纳米递药系统研究进展及发展前景

纳米递药系统研究进展及发展前景四川大学华西药学院靶向药物及释药系统教育部重点实验室张志荣2009.9. 6于天津医科大学,目 录一、纳米技术在药学领域的发展二、纳米递药系统研究进展三、进入实用的可能性四、需要解决的问题及思考五、靶向递药系统的几个重要发展方向,+,一、纳米技术在药学领域的发展过程,1976年Birrenbach等人首先提出了纳米粒和纳米囊的概念；1977年Couvreur等人发现NP能够进入细胞，并具有溶酶体趋向性；1978年Kreuter等人用NP进行了疫苗载体的研究；1979年Couvreur等人用NP进行抗癌药物载体的研究；90年代NP的研究已成为药学领域的研究热点之一。,纳米递药系统,纳米技术、纳米材料应用于药学领域产生了纳米给药系统，包括纳米载体与纳米药物纳米粒（Nanoparticles,NP）, 纳米球（Nanospheres,NS），纳米囊（Nanocapsules,NC）,纳米胶束（Nanomicelle,NM）,纳米脂质体（Nano-liposomes,NL）和纳米乳剂（Nano-emulsion,NE）等 NP一般是指由天然或合成的高分子材料制成的、粒度在纳米级的（1-1000nm）固态胶体微粒,纳米递药系统的主要特点,增加药物的吸收：由于NP高度分散，表面积大，并具有特殊的表面性能（如生物粘附性、电性、亲合性等），有利于增加药物在吸收部位的接触时间和接触面积，加之NP对药物具有明显的保护作用，故可提高药物的吸收和生物利用度； 控制药物的释放：由于载体材料的种类与性能（如分子量和比例等）的不同、制备NP的工艺不同以及NP的结构等不同，可以使药物具有不同的释药速度；,改变药物的体内分布特征：NP进入体内后由于网状内皮系统的吞噬作用，可靶向于吞噬细胞丰富的肝脏、脾脏、肺和淋巴组织等，特别小NP还可进入骨髓组织。NP经抗体介导、配体介导或磁场介导等，可主动靶向靶组织； 改变药物的膜转运机制：NP可以增加药物对生物膜的透过性，如增加药物对血脑屏障和细胞膜的通透性等，有利于药物对一些特殊部位的治疗。,阻碍微粒类TDDS上生产和临床的关键问题 载药量小：0.1%-14% 工艺复杂：除了喷雾干燥法以外 稳定性差: 胶体注射剂的物理稳定性 药动学模型：需要建立新的数学模型 载体材料问题：需要静脉注射的高分子材料,纳米递药系统的研究已经很多，但是除了脂质体外，还没有高分子材料作为载体的纳米制剂上生产和临床。,二、纳米递药系统研究进展,几个重要的进展 制备工艺：乳化固化、界面缩聚、乳化 聚合喷雾干燥等 载药量：达40%以上 载体材料：不可降解-可降解 体内靶向性：粒径、表面状态 药效和毒性：载体体内降解途径 临床研究：1993年德国阿霉素毫微粒 1996-2000年中国108例临床研究,制备方法与载药量研究 载药机理：包裹、吸附 1985年Dougles: 温度、搅拌、浓度、 酸化剂、电解质 1989年Lenaerts: 用SO2，粒径10-20nm, 1990现在，张志荣课题组通过控制Zeta电 位达 -50mv以上，使载药量达到46%。,载药量进展情况- 药物 载体 载药量（%） 研究者- 胰岛素 PIBCA 3.12 Damge 氟脲嘧啶 PBCA 2.52 潘卫三 斑蟊素 白蛋白 1.28 程宇慧 阿霉素 PBCA 6.35 Gasco 伯 喹 PBCA 4.56 Douglas 羟氨苄 PBCA 14.3 Rolland-,如米托蒽醌聚氰基丙烯酸正丁酯纳米粒,纳米粒 药物分子 载药纳米粒,图 米托蒽醌纳米粒的扫描电镜照片,线性方程IDL(%) = -16.996+0.9756ZP(r=0.9996),米托蒽醌纳米粒Zeta电位与载药量的关系_Term Na2S2O3+NaCl Na2S2O3 Na2S2O4 NaCl KCl _ZP(mv) -65.8 -50.5 -35.2 -30.4 -27.3ER(%) 84.12 62.83 45.68 38.25 34.21IDL(%) 46.77 33.01 17.23 12.72 9.28_,本法的应用效果- 药物 载体 载药量（%） 作者-阿克拉霉素 PIBCA 44.9 蒋学华庆大霉素 PBCA 41.7 张强两性霉素B PBCA 38.6 郭平柔红霉素 PBCA 30.2 彭应旭阿克拉霉素B LP 40.5 王章阳万乃洛韦 PBCA 26.3 何勤氟脲嘧啶 LP 36.5 于波涛氟脲核苷 LP 48.9 王建新 -,体内靶向性研究 Lenaerts（1984） 、Andrien(1989)、Verdun(1990) 等研究证明了肝靶向性。