化学化工学院 r7RIRg_
博士研究生科学研究计划书 #%pI(,o=
考生姓名: l?E{YQq]
报考专业: MS
nG3]{z
报考导师: )1Y{Q Y}l
职 称: `vU%*g&R
2012年11月20日 ^\hG"5#
-1-一、选题背景及意义 %p Ynnfr
药物缓释指用药后能在较长时间内持续释放药物以达到药效;控释指药物能 ,bZL C
在预定的时间内以预定速度释放,使血药浓度长时间维持在有效范围。药物的缓 ]>W6
bTK
/控释有以下优点:(1)对半衰期短或需要频繁给药的药物,可减少服药次数,使 To\QjP-
用方便。特别适用于需要长期服药的慢性疾病患者,如心血管疾病、心绞痛、高 TC
MCK_SQL
血压、哮喘等;(2)使血药浓度平稳,减缓“峰谷”现象,降低药物不良反应发 -m\u
生的频率和严重程度,提高临床用药的安全;(3)缓慢释放增强药物的有效性, v>6"j1Z
药物在口服或注射后释放出有效成分的速度缓慢,吸收速度也较恒定,药物作用 v|Pv 03%?7
维持的时间较长;(4)增强药物的化学稳定性,某些药物口服后易被体内环境所 ,A9]CQ
破坏,制成缓控释制剂后可按要求定时、定位释放,提高稳定性。 EW}Bz h>b
脂肪族聚碳酸酯是一类重要的可降解生物医用材料,具有优异的生物相容性 UgRhWV~f0
和生物可降解性 $6qh|
>z.
[1] b\ X@gq
,目前已经广泛应用于载药体系、组织工程和特殊医用器材领 xn?a. 3b'
域。传统脂肪族聚碳酸酯通常存在亲水性差、缺少进一步化学反应所需官能团、 QpF;:YX^3
与生物体细胞和器官相容性较差等缺点。解决这些问题的一个主要途径是在聚碳 Tg7an&#
酸酯中引入官能团或者活性生物分子,来调节聚合物的理化和生理性质,包括亲 +*\u :n
水/疏水性、细胞膜渗透率、生物粘附能力、生物相容性和降解性等。功能环状 Vo4,@scG
碳酸酯单体的合成简便易行,通过二羟基/多羟基化合物和三光气或者氯甲酸乙 o m!!Sl 3
酯反应即可实现,产物多为六元环和七元环 $&Gu)4'+
[2-4] hz{`h
。根据二羟基/多羟基化合物的不 #^#PPO
同来源,主要将功能聚碳酸酯分为三大类:(1) 基于丙三醇的环状碳酸酯和共聚 pLl(iNf]
物;(2) 基于二羟甲基丙酸的环状碳酸酯和共聚物;(3) 基于季戊四醇的环状碳 pk>^?MO
酸酯和共聚物。除此之外,还有基于L-酒石酸、多糖、1,3-二羟基丙酮和氨基酸
mR!1DQ.\<
等合成的功能聚碳酸酯 [.K1iZyTi
[5] y$;/Vm_'
。 _qU4Fadgm
两亲性高分子在水溶液中可通过自组装形成球状、圆柱状和囊泡三种形态, 3W V"U
疏水部分可促进水溶性较差类药物的溶解,同时“核壳”结构在人体内能对负载 Fzm*Pz3
的药物起到一定的保护作用。通过设计高分子的结构还可以实现药物的平稳释 |Yx~;q:
放、靶向释放、刺激响应释放等功能,因此开展药物的控/缓释载药体系研究具 {GvJZ!,RCg
有重要意义。 7 G)ZN{'
-2-二、研究现状 ^0Zf,40
多数抗癌药物水溶性差,目前普遍采用DMSO,CremophoreEL,Tween80 X3(tuqmi
等表面活性剂来溶解药物,但是这些溶剂会损害人体的肝肾并可能引起严重过敏 yZAS# ko}}
反应 rUTcpGH
[6] XWDL5K
。此外,依靠表面活性剂来溶解抗癌药物通常稳定性较差,全身给药后会 xP_cQwm`1
发生药物沉降而导致无法发挥药效,因此需要发展新型抗癌药物负载。 +\x,HsUc"
研究发现,在高分子“核壳”载药体系中引入与药物结构相似,具有相容性 >u>5{4
的“核”结构,会提高载药量并延长药物在载药体系中的保留时间 \$R_YKGf1G
[7-9] hZdoc<
,葫芦素 ><RpEnWZ<
(Cucurbitacin)是一类高度氧化的四环三萜类化合物,具有抗肿瘤、抗化学致癌、 9 *xR6
