天然多糖在黏膜给药中应用研究进展

梁腾辉，王 萌

（天津中医药大学组分中药国家重点实验室，天津中医药大学中医药研究院，天津 301617）

经黏膜给药是指药物与生物黏膜表面紧密接触并通过或穿过黏膜进入特定组织的给药途径，包括口腔黏膜途径、鼻腔途径、阴道途径、直肠途径、眼途径等［1］。经黏膜给药具有可避免首过效应、血药浓度平稳、作用时间长、应用方便等透皮给药的特点，在局部给药和全身给药中有着明显的优势。除此之外，由于黏膜不存在类似皮肤组织角质化对经皮吸收制剂效率的阻碍，其还具有剂量小、作用时间快等特点［2］。然而，经黏膜给药途径也通常因其吸收面积有限，特殊的生理环境限制，导致药物在吸收部位的滞留时间较短（如受唾液灌洗，鼻纤毛清除等因素影响），影响其生物利用度。因此，需要提高制剂系统的粘附性，以增加药物滞留时间，提高药物进入体内循环系统的速度和程度，从而发挥局部或全身作用［3］。多糖及其衍生物具有良好的凝胶化属性，在黏膜生理环境下能形成原位凝胶体系，是理想的黏膜粘附材料。天然多糖和其他聚合物（如泊洛沙姆、卡波姆等） 经复合使用还能获得比单一材料更好的力学性能（如调节其稠度，提高黏度等），这使天然多糖在黏膜给药中有着极其广阔的应用前景［4］。

1 多糖黏膜粘附机制

黏膜是覆盖在胃肠道和呼吸道等各种体腔壁上的湿润表面，由结缔组织亚层（固有层） 和外层上皮组成，内有血管和神经，其表面通常被一层黏液层所覆盖。上皮可以是单层的（例如胃、小肠、大肠、支气管），也可以是多层、复层的（例如食道、阴道、角膜）。前者含有直接向上皮表面分泌黏液的杯状细胞，后者含有或毗邻含有特殊腺体的组织，如将黏液分泌到上皮表面的唾液腺。黏液以凝胶层的形式附着在黏膜表面，或以管腔、可溶性、悬浮物的形式存在。所有黏液的主要成分是粘蛋白糖蛋白、脂质、无机盐和水，后者占其总量的95%以上，使其成为高度水合的体系［5］。粘蛋白糖蛋白是黏液中最重要的结构组成成分，决定了其特有的凝胶性、粘附性。这些糖蛋白由于末端唾液酸（pKa 为2.6） 和硫酸盐基团的存在而带负电荷［6］。阳离子多糖或阳离子改性多糖（如壳聚糖，瓜尔胶等） 能与之产生静电吸附作用，其被认为是多糖与黏膜表面相互作用产生粘附作用的原因之一。除了产生静电作用外，多糖与黏膜粘附的原因还可能是两者之间形成了氢键或者共价键。氢键作用是大多数多糖分子与黏膜粘附的主要原因之一［7］。多糖分子上有大量的羟基，以及羧基和氨基，可与黏膜表面粘蛋白糖蛋白形成氢键。一些含硫多糖（如硫酸粘多糖） 和硫化多糖（如巯基化壳聚糖） 可与粘蛋白上的半胱氨酸残基形成二硫键，这种稳固的共价键极大增强了粘附作用［8］。此外，多糖的分子量、交联密度、浓度、溶胀程度等因素也会对体系粘附强度产生影响。当多糖聚合物的分子量超过100 000 Da 时体系粘附强度明显加强［9］。聚合物浓度越高，链长越长，附着力越好，而聚合物浓度过低时，单位体积黏液中穿透的高分子链数量较少，聚合物与黏液之间的相互作用不稳定［10］。当聚合物溶胀时，通过暴露用于聚合物与黏液网络之间的氢键以及静电相互作用的生物粘附点来实现机械缠绕，从而增加两者之间的粘附力。一般来说，溶胀度与聚合物的交联度成反比，随着交联密度的增加，水扩散到到聚合物网络的速度会越来越低，这反过来又导致聚合物溶胀不足，聚合物与粘蛋白之间的穿透性降低，附着力也会降低［11］。多糖在黏膜表面粘附的机制较为复杂，往往是多种因素综合作用的结果，因此，对其粘附机制探讨需结合多糖种类、生理环境和具体剂型。

