生物大分子口服药物载药系统研究进展

生物大分子口服药物载药系统研究进展

卢胤霖 1 李雯雯 2 王全亮 3

1 、 齐鲁制药（海南）有限公司 国际业务部 海南省海口市570314

2、齐鲁制药（海南）有限公司 研发部 海南省海口市570314

3、齐鲁制药（海南）有限公司 研发部 海南省海口市570314

摘要：口服给药一直被认为是最方便、安全的给药方式，然而受胃内酸性条件和肠道细胞吸收的影响，生物大分子药物（如多肽、蛋白质和疫苗）的口服给药方式受到了限制。因此科学家们开发各种技术策略以提高这些药物的生物利用度。本文描述了生物大分子口服药物的用药屏障，对目前载药系统最新研究进展进行综述。

口服给药是患者最常用的递送途径之一，与非胃肠道给药方式相比，口服给药具有无创、方便及患者依从性等优点，大大改善了患者的生活质量^[1]；口服给药还避免了非药物活性成分（如静脉注射制剂中的溶剂）所造成的毒性问题^[2]；除了治疗全身性的疾病，口服给药还适用于胃肠道相关疾病的局部治疗。虽然口服递送对运输小分子药物十分有效，但大分子药物（特别是多肽、蛋白质和疫苗）由于其在胃肠道中溶解性、稳定性和肠吸收较差的因素，口服生物利用度低，一直局限于静脉注射。一些已批准的生物制剂，如治疗乳腺癌的曲妥珠单抗，已被重新调配用于皮下给药，以提高患者的生存质量^[3-5]，但以注射为基础的治疗仍然给患者带来负担，导致治疗依从性差^[6]。因此，开发新型的口服载药系统以克服大分子药物的用药屏障是一项重大的挑战。本篇综述概述了生物大分子口服药物的用药屏障以及介绍针对大分子药物口服载药系统的最新研究进展。

1. 大分子药物口服用药屏障

大分子药物通过肠上皮细胞吸收进入淋巴系统或者血液系统，然而在吸收前需要克服胃肠道酶消化、黏液层和细胞转运等多重屏障。

1.1 胃肠道酶

生物大分子药物口服后，首先在胃液中被胃蛋白酶水解，主要水解芳香族氨基酸、蛋氨酸或亮氨酸等残基组成的肽键^[7]，形成氨基酸序列较短的肽链。然后到达小肠，小肠分为三个区域：十二指肠、空肠和回肠，小肠内pH为中性^[8-9]，与许多生物大分子的等电点相近，使蛋白质发生沉淀，进一步降低了生物利用度。另外小肠和肠上皮细胞也存在多种消化酶和基肽酶^[10]，导致药物进一步降解成小分子肽和氨基酸，使蛋白质失去生物活性。

1.2 黏液层

胃肠道具有复杂的分子选择性运输功能。胃肠道可以吸收营养物质和小分子并经过全身循环，它也可以作为抵抗疾病的第一道防线，黏液层在其中起到关键作用。人胃肠道上皮细胞表面大约有300 m²的黏液层^[11]，黏液的孔径约为0.2μm，可以阻碍大分子从腔内向上皮细胞扩散^[12]。

1.3 细胞转运

药物通过胃肠道细胞膜主要有两种方式，分别为细胞旁途径和跨细胞膜转运。相邻的上皮细胞通过紧密连接的方式，只允许离子和可溶性小分子物质通过，这种转运方式就称为细胞旁途径。这些紧密连接的蛋白带有负电荷，平均孔隙为8–13Å，因此它们可以阻止大分子通过肠上皮细胞，从而降低大分子药物的吸收。而跨细胞膜转移通常局限于高度亲脂分子，而大多数生物大分子都是亲水性的，所以生物大分子药物难以被细胞吸收进入循环系统。因此针对生物大分子药物载药系统的设计主要有三个关键点：避免胃肠道酶的降解、穿过黏液层屏障和增加药物的转运，促进药物吸收。

2. 生物大分子口服药物载药系统研究

2.1 克服胃肠道酶降解途径

保护生物大分子药物免受胃肠道降解有两种方式，一种是通过调节药物微环境的pH条件，例如TBRIA公司开发的口服重组鲑鱼降钙素，它是一种肠溶包衣片，耐酸性的肠溶包衣可以防止其在胃中降解。当片剂离开胃到达肠道，随着pH的升高会导致肠溶衣溶解，使片剂内容物释放，此时肠道中消化酶能够快速降解多肽，使其失活。由于肠道酶作用的最佳pH条件为中性或者碱性，所以TBRIA公司通过在片剂中加入了柠檬酸，当内容物释放时会导致药物局部pH值瞬时降低，从而抑制肠道中消化酶的降解，提高生物利用度。目前该药物正在三期临床阶段。

