聚谷氨酸在医药领域的应用

1、聚谷氨酸在医药领域的应用生物技术进展2012年第2卷第1期3438CurrentBiotechnologyISSN20952341聚谷氨酸在医药领域的应用孙廷丽,施庆珊,欧阳友生,陈仪本,谢小保广东省微生物研究所,广东省菌种保藏与应用重点实验室,广东省微生物应用新技术公共实验室,广东省华南应用微生物重点实验室一省部共建国家重点实验室培育基地,广州510070摘要:聚谷氨酸是一种天然的氨基酸聚合物,具有强的水溶性,生物相容性,生物可降解性,无毒等特性,是一种新型绿色环保的生物材料.聚谷氨酸作为药物载体,疫苗佐剂,医用粘合剂和组织工程材料等应用于医药领域时,可表现出更好的生物相容性,更低的生物毒性

2、,可提高药物的靶向性,可有效提高药效,改善药物或材料的性能,因此具有十分广阔的应用前景.本文综述了聚谷氨酸在医药领域的的应用,为下一步的研究和商业化的应用提供参考.关键词:聚谷氨酸;药物载体;疫苗佐剂;粘合剂;组织工程材料;造影荆goI:10.3969/j.issn.2095-2341.2012.O1.06ApplicationsofPolyglutamicAcidinMedicineSUNTingli,SHIQingshan,OUYANGYousheng,CHENYiben,XIEXiaobaoGuangdongInstituteofMicrobiology,GuangdongProvinc

3、ialKeyLaboratoryofMicrobialCultureCollectionandApplication,GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAppliedMicrobiology,GuangdongProvincalSouthChinaKeyLaboratoryofAppliedMicrobiology(MintryandC.uangngPrinceJointlyBreedingBase),Guangzhou510070,ChinaAbstract:Poly-glutamieacid(-PGA)isanaturallyoccurringpolyam

4、inoacidswithcharacteristicsofwatersolubility,bioeompatibility.biodegradabilityandnon.toxicitytowardshumanandtheenvironment.Thus,itcanbeusedasagreenandenvironmentalfriendlybiologicalmateria1.一PGAanditsderivativesofferawiderangeofapplicationsinmedicineincludingbeingusedasdrugcarriers,vaccineadjuvant,b

5、iologicaladhesives,tissueengineeringmaterialsand80on.Thesenewcomplexandtissueengineeringmaterialsexhibitexcellentbiocompatibility,lowertoxicity,higbdrugtargetorientationandgooddragefficacywhichmakeitabroadapplicationprospect.Theseapplicationsof?PGAinmedicinearereviewedinthisarticletogivesomereferenc

6、esforthefurtherresearchandcommercialUSe8.Keywords:polyglutamicacid(-PGA);drugcarrier;biologicaladhesive;vaccineadjuvant;tissueengineeringmaterial;contrastagent聚谷氨酸(poly一glutamicacid,”,/-PGA)是一种由D一谷氨酸(DGlu)和L一谷氨酸(LGlu)单体通过仅.氨基与月y-羧基以酰胺键连接而成的多肽分子,分子结构式如图1.PGA的相对分子质量在10万100万之间,pI为3.47,是一种酸性氨基酸聚合物,在溶液中以

7、三种立体化学结构D-PGA,LPGA和DLPGA形式存在J,前两者分别为由LGlu或DGlu形成的均聚物,后者为由L-Glu和D-Glu随机连接构成的共聚物.-PGA主链上含有大量游离羧基,可发生交联,螯合,衍生化等反应,又具有强水溶性,生物相容性,生物降解性,及无毒,易成膜等特性,因此已经作为一种新型绿色环保的生物材料备受关注,被广泛应用于食品,卫生,环境保护等各个领域”J.关于这些应用的综合进展状况,目前已有很多文献介绍,但在医药领域的应用方面介绍却很少.本文主要综述了.PGA作为药物载体,疫苗佐剂,医用粘合剂,组织工程材料及其他方面的应用,为下一步的研究和商业化的应用提供参考.收稿日期:

8、20111214;接受日期:20121-09基金项目:广东省科技计划项目(2009A010700005);广州市应用基础研究项目(11C14060684)资助.作者简介:孙廷丽,硕士,研究方向为工业微生物.Tel:020_87688l42;E-mail:sunnylilisun163.coln.通讯作者:欧阳友生,研究员,主要从事工业微生物研究.TelE-mail:ouyang6411孙廷丽,等:聚谷氨酸在医药领域的应用I35O图1聚谷氨酸的分子结构式Fig.1Structureofpoly-glutamicacid.1药物载体目前,_yPGA和药物的复合体已被广泛

