双羧酸离子化驱动的MCC/MAA/IA水凝胶用于提升口服胰岛素递送效果

《International Journal of Pharmaceutics》：Dual carboxylic ionization driven MCC/MAA/IA hydrogels for enhanced oral insulin delivery

哈里什·库马尔·乔杜里|普里扬卡·辛格|卡里什玛·尼维里亚|莫妮卡·亚达夫|阿米塔·马利克|德夫·拉吉·辛格|安妮塔·卡姆拉·维尔马

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  研究人员开发出了基于双羧酸离子化驱动的MCC/MAA/IA水凝胶。
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  这类水凝胶在胃部pH值下几乎不膨胀，而在肠道pH值下则会出现显著膨胀。
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  经过优化的水凝胶能够实现胰岛素的持续释放，并提升其口服药效。
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  该优化后的水凝胶可降低血糖水平，且具有良好的生物相容性。
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  双羧酸离子化特性使得该水凝胶能够实现针对肠道的精准胰岛素输送。

引言

胰岛素的口服给药仍是制药领域中最具挑战性 yet尚未解决的问题之一。尽管经过了数十年的研究，由于胰岛素在胃肠道中会迅速被酶分解，且渗透性较差，在酸性胃环境中也不稳定，因此皮下注射仍然是主要的给药方式。不过，对于老年患者而言，这种治疗方法并不理想，因为每天需要注射两到三次，还会带来疼痛感，甚至可能引发感染（Sharma等人，2020年）。长期以来，研究者们一直在努力开发具有更长释放时间、更好生物利用度以及更高稳定性的口服胰岛素递送系统（Rekha和Sharma，2013年）。因此，一种有效的口服胰岛素系统必须同时具备三项关键功能：（i）在胃部保护胰岛素；（ii）在肠道中实现可控释放；（iii）在吸收后保持药效。为了解决这些难题，人们研究了多种口服胰岛素递送方法，包括酶抑制剂、渗透增强剂、肠溶包衣以及聚合物水凝胶（Chaudhary等人，2022年）。无论是合成型还是天然的可生物降解水凝胶都受到了广泛研究，因为它们的物理或化学交联作用能够形成能够吸收大量水分的三维网络（Peppas等人，2000年）。这些特性使得水凝胶非常适合用于生物应用，比如药物和蛋白质的递送、组织工程等，它们能够在这些领域模拟细胞外基质的功能（Sasaki和Akiyoshi，2010年；Memic等人，2015年）。尤其是对pH值敏感的水凝胶，对于像胰岛素这类容易受到胃部酶和酸性环境破坏的蛋白质类药物来说非常有用。在口服药物给药领域，pH响应型水凝胶因能减少不良反应并提高药物吸收率而越来越受到重视（Chang等人，2011年）。含有羧酸基团的生物相容性水凝胶在提升上皮细胞渗透性方面展现出巨大潜力，而这对于胰岛素的吸收非常有帮助（Ding等人，2009年；Ahmad等人，2014年）。然而，基于PAA的水凝胶由于不可生物降解，限制了其在医药领域的应用。相比之下，基于PMAA的pH响应型水凝胶则因具有能够根据环境变化而发生膨胀并释放药物的功能基团，成为口服蛋白质递送领域的有力候选材料。其中，基于MAA的水凝胶因其含有羧酸基团，在酸性环境中仍保持质子化状态，而在肠道pH值下则会发生离子化，从而使得网络结构扩张，进而提升亲水性分子的旁细胞渗透性并降低蛋白酶的活性，因此受到了广泛研究（Sajeesh等人，2010年）。不过，传统的聚甲基丙烯酸体系往往机械稳定性较差，且缺乏实现精确控制膨胀动力学所需的可调离子化梯度（Panic等人，2014年；Brown，2007年）。为了解决这个问题，人们可以引入其他聚合物来形成互穿网络和半互穿网络，这类网络因其出色的机械强度（Liou等人，2010年；Ismaeilimoghadam等人，2023年）、良好的适应性反应（Alvarez-Lorenzo等人，2013年），而被越来越多地用于生物活性物质的递送。

