醫(yī)藥控釋用智能水凝膠的最新研究進展

李琪，盧雨金，喬寧，楊夢然，來士勝，孫曉然，尚宏周

(1.華北理工大學 材料科學與工程學院，河北 唐山 063210；2.華北理工大學 化學與工程學院，河北 唐山 063210；3.華北理工大學 藥學院，河北 唐山 063210)

水凝膠是一種具有高親水性、較強的生物粘附性、良好的生物相容性等優(yōu)點的三維網絡結構聚合物,在遞送體系、組織工程以及生物傳感等領域[1-3]廣泛應用。與傳統(tǒng)的水凝膠控釋體系相比,智能的水凝膠控釋體系在外界環(huán)境刺激(如溫度、pH值、光、氧化還原、電場、磁場、葡萄糖、酶、鹽、壓力等)能夠做出感應并引起相應的構象變化,同時由于其控釋體系與細胞外基質相似,故具有良好的穩(wěn)定性、目標靶向性等優(yōu)點,在控制藥物/基因/蛋白質釋放等[4-6]方面具有廣闊的發(fā)展前景。

1 智能水凝膠的分類

1.1 溫度響應性水凝膠

對溫度敏感的水凝膠分子結構中一般包含親水性基團和疏水性基團。通?？煞譃閮煞N類型:在較高溫下是溶脹(溶解)的,而在較低溫下是收縮(不溶)的,即有上臨界溶解溫度(UCST)[7]的熱脹溫度敏感性水凝膠;反之,在較低溫下是溶脹(溶解)的,而在較高溫下是收縮(不溶)的,即有下臨界溶解溫度(LCST)[8]的熱縮溫度敏感性水凝膠。

Darge等[9]的研究中，首先將mPEG-PLGA 嵌段共聚物包裹抗腫瘤藥物DMXAA和阿霉素(DOX)，再將上述體系封裝到羧基端和胺基端改性的兩親性嵌段共聚物(COOH-PDLLA-PEG-PDLLA-NH2)中形成溫度響應性水凝膠。該熱敏性水凝膠在較低溫度(<25 ℃)下顯示溶液狀態(tài)，可以將智能水凝膠均勻混合治療劑進行局部注射；隨著溫度的升高，達到LCST的溫度(>37 ℃)會出現(xiàn)溶膠-凝膠相轉變，凝膠結構發(fā)生變化導致藥物釋放，達到抗腫瘤和免疫化療的協(xié)同作用。

1.2 pH響應性水凝膠

游翠玉等[11]用魔芋葡甘聚糖(KGM)、黃原膠(XG)與海藻酸鈉(SA)和藥物氫化可的松琥珀酸鈉(HSS)制備pH敏感性口服的結腸靶向水凝膠(HSS-GEL),為克服多糖作為結腸靶向材料的高膨脹性缺點提供了新思路。體外釋放試驗顯示HSS-GEL在pH 1.2模擬胃液中的釋藥量為17.63%,在pH 6.8模擬小腸液中的釋藥量為25.56%,在pH 7.4模擬結腸液中的釋藥量為86.14%。在給藥后7 h后,模擬結腸液中的HSS濃度幾乎等于模擬胃液及模擬小腸液藥量的總和,表明HSS-GEL有良好的結腸靶向性。

1.3 氧化還原響應性水凝膠

氧化還原響應性水凝膠是將有氧化還原響應單元引入到水凝膠,例如二硫化物[12]、二硒化物[13]、二茂鐵[14]、二價銅離子等[15]。很多腫瘤組織中的谷胱甘肽(GSH)含量偏高,提供了一個較強的還原性環(huán)境。

口服6-巰基嘌呤(6-MP)存在全身毒副作用、半衰期短、生物利用度低、胃腸道反應等缺點。為了避免這些缺點，并提高6-MP的水溶性和藥效，Tao 等[15]選擇用多巴胺(DA)修飾的透明質酸(HA)配位合成了氧化還原響應性水凝膠 (HA-DOP-Cu-MP)。在釋放介質中加入10 mol/mL GSH后，2 h內6-MP累積釋放量超過94%。癌細胞中GSH的濃度超過10 mol/mL，說明HA-DOP-Cu-MP會快速釋放6-MP以殺死癌細胞；而在沒有GSH的釋放介質中24 h內的累積釋放量僅為15%，表明HA-DOP-Cu-MP在體循環(huán)中是穩(wěn)定的,降低藥物對健康細胞的毒副作用。氧化還原響應性水凝膠通?；诙蜴I被GSH還原斷裂從而釋放藥物，較少的研究配位聚合物水凝膠的控釋系統(tǒng)，此研究提供了一種新的策略。

1.4 酶響應性水凝膠

酶響應性水凝膠一般由酶響應性多肽組成,在特定酶的催化作用下會表現(xiàn)出構型改變,因此促進水凝膠的形成或降解。通?？衫玫拿赣?基質金屬蛋白酶[16]、磷酸酶[17]、胰蛋白酶[18]和酪氨酸酶等[19]。