消炎等多种生物活性,与胆甾醇化学结构类似。基于此,Mahmud R$v[!A+:'
[10] ?U%QG5/>
等合成了含 j
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有胆甾醇侧基(位于PCL链段中)的共聚物MePEO-b-PChCL、含有苄氧羰基侧基 yUeCc"Vf
的共聚物MePEO-b-PBCL以及不含侧基的MePEO-b-PCL,对比研究了三种载药 '>NCMB{*
体系的CuI载药量和控释行为,见图1.4。结果发现MePEO-b-PChCL对CuI的 ~Uj=^leYO
溶解性最好并且载药量最多,但只能对药物初期释放进行控制(~1h),1h后药 +j#+8Ze
物控释行为和MePEO-b-PCL几乎相同,没有呈现出预期最好的控释行为。相比 Z|%_&M
之下MePEO-b-PBCL的药物控制效果最好,研究者认为是由于胆甾醇侧基体积 dFRsm0T
较大并且排列较密,使得空间位阻增大,限制了胶束“核”中胆甾醇侧基与药物 63^O|y\W8
的相互作用,导致“核”粘度较低从而无法控制药物的释放行为。 Nc1"g1JR
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图1.1两嵌段共聚物MePEO-b-PChCL的合成 ^X0P'l&D2
Fig.1.1SchemeforthepreparationofMePEO-b-PChCLblockcopolymer. `Zf^E
>)
为提高在血液中两亲性聚合物载药胶束的稳定性和载药量,可将壳、核壳界 K!:azP,bZ
面或者核进行化学交联 e^d0zl{
[11,12] TFH \K{DM
。但由于交联过程复杂,以及对聚合物载体结构性能 wLmhy,
-3-和后续药物控制释放的影响不确定性,此法的应用受到限制。Li nTuJEFn{
[13] eb.O#Y
等用含端羟基 `!XY]PI+e
的PEG为大分子引发剂,DBU为催化剂通过开环聚合制备了嵌段共聚物 ad.3A{
PEG-b-PBC;在室温下通过Pd/C催化将PBC中苄氧羰基还原为羧基,得到了侧 %C$%!C
链含有羧基活性官能团的聚合物PEG-b-PCC;再采用EDC/HOBT作为脱水剂和 Ey_" ~OB
催化剂将十二烷醇连接在PEG-b-PCC上,得到PEG-b-PCD(接枝效率高达95%), e}C
if2#d~
见图1.2。PEG-b-PCD结构中,十二烷醇连接到聚碳酸酯主链上,产生了类似核 H$@`,{M629
壳界面交联的结构,提高了疏水核的稳定性;此外药物恩贝宁具有和十二烷醇相 Y
]NSN-t
似的长链脂肪端基,从而可与PEG-b-PCD中的PCD末端基发生作用,提高相容 !_`&Wks
性。这两因素协同作用大幅度提高了恩贝宁(Embelin)的载药量和载药效率。实验 ,$+lFv3LE
结果显示,PEG-b-PCD对恩贝宁的体外释放有明显控制作用(PEG114-PCD29和 /a^1_q-bX
PEG114-PBC30 药物半衰期分别为12h,4h),对前列腺癌细胞的繁殖有明显的抑 V=zi
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图1.2聚碳酸酯骨架、PEG亲水壳和十二烷醇疏水核构成两亲性聚合物 e5OsIVtjr
Fig.1.2Schematicillustrationoflipopolymerwithpolycarbonatebackbone,hydrophilicPEG e{KByFl
coronaandhydrophobiclipidcore. -_<}$9lz
目前为止,绝大部分两亲性聚合物形成的载药胶束体系都是采用PEG为亲 3
E3qd'
水性外壳,研究人员通常是改变疏水内核来进行相关研究。PEG作为载药体系 $
z$u{
与人体内部生理环境直接接触部分,能够防止载药体系被人体内部细胞吞噬和摄 g/&T[FOr
取 R@wjccu
[14,15] F|&{Rt
