姜酮納米混合膠束的制備及其對高脂血癥的調節作用

葛竹妹,余江南,徐希明

(江蘇大學藥學院,江蘇 鎮江 212013)

高脂血癥是導致心腦血管疾病和非酒精性脂肪肝病的重要原因,我國約1.3億人患有高血脂[1]。然而血脂異常的病因復雜,治療較為困難,目前常用的降脂藥如他汀類、貝特類、煙酸類等均可引起肝損害[2]。在中醫學中,高脂血癥屬于“血瘀”“痰濁”的范圍,患者由于飲食不節、體內濕熱等而引起代謝不暢、氣滯血瘀、脾虛痰濁等病癥[3]。傳統中藥在高脂血癥的防治中具有顯著影響,主要是通過抗氧化、抑制外源性脂類、膽酸吸收及減少脂類物質在血管內皮的沉積等來發揮降脂作用[4]。生姜是一種不可或缺的傳統中藥材,因其無毒、安全、有效的活性而受到關注。新鮮的生姜根莖中有大量的生姜酚和少量的姜酮,其中姜酮具有廣泛的藥理活性,可以清除自由基[5],抗氧化[6],抑制脂質過氧化[7],抗炎[8],抗癌[9],止吐止瀉[10]等。

近年來,納米技術即膠束、聚合物納米粒和納米乳液等增加難溶性化合物的溶解度,進而應用于藥代動力學的研究十分廣泛。其中,膠束具有一種固有的結構,可同時負載水溶性藥物和脂溶性藥物,保護藥物免受水相影響,增加藥物的水溶性,以提高藥物的生物利用度[11-12]。在混合膠束遞送系統中,大量研究表明,基于脂質的膠束作為藥物載體具有維持細胞膜流動性,增強藥物吸收和增加疏水性藥物生物利用度的能力[13-14],已廣泛應用于多種藥物的體內遞送。因此,本研究通過研究四元納米混合膠束這一類的納米載體傳遞技術,以姜酮為原料藥,制備姜酮納米混合膠束(zingerone nano-mixed micelles,ZNMs),探討體內和體外ZNMs對血脂的調節作用。

1 材料與方法

1.1 動物與細胞

35只雄性C57BL/6小鼠,體重18～22 g,6～8周齡,SPF級,序列號:UJS-IACUC-2019092603。本研究遵從國際有關動物實驗和臨床研究的基本倫理和準則,并通過江蘇大學動物倫理委員會批準。人肝癌HepG2細胞株,購自中國科學院上海生科院細胞資源中心。

1.2 主要試劑與儀器

姜酮(江蘇鴻曜生物科技有限公司)；膽酸鈉、磷脂、聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30)、維生素E聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)、非諾貝特均為阿拉丁試劑有限公司產品；胎牛血清、胰蛋白酶均為美國Gbico公司產品；高糖DMEM(美國HyClone公司)；三酰甘油(triglyceride,TG)試劑盒、總膽固醇(total cholesterol,TC)試劑盒、高密度脂蛋白膽固醇(high-density lipoprotein cholesterol,HDL-C)試劑盒、低密度脂蛋白膽固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)試劑盒、谷草轉氨酶(aspartate aminotransferase,AST)試劑盒、谷丙轉氨酶(alanine amino-transferase,ALT)試劑盒均購自南京建成試劑有限公司；油酸、棕櫚酸均為美國Sigma公司產品；高脂飼料(基礎飼料78.8%,膽固醇1%,膽鹽0.2%,豬油10%,蛋黃10%)購自北京維通利華實驗動物技術有限公司。

高效液相色譜儀(日本Shimadzu公司)；BSA233S電子天平(北京賽多利斯有限公司)；SHA-C水浴恒溫振蕩儀(上海華鄰實業有限公司)；KQ-500DE 超聲波清洗儀(無錫超聲電子設備公司)；UNIQUE-R10超純水機(銳思捷科學儀器有限公司)；NanoBrook 90 Plus PLAS粒徑電位儀(美國布魯克海文儀器公司)；旋轉蒸發儀(上海亞榮生化儀器廠)；JEM-1010型透射電子顯微鏡(日本電子公司)；細胞培養超凈臺(蘇州凈化設備有限公司)；倒置顯微鏡(日本Olympus公司)；正置顯微鏡(日本Nikon公司)。

