1、研究背景
與胃腸外途徑相比，口服提供了一個(gè)安全、快速和簡(jiǎn)便的給藥過(guò)程，并使患者更加舒適和依從。由于存在穩(wěn)定性、劑量一致性和與賦形劑共同配制能力方面的優(yōu)勢(shì)，口服固體藥物已成為主要制劑，始終占美國(guó)FDA批準(zhǔn)新藥的50%。然而，某些患者難以吞咽固體。50%以上兒童無(wú)法吞下標(biāo)準(zhǔn)尺寸的藥丸或膠囊。吞咽障礙或吞咽困難的患者同樣會(huì)與固體藥物形式斗爭(zhēng)。在成人中，吞咽困難的患病率可高達(dá)16%，超37%的人吞咽困難。這可能導(dǎo)致患者跳過(guò)或修改（如壓碎）他們的藥物，從而可導(dǎo)致藥代動(dòng)力學(xué)特征的改變和死亡。雖然液體制劑更容易攝入，但它們?nèi)狈x形劑定位治療的能力，也不能起到控釋裝置的作用，這對(duì)口服生物藥物提出了挑戰(zhàn)。
2、研究成果
近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院Giovanni Traverso團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新策略，以實(shí)現(xiàn)可飲用的液體原位形成堅(jiān)韌（LIFT）水凝膠的藥物制劑，彌補(bǔ)了固體和液體劑型的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)依次攝入鈣和二硫醇交聯(lián)劑的交聯(lián)劑溶液，然后是藻酸鹽和四臂聚（乙二醇）-馬來(lái)酰亞胺的含藥物聚合物溶液，LIFT水凝膠直接在胃中形成。研究表明，LIFT水凝膠在活大鼠和豬的胃中牢固地形成，具有機(jī)械韌性、生物相容性，24h后安全清除能力。LIFT水凝膠以可控的方式提供與未包封藥物相當(dāng)?shù)目偹幬飫┝?，并保護(hù)包封的治療酶和細(xì)菌免受胃酸介導(dǎo)的失活?？傊?，LIFT水凝膠可以擴(kuò)大吞咽困難患者獲得先進(jìn)治療的途徑。
相關(guān)研究工作以“Drinkable in situ-forming tough hydrogels for gastrointestinal therapeutics”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》上。
3、研究?jī)?nèi)容
1、LIFT水凝膠的設(shè)計(jì)與表征
由于停留時(shí)間相對(duì)較短（<30min）和胃液的復(fù)雜性，研究者開發(fā)了能夠快速而有力地交聯(lián)兩個(gè)互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)化學(xué)物質(zhì)。最終確定方案：（1）攝入包含CaCl2和DMSA或PEG-二硫醇的交聯(lián)劑溶液；（2）然后，攝入包含藻酸鹽和四臂PEG-馬來(lái)酰亞胺的聚合物溶液；（3）在胃中混合，聚合物溶液經(jīng)歷聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)和凝膠化；（4）形成LIFT水凝膠（圖1a、b）。
圖1. LIFT水凝膠概述
通過(guò)壓縮測(cè)試對(duì)所得水凝膠進(jìn)行了機(jī)械表征。與藻酸鹽水凝膠相比，LIFT水凝膠承受的負(fù)載明顯更大（圖2a，b）。在90%應(yīng)變后，LIFT水凝膠大部分保持球形，而藻酸鹽水凝膠保持永久變形（圖2c）。通過(guò)循環(huán)壓縮測(cè)試對(duì)LIFT水凝膠進(jìn)行了進(jìn)一步的機(jī)械表征。LIFT水凝膠可以維持90%應(yīng)變的至少五個(gè)循環(huán)，但藻酸鹽水凝膠在一個(gè)循環(huán)后仍保持永久變形，無(wú)法維持隨后的應(yīng)變。為了測(cè)試LIFT水凝膠在體內(nèi)形成的能力，在水中以各種稀釋度在新鮮豬胃液中形成水凝膠。圖2d顯示，雖然胃液削弱了LIFT水凝膠的機(jī)械性能，但這些水凝膠比在理想條件下形成的藻酸鹽水凝膠在機(jī)械上更堅(jiān)韌?？傊?，這些數(shù)據(jù)表明，LIFT水凝膠即使在胃液中也能快速形成，所得水凝膠具有機(jī)械韌性，DMSA和PEG-二硫醇交聯(lián)劑都能交聯(lián)共價(jià)PEG網(wǎng)絡(luò)，且水凝膠組分具有生物相容性。