含有IA的水凝胶因其独特的生物特性而备受关注。在聚合物链中加入少量IA能够提升水凝胶的pH响应型膨胀能力，从而使水凝胶在最佳pH值下更易膨胀（Pourjavadi和Tehrani，2016年）。IA在牙科、光学以及药物递送领域也有广泛应用。此外，在实现眼部药物的持续释放方面，聚丙烯酸和聚伊顿酸等聚羧酸也被用来实现这一目标（De等人，2004年；Stanojevi?等人，2006年），而聚N-乙烯基2-吡咯烷酮/IA和聚N-异丙基丙烯酰胺/IA等聚合物则分别被用于递送利多卡因和特比萘芬盐酸盐（Ta?delen等人，2004年；Sen和Yakar，2001年）。另外，由羧甲基纤维素和接枝有IA的黄蓍胶组成的水凝胶也被发现能够控制氨苄西林和阿莫西林等药物的释放速度（Pathania等人，2018年；Foungfung等人，2011年）。伊顿酸是一种含有两个具有不同pKa值的可离子化羧基的二元羧酸单体，它为在水凝胶网络中实现差异化的离子化行为提供了可能（Dubey和Bajpai，2006年；Peppas等人，2000年）。IA的这种依次脱质子作用，结合MAA的离子化作用，能够在肠道pH值下产生更强的静电排斥力，从而调控网络结构的扩张程度。尽管有这些理论优势，但双羧酸离子化对肠道胰岛素释放的协同作用至今尚未得到系统研究。

微晶纤维素是一种可生物降解且具有生物相容性的生物聚合物（Zhu等人，2016年），它能够提供坚固的骨架结构，既能在胃肠道环境中保持结构完整性，又能增强水凝胶网络的稳定性。由于其优异的特性，微晶纤维素已被广泛应用于制药、化妆品以及食品行业（Trache等人，2016年）。微晶纤维素出色的机械性能使其成为复合材料增强剂的首选（Ni等人，2015年），也可用于吸附重金属和染料（El-naggar等人，2018年），还能用于制备高强度的双交联纤维素水凝胶（Ye等人，2019年）。此外，人们还通过硫醇-烯烃点击化学反应，利用烯丙基功能化的微晶纤维素在紫外线照射下制备出微晶纤维素水凝胶（Hu等人，2015年）。在研究MCC-PVA水凝胶对5-尿嘧啶的体外释放情况时（Seera等人，2020年），以及研究MCC基水凝胶在体外递送头孢氨苄的效果时（Kundu和Banerjee，2020年），也都用到了微晶纤维素水凝胶。不过，微晶纤维素在水和有机溶剂中的溶解度都较低。为了解决这一问题，人们采用了多种增溶策略，比如离子液体、碱/尿素体系以及深共晶溶剂等，来处理微晶纤维素（Kabir等人，2018年；Lupidi等人，2023年）。

将微晶纤维素引入半互穿聚合物网络中，能够提升其机械稳定性，同时调节其膨胀行为，而不会影响其响应性。然而，将微晶纤维素与双酸（MAA/IA）体系结合，构建用于口服胰岛素递送的离子化驱动型半互穿网络平台，目前还缺乏足够的研究。

