抗菌藥物遞送系統的研究進展

吳曉烽， 秦 竹， 史海健， 余 剛， 董 瑤

(1.南京工業大學化學化工學院，江蘇南京 211800； 2.江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所，江蘇南京 210014)

規模化飼養條件下，細菌感染是引起畜禽發病和死亡最重要的因素之一，往往造成重大的經濟損失。飼用抗生素自20世紀50年代在歐洲及美國被批準使用以來，在畜禽細菌性感染疾病的防治方面發揮了無與倫比的作用，畜禽的發病率與死亡率大大降低，并由此衍生出促進動物生長、提高飼料報酬、改善動物產品品質等積極效應，因此，過去幾十年來全球畜牧行業中的抗生素用量飛速增長[1]。據統計，我國現在每年抗生素原料的生產量約為21萬t，其中9.7萬t用于畜禽養殖業，占總生產量的46.1%[2]。但由于養殖行業長期對抗生素過于依賴，大劑量或不規范的抗生素使用造成了細菌耐藥性、畜產品藥物殘留等嚴重問題，抗生素的應用前景受到了制約，新型抗菌藥物的研發迫在眉睫。

1 獸用抗菌藥物的創新研究策略

針對細菌對現有抗生素的耐藥性日趨嚴重的問題，開展新一代抗生素的研發是最直接的策略。研究人員通過分析細菌的耐藥機制，對抗生素母體結構或藥效基團進行化學改進，研發了多種新型結構的抗生素藥品。如Huczynski等研究了系列聚醚類抗生素莫能菌素A的二聚物[3]。Park等研究了2-脫氧鏈霉胺結構的氨基糖苷類抗生素的全生物合成過程，以通過發酵法制備半人工修飾的該類抗生素[4]。

同時，考慮到抗生素濫用造成的畜產品中藥物殘留問題，也隨著歐盟近年來禁止所有抗生素作為促生長劑使用條例的頒布[5]，各類抗生素替代品如抗菌肽、抗菌疫苗、微生態制劑等產品，或配伍了飼用酶、免疫調節劑、植物提取物等關鍵抑菌成分的飼用保健品應運而生，成為當前的研究熱點[6]。然而，現有的替代品在細菌抑制效果與自身穩定性方面均與抗生素存在差距。如抗菌疫苗可用于細菌感染性疾病的預防，然而目前可控的疾病種類較少；微生態制劑、免疫調節劑、及植物提取物等僅起到一定的預防保健作用，還不能單獨用于疾病的治療；抗菌肽、生物酶等一般通過作用于細菌的細胞膜而影響其滲透性，使細胞內物質外泄造成細菌死亡，被普遍認為是最有前途的抗生素替代品，然而由于多肽類物質性質不夠穩定，易被體內蛋白酶水解，且制備成本較高，目前在實際生產中應用較少[7]。

藥物遞送系統(drug delivery system，簡稱DDS)是20世紀末興起的將藥物通過載體材料包裹后進行給藥的藥物制劑方法，在藥物控釋、提高靶向性、提高生物利用度、減少毒副作用等方面具有獨特的優勢，目前已在人類藥品特別是針對腫瘤、心血管疾病的藥物研發與生產領域開展了廣泛而深入的研究，它在獸藥新制劑上的潛在應用價值也日趨受到重視。對于抗菌藥物而言，若能將抗生素通過載體材料適當包裹，利用載體的掩蔽作用避免部分細菌產生耐藥機制，通過藥物的緩釋效應減少藥物的劑量，由此可以顯著降低抗生素應用過程中的負面效應，不影響其發揮穩定的抑菌作用[8]；將抗菌肽、生物酶等潛在的抗菌多肽與載體材料結合，保護其在體內運輸過程中不被蛋白酶降解失活，通過載體直接遞送到靶標，在低劑量高濃度的條件下實現抑制細菌生長的作用。當然，遞送載體作為外源性的化合物，在體內運輸過程中存在著能否有效控釋藥物、能否降解代謝完全、對體內細胞是否存在毒副作用等關鍵問題。作為抗菌藥物的遞送系統，怎樣降低抗生素的細菌耐藥性，則須要通過研究細菌的耐藥機制設計針對性的結構。本文將從細菌的耐藥機制與抗菌藥物遞送系統的設計方法著手，綜述脂質體、納米聚合物膠囊、固體脂質納米粒等多種載體材料在抗菌藥物遞送中的研究與應用。