9、用作抗肿瘤药物和其他药物的载体,用以降低药物的毒性,增加其水溶性和靶向性,并延长其作用时间.顺铂Cisplatin,cisdiaminodichloroplatinum(II),CDDP是近十年来临床使用的最常见抗癌药物之一,但是它的水溶性差,稳定性低,副作用也十分严重,严重影响了它的药用价值.PGACDDP是一种.PGA与CDDP以化学键结合构成的复合物,动物实验表明,PGACDDP的半衰期更长,毒性更低,并具有缓释的效果,在抗肿瘤活性和细胞毒性方面都明显优于顺铂.这说明-PGA是一种非常高效而且低毒的药物载体,在治疗肿瘤方面具有很大的潜力.模拟胰岛素的钒氧聚谷氨酸(VO一一PGA)复合物,

10、是一种新的治疗I型糖尿病的药物传递系统.以只含有VOSO的溶液作阳性对照,研究VO.PGA复合物的金属动力学特征和在STZ鼠streptozotocin(STZ)一inducedtype1diabeticmice体内的降血糖作用,可以发现使用VO-PGA时,50%自由脂肪酸的释放量明显低于纯的VOSO,VO一PGA的生物利用率比VOSO高.口服给药结果表明,VO一一PGA的降血糖活性比VOSO4高,药效持续时间更长.葡萄糖耐受试验,HbA水平和血压的测试结果也证实了其效果.Singer等为增加紫杉醇的疗效而设计的聚谷氨酸紫杉醇(PPX),是一种大分子的紫杉烷,可以增加药物对肿瘤的治疗作用.动物

11、实验,临床一期和二期的研究都表明,聚合物的疗效更好,副作用更少(嗜中性白血球减少症和脱发现象减少),而且治疗时更加方便,不需要常规的术前给药.人体药代动力学的数据表明药物对肿瘤的作用时间变得更长.PGAPPX复合物也可降低化疗时的吸收剂量(从53.9Gy到7.5Gy),减少了化疗时辐射对人体的伤害.纳米治疗系统与生物大分子的协同作用已经成为新一代提高生物大分子药效的研究热点.新型的肿瘤药物传递载体一PGANPs就是一种以.PGA为基础的纳米粒子.它们不仅可以将抗原等传递到抗原呈递细胞引起免疫反应,更重要的是,它们还可以从包涵体中通过胞浆移位高效的传递捕获的抗原蛋白,这是PGA-Nps介导的抗肿

12、瘤反应中的重要步骤.以-PGANPs作为肿瘤免疫的载体时,不仅可以有效的控制药物的释放,还可以做成冻干粉,长期保存.这对于治疗恶性肿瘤,并将药物推向市场很有帮助,具有很高的商业价值.2疫苗佐剂Sung等将PGA作为TGEN(transmissiblegastroenteritisvirusnucleocapisidprotein)疫苗的佐剂与疫苗一同皮下注射到兔子中,发现兔子中产生抗体的量比对照组高.一PGA分子的大小对抗体的产量也有影响.以PGA为佐剂,即使是低免疫原性的抗原也可以增强动物的抗体产率.这种佐剂几乎没有毒副作用,所以可通过将其加入到用作非传染性慢性疾病以及癌症的预防和治疗疫苗医

13、学合成物中使用.例如Okamoto等L9将PGANPs与灭活的日本脑炎病毒疫苗结合,可以高效的预防日本脑炎.给小鼠注射含有PGANPs的疫苗,发现只进行单剂量注射即可达到预防的目的.将PGA.NPs与粘膜流感病毒的血凝素疫苗结合,可有效提高疫苗的保护效率,增加疫苗的安全性-1.肿瘤免疫治疗主要是通过引发和增强肿瘤的免疫性来消除这种恶性疾病.这种免疫性主要是通过肿瘤相关抗原(m)引起的,它可以区分正常的组织细胞和TAA表达肿瘤细胞,并消除这种肿瘤细胞,借以达到治疗的效果.而要达到这种治疗效果,则需要将主要的引起肿瘤免疫的TAA递送到抗原呈递细胞APCs中,以产生TAA特异性的细胞毒性T淋巴细胞.

