综述 | Crit Rev Microbiol:聚焦微米粒和纳米粒给药系统在治疗幽门螺杆菌感染中的应用

2021
08/20

+
分享
评论
微生态
A-
A+

虽然与微粒药物相比,使用纳米颗粒进行的临床研究有限,但越来越多的研究凸显了纳米技术药物输送系统的部分优势,因为它们是直接作用于细菌的小尺寸系统,所以增强了靶向性药物的效果。



导读  

幽门螺杆菌对环境的适应性强,且常规治疗药物的靶向特异性低,使得菌株对这些药物的耐药性越来越强,很难根除。因此,寻找新的治疗方案刻不容缓。使用先进的给药系统,如微米和纳米颗粒,可以延长药物在胃内的滞留时间和药物在靶部位的释放速率。本文主要介绍了微米和纳米颗粒在治疗幽门螺杆菌感染方面的应用,重点介绍了纳米粒给药系统,包括纳米结构脂质载体、脂质体、纳米乳剂、金属纳米颗粒和聚合物纳米粒,以及胃肠道滞留制剂等微粒技术体系,其中着重阐述了粘膜粘附型、磁性和漂浮型微粒系统


 

论文ID


 

名:Highlighting the use of micro and nanoparticles based-drug deliverysystems for the treatment of Helicobacter pylori infections

聚焦微米粒和纳米粒给药系统在治疗幽门螺杆菌感染中的应用

期刊Critical Reviews in Microbiology

IF:7.624

发表时间:2021.3.16

通讯作者:Taís Maria Bauab & Marlus Chorilli

通讯作者单位:巴西圣保罗大学药学学院


综述目录


引言  
幽门螺杆菌  
药物治疗  
微粒与纳米粒给药系统  

    4.1 聚合物微粒

4.1.1 胃滞留制剂

4.1.1.1 生物粘附型GRDF

4.1.1.2 高密度型GRDF

4.1.1.3 磁性GRDF

4.1.1.4 漂浮型GRDF

4.1.1.4.1 低密度系统

4.1.1.4.2 起泡系统  

4.2 纳米技术

4.2.1 纳米结构脂质载体(NLC)

4.2.2 脂质体(LP)

4.2.3 纳米乳剂(NE)

4.2.4 金属纳米颗粒(MNP)

4.2.5 聚合物纳米颗粒(PN)

4.2.5.1 靶向性聚合物纳米颗粒

4.2.5.2 细胞膜包裹的聚合物纳米颗粒  

总结和评论


主要内容


引言
幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)和人类共同生存的历史悠久,同时也和人类共同进化。得益于分子生物学技术的进步,我们已在各大陆的人类群体中发现了不同的幽门螺旋杆菌菌株。研究人员在秘鲁木乃伊的粪便样本中发现了幽门螺杆菌抗原,这表明美洲在欧洲人入侵之前就存在幽门螺杆菌感染。加之这些地区的人可以追溯到距今至少1.5万年前,幽门螺杆菌和人类一同进化的观点得到了进一步验证。而新的遗传学证据表明幽门螺旋杆菌已经感染人类超过6万年。虽然在某些时候,可以认为被这些细菌感染是一种进化上的优势,因为:(1)它们产生叶酸,可以满足人们在新鲜蔬菜摄入量低的情况对这种微量营养素的需求;(2)幽门螺杆菌可以降低免疫反应,因此受感染的人接触抗原后的免疫反应会不那么强烈,更为适应。但考虑到当时的人类很少活到50岁,所以无法明确幽门螺杆菌感染对人体造成的长期损害。目前全世界约有50%的人携带幽门螺杆菌,但还没有针对这种细菌的确切治疗方法,仍旧很难控制这种感染。
尽管目前的疗法已被证实是相当有效的,但幽门螺杆菌对抗生素的耐药性使得治疗方法常常很快无效,我们需要寻找新的治疗方法。在药学领域,无论是开发新的抗幽门螺杆菌的药物分子还是探索给药机制方面,幽门螺杆菌治疗的新方法研究均硕果累累。治疗幽门螺杆菌感染的关键在于控制药剂在胃内的滞留时间以求达到最佳的局部治疗效果,因为滞留时间影响药物在胃内的溶出度和分布。因此,使用可控的给药系统以使得药物能在胃内滞留较长的时间对根除幽门螺杆菌是有利的。 
微米粒和纳米粒给药系统可以增加药物的稳定性,因为它们可以起到物理屏障的作用以对抗富含酶和酸性物质的“敌意的”胃部环境。在感染幽门螺杆菌的情况下,这些给药系统不受胃排空时间的影响,可在胃内停留较长时间从而提高药物在靶部位的治疗浓度。以上种种使得细菌和药物能更充分的接触,加之药物的尺寸、形状和成分得到简化,也能改善药物对粘液层等结构的渗透或粘附。本综述介绍了幽门螺杆菌的毒力机制、对抗或控制幽门螺杆菌感染的不同治疗方法,并讨论了使用合成和天然高分子材料、脂质或金属来源的微粒和纳米粒给药系统如何在胃部滞留特性、释放行为和细胞摄取量方面改善治疗幽门螺杆菌感染的方法。
 