,这对于药物输送具有重要意义。但是当药物释放后,残留的PEG在人 ^{\<N()R
-4-体内不能通过水解作用降解为小分子,只能通过排泄系统排出。考虑到PEG存 >5wx+n)/)
在的这一问题,有必要发展代替PEG的新型可降解亲水性胶束外壳。武汉大学 gh>>Ibf
钟振林课题组 :aG#~-Q
[16] ZbT/$\0(6
以DTC和BTMC为单体,设计合成了含有亲水性链段的三嵌 ~Aq5XI%i
段共聚物(PHTMC-b-PDTC-b-PHTMC),嵌段组成均为可降解的聚碳酸酯;并且 5qf
BEPJ
PHTMC嵌段上含有大量羟基官能团,为后续连接各种功能化的生物活性分子提 Sggq3l$Qc
供了反应位点,见图1.3。 H
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图1.3以PHTMC为亲水外壳的两亲性聚合物载药体系示意图 nf%4sIQ*x
Fig.1.3SchematicillustrationofamphiphiliccopolymerwithPHTMChydrophiliccorona. ')PVGV(D+
阿霉素(Doxorubicin,DOX)是目前临床上广泛使用的非特异性抗肿瘤药物, ]YD(`42 x
通过抑制RNA、DNA和大分子的生物合成杀灭癌细胞,因此将抗肿瘤药物直 I
,FqN}
接输送到癌细胞的细胞质和细胞核中是提高药效的关键。谷胱甘肽是一种广泛存 x(r+P9f\<
在于动物细胞中的三肽(Glu-Cys-Cly),在生物体内的氧化还原反应中起着重要的 %JoxYy-
作用,但在细胞质内含量(2~10mM) Z(!pYhLq
[17,18] >2-F2E,
远高于在细胞外含量(50~1000倍) a>Re^GT+z
[19] wa3F
, $iJnxqn
基于此可设计出含二硫键(-S-S-)的生物还原型载体作为药物的输送工具。苏州大 ;~tsF.=
学钟志远 #vnT&FN0[
[20] E[S' :Q
课题组合成了以二硫键(-S-S-)相连接的葡萄聚糖(Mn=6000)亲水壳 =:5<{J OG
-5-与PCL疏水核的两亲性聚合物Dex-SS-PCL,研究了细胞对药物的摄取和在细胞 1Ii| {vR
内药物的释放行为。结果表明,Dex-SS-PCL在细胞外非还原性环境中能保持较 =P_fv
好稳定性,进入细胞内还原性环境后能快速释放药物至细胞质及细胞核中,起到 0$Ff#8
消灭癌细胞的作用,见图1.4。 IQ{?_'
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图1.4亲水葡萄聚糖外壳在细胞内谷胱甘肽还原下脱落示意图 a.1`\$]d
Fig.1.4Illustrationofdextranshellsareshedoffbyintracellularglutathione. 4^`PiRGt
为了进一步提高载药量和控制药物释放,董常明 @N]5&4NL
[19] >Rr!rtc'x
等将溶胶凝胶技术和含有 /jvOXS\M
二硫键的生物还原型载体相结合,制备了一种新型的核中心交联两亲性载药体系
Hl!1h%
TMS-PCL-SS-PEO,见图1.5。结果表明,相比于核中心未交联的胶束,交联胶 *J.c $1#h
束的载药量和载药效率提高了一倍左右;体外释药实验采用10mMDTT模拟细 ?${V{=)*X'
胞膜内还原环境,交联和未交联的载药胶束均表现出更快的释药行为,并且交联 0}6QO
胶束能更好地控制初期药物突释。 S'|lU@PCl
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-6-图1.510mMDTT中未交联与核交联胶束的药物释放 S4aHce5PXA
Fig.1.5Reduction-triggereddrug-releaseofuncrosslinkedandcore-crosslinkedDOX-loaded O=!)})YG