2 常见多糖及其在黏膜给药系统中的应用

2.1 天然多糖 天然多糖是一种绿色资源，在自然界中资源丰富，广泛存在于动物细胞膜、植物和微生物的细胞壁中［12］。一些多糖及其衍生物除了具备较好的黏膜粘附性，还具备诸如pH 敏感性，离子敏感性，良好的成胶性等优点，是理想的黏膜给药载体材料［13］。天然多糖是以相同的或不同的单糖通过α-或β-糖苷键连接的醛糖或酮糖聚合物，通常是含有大量氢键形成基团的亲水性大分子。不同多糖之间结构组成不同，其粘附能力和成胶性质也有较大差异［14］。如结冷胶在高剪切速率下表现出假塑性行为，在酸性环境中不降解，耐酶促作用。结冷胶溶液具有优异的离子敏感性，在含二价阳离子的泪液中形成凝胶。在溶液中，结冷胶分子呈双螺旋结构，但二价阳离子存在时，双螺旋结构聚集，形成了三维水凝胶网络结构。天然结冷胶位于螺旋外围的乙酰基和甘油基阻碍了聚合物链的缔合，而结冷胶脱去乙酰基后，阳离子很容易在聚合物链之间形成桥梁，这一过程导致了支化网络的产生，进一步加强了凝胶结构［15］。结冷胶这些性质使其在药物传递尤其是眼科黏膜制剂中有着广泛应用［16］。海藻酸钠同样是一种离子敏感聚合物，是由连续的葡萄糖醛酸（G） 和甘露糖醛酸（M） 残基交替组成，与多价阳离子相互作用，海藻酸盐会立即凝胶化［17］。壳聚糖则是一种pH 敏感材料，pH 环境由微酸性变为中性时，就会形成凝胶。壳聚糖随pH 升高而去离子化，并通过氢键的物理连接形成三维网络结构，如其在pH 为7.4 （眼睛表面） 时可转化为原位凝胶［18］。据报道，壳聚糖还具有良好的促渗透性，可通过促进细胞旁路吸收和增加抗原进入以改善抗原与上皮内和黏膜下淋巴细胞的接触，从而改善免疫系统的刺激作用［19］。常见的天然多糖［20］及其结构特点见表1，化合物结构见图1。

图1 常见天然多糖结构

表1 常见天然多糖

2.2 天然多糖在黏膜给药中的应用 在制备黏膜给药载体时，除了有目的性的使载体系统具备良好的粘附性以获得较长的滞留时间外，还应多考虑多糖等聚合物材料本身的特性对药物释放的影响，选择合适的材料和处方，使给药系统解决实际问题的同时兼具良好的治疗效果。以下是天然多糖及其衍生物在各黏膜给药中的应用。

2.2.1 口腔黏膜 口腔黏膜给药系统是指药物经口腔黏膜吸收直接进入体循环，避免胃肠道的酶代谢及酸降解和肝脏的首过作用，提高药物的生物利用度发挥局部或全身治疗和预防的一类制剂，是近年来发展的一种新型给药系统［3］。口腔黏膜给药一般可分为舌下黏膜给药和口腔颊膜给药，其给药部位分别是舌下以及牙龈和面颊之间。在口腔黏膜中，颊黏膜与舌下黏膜没有角化层，缺乏角化层的上皮具有一定的通透性，所以颊黏膜与舌下黏膜具备作为全身给药途径的条件。黏膜粘附给药系统可延长药物在黏膜上的停留时间，并减少唾液，舌头的运动和吞咽的影响，增加药物透膜吸收，从而增加药物生物利用度。这些粘附性给药系统通常可用刺激性较低的天然聚合物制备粘附性给药系统，其中常用于口腔黏膜给药的粘附性多糖聚合物包括海藻酸钠、壳聚糖及其衍生物、果胶、刺槐豆胶等［21］。