1.3 ZNMs處方設計

1.3.1 單因素試驗 固定處方和工藝中部分因素不變,改變其中一種組成或工藝因素。根據文獻[15],固定磷脂與膽酸鈉總量為 150 mg。分別選用投藥量、磷脂∶膽酸鈉(m/m)、PVP K30、TPGS用量以及甲醇溶劑用量作為單因素,以樣品粒徑、多分散系數及包封率為指標,篩選出最佳因素水平。

1.3.2 正交設計優化處方組成 通過正交試驗以優化篩選出最佳處方。以包封率為考察指標,按照正交設計原理選用L9(34)設計表進行實驗。

1.4 ZNMs體外性質評價

1.4.1 表觀形態 將制備的ZNMs通過0.22 μm微孔濾膜過濾后,取澄清濾液稀釋至500 μg/mL。吸取20 μL稀釋液滴于銅網,晾干后用2%磷鎢酸染色處理。紅外燈下至樣品干燥后置于透射電鏡下觀察。

1.4.2 粒徑與電位測定 ZNMs過0.22 μm微孔濾膜后,稀釋至1 mg/mL。取3 mL置于比色皿中,用激光粒度分析儀測定ZNMs的zeta電位、粒徑及其分布情況。

1.4.3 高效液相色譜測定包封率與載藥量 取100 μL ZNMs,用色譜級甲醇稀釋,過0.22 μm微孔濾膜以除去微量未包封的姜酮。用高效液相色譜分析確定藥物含量,色譜柱:Symmetry C18(4.6 mm×150 mm,5 μm)；流動相:甲醇∶超純水=60∶40(V/V)；流速:1 mL/min；檢測波長:280 nm；溫度:30 ℃；進樣量:20 μL。載藥量(%)=姜酮質量(g)/制劑總質量(g)×100%；包封率(%)=過濾后溶液中姜酮含量(g)/加入制劑中姜酮總含量(g)×100%。

1.4.4 芘熒光探針法測定臨界膠束濃度 精密移取ZNMs適量至各容量瓶,將ZNMs溶液濃度分別稀釋為8×10-1、4×10-1、2×10-1、8×10-2、4×10-2、2×10-2、8×10-3、4×10-3、2×10-3、8×10-4、4×10-4、2×10-4mg/mL。將配置好的不同濃度ZNMs分別加入含芘的棕色瓶中,超聲30 min,避光過夜。用熒光分光光度計掃描350～500 nm處膠束光譜,固定激發波長為336 nm,記錄373 nm和383 nm處熒光強度,用Origin軟件分析I373∶I383與濃度對數值(lgC)的擬合結果。

1.4.5 ZNMs體外釋放的測定 取ZNMs與姜酮原料藥溶解于PBS,稀釋至1 mg/mL后放進透析袋(分子量=3 500)中；恒溫振蕩器設定為37 ℃,100 r/min；于0.5、1、2、3、4、6、8、10、12 和 24 h不同時間點取樣品 1 mL,并補充1 mL PBS。通過高效液相色譜法檢測姜酮含量,計算姜酮原料藥與ZNMs體外累積釋放率,并作累積釋放曲線圖。

(2)解決脫模平臺四角不平問題。①安排技術人員采用支墊方式對脫模平臺四角進行調平，保證脫模時模具四角同時接觸脫模臺，使模具受力均勻，軌枕同步脫出。②對脫模平臺四角水平情況進行定期復檢，發現異常及時整改。通過對脫模平臺四角進行調平，雙塊式軌枕脫出后擋肩位置的黑色印跡得到了有效控制，外力對軌枕擋肩的撕拉大為減小。