幽门螺杆菌
幽门螺杆菌( H. pylori)属革兰阳性菌,呈S型螺旋形弯曲,有5-7个鞭毛,微需氧,对生长环境挑剔。其表面光滑,末端钝圆,具有可移动的特性,不产孢子。幽门螺杆菌的螺旋形特征有助于其在鞭毛驱使下运动。
幽门螺杆菌的致病机制与细菌、宿主和环境因素有关。细菌本身有几个毒力因子,可在胃中起协同定植的作用(图1)。
 

图1.幽门螺杆菌致病机制和毒力因子示意图。
 
细菌要在胃内生存就得抵抗住胃酸的考验,而幽门螺杆菌能产生尿素酶使得它们能在胃内存活。生理情况下,尿素存在于胃腔,尿素酶通过促进尿素的水解,产生氨和二氧化碳发挥作用。氨作为一种氢离子(H+)受体,可在胞内和细菌周围形成一个pH值中性的环境而抵抗胃内的酸性环境;二氧化碳有助于防止细菌因代谢产物和吞噬作用而死亡。这样,幽门螺杆菌就不会受到胃酸性环境的伤害。而酸度降低会改变胃粘膜的粘度,使其松弛,细菌更容易穿透胃粘液。
在胃粘液中,细菌需要到处运动到达上皮细胞才能建立定植和感染。幽门螺杆菌的螺旋形状允许它们像螺旋桨一样运动,有助于其从粘液层快速进入到胃上皮。此外,鞭毛的存在也进一步增强了他们的运动性。在上皮细胞中,成功的定植需要宿主细胞受体与幽门螺杆菌外膜蛋白(OMPs)之间相互作用来实现。与细菌粘附有关的OMPs包括BabA、SabA、homB、OipA、HopQ等。
首先,细菌通过BabA蛋白与胃粘膜建立联系,使其免受蠕动和胃排空的影响。BabA由黏附素A(babA2)基因编码,可与Lewis b血型抗原结合的蛋白质。当细菌开始定植时,分别由oipAsabA基因编码的前炎性外膜蛋白A(OipA)和唾液酸结合黏附素(SabA)共同引起胃的炎性反应。oipAsabA这两个基因有两种状态(开放或关闭),只有为“开放”状态时,才与胃部疾病相关。另一个重要的外膜蛋白是HopQ,它作用于人癌胚抗原相关细胞黏附分子(CEACAM),吸附到胃粘膜的上皮细胞上,有利于CagA蛋白转移到胃的上皮细胞中。HopQ有1型和2型两种基因型,这两种基因型都与胃癌的发生发展有关。
在幽门螺杆菌通过OMPs黏附到胃粘膜上皮细胞后,细菌将蛋白质和毒素注射到宿主细胞内,引起宿主细胞发生改变,诱导炎症反应。
CagA是研究较多的幽门螺杆菌的一个毒力因子。它是一个由位于cag致病岛(cag PAI)末端cagA基因编码的蛋白质。而cag PAI是一个由编码IV型细菌分泌系统(T4SS)的基因组成的长约40 kb的位点。这种分泌系统如针头一般能将细菌分子注入到宿主的上皮细胞内,同时对于CagA蛋白的易位也是必需的。根据cagA基因的存在与否,可以将幽门螺杆菌分为cag+和cag-菌株。CagA是第一个被研究的细菌癌蛋白,其与胃癌有关。因此,cagA+菌株与严重的胃病进展直接相关。在宿主细胞内,CagA上位于3’末端的EPIYA基序(谷氨酸-脯氨酸-异亮氨酸-酪氨酸-丙氨酸序列)可以被Src和Abl激酶家族磷酸化,使细胞骨架重排。
空泡细胞毒素基因(VacA)编码幽门螺杆菌的另一个毒力因子空泡细胞毒素蛋白(VacA)。VacA主要作用于上皮细胞膜,形成孔洞,使细胞空泡化。此外,它还能使膜去极化、促进细胞凋亡和细胞间粘附、阻断T细胞激活。VacA对T细胞的作用使得幽门螺杆菌能抵抗免疫系统的清除,使得宿主持续被感染。VacA对幽门螺杆菌的生存至关重要,它可将粘膜中的一些离子和营养物质带到胃腔,导致胃上皮细胞的完整性发生变化。
幽门螺杆菌主要通过形成生物被膜抵抗各种抗菌药物的作用。Carron等人对幽门螺杆菌阳性患者的胃活检拍照证实了幽门螺杆菌在体内形成生物膜的能力。
由于幽门螺杆菌能同时表达多种毒力因子,更有可能引起严重的临床反应,因此,即使患者常表现为无症状感染者,也会出现由细菌引起的胃部病变,如消化性溃疡、胃黏膜相关淋巴组织淋巴瘤(MALT)和胃腺癌。幽门螺杆菌已被列为Ⅰ类致癌物,与胃腺癌和MALT淋巴瘤的发生发展有关。而胃癌是全球第五大常见癌症,也是第三大致命癌症。
 
