结冷胶在医药领域的应用

王海燕，朱希强，郭学平

(1.山东大学 药学院，山东 济南 250012;2.山东省生物药物研究院，山东 济南 250101)

结冷胶在医药领域的应用

王海燕1，2，朱希强2，郭学平1，2

(1.山东大学 药学院，山东 济南 250012;2.山东省生物药物研究院，山东 济南 250101)

结冷胶作为一种安全无毒的食品添加剂，由于其自身的优良特性，使之在医药领域的研究与应用不断扩大，近年来突出表现在药剂学和组织工程方面。本文重点综述了结冷胶在这两方面的研究与应用。

结冷胶;药剂学;组织工程

结冷胶(gellan gum)是一种由革兰阴性好氧杆菌——少动鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)产生的阴离子型线型胞外多糖［1］。结冷胶最早由美国Kelco公司从水百合中分离所得，1988年在日本被批准用于食品，1992年被美国FDA批准为食品添加剂，我国于1996年批准结冷胶为食品增稠剂、稳定剂［2］。

结冷胶具有高度的分散性和广泛的复配性，形成的溶液透明度高，有显著的温度滞后性和熔点可调性;结冷胶形成的凝胶能够耐酸、耐高温，还能抵抗微生物及酶的作用［3］。结冷胶集增稠、悬浮、乳化等功能于一体，在食品中主要用于糖果、果酱和果冻、人造食品、水基凝胶、饮料乳品、宠物食品等［4］。近年来随着研究的深入，结冷胶在食品以外领域的应用不断扩大。本文对其在医药领域的研究与应用进行综述。

1 结构与胶凝机制

1.1 结构

结冷胶的相对分子质量高达(2～3)×105，分子主链由重复的四糖单元组成，参与形成四糖单元的单糖依次为β(1→3)－D－葡萄糖、β(1→4)－D－葡萄糖醛酸、β(1→4)－D－葡萄糖、α(1→4)－L－鼠李糖。天然结冷胶每个重复单元中的β(1→3)－D－葡萄糖2位都连有1个O－甘油酰基，6位每隔1个单位连有1个O－乙酰基，又称为高酰基结冷胶。高酰基结冷胶经碱热处理，可以使分子上的酰基部分或全部脱除成为低酰基结冷胶［5］。高酰基结冷胶中的酰基在分子聚集成胶时会产生阻碍作用，形成柔软有弹性的凝胶，低酰基结冷胶则形成结实脆性高的凝胶［6］。此外，高酰基结冷胶含有的酰基在酸性条件下容易水解不稳定，因此工业中更常用低酰基结冷胶。

美国Kelco公司是全球最大的结冷胶生产商，它有3种酰基含量不同(不含酰基、低酰基、高酰基)的产品，对应的商品名为:Gelrite ® 、Kelcogel® F、Kelcogel® LT100。Gelrite® 可用于嗜热细菌的培养和植物组织培养;Kelcogel®是用量最多的食品级结冷胶，广泛用于食品和个人洗护用品。Kelcogel®LT100用量相对较少，主要用于饮料生产。市场上的还有Sigma公司推出的商品名为Phytagel®的结冷胶，主要用于微生物污染的检测和植物组织培养。

1.2 胶凝机制

将结冷胶粉末均匀分散在冷水中，通过加热煮沸或80℃水浴0.5 h，都可形成均一透明的溶液。结冷胶溶液在高温时，分子呈分散的无规则线团状，随着温度的降低，相邻的分子会相互缠绕形成双螺旋二聚体，继续降低温度，溶液中无规则分散的双螺旋长链间会以反向平行的方式聚集成分子束，未形成分子束的双螺旋长链，会与分子束交叉连接形成三维网状结构，从而产生胶凝作用［7］。

在实际应用中，要制备结构稳固的结冷胶凝胶，需要在冷却过程中加入少量阳离子。因为结冷胶羧基侧链间存在静电排斥作用，能阻碍双螺旋的聚集，导致低浓度的结冷胶溶液在冷却过程中，因聚集体数量不足而不能成胶，阳离子的引入则能够屏蔽静电排斥作用［8］。结冷胶对二价阳离子尤为敏感，达到相同凝胶强度所需的一价阳离子浓度大约是二价离子的25倍［9］。因为一价阳离子主要通过屏蔽羧基间的静电排斥作用促进结冷胶成胶，二价离子除了静电屏蔽外还能直接与两个羧基形成化学键，从而强烈地促进分子聚集成胶［10］。结冷胶的阳离子敏感特性是它在医药领域应用的基础。

2 在药剂学中的应用

结冷胶安全无毒的特性是它在药剂中应用的前提，阳离子敏感特性使它可用于制备原位凝胶，还可用作缓控释制剂的载体、胶囊的囊材、片剂的黏合剂等。

2.1 眼用制剂

Gelrite®作为药用辅料被广泛用于眼用制剂，最具代表性的是Merck公司上市的用于治疗青光眼的噻吗洛尔长效眼用制剂Blocarden® Depot(Timoptic XE®)。它以低黏度溶液状对眼角膜给药，溶液中的结冷胶遇到泪液中的阳离子可迅速形成原位凝胶。研究表明该制剂较普通的噻吗洛尔滴眼液在兔眼部的生物利用度增加3～4倍，在人体的给药频率可从每天2次减少为每两天1次［11－12］。