1.5 姜酮及ZNMs體外調節血脂作用

1.5.1 MTT法檢測細胞增殖 HepG2細胞培養于含有10%胎牛血清的高糖DMEM,37 ℃、5% CO2培養箱中；當細胞貼壁生長達80%～90%時,消化接種于96孔板中；實驗組更換不同濃度的姜酮及ZNMs(1,10,20,40,80,100 μg/mL)培養液；空白對照組用培養基處理。培養24 h后,棄培養基,PBS清洗1～2次；每孔加入20 μL MTT溶液(5 mg/mL),培養4 h；棄MTT溶液,每孔加入100 μL二甲亞砜溶液,搖床晃動3～5 min,直至藍紫色結晶完全溶解；用酶標儀檢測波長490 nm處光密度(D)值,細胞存活率(%)=實驗組D值/空白組D值×100%。

1.5.2 建立高血脂細胞模型及分組 稱取0.061 g油酸和0.028 g棕櫚酸溶于含25%牛血清白蛋白的PBS中,振蕩混勻,超聲溶解后置于37 ℃水浴過夜,制得20 mmol/L油酸母液,過濾除菌后于4 ℃保存。細胞分為空白對照組、模型組、非諾貝特組(5 μmol/L)、姜酮低劑量組(20 μg/mL)、姜酮高劑量組(100 μg/mL)、ZNMs低劑量組(20 μg/mL)及ZNMs高劑量組(100 μg/mL)；空白對照組用新鮮的高糖DMEM,其余組用含有0.6 mmol/L油酸培養基,培養誘導24 h,建立細胞高血脂模型；空白對照組更換新鮮培養基,模型組更換油酸培養基,其他各組給藥培養24 h。

1.5.3 油紅O染色檢測血脂調節作用 取“1.5.2”不同組處理后的高血脂細胞,用PBS洗滌3次；4%多聚甲醛固定30 min；洗滌,加入60%異丙醇,靜置5 min；用新稀釋的油紅O溶液染色15 min；60%異丙醇洗滌1 min；超純水沖洗并用蘇木素復染30 s。熒光顯微鏡觀察,并拍照。

1.5.4 生化指標檢測 取“1.5.2”不同處理組細胞,棄培養液,PBS洗滌3次,留少許PBS；用細胞刮輕輕刮下細胞,收集至離心管中,1 000 r/min離心8 min；加入500 μL PBS懸浮細胞于EP管中,于液氮和室溫下反復凍融裂解細胞；室溫12 000 r/min離心20 min,取上清液。按照試劑盒說明書檢測TG、TC、HDL-C及LDL-C。

1.6 姜酮及ZNMs體內調節血脂作用

1.6.1 建立小鼠高血脂模型及分組 取35只C57BL/6雄性小鼠,適應性飼養3 d。按隨機數字表法將其分為7組,每組5只,即空白對照組、模型組、非諾貝特組(0.4 mL/20 g)、姜酮低劑量組(100 mg/kg)、姜酮高劑量組(400 mg/kg)、ZNMs低劑量組(100 mg/kg)及ZNMs高劑量組(400 mg/kg)。除空白對照組予以常規飼料喂養,其他組予以高脂飼料喂養,建立小鼠高血脂模型,連續喂養4周；空白對照組予以常規飼料喂養,模型組予以高脂飼料喂養,其他組連續灌胃給藥8周。

1.6.2 稱重 造模期間,每周稱1次體重。給藥期間,于每周的相同時間稱體重1次。

1.6.3 血樣采集與測定 各組小鼠禁食24 h不禁水,稱重后眼球取血0.5 mL置于肝素管,3 500 r/min離心10 min,取上層血漿；脫頸處死小鼠并解剖,取肝臟稱重并計算肝臟指數。肝臟指數(%)=肝臟濕質量(g)/小鼠體質量(g)×100%。按試劑盒說明書檢測各組小鼠血漿中TG、TC、LDL-C、HDL-C、AST、ALT等指標。