药物治疗
研究表明使用药物治疗幽门螺杆菌会对胃肠道菌群产生有害影响。菌群失调可导致病原菌和耐药菌的出现和定植。为了治疗细菌感染,使用抗生素和抗胃分泌药联合应用的治疗方法。抗胃分泌药能提高胃腔的酸度,为抗生素的应用做好准备。在抗胃分泌药中,质子泵抑制剂如右旋兰索拉唑和埃索美拉唑可抑制胃内氢离子的分泌,抑制 H+-K+-ATP酶(质子泵),使胃内pH持续升高。阿莫西林、克拉霉素、四环素、甲硝唑、左氧氟沙星、利福平和含铋化合物可用于抗幽门螺杆菌疗法。
幽门螺杆菌是胃肠道溃疡的主要原因。而且在第一次诊断后,高达80%的病例可能会出现溃疡复发。虽然可以实现根除,但单一药物很难达到根除效果。除了滥用抗生素外,吸烟、高细菌载量、细菌基因型等其他因素也阻碍了幽门螺杆菌的根除。研究发现约20%的患者治疗效果不理想。由于存在这些耐药机制,一般建议采用三联或四联疗法作为治疗手段。根据马斯特里赫特Ⅰ共识报告,使用这些药物治疗可以达到至少80%的根治率。
两个因素共同限制了幽门螺杆菌的治愈率,即传统药物的胃滞留时间缩短和幽门螺杆菌对现有治疗方法的高度适应性。第一个因素对细菌耐药性有直接影响,因为细菌对传统使用的抗菌剂的耐药性越来越强,使得根除感染变得困难。由于感染和胃生理相关的因素,使得幽门螺杆菌治疗仍面临较大的挑战。此外,细菌的位置也阻碍了我们对其根除,因为细菌位于胃粘膜表面和粘液层内,这会降低了全身治疗的效果,因此药物释放时得尽可能靠近细菌才能达到更好的治疗效果。而微米和纳米结构的给药系统在设计后可以促进抗菌剂和细菌之间直接接触一段时间,足以达到最低抑菌或者杀菌浓度,在某些情况下,还能促进药物进入细菌细胞内。
多年来,抗幽门螺杆菌的给药系统的研究有所增加。人们希望通过使用微米和纳米颗粒平台来防止药物在胃环境中酶解和酸降解。这些新的治疗应设法解决在使用标准抗生素疗法时面临的问题,如酸性环境中药物的不稳定性,实现在细菌定植部位高的药物浓度,以及延长药物的作用时间。针对这些主要问题,科学家们正在寻找能够规避和解决这些限制的替代方案。
作为一种治疗的替代方案,我们重点介绍了先进的给药系统,它可以在特定位置以恒定的速率释放药物,并在特定位置保持长时间释放。将药物包埋在微粒和纳米粒中有许多优点,如增强活性分子的稳定性或保护活性分子,提高生物利用度,靶向释放药物和改变药物释放行为等。
 
微粒和纳米粒给药系统
4.1 聚合物微粒
微胶囊技术可以追溯到20世纪50年代,它将固体、液体或气体包埋、封存在一种微型胶囊内,其粒径大小一般在 1~1000 mm之间。这是一种制备药物释放系统的方法,其主要目的是保护药物不被降解,药物靶向释放,掩盖某些药物的难闻味道或气味,改善适口性,从而改善患者的依从性,并利用特定的生理条件作为触发机制来调节药物释放的速率。
根据药物在微粒中的分布,可分为微囊或微球。微囊是将药物包裹在囊膜内的药库型微型胶囊,而微球是药物分散或被吸附在聚合物基质中而形成的微粒分散体系(图2)。
目前可使用不同类型的聚合物获得微球和微囊,它们具有广泛的化学、生物和物理化学性质,能够基于前体的初始特性来调节系统性能。微胶囊化的方法也是多种多样的,可以分为化学过程和物理过程,表1描述了一些主要的方法。
微胶囊化方法的选择主要取决于所使用的聚合物、药物的性质和要达到的目的。药物在使用前和使用过程中的物理化学性质、加工和储存条件等参数、微粒的密度、大小、形状和电荷等物理性质、成本以及从微粒中释放活性物质的触发机制对包埋方法的选择至关重要。通过上述参数调节微粒的物理化学性质可以获得具有不同技术应用的特定给药系统,其中胃滞留给药系统在治疗幽门螺杆菌感染方面的应用值得重视。
 

图2.微粒和微囊的示意图。
 
表1.物理、化学和物理化学微胶囊化方法。


4.1.1 胃滞留制剂
       为延长制剂在胃中的滞留时间而开发的一个重要技术工具就是使用胃滞留制剂(GRDF),它具有较好的缓释特性。该系统可以实现在胃内长时间持续释放药物而被成功应用于局部给药。
粘膜刺激性药物和那些在胃液中不稳定的药物,如生物分子(治疗性蛋白质和多肽),不适合应用此系统。此外,在整个胃肠道(GIT)吸收良好并有首过效应的药物也不建议使用该系统,因为胃排空缓慢会导致此类药物的系统生物利用度降低。 
胃滞留制剂有多种类型,考虑到根除幽门螺杆菌感染的目的,其中最重要的几种类型有生物粘附型、沉降型(高密度型)、磁性和漂浮型,这几种类型的介绍如下所述,并总结在表2中。
 