Carlfors等［13］对结冷胶在眼中形成的原位凝胶进行流变学研究，认为溶液在眼中形成凝胶的弹性模量取决于结冷胶的浓度，凝胶可在角膜上滞留达20 h，其滞留时间与结冷胶浓度(0.4% ～1.0%)无关。Paulsson 等［14］指出泪液中含量最多的Na+是引发结冷胶成胶的主要离子，0.5% ～1%的结冷胶溶液形成凝胶所需的离子量为泪液中离子量的10%～25%，结冷胶浓度稀释为0.1%仍可在眼中形成凝胶。

以结冷胶为辅料制备的离子敏感型眼用制剂，不仅增加了滴眼液在眼内的滞留时间提高了生物利用度，而且形成的凝胶使药物很难流到鼻泪管中，减少了药物流入鼻腔所致的不良反应。

2.2 鼻用制剂

人的鼻黏膜内充满组织液(约0.1 mL)，可以与滴注到鼻腔内的结冷胶溶液充分接触形成原位凝胶，延长药物与鼻腔内吸收部位的接触时间，使药物缓慢持续的释放，尤其适用于需长期给药的药物［15］。

Jansson等［16］以荧光素标记的葡聚糖为示踪剂，考察了大鼠鼻黏膜上皮细胞对以结冷胶为载体的鼻用制剂的吸收分布情况。研究表明，结冷胶溶液与大鼠鼻黏膜接触后立即形成原位凝胶，可在鼻腔内存留4 h以上。与甘露醇溶液相比，结冷胶能更好地促进鼻黏膜上皮细胞对葡聚糖的吸收转运，且未观察到不良反应。

Cao等［17］以结冷胶作为辅料制成糠酸莫米松鼻用制剂，通过鼻内滴注给药观察对大鼠过敏性鼻炎的疗效。研究表明，该制剂在(40±2)℃下放置6个月性质稳定不变，每只大鼠按20μg/d的剂量连续鼻内给药1个月对鼻黏膜无任何刺激，与同剂量的糠酸莫米松普通液体制剂相比疗效显著提高。

以结冷胶为载体的鼻用制剂不仅克服了溶液剂在鼻黏膜表面滞留时间短，生物利用度较低的缺陷，而且克服了一些鼻用生物黏附剂黏度过高使用不便、给药量不准的缺点。

2.3 口服制剂

结冷胶作为药物包埋材料，水化后形成的凝胶屏障对药物起到缓释作用。Alhaique等［18］最早将结冷胶作为软胶囊的囊材用于药物缓释研究，对不同环境下药物含量不同的胶囊进行溶出度测定，表明药物与淀粉的质量比越低药物溶出度越高，说明胶囊对溶剂的吸收度可能是影响药物缓释机制的主要因素。Agnihotri等［19］采用离子凝胶法制备头孢菌素IV的结冷胶球形粒子，通过对制剂的各种参数进行考察表明，该球形粒子的平均直径在925～1 183μm，药物包埋率达69.24%，在 0.1 mol/L HCl溶液或 pH 7.4 磷酸盐缓冲液中，药物释放速率没明显区别，释药时间都达6 h，药物扩散过程稍微偏离Fickian扩散模型。研究还指出Ca2+和Zn2+联用可使结冷胶凝胶的孔径更均一，缓释效果更明显。

Miyazaki等［20］将茶碱溶于1%的含有少量枸橼酸钠络合物的结冷胶溶液，添加Ca2+制得茶碱口服缓释制剂。研究表明该制剂在胃部酸性环境中能释放出游离Ca2+，使结冷胶很快形成原位凝胶而产生缓释作用，与市售的相同浓度的茶碱缓释制剂相比，在大鼠体内的生物利用度增加了4～5倍，在兔体内的生物利用度增加了3倍，但平均滞留时间无显著改变。

Emeje等［21］将结冷胶作为甲硝唑片剂的辅料，研究表明该片剂在模拟胃液中和模拟肠液中的溶胀都是一级动力学，与溶出介质的酸碱度无关，但溶出的速率与范围依赖于介质的酸碱度，片剂在模拟肠液中比在模拟胃液中溶胀快，溶出速率高。结冷胶制成的片剂属于亲水型凝胶缓释片，是一种水溶蚀性释药骨架，水溶性和难溶性药物都可通过结冷胶凝胶层起到缓释效果。

3 在组织工程方面的应用

结冷胶作为一种生物材料用于医学组织工程，主要是作为细胞移植的载体。若将细胞直接移植到组织面，并不能立即聚集成立体组织结构，需要体外载体来维持细胞的生存促进组织再生。结冷胶水凝胶含水丰富，有利于营养物质传递和细胞信号传导，在组织工程中现已成熟应用的多糖水凝胶有琼脂糖、透明质酸、壳聚糖等［22］。用作细胞移植载体的结冷胶，有商用的未经过修饰的，也有经氧化降解或化学交联进行修饰的。

