《Journal of Nanotechnology》：Engineering Oral Insulin Delivery: Nanomaterial Strategies to Overcome Gastrointestinal Barriers and Advance Clinical Translation
糖尿病是一种慢性代谢性疾病，其特征是胰岛素分泌不足或作用障碍，导致血糖调节受损。胰岛素治疗对于糖尿病管理仍然至关重要；然而，该疗法通常通过定期皮下注射给药。这种侵入性给药途径与疼痛、不适和并发症相关，给患者带来显著的身心负担，并对长期依从性产生不利影响。随着全球糖尿病患病率的持续上升，开发替代性胰岛素递送方法变得日益紧迫。口服胰岛素递送通过模拟经肝门静脉通路的内源性胰岛素分泌，提供了一种有前景的替代方案。然而，该方法面临显著的胃肠道屏障，如酶降解、可变pH值和低渗透性，这些因素可能延迟有效吸收。纳米技术的最新进展已成为克服这些挑战的变革性方法，利用先进纳米材料实现胰岛素保护、增强吸收和靶向递送。本综述批判性地评估了用于口服胰岛素递送的纳米材料的最新进展，重点关注胃肠道屏障，并强调关键的临床前和临床发展。
1. 引言
糖尿病（DM）的全球患病率持续上升，构成重大公共卫生挑战。根据国际糖尿病联盟（IDF）的数据，2024年估计有5.887亿成年人患有糖尿病；这一数字预计到2050年将增长45%，达到8.525亿。同年，糖尿病导致超过340万人死亡，约占全球死亡率的9.3%。
糖尿病是一种慢性代谢紊乱，其特征是由胰岛素缺乏（如1型糖尿病（T1DM））或细胞对胰岛素反应减弱（如2型糖尿病（T2DM））导致的持续性高血糖。T2DM占总病例数的90%以上，胰岛素治疗是T1DM和晚期T2DM管理的基石。皮下胰岛素注射虽然有效，但存在若干局限性，如患者依从性差、感染风险和不符合生理的胰岛素动力学。此外，作为更方便的皮下胰岛素递送方式而开发的胰岛素输注泵改善了血糖控制和患者依从性，但其使用常与皮下组织刺激和输注部位的皮肤并发症相关。口服胰岛素递送通过肝门静脉模拟生理性胰岛素分泌，可改善血糖控制并减少全身副作用。然而，必须克服胃肠道（GI）屏障（包括酶降解和不良的上皮渗透性），口服胰岛素递送才能发挥其降血糖作用。因此，通过考察口服胰岛素递送的制剂方法来解决这些挑战势在必行。
包括无机、脂质基（胶束和脂质体）、聚合物、树枝状大分子、碳和金属有机框架（MOF）纳米载体在内的纳米材料已成为口服胰岛素递送的替代方案。这些纳米载体在口服药物递送应用中显示出众多优势，提供更可控的释放曲线、操作便利性、增强的患者依从性，以及更接近模拟胰岛素进入血液的生理转运途径。此外，它们提供了一种比连续皮下胰岛素注射创伤更小的替代方案，后者与注射部位并发症和胰岛素吸收不一致相关。既往文献主要关注口服胰岛素制剂的设计或药代动力学结果；本综述提供了将纳米材料的理化性质与其克服胃肠道屏障的具体机制联系起来的整合视角。通过批判性分析临床前创新和临床试验结果，本综述提供了该领域的转化视角，识别了有前景的实验室发现成功或未成功转化为人体应用的领域。
2. 口服胰岛素递送的生理优势
口服胰岛素递送具有模拟内源性胰岛素分泌生理途径的优势，其中胰岛素由胰腺β细胞直接分泌入门静脉循环。这种自然途径促进胰岛素在全身分布前被肝脏摄取，形成门静脉-外周胰岛素梯度，在调节餐后血糖水平中发挥关键作用。高达80%的内源性分泌胰岛素在首次通过时被肝脏清除，实现对肝脏葡萄糖代谢的严格控制并减少外周高胰岛素血症。口服给药模拟了这一途径，主要通过门静脉将胰岛素引导至肝脏，从而增强肝脏葡萄糖摄取，并在空腹和餐后状态下有效抑制肝细胞的葡萄糖生成。这种肝脏优先的方法不仅改善血糖控制，还降低全身副作用的风险，如体重增加、低血糖和胰岛素抵抗，这些问题通常与直接将胰岛素递送至全身循环的皮下注射相关。此外，口服递送通过消除每日注射的不适和并发症（如疼痛、皮肤感染和脂肪营养不良）改善患者依从性，同时为糖尿病的长期管理提供更方便、非侵入性的替代方案。
