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殼聚糖及其衍生物用于降血糖的最新研究進(jìn)展
發(fā)布時(shí)間：2013-11-22
殼聚糖是甲殼質(zhì)的脫乙酰基產(chǎn)物，分子中含有多個(gè)氨基和羥基等活性基團(tuán)，經(jīng)化學(xué)修飾得到的衍生物具有諸多新的性能。殼聚糖及其衍生物不但本身具有降血糖的生物活性，而且可以作為胰島素基因載體制成治療胰島素依賴型糖尿病的生物藥物，也可用于制備胰島素口服制劑，如殼聚糖胰島素脂質(zhì)體、殼聚糖胰島素納米粒、殼聚糖胰島素微球、微囊等，從而延長(zhǎng)胰島素藥物的作用時(shí)間，達(dá)到緩釋控釋的目的。殼聚糖還可用于胰島素直腸粘膜、鼻腔粘膜、舌下粘膜吸收的促進(jìn)劑，改變胰島素的吸收途徑，有效防止了胰島素在胃腸道的降解。
殼聚糖是從食品加工業(yè)中廢棄的各種甲殼中提取得到的天然高分子多糖。由于其特有的聚陽離子性、良好的成膜性、安全無毒性和多功能性，已在農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、醫(yī)藥、健康食品、醫(yī)用功能材料、環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。這類多糖既可生物合成，又可生物降解，降解過程中產(chǎn)生的低分子寡聚糖在體內(nèi)不積累，與動(dòng)物的器官組織及細(xì)胞有良好的生物相容性，幾乎沒有免疫原性，使其具有較好的生理活性。本文介紹了近年來殼聚糖及其衍生物在治療糖尿病方面的作用，其可作為糖尿病患者的治療藥物或食品添加劑。
1·殼聚糖及其衍生物本身的降血糖性質(zhì)
殼聚糖為葡萄糖胺的聚合物，本身具有較強(qiáng)的降血糖功能。它被吸收后進(jìn)入人體內(nèi)，能激活胰島細(xì)胞，促進(jìn)胰島素分泌，使葡萄糖得到有效利用，從而使血糖下降。殼聚糖可改善脂肪代謝，有效減肥和中止惡性循環(huán)發(fā)展，還可以刺激空腹血糖中樞副交感神經(jīng)，擴(kuò)張末稍血管，改善血流量，使積累的CO2得以排除，酸性體液得以改善，有利于糖尿病的康復(fù)。但由于其相對(duì)分子質(zhì)量較高，很難溶于水，限制了其在降血糖方面的應(yīng)用。而通過化學(xué)修飾、降解、氧化等方法可將殼聚糖制成低聚殼聚糖或其他水溶性殼聚糖，易于人體吸收，且不會(huì)改變其生物活性。低分子殼聚糖又稱甲殼低聚糖或殼寡糖，是由2~20個(gè)2-氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖單體組成的一類低聚糖，平均相對(duì)分子質(zhì)量在2000~10000之間。甲殼低聚糖具有調(diào)節(jié)免疫、抑制腫瘤生長(zhǎng)、降低膽固醇、降血糖等生物活性[1-2]。
魏濤［3]等人對(duì)殼聚糖的降血脂、降血糖及增強(qiáng)免疫作用進(jìn)行了初步研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，由胰島素分泌不足引起的糖尿病，其體液呈酸性，若PH下降0.1，胰島素的敏感度下降30%，糖的利用度會(huì)降低。殼聚糖的降血糖作用在于能將%&調(diào)節(jié)到弱堿性，提高胰島素利用率，有利于糖尿病的防治。殼聚糖在體內(nèi)很容易被腸道菌群分泌的某些酶類水解成單糖或低聚糖，所以它的抗原性很弱或幾乎沒有，因而殼聚糖的免疫作用有可能通過低聚糖而完成。
孫萍[4]等研究了水溶性殼聚糖的降血糖作用，結(jié)果表明，水溶性殼聚糖對(duì)小鼠有顯著降低血糖、增加肝糖原作用，其作用有劑量效應(yīng)，而對(duì)正常小鼠血糖無明顯影響，說明水溶性殼聚糖不會(huì)影響正常的糖代謝。還提出水溶性殼聚糖降低血糖、增加肝糖原的作用可能與調(diào)節(jié)機(jī)體糖代謝、促進(jìn)肝糖原合成、減少肝糖原分解有關(guān)。
2·殼聚糖及其衍生物用于胰島素基因載體