2 細菌耐藥性

細菌的耐藥機制主要分為以下5類：(1)細菌編碼產生1種或多種水解酶或鈍化酶，通過水解或修飾進入細菌的抗生素，使之在發揮藥效之前失活，如通過β-內酰胺酶來鈍化青霉素G。(2)細菌通過修飾或消除抗生素的結合靶位，使得抗生素無法發揮作用，如青霉素的結合靶位2B蛋白發生結構突變，導致青霉素失效；DNA拓撲異構酶的結構突變，使得細菌對喹諾酮類藥物產生耐藥性。(3)細菌與抗菌藥物接觸后，通過改變自身的代謝途徑，使得其不被抗生素消滅，從而產生耐藥性。如細菌對磺胺有耐藥性，可以通過產生較多的二氫葉酸合成酶，也可以通過直接利用環境中的葉酸而實現。(4)抗菌藥物必須進入細菌的細胞內才能發揮作用，細菌可以通過改變細胞膜上通道蛋白的性質和數量來降低膜通透性，阻止抗菌藥物進入而產生耐藥性。如細菌對桿菌肽的耐藥性。(5)細菌普遍存在一種外排泵的耐藥機制，將進入胞內的抗菌藥物主動排出膜外，從而逃避抗菌藥物的作用。主要的外排泵包括MFS族、ATP-ABC族、SMR族、RND族、MATE族等，一般通過質子驅動或腺嘌呤核苷三磷酸水解來提供能量。大部分的外排泵機制是非特異性的，因此可以導致多重耐藥性。如大腸桿菌的主動外排系統(AcorAB-TolC)可以導致其對四環素、氟苯尼考、紅霉素、恩諾沙星等多種藥物產生耐藥性[9]。

3 抗菌藥物遞送系統設計

作為抗菌藥物的遞送載體，其設計目的應為提高抗菌藥物的治療指數，及降低細菌的耐藥作用，一般來說，載體系統的結構設計可以針對以下5個方面改善抗菌藥物的性能：(1)增加抗菌藥物在體內的溶解性；(2)提高抗菌藥物在體內循環中的穩定性，掩蔽藥物性質，避免被體內的酶類降解；(2)在體內血液循環過程中，更易被網狀內皮系統(reticular endothelial system，簡稱RES)識別并轉移到感染部位，提高作用位點的藥物濃度；(3)提高藥物在感染部位的緩釋能力，從而保持一定的藥物濃度，抑制細菌增殖；(4)增強抗菌藥物對細菌細胞膜的滲透能力，減少細菌內部通過藥泵外排抗菌藥物的耐藥機制；(5)遞送載體可以特異性識別靶細胞受體，通過受體介導作用進入靶細胞內殺死細菌。此外，遞送載體自身還應生物相容性良好，釋藥后可被生物降解，不在畜禽體內聚集[10]。本文將以遞送載體的具體結構特征進行分類，綜述各類抗菌藥物遞送系統的國內外最新研究進展。

3.1 納米乳液

納米乳液是結構最簡單、制備最方便的藥物遞送系統，一般通過油相與水相在外力條件(高壓均質、超聲)下分散制得。親水性的藥物可以溶解在水相中，疏水性的藥物則溶解在油相中，反應時油相、水相交互作用，藥物被包裹在其中形成具有納米尺寸的非均相體系。該藥物遞送系統具有熱力學穩定性、生物可降解性、及生物相容性等優點。Lin等通過油包水技術制備了包封阿莫西林的殼聚糖/肝素納米乳液，該乳液制劑可以在細胞內定位于幽門螺旋桿菌感染的部位釋放阿莫西林，從而顯著抑制幽門螺旋桿菌的增殖[11]。Jain等則采用水包油技術制得了尺寸約278 nm的球形納米乳劑，疏水性的環丙沙星被包封在球形乳劑的核心，該乳劑中環丙沙星的包封率較高，J774巨噬細胞的共培養試驗顯示其無細胞毒性，體外試驗表明該乳劑對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌的抑制作用比環丙沙星原料藥有所增強[12]。楊雪峰等先后研制出了阿莫西林[13]、恩諾沙星[14]的納米乳制劑，用于雞腸炎沙門菌感染的治療，取得了理想的抗菌效果。當前國內外的研究主要集中在如何增強抗菌藥物納米乳劑的細菌抑制效力方面，而納米乳劑作為一類位點特異性的遞送系統，未來的研究還應進一步關注其在抗菌藥物持續釋放及延期釋放等方面的作用。

