聚合物调控下纳/微给药系统差异性药物释放基础及实验研究

摘要

转化医学是沟通基础研究和临床应用间的双向桥梁。恶性肿瘤是威胁人类生命的主要疾病。手术切除、化学治疗和放射治疗是治疗肿瘤的主要方法。其中,化疗具有应用广泛,可全身性治疗、抑制肿瘤复发及转移等优点,是目前最常用的肿瘤临床治疗方法。肿瘤异质性、复杂的发病机制及多药耐药性是影响肿瘤化疗疗效的主要因素。联合给药可通过将多种药物同时递送到肿瘤作用靶点,发挥不同药物间协同增效作用。药物间不同作用靶点需要不同的药物释放行为,这就需要对双载药递送系统的药物释放行为进行时序性、差异性控制,以满足肿瘤临床治疗的需求。
　　体内发达的血管网络,为细胞的生长繁殖提供了必需的养料和氧气,同时排出代谢废物。由于肿瘤快速的增殖能力,使得肿瘤组织里有大量新生血管形成,而这些新生血管也为肿瘤的化疗提供了潜在的靶点。临床上,可将抗血管新生药物和抗肿瘤药物联合使用,然而两类药物的释放行为需要进行有效的调控。肿瘤新生血管的过度清除,一方面会影响抗肿瘤药物通过脉管网络进行肿瘤组织内部;另一方面会使肿瘤组织内部形成低氧微环境,诱导低氧诱导因子(HIF-1α)过度表达,从而促进肿瘤转移、增加抗药性。因此,如何设计并制备满足临床需求的给药系统是亟需解决的问题。聚合物载体材料以多种形式构建成为给药系统,并影响药物的控制释放行为。本文结合介观分子动力学、肿瘤生物学、药剂学、材料学、力生物学等综合学科,借助现代计算机模拟技术,对核壳双药纳米载体中,纳米药物释放过程进行模拟,为多药纳微给药系统的设计提供理论参考;采用同轴静电电喷技术,设计并构建双载药核壳纳米粒,并对纳微层次药物间差异性、时序性释放过程进行研究;同时,基于肿瘤病灶组织分布的特点,在静态多细胞共培养模型基础上,设计并构建可加载剪切应力,基于肿瘤病灶组织血液流场微环境的药物体外评价模型,完善肿瘤化疗多药纳米粒的体外药效评价。
　　本文的主要内容和结果:
　　选择核壳双层纳米粒为载体模型,基于分子动力学(MD)基本理论,应用耗散粒子动力学(DPD)方法,理论分析药物分子释放的主要过程。研究发现:药物分子与载体聚合物分子的相互作用力是影响药物分子释放的主要因素。由于药物分子与聚合物分子、与溶剂分子间的相互作用力不同,药物分子在模拟体系中有不同的行为,其中疏水药物分子和疏水聚合物分子可相互聚集成束,而亲水性药物分子则无规则分布于体系中。疏水性越强的聚合物分子对亲水药物包裹效果越好;对疏水药物,宜选择疏水性与药物相近的聚合物分子,从而避免药物突释。药物分子与聚合物分子数量比例也会影响药物释放。在多药载药系统中,亲水药物和疏水药物联合装载,可获得显著的差异性释放行为。核壳结构纳米粒中,不同的药物分子可分布于不同的物理位置,使得药物分子释放所经的路径及聚合物体系不同,造成了释放行为的差异。因此,在设计差异性载药纳米粒时,一方面可通过筛选不同的载体材料,通过不同的聚合物分子与药物分子间的作用力,调控药物分子的释放;另一方面可通过改变药物的装载位置分布与装载量,实现药物间差异性释放行为。
　　以DPD分子动力学模拟研究为指导,筛选疏水性聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)为外壳聚合物材料,以疏水性聚己内酯(PCL)、亲水性聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为核心材料,设计并构建亲水核心-疏水外壳(PVP/PLGA)以及疏水核心-疏水外壳(PCL/PLGA)两类核壳纳米粒。应用同轴静电电喷技术,通过对芯壳流速比、电压和接收距离等电喷主要工艺进行优化,利用光学显微镜、扫描电子显微镜观察纳米粒的外观形貌,透射电子显微镜、荧光共聚焦显微镜观察纳米粒的核壳双层结构,并对纳米粒的粒径分布进行检测。利用优化后的同轴静电电喷工艺参数,以罗丹明B(RhB)和萘普生(Nap)为亲水性和疏水性模型药物,设计单载药纳米粒、双载药核壳纳米粒,并通过调换药物装载位置、改变药物初始载药量,实验验证聚合物、药物分子种类及分子密度对载药纳米粒释药行为的影响。结果证实:药物与聚合物材料分子间的作用力是影响药物释放快慢的主要因素;筛选的PVP/PLGA和PCL/PLGA载药纳米粒,可实现药物差异性释放,与模型模拟结果一致。此外,所载药物分子量大小、与溶剂分子的相容性以及初始载药量也会影响药物释放。因此,可通过改变药物的装载位置、选择与药物分子亲和力相异的聚合物分子或改变药物初始载药量,调控不同药物释放行为,以实现药物间差异性释放控制。
　　肿瘤的血管新生与肿瘤的增殖与转移有密不可分的关系。以肿瘤新生血管为化疗药物的靶点正日益受到人们的关注。本文筛选以肿瘤新生血管为作用靶点的临床化疗药物康普瑞汀(CA4)、以及肿瘤细胞为靶点的盐酸阿霉素(Dox)为模型药物,将两种药物分别装载进PCL/PLGA、PVP/PLGA电喷颗粒的外壳和核心,两种载药纳米粒在体外均可以获得药物间差异性释放。为真实反映药物在体内传质过程,本文在传统的静态细胞共培养系统基础上,结合平行流动腔,设计并构建药物在体评价模型,以人黑色素瘤细胞B16-F10和人脐静脉内皮细胞EA.HY926为模式细胞对载药纳米粒进行在体水平上药效学分析。载药纳米粒中CA4和Dox在72h内可以有效的抑制细胞增殖,载药纳米粒对细胞生长的抑制呈现时间-浓度依赖性。比较单细胞培养系统、静态细胞共培养系统和动态细胞共培养系统中载药纳米粒诱导细胞凋亡率发现:动态细胞共培养系统中,细胞凋亡率显著上升,且随时间的延长而增加;肿瘤细胞中,HIF-1α和VEGF的蛋白量呈现不同程度的降低。低剪切力的加载有助于载药纳米粒穿过内皮细胞层,促进药物释放。PVP/PLGA纳米粒内化疗药物比PCL/PLGA纳米粒释放更早,药物释放量更大、细胞凋亡率更高、蛋白表达率更低。
　　对化疗药物从纳微载体中的释放过程和规律进行研究,寻求能同时装载多种化疗药物,具有靶向性、低毒性的新型纳微给药系统,并可获得满足临床需求的药物差异性、时序性释放行为具有重要的意义。本文基于分子动力学、耗散粒子动力学理论,理论分析药物分子运动及释放主要过程,建立了微纳尺度药物分布及释放模型。该模型可预测药物释放行为,并为多药给药系统设计及构建提供理论指导。根据理论模型,筛选聚合物载体材料,利用优化后的同轴电喷技术工艺,制备差异性药物释放多药给药纳米粒,并通过对不同载体材料及载药量对纳米粒体外释药行为影响的研究,获得了调控药物间不同差异性释放行为的方法;同时,基于体内微环境,构建了模拟生理调节的细胞模型,进行双载药纳米粒药物差异性释放行为的研究,与传统静态模型相比,该模型可反映双载药纳米粒在血液流动状态下,药物的释放及传质过程,使药物的差异性释放特性更接近在体情况。

