壳聚糖包被乳化体水凝胶用于硫酸特布他林经皮递送的整合设计：从优化到体内性能评估

《RSC Pharmaceutics》：Integrated design of a chitosan-coated emulsomal hydrogel for transdermal delivery of terbutaline sulfate: from optimization to in vivo performanceOpen Access

专业摘要翻译 本研究旨在利用壳聚糖（CS）包被的生物黏附性乳化体（EMLs）增强硫酸特布他林（TBL）的经皮递送，以克服因肝脏首过代谢广泛而导致的低口服生物利用度。研究人员采用薄膜水化法，以磷脂（PC）和Compritol?（CMP）或三硬脂酸甘油酯（GTS）作为固体脂质，依据d-最优实验设计制备了载TBL的EMLs。优化后的制剂（O-EMLs）由200 mg PC和30 mg GTS组成，其包封效率（EE%）为65.23 ± 2.37%，粒径（PS）为248.90 ± 20.12 nm，多分散指数（PDI）为0.310 ± 0.001，zeta电位（ZP）为?25.70 ± 1.60 mV。随后，研究人员用0.5% w/v的CS包被O-EMLs得到CS包被的O-EMLs，其理化特性有所改善：EE%为70.04 ± 0.23%，PS为287.42 ± 1.22 nm，PDI为0.360 ± 0.001，ZP为34.28 ± 2.65 mV。与TBL溶液相比，CS-O-EMLs表现出持续的药物释放。此外，共聚焦显微镜证实荧光标记的CS-O-EMLs成功沉积在不同皮肤层中。为进一步延长皮肤滞留时间，研究人员将优化的包被制剂掺入由2%羟丙甲纤维素（HPMC K4M）组成的水凝胶基质中。CS-O-EMLs水凝胶展现出良好的生物黏附特性。在家兔体内的药代动力学研究证实，与市售片剂相比，CS-O-EMLs水凝胶使TBL的生物利用度提高了3倍以上，并将半衰期和平均滞留时间均延长了一倍。这些结果表明，CS-O-EMLs水凝胶是一种潜在的经皮递送系统，可用于提高TBL的生物利用度、患者依从性和治疗效果。

论文解读文章

一、研究背景与目的

硫酸特布他林（TBL）是一种选择性β₂-肾上腺素受体激动剂，常用于治疗哮喘相关支气管痉挛及慢性阻塞性肺疾病（COPD）急性加重。然而，TBL的口服生物利用度仅为约26%，这主要是由于药物在肝脏经历广泛的首过代谢，导致大量药物被结合失活。此外，TBL的生物半衰期很短，约为3.6小时，需要频繁给药以维持疗效。因此，开发一种能够绕过肝脏首过效应、实现持续药物释放的给药途径具有重要意义。经皮给药系统作为一种非侵入性的替代方案，能够避免胃肠道降解和肝脏首过代谢，提供平稳的血药浓度，并可通过缓释作用预防夜间喘息发作。然而，传统经皮制剂对TBL的皮肤渗透能力有限，亟需新型载体系统以提高其透皮效率。

乳化体（EMLs）是一种具有固体脂质核心和磷脂（PC）双分子层外壳的囊泡系统，兼具纳米乳剂、固体脂质纳米粒（SLNs）和脂质体的优势。相较于纳米乳剂，EMLs因其固态或液晶态脂核而具有更优异的稳定性；相较于SLNs，EMLs使用PC而非表面活性剂，因而具有更好的生物相容性。为了进一步提高皮肤滞留时间和渗透性，研究人员采用壳聚糖（CS）对EMLs进行表面包被。CS是一种带正电荷的天然多糖，能够通过静电相互作用与带负电的角质层结合，并短暂打开紧密连接，从而促进药物向深层皮肤的转运。最后，将CS包被的优化EMLs（CS-O-EMLs）掺入由羟丙甲纤维素（HPMC K4M）组成的水凝胶基质中，以延长其在皮肤表面的停留时间并实现持续药物释放。本研究的创新之处在于首次将优化的TBL负载EMLs与CS涂层和HPMC K4M水凝胶基质相结合，构建了一个多功能经皮递送系统，旨在同时改善皮肤滞留、实现持续释放并提高全身生物利用度。

二、关键技术方法概述

研究人员采用薄膜水化法制备了TBL负载的EMLs。通过d-最优实验设计，考察了磷脂用量（PC，X₁）、固体脂质用量（X₂）和固体脂质类型（X₃）三个自变量对包封效率（EE%，R₁）、粒径（PS，R₂）和zeta电位（ZP，R₃）的影响，并利用Design-Expert^?软件进行数值优化以获得最佳配方。优化后的EMLs（O-EMLs）用0.5% w/v壳聚糖溶液进行包被，得到CS-O-EMLs。随后，将CS-O-EMLs掺入2% w/w HPMC K4M水凝胶基质中制成最终制剂。研究采用了多种表征手段，包括动态光散射（DLS）测定粒径、PDI和ZP，透射电子显微镜（TEM）观察形态，差示扫描量热法（DSC）分析热行为，以及体外药物释放研究。皮肤渗透和分布通过共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）评估。此外，还进行了离体生物黏附力测试和体内药代动力学研究（动物模型为雄性白化家兔）。