3.1 未经修饰的结冷胶

Smith等［23］最早提出将结冷胶用作组织工程材料，他们将大鼠骨髓细胞固定在αMEM培养基与1%Gelrite®形成的水凝胶中，体外培养21 d细胞存活且无细胞毒性，认为结冷胶有作为组织工程支架的潜能。Oliveira等［24－26］将结冷胶作为软骨细胞移植的载体进行了相关体内外实验，将细胞进行包埋后切成薄片植入裸鼠皮下，观察4周，各种指标表明结冷胶能够促进软骨细胞的生长和胞外基质分泌，说明结冷胶是软骨细胞移植的优良载体。Oliveira等［27］还以结冷胶作为人自体同源的脂肪干细胞的载体，观察治疗兔关节软骨损伤的可行性。结果表明脂肪干细胞形成的软骨组织良好，可能用于治疗关节软骨损伤，克服目前临床中分离软骨细胞前需要进行组织检查的缺陷。

上述研究表明结冷胶是细胞移植的优良载体，但因结冷胶胶凝点较高，都是在体外成胶后将凝胶薄片植入体内，仍存在植入操作上的不便。

3.2 经过修饰的结冷胶

商品用的未经过修饰的结冷胶在1.5%浓度时胶凝点在42℃以上，若有离子存在胶凝点会更高。所以要保持2%左右的胶浓度并满足注射的要求，就必须降低结冷胶的胶凝点，使它在生理温度37.5℃时能够悬浮哺乳动物细胞，注射到缺陷部位后再通过降温等方式形成凝胶。

3.2.1 氧化降解 有研究表明，将结冷胶进行NaIO4氧化和Smith降解，可以降低相对分子质量，从而降低胶凝点［28］。用降解后的产物来包埋猪关节软骨细胞，经过长达150 d的体外培养，发现降解后的结冷胶比琼脂糖更能促进细胞增殖和胞外基质分泌。Fan等［29］用Phytagel®氧化降解后的产物包埋兔滑膜间充质干细胞，体外培养42 d结果表明，结冷胶与兔滑膜间充质干细胞形成的凝胶经转化生长因子 β1、β3(TGF－β1、TGF－β3)和 成骨蛋白－2(BMP－2)处理后，在体外能够很好的促进软骨组织再生，滑膜间充质干细胞有可能用来治疗软骨损伤。

经过氧化降解的结冷胶，胶凝点大大降低，可以满足常温注射的要求，但降解后的产物凝胶性能是否改变，需要进一步的体内试验来考察。

3.2.2 化学交联 Coutinho等［30］认为不同组织的再生速率不同，对组织材料的力学要求也不同，通过物理方法(加入Ca2+并降温)形成的结冷胶凝胶，在生理条件下Ca2+会被Na+、K+置换，凝胶强度逐渐减弱，需要对结冷胶进行化学交联来增加凝胶强度，形成力学特性和降解速率可调的水凝胶以满足不同组织的要求。以甲基丙烯酸酐为交联剂，改变交联剂用量可产生不同取代度的异丁烯酸结冷胶，形成的水凝胶杨氏模量在0.15～148 kPa间变化。用交联产物包埋人体成纤维细胞，体外培养7 d后观察细胞存活率较高，说明交联后的结冷胶有较好的组织相容性，有在组织工程领域应用的可能。

4 展望

结冷胶卓越的胶凝性能和离子敏感特性，使它近年来在医药领域受到了很大关注，突出表现在药剂学和组织工程方面。Lee等［31］最新报道将结冷胶交联形成薄膜材料用于外科手术中的伤口止血，表明结冷胶止血作用明显并能促进胶原蛋白再生。此外，Silva等［32］将结冷胶用于骨髓支架材料的开发，表明该复合材料具有良好的生物相容性，有望用于临床中骨髓损伤后的修复再生。然而结冷胶相对低的发酵产量及下游产物处理过程费用较大，限制了它的经济适用性。目前有研究通过基因工程的手段提高结冷胶产量，同时对结冷胶的纯化过程进行改进。相信随着结冷胶的产量增加和纯度提高，结冷胶在医药领域将会有更广阔的应用。

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Application of gellan gum in medicine and pharmacy

WANG Hai－yan1，2，ZHU Xi－qiang2，GUO Xue－ping1，2
(1.School of Pharmaceutical Science，Shandong University，Jinan 250012，China;2.Institute of Biopharmaceuticals of Shandong Province，Jinan 250101，China)

TQ460.6

A

1005－1678(2012)02－0192－04

2011－02－22

王海燕，女，硕士研究生，制药工程学专业;郭学平，男，通信作者，研究员，硕士生导师，Tel:0531－82685555，E－mail:guoxp@fredabiopharm.com.cn。