国专利No.5,235,038中所述的那些。上文引用的授予Yannas等人的美国专利4,060,081。肝素或肝素类似物是优选的，因为该化合物是强抗凝剂并且可被肝素酶和淀粉酶生物降解。另外，使用肝素或肝素类似物，即与肝素在结构上相关并提供相同或相似程度的生物相容性的化合物，似乎降低了免疫抗原性，并且由于这些化合物带电荷高，水溶胀高，从而促进了药物装载然后释放。

如上所述，水凝胶的蛋白质组分可以是全长蛋白质或多肽片段。它可以是天然形式，重组产生或化学合成的。该蛋白质组分也可以是全长蛋白质和/或片段的混合物。通常，该蛋白质选自白蛋白，酪蛋白，纤维蛋白原，γ-球蛋白，血红蛋白，铁蛋白和弹性蛋白。该列表旨在是说明性的，而不以任何方式进行限制。例如，水凝胶的蛋白质组分也可以是合成多肽，例如聚（α-氨基酸），例如聚天冬氨酸或聚谷氨酸。优选白蛋白作为基质的蛋白质成分，因为白蛋白是在血液中可通过蛋白水解酶，在组织中通过与巨噬细胞活性相关的蛋白水解酶以及在不同器官中通过吞噬作用，即通过网状内皮细胞的作用而可生物降解的内源性物质。此外，白蛋白可防止血小板粘附，且无毒无热原。

如上所述，本发明的主要优点在于水凝胶的蛋白质和多糖成分都是内源性的生物相容性材料。这大大降低了免疫抗原性的可能性，并且进一步确保了生物降解产物也是生物相容性材料。

水凝胶基质中多糖或粘多糖与蛋白质的重量比变化很大，并且通常在约10:90至90:10的范围内。更优选地，该范围是约10:90至60:40。选择的比率会影响药物装载，降解动力学和总体定时释放曲线。因此，通过改变水凝胶中蛋白质和多糖组分的相对含量，可以在很大程度上控制上述因素。

在形成新型水凝胶时，可以使用以下几种交联方法之一：

（1）可以将多糖或粘多糖和蛋白质溶解在水性介质中，然后加入形成酰胺键的交联剂。用于该方法的优选的交联剂是碳二亚胺。在该方法中，在酸性pH和约0℃至50℃，优选约4℃至37℃的温度下，将交联剂添加至多糖和蛋白质的水溶液中。并使其反应至多约48小时，优选至多约24小时。然后通常通过离心分离如此形成的水凝胶，并用合适的溶剂洗涤以除去未偶联的物质。

（2）将所选择的多糖或粘多糖与蛋白质的混合物用具有至少两个醛基的交联剂处理，从而在各成分之间形成席夫碱键。然后用合适的还原剂还原这些键，得到稳定的碳-氮键。在该方法中特别优选的交联剂是戊二醛，而特别优选的还原剂是NaCNBH₃。如上所述分离和纯化水凝胶基质。

在交联之前，如果需要，可以通过水解N-HSO₃基团将多糖组分（例如肝素）部分脱N-硫酸化，以增加可用于交联的游离胺部分的数量。

（3）通过在非水介质（如甲酰胺）处理，使季铵盐形式中存在的多糖或粘多糖的羧基和/或羟基预先活化。随后与糖精反应，随后与蛋白质在水性介质中反应。反应时间和温度与上述（1）相同。像水凝胶本身的组成一样，水凝胶中的交联程度会影响基质的降解动力学，负载量和总体定时释放曲线。即，较高程度的交联通常将导致较慢的降解和释放，而较低程度的交联将导致较快的降解和释放。这样形成的水凝胶通过浸入包含药物的溶液中而被装载有选择的药物。通常，通过在药物存在下进行交联过程来装载水凝胶（例如白蛋白微球）。或者，通过浸入药物溶液中来装载一些水凝胶。或者，通过将药物浸入药物在一种或多种有机溶剂中的溶液中来装载一些水凝胶，然后在装载后蒸发一种或多种有机溶剂。本发明的水凝胶使人们可以免除使用有机溶剂，并且消除了水凝胶被有机残余物污染的可能性。也就是说，使用本方法，水凝胶可以在水相中而不是在有机溶剂中装载。采用本方法，水凝胶（微球）经制备和洗涤纯化后，可在水相药物溶液中负载。载药量在很大程度上取决于水性体系的离子强度。在由带离子的肝素（或类似物）和蛋白质形成的基质中，溶胀度会随着周围介质中离子强度的降低而显着增加。温度也可以用于改变药物负载的程度，因为通常由于升高的溶胀和药物溶解度，在升高的温度下将获得更大程度的药物负载。

