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基于多糖衍生物的疏水药物前药构建及其在结肠癌治疗中的应用认领

作者：

王子丹

学位授予单位：

浙江大学

摘要：

近年来,结肠癌由于较高的发病率和致死率,对人类的生命健康造成严重的威胁。基于前药胶束的化疗药物递送系统可以增加疏水性药物的溶解度,提高药物的肿瘤靶向性及实现肿瘤微环境响应性药物释放。然而,传统的给药途径存在一定的弊端,前药胶束需经过体循环才能到达病灶部位,肿瘤组织中药物富集量十分有限。口服结肠定位递送系统(OCDDS)可以将药物经胃肠道直接递送到结肠病灶部位,实现药物的器官靶向递送,在结肠癌治疗中有良好的应用前景。其中,基于多糖衍生物构建的聚合电解质复合物(PEC)在OCDDS中的应用具有独特的优势。如何将PEC的优势与前药胶束相结合,实现疏水性药物前药的口服结肠定位递送,仍是亟待解决的科学问题。本文将疏水性抗癌药物接枝于亲水性的多糖衍生物骨架上,制备两亲性的前药胶束。进一步,将前药胶束用于疏水性化疗药物的协同递送,并在其表面修饰多糖衍生物PEC薄层,构建口服结肠定位前药胶束体系。详细考察前药胶束中响应性连接臂种类、亲疏水端比例、疏水内核负载药物种类对胶束自组装能力、粒径分布、肿瘤微环境响应性及细胞毒性等方面的影响。对前药胶束的肿瘤细胞内吞效率、胞吞机理、亚细胞分布、肿瘤渗透性、体内安全性及体内抑瘤活性进行评价,旨在为口服结肠定位前药胶束在结肠癌治疗中的应用提供参考。首先,以季铵盐羟乙基淀粉(QHES)为亲水骨架,采用两步酯化法将姜黄素(CUR)接枝于QHES上,合成两亲性前药,通过自组装法制备前药胶束。详细考察连接臂为间臂硫醚键(QHES-2S-CUR)、二硫键(QHES-SS-CUR)和碳碳键(QHES-CC-CUR)时,对前药胶束形貌特征、粒径分布、肿瘤微环境响应性、细胞内吞效率及细胞毒性的影响。结果表明,QHES-2S-CUR具有良好的自组装能力,在水中可形成平均粒径为217.28±12.62 nm,PDI为0.129±0.033的胶束。相较于QHES-2S-CUR胶束,QHES-SS-CUR自组装形成的胶束平均粒径稍大。而QHES-CC-CUR难以通过自组装形成稳定的胶束结构,在水中易形成较大的聚集体。此外,连接臂种类也会对前药胶束的肿瘤微环境响应性产生影响。QHES-2S-CUR胶束对模拟肿瘤微环境响应性最灵敏,在含有H2O2的释放介质中能够迅速释放出活性药物,24h内累积药物释放量达73.57±4.22%。在相同释放条件下,QHES-SS-CUR胶束药物释放速度相对较慢,而QHES-CC-CUR胶束无明显的肿瘤微环境响应性。细胞实验表明基于硫醚键构建的QHES-2S-CUR胶束表现出较高的细胞内吞效率及较强的肿瘤细胞毒性。其次,以硫醚键为连接臂,制备出具有不同载药量(DLC)的姜黄素前药胶束(QHES-S-CUR),探究DLC对QHES-S-CUR自组装能力和亲疏水性的影响,建立QHES-S-CUR胶束结构与其肿瘤微环境响应性和细胞毒性之间的构效关系,研究QHES-S-CUR的胞吞机理和亚细胞分布,并对其肿瘤渗透性和抑瘤活性进行评价。结果表明,DLC对体系的自组装行为有显著的影响。随着DLC的提高,QHES-S-CUR自组装能力逐渐增强,前药胶束的粒径减小且分布更均一。当DLC为9.79±0.78%时,QHES-S-CUR表现出适宜的亲水性、肿瘤微环境响应性和细胞毒性。此外,前药胶束通过细胞窖介导的内吞进入细胞后,能够靶向递送到癌细胞的线粒体。在三维肿瘤球模型中,QHES-S-CUR胶束表现出较强的渗透能力。体内抑瘤实验中,QHES-S-CUR具有良好的抑瘤效果和体内安全性,在结肠癌治疗中具有较好的应用潜能。在上述研究的基础上,进一步将QHES-S-CUR前药胶束应用于协同给药体系的构建。利用分子模拟的手段考察了姜黄素与不同的化疗药物分子共混体系的稳定性,对体系的主要构象、质心距离及能量均值进行评估。以此为基础构建负载化疗药物的前药胶束协同给药系统,探究化疗药物与前药比例对胶束形貌及粒径分布的影响。