另外一种方式是通过添加蛋白酶抑制剂，由于蛋白酶识别序列的特异性，因此蛋白酶抑制剂的选择取决于生物大分子的氨基酸序列，蛋白酶抑制剂通过可逆或不可逆的方式与蛋白酶结合，使其失活。一些蛋白酶抑制剂如亮抑肽酶、杆菌肽、抑氨肽酶和半胱氨酸蛋白酶抑制剂用来研究对胰岛素吸收的影响，结果表明该类蛋白酶抑制剂在肠道部位可以对多肽起到局部保护的作用，但值得关注的是，其促进大肠部位吸收胰岛素的效果比小肠部位吸收更显著。，目前Oramed制药公司利用蛋白酶抑制剂开发了专有的蛋白口服给药技术，其通过功能性胶囊、蛋白酶抑制剂和螯合剂联用的方式，功能性胶囊可以防止胰岛素在酸性胃中被水解，并在pH接近中性的小肠中释放，蛋白酶抑制剂保护胰岛素不被小肠刷状边缘区存在的蛋白酶降解，螯合剂可以结合蛋白酶的钙离子，从而抑制肠道酶活性，增加细胞旁途径的通透性，促进吸收。该口服胰岛素已经被证明可以降低餐后血糖浓度，当餐前给予时，可以降低空腹血糖水平，满足胰岛素起效剂量的需求。

2.2 穿过黏液层屏障途径

通过将生物大分子制备成小粒径药物和添加黏液渗透剂（或黏液裂解剂）两种途径可以提高药物快速穿过黏液层，促进肠上皮细胞的吸收。

第一种策略包括两种方式，其一是将生物大分子包载到纳米载药系统中，也是目前研究比较热门的手段，研究表明纳米尺寸的微粒可以有效地穿过黏液层，且微粒的越小，越容易被小肠吸收。其二是通过自乳化药物递送系统，自乳化药物递送系统是指疏水性药物与表面活性性、助表面活性剂和油相组成的混合物，在胃中可以自发乳化形成粒径小于500nm的水包油型乳液。胰岛素在酸性条件下带正电荷，可以与两性分子（如表面活性剂、磷脂、脂肪酸）中的阴离子结合，从而可以有效的形成自乳化药物系统，在一项研究中胰岛素与磷脂酰甘油和表面活性剂组成的自乳化药物递送系统，当胰岛素载量在0.27-1.13wt%范围内时，包载效率较高，且结果表明，该载药系统可以增强黏液的渗透性，避免胃肠道酶降解，被认为是一种新型的口服胰岛素给药系统。

第二种策略加通过加入黏液渗透剂或黏液裂解剂修饰载药系统，黏液渗透剂如加入亲水聚合物聚乙二醇可以减小载药系统与胃肠道酶的相互作用，增强黏液渗透性。黏液裂解剂是通过在载药系统移动位置切割黏液，而不会破坏其他黏液层，损坏基本的保护屏障功能。迄今为止，开发了两种不同类型的黏液裂解剂，第一种为二硫键裂解剂，可以裂解黏液中的二硫键，如N-乙酰基半胱氨酸和N-十二烷基-4-巯基丁二酰胺。另外一种为酰胺键裂解剂，通过裂解黏液蛋白内的酰胺键，使药物快速通过黏液层，如菠萝蛋白酶、木瓜蛋白酶等。

1. 3. 增强药物胃肠道转运途径

增强药物肠道转运的两种思路主要为打开细胞旁路途径和增加药物主动转运，促进肠道吸收进入血液循环系统，主要分为下面几个方面进行介绍：

2.3.1 渗透促进剂

渗透促进剂可以通过干扰细胞间紧密蛋白和粘蛋白的功能，促进未降解的多肽直接通过上皮细胞或打开细胞旁途径。目前研究的渗透促进剂有脂肪酸酯类、两性离子、胆汁盐、芳香醇和哌嗪类衍生物等。虽然许多渗透促进剂在临床前研究中都表现出了疗效，但只有少数具有足够的安全性和有效性。目前有癸酸钠（C₁₀）和(N-(8-[2-羟基苯甲酰基]-氨基)辛酸钠（SNAC）进入了人体临床试验。