证实Kupffer cell摄取 最多。 Dougles(1985)证实50-100nm的可进入肝实质细胞。 Gipps(1986)证实肿瘤组织中比肌肉高，随动物种类 而异。 如米托蒽醌纳米粒的体内分布,米托蒽醌纳米粒在动物体内的药-时曲线,药效学研究Courveur(1984)、Kubiak(1989)、Verdun(1990) Bartoli(1990)、证实可提高抗癌药的治疗指数，降低耐药性和毒性。张志荣（2000，2009），米托蒽醌纳米粒，羟基喜树碱脂质纳米粒抗肝癌效果提高26%。,米托蒽醌纳米粒的抑瘤效果,毒性研究 载体材料的毒性 蛋白蛋白质的抗原性： 降解产物的毒性：Lenaerts(1984), PACA 2条降 解途径甲醛途径、酶解途径（氰基乙烯、醇） 肝脏线粒体毒性,静注米托蒽醌纳米粒后小鼠肝病理切片,Fig.1 Overall survival of HCC patients treated with DHAD-PBCA-NP or DHAD injection The median survival of DHAD-PBCA-NP group and DHAD injection group were 5.46 months and 3.23 months.,临床研究,几个重要的研究热点扩大载药种类：疫苗类、蛋白类、治疗基因 Kreuter(1991): HIV1Ag、HIV2Ag E.Esposito(1999): cationic microspheres N.J.Zuidum(1999): DNA-lipid complexes 陆彬(2002): 载基因腺病毒纳米囊 Leaf. Huang(2003): 载基因LPD （2008）载SiRNA LPD 张志荣/孙逊(2006)：载基因PELGE纳米粒 孙逊 （2008）：载腺病毒脂质纳米粒,延长循环时间 表面活性剂包裹：Illum等 带正电荷的物质包裹，肝脏摄取减少， 脾和肺增加。 亲水性物质包裹，肝、脾摄取减少。 Dougles, 对可生物降解的纳米粒改变 不明显。 IgG包衣改变不显著 缓释作用，如羟基喜树碱,如羟基喜树碱纳米粒： Table 1 The pharmacokinetic paramaters of HCPT-PBCA-NP in rabbit plasm after i.v. Administration Parameter Unit Values Standard Error Alpha l/h 4.776599 2.58E-01 beta l/h 0.004716 3.38E-03 V(c) (mg)/g/ml 3.548185 t1/2 alpha h 0.145113 t1/2 beta h 146.992081 K21 1/h 0.445371 K10 1/h 0.050688 K12 1/h 4.286256 AUC (g/ml )*h 27.800825 CL(s) mg/h (g/ml ) 0.178751,增加局部靶向 热敏性-邓英杰教授、科学院成都分院、 华东理工大学、清华大学、天 津大学 pH敏感性-裴元英教授，纳米脂质体 表面化学修饰-如交联半乳糖白蛋白纳米球,如糖蛋白受体米托蒽醌白蛋白纳米球,A. 米托蒽醌白蛋白纳米球,B. 米托蒽醌联糖白蛋白纳米球,Time(min)Fig 2 Concentration-time curve of Liver after DHAQ-MA and Gal-DHAQ-AM iv administration证实了网状内皮系统对纳米粒肝靶向分布起主导作用,Distribution percentage (%),改变传输方向 如抗C-erbB-2单克隆抗体免疫米托蒽醌白蛋白纳米球,图 免疫纳米球的制备及其与乳腺癌细胞的作用,免疫纳米球与人乳腺癌细胞（SK-BR-3)的结合,胞内靶向 Rolland 氨卞青霉素纳米粒庆大霉素纳米粒万乃洛韦聚氰基丙烯酸酯纳米粒,图 iv万乃洛韦纳米粒后小鼠肝细胞的电镜照片创新点： 在国内初步证实了毫微粒可透过肝细胞,改善难溶性药物溶解性质纳米粒释药系统2008年度国家973项目张强教授张志荣教授等：喜树碱衍生物、水飞蓟滨、石蒜碱、细辛 脑等脂质纳米粒，均申请 发明专利。