研究协同给药胶束的药物释放行为、细胞毒性、亚细胞分布及肿瘤球渗透情况。建立小鼠结肠癌皮下瘤模型,评估协同给药胶束的抑瘤活性及体内安全性。分子模拟结果表明,姜黄素与7-乙基-10-羟基喜树碱(SN38)共混体系能量均值低,质心距离短,两者相互作用力较强,基于此构建的负载SN38的QHES-S-CUR胶束协同给药体系具有较好的稳定性。SN38与QHES-S-CUR的质量比对协同给药胶束的形貌和粒径分布有显著的影响,当两者质量比从1:10增大到1:20后,协同给药胶束从棒状结构转变为球形纳米胶束结构,负载的SN38呈无定型态。SN38@QHES-S-CUR表现出良好的肿瘤微环境响应性,同时具有线粒体靶向性及肿瘤球深层渗透性。与盐酸伊利替康(CPT-11)相比,SN38@QHES-S-CUR表现出更强的体内抑瘤效果,表明姜黄素与SN38协同给药后,可以显著增强SN38的癌症治疗效果,发挥协同作用。针对SN38@QHES-S-CUR协同给药胶束,通过静电相互作用吸附纤维素硫酸钠(NaCS),形成表面修饰有 PEC 薄层的 NaCS/SN38@QHES-S-CUR。考察 NaCS 与 QHES-S-CUR比例对NaCS/SN38@QHES-S-CUR形貌和表面电势的影响。重点关注该胶束在胃和小肠中的稳定性及结肠部位纤维素酶的酶解对NaCS/SN38@QHES-S-CUR内吞效率、亚细胞分布及肿瘤球中渗透能力的影响。在小鼠结肠癌皮下瘤模型中,对NaCS/SN38@QHES-S-CUR 的抑瘤效果进行评价。结果表明,NaCS/SN38@QHES-S-CUR表面呈负电性,PEC薄层随NaCS量的增加而变厚。NaCS/SN38@QHES-S-CUR在模拟胃肠环境中表现出良好的稳定性,而在模拟肿瘤微环境的活性氧(ROS)触发下可以响应性地释放出姜黄素及SN38。经纤维素酶酶解后,NaCS/SN38@QHES-S-CUR表面的NaCS被降解,细胞内吞效率提高,线粒体靶向性增强。在三维肿瘤球模型中,酶解后的NaCS/SN38@QHES-S-CUR表现出更强的肿瘤渗透性。小鼠结肠癌皮下瘤模型中,NaCS/SN38@QHES-S-CUR与CPT-11相比抑瘤效果更强,且对主要器官无明显的毒副作用。最后,为了提高疏水性药物递送体系的稳定性,利用新型超临界流体微粒化技术(SAA-HCM)探索了负载姜黄素的多糖基乳浊液的微粒化过程。研究乳浊液在SAA-HCM中的成粒机理,考察了气液比、混合器压力及混合器温度等操作参数对微粒粒径分布的影响。对微粒的化学稳定性、晶型状态及热行为进行分析,并对载药微粒在模拟胃肠道环境中的稳定性及结肠中的酶响应性进行评价。乳浊液经SAA-HCM微粒化主要分为混合器内有机溶剂萃取、油相聚合物固化成核及沉淀器内液滴水分挥发、形成载药微粒两个阶段。SAA-HCM操作参数对微粒粒径分布有显著的影响。增大CO2/待处理液质量流量比、减小混合器压力、提高混合器温度,均有利于形成粒径较小且分布均一的载药微粒。固态表征表明姜黄素是以无定型态负载于载药微粒中。体外药物释放行为表明,载药微粒在模拟胃肠环境中具有良好的稳定性,在模拟结肠环境中可以实现酶响应性药物释放。制备的纳米-微米嵌合载药微粒可以有效地避免纳米粒的团聚、提高纳米粒的分散性。综上所述,本文成功构建了基于多糖衍生物的疏水性抗癌药物前药胶束递送体系,将其应用于化疗药物的协同给药及OCDDS中。该前药胶束有望实现疏水药物的器官靶向递送、肿瘤深层渗透及胞内精准分布,在结肠癌的靶向治疗中具有潜在的应用前景。

摘要译文

关键词：

结肠癌; 多糖; 阳离子前药; 胶束; 自组装; 肿瘤微环境响应性; 线粒体靶向; 协同给药; 聚合电解质复合物; 口服给药

学位年度：

2023

学位类型：

博士

学科专业：

化学工程与技术

导师：

关怡新

中图分类号：

R943[制剂学]

学科分类号：

083611[医药生物工程];100603[中西医结合药学];100702[药剂学]

D O I：

10.27461/d.cnki.gzjdx.2023.001571