2.2.1.1 舌下黏膜给药 常用的舌下黏膜给药剂型主要包括舌下含片，舌下药膜等剂型。有研究认为基于粘附性壳聚糖的电纺纳米纤维有望克服舌下给药带来的挑战，但目前对纳米纤维用于舌下给药的粘附性评价的研究还很有限［22］。研究表明当壳聚糖脱乙酰化到达96%时，纤维可获得较佳的溶胀性，此时壳聚糖纳米纤维与粘蛋白的相互作用达到最强［23］。Shiledar 等［24］使用3 种不同的聚合物制备了一种新的佐米曲坦双层口腔粘合贴片，其中黄原胶作为粘附剂来提高粘附性，羟丙甲基纤维素与聚乙烯醇作为成膜剂来提高贴膜的拉伸强度。体外释药研究表明，优化后的处方在15 min 内快速释放43.15%，并可在随后在5 h 内保持持续释放。Bayrak 等［25］以羟丙甲基纤维素、壳聚糖、羧甲基纤维素钠等不同粘附性聚合物为原料，采用直接压片法制备佐米曲坦舌下片，旨在减少唾液冲刷，为药物吸收提供充足的时间。研究表明，当聚合物浓度为0.5% ～5%时，能获得最佳的崩解效果及体外溶出度，聚合物含量过大（＞10%） 时会阻碍片剂的崩解和溶出，这可能是因为在较高的聚合物比例下，聚合物形成的黏性凝胶层可能会形成厚厚的屏障，阻止崩解介质的进一步渗透，并阻碍片剂内容物的崩解或泄漏，继而影响治疗效果。

2.2.1.2 口腔颊膜给药 口腔颊黏膜给药相比舌下黏膜给药，其制剂的有效渗透能力较差，通常被认为其药物生物利用度也不如舌下黏膜给药［26］。但近年来因其有较大的给药面积而受到研究者的重视，特别是随着粘附型给药系统的出现，延长了药物的滞留时间，增强药物透膜吸收，提高了药物的生物利用度。有研究表明，在苯甲酸利扎曲坦口腔粘附膜的处方研制中，将多糖罗望子胶作为粘附剂与卡波姆934P 相结合，获得了粘附性良好的膜剂。随后Avachat 等［27］用扩散池对苯甲酸利扎曲坦粘附膜的体外透皮性能进行了研究，结果表明苯甲酸利扎曲坦口腔膜具有较好的黏膜透过性。在另一项研究中，Jana 等［28］同样使用罗望子胶，将其与甲硝唑环氧氯丙烷交联，制备了类似的口腔粘附膜。Govindasamy 等［29］利用2 种天然多糖（壳聚糖和海藻酸钠） 和牛血清白蛋白，开发了一种通过颊黏膜传递蛋白质药物的复合冷冻干燥晶片，并对该晶片进行功能表征（溶胀、粘附性和体外药物溶出度） 和物理表征（形态和结晶度）。溶出度测定结果表明，牛血清蛋白的释放度与海藻酸钠和蛋白质含量有关。粘附性测定结果表明，壳聚糖的存在对海藻酸钠的粘附性起到了适当的修饰作用，使该晶片获得了较好的粘附性。

2.2.2 鼻腔黏膜给药 鼻腔黏膜给药方便、无痛、无创，避免了肝脏首过代谢［30］，该路线有可能会作为注射给药的替代方式，可用于递送无注射条件、尤其是不便口服或注射的药物［31］。此外，高度血管化的鼻黏膜和较大的上皮表面积为药物的快速吸收提供了机会，这使得鼻腔给药起效较快，并有较高的生物利用度［32］。黏液纤毛的快速清除减少药物在吸收部位的接触时间，是限制鼻腔给药生物利用度的最大阻碍。使用生物粘附聚合物材料增强对鼻黏膜表面的吸附性是克服这一问题的常用技术之一［33］。多糖与聚合物制备的粘附性凝胶体系已受到越来越多研究者的肯定，如多糖与卡波姆［34］、泊洛沙姆［35］、Lutrol F 127［36］等材料相结合制备而成的复合凝胶体系均具有良好的粘附性。