圖2. LIFT水凝膠的體外表征
2、LIFT水凝膠在大型動(dòng)物中的表征
在體內(nèi)測(cè)試LIFT水凝膠的形成、動(dòng)力學(xué)和安全性。由于豬的胃腸道大小與人類相似，選擇豬模型。通過(guò)內(nèi)窺鏡，將交聯(lián)劑和聚合物溶液注入豬胃中，并觀察到5-8h后水凝膠結(jié)構(gòu)。無(wú)論給藥順序如何，水凝膠都會(huì)在胃里形成。先交聯(lián)劑，后聚合物溶液，胃內(nèi)可重復(fù)形成面條狀水凝膠；順序相反，則產(chǎn)生了更大但不太連續(xù)的塊狀水凝膠（圖3a）。因此，選擇先給藥交聯(lián)劑，再給藥聚合物溶液，在體內(nèi)形成LIFT水凝膠。然后通過(guò)X射線成像研究LIFT水凝膠的體內(nèi)傳輸時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，LIFT水凝膠給藥后在胃內(nèi)停留24h（圖3b）；相比之下，禁食和進(jìn)食狀態(tài)下0.4-1.4h從豬胃中排空液體。給藥后48h，未觀察到肝或腎功能變化。這些數(shù)據(jù)支持LIFT水凝膠及其成分被安全清除，不會(huì)造成阻塞，也不會(huì)造成毒性。在胃腔中形成后，通過(guò)循環(huán)壓縮測(cè)試表征LIFT水凝膠的機(jī)械性能。圖3c-e 顯示，LIFT水凝膠更堅(jiān)韌，能夠維持至少五個(gè)90%的循環(huán)菌株，而藻酸鹽水凝膠在一個(gè)循環(huán)后保持平坦。這些強(qiáng)調(diào)了LIFT水凝膠在人體胃腸道口服給藥后在胃中牢固形成的能力。
圖3. LIFT水凝膠的體內(nèi)表征
3、LIFT水凝膠調(diào)節(jié)小分子釋放
在確定LIFT水凝膠可以在體內(nèi)形成后，又評(píng)估了它們封裝和調(diào)節(jié)小分子釋放的能力。選擇流明三烯作為模型小分子藥物，將形成藥物懸浮液，后被封裝在水凝膠內(nèi)。游離流明三烯的血漿濃度峰值在給藥后5-7h，水凝膠（藻酸鹽和LIFT）制劑的血漿藥物濃度峰值為~24h（圖4a）。游離藥物、藻酸鹽和LIFT水凝膠的釋放藥物的曲線下面積（AUC）分別為14873.5±2719.2, 7568.4±3780.6和10337.5±3849.7ng?h-1?ml-1，并且沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（圖4b）。雖然藥物AUCs沒有差異，但最大藥物濃度（Cmax）明顯更高，游離藥物（901.2±197.1ng?h-1?ml-1）、藻酸鹽（283.8±147.3ng?h-1?ml-1）、LIFT水凝膠（338.7±122.6ng?h-1?ml-1）（圖4c）。這些數(shù)據(jù)證明LIFT水凝膠在較低血漿濃度下提供與游離藥物相當(dāng)?shù)目倓┝克幬锏哪芰?，可以降低藥物毒性?/span>
圖4. 各種口服流明三烯制劑的藥代動(dòng)力學(xué)
4、LIFT水凝膠保護(hù)治療酶活性
接下來(lái)，評(píng)估了LIFT水凝膠口服遞送酶的能力，選擇β-半乳糖苷酶（乳糖酶）。與磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）相比，在SGF中孵育時(shí)乳糖酶活性顯著降低（圖5a）；然后將乳糖酶與CaCO3一起包封在藻酸鹽或LIFT水凝膠中作為賦形劑以中和酸性胃液。當(dāng)用SGF攻擊時(shí)，含有CaCO3的水凝膠保持了乳糖酶活性（圖5b），強(qiáng)調(diào)了LIFT水凝膠與酶的兼容性。除了酸性胃液外，胃腸道中還富含可以降解酶的蛋白酶。與游離乳糖酶或藻酸鹽水凝膠中包埋乳糖酶相比，LIFT水凝膠表現(xiàn)出最大的乳糖酶活性保護(hù)作用（圖5c）。因此，除了共包封CaCO3外， LIFT水凝膠可能對(duì)蛋白酶表現(xiàn)出額外的屏障。