影响药物载量的另一个变量是pH。根据所使用的多糖和蛋白质的不同，改变pH值会改变离子化程度，这将影响凝胶的溶胀行为，并在药物加载过程中提供更大的灵活性。平衡后，将加载的凝胶在环境条件下真空干燥，并保存。可以将多种药物掺入水凝胶基质中，包括低分子量药物（例如激素，细胞生长抑制剂和抗生素），肽以及高分子量药物（例如蛋白质，酶和抗凝剂（例如肝素））。实际上，只要考虑到表面电荷，大小，几何形状和亲水性等因素，任何药物都可以装入水凝胶基质。例如，高分子量药物的掺入和释放通常将需要具有通常较低的交联度的水凝胶。带电药物的释放将受到水凝胶中可用的电荷和电荷密度以及周围介质的离子强度的强烈影响。药物从基质中释放的速率也可能受到水凝胶制剂的后处理的影响。例如，通过使配制的水凝胶与活化的肝素（即，肝素与羰基二咪唑和糖精反应）或与每分子含有一个醛基的肝素反应，可以增加水凝胶表面的肝素浓度。水凝胶表面高浓度的肝素会在生理pH值下为带正电荷的药物形成额外的“屏障”。获得相同结果的另一种方法是用带正电的大分子化合物（如硫酸鱼精蛋白，聚赖氨酸或类似的聚合物）处理水凝胶。改变水凝胶渗透性的另一种方法是用含有亲水性和疏水性嵌段的可生物降解的嵌段共聚物处理表面。亲水性嵌段可以是带正电荷的聚合物，例如聚赖氨酸（能够与带负电荷的肝素共价结合），而疏水性嵌段可以是可生物降解的聚（α-氨基酸），例如聚（L-丙氨酸），聚（ L-亮氨酸）或类似的聚合物。应当指出，药物释放的速率和程度涉及多种机制。在非常高分子量的药物的情况下，释放速率将更多地取决于水凝胶生物降解的速率。对于较低分子量的药物，药物的释放将主要由扩散控制。在这两种情况下，取决于所选的水凝胶成分，离子交换也可以在总体释放曲线中起主要作用。在申请人的优选实施方案中尤其如此，其中水凝胶基质具有相当程度的离子电荷，例如，由带离子电荷的蛋白质（例如白蛋白）和肝素类似物形成的基质。

可以将水凝胶基质制成胶囊，片剂，膜剂，半固体制剂，以及微球或类似制剂。使用水凝胶基质配制的组合物可以包括常规的药物载体或赋形剂等。可以选择水凝胶体的大小，以决定最终的放置位置。也就是说，根据大小，静脉内引入的微球可能会被物理捕获在肺毛细血管床（大小> 7μm）中，并被RES系统的细胞（大小> 100 nm）吞噬，从而将颗粒主要定位在肝脏中和脾脏，或可能滞留在细胞外部位（尺寸<100 nm）。应当理解，尽管已经结合本发明的优选具体实施例对本发明进行了描述，但是前面的描述以及随后的实施例旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由本发明所限定。

实施例1

可生物降解水凝胶的制备

将肝素（400mg，0.036mmol）加入到750ml双蒸馏水中。将人血清白蛋白（“ HSA”，550mg，0.0085mmol）添加至1.0ml双蒸馏水中，并将两种溶液保持在4℃下溶解过夜。然后将94mg的N-（3-二甲基氨基丙基）-N-乙基碳二亚胺（“ EDC”）加入250ml的双蒸馏水中，并在4℃下溶解。肝素溶液，以及1ml的白蛋白溶液和将搅拌棒放入2ml的聚乙烯-聚丙烯注射器中，将其顶部切掉。将柱塞放在注射器上，并将溶液充分混合。加入EDC溶液，并将混合物再次混合。所有步骤均在4℃下进行。

24小时后，通过将注射器在甲苯中溶胀而从注射器中除去所得凝胶，然后用磷酸盐缓冲盐水（“ PBS”）平衡该凝胶以除去未偶联的物质。

实施例2

交联微球的制备

根据图1的方案合成白蛋白-肝素微球。将纯橄榄油（250毫升）添加到平底400毫升烧杯中。然后将电动机驱动的双叶片搅拌棒浸入油中的大约三分之二。将油以1500rpm搅拌30分钟之后，用20号注射器将0.8ml的白蛋白和肝素的水溶液（大约4∶1，w/w）添加至搅拌的油中。然后将混合物搅拌15分钟。然后用注射器滴加EDC的水溶液（112mgs/ml），并将混合物搅拌过夜。通过以1000rpm离心10分钟来分离微球（在图1中标记为“化学稳定”），随后使用聚四氟乙烯过滤器（孔径0.45微米）真空过滤并用乙醚洗涤。

在图1中还概述了获得白蛋白-肝素微球的其他可能性。除了不使用交联剂外，如上所述制备“变性稳定的”微球。还在不存在交联剂的情况下，但在约100℃至170℃，典型地约130℃的温度下制备“热稳定的”微球。使用油包水乳液制备白蛋白-肝素微球的改进的合成方案显示在图2的反应方案中。在该方法中，将2.00g Pluronic F-68（密歇根州怀恩多特市巴斯夫怀恩多特公司的商标，用于高分子量聚氧化烯醚）溶解在20ml玻璃闪烁小瓶中的8.0mlCHCl₃中。将白蛋白（100.0 mg）和肝素（50.0 mg）溶于500m1水中，然后添加到表面活性剂溶液中以形成乳液。将EDC溶液（24.0mg /100ml）注入乳液中，并将混合物搅拌过夜。如前所述进行微球的分离。所有步骤均在4℃下进行。