隨著分子生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)的不斷發(fā)展，人們開始從分子水平考慮利用基因工程再造分泌胰島素的克隆細(xì)胞系來替代目前的胰島素注射治療，其主要策略是利用基因重組和轉(zhuǎn)移技術(shù)使非胰島B細(xì)胞獲得胰島素合成和分泌能力，通過內(nèi)生胰島素控制血糖水平。和其它一些多聚陽離子試劑一樣，殼聚糖和DNA的相互作用是通過靜電結(jié)合的，這種結(jié)合相當(dāng)牢固，利用基因重組及轉(zhuǎn)基因技術(shù)治療糖尿病已成為糖尿病治療最有前景的方案。基因治療是在體外利用基因重組技術(shù)將編碼胰島素的基因克隆至某一種載體上（如質(zhì)粒或病毒），然后將重組載體轉(zhuǎn)染到來自糖尿病個(gè)體的非胰島/細(xì)胞內(nèi)，使重組載體整合到宿主細(xì)胞的染色體基因組并得到表達(dá)，分泌胰島素，以控制血糖水平[5]這方面的研究中，學(xué)者們大多采用殼聚糖轉(zhuǎn)染法[6]的人胰島素基因表達(dá)質(zhì)粒轉(zhuǎn)染成纖維細(xì)胞(NIH3T3)素基因表達(dá)后的降血糖作用。
3·殼聚糖及其衍生物用于胰島素口服制劑
胰島素是胰島素依賴型糖尿病人的首選藥物和必用藥物。由于胰島素口服易被胃腸道的低PH和酶破壞，且它的小腸黏膜透過率低，故目前只有注射劑用于臨床。由于胰島素生物半衰期短，病人需頻繁注射用藥，給病人帶來疼痛和不便，而且長(zhǎng)期注射胰島素還會(huì)出現(xiàn)浮腫，超劑量給藥會(huì)引起低血糖休克等不良反應(yīng)，因此研制開發(fā)非注射給藥的緩釋胰島素制劑是近年來國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。殼聚糖及其衍生物作為胰島素口服緩釋載體的研究備受關(guān)注，這是因?yàn)闅ぞ厶鞘翘烊淮嬖诘奈ㄒ粔A性多糖，是一種安全無毒的、可生物降解的天然高分子，不但具有生物相容性，而且具有抗菌、止血、抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移等作用。
3.1胰島素脂質(zhì)體
由于殼聚糖脂質(zhì)體具有保護(hù)藥物免受胃腸道蛋白酶的破壞，并促進(jìn)藥物在胃腸道中主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的作用，其可作為胰島素的載體以促進(jìn)藥物在胃腸道的吸收。因?yàn)闅ぞ厶峭ㄟ^C位上帶正電荷的氨基與緊密結(jié)帶負(fù)電荷位點(diǎn)的相互作用來消除緊密結(jié)的制約［7］，而讓親水性大分子通過細(xì)胞旁路轉(zhuǎn)運(yùn)［8］。殼聚糖作為一種弱堿，需一定量的酸才能使殼聚糖的葡糖胺結(jié)構(gòu)單元展開并轉(zhuǎn)變?yōu)閹д姾傻娜芤籂顟B(tài)。在中性PH下，殼聚糖分子將失去電荷并從溶液中沉淀出來，因而殼聚糖作為吸收促進(jìn)劑的潛在用途在大腸、結(jié)腸和直腸等堿性環(huán)境中受到限制［9］。而N-三甲基殼聚糖鹽酸鹽的堿性較強(qiáng)，在中性PH下能有效地降低跨上皮細(xì)胞電阻，打開腸上皮細(xì)胞間緊密結(jié)，通過細(xì)胞旁路增加親水性大分子的轉(zhuǎn)運(yùn)［10-12］。
AgarwalV[13]提出影響蛋白質(zhì)藥物口服生物利用度的兩個(gè)主要因素為酶的降解和跨上皮細(xì)胞透過性。殼聚糖及其衍生物包覆胰島素脂質(zhì)體可抑制腸道酶對(duì)胰島素的降解，延長(zhǎng)在腸道的滯留時(shí)間，打開腸道上皮細(xì)胞緊密結(jié)，從而可增加胰島素經(jīng)細(xì)胞旁路或M細(xì)胞途徑的吸收，有利于提高口服胰島素的生物利用度。吳正紅［14］利用分離腸豁膜法和Caco-2細(xì)胞模型考察了殼聚糖及其衍生物包覆脂質(zhì)體對(duì)胰島素的吸收促進(jìn)作用。