表2.胃滞留型微粒的技术现状,包括优点和局限性的总结,应用的药物和对应的参考文献。


4.1.1.1 生物粘附型GRDF
1984年Park和Robson在研究中首次提出了粘附性这一概念,并评价了粘附型系统在延长胃滞留时间、避免首过效应、药物的可控性释放等方面的应用,指出具有粘附性的聚合物的潜在应用价值。
自此,使用天然或合成聚合物制备生物粘附型GRDF系统的研究越来越多。这些聚合物提供了一个理想的胃粘膜局部给药系统,因为它们通过静电相互作用、共价键和离子键可实现粘膜和药物最紧密的接触。这些聚合物除了能够保护药物不受酸降解的影响外,还可以粘附到粘膜上,有利于药物的扩散。
粘附类型和强度与所用聚合物的性质直接相关,如分子量、亲水性、交联度和官能团。另除此之外,还须考虑粘附部位固有的性质,如粘液更新率、厚度和肌肉弹性。
一些药物,如左旋多巴、速尿和核黄素,其吸收窗口在小肠上部。如果使用常规剂型,在胃排空后,这些药物通过胃肠道第一部分的速度非常快,明显影响了药物的吸收,而降低了口服药物的生物利用度。基于此,使用胃滞留给药系统应该有助于提高此类药物的治疗效果。同理,幽门螺杆菌感染位于胃粘液深处,治疗幽门螺杆菌感染的药物也能用于此系统。自Warren和Marshall发现该系统后,过去的二十年里人们开始了开发理想GRDF的深入研究。
Thombre和Gide通过云芝半乳甘露聚糖和海藻酸钠黏附型和漂浮型微球,并以壳聚糖(CS)包裹载运阿莫西林。在体外实验中,该微球在模拟胃液中的包封率为65%~89%,粘附率为61%~89%,阿莫西林的释放率为79%~92%。体内实验表明粘附率大于85%。在体内和体外实验中,都可观察到幽门螺杆菌被完全根除。同样值得注意的是,该系统以比起传统幽门螺杆菌治疗,剂量更低,不良反应更少,生物利用度更高,具有广阔的应用前景。
 
4.1.1.2 高密度型GRDF
GRDF的开发除了需要考虑密度、大小、形状和成分等特性,还需考虑胃的解剖和生理。物理因素中,大小和密度最为重要。而在GRDF的设计中,尤其得注意制剂的大小,得保证它不能穿过幽门括约肌(12 mm)之间的通道,在胃内容物排空后也能留在胃内。密度对胃滞留制剂的位置起决定性作用:当密度低于胃液时,制剂漂浮在胃内容物上方;密度高于胃液时则迅速沉降到胃底部。口服后迅速沉降的GRDF称为高密度型GRDF(图3(A))。
高密度型GRDF的密度高于胃液,这是由于该系统加入的无机辅料如硫酸钡、氧化锌、二氧化钛和铁,导致它们持续下沉至胃窦处。一些研究指出,要产生有效的沉降,密度阈值必须在2.5到2.8 g•cm3之间,高于此阈值,GRDF就可以在胃的下部沉积。
揭示高密度系统有望应用于GRDF上的第一个研究是Hoelzer在1930年使用不同密度(0.9~1.05 g•cm3)的材料做的一系列动物实验,实验结果体现了它们之间直接的相关性,即密度越高的材料有更慢的胃通过时间。然而,一些研究也指出了在设计含高剂量药物的高密度系统方面的困难。另外一些研究者认为仅使用高密度型系统无法达到较为成功的治疗效果。此外,到目前为止,几乎也很少有文献报道有相关的临床试验正在开展。
综上所述,生物粘附型和高密度型这两种策略的结合似乎能为合适,能更好实现胃滞留。关津等人基于此种策略制备了一种法莫替丁胃内沉降渗透泵制剂,就利用铁粉提高了该制剂的密度,还能与胃液中的盐酸反应形成氢气。结果表明,体外释药行为符合零级释药模型。给比格犬服用此制剂后,γ-闪烁照相法显示这种法莫替丁胃内沉降渗透泵在胃内的滞留时间长达7 h。
 
4.1.1.3 磁性GRDF
磁性GRDF除了药物和传统辅料外,还含有一定量的小磁铁,可通过位于胃位置的体外磁场进行引导。在生物、医学和医药科学中,磁性氧化铁(Fe3O4)和g-氧化铁(g-Fe2O3)由于其良好的磁性和生物相容性而成为研究最多的磁性粒子之一。通过选择性地定点外加足够强的体外磁场,引导其能滞留在胃内,从而改变药物在胃或肠道吸收的时间和/或程度。
利用顺磁性材料构建的抗生素缓释系统可以改善治疗的效果,因为抗生素本身只对不能穿透生物膜的浮游细菌有效,而该系统能使抗生素在多层生物膜(包括最深层)中达到高浓度。
该系统的另一应用是将该系统作为加热剂,通过加热来治疗细菌感染,因为细菌比健康人类的宿主细胞对温度更为敏感。当顺磁性粒子置于高频和大振幅的交变磁场中时,顺磁性粒子吸收电磁辐射,将磁能转化为局部的热能。该系统与不同的细菌分子靶标之间的相互作用,保证了给药系统在交变磁场导致的均匀热作用时具有更高的效率。利用磁热抗菌的作用机制是基于大多数病原菌在45℃或更高的温度下,细菌的细胞膜通透性增加,变得十分脆弱。
虽然很多研究者认为这类磁疗策略是有效的,但它需要专业人员进行干预,而且使用设备进行正确的胃部定位也比较困难。此外,磁场强度也能影响GRDF。例如,比较多磁场和单磁场对制剂靶向效果的影响时发现,多磁场具有更高的靶向效率,因为该条件下的场强更强。
 