3. 口服胰岛素递送的生物学和生理学屏障
口服胰岛素递送被认为是最可接受的给药途径；然而，由于胃肠道内复杂的生理和生物学屏障，其面临重大挑战。为了使基于蛋白质和多肽（PP）的治疗药物（如胰岛素）口服给药有效，制剂必须成功穿越恶劣的胃肠道环境，并实现跨肠上皮的充分吸收。然而，胃肠道作为抵御外源威胁的防御屏障，设置了多重障碍，显著损害胰岛素的稳定性和吸收。这些屏障大致分为化学性（酸性胃环境）、酶性和物理性（黏液层和肠上皮）。
3.1 酸性胃环境
PP口服递送的主要挑战是pH梯度，该梯度沿胃肠道不同区域变化。人类唾液维持约6.5–7.5的中性pH以进行初步消化。相比之下，胃环境高度酸性，pH范围为1.0至3.5，主要由于盐酸的分泌和氯化钠的存在。这种酸性环境促进消化并保护免受病原微生物侵害。然而，PP的口服递送可导致通过胃酸裂解二硫键而降解和变性。十二指肠的pH从5.5升至7.0，但在小肠远端逐渐升高（pH=7.5）。胃肠道pH的变化通过水解、脱酰胺和氧化等降解过程改变PP的功能和物理构象。
3.2 酶降解
胃肠道中的酶降解是口服PP给药的另一主要挑战。消化酶（包括核酸酶、脂肪酶、蛋白酶和肽酶）将PP分解为更小的分子。这些酶分布于整个胃肠道，始于胃中的组织蛋白酶和胃蛋白酶，并继续在小肠中发挥作用，包括弹性蛋白酶、羧肽酶和胰凝乳蛋白酶等蛋白酶。胃蛋白酶通过水解PP之间的肽键开始降解。主要降解通过小肠中的蛋白水解酶发生。此外，PP被刷状缘酶如二肽酶和氨肽酶降解为氨基酸。大量研究报道酶降解可通过酶抑制剂抑制，但这些抑制剂增强胰岛素吸收的安全性仍需进一步研究。
3.3 黏液层
胃肠道的黏液层是显著阻碍口服PP治疗药物（包括胰岛素）吸收的关键生物学屏障。该黏弹性粘附性水凝胶主要由杯状细胞分泌，由水、电解质、脂质、黏蛋白和抗菌肽组成。肠道中的黏蛋白（如MUC2）是高度糖基化的糖蛋白，在黏液层内形成致密的凝胶样网络。这些功能涉及捕获病原体和外来颗粒，同时维持黏膜水合和促进营养转运。黏液层包含两个结构上不同的区域：面向管腔的外层松散粘附层和结合于上皮表面的内层紧密粘附层。其厚度在胃肠道各处变化，在结肠中可达830 μm，其高粘度显著限制胰岛素等大分子的扩散。此外，黏液的持续分泌、更新和向管腔的外向流动创造了动态环境，进一步阻碍药物颗粒到达肠上皮。黏液的负电性质也导致许多药物载体受到静电排斥，减少停留时间和生物利用度。尽管新兴策略（如使用亲水性和中性电荷的黏液穿透纳米颗粒（NPs））在增强通过该屏障的转运方面显示出前景，但其临床疗效和安全性仍在研究中。克服黏液屏障因此是设计有效口服胰岛素递送系统的主要挑战。
3.4 肠上皮
通过黏液层后，口服胰岛素必须克服肠上皮屏障，这是显著限制有效全身吸收的另一障碍。肠上皮由高度特化的单层细胞组成，包括M细胞、杯状细胞、潘氏细胞、肠内分泌细胞和肠上皮细胞。这些蛋白质通过紧密连接、粘附连接和桥粒等连接复合物紧密连接。该上皮作为营养吸收的屏障和关键的物理及免疫防御机制。主要的吸收细胞（肠上皮细胞）具有形成刷状缘的顶端微绒毛，扩大了营养和药物摄取的表面积。此外，通过紧密连接的细胞旁转运受到大小和电荷限制，通常阻碍大于500 Da的分子。相比之下，通过内吞和转胞吞的跨细胞转运受到大肽结构复杂性和低效率的限制。因此，胰岛素的亲水性质和大分子尺寸限制其通过被动扩散穿过上皮。增加胰岛素渗透性的策略（如使用渗透增强剂暂时打开紧密连接）已显示出潜力，但由于可能损害上皮完整性、允许有害病原体或毒素进入全身循环的风险，安全性问题仍然存在。
4. 基于纳米材料的递送系统