多糖除了增强给药系统的生物粘附能力，还可在制剂中发挥促渗、增强稳定性、靶向性、缓释等药剂学功能，从而提高药物的生物利用度。

研究表明壳聚糖、果胶、环糊精等多糖可促进药物渗透，增强鼻腔吸收，壳聚糖可通过与细胞膜表面的负电荷相互作用打开紧密连接（多种蛋白相互作用下形成的蛋白复合体，在维持上皮细胞屏障功能上发挥重要的作用），极大的提高药物透过性，提高药物生物利用度［19］。Cho 等［37］联合使用羟丙基-β-环糊精、壳聚糖和泊洛沙姆促进鼻腔吸收。壳聚糖和羟丙基-β-环糊精不仅提高了微球的粘附性，还具有较好的促渗透作用，提高了盐酸非索非那定在动物模型（兔） 中的生物利用度。果胶的渗透促进特性尚未明确，但其也在打开细胞间紧密连接方面有轻微作用［38］，这使得果胶有一定的促渗透作用，并在芬太尼鼻腔果胶多糖递送系统中得到了验证［39］。多糖增强药物（主要为蛋白质、多肽等） 在递送系统中的稳定性则主要得益于多糖的凝胶化的性质，其温和的交联条件不易破坏蛋白质的分子结构。同时，凝胶中的高含水量使其易与亲水性蛋白质大分子相容［40］。此外，由于多糖等聚合物的表面活性、优先排斥性、通过增加黏度从而限制蛋白质结构运动等因素，均对蛋白质和多肽药物稳定性有正面促进作用［41］。

部分多糖具有pH 敏感性和离子敏感性，可在黏膜环境中形成智能型高分子水凝胶，这些凝胶具备环境敏感和受动功能，可实现药物的控释和缓释。所谓环境敏感是指外界环境条件微小变化，包括物理及化学变化 （如温度、pH、离子强度等），凝胶可迅速感知，同时做出反应（即为受动功能）。所做出反应表现在凝胶感知这些外界刺激后，即发生可逆性的体积相变或溶胶凝胶相变，在相变过程中，水凝胶体积突变性增大或者收缩，将凝胶网络中的药物保留或者释放出来［42］，从而达到缓释或控释的效果。Su 等［43］制备了载核酸的壳聚糖温敏性原位水凝胶，该凝胶可在鼻腔温度（32～35 ℃） 实现持续48 h 释药。

基于多糖的粘附给药系统不仅可实现药物的控制释放，还可以通过延长给药系统滞留时间增强嗅觉神经元直接摄取提高药物的脑靶向能力。嗅神经存在于鼻腔上部黏膜上皮中，从外部可直接连接中枢神经系统。通过设计经鼻给药制剂以绕过血脑屏障，可直接将药物输送到中枢神经系统［44］。嗅觉神经元只允许较小尺寸的颗粒（＜200 nm） 通过直接通道（被动扩散） 从鼻腔输送到大脑［45］。多糖表面的游离基团（如氨基） 可以通过特定的化学修饰形成多糖衍生物。用靶向肽（如乳铁蛋白、转铁蛋白等） 对多糖进行表面修饰，可进一步提高多糖纳米粒子对脑的靶向性［46］。Meng 等［47］使用乳铁蛋白偶联N-三甲基壳聚糖制备负载石杉碱甲（HupA） 的粘附性脑靶向纳米粒子用以鼻腔给药治疗阿尔兹海默症。体内成像结果显示，该纳米粒子经鼻腔给药后，在脑内的荧光强度比未经修饰的壳聚糖纳米粒更高，停留时间更长，证明其有更好的靶向性。

2.2.3 眼科给药 眼科给药具有制备和使用方便、给药准确等优点，是常见的给药途径之一。然而，药物的眼内利用度非常低，这是由于眼睛独特的角膜结构限制药物分子进入目标作用部位［48］。快速的角膜前丢失、高泪液周转率和反射性眨眼也是眼药生物利用度差的重要原因［49］。因此，传统的眼科给药要么需要更高的给药频率，要么需要增加配方中的药物含量，这可能会导致患者依从性差、潜在用药过量等问题［50］。为了克服这些问题，提高眼用药物的生物利用度，现代眼部给药系统通常被制成脂质体、眼植入物、纳米粒或原位凝胶。将药物掺入生物相容高和可生物降解的聚合物基质中是提高眼部生物利用度的合适手段［51］。在天然或合成聚合物中，多糖因其增稠性和胶凝性以及极低的毒性而常被用于眼科给药中［52］。通常情况下，多糖常与其他聚合物一起组成的复杂眼科制剂的一部分，这样的组合能使凝胶强度提高、粘附性增强、延长药物在角膜部位的滞留时间、或是得到更好角膜渗透性［53］。