1.7 統計學分析

2 結果

2.1 ZNMs最優處方設計

2.1.1 單因素試驗 由表1可知,姜酮投藥量在20～40 mg時粒徑較小且穩定性良好,包封率高；當m磷脂∶m膽酸鈉=3∶2時包封率最高,但是粒徑較大且多分散系數大,所以穩定性較差。同時,磷脂用量增加會降低膠束中姜酮的包封率,不利于膠束體系保持穩定。因此,m磷脂∶m膽酸鈉的比例宜選用m膽酸鈉>m磷脂；采用3種不同劑量的甲醇溶劑制備的ZNMs粒徑及穩定性均良好,且包封率較為接近,所以甲醇溶劑的用量對制備ZNMs的影響不大。

表1 單因素試驗考察結果

2.1.2 正交設計優化處方組成 在完成單因素試驗基礎上進行正交試驗,如表2所示為各影響因素及因素水平取值。比較各因素極差R值(表3)可知,各影響因素對包封率的影響依次為 A>B>D>C。因素A極差最大,為主要因素,因素C極差最小,為最次要因素,所以C可以作為誤差項。方差分析結果顯示,A、B、D 因素對ZNMs包封率的結果有顯著影響,最優工藝確定為 A3B2C1D3,即投藥量為40 mg,m磷脂∶m膽酸鈉=2∶3,PVP K30用量為30 mg,TPGS用量為22 mg。各因素水平之間的差別行方差分析,結果表明,A、B、D 因素對提取結果有顯著影響,見表4。

表2 影響因素及水平

表3 正交試驗結果

表4 正交試驗結果方差分析

2.2 ZNMs體外性質評價

2.2.1 ZNMs表征結果 ZNMs可在水化作用下形成澄清透明的溶液,納米混合膠束作為姜酮的載體可以使其溶解于水中。圖1透射電鏡結果顯示,ZNMs形狀規整,成均勻球形膠束包載藥物。制備所得的ZNMs粒徑為(50.62±0.25)nm,多分散指數為0.168±0.006,zeta電位值為(-28.07±0.33)mV。ZNMs含量測定的標準曲線為Y=18 790X+9 426.2(R2=0.996),計算得出ZNMs的包封率和載藥量分別為(94.71±2.02)%和(4.58±0.06)%。

圖1 ZNMs透射電鏡圖

2.2.2 臨界膠束濃度測定 在極性條件下,芘在383 nm處強度最大；在非極性條件下,芘在373 nm強度較大；熒光強度之比對自身周圍條件極其敏感,用于確定表面活性劑的臨界膠束濃度[16]。從圖2可以得出ZNMs對應的lgC值,經計算ZNMs臨界膠束濃度為3.12×10-2mg/mL。已有研究測定二元混合膠束的臨界膠束濃度為6.28×10-2mg/mL,ZNMs的臨界膠束濃度小于二元混合膠束,說明ZNMs在稀釋過程中具有更好的熱力學穩定性[17]。

圖2 I373∶I383與濃度對數值的擬合曲線

2.2.3 ZNMs體外釋放曲線 姜酮與ZNMs體外釋放結果如圖3所示,姜酮在溶液中的累積釋放率約為42%；ZNMs在PBS溶液中24 h累積釋放率達到84%,在6～24 h內表現為緩慢釋放,未出現突釋效應。由此表明,納米膠束體系對姜酮起到較好的增溶效果,可極大加速姜酮的體外釋藥。

圖3 姜酮與 ZNMs體外釋放曲線

2.3 ZNMs的體外血脂調節作用

2.3.1 姜酮和ZNMs細胞增殖實驗 細胞增殖率檢測結果顯示(圖4),不同濃度姜酮和ZNMs作用于HepG2細胞24 h后,對細胞活力影響不大,未出現顯著性變化。由此可見,二者濃度在1～100 μg/mL范圍時,對細胞存活率無顯著影響,說明ZNMs符合藥物制劑安全、低毒的條件,滿足后續實驗需要。