基于纳米技术的口服胰岛素递送系统为克服阻碍胰岛素吸收的复杂生物和生理屏障提供了有前景的方法。这些纳米系统通过将胰岛素纳入纳米级载体中，采用包埋、吸附、分散或偶联等技术进行工程化设计。所得纳米载体，如无机纳米材料、聚合物NPs、脂质基系统和MOFs，被设计用于保护胰岛素免受恶劣胃肠道环境影响并促进其跨吸收屏障转运。这些系统中使用的纳米材料必须表现出最佳生物相容性和理化性质，以确保被肠细胞有效摄取并保护胰岛素免受酶降解。与较大大分子相比，NPs（通常尺寸为100至300 nm）由于其小尺寸而被细胞更有效地内化。其尺寸还允许其避免被单核吞噬系统快速清除，同时维持足够长的全身循环以到达靶组织。因此，这些性质可以改善胰岛素的溶解度、稳定性和渗透性。
4.1 脂质基纳米载体
脂质基纳米载体因其有利性质（如高载药量、优异生物相容性以及改善胰岛素稳定性和肠道吸收的潜力）而作为有效口服胰岛素递送的潜在策略受到广泛关注。这些系统包括各种纳米结构，如脂质体、纳米结构脂质载体（NLCs）、固体脂质纳米颗粒（SLNs）、囊泡、纳米乳和自乳化药物递送系统（SEDDSs）。其富含脂质的组成促进与细胞膜的相互作用，促进细胞摄取。然而，这些载体固有的亲脂性对包封胰岛素等亲水性大分子构成挑战。研究最广泛的两种脂质基NPs是SLNs和NLCs。SLNs由固体脂质和表面活性剂组成，而NLCs结合固体和液体脂质，改善药物包封和稳定性。脂质体由同心磷脂双层组成，可在其水核中包封胰岛素。包封效率受双层数量和脂质体大小的影响显著。双层作为酸性环境、胆汁盐和消化酶的物理屏障，从而保护胰岛素免受降解。此外，脂质组成允许与肠细胞膜更好的相互作用，从而通过膜融合、内吞或脂质介导转运促进包封胰岛素的摄取，解决游离胰岛素渗透性差的问题。囊泡提供成本效益、低毒性和抑制P-糖蛋白等外排转运蛋白的能力等优势，这些性质有助于增强药物吸收和肠道渗透性。用三甲基壳聚糖（TMC）包被囊泡可改善胃稳定性和胰岛素包封，报道的包封效率高达80%。纳米乳（水、油和表面活性剂的分散体）能够通过油包水（w/o）制剂递送胰岛素，该制剂可将胰岛素捕获在水核中，提供针对胃酸性和酶降解的保护。与游离胰岛素相比，这些系统已显示出高达十倍的生物利用度改善。其小液滴尺寸和高界面表面积增加了与肠上皮相互作用的潜力，这可能通过增强膜流动性和紧密连接蛋白来增加渗透性。然而，由于黏液层的水性性质，纳米乳可能经历过早相变，导致胰岛素早期释放和次优吸收。SEDDS由表面活性剂、油和助表面活性剂组成，在接触胃肠液时形成水包油乳剂。这些系统可以保护包封的治疗药物免受酸性和酶降解，同时增强增溶和促进肠道吸收。然而，由于胰岛素在脂质相中溶解度差，在这些系统中包封亲水性胰岛素也具有挑战性。
4.2 聚合物纳米颗粒
聚合物NPs是尺寸范围为10至1000 nm的固体胶体载体，由天然或合成聚合物配制。与游离胰岛素相比，这些纳米载体因其可定制的理化性质（包括表面电荷和尺寸、孔隙率和机械强度）而在药物递送应用中受到广泛关注。这些特征使其能够适应增强稳定性、靶向递送和改善胰岛素等治疗药物的生物利用度。聚合物NPs分为两大类：源自天然聚合物的NPs和由合成聚合物合成的NPs。常用的天然聚合物包括壳聚糖（CS）和海藻酸盐（Alg），而合成聚合物包括聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）和聚乳酸（PLA）。通过使用带正电的生物聚合物（如CS）可有效实现口服胰岛素递送，这是因为其黏膜粘附性质和暂时打开紧密连接的能力，从而增强跨肠上皮的细胞旁转运。这些生物聚合物通过膜负电荷与聚合物正电荷之间的相互作用刺激紧密连接结构中的Ca2?复合物，从而打开紧密连接，因此增加NPs的跨细胞转运。增加的Ca2?可能影响肌球蛋白磷酸化，导致连接周围肌动蛋白的轻链收缩，从而打开紧密连接，并导致细胞旁通路渗透性增加。此外，已开发TMC和羧甲基壳聚糖（CMCS）等衍生物以进一步改善溶解性和渗透性。水凝胶代表最有前景的聚合物NP系统之一。它们是三维亲水性聚合物网络，可吸收大量水或生物液体。这些材料响应温度和pH等环境刺激，能够在肠道中实现控制药物释放。与脂质基载体相比，聚合物系统不易受胆汁盐和脂肪酶介导消化的去稳定化影响，从而增强胃肠道转运期间的蛋白质稳定性。据报道，由羧甲基-β-环糊精和CMCS组成的水凝胶可有效保护胰岛素免受胃降解并降低空腹血糖。此外，由PLA或PLGA组成的聚合物壳使内相为水性，使这些系统适用于胰岛素等亲水性生物分子。