micellesin10mMDTT. Bp=oTCG
为了实现对病变细胞的靶向识别能力,提高药物效率,降低副作用,还可以 ,&zjOc_v
在载药体系结构中连结上生物活性分子。研究发现,叶酸受体(FRs)是一种糖基磷 JYVxdvq1
脂酰肌醇(GlycosylPhosphatidylinositol,GPI)锚定的膜蛋白,能与叶酸特异性结合。 J;Z>fAE7
叶酸受体在人体许多实体肿瘤细胞膜表面高度表达,而在正常组织中低表达。由
uZ=UBir
于叶酸可被癌细胞表面的叶酸受体通过介导内吞摄取,所以通过将叶酸分子连接 @FnI?Rx
在聚合物输送载体上,有望实现对癌细胞的靶向释药。Hu I!soV0VU]
[21] Gn2
bZ%l
等把DL-丙交酯 6iV"Tl{z-
(DLLA)与含烯丙基的碳酸酯单体MATMC共聚得到含有碳碳双键官能团的聚合 N8MlT \+r
物,然后将巯基化的叶酸通过“ClickChemistry”连接到聚合物链上,得到含活 &[2Ej|o
性生物分子的功能聚碳酸酯,见图1.6。研究了猴肾细胞在聚合物上的粘附与增 +i
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殖行为,结果发现细胞在叶酸接枝聚合物表面的粘附与增殖能力都有提高,可作 skC|io-Zv
为靶向释药载体。 4HJZ^bq9|
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(iii) jsuQR
图1.6含有叶酸分子的P(LA-co-MAC)/FA合成步骤 =uHTpHR
Fig.1.6SchemeforthepreparationofcopolymerP(LA-co-MAC)withbioactivefolicacid d%WFgf}
三、研究内容及创新点 \o/oM,u
1.设计具有新型亲水外壳、功能疏水内核,并且能在细胞内环境刺激下释放药 d<y
B ~Y
物的载药体系。亲水性外壳采用含羟基的可降解聚碳酸酯,内核含有与输送药物 FK-
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结构相似的疏水侧基,核壳之间通过二硫键连接,示意图见图1.7。
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-8-Self-assemble 7,v}Ap]Pa
图1.7设计聚合物合成示意图 S.)+C2g,@
Fig.1.7Schemeforthepreparationofdesignedcopolymer Zqp<8M2
结构中外壳为聚HTMC,含有大量的亲水性羟基,在体内酯酶和水解酶作用 /c4@QbB
下可以降解为CO2,有望避免PEG在体内不能降解的问题,但其对于疏水内核 `@tnEg
中药物的保护作用还有待验证;疏水内核结构中含有胆甾醇侧基,具有良好地细 Cg]Iz<<bE
胞亲和性和相容性;胆甾醇和葫芦素具有相似的结构,并且通过在胆甾醇上引入 sI,S(VWor
柔性烷基链,可降低核内胆甾醇的位阻效应,两者协同作用有望大幅度提高载药 (\qO~)[0
量以及药物在核内的稳定性;核壳交界面由二硫键连接,载药体系进入细胞后在 KD(}-zUs
还原型谷胱甘肽作用下,内核自动脱落,快速释放出药物,可避免药物与核由于 C)H1<Br7
较强的相互作用而引起药物难以释放的问题。进一步研究,还可以改变内核连接 um5n3=K
不同的生物活性分子,使载药体系具备靶向输送不同类型药物的功能。 9$iDK$%
2. 溶致液晶(Lyotropicliquidcrystal,LLC)是由两亲性分子和溶剂组成的体系,具 >cdxe3I\
有自组装形成有序结构的功能。对于表面活性剂分子形成的有序聚集体的相转变 y5!fbmf
通常用Israelachvil B098/`r
[22] cy%S5Rz
等提出的临界堆积参数(CriticalPackingParameter)理论来解 wMx#dP4W8
