響應面法優化制備藍萼甲磺丁醚-β-環糊精包合物及體外活性研究

王 娟，夏 超

0 引 言

冬凌草在民間處方中用作抗炎、解熱和胃藥[1-2]。藍萼甲素A (glaucocalysin A，GLA)作為從冬凌草葉中提取的二萜類化合物[3]，研究表明其具有抗菌、抗氧化、抗凝血和DNA保護活性[4-5]。GLA對癌細胞和腫瘤的生長也有不同程度的抑制作用[6]。由于GLA的疏水結構，水溶性較差[7]，已成為臨床抗腫瘤治療的重要障礙。環糊精可以改善難溶性藥物的溶解性，同時環糊精原料廉價易得，制備方法簡單，易于操作，成為了改善藥物溶解度的首選方法[8]。本研究通過環糊精制備成包合物來改善GLA的溶解度，從而發揮其抗腫瘤活性。

環糊精(cyclodextrin，CDS)是一類由α-1，4-連接的吡喃葡萄糖單元組成的晶體環狀低聚糖[8-9]。近年來，它們作為有益的分子螯合劑廣泛應用于食品、醫藥、化妝品等領域[9]。β-環糊精(β-cyclodextrin，β-CD)由于價格低廉，在其龐大的家族中使用最頻繁，其空腔大小使其有可能包括大多數常見的客體化合物[9]。然而，β-CD水溶性差、溶血性強、腎毒性大，阻礙了其實際應用[10-11]。因此，羥丙基-β-環糊精(hydroxypropyl-β-cyclodextrin，HP-β-CD)和磺丁基醚β-環糊精(sulfobutyl ether β-cyclodextrin，SBE-β-CD)等人工修飾的β-CD應運而生[11]。修飾后的β-CD比未修飾的β-CD水溶性更好，毒性更小[12]。可能的原因如下：①SBE-β-CD中的磺酸基等取代基改變了β-CD表面的性質，從而提高了其水溶性。②隨著修飾的β-CD分子量的增加，腎小管的重吸收減少，這會降低腎毒性。研究證實，SBE-β-CD在水溶性、毒性和增溶方面表現出比HP-β-CD更好的性能[12]。有研究報道制備了GLA與HP-β-CD的包合物，結果顯示包合物后的水溶解度增加了13倍[13]。

本研究通過超聲波法制備GLA在SBE-β-CD中的包合物，并對實驗條件進行優化，以獲得最高的包合效率。并研究GLA-SBE-β-CD對腫瘤生長的影響，采用MTT法檢測GLA-SBE-β-CD對4種腫瘤細胞的體外抑制效果，為GLA在抗腫瘤的臨床用藥上提供有價值的劑型參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器GLA(批號：20180908)由蘇州大學藥學院(中國江蘇)提供。5-氟尿嘧啶購自TCI上海有限公司(中國上海)。SBE-β-CD(南京巨環醫療科技有限公司，平均相對分子質量Mw=2.24 kD，平均取代度為7)，牛血清(上海洛神生物技術有限公司)，胰蛋白(上海碧云天生物技術有限公司)，甲基叔丁基醚(南京巨環醫藥科技有限公司)，冬凌草甲素(中國藥品生物制品檢定所)，3-(4，5-二甲基-2-噻唑基)-2，5-二苯基-2-H-四唑溴化物(Sigma-Aldrich Saint Louis, MO)。甲醇為色譜級，本實驗中使用的水為超純水。除非另有說明，所有其他材料均為分析級。細胞：人宮頸癌細胞Hela、人肺癌細胞A549、人肝癌細胞HepG2和人宮頸鱗癌細胞SiHA的細胞株均來自上海細胞所。液相色譜[(HPLC LC-20A，島津(日本)儀器有限公司)]，超聲儀(上海科導超聲儀器有限公司)，冷凍干燥機(上海繼譜電子科技有限公司)，差示掃描儀(DSC，美國TA儀器有限公司)，粉末X射線衍射(XRD, 北京新源志勤科技開發有限責任公司)，掃描電子顯微鏡(S-4800, Hitachi, Tokyo, Japan)，日立離子濺射機(E-1030, Hitachi, Japan) 。

1.2 色譜條件用配備LC-20A泵和紫外(PDA)檢測器的島津高效液相色譜測定GLA的濃度。色譜柱為Kromasil反相C18柱(4.6 mm×150 mm，5 μm)。流動相為蒸餾水∶甲醇(1∶1；V/V)，流速為1.0 mL/min進行等量洗脫。柱溫25 ℃，檢測波長231 nm。