4.3 无机纳米材料
无机纳米载体是利用二氧化硅、碳、金和金属氧化物等无机材料作为结构框架的药物递送平台。这些材料因其稳定性、高表面积和优异载药能力而受到越来越多的关注，使其成为口服胰岛素递送的潜在候选材料。介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）是研究最广泛的PP递送无机载体之一，因其孔径、大表面积和优异生物相容性。MSNs已被用聚乙二醇（PEG）功能化以改善胰岛素在恶劣胃肠道环境中的稳定性。pH敏感型MSNs，涂覆聚（甲基丙烯酸-co-乙烯基三乙氧基硅烷）等聚合物，已被合成以实现位点特异性胰岛素释放。这些制剂在胃条件下显示有限的胰岛素释放（13%），随后在肠道pH环境中持续释放。用咪唑基离子液体功能化的二氧化硅NPs也显示出用于口服胰岛素给药的有前景的持续释放曲线。另一种纳米级制剂，称为量子点（QDs），由显示电子和光学性质的半导体纳米晶体组成。基于硫化银（Ag?S）的QDs已被探索用于二甲双胍递送。凭借其光学、生化和电子性质，金纳米颗粒（AuNPs）已被证明可实现高效靶向和追踪。使用硫酸化糖胺聚糖合成的CS包被AuNPs显示出高胰岛素包封效率（90.19%）。氧化铁NPs具有超顺磁性和生物相容性，使其适用于靶向药物递送。磁铁矿和磁赤铁矿因其安全性而常用。磷酸锆（ZrP）NPs因其插层和保护生物制剂免受降解的能力而成为胰岛素递送的新兴平台。ZrP纳米载体保护胰岛素免受酸性胃环境和酶消化，允许在肠道中控制释放。
4.4 金属有机框架
MOFs是一类新兴的结晶多孔纳米材料，由无机金属离子（Al(III)、Cr(III)、Fe(III)、Cu(II)、Cu(I)、Mn(II)、Co(II)、Zr(IV)和Zn(II)）或金属簇（Cr?O(H?O)?(COO)?、Zn?O(COO)?、Zr?O?(OH)??(H?O)?(COO)?和Cu?(COO)?）通过有机配体（如膦酸盐、咪唑盐和羧酸盐）连接而成。这些材料因其多功能结构和多功能性质而作为通过口服途径递送胰岛素的纳米载体受到广泛关注。已成功配制的MOFs包括NU-1000、UiO-66-PDC、UiO-68-NH?、PCN-222、ZIF-8 NPs和MIL-100/MIL-101。MOFs的主要优势之一是其可调的孔结构和大的表面积，促进高效胰岛素包封，同时保护其免受胃肠道酶降解。MOFs的孔径可以优化以容纳胰岛素分子，同时排除胃蛋白酶和胰蛋白酶等较大的消化酶。因此，尺寸选择性包封机制确保胃肠道转运期间胰岛素稳定性增强。此外，与许多常规纳米载体相比，高度多孔的框架允许高效胰岛素装载。金属离子和有机分子之间形成的键可以被设计为响应特定生理条件，如pH、离子强度或磷酸盐浓度的变化。在胃的酸性环境中，某些含锆MOFs是稳定的，因此保护包封的胰岛素免受胃酸和蛋白水解酶的影响。然而，当暴露于肠道或生理环境时，磷酸根离子与金属簇之间的竞争性相互作用使框架不稳定，从而控制胰岛素释放。这种环境响应性降解实现位点特异性胰岛素释放并改善肠道药物可用性。可逆配位相互作用进一步有助于MOFs的生物相容性。几种锆基和铁基MOFs在临床前研究中已显示出相对低的细胞毒性和良好的生物安全特征。然而，长期生物相容性、金属离子积累和重复给药相关的潜在毒性仍是未来临床应用的重要考虑因素。此外，MOFs表面的功能化对其作为口服胰岛素载体的有效性非常有利。特别是，用聚合物、表面活性剂、靶向剂甚至亲水性涂层剂功能化MOF表面可通过增加与黏液的相互作用、改善细胞摄取甚至渗透肠道而发挥作用。例如用PEG、转铁蛋白（Tf）或多糖功能化。
5. 克服口服胰岛素递送屏障的当前策略
胃肠道具有若干阻碍基于NP的胰岛素递送系统的生化和生理屏障。为了改善NPs的稳定性和渗透性，已使用几种纳米技术方法，特别是NPs的表面修饰。这些包括表面电荷、材料组成优化、黏膜粘附、上皮吸收和靶向配体。这些方法旨在保护胰岛素免受降解并改善其在胃肠道中的摄取，从而提高其生物利用度。