替莫唑胺(TMZ)是膠質瘤術后治療一線藥物,但由于膠質瘤細胞中含有活性水平較高的O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉移酶(MGMT)，使其治療效果不佳。Zhao 等[20]用甘油單硬脂酸酯(Tm)制備了裝載TMZ和O6-芐氨基嘌呤(BG) (MGMT抑制劑)的可注射性水凝膠(Tm (TMZ+BG))。膠質瘤手術后高濃度的基質金屬蛋白酶(MMPs)可以刺激水凝膠釋放TMZ和BG。在體外釋藥實驗中MMPs刺激水凝膠降解以釋放封裝的TMZ和BG分別為(62.55±2.38)%和(59.58±5.14)%，說明Tm(TMZ+BG)水凝膠有敏感的酶響應性，可作為一種潛在的配方策略，顯著降低術后殘留膠質瘤復發(fā)率。

1.5 多重響應性水凝膠

由于人體復雜多異的生理結構,病灶環(huán)境也是各式各樣,與單一響應性水凝膠相比,多重響應性水凝膠表現(xiàn)出更好的控釋效率和靶向性。

Boztepe等[21]通過自由基溶液聚合法合成了互穿網絡聚合物水凝膠(聚(NIPAAm-co-AAc)-PEG IPN水凝膠)。其中異丙基丙烯酰胺(NIPAAm)存在LCST，而丙烯酸(AAc)中由于羧基基團的存在，可以使其作為pH敏感組分與異丙基丙烯酰胺共聚。將鹽酸阿霉素(DOX)作為模型藥物負載在水凝膠體系內，實驗結果表明出聚(NIPAAm-co-AAc)-PEG IPN水凝膠有良好的對pH和溫度雙重響應。

Su等[22]制備了羧甲基纖維素(CMC)/聚(n-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝膠(PNIPAM/CMC)，以鹽酸四環(huán)素(TCH)為模型藥物。經實驗表明，當溫度高于LCST(31.9 ℃)時，水凝膠以親水性鏈段為殼、疏水性鏈段為核導致體積收縮,并且隨著CMC含量的增加，水凝膠的LCST值呈現(xiàn)出增加的趨勢。CMC上羧基去質子化而具有明顯的pH溶脹敏感性。隨著NaCl濃度的適當范圍內增加，PNIPAM/CMC水凝膠的羧酸根與陽離子之間的配位相互作用產生了絡合能力，藥物釋放量顯著增加并逐漸趨于穩(wěn)定。由此可以得出PNIPAM/CMC水凝膠具有敏感的溫度響應性、pH響應性和鹽響應性，可作為理想的藥物載體。

1.6 其他響應性水凝膠

除了上述幾種典型的智能水凝膠以外,其他響應性水凝膠還包括光響應性水凝膠[23]、電場響應性水凝膠[24]、磁場響應性水凝膠[25]、葡萄糖響應性水凝膠[26]和壓力響應性水凝膠等[27]。各種刺激響應性水凝膠的發(fā)展豐富了水凝膠的種類，拓寬了其在生物醫(yī)藥領域中的應用。

2 智能水凝膠在生物醫(yī)藥控釋體系中的應用

2.1 在藥物治療方面的應用

智能水凝膠可作為藥物載體與藥物分子相結合(或包囊、復合)[28],用最小的藥物劑量在病灶部位充分發(fā)揮藥物治療效果,控制藥物釋放速率以降低藥物副作用和減少藥源性疾病。

從姜黃屬植物中提取的姜黃素是疏水性多酚類化合物，具有廣泛的生物學應用，包括癌癥治療。HaqAsif等[29]合成丙烯酸接枝的瓜爾膠水凝膠(GG-g-PAA)，用于天然抗癌藥物姜黃素的藥物遞送。溶脹釋放實驗表明，GG-g-PAA具有良好的pH和鹽雙響應性。由于姜黃素和瓜爾膠是農業(yè)糧食作物姜黃和瓜爾豆的產物，因此，此研究可為基于農產品的環(huán)境友好型藥物傳遞系統(tǒng)的制備做出很好的貢獻。

非甾體抗炎藥雙氯芬酸鈉(DS)常用于治療軟組織損傷，但是市售的DS軟膏一般不能控制藥物的釋放。Zhang等[30]將四氧化三鐵納米粒子(Fe3O4NPs)引入四聚乙二醇/瓊脂復合水凝膠中構建了一個藥物遞送系統(tǒng)(PA/Fe3O4/DS)，在脈沖電磁場(PEMF)條件下，水凝膠網絡中Fe3O4NPs的抖動會對網絡施加作用力，而水凝膠多孔效果會增強提高釋放速度；此外，F(xiàn)e3O4NPs的抖動還可以產生熱量，進一步加快藥物的釋放。水凝膠在磁場下DS總釋放量為(72.3±2.6)%，相比無磁場下釋放量明顯增高。為磁療和藥物釋放相結合提供了可能，是改善組織損傷治療的一種有前途的材料。