目录

封面

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目录

1 绪 论

1.1 科学问题的提出及研究意义

1.2 课题的主要内容和技术路线

2 纳米药物释放分子动力学基础理论及模拟

2.1 引言

2.2 模拟软件

2.3 基础理论与方法

2.4 差异性药物释放模型

2.5 珠子密度对载药系统形态影响

2.6 载药聚合物筛选

2.7 小结

3 同轴静电电喷技术制备核壳纳米粒

3.1 引言

3.2 材料与仪器

3.3 实验方法

3.4 实验结果与讨论

3.5小结

4 载药纳米粒差异性释放研究

4.1 引言

4.2 材料与仪器

4.3 实验方法

4.4 实验结果与讨论

4.5小结

5 双载药纳米粒的构建及表征

5.1 引言

5.2 材料与仪器

5.3 实验方法

5.4 实验结果与讨论

5.5小结

6 细胞共培养模型评价载药纳米粒药效学研究

6.1 引言

6.2 材料与仪器

6.3 实验方法

6.4 实验结果与讨论

6.5小结

7 全文结论与后续工作建议

7.1 全文的主要结论

7.2 后续工作建议

8 综述1静电射流技术的原理与应用

8.1 引言

8.2 静电射流技术原理及工艺参数

8.3 同轴静电射流技术原理及工艺参数

8.4静电射流技术的应用

9 综述2 纳微多药给药系统的设计与研究

9.1 引言

9.2 多药给药系统的设计

9.3 多药给药系统的研究现状

致谢

参考文献

附录