5.1 刺激响应系统
刺激响应纳米载体的发展实现了受控和位点特异性胰岛素释放，显著增强口服递送功效。这些系统利用内源性触发因素如pH、葡萄糖和氧化应激在胃肠道或高血糖环境下启动靶向有效载荷释放。
5.1.1 pH响应纳米颗粒
胰岛素和类似蛋白质易受变性和酶分解影响，导致全身暴露差和缺乏治疗功效。已开发pH响应系统以保护蛋白质免受生物利用度和治疗功效损失，在所需pH下触发蛋白质释放。例如，pH响应NPs被设计为靶向胃肠道，利用其独特的理化pH梯度。因此，这些系统在胃中保持稳定和完整，同时在肠道中进行结构或化学变化以释放其货物。这种释放系统保持药物完整性并减缓药物损失和降解，增加药物在靶区域的吸收。中性纳米载体已被证明通过快速渗透黏液层促进上皮摄取。然而，带正电的纳米载体粘附于黏液层，延迟药物渗透入黏液层并减少胰岛素吸收。相反，带负电的NPs被组织排斥，避免静电相互作用，从而增加渗透性和胰岛素吸收。多种pH响应聚合物结构可用于制造pH响应NPs，赋予NPs通过改变表面电荷、改变尺寸或形状、经历载体基质解组装或释放包封药物来响应pH变化的能力。此类系统可被设计为在内体或溶酶体膜破坏后增强药物递送至靶位点。策略如下：（i）电荷转换聚合物，其在指定pH下改变系统的电离状态；（ii）酸不稳定聚合物系统，由分散在支架中的聚合物组成。采用的方法之一是设计具有pH依赖性溶胀性质的NPs。丙烯酸基聚合物如聚甲基丙烯酸（PMAA）在酸性胃条件下由于羧基质子化而疏水和塌缩。当其条件变为肠道的较高pH时，基团电离导致溶胀和氢键破坏，从而快速释放药物。例如，PMAA–PEG二嵌段共聚物表现出40至90倍的溶胀比（取决于共聚物组成），在pH 7.4下2小时内释放约90%胰岛素，而pH 1.2下仅释放约10%。透明质酸–聚[2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯]（HA–PDM）NPs也显示出用于口服胰岛素递送的有前景结果。先前研究表明，NPs在pH 1.2下表现出优异稳定性，2小时后约45%胰岛素保留，低溶胀率，pH 7.4下约63%胰岛素释放。糖尿病大鼠体内测试显示相对生物利用度为14.6%，强调其临床转化潜力。此外，已显示MOFs可被设计为在特定pH条件下经历结构降解或构象变化，从而在靶向环境（如酸性较低的肠道pH）中实现位点特异性药物释放，同时在高度酸性胃环境中保持稳定。先前研究使用布洛芬钠（IBUNa）在pH 2.0和7.4的PBS中评估锆基MOF UiO-66-PDC的pH响应药物递送。结果显示酸性条件下最小药物释放（约10%），pH 7.4下快速持续释放，实现高效药物释放。这些发现证明UiO-66-PDC的强pH响应行为及其口服药物递送应用潜力。Chen等人的研究在模拟胃（pH 1.29）和生理（pH 7.0）条件下研究锆基MOF（NU-1000）。紫外-可见光谱显示酸性条件下1小时后最小胰岛素释放（约10%），表明有效保护免受胃降解。相反，由于MOF结构降解，中性pH下约91%胰岛素释放。这些发现证明NU-1000的pH响应降解行为，实现胃保护和生理条件下的靶向胰岛素释放。此外，设计含有两性离子水凝胶功能化MOF NPs的胶囊，在暴露于不同pH水平时自动解组装以实现更有效的口服递送。该胶囊使用由聚（甲基丙烯酸-co-丙烯酸乙酯）制成的肠溶包衣Eudragit L100-55，保护包封药物免受胃酸性影响，但在近中性肠道pH下溶解，实现靶向肠道释放。此外，胶囊含有碳酸氢钠和柠檬酸的气体生成混合物。因此，溶解后快速气体生成促进增强NP扩散和通过肠道黏液层的转运。
5.1.2 葡萄糖响应纳米颗粒