2.2 在基因治療方面的應用

基因傳遞是決定基因治療效果的關鍵環(huán)節(jié)。智能水凝膠除了自身穩(wěn)定性高、重塑性好等優(yōu)點以外還可裝載多種類的基因并且基因裝載率高[31]。另外,智能水凝膠可根據不同的刺激響應信號實現(xiàn)靶基因的控制釋放,提高轉染效率[32]。

溶瘤病毒(OVs)作為一種很有前途和潛力的抗癌治療藥物，不僅能夠通過選擇性的細胞內病毒復制直接殺死癌細胞，而且能夠促進對腫瘤的免疫應答。Deng等[33]通過二硫鍵交聯(lián)修飾透明質酸形成巰基化的透明質酸(HA)，再將一株DNA OV Ad和一株RNA OV ECHO-7分別封裝到上述體系中。在37 ℃的pH 7.4的含谷胱甘肽的磷酸鹽緩沖溶液中，發(fā)現(xiàn)水凝膠在還原環(huán)境中由于二硫鍵的斷開能夠快速降解，而在正常的生理環(huán)境中在5 d后仍保持穩(wěn)定，是一種適用于OVs的氧化還原響應性水凝膠控釋系統(tǒng)。

基因載體傳遞作為靶向修復關節(jié)軟骨的的治療方案受到越來越多的關注,關節(jié)軟骨是關節(jié)中與骨相連的一種光滑透明組織,其缺損可能誘發(fā)骨關節(jié)炎(OA)。Madry 等[34]基于疏水性聚環(huán)氧丙烷(PPO)和親水性聚環(huán)氧乙烷(PEO)和形成可注射的溫度敏感性水凝膠PEO-PPO-PEO，該水凝膠能夠遞送控釋治療性(sox9) 重組腺相關病毒(rAAV)。組織形態(tài)計量學分析顯示，負載基因水凝膠在37 ℃左右出現(xiàn)溶膠-凝膠轉變并釋放出裝載的基因，顯著填充了軟骨缺損的填充，與游離載體治療相比明顯增加了軟骨厚度，實現(xiàn)了溫度響應性水凝膠的基因載體遞送，在不遠的將來朝著改善軟骨修復邁出的重要一步。

2.3 在蛋白質治療方面的應用

蛋白質控釋體系在生物應用中具有重要的價值[35-36],包括營養(yǎng)需求的供給、疾病治療,疫苗接種等。牛血清白蛋白(BSA)具有良好的藥理性、分子特異性、生物相容性和生物降解能力,在生物醫(yī)藥領域中常被用作蛋白質治療的載體模型。

Zhou等[37]成功制備了具有互穿聚合物網絡的光響應性水凝膠(Fe-Alg/TEMPO-CNF/PAAm)。紫外光照射過程中，水凝膠中的Fe3+轉變?yōu)镕e2+，F(xiàn)e2+與羧基官能團的結合能力下降，從而釋放蛋白質。用牛血清白蛋白(BSA)為模型物，在UV燈(4 W，365 nm)照射下，BSA初始突釋，隨后是更穩(wěn)定和更緩慢的釋放。在突釋階段之后，水凝膠釋放的BSA累積量高于未接受紫外線照射的水凝膠，而且相比于小分子量藥物的釋放現(xiàn)象更加敏感，表明所制備的光響應性水凝膠可用于傷口敷料，并在局部藥物釋放系統(tǒng)具有潛在的應用潛力。

Xu等[38]用3,3-二硫代雙(丙酰肼)改性透明質酸(HA-TPH)和醛改性透明質酸(HA-CHO)作為前驅體溶液，在室溫下將HA-TPH和HA-CHO注射到硅橡膠模具中以形成氧化還原和pH雙響應性可注射的水凝膠。以牛血清白蛋白(BSA)為模型蛋白，經實驗發(fā)現(xiàn)，在中性或堿性介質(pH > 7.4)中，水凝膠尺寸略有增大，而在酸度增大(pH < 7.4)時出現(xiàn)明顯表觀收縮，繼續(xù)添加三乙胺(TEA)來中和酸，溶液可恢復到凝膠狀態(tài)。添加還原性二硫蘇糖醇(DTT)，水凝膠分解為溶液，而繼續(xù)添加氧化劑過氧化氫(H2O2)，水凝膠可再次再生。綜上說明了上述水凝膠有氧化還原和pH雙響應性可逆轉變的能力，有望在再生醫(yī)學中作為輸送生物活性物質和細胞的潛在應用。

3 結論與展望

智能水凝膠在生物醫(yī)藥控釋領域雖然有較好的發(fā)展前景，但是大多仍處于實驗室研究階段。其突釋效應、生物相容性和生物降解性等方面均有待改善，在今后的研究中建議從以下方面進行改進。

(1)從分子結構設計出發(fā)，降低水凝膠中親水性基團比例或適度交聯(lián)劑等方式控制突釋效應；適度引入可降解基團，按照功能要求，設計智能水凝膠的降解能力；設計多功能的智能水凝膠，提高水凝膠的適用范圍。

(2)合成新的生物分子或通過天然高分子改性，降低智能水凝膠的細胞毒理性，提高智能水凝膠的生物兼容性。

(3)加大研究成果的推廣轉化，將研究成果向臨床應用推廣。