3.2 脂質體

脂質體是磷脂雙分子層形成的單層或多層球形囊泡，主體由天然或人工合成的長鏈磷脂酰膽堿或長鏈磷脂酰乙醇胺構成，一般加入少量膽固醇，用來調節脂質體的流動性與膜孔的通透性。脂質體在1965年被首次報道，然后迅速應用于藥物遞送領域，也是文獻報道中最早用于抗菌藥物遞送的載體結構[15]。脂質體的藥物包封能力較強，親水性藥物可以被包封在水性內核中，親脂性的藥物則可以分散在磷脂雙分子層中。脂質體還可以通過調節磷脂分子的表面電荷從而改變藥物的包封效率和體內藥物動力。

Gregoriadis首次報導了脂質體作為抗菌藥物遞送載體的潛在價值，他利用雞蛋卵磷脂、膽固醇、磷脂酸、二棕櫚酰卵磷脂、硬脂胺等組分制得的脂質體來包裹芐基青霉素鉀，該藥物遞送系統在小鼠的體內試驗中成功穿透了RES的細胞膜，且在肝臟和脾臟部位實現了靶點的定位[16]。隨后，陸續有研究者報導了脂質體遞送二氫鏈霉素、頭孢噻吩、青霉素G、萬古霉素、替考拉寧等抗菌藥物，實現了多種敏感性或頑固性細菌的細胞內抑制。然而，早期的研究者主要關注的是脂質體遞藥系統在靶向部位釋藥的潛力，并沒有特別研究提高該遞送系統細菌抑制能力的方法。

隨著研究的不斷深入，關注點逐步開始轉移到怎樣通過脂質體載體的表面改性以提高抗菌藥物的治療指數，包括增加藥物的抑菌效力、提高脂質體在體內循環中的穩定性、降低藥物的毒副作用等[17]。傳統的脂質體在體內容易被RES吞噬，雖然可以在細胞內發揮短期的抑菌作用，但在血循環中駐留的時間較短，抗菌藥物的緩釋效應不太理想。聚乙二醇修飾使得脂質體藥物遞送系統在延長體內循環時間、增加半衰期等方面邁出了成功的一步。如常規的萬古霉素制劑在肺組織的聚集濃度較低，很難治愈耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus，簡稱MRSA)感染引發的肺炎。Muppidi等用聚乙二醇化的脂質體包裹萬古霉素制得遞送系統，由于聚乙二醇化顯著增加了該遞送系統在體內循環的時間，進一步增加了萬古霉素在肺、肝臟、脾臟等器官內的濃度，同時減小了藥物在腎臟的沉積，使得MRSA感染的肺炎得到了有效治療，并降低了藥物的腎毒性風險[18]。

脂質體還可以抑制細菌的部分耐藥性。脂質體與細菌接觸后，可以通過表面的雙層磷脂膜與細菌外膜的脂蛋白和脂多糖相互作用發生膜融合，然后進入細菌細胞釋放出抗菌藥物從而抑制細菌增殖。因此，避免了細菌因膜通透性改變和產生水解酶而產生的耐藥機制。Rukholm等利用二棕櫚酰磷脂酰膽堿與膽固醇配方的脂質體遞送慶大霉素、妥布霉素至細菌感染部位，結果顯示該脂質體可以與細菌外膜發生融合，約6 h即可將藥物遞送到耐藥菌的細胞內，發揮抑制作用[19]。