其中羟基喜树碱 脂质纳米已获得发明专利授权，正在进行安全性评 价研究。,口服纳米系统： Alpar等3只大鼠结果，1.1m纳米粒， 39%出现在血循环中。 Nefzger、Spenlehauer放射标记测15%左右， 但来源于降解碎片。 Jani、Kukan 4%在肝、脾中。 Florence（1999），用狗实验，仅3%进体内。 眼部给药 纳米粒：Wood、Fitzgerald等人 匹罗卡品,三、进入临床的可能性,纳米递药系统的基础和应用 基础研究已相当清楚。一些难关已攻克或接近攻克。磷脂构成的纳米给药系统可望在近年内推上临床。高分子材料构成的纳米给药系统要上临床和生产，还需要走漫长的路。,四、需要解决的问题及思考,一)、纳米球的制备工艺与载药量 聚合法： 催化聚合：-氰基丙烯酸正丁酯为载体； -射线辐照聚合:丙烯酸胺为载体； K2S2O3诱导:戊二醛为载体。 分散法： 天然聚合物分散：明胶，白蛋白，桃胶。 合成聚合物分散：聚乳酸，EC、MC、CAP。 吸附法： 载药机理及对载药量的影响 范德化力吸附：吸附方法影响，一步法，二步法，三步法。 静电吸附：zeta电位影响，米托蒽醌纳米球： 包裹法：载体材料种类影响载药量。,解决制备工艺复杂和载药量低的思路 选择适当的载体材料，聚乳酸，-氰基丙烯酸酯类， 可生物降解、可静电吸附、范德华吸附、包裹。 纳米球表面包衣， 如羟基喜树碱-氰基丙烯酸正丁酯纳米球。 设法提高纳米球的zeta电位。 制备类脂纳米粒或pharmacosomes。磷脂复合物脂质 纳米粒,二）、纳米球临床剂型问题 1给药途径：注射、口服、滴眼、透皮； 2制剂学上应解决的问题。注射：稳定性（混悬均匀，不易沉降和聚沉）；口服：载药稳定性；透皮：释放速度；吸收量。滴眼：在结膜上的吸附性质。 3思路： 注射：纳米球用冻干剂，选择良好的支架剂，以 利再分散。,三）、纳米球剂的质量评价问题 除了常规的制剂学评价指标外，对这类制剂的特点和影响 其质量的关键因素应注重以下几方面的评价： 1粒度及其分布评价：不同粒度、靶向性及生理作用不同。 2包封率评价：游离药物不能太多，建议以载上纳米球 的药量与投药量之比来表示，不能低于80%包封率。 3载药量评价：越大越好，建议以100mg 纳米粒载带的 药物量为指标。此指标据所载药物的单次剂量而定。,4传输率评价：纳米球所载药物有多少能有效的传输到靶位。 体外洗脱法评价，体内测定评价。 5靶向性评价：以靶向性指数（drug targeting Index）评 价，以靶器官药时曲线下面积与血药曲线下面积之比来表 示：DTI=1，平均分布，几乎无靶向性，DTI必须大于1。 6药效学评价：用常位动物模型评价。 7生物利用度评价：应以靶器官、靶细胞摄取的多少来评价， 以进入血液的多少来评价是不合理的。这就需要测知靶位 的药时曲线。,1.引起毒性反应的可能机制,粒子大小减小，肺毒性增大 诱导过氧化，引起氧化应激 干扰线粒体通透性转换孔道，诱导细胞凋亡 不连续的晶格产生活性电子，与生物组织发 生反应,四）、纳米粒的潜在毒性问题,参考文献: Andre Nel, Tian Xia, Lutz Madler, Ning Li. Toxic Potential of Materials at the Nanolevel. SCIENCE, VOL 311, 3, February, 2006,2. 待考虑生物和生物动力学因素,粒子大小 化学组成 表明结构 溶解性 形态 聚集性,细胞摄取蛋白结合转位组织损伤,3. 建议,NM的病理生理和毒理学研究,五）、载体材料问题,纳米粒作为药物载体的困惑！纳米粒作为药物控释、靶向载体，已有许多报道。有口服、肌注、埋植纳米粒制剂用于临床。无血管内注射用纳米粒制剂面市。关键原因是没有可供血管内使用的药用高分子载体材料。,药物纳米粒载体材料发展=早期应用血清蛋白等天然高分子，免疫原性问题。目前主要兴趣是聚酯类合成可生物降解聚合物，如 聚乳酸（PLA）、乳酸乙醇酸共聚物（PLGA）等。,PLA和PLGA的优点： 降解产物无毒，生物相容性较好。 分子结构中无肽链，无免疫原性。 