口服胰岛素递送中的关键考虑因素是调节药物释放以响应血糖波动，从而实现自我调节的血糖控制并减轻糖尿病相关不良效应。因此，已开发葡萄糖响应纳米颗粒（GR-NP）系统，基于环境葡萄糖水平触发胰岛素释放。葡萄糖氧化酶（GOx）、葡萄糖结合蛋白（GBPs）和苯硼酸（PBA）是已被广泛研究的三种闭环葡萄糖响应递送系统。体外实验中，GR-NPs在高血糖条件（400 mg/dL葡萄糖）下1小时内显示约30%的显著胰岛素释放，10小时达88%，而正常血糖水平下释放极少。这展示了针对葡萄糖波动的脉冲释放能力。此外，Li等人开发了响应pH和过氧化氢（H?O?）的双敏感NP平台。这些NPs在掺入苯硼酸酯和两性离子聚（羧基甜菜碱）的聚合物基质中包封GOx和胰岛素。在高血糖状态下，GOx产生酸性和氧化微环境，触发NP解组装，实现快速胰岛素释放。值得注意的是，体内口服给药实现约20%胰岛素生物利用度和持续降血糖效应，超过皮下注射，同时减轻局部毒性。此外，通过将胰岛素和GOx共包封在MOF结构内开发了MOF ZIF-8。ZIF-8材料具有多孔刚性框架，保护胰岛素并维持胰岛素和GOx的功能。在葡萄糖存在下，GOx反应将葡萄糖转化为葡萄糖酸。该反应导致pH值降低，引起MOF结构降解，随后促进胰岛素释放。将ZIF@Ins&GOx NPs装载入热响应Pluronic-127水凝胶中，开发了葡萄糖响应胰岛素递送系统。值得注意的是，体内研究表明单次注射后1型糖尿病小鼠中延长血糖调节。这些结果突出了基于MOF的系统在长期糖尿病管理中的潜力。
5.2 克服酶屏障的策略
胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶等蛋白水解酶在肽键水解中作用非常迅速，导致胰岛素在吸收进入血液前降解。为了解决胰岛素酶降解问题并增加其口服生物利用度，已设计了几种制剂策略。这些策略通常涉及抑制酶活性或阻止酶接触胰岛素。
5.2.1 酶抑制剂
酶抑制剂是用于抑制胃肠道蛋白酶活性的策略之一。这些抑制剂通过结合酶的活性位点，从而抑制其与胰岛素分子相互作用。先前研究的抑制剂包括源自氨基酸的抑制剂，如抑肽酶、大豆胰蛋白酶抑制剂和U-Omp19，以及非氨基酸来源的抑制剂，如甲磺酸卡莫司他和4-(2-氨乙基)苯磺酰氟盐酸盐。据报道，许多天然抑制剂易在胃中酶降解；它们通常需要高剂量共给药。因此，将PP包封在纳米药物递送系统中通常需要提供额外的酶降解保护和改善递送。例如，Coria等人将源自布鲁氏菌属的蛋白酶抑制剂U-Omp19掺入口服抗原制剂中。研究结果表明U-Omp19有效抑制肠道蛋白酶活性并增强抗原在肠上皮细胞中的积累。这种共给药方法改善了跨细胞转运而不损害上皮屏障完整性。抑肽酶（一种丝氨酸蛋白酶抑制剂）与装载胰岛素的巯基化CS干凝胶共配制。该研究结果导致酶降解减少70%，通过EpiOral颊组织的渗透增加1.7倍。
5.2.2 化学修饰
化学修饰是通过消除蛋白酶识别位点来保护胰岛素免受酶降解的有效策略。该方法降低表观蛋白水解速率常数并防止活性位点结合。例如，PEG化（PEG链共价附着于肽分子）已被广泛用于改善稳定性和降低蛋白酶敏感性。Tobío等人的研究观察到含PEG的PLA NPs在模拟胃肠液中显示与酶相互作用减少以及酶诱导聚集和降解减少。化学修饰的CS聚合物也被发现为包封蛋白质提供延长的酶降解保护。除PEG化外，其他修饰技术如肽环化、脂化、酰化和氨基酸替换已被探索以增强蛋白水解稳定性。这些方法对PP口服递送特别相关，因为它们是可逆的非共价相互作用，在吸收过程中解离，从而恢复原始分子结构，因此不影响靶结合亲和力。
5.3 黏膜粘附策略