殼聚糖及其衍生物包覆脂質(zhì)體時(shí)，由于細(xì)胞間緊密結(jié)被打開，更有利于促進(jìn)胰島素經(jīng)細(xì)胞旁路跨腸私膜轉(zhuǎn)運(yùn)，以殼聚糖和殼聚糖EDTA軛合物雙層包覆胰島素脂質(zhì)體的促吸收效果最好，并且在降低和增加細(xì)胞旁路的通透性具有可逆性。吳正紅［15］又利用在體腸灌流法對(duì)殼聚糖及其衍生物包覆胰島素脂質(zhì)體在大鼠不同腸段的吸收情況進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)表明殼聚糖-EDTA軛合物不僅有較好的酶抑制作用，而且還具有較好的吸收促進(jìn)作用；同其他胰島素脂質(zhì)體相比，用殼聚糖和殼聚糖-EDTA軛合物雙層包覆的胰島素脂質(zhì)體既能促進(jìn)胰島素吸收，又能防止胰島素降解，具有較好的降血糖效果。
3.2胰島素納米粒
納米粒作為藥物載體的一種，體積小巧，能夠在體內(nèi)通過毛細(xì)血管，與生物膜的粘著性提高，因此有利于增加藥物與腸壁的接觸面積，延長(zhǎng)接觸時(shí)間，從而有利于吸收，提高口服藥物的生物利用度。如果使用納米粒作為蛋白多肽類藥物的載體口服給藥，藥物可以包裹在顆粒內(nèi)部以整體形式吸收，從而減少了消化道強(qiáng)酸、堿以及消化酶的降解破壞。由于殼聚糖是多糖類甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物，具備了生物大分子給藥載體的一些基本條件，而它所具有的生物可降解性、生物相容性、低毒性以及打開上皮細(xì)胞間緊密連接，促進(jìn)大分子藥物通過組織上皮的轉(zhuǎn)運(yùn)作用，使之成為自然界中不可多得的天然高分子載體材料。
王鑫［16］使用殼聚糖"乙酰半胱氨酸偶合物為載體材料，三聚磷酸鈉為離子交聯(lián)劑，胰島素為模型藥物，采用離子交聯(lián)的方法制得巰基化殼聚糖載胰島素納米粒子，并對(duì)其黏附性和溶脹性等進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)對(duì)其體外釋藥性進(jìn)行了研究。載胰島素巰基殼聚糖納米粒子的釋放具有PH響應(yīng)性。在酸性或中堿性下能夠快速地釋放，而在PH=5.4（胰島素等電點(diǎn)附近）時(shí)，胰島素釋放極其緩慢。因此，巰基殼聚糖納米粒子作為給藥載體能夠顯著地改善胰島素的黏膜吸收，有很好的應(yīng)用前景。
目前納米藥物的黏膜吸收研究?jī)H限于少數(shù)納米粒子的體系［17］，研究結(jié)果表明［18］，黏附性聚合物與被吸附組織的緊密接觸可以提高大分子藥物如蛋白質(zhì)類和多肽類藥物的透過性。殼聚糖是一種可降解的生物相容性材料，并能與黏膜蛋白形成氫鍵和靜電作用，具有良好的生物黏附性能［19］，但這種基于非共價(jià)鍵的黏附作用并不能有效地克服體內(nèi)的清除機(jī)制而保證藥物在指定部位的持續(xù)釋放［20］。殼聚糖經(jīng)巰基化后，黏附性能顯著提高。Bernkop-Schnurch［21］等報(bào)道了一種巰基殼聚糖，其黏附性比殼聚糖提高了140多倍。Krauland[22]等報(bào)道一種巰基殼聚糖微球用于胰島素的鼻腔黏膜給藥，藥物的有效吸收是殼聚糖微球的7倍，且對(duì)鼻腔無明顯毒副作用。巰基殼聚糖通過與黏膜形成二硫鍵進(jìn)一步延緩了藥物在黏膜內(nèi)的清除，提高了藥物的黏膜吸收。因此，與殼聚糖納米粒子相比，巰基殼聚糖納米粒子應(yīng)具有更強(qiáng)的黏附性能，具有很好的應(yīng)用前景。然而有關(guān)將巰基殼聚糖納米粒子用于大分子藥物的釋放體系的研究至今尚未見報(bào)道。
3.3胰島素微囊和微球
通過微囊和微球的包封，可以避免或減少胃腸道酶對(duì)胰島素的降解作用，利于藥物的口服吸收。
楊利芳［23］等采用靜電液滴工藝制備載胰島素殼聚糖—海藻酸鈣微球，并研究了載胰島素微球口服降血糖作用，結(jié)果顯示微球平均粒徑48μm，藥物包封94.1%，藥物相對(duì)活性71.7%。降血糖作用緩慢有效，6~10h相對(duì)血糖水平有顯著性差異，藥理相對(duì)生物利用度41.20%。口服小粒徑微球的降血糖作用更顯著，且高劑量載藥微球的降血糖作用較顯著。用于胰島素口服給藥的劑型除了脂質(zhì)體、納米粒、微球和微囊外，還有乳劑、油性制劑、膠囊、片劑、高分子復(fù)合物或嵌合物等，但殼聚糖在這些方面的研究很少。