脂質體用于抗菌藥物載體，能顯著改善藥物在組織內的分布，提高藥物在靶向部位的釋藥能力，提高細菌細胞內的抗菌效力，降低毒副作用；也可以克服細菌的部分耐藥性，增強對耐藥菌的抑制活性；此外，脂質體可以被生物降解，無體內殘留風險，是最經典的抗菌藥物遞送載體。但脂質體在目標分子的靶向識別，以及抗菌藥物的控制釋放方面還須進一步研究和提升。

3.3 聚合物納米粒

聚合物納米粒是粒徑在1～1 000 nm之間的固體膠粒，不同的聚合物基質以包裹、吸附、共價結合等方式裝載藥物于納米粒中[20]。用于藥物遞送的聚合物可以是天然的，如殼聚糖、明膠、海藻酸鈉等，也可以是人工合成的，如聚乳酸-羥基乙酸共聚物(poly lactic-co-glycolic acid，簡稱PLGA)、聚丙烯酸、聚己酸內酯等[21]。聚合物納米粒提高抗菌藥物治療效果的作用機制與脂質體類似，通過網狀內皮系統的快速吞噬，在肝、脾等部位富集，從而發揮治療作用。但由于聚合物納米粒可以通過不同的聚合物以不同方式合成及改性，其結構的可修飾性較強，與脂質體載體相比有以下優點：(1)聚合物納米粒的結構在體內循環過程中更為穩定；(2)納米遞送系統的粒徑分布更窄；(3)通過適當地選擇聚合物、助劑、溶劑，納米粒的粒徑、表面電位、藥物釋放特性更為精確；(4)聚合物納米粒的表面更易進行靶向基團的修飾，在體內轉運過程中更易被感染部位的配體識別，精準釋藥[22]。

聚乳酸-羥基乙酸共聚物的制備方法成熟，藥物裝載量高，生物降解性好，是最廣泛應用于抗菌藥物遞送的聚合物。Jeong等制備了包裹環丙沙星的PLGA納米粒(粒徑為100～300 nm)，在小鼠的體內試驗中，與游離環丙沙星相比，載藥的PLGA納米粒顯示出了較強的抑菌效力[23]。Toti等以PLGA制劑遞送阿奇霉素治療衣原體感染，亦增強了阿奇霉素在特定細胞的釋放[24]。Zakeri等利用傅里葉變換紅外、X射線衍射、差示掃描量熱法等方法，并將藥物釋放數據建立模型，結合原位通透性進行評價，結果顯示PLGA納米粒增強了萬古霉素在大鼠腸道的通透性，Zakeri等認為，該納米粒小于500 nm的尺寸優勢加強了細胞自身和旁道的內吞攝取[25]。

在天然來源的聚合物中，殼聚糖由于自身具備抑制細菌與真菌增殖的能力，成為抗菌藥物遞送載體的研究熱點。殼聚糖由于分子結構表面的正電性，可以有效破壞帶負電的細菌細胞壁，破壞細胞膜的穩定性，從而進入細胞附著到DNA上，抑制其復制，發揮抑菌作用。Chakraborty等合成了葉酸標記的殼聚糖聚合物，其運載著萬古霉素成功穿越了耐萬古霉素金黃色葡萄球菌(vancomycin resistantS.aureus，簡稱VRSA)的細胞壁。眾所周知，耐藥菌VRSA及其感染疾病的治療是抗菌領域的難題之一。該遞送系統利用殼聚糖納米粒的表面正電性穿透細菌細胞壁，葉酸作為細菌核酸合成所必需的營養物質，被細菌細胞上的受體特異性識別，幫助了殼聚糖納米粒更易進入細菌細胞內部，遞送萬古霉素至細胞內釋放，成功避免了VRSA的耐藥機制。該遞送系統用于VRSA的治療，其最低抑菌濃度和最低殺菌濃度均顯著降低[26]。Maya等利用離子交聯凝膠技術，制備了包裹四環素的羧甲基殼聚糖納米粒，同樣可以有效殺滅細胞內的金黃色葡萄球菌[27]。

因此，由于聚合物結構的多樣性與可修飾性，聚合物納米粒已是研究最廣泛的抗菌藥物遞送載體材料，隨著天然聚合物提純成本及人工合成聚合物生產成本的進一步降低，聚合物藥物遞送系統應用在畜禽抗菌藥物上將成為可能，就目前來說，利用該類遞送系統進行更多商品化藥物的研發，以及更多相關藥品體內試驗數據的報告，將是該類抗菌藥物遞送載體不斷向前研究的動力。