1.3 方法

1.3.1 制備GLA-SBE-β-CD包合物采用超聲法和凍干法制備GLA-SBE-β-CD包合物[14-16]。將一定量的SBE-β-CD的水溶液在超聲機中的燒瓶中恒溫制備，然后在丙酮中慢慢滴加越來越多的GLA(GLA與SBE-β-CD的摩爾比在1∶5至1∶1之間)到不同的燒瓶中。所得溶液在超聲下絡合一段時間，直到達到平衡，然后在環境溫度下放置2 h以冷卻。之后，將冷卻后的溶液在真空干燥器中冷凍干燥，通過0.45 μm膜過濾后，冷凍干燥得到固體復合物。準確稱取一定量的GLA-SBE-β- CD，溶解于流動相中，將所得溶液約20 μL注入HPLC中，分析GLA的濃度。通過測定包合效率來選擇得到的包合復合物。

1.3.2 GLA-SBE-β-CD制備條件優化在確定GLA與SBE-β-CD的摩爾比為1∶3為包合物制備的最佳組成基礎上，考察SBE-β-CD水溶液的溫度、時間、濃度等實驗條件對包合效率的影響。因此，對這3個因素進行單因素檢驗，確定各因素的總體水平。然后采用響應面方法(RSM)等統計方法，通過對溫度(A)、SBE-β-CD濃度(B)和包合時間(C)等操作因素的優化，使包合物的產量最大化，設定結果見表1。在本研究中根據試驗設計結果，采用Box-Behnken設計(BBD)進行擬合，建立數學模型(Box-Benhnken設計的三因素三水平的響應面模型圖。響應曲面圖可以反映各變量與包合效率的關系：曲面越陡，響應變量對變量變化越敏感。等高線圖的形狀可以清楚地反映兩個變量之間的交互作用是否顯著：橢圓形等高線表示兩個因素之間的交互作用顯著，反之，等高線的圓度表示兩個因素之間的交互作用不顯著)，且生成相應的多項式方程，便于計算GLA-SBE-β-CD的實際包封率(Υ)，計算公式如下：

表1 Box-Benhnken檢驗的三因素和三水平正交實驗設計表

Υ=β0+β1A+ β2B+ β3C+β4AB+β5AC + β6BC+ β7A2+β8B2+β9C2

其中Υ：響應變量即為包封率；β0：表示17個隨機實驗的所有定量結果的算術平均值的截距；β1-β9：根據Υ的觀測實驗值計算的系數；A、B和C：表示實驗因子；AB、AC、BC：因子交互作用；A2、B2和C2：代表二次項。

1.3.3 GLA-SBE-β-CD增溶效果的研究將過量的GLA和GLA-SBE-β-CD分別加入10 mL蒸餾水中，然后放入恒溫振蕩器(25 ℃)中24 h，之后將得到的混合物通過0.45 μm膜過濾，并使用HPLC方法分別測定飽和溶液中的GLA的含量，計算其溶解度。

1.3.4 DSC分析差示掃描量熱法(DSC)研究GLA-SBE-β-CD包合物(a)及其物理混合物(b)的熱性能，并記錄GLA(c)和SBE-β-CD(d)的DSC曲線，以驗證GLA在SBE-β-CDs空腔中的包結或部分包結。使用差示熱掃描儀對GLA、SBE-β-CD、物理混合物以及GLA-SBE-β-CD在氮氣吹掃條件下進行了熱分析。將3～5 mg樣品放在坩堝上，加熱溫度為50～350 ℃，升溫速率為10 ℃/min。

1.3.5 XRD表征在PW1720型X射線發生器和PW1710型衍射儀上研究GLA、SBE-β-CD、其物理混合物和GLA-SBE-β-CD的粉末X射線衍射圖譜。工作電壓為40 mA，電流為40 mA，由銅的Kα輻射產生。對GLA、SBE-β-CD、其物理混合物和GLA-SBE-β-CD粉末進行掃描，掃描步長為0.04°～35°，掃描速度為0.02°/s，用Jade6.0 XRD圖形處理軟件(Materials Data，Inc，Irvine，CA)對樣品進行X射線分析。