黏膜粘附载体延长蛋白质在黏膜表面的保留时间，从而改善其摄取和生物利用度。这些系统使用通过氢键、静电相互作用、范德华力和疏水吸引等分子间力结合黏蛋白的聚合物。这种效应导致聚合物与黏膜表面延长接触，促进扩散进入黏液层。常用聚合物包括海藻酸盐、聚丙烯酸、硫醇聚合物和CS。CS是一种带正电的多糖，可改善药物吸收。研究表明，用CS包被PLGA NPs增强了鲑鱼降钙素和破伤风类毒素的吸收。Yu等人的研究发现合成的地塞米松–乙二醇壳聚糖（Dex–GCS）缀合物在眼科药物递送中显著延长Dex的保留时间。类似地，Li等人开发了基于CS的NPs用于青光眼治疗中倍他洛尔跨眼黏液屏障的递送。CS赋予的增强黏膜粘附使倍他洛尔在表面可检测保留长达12分钟。Irmukhametova等人的研究通过评估牛眼表面的停留时间比较了合成的巯基化有机硅NPs与PEG化NPs的黏膜粘附性质。他们发现巯基化NPs即使在多次洗涤后也显示显著更大的眼表粘附。在另一项研究中，PCN-222（一种海藻酸钠（SA）包被的MOF）被设计用于精确肠道递送和最小化胃刺激。SA包被可通过胃酸中羧基质子化引起的结构收缩确保内容物保护，并可通过碱性肠道中的去质子化释放内容物。
6. 临床前研究
自胰岛素发现以来，研究人员一直持续努力开发有效的口服胰岛素递送系统。口服胰岛素给药的最初尝试发生在1922年；然而，尽管连续每日给药，该试验未能改善患者代谢。1923年使用酒精增强吸收的后续尝试也被证明不成功。尽管早期受挫，口服胰岛素递送的追求持续存在，由注射胰岛素相关的局限性和挑战驱动。这些研究为现代研究奠定了关键基础，现代研究继续完善基于口服NP的系统。
6.1 脂质基纳米载体
Santalices等人开发了一种结合纳米乳和胶束的纳米系统，用于口服递送疏水修饰胰岛素（HM-insulin）。该制剂掺入Miglyol 812以增加溶解度，牛磺胆酸钠作为渗透增强剂，PEG化磷脂和泊洛沙姆407以促进黏液扩散和稳定系统。该系统实现100%胰岛素结合效率，并在各种生物相关介质中表现出强稳定性。该制剂在猪黏液中显示黏膜粘附性质，并有效与C2BBe1和Caco-2细胞单培养以及Caco-2/HT29-MTX共培养模型相互作用，表明增强细胞摄取和与肠道环境的相容性。共聚焦显微镜证实纳米系统在Caco-2细胞内的内化。健康和大鼠链脲佐菌素（STZ）诱导糖尿病大鼠的体内研究显示肠内给药后血糖水平中度但统计学显著下降（20%–30%），在糖尿病模型中观察到更显著效应。Oyama等人报道了PEG化电荷可逆脂质纳米颗粒（PEG-Ins-LNPs）用于口服胰岛素递送的开发和表征。该制剂在pH 2.0下显示最高胰岛素包封效率，由胰岛素与阳离子脂质DOP-DEDA之间的疏水相互作用和静电排斥驱动。该效率优于中性脂质NPs甚至PLGA基系统。PEG修饰增强NPs在模拟胃肠液中的稳定性，略微增加粒径同时中和电荷，表明成功表面PEG化。体外研究表明PEG-Ins-LNPs在酸性胃条件下抵抗降解，并因其电荷特征促进肠道中的有利摄取。胰岛素释放跨pH环境受控，释放动力学与其他先进NP系统相当。体内研究中，口服PEG-Ins-LNPs显著降低血糖水平至基线水平的60%–70%，糖尿病小鼠中效应持续超过10小时。这种持续释放特征提供潜在治疗优势，通过降低低血糖风险和最小化给药频率。
6.2 聚合物纳米颗粒
巯基化壳聚糖纳米颗粒（TCNPs）代表用于口服胰岛素递送的有前景平台，提供生物相容性和增强黏膜粘附性质。先前研究中使用季戊四醇四（3-巯基丙酸酯）（PETMP）和CS通过酸性条件下席夫碱形成反应合成TCNPs。优化NPs（CS/PETMP比为4:1制备）显示有利理化特征，包括约220 nm粒径、轻微正表面电荷（2.29 mV）和高硫醇含量（119 μmol g?1）。这些性质促进稳定分散、减少聚集，并通过与黏蛋白糖蛋白的二硫键促进与带负电肠道黏液的强相互作用。体外实验中，胰岛素装载TCNPs（Ins-TCNPs）在pH 5.3下显示持续胰岛素释放特征，归因于离子相互作用和硫醇介导的黏膜粘附，而pH 2.0下观察到突释。Caco-2细胞生物相容性研究证实TCNPs在低于1000 μg/mL浓度下无毒，并通过巨胞饮支持其细胞摄取。体内实验中，STZ诱导糖尿病大鼠口服Ins-TCNPs导致血浆中胰岛素持续存在和逐渐持续血糖降低，优于皮下注射胰岛素。X射线成像证实荧光标记TCNPs的延长保留和胃肠道粘附，表明有效黏膜相互作用。此外，组织学检查未显示炎症反应，证实制剂安全性。