3.4 固體脂質納米粒(solid lipid nanoparticles，簡稱SLN)

固體脂質納米粒是將藥物包裹在類脂材料，如脂肪酸、脂肪醇、磷脂等載體中制得的固體顆粒[28]。SLN特別適合于遞送脂溶性藥物，在SLN的制備過程中，脂溶性藥物可以以較高的含量被包封于SLN的脂質內核中。而親水性藥物在SLN系統中的包封率較低，一般不采用該方式進行遞送。SLN遞送系統常通過高壓均質法與微乳化法制備，與其他遞送系統相比，SLN的最大優勢就是避免使用有機溶劑、易于大規模生產[29]。

多項研究表明，抗菌藥物的SLN遞送系統在藥物緩釋及延長抗菌作用方面的效果顯著。Jain等研發了一種遞送環丙沙星的單劑量SLN系統，結果表明，環丙沙星在動物體內按照預期設想進行了可控的釋放，釋放效果優于對照試驗中其他納米遞送系統[30]。Wang等以氫化蓖麻油為原料制備了替米考星的SLN遞送系統，體內與體外試驗均顯示替米考星的抗菌活性得到了增強[31]。該研究團隊還以諾爾沙星為目標藥物，評價了該SLN遞送系統在穩定性、體外釋放、體內抗菌活性及小鼠體內大腸桿菌感染的治療效果等，結果顯示，該遞送系統在4 ℃下可以穩定保存9個月，體外釋放試驗中藥物可以緩慢釋放48 h；與裸藥相比，該SLN制劑雖然在給藥最初的24 h內治療效果不及裸藥，但在后續時間中的抑菌效力遠遠優于裸藥，最終有效的抑菌時間達144 h；在小鼠的體內試驗中，先用大腸桿菌腹膜內感染小鼠2 h，然后再給予該SLN制劑進行治療，結果顯示小鼠脾臟和腎臟中的細菌量顯著減少，試驗小鼠的存活率也較高，表明該制劑有較高的生物利用度[32]。

盡管SLN是遞送親脂性藥物的理想載體，但由于親水性的抗菌藥物是研究中的主流，SLN在抗菌藥物的遞送應用上遠不及其他3種遞送系統。值得注意的是，最新的研究已成功利用離子配對及共軛技術將親水性藥物與SLN相連接，有望擴展SLN在親水性抗菌藥物領域的遞送前景。

4 總結和展望

雖然抗生素的濫用造成了細菌耐藥性、畜產品中藥物殘留等嚴重問題，但迄今為止，抗生素在防治畜禽細菌性感染、避免畜禽染病后大規模死亡等方面暫時還不可取代。抗菌肽、生物酶被普遍認為是最有前途的抗生素替代品，但多肽類物質在體內不夠穩定，是制約其在實際應用中的瓶頸之一。藥物遞送系統可以將藥物包裹于遞送載體內部，在一定條件下將藥物控制釋放，由于該方式在提高藥物靶向性、增加體內穩定性、提高藥物治療指數等方面的優勢，能以較少劑量的藥物或較低的給藥頻次達到較好的治療效果，同時可以避免藥物在體內被蛋白酶降解。因此，藥物遞送系統是解決抗菌藥物在畜禽養殖中幾大突出問題的有效途徑之一。目前，國內已有納米乳液、納米粒等形式的抗菌藥物遞送系統在畜禽養殖過程中展開了應用[13-14，33]，但大部分研究還處于實驗室制備階段。展望未來，若要進一步推進獸用抗菌藥物遞送系統的開發應用，既須要開發更多低成本的遞送載體材料與制備工藝方法，還要確保遞送載體在體內的生物相容性與生物可降解性，更要不斷借鑒藥物遞送系統在人類用藥，特別是其他疾病領域的最新商品化成果。同時，抗生素的規范使用、抗生素及其替代品的創新研發依然是保證畜牧養殖行業健康、可持續發展的重要環節。

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