1.3.6 SEM表征用掃描電子顯微鏡對GLA、SBE-β-CD和GLA-SBE-β-CD的表面形貌進行研究。在日立離子濺射機上，用雙膠帶將粉末樣品粘在試樣臺面上，涂上導電鉑膜，觀察樣品并記錄照片。

1.3.7 人源癌細胞的抑制研究選用臨床診斷中最為常見且致死率較高的4種人癌細胞，初步研究GLA-SBE-β-CD包合物和GLA對人源癌細胞的抑制效果。以含10%胎牛血清的RPMI-1640為培養基，采用梯度稀釋法制備不同濃度的GLA和GLA-SBE-β-CD(1、10、100 μg/mL)。將4種對數生長的癌細胞懸液接種到96孔板中(細胞密度調整為1×104個/孔)，分別加入不同濃度的GLA或GLA-SBE-β-CD。空白組不給予培養液。對照組只給予不含藥的培養液。在37 ℃，5%CO2條件下培養24 h后，用10 μL MTT(3-[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5-二苯基四氮唑溴化銨)和90 μL新鮮培養基取代RPMI-1640培養基，繼續培養4 h，每孔加入100 μL二甲基亞砜(DMSO)，在搖床中絡合10 min，直至甲醛結晶完全溶解。用StatFAx-2100酶聯免疫吸附儀在490 nm波長處檢測二甲基亞砜-細胞混合液的吸光度，平行檢測一式三份，取平均值計算癌細胞抑制率(IR)：

IR=[1-(ODdrug-ODblank)/(ODcontrol-ODblank)]100%

其中ODdrug表示藥物組的光密度，ODblank表示空白組的光密度，ODControl表示對照組的光密度。

2 結 果

2.1 GLA-SBE-β-CD包合物的制備隨著SBE-β-CD的加入，包合效率提高，當GLA與SBE-β-CD的比例達到1∶3時，包合效率超過80%。當比例從1∶3繼續增加時，包合效率未見明顯提高。考慮到輔料、原料藥的浪費和加工難度的增加，確定GLA與SBE的比例為1∶3為包合物的最佳比例。見表2。

表2 不同摩爾比下藍萼甲素A在磺丁基醚β-環糊精中的包合率

2.2 Box-Behnken設計法優化GLA-SBE-β-CD制備條件實際擬合方程式為：

Υ=-173.65+9.42A+2.34B+0.974C+9.89×10-3AB-2.687×10-3AC-3.67×10-3BC-0.139A2-0.0685B2-0.011C2

BBD矩陣及響應值見表3。三維響應面和等高線圖見圖1。響應面二次模型的方差分析(ANOVA)顯示見表4。結果表明，該模型具有較高的F值(33.34)和極低的P值(<0.0001)，表明該模型具有統計學意義。“擬合不足”的P值為0.0666(>0.05)，表明實際結果與擬合模型無顯著性差異。R2和調整后的R2分別為0.9772和0.9479，表明實驗因素與響應變量之間有很好的相關性。溫度(A)、SBE-β-CD濃度(B)、包合時間(C)的F值分別為1.57、5.86、0.91，表明包合效率受SBE-β-CD濃度(B)的影響最大，受包合時間(C)的影響最小。變異系數(CV)為3.47%(<15%)，結果均在正常標準范圍內。由響應曲面圖可見，SBE-β-CD(B)的濃度對包合效率的影響最大。由等高線圖可見，AB和AC之間的交互作用是顯著的，而BC之間的交互作用不顯著。

圖1 Box-Benhnken設計的三因素三水平的響應面模型圖

表3 Box-Benhnken設計的三因素三水平矩陣擬合結果和響應值(R)

根據STATEASE公司的Design Expert軟件(MN 55413，美國)的計算結果，可以得到最佳的實驗參數和理論上的最大包合效率。結合實際試驗條件，確定SBE-β-CD濃度為18.5%，包合溫度為35 ℃，包合時間為42 min。在最佳工藝條件下進行制備，平均產率為87.28%，相對標準偏差(RSD)為1.02%。這一包合率略低于理論值(87.40%)，但在誤差范圍內。

2.3 GLA-SBE-β-CD增溶效果的研究實驗結果表明GLA的在水介質中的溶解度為0.213 mg/mL，而GLA-SBE-β-CD的溶解度為17.96 mg/mL，已經達到GLA的84.3倍，說明GLA-SBE-β-CD包合物的成功制備大大提高了GLA在水介質中的溶解度。