我们假设，将MAA和IA结合在基于微晶纤维素的半互穿网络中，就能够形成一种双羧酸离子化驱动型网络，这种网络在胃部环境下几乎不膨胀，而在肠道pH值下则由于依次脱质子作用和静电排斥作用而出现显著膨胀。这种对网络结构尺寸的精准调控，有望在酸性环境中保护胰岛素，同时在肠道中实现浓度依赖型的药物释放，最终提升其在体内的药理效果。因此，我们通过自由基聚合方法合成了MCC/MAA/IA水凝胶，并对其结构完整性、膨胀行为以及pH响应性进行了系统分析。同时，我们还评估了胰岛素的包封效率、在模拟胃肠道条件下的体外释放动力学、细胞的相容性，以及该水凝胶在STZ诱导的糖尿病大鼠模型中的降糖效果。本研究旨在构建一种经过机制设计的双离子化水凝胶平台，用于口服胰岛素递送，同时阐明网络离子化动态与药理性能之间的关系。虽然基于MAA的水凝胶已在pH响应型递送系统中得到了广泛应用，但在口服胰岛素递送领域，关于纤维素增强型半互穿网络中双羧酸离子化作用的协同效应，目前还缺乏系统研究。本研究提出了一种经过机制设计的MCC/MAA/IA体系，该体系利用IA和MAA的依次离子化作用，来调控网络在胃肠道不同pH值环境下的扩张程度。与以往主要侧重于膨胀特性或释放曲线分析的研究不同，本研究定量分析了离子化驱动的膨胀行为与肠道胰岛素释放之间的关联，以及按剂量标准化后的体内药理利用度（6.8%）。这种结构-性能-功能相结合的验证方法，使得所提出的平台区别于传统的单酸水凝胶系统，也为口服蛋白质疗法中的双离子化聚合物设计提供了合理的理论依据。

章节节选

材料

伊顿酸和甲基丙烯酸是从Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯市）购买的，而微晶纤维素则是从SRL Laboratories（印度）购得。N,N’-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸钾则分别被用作交联剂和引发剂。MTT试剂也是从Sigma-Aldrich购买的。人胰岛素（Actrapid，40 IU/mL；由印度Torrent Pharmaceuticals Ltd.为诺和诺德公司生产）则是从当地供应商处获得的。pH值相关实验则

水凝胶的标准化与优化

MCC/MAA/IA水凝胶是以微晶纤维素作为聚合物骨架，以MAA和IA作为单体，以过硫酸钾作为引发剂，以N,N’-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂而制备的。为了优化水凝胶的性能，我们对单体、引发剂以及交联剂的浓度进行了系统调整。经过优化的配方MIM4、MIM18和MIM25的具体组成如表1所示。水凝胶的制备方法是先将微晶纤维素溶解在NaOH/尿素溶液中，随后

结论

本研究主要围绕基于微晶纤维素、MAA和IA的双羧酸离子化驱动型半互穿聚合物网络水凝胶的合成、表征以及性能评估展开，这类水凝胶旨在用于口服胰岛素递送。微晶纤维素为水凝胶提供了具有生物相容性且机械强度高的骨架结构，而MAA和IA则赋予了水凝胶pH响应型膨胀能力以及可控的药物释放功能。IA和MAA的依次离子化作用使得网络结构能够根据电荷变化而扩张，因此在

伦理审批

所有动物实验均遵循“实验动物护理与监督委员会”制定的相关指南进行，研究者们也尽力减少实验过程中对动物的伤害。这些实验方案已经得到了德里大学Kirori Mal学院动物伦理委员会的评估与批准，批准编号为DU/KR/IAEC/2023/15A。

CRediT作者贡献说明

哈里什·库马尔·乔杜里：论文撰写——初稿编写、可视化处理、结果验证、实验指导、项目管理、方法设计、实验实施、资金筹集、数据分析、概念构思。普里扬卡·辛格：软件使用、数据整理。卡里什玛·尼维里亚：软件使用、数据整理。莫妮卡·亚达夫：软件使用、数据整理。阿米塔·马利克：结果验证、实验指导、方法设计、概念构思。德夫·拉吉·辛格：实验资源准备、数据整理。安妮塔·卡姆拉·维尔马：软件使用、数据分析，

资助情况

本研究没有获得任何资助机构的专项资助。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。