FDA已批准应用于人体内（包括肌肉注射）。缺点： 毒性小分子物质渗出； 血管内注射-凝血-血栓。,血管内注射纳米粒存在的关键问题聚合反应催化剂的毒性大。材料的血液不相容性问题。任务据材料与血液的相互作用机制，设计合成系列生 物降解高分子材料，并深入研究其生物学和药 剂学性质。意义可为研发血管内注射用的纳米粒材料奠定基础。可为解决药物纳米粒制剂应用的关键问题提供 依据。,六）、药物代谢动力学模型的问题 1TDDS体内过程评价面临的问题 靶向性评价依据问题 药物曲线拟合问题，有时出现双峰现象 生物利用度评价依据问题 给药方案制定依据问题,2对这些问题目前国内外的解决办法 靶向指数，1986年Gupta提出： DIT=给TDDS t时间靶组织的药浓（或药量）/ 给普通制剂 t 时间靶组织的药浓（或药量） DIT=给药 t 时间靶组织的药量 / 给药 t 时间 全身器官组织的总药量 靶器官药代动力学,血液药代谢动力学 1989年，Rolland A阿霉素纳米球动物、人体药 代动力学。 国内有5-Fu纳米球；阿糖腺苷纳米球；丝裂霉素 纳米球；链霉素纳米球；甲氨喋呤，顺铂纳 米球。 以上这些方法的问题：测定靶器官药浓困难； 用血药动力学评价不合理。,3思考和探讨 思路 血液是通路；可以用血液为取样室。 仪器的测定可行性； 由血药曲线推算靶药曲线。,多室线性循环药代动力学模型研究 设计思路:源于肠肝循环（G.M.Pollack，1991) 推求药时函数式 据血药数据求靶器官的药时曲线 求靶器官的药物动力学参数,图 TDDS的多室线性循环代谢动力学模型体内代谢动力学模型研究,模型的拉普拉斯表达式L(B)=(D/Vc.bcdef)/(abcdef-KaKgcdef- KaKiKjdef-KmKeKdKcKg.c- KmKeKdKcKiKj)L(T)=D/Vc(cKg+KiKj)def/(abcdef- KaKgcdef-KaKiKjdef- KmKeKdKcKg.c-KmKeKdKcKiKj) a=s+Kg+Ki+Ku, b=s+Ka+Kc, c=s+Kj+Kf, d=s+Kd, e=s+Ke f=s+Km, s 是拉普拉斯算符。,模型的函数式Fb(t)=0.0011exp(-30.14t)+0.7570exp(- 0.0033t)+2exp(-10.48t). 5.951cos(1.565t)-1.403sin(1.565t)- 2exp(3.534t). 0.8671cos(2.144t)-2.117sin(2.144t)Ft(t)=3.682exp(-30.14t)+7.470exp(- 0.0033t)+2exp(-10.48t). -7.536cos(1.565t)+2.726sin(1.565t) +2exp(3.534t). 0.8671cos(2.144t)-2.117sin(2.144t),米托蒽醌纳米粒在动物体内的药-时曲线,生理模型 A设计思想：各房室之间（生理器官）之间是由血液 联系在一起，血流速率决定药物在各房室（脏器） 的分布，并设脏器中药物的进、出均为线性。 B庆大霉素纳米球体内代谢动力学模型,肺,肝,肾,肌肉,胃肠,静脉,动脉,心,QL,QL-QGI,QGI,QH,QL,QM,QK,CL,庆大霉素PBCA纳米球体内代谢动力学模型,C. 数学处理 写出各室药量变化微分方程：动脉（A）：dcA/dt=Q(CIU/KIU-CA)/VA静脉（MV）：dCMV/dt=(QHCH/KH+QMCM/KM+QKCK/KK+QLCL/KL-QCMV)/VMV肺（Lu）:dCIU/dt=Q(CMV-CIU/KIU/VIU)心（H）：dCH/dt=QH(CA-CH/KH)/VH肌肉（M）：dCM/dt=QM(CA-CM/KM)/VM胃肠（GI）：DcGI/dt=QGI(CA-CGI/KGI/VGI)肾（K）：dcK/dt=QMCA-(QK+CLK)CK/KK/VK肝（L）：dcL/dt=(QL-QGI)CA+QGICGI/KGI-QLCL/KL/VL在上述方程中代入动物或人体的生理生化参数，用Runge-kutta法求解微分方程组，得近似解和拟合曲线。D. 据靶器官药时表达式推求靶器官的药动学参数,五、纳米递药系统的几个重要 发展方向 由器官水平向细胞和分子水平发展 胞内靶向纳米粒 单克隆抗体介导 virosome 由化学药