14、PGANPs作为一种可以降解的生物大分子,可以通过在羧基上连接其他的复合物,捕获蛋白质或多肽等,传递抗原到36I生物技术进展CurrentBiotechnology抗原呈递细胞中,并引起抗原特异性细胞毒性T细胞免疫反应.在小鼠中皮下注射这种含_yPGA的纳米粒子复合物,可以通过高效捕获卵清蛋白(OVA)来抑制通过OVA扩散的肿瘤的转移【1J.此外,Uto等也证实OVAPGA可以高效的引起抗原特异性CD8(+)T细胞的扩增.在小鼠脚掌皮下注射OVANPs不会引起注射部位肿胀.PGA.NPs可以引起细胞和体液两种特异性免疫,给药的方式决定了主要产生哪一种免疫反应,因此是一种安全有效的疫苗佐剂.Ma

15、tsuo等将.PGANPs与定位在内质网中的肽相结合,建立了高效的抗原特异性免疫疫苗.他们不仅将抗原肽高效的传递入APC抗原呈递细胞内,还利用APC细胞内的内质网传递系统来达到高效传递抗原的目的.铝佐剂是目前已知最安全的疫苗佐剂,但仍存在较大的副作用,其主要表现有:只能诱导产生体液免疫应答,不能诱导产生细胞免疫应答,诱导产生IgE抗体,增加发生超敏反应的危险;不能降解,在体内残留时间比较久;此外,还有报道指出,铝离子可能引起神经变性疾病如阿尔茨海默症(进行性老年痴呆),帕金森氏症等J.与之相比,以-yPGA为疫苗佐剂,则可以在生物体内降解,引起免疫应答的效率更高,因此是一种更加安全有效的疫苗佐

16、剂.3粘附剂,止血剂和密封剂目前常用的外科粘附剂是纤维蛋白胶,但它对组织的粘附效果并不理想,同时由于它的成分纤维胶原和凝血酶都是从人类血液中提取的,使得这种粘附剂存在感染肝炎和艾滋病的风险.相比较这种传统的凝胶,-PGA与明胶等聚合而成的凝胶,则被证实是一种很好的粘附剂.它安全,可降解,性能优良,造价也比传统的纤维蛋白胶低,可以在外科医疗中被广泛应用.由明胶和聚L谷氨酸(PLGA)结合而成的水凝胶是一种可生物降解的速效生物胶.分子质量较低的明胶及其水溶液在25时不会自发形成凝胶,但在较高温度下则会发生物理交联引起自发的胶凝,高分子质量的的明胶在室温下也有胶凝现象发生,添加尿素可有效防止这一物理

17、现象,同时不会改变凝胶的性状和粘附性能L1.使用相对分子质量较低的明胶水溶液制备的凝胶,与传统的大分子质量的明胶相比,在聚合物浓度低于初始的明胶自发胶凝浓度时,随着明胶和PL广GA浓度的增加,碳化亚二胺(WSC)作为交联剂连接的PLGA一明胶对小鼠背部皮肤的粘附能力增加.在不引发自动凝胶反应的最大凝胶浓度时,由低分子质量的明胶和PLGA组成的水凝胶的粘附能力比高分子质量的明胶或传统的纤维蛋白都高.由分子质量10kDa的明胶和PLGA组成的混合溶液在WSC的催化下可以如纤维蛋白一样迅速的凝结.在小鼠背部皮下组织进行试验,发现在3个月内能进行降解,没有严重的炎症反应.经N一羟琥珀酰胺(NHS)活化

18、的PGA衍生物能自发地与明胶在水溶液中短时间内形成胶体,且低温下仍可保持交联活性,衍生物的稳定性可持续较长时间.分子质量为22kDa的PGA制备的NHS活化形式可以完全的溶于高浓度中,当使用8%的酸陛NHS活化.PGA溶液时,其形成明胶的能力可以保持约10min_l.由一PGA制备的这种外用胶与天然组织的粘连强度远比纤维蛋白胶高,是一种非常好的外科粘附材料,可能取代从人类血液组织中制备的纤维蛋白胶.由/-PGA,猪胶原,WSC组成的胶原胶,拉伸强度与纤维蛋白无明显差异,却可以通过控制猪胶原的浓度来控制组织的吸收速率.在小鼠皮肤上的伤口上进行粘附试验,组织测试以2.5mg/mL进行处理时,胶原渗

19、入细胞中的速度比纤维蛋白慢,但在5.0mg/mL时吸收和渗透却比纤维蛋白快.由于制备该胶原胶所用材料中不含血液成分,不需要血液捐赠,因此是一种安全,成本低廉的外科用粘附材料.用.PGA制备的生物胶由于其优良的特性,可以被广泛应用于外科手术中,如用来封堵气漏和止血等.气漏是发生在胸肺手术中的常见问题,WSC催化的PLGA明胶形成的生物胶对气漏的封堵效果比传统的纤维蛋白胶更好,经生物胶处理的肺气漏在50cmH0肺压时大约有80%仍表现出完好状态.将此凝胶用于狗脾的针刺损伤治疗时,可表现出更好的止血功能.针刺后使用PLGA一明胶止血的出血量比纤维蛋白明显减少,成功率高,使用频率降低,胶体对伤口表面的