4.1.1.4 漂浮型GRDF
早在1968年,Davis就提出漂浮型GRDF可以延长胃滞留时间和提高口服的生物利用度。此外,它们可以在胃内滞留较长一段时间,并漂浮在胃液上,这也是该系统在胃病治疗药物开发中备受关注的原因。
漂浮型GRDF是一种漂浮于胃液之上,可克服胃排空影响以缓慢且受控的速率释放药物,可作为药物储存库的制剂剂型。它们的堆密度必须在胃液密度(1004~1010 gm•cm3)以下,并且与胃液接触后能水化形成粘性凝胶屏障膜。主要的漂浮机制有与胃液接触后形成气体(起泡系统)使制剂起浮或使用低密度材料。
 
4.1.1.4.1 低密度系统
漂浮型GRDF可用亲水性的低密度材料制备,这些材料与水接触后会膨胀并形成低密度的凝胶层,使其在胃液中呈漂浮状态。海藻酸盐、阿拉伯胶、卡拉胶、CS、瓜尔豆胶、羟丙基甲基纤维素苯二甲酸酯(HPMC)、聚丙烯酸酯、玉米淀粉钠和纤维素衍生物等聚合物都可用作亲水基质,也可使用低密度脂肪酸来增加浮力(图3(B))。体外实验表明,漂浮型GRDF在至少8h内漂浮率在77%~88%之间。
Adebisi和Conway开展的一项研究中,他们通过离子凝胶法制备了CS包裹的漂浮型和生物粘附性海藻酸盐微珠以将克拉霉素递送到胃粘膜,从而促进幽门螺杆菌的根除。这两种胃滞留策略的结合具有良好的体外漂浮性、生物粘附性和药物缓释特性。微珠在胃内滞留时间延长,并以较慢的速度释放药物,使药物与细菌有足够的时间接触。
漂浮型系统通常被应用在必须在胃内和近端小肠发挥作用的药物上。这是因为药物从给药系统释放到胃液中,再到胃粘膜,最后到达细菌所在的胃细胞表面。这是一个物质传递的动力学过程,这个过程中即使发生胃排空,胃液也会保持一定浓度的药物,胃液中存留的药物也会被传递到近端小肠。
尽管该系统已经比较优秀,但一些条件仍会影响其性能,如胃内容物、液体量和粘度。低密度系统需要相当量的胃液才能起漂。食物和其他类型的给药系统可以与低密度系统相互作用,将其从胃内清除。系统固有的一些性质例如浮力、凝胶强度和水凝胶孔隙率也是决定起漂的关键因素。
利用低密度材料制备胃滞留制剂的方法多种多样,且其可用于多种类型的给药系统,如微球、片剂、胶囊等。Cytotec(喜克馈)作为一种米索前列醇的漂浮型胃滞留给药系统已作为商品被广泛应用。
选择和制备低密度聚合物相对简单,因而科学家们开始尝试再该系统中应用多种胃滞留策略。其中较多被研究的是浮力与粘附性之间的联系。关联策略的应用是目前药物输送系统开发的方向,也可提高这些系统的性能。
 
4.1.1.4.2 起泡系统
这一类漂浮型系统使用由亲水性和膨胀性聚合物(如CS、海藻酸盐、HPMCP)与发泡剂(碳酸氢钠、酒石酸或柠檬酸的混合物)组成的基质。当制剂进入胃部后,体系的发泡剂与胃液中的盐酸反应生成二氧化碳,待二氧化碳释逸后,聚合物经水化膨胀,使制剂起浮(图3(C))。以上一系列过程一起可使系统形成低于胃液(>1g•cm3)的有效密度,浮力增加并有利于以受控的形式释放药物。
理想的起泡系统需要满足与低密度系统相同的特性,例如胃内的最少胃液量和胃内容物。儿童使用这类药物可能会有潜在的毒性,因为它会释放二氧化碳。该系统保质期短,需要开发更有效的包装来防止制剂吸湿,这会影响最终产品的成本。
起泡系统还须具有低密度,选择一个既具透水性又有抗 CO2 渗透性的性能均衡的聚合物,同时还要考虑在胃内系统密度的降低和气体生成组分。这些使得它的配方较为复杂。在聚合物性质和生产工艺这些问题方面,还得满足具有良好的可塑性和充分可控地持续释放药物这些条件。
天然或合成聚合物仍然是合理的选择,因为对于这类系统来说,它们具有各种所需的特性,如控制药物释放的能力、形成透水性的屏障、形成凝胶层、低密度和高包封量。虽然这些系统在技术上是很先进的,具有良好的胃滞留和药物释放能力,但未来几年的研究更为关注年龄、性别、胃内食物和液体量等因素对该系统的影响,旨在改进这些系统以拓展其用途。
 