4·殼聚糖及其衍生物用于胰島素粘膜吸收滲透促進(jìn)劑
胰島素通過粘膜給藥可以避免胃腸道的酸堿環(huán)境和酶的降解、避免肝臟的首過效應(yīng)。殼聚糖能夠促進(jìn)胰島素的粘膜吸收，其有兩種促進(jìn)機(jī)制：其一為殼聚糖具有粘附性，能夠延長(zhǎng)藥物與粘膜的接觸時(shí)間和作用時(shí)間；其二為殼聚糖帶正電的氨基（—NH3+）和帶負(fù)電的粘膜相互作用，使細(xì)胞的ZO-I蛋白減少，F(xiàn)-肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而可以暫時(shí)打開細(xì)胞間的緊密連接，促進(jìn)胰島素穿過粘膜上皮。
4.1直腸粘膜吸收促進(jìn)劑
液體栓劑屬于原位凝膠，在常溫下為液體，有一定的膠凝溫度，能在體溫作用下在用藥部位形成凝膠，有適宜的膠凝強(qiáng)度，給藥后不易從肛門漏出，有合適的生物吸附力，不會(huì)移動(dòng)到達(dá)直腸深部，可避免藥物首過效應(yīng)。張洪［24］、何文［25］都研究了不同季銨化度及不同濃度的N-三甲基殼聚糖對(duì)胰島素液體栓劑體外性質(zhì)的影響。結(jié)果表明不同季銨化程度及其不同濃度對(duì)液體栓劑的體外性質(zhì)有著顯著的影響，隨著N-三甲基殼聚糖季銨化度和濃度的增加，對(duì)胰島素的促進(jìn)作用增強(qiáng)，所以可以通過使用不同季銨化程度的N-三甲基殼聚糖和改變其濃度來改善胰島素液體栓的體外性質(zhì)，可能會(huì)更有效地促進(jìn)胰島素的直腸吸收。
4.2舌下粘膜吸收促進(jìn)劑
胰島素的相對(duì)分子質(zhì)量約為5800，在不加其他任何輔料的情況下，胰島素很難通過粘膜吸收。近年來的研究表明，殼聚糖可以促進(jìn)多肽及蛋白類藥物的吸收［26-28］，其廣泛應(yīng)用日益受到人們的重視。
4.3鼻腔粘膜吸收促進(jìn)劑
于少云［29］等利用Caco-2細(xì)胞單層模型研究殼聚糖與羥丙-β-環(huán)糊精合用催進(jìn)胰島素鼻腔粘膜吸收，結(jié)果表明羥丙-β-環(huán)糊精可以增強(qiáng)殼聚糖促吸收作用，作者認(rèn)為原因是當(dāng)殼聚糖與Caco-2細(xì)胞接觸時(shí)，可以打開細(xì)胞間的緊密連接，羥丙-β-環(huán)糊精插入細(xì)胞間隙中，使細(xì)胞膜表面的磷脂析出，細(xì)胞膜上的緊密連接蛋白被裸露出來甚至?xí)罎ⅲ瑢?dǎo)致閉合的連接被打開，從而使細(xì)胞間的緊密連接進(jìn)一步被打開，這樣藥物更容易穿過上皮細(xì)胞進(jìn)入體內(nèi)。此外，羥丙-β-環(huán)糊精還可以使胰島素寡聚體解聚為二聚體和單聚體，同時(shí)羥丙-β-環(huán)糊精還能夠抑制蛋白水解酶的活性。所以說羥丙-β-環(huán)糊精和殼聚糖合用有協(xié)同作用。
5·前景與展望殼聚糖及其衍生物具有抗氧化、降血糖、抑制脂類吸收等生物活性，且安全性高，無不良作用，因此在防治糖尿病及其并發(fā)癥方面顯示了廣闊的應(yīng)用前景。由于殼聚糖及其衍生物是生物中惟一的動(dòng)物性膳食纖維，在糖尿病的飲食治療上更具有特殊的意義。值得注意的是，它們的結(jié)構(gòu)中除了含有羥基外，還有活潑的氨基，易于化學(xué)改性，引入多功能基團(tuán)及金屬離子，這更加拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。隨著殼聚糖及其衍生物在防治糖尿病方面研究的不斷深人，它作為糖尿病患者的治療藥物、保健品或食品添加劑，必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。
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