20、粘连能力强l2.孙廷丽,等:聚谷氨酸在医药领域的应用1374组织工程材料一PGA与各种传统的组织工程材料相结合构成的复合物,与原材料相比,具有更好的生物亲和性,更适宜细胞的吸附和繁殖.因此,一PGA还可以作为新兴的生物医学材料,应用于组织工程中.将-PGA与硫酸软骨素(cs)结合形成-PGAgCS多聚物,其表面亲水性,吸水性,溶胀率和机械强度均有所提高,且较适宜细胞吸附和繁殖,以这种多聚物为基础可以制造各种多孔复合材料,改善其性能.Chang等将-PGA-g-CS多聚物与PLCpoly(8-caprolactone)共聚结合产生一个-PGAg.CS/PCL聚合物,这个聚合物表现出与软骨细胞良好

21、的生物相容性和可降解性,成为一种有潜力的软骨替代组织.-PGA与聚乙烯醇(PVA)通过物理作用结合成的水凝胶PGA/PVA,具有更好的保水性,机械性能和血液相容性,是制造血液接触性治疗器械的良好材料.以PGA/PDLpoly(Lglutamicacid)/poly(D.1ysine)结束的多层聚合电解质膜可以通过改变表面的理化性质来增加对细胞的粘附性,与PDL或PAHpoly(allylaminehydrochloride)单层膜相比,脐静脉内皮细胞的附着能力增加,细胞相容性较好,不会引起细胞毒性,也不会改变细胞的表型.这类膜可以用作为良好的内皮细胞种植材料,用来改善小孑L径的工程血管的构建.

22、5其他用途5.1造影剂一PGA可以与常用的小分子磁共振(MRI)造影剂Gd-DPTA或GdDOTA连接,构建新的MRI造影剂.大分子的Gd()复合物可以通过一个胱氨酸上的内源性巯基来构建一种新的稀土复合物,这种新的复合物可以增加血池的对比度,同时通过内源性巯基释放螯合物,通过肾脏排出,是一个解决MRI造影剂安全性的潜在途径J.PGA复合物作为MRI的造影剂,具有许多优点.Tian等在非人类的灵长动物中对可降解的聚L谷氨酸一苯甲基-Gd(PGGd)作为造影剂的效能进行评价,发现在恒河猴中,给药2h后,血液中的浓度达到最大,造影剂在血池中的循环时间延长,成像效果更好.注射2d后,PGGd从主要的器

23、官中排出,包括肾脏.在给药量为0.08mmol/kg时,造影剂在体内的平均存留时间是15h.PGA含有生物损伤性较小的多价负电荷,一PGA结合的MRI造影剂也比其他聚合物表现出更高的安全性,更好的弛豫性能,更长的血液循环时间等J.5.2作为药物外包装材料和提高基因转染效率Hsieh等用PGA作微胶囊的涂层材料,可有效的提高胶囊内纳豆激酶对高温和低pH环境的耐受性.这对于药物的传递的具有积极的意义,可以减少药物到达靶位点前的损耗,提高药效.PGA还可以提高基因的转染效率.Peng等将.PGA与CS/DNAcomplexes结合,明显的改善了cS复合物在DNA释放方面的不足,提高了DNA的转染效率

24、.Kurosaki等用质粒DNA,聚氮丙啶(polyethylenimine,PEI)和-y-PGA的三元复合物(pDNA/PEI/-PGAcomplex)来传递基因,不仅可以有效降低pDNA/PEI的毒性,还可以同时保持很高的转基因效率.PGA可以在基因治疗方面提供有益的帮助.6结论及展望由于-PGA具有水溶性,生物可降解性,天然无毒等特性,其作为新型医学材料的前景十分诱人.一PGA作为药物载体,疫苗佐剂,粘合剂,组织工程材料时都已表现出了比传统的材料更好的性能.这些新型的材料,生物相容性好,毒性更低,靶向性和缓释性能都得到了有效的改善,是目前研究开发新的药物和医学材料的一大方向.目前,PG

25、A作为新型医学材料的研究已渗透到各个方面,但与国际上相比,国内的研究开发还处于起步阶段,离投放市场,进行大规模的应用的还有较大的距离.因此,如何克服生产规模小,产量低,价格昂贵等问题,还需要开展更深入的研究.实现一PGA在医学领域的广泛应用,对于人类克服疾病具有重大价值,也具有广阔的市场前景.参考文献1张艳丽,高华,刘小红.微生物合成的聚谷氨酸及其应用38I生物技术进展CurrentBiotechnology234567891O1112131415J.生物技术通报,2008,4:5862.YeHF,JinL,HuRZ,eta1.Poly(y,Lglutamicacid)一cisplatinco

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