三、研究结果

3.1 实验设计的统计分析

实验数据经Design-Expert软件分析，所有响应变量的二次模型均显著（p < 0.0001）。各模型的校正决定系数（Adjusted R²）与预测决定系数（Predicted R²）高度一致，且精密度值均远大于4，表明模型具有良好的预测能力和充分的信噪比。

3.2 配方变量对包封效率（EE%）的影响

EMLs的EE%范围为30.19 ± 1.8%至69.19 ± 1.98%。增加PC用量可显著提高EE%，因为更多的PC有助于形成多层结构，为TBL提供更多嵌入空间，同时增加体系粘度以减少药物泄漏。固体脂质量对EE%呈二次关系：起初增加固体脂质会压缩核心与外层之间的水相空间，降低EE%；但进一步增加则因同种电荷排斥增大水相空间，反而提高了水溶性TBL的EE%。

3.3 配方变量对粒径（PS）的影响

EMLs的PS范围为188.9 ± 1.11 nm至678.0 ± 20.0 nm。增加PC用量导致PS增大，归因于PC形成更厚的双分子层。增加固体脂质量同样增大PS，因为这直接扩大了脂质核心的体积。在固体脂质类型方面，使用GTS比CMP产生更大的PS，这与GTS更高的分子量和粘度有关。

3.4 配方变量对多分散指数（PDI）的影响

所有配方的PDI值均低于0.5，表明纳米颗粒分布均匀。

3.5 配方变量对zeta电位（ZP）的影响

EMLs的ZP范围为?19.0 ± 1.0 mV至?25.91 ± 1.21 mV。增加PC用量使ZP更负，这是因为更多PC极性头部朝外，赋予粒子表面更强的净负电荷。使用GTS比CMP获得更高的ZP绝对值，这可能与GTS中电离脂质成分的稳定作用有关。

3.6 优化EMLs（O-EMLs）的确定

基于最大期望函数（desirability = 0.935），软件推荐的最佳配方为F12：PC用量200 mg，固体脂质（GTS）用量30 mg。该配方的实测值为EE% 65.23 ± 2.37%，PS 248.90 ± 20.12 nm，PDI 0.31 ± 0.001，ZP ?25.70 ± 1.60 mV，与模型预测值高度吻合。

3.7 CS包被优化EMLs（CS-O-EMLs）的表征

CS-O-EMLs的EE%提升至70.04 ± 0.23%，PS增至287.42 ± 1.22 nm，ZP由负变正（+34.28 ± 2.65 mV）。TEM图像显示其为非聚集的球形纳米粒子，外层可见CS形成的浅色包膜。储存6个月后，各项参数无显著变化，证明CS涂层增强了制剂的物理稳定性。体外释放研究表明，CS-O-EMLs呈现双相缓释模式，24小时累积释放约70%，显著慢于TBL溶液的完全释放。DSC分析显示TBL的特征吸热峰在CS-O-EMLs中消失，表明药物以无定形或分子分散状态被成功包封。CLSM图像证实荧光标记的CS-O-EMLs能均匀分布于角质层、表皮和真皮层，显示出良好的皮肤渗透能力。

3.8 CS-O-EMLs水凝胶的表征

所制备的水凝胶均匀、光滑、无颗粒感。CS-O-EMLs水凝胶的pH为5.70 ± 0.20，接近皮肤生理pH。其粘度为4822.00 ± 47.00 cP，显著高于TBL水凝胶（2830.00 ± 30.00 cP），这归因于PC、固体脂质和CS的共同增稠作用。两种水凝胶均表现出剪切变稀的假塑性行为。CS-O-EMLs水凝胶的最大剥离力（F_max）和黏附功（W_ad）分别达到537.20 ± 4.70 mN和658.90 ± 5.98 μJ，较TBL水凝胶提高了8.75倍和8.49倍，显示出卓越的生物黏附性能。

四、讨论与结论

体内药代动力学研究结果显示，CS-O-EMLs水凝胶在给药初期血药浓度较低，但随后逐渐升高并在24小时内维持高于市售片剂的水平。其最大血药浓度（C_max）为22.25 ± 1.24 ng/mL，略低于片剂的24.48 ± 2.34 ng/mL，但两者的达峰时间（T_max）均为0.5小时。更重要的是，CS-O-EMLs水凝胶的药时曲线下面积（AUC_0–24和AUC_0–∞）分别为132.44 ± 23.56和172.25 ± 20.45 ng·h/mL，而市售片剂仅为49.36 ± 3.45和53.61 ± 2.34 ng·h/mL。这表明CS-O-EMLs水凝胶将TBL的相对生物利用度提高了3倍以上。此外，药物的消除半衰期（t_1/2）从片剂的7.07 ± 1.34小时延长至16.95 ± 1.40小时，平均滞留时间（MRT）也延长了近一倍。

研究人员得出结论，这种显著的药代动力学改善主要归因于三个方面：首先，经皮给药完全避开了口服途径的肝脏首过代谢；其次，CS-O-EMLs的缓释特性提供了持续的药物输入；第三，CS涂层带来的强生物黏附性延长了制剂在皮肤上的滞留时间，促进了药物的持续吸收。综合来看，CS-O-EMLs水凝胶作为一种创新的经皮递送系统，能够有效提高TBL的生物利用度、延长药物作用时间、减少给药频率，有望成为传统口服制剂的理想替代方案，从而提高患者的依从性和整体治疗效果。