圖4 不同濃度姜酮和ZNMs對 HepG2 細胞活性的影響

2.3.2 油紅O染色檢測血脂調節作用 油紅O是一種脂溶性染料,廣泛用于三酰甘油和脂質的鑒定和定量[18]。如圖5所示,模型組帶有泛紅色表明肝細胞已有脂質蓄積。隨著姜酮和ZNMs濃度增加,姜酮組和ZNMs組油紅O陽性面積逐漸減少；姜酮和ZNMs高劑量組油紅O陽性面積均分別高于相對應的低劑量組。與模型組相比,ZNMs高劑量組油紅O陽性面積明顯減少,表明ZNMs高劑量使脂質在肝細胞中的蓄積水平有效降低。

圖5 各組細胞油紅O染色結果(×100)

2.3.3 生化指標檢測結果分析 如圖6所示,與空白對照組相比,模型組細胞中TG、TC和LDL-C水平顯著增高(P均<0.01),而HDL-C水平明顯降低(P<0.01),表明油酸成功誘導細胞脂質蓄積模型。與模型組相比,ZNMs組TG、TC和LDL-C明顯降低(P<0.05或P<0.01),HDL-C水平顯著升高(P<0.05或P<0.01)；與ZNMs低劑量相比,ZNMs高劑量組TG、TC和LDL-C降低且HDL-C升高；與姜酮高、低劑量組相比,ZNMs高、低劑量組各指標均優于姜酮組；ZNMs高劑量組結果接近陽性對照非諾貝特組；由此表明,ZNMs可有效調節細胞內脂質蓄積,ZNMs調節脂質蓄積效果優于姜酮組,其中ZNMs高劑量組調節水平最有效。

2.4 ZNMs對體內血脂的調節作用

2.4.1 對高脂小鼠體重及肝臟指數的影響 如表5和圖7所示,模型組小鼠體重、肝臟重量和肝臟指數較空白對照組顯著增加(P<0.01),表明建模成功。與模型組相比,第8周ZNMs高劑量組和姜酮高劑量組小鼠體重和肝臟重量明顯降低(P均<0.01)；ZNMs組肝臟指數均低于模型組(P<0.05或P<0.01),表明ZNMs和姜酮均可以降低小鼠體重及減少內臟脂肪的蓄積。此外,陽性對照非諾貝特組肝臟重量及指數與模型組無明顯差異,說明非諾貝特引起肝臟肥大,有肝臟毒副作用。

①:空白對照組；②:模型組；③:非諾貝特組；④:ZNMs低劑量組；⑤:ZNMs高劑量組；⑥:姜酮低劑量組；⑦:姜酮高劑量組。a:P<0.01,與空白對照組相比；b:P<0.01,c:P<0.05,與模型組相比圖6 各組細胞血脂相關指標比較

表5 姜酮及ZNMs對高脂血癥小鼠肝臟指數的影響

圖7 各組小鼠體重變化比較

2.4.2 生化指標檢測結果分析 如圖8所示,與空白對照組相比,模型組TG、TC和LDL-C水平顯著升高(P均<0.01),HDL-C水平顯著降低(P<0.01),說明高血脂小鼠模型造模成功。與模型組相比,非諾貝特組、ZNMs組和姜酮組TG、TC和LDL-C水平均顯著降低(P<0.05或P<0.01),HDL-C水平顯著升高(P<0.05或P<0.01)；與ZNMs低劑量相比,ZNMs高劑量組TC、TG和LDL-C降低,HDL-C升高；ZNMs各組指標均優于姜酮組,其中ZNMs高劑量組調節血脂相關指標接近陽性對照藥非諾貝特,表明ZNMs可以有效調節高脂小鼠血脂,并且ZNMs調節血脂效果優于姜酮。此外,非諾貝特組血漿中ALT和AST水平明顯高于空白對照組,ZNMs組血漿中ALT和AST較空白對照組無明顯變化,說明陽性對照藥非諾貝特會導致肝損傷病變,ZNMs能降低藥物對肝臟組織的毒副作用。