图3.高密度系统(A)、低密度型漂浮系统(B)和起泡式漂浮系统(C)示意图。
 
4.2 纳米技术
纳米给药系统的粒径在1~1000 nm之间,根据它们的大小、表面电荷和形状可以分为纳米结构脂质载体(NLC)、脂质体(LP)、纳米乳剂(NE)、金属纳米颗粒(MN)和聚合物纳米粒(PN)等。可以通过各种技术把药物封装在纳米给药系统中,根据所使用的材料类型、预期应用和期望的释放机制不同,这些技术也有所区别。在表3中,我们将这些技术分为物理法、化学法或物理化学法。在表4中总结了使用纳米粒系统如NLC,LP,NE,MN和PN治疗幽门螺杆菌感染的一些研究。
 
表3.纳米给药系统制备方法的分类。


表4.胃滞留纳米粒的技术现状,包括优点和局限性的总结,应用的药物和对应的参考文献。


4.2.1 纳米结构脂质载体(NLC
纳米结构脂质载体被称为第二代脂质纳米粒子,它以一定比例的液体脂质代替了部分固体脂质(图4(A)),从而具有更高的封装率和载药量。根据脂质基质组织结构不同可以分为三种不同结构,(Ⅰ)缺陷型(Ⅱ)无定型(Ⅲ)多层结构型。NLCs的制备方法通常包括高压乳匀法、微乳化法和有机溶剂法。
 

图4.纳米结构脂质载体(A)、脂质体(B)和纳米乳剂(C)的代表性结构简图。
 
Seabra等人利用在鱼油中发现的一种多不饱和脂肪酸——二十二碳六烯酸(DHA)进行封装制备了NLC,以评估其是否可改善治疗幽门螺杆菌感染的效果。他们分别在不同时间(0、1、5、3、6、9、12、18和24 h),测定不同浓度的DHA封装的NLC(DLC NFC)、游离DHA和对照NLC(不含DHA)的集落形成单位(CFU)。对照组和DLC NLC均能杀菌,24h的杀菌率为99.9%,而最低浓度DHA封装的NLC的杀菌时间较对照NLC要短12h。此外,在杀菌浓度(<50 μM DHA)下,NLC对人上皮细胞无细胞毒性。因此,把DHA载入到NLC中有利于增强抗幽门螺杆菌作用。
 
4.2.2 脂质体(LP
脂质体是由一个或多个磷脂双分子层组装形成的脂质囊泡,其形状为球形,大小为25~1000 nm,可以分别将水溶性的药物载入水相,脂溶性的药物载入脂膜(图4(B))。LP有许多优点,例如可以灵活地改变其化学组成,还允许表面功能化或靶向传递。磷脂本身的细胞膜成分,所以LP具有良好的生物相容性,低毒。
Thamphiwatana等人评价了含有亚麻酸的脂质体(LipoLLA)的抗幽门螺杆菌活性。这项研究证明LipoLLA对细菌的细胞膜有一定的损伤作用。LipoLLA和LLA的体外杀菌活性分别为65和80 μg/mL。体内实验发现LLA的杀菌率低于对照组,这可能是由于LLA的溶解度较低,使菌膜难以融合所致。而将LLA封装入脂质体内避免了这个问题,因此LipoLLA的杀菌率高于其他所有组,这些结果表明LP是一个潜在的包封LLA的给药系统。基于LipoLLA强大快速的杀菌作用,以及已经发表的体内实验的结果,可以认为它是治疗幽门螺杆菌的一种潜在的治疗策略。
 
4.2.3 纳米乳剂(NE
纳米乳剂是一种热力学性不稳定的,由两种不相容的液体(水和油)组成的分散体系,在表面活性剂的存在时较稳定,可分为:水包油型(O/W)(图4(C))或油包水型(W/O)。它们粒径较小,最大为500 nm。
红霉素是一种大环内酯类抗生素,具有抗幽门螺杆菌的活性,但由于其在酸性条件下不稳定而未在幽门螺杆菌治疗中使用。Tran等人制备了一种NE用以保护这种不稳定的抗生素。分别分析了红霉素NE(ERY-NDs)和游离抗生素对5株幽门螺杆菌的作用,发现对于具有红霉素抗性的CCUG 38772菌株,NE系统的效应比游离药物高4倍。这一数据证实纳米胶囊是提高许多药物活性的重要技术工具,且构成该系统的脂质可能也具有抗菌活性。基于此项研究,可以认为利用NE包封和保护抗幽门螺杆菌的化合物是有优势的。
为了寻求新的幽门螺杆菌治疗的替代方案,我们的研究团队也开发了一种NE,用以包封乙醇提取物和来源于植物(CaseariaSylvestris Swartz)的提取组分(F2)。乙醇提取物对幽门螺杆菌生物被膜有抑制作用,且包封于NE中时,抑制作用更强。负载F2的NE在所有测试浓度下均表现出抑制作用,其最高浓度为20×MIC(62.5 mg/mL),且抑制效果要优于乙醇提取物。然而,时间杀菌试验证实乙醇提取物和F2均不能杀死幽门螺杆菌,只是抑制了幽门螺杆菌的生长和增殖而发挥抑菌作用。体内实验表明,在溃疡和幽门螺杆菌感染的模型中,乙醇提取物和F2比包封它们的NE游离情况更好,NE释放系统不能增强体内的作用效果。
 