2.4 DSC分析GLA曲線在225 ℃處有一個尖銳的吸熱峰，與其熔點相對應。SBE-β-CD在300 ℃出現一個不規則的峰，是降解過程的結果。與純GLA和SBE-β-CD相比，物理混合物中GLA在225 ℃的吸熱峰減弱，SBE-β-CD的吸熱峰增強。GLA-SBE-β-CD的熱圖顯示，純GLA的原始吸熱峰消失，表明GLA完全包合在SBE-β-CD中。見圖2。

a:GLA-SBE-β-CD包合物; b: GLA-SBE-β-CD物理混合物; c:SBE-β-CD; d: GLA

2.5 XRD表征GLA圖譜顯示多個清晰的峰，表明GLA以典型的晶線形式存在。相反，SBE-β-CD表現為一條平坦的曲線，在掃描范圍內只有一次微弱的上升，表明其為非晶態。在其物理混合物的衍射圖中觀察到了GLA的主要特征峰，但強度較低。從GLA-SBE-β-CD圖譜可以看出，GLA的大部分特征結晶峰已經消失。這一現象表明，GLA不再以晶態存在，而是包含在SBE-β-CD空腔中。見圖3。

圖3 不同制備方法下的混合物和藍萼甲素A的的X-衍射圖

2.6 SEM分析SBE-β-CD為邊界光滑的球形，而GLA為尖角狀和光滑的柱狀晶體。在它們的物理混合物照片中，明顯觀察到SBE-β-CD的球形和GLA的柱狀晶體。在GLA-SBE-β-CD的照片中，SBE-β-CD和GLA的特殊形態特征已不存在。GLA-SBE-β-CD顆粒呈無定形，略大于GLA和SBE-β-CD。GLA-SBE-β-CD的表面形貌明顯不同于物理混合物、GLA和SBE-β-CD，已形成了一種新的物相。見圖4。

a:GLA原料藥;b:SBE-β-CD;c:GLA原料藥和SBE-β-CD物理混合物;d:GLA-SBE-β-CD包合物圖4 不同制備方法下的混合物和藍萼甲素A的的掃描電鏡圖

2.7 人源癌細胞抑制作用研究不同濃度的GLA和GLA-SBE-β-CD對A549、Hela、HepG2、SiHA細胞的抑制率見圖5。GLA及其包合物對這4種腫瘤細胞均有明顯的抑制作用，GLA-SBE-β-CD對這4種腫瘤細胞的抑制率明顯高于GLA。濃度為10 μg/mL GLA-SBE-β-CD組對A549和HepG2的抑制率為(84.18±4.26)%和(76.29±1.29)%，略低于對Hela(88.02±2.90)%和SiHA(90.38±4.1)%的抑制率，也說明了GLA在抑制癌細胞上具有一定的選擇性，且具有濃度依賴性。

a：A549;b：Hela；c：HepG2；d：SiHA圖5 藍萼甲素A及磺丁醚-β-環糊精包合物對A549、Hela、HepG2、SiHA細胞抑制作用

3 討 論

本研究采用超聲波法制備了GLA-SBE-β-CD包合物，在制備過程中考察了GLA和SBE-β-CD的比例對包封率的影響，同時通過Box-Behnken設計法優化了制備中溫度、SBE-β-CD濃度和包合時間等條件對包封率的影響，篩選出包封率最高時的制備條件，確定了最佳制備工藝，然后又通過XRD、SEM和DSC對GLA-SBE-β-CD包合物進行表征，結果表明GLA與SBE-β-CD形成包合物。最后選取4種常見的致死率較高的癌細胞，初步考察GLA-SBE-β-CD包合物對其增值的抑制效果。實驗表明GLA-SBE-β-CD包合物的制備改善了GLA的水溶性，且GLA-SBE-β-CD包合物的包封率達到87%。GLA-SBE-β-CD包合物的抑制癌細胞生長效果明顯高于未被包合的GLA，表明該方法制備的GLA-SBE-β-CD包合物能夠有效提高GLA的溶解度，加速了癌細胞的凋亡。同時本研究選用的4種癌細胞均屬于臨床診斷中較為常見的癌細胞，所制備的GLA-SBE-β-CD包合物為以后GLA活性成分的臨床用藥提供了一定理論依據。

綜上所述，本研究通過使用包合物的制劑手段使GLA活性成分在臨床抗腫瘤中具備一定的應用潛力和開發價值，此外還有待深一步對其體內的藥代動力學進行研究，為臨床用藥提供劑量參考。