①:空白對照組；②:模型組；③:非諾貝特組；④:ZNMs低劑量組；⑤:ZNMs高劑量組；⑥:姜酮低劑量組；⑦:姜酮高劑量組。a:P<0.01,與空白對照組相比；b:P<0.01,c:P<0.05,與模型組相比圖8 各組高脂血癥小鼠血漿血脂相關指標比較

2.4.3 肝臟組織HE染色 如圖9所示,肝臟組織HE染色表現出不同程度的脂肪變性。空白對照組可見豐富細胞質和突出核的肝細胞。其余組肝組織表現出廣泛的球囊病變和典型高脂特征。與模型組相比,ZNMs高劑量組肝細胞未出現明顯的變性、腫脹和壞死等現象,表明肝結構基本正常。然而,陽性對照藥非諾貝特組肝臟細胞邊界模糊化,出現細胞空泡化和腫脹樣改變并伴有炎性細胞浸潤現象,說明非諾貝特可引起肝臟損傷。

圖9 各組小鼠肝臟組織HE染色(×200)

3 討論

本研究在二元混合膠束的基礎上加入PVP K30和TPGS,采用薄膜分散法制備磷脂-膽酸鈉-PVP K30-TPGS四元納米混合膠束包載難溶性成分姜酮。首先通過單因素試驗篩選影響ZNMs包封率和粒徑的因素,再以包封率為考察指標設計正交試驗,篩選出ZNMs的最優處方。通過對優化條件進行質量評價,結果表明ZNMs形態圓整、粒徑均一。在納米藥物遞送系統中,粒徑是評估納米制劑質量的重要指標,粒徑小能夠促進藥物在體內的釋放和吸收[15]。本研究中ZNMs粒徑約為(50.62±0.25)nm,粒徑小且分散性良好,可促進姜酮釋放；此外,實驗中測得ZNMs具有較高的包封率和載藥量,表明大量姜酮已成功整合到ZNMs中。在ZNMs釋放藥物研究中,與姜酮相比,ZNMs累積釋放率相對較高,表明姜酮溶解性得到改善。ZNMs納米級粒徑在一定程度上促進藥物釋放速率。另外,由于制備ZNMs中的TPGS極性相對較大,促進ZNMs更容易向水相介質中遷移,從而加強ZNMs累積釋放率[19-20]。

在調節高脂血癥實驗中,給藥組分為ZNMs高低劑量組、姜酮高低劑量組和陽性對照藥非諾貝特組[21],以考察姜酮制備成ZNMs調節高脂血癥的藥效。結果表明,與模型組相比,ZNMs組小鼠體重和肝臟重量明顯下降,肝臟指數顯著降低；ZNMs組細胞和小鼠血漿中TC、TG和LDL-C均明顯降低,血漿中HDL-C顯著升高；其中,ZNMs高劑量組與陽性對照藥非諾貝特調節血脂水平接近,說明ZNMs調節血脂能力顯著提高,可有效發揮抗高血脂作用。與ZNMs低劑量相比,ZNMs高劑量組各指標優于低劑量組,此外,與姜酮組相比,ZNMs各組肝臟細胞狀態、調節血脂指標均優于對應的姜酮各組,表明ZNMs組的治療效果優于姜酮組,ZNMs提高了姜酮的抗高血脂能力。通過HE染色切片觀察到非諾貝特組小鼠肝臟細胞邊界模糊化,出現細胞空泡化和腫脹樣改變并伴有炎性細胞浸潤現象,同時非諾貝特組小鼠血漿中AST和ALT水平高于正常組,表明小鼠肝臟出現損傷,非諾貝特對肝臟有毒副作用；ZNMs組肝臟細胞未出現明顯的變性、腫脹和壞死等現象,說明ZNMs具有保肝活性,毒副作用大大降低。

綜上所述,本研究制備的ZNMs具有性質穩定,生物相容性良好,毒副作用低的特性,在增強姜酮調節高血脂作用的同時,能降低其肝臟毒副作用。然而目前關于ZNMs調節高血脂具體作用機制以及體內藥物動力學的研究并不完善,還有待后續研究進一步探索。