4.2.4 金属纳米颗粒(MNP)
金属纳米颗粒(MNPs)的合成开始于19世纪,Michael Faraday在报告提到溶液中存在金属颗粒即金属胶体。给药系统中使用的MNPs的粒径是1~100 nm,为纳米级,系统能够穿越内皮和上皮屏障从而增加了药物的渗透性(图5(A))。通过非共价作用如疏水作用、静电相互作用和范德华力可将疏水性药物包封在MNPs中。
MNPs具有低毒、化学稳定性好、孔径大小连续可调、易分解、副作用小、催化活性和UV光响应活性强等优点。它们的抗细菌和抗真菌活性也很突出,可利用这些纳米颗粒解决当前治疗中抗菌剂耐药性日益增长的问题。MNPs的抗微生物活性有许多机制,如抑制细胞膜合成,使酶失活,产生活性氧(ROS),以及颗粒堆积到细胞表面。如图5(B)所示,ROS会对细胞膜造成损害、使蛋白质变性和基因物质损伤,从而可能导致细胞凋亡。然而,MPNs本身的一些限制使得其在合成过程、材料成本和纳米颗粒聚集方面存在很大困难。
研究者研究了聚乙烯亚胺修饰的氧化锌纳米颗粒(ZnO-NPs)对甲硝唑耐药的幽门螺杆菌菌株的生长抑制作用。通过透射电子显微镜(TEM)观察到纳米颗粒进入到细菌胞浆中,并通过ATP酶活性比色法和碘化丙啶染料摄取法测定了纳米颗粒对细菌细胞膜的损伤程度。此外,还检测到了大量的活性氧(ROS)的产生,这是导致细菌形态变化和遗传物质降解的主要原因。值得注意的是,当与氨苄青霉素联合使用时,该纳米颗粒系统的活性与其存在协同作用,表明它可以与亚治疗剂量的抗生素联合使用来治疗幽门螺杆菌感染。
Gurunathan等人已经证明了生物合成的银纳米颗粒(Ag-NPs)具有抗幽门螺杆菌的活性。世卫组织评估了用青蒿叶提取物合成的Ag-NPs对幽门螺杆菌的抗菌效果,观察到细胞存活率和生物膜形成呈剂量依赖性下降。此外,还观察到Ag-NPs导致ROS生成增加和DNA片段化,最终导致幽门螺杆菌凋亡。
除了银之外,其他金属也可用于纳米颗粒的生物合成。Sharaf等人使用钝顶螺旋藻提取物合成了螺旋状氧化铁纳米颗粒(FeO-NPs)。TEM分析表明,合成的纳米颗粒能有效地抑制幽门螺杆菌对多种药物的耐药性,并破坏细菌。此外,FeO-NPs较为安全,因为它们对于正常的人类上皮细胞没有细胞毒性,可以用于幽门螺杆菌感染的治疗。
 

图5.金属纳米颗粒的代表性结构简图(A)和MNPs的作用机理(B)。
 
4.2.5 聚合物纳米颗粒(PN
PN是大小在10~1000 nm之间的,以聚合物、表面活性剂和/或油(可选)的混合物为材料的纳米级的给药系统,包括纳米胶囊和纳米球,前者是因其核被聚合物膜或外壳包围 (可能是油性的,也可能不是油性的)而得名,而后者则是由聚合物固体形成的固体基质体系,不含脂质。活性成分可以被封装在核内、分散到聚合物基质中或与PNs表面结合(图6)。
 

图6.聚合物纳米颗粒的代表性简图。
 
聚合物的性质各异,它们中具有生物可降解性和生物相容性的聚合物是最好的选择。此外,添加的化合物的性质和使用的溶剂也会影响制备方法的选择。
研究者利用超临界抗溶剂法制备了克拉霉素-乙基纤维素(EC)PNs,通过体内实验评价了其对幽门螺杆菌的根除效果,结果显示EC本身没有活性,幽门螺杆菌感染依旧存在,并不减少细菌数量。与游离药物相比,接受克拉霉素PNs治疗的患者的细菌数目减少。由此可见,对克拉霉素包封可以提高细菌的清除率,EC PNs是一种潜在的包封克拉霉素的给药系统。
Arif等人开发了具有抗幽门螺杆菌活性的生物粘附性pH响应型PNs,该纳米颗粒用CS和聚苹果酸(PLMA)包封阿莫西林并由半胱氨酸修饰。体外实验中,只有pH值是6和7时才能观察到药物释放,pH值为1.2时无药物释放。防止药物在酸性介质中释放是它的一个重要优点,因为这使得药物不会再与胃酸接触时就释放,而是在细菌生活的区域内被释放。
 