研究表明，多糖制备的原位凝胶与普通滴眼液相比，有更佳的持续释放效果，且无明显的刺激性［54］。如Gupta等［55］制备了包裹马来酸噻吗洛尔的离子敏感型壳聚糖结冷胶原位凝胶，在治疗青光眼的实验中取得良好的治疗效果，是极具希望的青光眼治疗临床给药方案。在眼泪中，有多种阳离子，有些多糖类衍生物能够与其络合而改变构象，在药用部位形成凝胶，这些凝胶具有良好的粘附性，能够有效抑制药物从角膜前区域消除，从而获得更好的治疗效果。在另一项研究中，研究人员为了提高5-氟尿嘧啶（5-FU） 的眼部生物利用度、减少全身吸收和给药次数，采用离子凝胶法制备了海藻酸钠-壳聚糖微球，所制得的微球为纳米级，载药量大，且具有较好的粘附性和角膜渗透性。该纳米粒通过离体兔角膜的给药速度明显高于5-FU 水溶液，且该纳米粒还表现出了明显的缓释作用，药物释放过程可达8 h［56］。

2.2.4 阴道黏膜给药 自然的阴道环境为健康女性提供天然的保护，但这种生理环境可能会受到阴道菌群异常和局部感染的影响。治疗此类型感染需要在较长时间内保持局部较高的药物浓度。因此，阴道给药制剂需要具有长的滞留时间、在病变上皮上适当铺展且有适宜的药物释放行为，当然，还需保持其使用的简便性和低刺激性［57-58］。Mehta等［59］以海藻酸盐、壳聚糖、泊洛沙姆407 为原料制备包裹制霉菌素的微粒，该微粒能将药物定位于阴道黏膜内，对药物的释放分为2 个阶段，第一阶段为初始爆发形式，来源于表面吸附的药物，第二阶段则是微粒内部的药物以较慢速度持续释放给药，释药浓度对白色念珠菌有显著的杀菌活性，其总体释药行为极其适用于阴道给药。

阴道原位凝胶制剂是另一种可行的给药治疗方案。利用粘附性多糖制备的凝胶易于提升患者依从性、稳定药物剂量、提高输送效率，有助于解决传统阴道给药制剂配方涉及的一系列问题。Narayana 团队将结冷胶与羧甲基纤维素钠结合制备离子触发凝胶体系，延长了1%塞克硝唑的释放。研究显示，钙离子越多，凝胶越强，这可能是由于二价阳离子的增多，加强了结冷胶的凝胶化。优化后凝胶黏度为16 Pa·s，凝胶强度和粘附性分别达到6.5、4 g。优化后的处方可使药物持续释放360 min，可降低感染部位的给药频率［60］。在相似的研究中，结冷胶与羟丙基甲基纤维素制备的原位凝胶具良好的粘附性、无刺激性和较高含药量。此外，该凝胶体系具有很高的输送效率，12 h 药物持续累积释放率可达98.9%［61］。

3 结语与展望

经黏膜给药在局部给药和全身给药方面具有显著优势。文献大量报道了关于黏膜药物制剂方面的重大进展，特别是在改善黏膜生理环境下的药物滞留和吸收方面，但很少有新的制剂进入临床阶段。这是因为该方向上基础研究仍然面临重大的技术挑战，包括缺乏有效的动物模型，更清晰的粘附机制，生物粘合剂带来的直接免疫刺激性等挑战。如在进行黏膜渗透实验时常以正常的生物黏膜来研究药物的渗透性，而当人体黏膜组织发生病变时，黏膜表面常有渗出物所形成的假膜，黏膜结构发生变化，渗透性也发生变化，故影响了试验结果对药物黏膜渗透的真实反映。粘附层形成的机理与粘附材料的性质、配方类型、附着过程和黏膜生理环境有关。单一的粘附机制不太可能适用于发生粘附的所有不同场合，了解每一种情况下的粘附机制将有助于开发用于临床的成熟制剂产品。

中药多糖作为传统中药材活性成分之一，是一类非常重要的天然多糖，其来源十分广泛，并具备免疫调节、抗肿瘤、防辐射和抗氧化等多种生物活性。中药多糖结构稳定，不易分解，随着多糖分离提取方法的不断进步，中药多糖越来越多地被应用到保健食品和药品中。基于中药多糖制备的中药多糖复合体可在作为药物载体基质的同时还发挥一定的活性作用，达到“药辅合一” 的效果。如白芨多糖具有抗菌止血的作用，可与羧基化壳聚糖复合制备成水凝胶，可用于皮肤创伤的治疗［62］。类似的黄芪多糖凝胶体系在治疗由糖尿病引起的皮肤糜烂效果显著［63］。在以往的研究当中，中药多糖在经黏膜给药研究中很少被涉及到，这为天然多糖用于黏膜给药的研究中提供了新的思路和方向。