Lopes等人开发了用于口服胰岛素递送的新型双包被NP系统，通过海藻酸盐/硫酸葡聚糖（ADS）基质核心，首先用CS包被以获得黏膜粘附性质，然后用白蛋白（ALB）作为外层牺牲层。双包被的原理是增强黏膜相互作用和保护胰岛素免受酶降解，ALB作为优先于胰岛素的蛋白酶靶标。该纳米系统表现出强pH敏感行为：体外研究表明约70%胰岛素在模拟胃液中保持包封，表明优异胃保护。转入模拟肠液后，胰岛素以持续方式释放，与NPs在pH 5.5至7.4环境中观察到的形态变化一致。CS和ALB的存在显著改善NPs与肠黏膜的相互作用，并促进胰岛素在Caco-2/HT29-MTX/Raji B共培养单层组成的体外复杂模型中的转运。机制研究表明胰岛素渗透通过网格蛋白介导的内吞发生，如氯丙嗪处理和低温处理时摄取显著减少所证明。此外，氯酸钠预处理抑制胰岛素渗透，暗示与肠上皮带负电糖萼的静电相互作用是摄取的关键因素。
6.3 无机纳米材料
Deng等人报道了胰岛素装载硒纳米颗粒（INS-SeNPs）用于口服胰岛素给药的成功开发和治疗潜力。NPs通过使用亚硒酸钠（Na?SeO?）和还原型谷胱甘肽的离子交联和原位还原配制。INS-SeNPs显示胰岛素保护和降糖双重效应。正常和糖尿病大鼠口服不同剂量（12.5、25或50 IU/kg）INS-SeNPs导致显著剂量依赖性降血糖效应，50 IU/kg剂量在正常大鼠中产生与皮下胰岛素相当的效应。有趣的是，最低剂量（12.5 IU/kg）在糖尿病大鼠中产生延长降血糖反应，表明尽管生物利用度较低（12.5、25和50 IU/kg分别为9.15%、6.75%和4.12%），但药效学改善。空白SeNPs也降低血糖水平21%，强调硒的内在抗糖尿病活性。制剂因素如CS浓度、胰岛素pH（最佳为6.0）和Na?SeO?水平被证明影响粒径和胰岛素装载。重要的是，INS-SeNPs抵抗胃肠道酶降解并在模拟氧化条件下有效释放胰岛素。安全性评估显示无显著毒性，硒摄入保持在可接受人体限度内。Cho等人开发了硫酸软骨素（CS2）包被AuNP系统用于口服胰岛素递送，显示出有前景的理化和治疗性质。在该研究中，CS2双重充当稳定剂和还原剂，产生初始平均直径约48 nm和负zeta电位的AuNPs，胰岛素装载后增加至约123 nm。最终INS装载AuNPs显示窄尺寸分布（PDI 0.18±0.03）、强负表面电荷（?33.69±3.39 mV）和高胰岛素包封效率90.19±3.42%。NPs显示有利粘度（1.52±0.02 cP）并通过表面等离子体共振（SPR）分析确认保持稳定长达7周。Caco-2细胞体外研究显示测试浓度下无显著细胞毒性，支持系统生物相容性。体内实验中，STZ诱导糖尿病大鼠口服AuNPs/INS导致有效血糖调节，优于胰岛素溶液治疗组。值得注意的是，给药后120分钟血浆胰岛素浓度在AuNP治疗组中比胰岛素溶液组高6.61倍。
6.4 金属有机框架
Zou等人开发了Tf包被耐酸UiO-68-NH?纳米MOF系统（T@I@U）用于口服胰岛素递送。值得注意的是，UiO-68-NH?框架在酸性条件下表现出杰出耐受性。例如，在类似胃条件（pH 2）下孵育14天后框架的粒径和形态保持稳定。MOF系统有效保护胰岛素免受蛋白水解降解，暴露于含胰蛋白酶缓冲液后约80%胰岛素保持活性。相比之下，游离胰岛素在1小时内几乎完全降解。该系统显示磷酸盐触发释放行为，模拟胃和肠环境下最小胰岛素释放，但生理磷酸盐缓冲条件下快速释放。Tf功能化MOF还表现出显著增强的肠上皮转运。使用Caco-2细胞，胰岛素装载MOFs显示显著增强细胞摄取和转胞吞，归因于Tf受体介导的内吞。T@I@U的细胞摄取比游离胰岛素高约2.25倍，比非功能化MOFs高1.5倍。此外，NPs防止胰岛素在溶酶体中降解，从而在细胞内转运期间保持胰岛素生物活性。此外，该系统显示增强跨细胞转运，导致渗透系数（Papp）比游离胰岛素增加8.05倍。离体肠道研究进一步证实了跨十二指肠的改善胰岛素渗透。