实施例3

白蛋白-肝素水凝胶的溶胀行为

如下方法检查按前述实施例制备的白蛋白-肝素微球的溶胀行为（使用不同量的肝素）。图3至6以曲线图形式画出了不同因素对白蛋白-肝素微球在缓冲溶液中的溶胀行为的影响。

A 将微球置于22℃的pH 7.4的PBS缓冲溶液中。并监测缓冲溶液的摄取。 从图3所示的曲线可以得出结论：缓冲溶液的摄取随肝素含量的增加而增加。 因此，为了能够将更多的药物“装载”到水凝胶基质中，肝素含量应相应增加。

B 在pH7.4的PBS缓冲液中，还以不同的离子强度进行了溶胀研究。对于变化的交联密度的水凝胶，获得了水凝胶中溶液的平衡分数。这些值在图4和5中示出。在纯水中，平衡离子在溶液中的屏蔽作用无法掩盖水凝胶中的固定电荷，溶胀会发生，直到水凝胶的机械强度非常弱。这些图还表明，可能的“负载”量还取决于所用交联剂的量以及所用溶剂的离子强度。

C 进行了进一步的溶胀研究以评估pH的影响。如上所述，在22℃的PBS缓冲液中进行研究。在此，溶液的离子强度保持在0.15。如图6所示，在低pH值下，未反应的羧酸（pKa约为4.2）在很大程度上被结合，因此溶胀度较低。在较高的pH值下，溶胀度也相应较高。这表明胺在较高的pH值下会失去质子化作用，从而降低了有吸引力的静电相互作用。

实施例4

从水凝胶中体外释放蛋白质

将鸡蛋清蛋白（摩尔重量-45,000）溶解在4℃的双蒸馏水中，最终制成10％（w/v）的溶液。然后将凝胶置于1 ml的这些蛋白质溶液中以进行药物加载。当达到平衡时，随后将凝胶在室温下干燥。

然后将干燥的装载有蛋白质的圆盘置于室温下的50ml（每50毫升1个圆盘）等渗PBS缓冲液中，pH=7.40 w/0.1％叠氮化钠。以不同的间隔取出缓冲溶液样品，并分析鸡蛋清蛋白。通过UV光谱法（γmax＝ 279.4nm）对释放进行定量。图7以图表的形式说明了水凝胶中白蛋白的蛋白质释放。

Claims (10)

1.一种内源性水凝胶给药系统，包括：

（a）可生物降解的内源性水凝胶基质，其包含蛋白质，多糖和在它们之间提供网络连接的交联剂，其中基质中多糖与蛋白质的重量比为约10:90至90:10;和

（b）有效量的基质中所含药物，以提供所需的全身或局部作用;

所述蛋白质选自白蛋白，酪蛋白，纤维蛋白原，γ-球蛋白，血红蛋白，铁蛋白，弹性蛋白和合成α-氨基肽;所述多糖选自肝素，肝素片段，肝素，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素，葡聚糖及其混合物;所述多糖选自肝素，肝素片段，肝素和硫酸乙酰肝素；所述交联剂是酰胺键形成剂，包含至少两个醛基；所述酰胺键形成剂是碳二亚胺；所述药物选自蛋白质，酶，粘多糖，肽，激素，抗体和细胞生长抑制剂。

2.如权利要求1所述内源性水凝胶给药系统，其特征是：所述蛋白质是白蛋白，多糖与蛋白质的比率在约10:90至60:40的范围内。

3.如权利要求1所述内源性水凝胶给药系统，其特征是：所述碳二亚胺是N-（3-二甲基氨基丙基）-N'-乙基碳二亚胺。

4.如权利要求1所述内源性水凝胶给药系统，其特征是：所述交联剂是戊二醛。

5.如权利要求1所述内源性水凝胶给药系统，其特征是：包含在水凝胶基质中的药物在其中溶解或分散。

6.一种制造内源性水凝胶给药系统的方法，包括：

将蛋白质和多糖溶解在水性介质中，其中多糖与蛋白质的重量比为10:90至90:10；

使蛋白质和多糖交联以提供交联的水凝胶基质；和

将有效量的溶液或液体形式的药物以预定的程度负载到所述水凝胶基质中，其中通过蛋白质和多糖组分与交联剂的混合来进行交联；

所述蛋白质选自白蛋白，酪蛋白，纤维蛋白原，γ-球蛋白，血红蛋白，铁蛋白和弹性蛋白以及合成的α-氨基肽；所述多糖选自肝素，肝素片段，肝素，硫酸乙酰肝素，硫酸软骨素和右旋糖酐；多糖与蛋白质的比率在约10； 90至60：40的范围内。

7.如权利要求6所述的方法，其特征是：所述药物载量的程度由所述水凝胶基质中多糖与蛋白质和交联剂的比率控制。

8.如权利要求6所述的方法，其特征是：药物装载的程度由温度控制。

9.如权利要求6所述的方法，其特征是：所述药物载量的程度由离子强度控制。

10.如权利要求6所述的方法，其特征是：其中所述药物载量的程度由pH值控制。

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