癸酸钠是一种被批准用作食品添加剂的中链脂肪酸，其作用机制可能与其能够和膜脂质蛋白发生作用，使膜结构发生紊乱，以及与细胞紧密连接处的离子发生螯合作用，使肌动蛋白微丝收缩并暂时打开上皮细胞紧密连接，从而增加药物细胞旁路转运有关。由于该作用具有可逆性，因此对肠黏膜损伤小。

SNAC是由水杨酸合成的N-乙酰化氨基酸衍生物，2019年9月20日，FDA批准的Rybelsus口服索马鲁肽（胰高血糖素样肽-1受体激动剂）即为索马鲁肽和SNAC吸收促进剂一起组成的口服片剂。SNAC与索马鲁肽的结合能够让索马鲁肽在胃部被吸收。由于SNAC在胃中溶解可以提高索马鲁肽局部环境的pH值，防止索马鲁肽被胃中的肽酶降解，且SNAC具有亲脂性，能够嵌入到胃上皮细胞膜上，促进索马鲁肽被细胞快速吸收。

2.3.2 配体修饰的纳米系统

纳米尺寸的微粒可以有效地穿过黏液层，但其通过肠壁的渗透性仍不能令人满意，通过对纳米系统进行配体修饰，可以有效地促进肠上皮细胞吸收。

转运体：人们发现胃肠道转运蛋白在营养吸收中至关重要，因此可以被用作生物大分子转运的靶点。例如胆汁酸转运体，氨基酸转运体。胆汁酸转运体其在肠道中广泛表达，Dr.Gan's设计了脱氧胆酸修饰的胰岛素纳米载药系统，通过回肠上皮细胞顶测钠离子依赖性胆酸转运体（ASBT）介导的内吞作用，且经过脱氧胆酸修饰的纳米载药系统可以从溶酶体中逃逸出来，减少了胰岛素的降解，另外，脱氧胆酸修饰的胰岛素纳米载药系统还可以与胞质回肠胆汁酸结合蛋白相互作用，从而促进胰岛素的细胞内运输和基底外侧释放，提高口服胰岛素的生物利用度。

聚合物：聚合物高分子修饰的纳米系统具有较好的生物相容性和可降解性，在pH值、温度或其他环境因素的驱动下会发生水解，使它们在所需的位置分解并释放药物，因此也常被用作口服药物递送系统。如聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），水解后可产生乳酸和羟基乙酸，其分解产物极易被循环代谢，毒性较小。

无机材料：无机材料在酸性和酶条件中具有显著的稳定性，因此也常被用作口服递送系统，氧化铝、金、硒和二氧化硅等无机材料已经被用作口服多肽递送系统。Cho等人制备了合成金纳米颗粒，口服2 h 后，血浆中平均胰岛素浓度是胰岛素溶液的6.61倍。由于无机纳米颗粒不能被生物降解，需要关注颗粒是否能完全被清除和排泄，而不在体内累积而引起免疫反应。

2.3.3 微针技术

微针技术是近年来生物大分子口服给药中一种新技术，其最初是一种高效的经皮给药系统，由微米尺度的针阵列连接到宏观基底上组成。微针有利于口服给药，因为它们可以将药物直接注射到肠壁，并且疼痛感较小。

Rani Therapeutics利用该技术开发了一种肠溶胶囊，其到达肠道时，会脱落外层的纤维素膜，胶囊内的化学物质被激活，产生二氧化碳使胶囊膨胀，从而促进装载药物的微针透过肠壁，其用于包载胰岛素和阿达木单抗的微针在猪中的实验结果显示，生物利用度均>50%。但该项技术受载药量的限制，只能装载3-5mg。

麻省理工学院的研究人员开了一种腔内展开微针注射器（LUMI），这款内展开微针注射器装载的药物与临床使用量相当，其包含多个载药微针，胶囊外层涂了一层聚合物（甲基丙烯酸-丙烯酸乙酯和聚乙二醇），在胃酸条件下可以避免降解，到达小肠后胶囊内的可降解臂张开，每个臂上都有几个1mm的微针，能够携带胰岛素或者其他生物大分子，微针会刺入肠道上皮细胞，微针溶解并释放药物，在15-30min血浆中胰岛素水平达到峰值。

目前研究表明，通过改善口服给药系统，避免生物大分子在胃肠道内的降解、增强稳定性，促进其快速穿过黏液层屏障和胃肠道上皮细胞，可以有效地提高生物大分子药物的生物利用度，且多项技术被用于临床，显示具有一定的有效性和安全性。口服索马鲁肽的成功获批也给人们带来了很大的信心，这些新的口服给药系统为生物大分子药物提供了一条新的道路，极大促进大分子口服给药的发展。

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