4.2.5.1 靶向性聚合物纳米颗粒
目前,大多数传统药剂并不靶向与疾病相关的特定部位。这种情况下,给药后药物均匀地分布在全身,需要大剂量才能在所需作用的部位达到适当的浓度,这与未知毒性和其他副作用有关。靶向给药是一种用于克服目前药物治疗存在的困难的迅速发展的策略。PNs因其独特的物理化学性质,如粒径小、表面电荷高、表面化学性质可调节、可包封多种药物、比表面积大、半衰期长、具有缓释效应等,被广泛用于靶向性给药系统。虽然其有不少优点,但一些纳米材料并不具有适合某些特定应用的表面特性。因此,将合适的有机基团联接到目标受体(如多肽和抗体)上用以修饰给药系统的表面是一个好的选择,可确保PNs被运送到目标位置。
由于常规治疗方法的失败,PNs表面修饰在抗幽门螺杆菌治疗方面备受重视,但它也有许多局限性,主要是药物对胃粘膜的渗透率低,胃滞留时间短,对抗生素的耐药性和酸降解。
一项研究开发了包封乙酰异羟肟酸(一种再多种细菌中均有效的不可逆尿素酶抑制剂)并与凝集素(荆豆凝集素Ⅰ和刀豆蛋白A)偶联的醇溶蛋白PNs,以定位和锚定幽门螺杆菌上的碳水化合物受体。实验观察到在幽门螺杆菌菌株的碳水化合物受体上,这些颗粒强烈凝集。原位粘附实验证实,与凝集素偶联的醇溶蛋白PNs能完全抑制幽门螺杆菌菌株与人胃细胞(AGS)的结合。抑菌实验结果表明,与凝集素偶联的醇溶蛋白PNs的抑菌率是不含凝集素的PNs的两倍。这些数据显示了抗幽门螺杆菌靶向药物的潜能。
 
4.2.5.2 细胞膜包裹的聚合物纳米颗粒
在取得令人鼓舞的成果的基础上,研究人员继续开发用于输送药物的纳米材料和纳米结构,最近,使用合成纳米颗粒和天然生物材料的工程学方法引起了人们的注意。细胞膜包裹的PNs是一种新型的仿生PNs,它结合了细胞膜的特殊功能和复杂性,以及合成纳米材料工程作为给药系统的通用性和适应性。它们是从天然细胞(如红细胞、癌细胞、白细胞、干细胞、血小板或细菌细胞)收集到的完整细胞膜制备的,随后包裹在PNs的表面。
这些系统在药物管理、免疫调节、疫苗接种和解毒方面显示出强大的潜力。然而,研究近来才兴起,仍需要进一步探索。第一个研究细胞膜包裹的PNs,使用红细胞膜作为包裹材料来提高药物的生物相容性,表现在免疫逃避、循环时间延长、网状内皮系统的清除减少、产生模仿细胞糖萼防止血清蛋白吸附和抵抗补体反应等特性。
Angsantikul和他的合作者使用胃上皮细胞质膜(AGS)包覆含有克拉霉素的PLGA PNs(AGS-NPs),并评价其抗幽门螺杆菌的作用。荧光显微镜观察到,用AGS-PNs孵育的幽门螺杆菌的荧光强度比与聚乙二醇(PEG)包封的PLGA纳米颗粒(PEG-NPs)(阴性对照)孵育的细菌的荧光强度增加近10倍,这表明AGS-PNs与幽门螺杆菌存在相互作用。在MBC实验中,AGS-PNs在浓度为4 μg/mL时表现出抑菌作用。感染幽门螺杆菌的小鼠模型取其胃组织进行分析,计算每克组织中细菌的CFU结果。结果表明,阳性对照和游离克拉霉素分别为1.58×105 CFU和5.01×104 CFU,而AGS-NPs为6.45×103 CFU,感染组织中细菌数量明显减少。因此,虽然细胞膜包裹的PNs的功能化仍是较新的一个研究领域,但值得进一步探索。
 
总结和评论
已报道的微粒或纳米粒给药系统能够规避目前抗幽门螺杆菌感染的治疗限制,因为常规治疗中的主要限制因素是药物与细菌的接触时间。而使用具有粘附性、漂浮性、膨胀性、靶向性以及尺寸变小和/或低密度的药物输送系统,其能够在胃中滞留并持续释放药物。通过使用不同的化合物(天然的和合成的或不相关的)制备这些系统,使其生物和物理化学性质产生较大变异,能可控地保护和释放药物,使治疗幽门螺杆菌成为可能。
虽然与微粒药物相比,使用纳米颗粒进行的临床研究有限,但越来越多的研究凸显了纳米技术药物输送系统的部分优势,因为它们是直接作用于细菌的小尺寸系统,所以增强了靶向性药物的效果。但微粒无法跨越生物屏障,使它们在药代动力学上更具可预测性,因此系统更安全。在了解了这些系统在合成方面的一些特征后,我们可以清楚地看到,纳米粒和微粒给药系统可以使幽门螺杆菌的治疗更加有效。

本文由作者自行上传,并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系(邮箱:nanxingjun@hmkx.cn
关键词:
幽门螺杆菌,纳米粒,微米粒,聚合物,细菌,细胞,生物

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!