然后測(cè)試LIFT水凝膠在體內(nèi)保護(hù)乳糖酶活性的能力。與在豬中進(jìn)行的研究類似，首先給大鼠灌胃服用交聯(lián)劑溶液，然后立即服用含有乳糖酶的聚合物溶液（含或不含CaCO3）；值得注意的是，雖然1h后分離和共包封CaCO3都保護(hù)乳糖酶活性（圖5d），2h后僅共包封CaCO3保護(hù)乳糖酶（圖5e）。在體內(nèi)6h孵育（圖5f），豬模型中也觀察到了共包封CaCO3的LIFT水凝膠的保護(hù)作用研究者在大鼠體內(nèi)和體外進(jìn)一步驗(yàn)證了LIFT與其他酶的更廣泛兼容性。
圖5. LIFT水凝膠共包封CaCO3保護(hù)口服后乳糖酶活性
5、LIFT水凝膠保護(hù)治療細(xì)菌的生存能力
研究者使用發(fā)光ATP定量測(cè)定法以考察細(xì)菌（乳酸桿菌）的生存能力。乳酸桿菌在短時(shí)間暴露于SGF pH=1.77后表現(xiàn)出生存能力下降（圖6a），當(dāng)與CaCO3共封裝在LIFT中時(shí)，這種情況得到了緩解（圖6b）。在豬胃內(nèi)給藥6-7h后，與對(duì)照相比，在LIFT內(nèi)與CaCO3共包封的乳酸桿菌表現(xiàn)出更大的活力（圖6c）。用大腸桿菌Nissle 1917（EcN）進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，但沒有表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。EcN和乳酸桿菌之間的差異可能是由于后者對(duì)與胃酸相關(guān)的pH范圍更敏感。因此，當(dāng)體內(nèi)負(fù)載CaCO3時(shí)，LIFT水凝膠能夠支持細(xì)菌活力并防止酸侵蝕。
圖6. LIFT水凝膠共包封CaCO3保護(hù)細(xì)菌活性
4、結(jié)論與展望
吞咽障礙和吞咽困難是目前口服藥物給藥的主要障礙。這項(xiàng)研究開發(fā)了一種可飲用配方，稱為L(zhǎng)IFT水凝膠，能夠在胃中混合后從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w。LIFT水凝膠具有增強(qiáng)胃滯留、對(duì)胃腸道蛋白酶的保護(hù)、機(jī)械韌性、控制藥物釋放的能力，以及敏感療法與賦形劑的共包封等優(yōu)勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)LIFT水凝膠，使用了FDA批準(zhǔn)的或GRAS材料，采用藻酸鹽和四臂PEG-馬來(lái)酰亞胺作水凝膠網(wǎng)絡(luò)，以及CaCl2和二甲基亞砜或PEG-二硫醇作交聯(lián)劑。聚合物溶液保持為液體，直到與胃內(nèi)的交聯(lián)劑接觸，觸發(fā)從液體到堅(jiān)韌水凝膠的轉(zhuǎn)變。
研究者證明，在離體豬胃液以及豬和大鼠胃中，容易發(fā)生兩種聚合物網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)，這強(qiáng)調(diào)了交聯(lián)化學(xué)的穩(wěn)健性。雖然馬來(lái)酰亞胺硫醇反應(yīng)很快，但藻酸鹽的加入增強(qiáng)了LIFT水凝膠的機(jī)械性能。此外，它在鈣中的直接交聯(lián)起到了“支架”的作用，有助于較慢形成硫醚鍵的保持和交聯(lián)。研究者表明，LIFT水凝膠通過(guò)延遲和降低最大藥物血漿濃度來(lái)改變藥代動(dòng)力學(xué)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)與游離藥物相當(dāng)?shù)乃幬顰UC。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楦咚幬餄舛葧?huì)導(dǎo)致不良副作用并影響治療耐受性，并且適用于療效由AUC而非血液濃度決定的藥物（如四環(huán)素類藥物）。
通過(guò)克服"瓶中造船"問(wèn)題，LIFT水凝膠可以擴(kuò)大吞咽固體困難患者獲得先進(jìn)療法的途徑，并彌補(bǔ)固體和液體藥物制劑的優(yōu)勢(shì)。研究者設(shè)想，LIFT水凝膠及其柔性化學(xué)物質(zhì)可能是一種有用的策略，在胃藥物調(diào)節(jié)和遞送、減肥和膠囊生物制品的保護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用。
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