释,表达式为CPP=V/a0l,其中V是表面活性剂分子的疏水链体积,a0是表面 [m+):q^
活性剂分子极性头基的平均分子截面积,l是表面活性剂分子疏水链的平均链长。 o)U4RY*
当CPP<1/3时,两亲分子在溶剂中形成球形胶束(L1);当1/3<CPP<1/2时, /l.ox.4z#
两亲分子在溶剂中形成六方相(H1);当CPP=1时,两亲分子在溶剂中形成层状 {wS)M
结构(Lα);当CPP>1时,两亲分子在溶剂中形成反相胶束(L2)、反六方相(H2)和 5;4bZ3e,0
反立方相(Q2),见图1.8。 c:OFBVZ
-9-图1.8溶致液晶自组装示意图和相应的临街堆积参数 2g`<*u*
[23] ,T<q"d7-#
Fig1.8Schematicofsomeofthepossibleself-assemblystructuresandtheircorresponding &40# _>W7
packingfactors. V
W2+ Bs}
研究认为,在涉及磷脂双分子层结构重排,例如膜融合/分裂、脂类跨膜运输 ))xyaYIZkk
等生理现象中,反六方相作为中间过渡物起到重要作用。因此近十多年来,具有 rq]zt2
有序纳米尺度孔径的反六方相作为药物输送载体受到广泛关注 mR|;}u;d
[24-26] !\(j[d#
。例如,反六 or)v:4PXW
方相结构中包含内部的亲水道和外表面的亲油层,能够同时溶解包裹亲水性(如 dF#`_!4pbf
维生素C)和脂溶性药物(如维生素E) W5c?f,
[27] 9=FqI50{
;与某些特定的多肽结合后具有较好的经
}s>.Fh
皮给药效果,有望成为多肽和蛋白质类药物的新型载体 7{fOo%(7
[28] UU;U,q
;利用溶致液晶有序结 !YZ$WiPl
构随温度、pH变化具有不同药物释放速率的特点,可以设计出响应型的载药体 EH2
a
系,对药物在人体内释放实现温度、pH值等更加精确的控制 D$&LCW#x
[29,30] >x0)
,见图1.9。人 X) O9PQ
体本身作为一个精密复杂的液晶体,与溶致液晶载药体系应该会有更好的生物相 Mb
+
容性和智能生物响应性,再赋予其可生物降解的功能,有望实现药物智能控/缓 tY>_+)oi
释领域的突破。 -Rcl(Q}LZ
-10-图1.9温度响应型溶致液晶不同温度下的葡萄糖的释放曲线(a) y G~7Xo5
[29] <JkmJ/X
pH响应型溶致液晶在体内 }(-2a*Z;Y
的聚集态改变示意图(b) =E~)svl6g
[30] S)L(~N1
Fig.1.9Dynamicreleaseprofiesforglucosefromphytantriolwithchangingtemperature(a)
J~=tR1k
schematicsoftheproposedpH-responsivedrugdeliverystrategyacrossthegastrointestinal \[MQJX,dn
tract(b). '|~L9t
四、研究方法及可行性 y%NZ(Y,v
1. 对于设计具有新型亲水外壳、功能疏水内核,并且能在细胞内环境刺激下释 p+
7ZGB
放药物的载药体系,单体的制备较易实现,后续的聚合条件经过摸索应该也可以 "H"4]m1Wc
解决。单体、聚合物的结构与性能以及自组装形态可采用FT-IR、 _1EWmH
Z?
1 :0o,pndU
HNMR、DSC、 F4$N:Jkl
DLS、GPC、WXRD、TEM来表征;药物的释放行为可采用UV-Vis进行研究。 yD\[`!sWk
2. 对于新型的溶致液晶载体,可采用SAXS、POM、DSC、UV-Vis、ATR-FTIR /~nPPC
等来进行研究,具体的应用方法还需要通过查阅文献进一步了解。 +w(>UBy-
预计可获得的成果 }+3v5Nz;
1. 获得具有良好生物相容性、生物响应性和靶向识别功能的两亲性载药体系, jJU9~5i?
实现药物的高负载量,提高对药物释放的控制能力; 9EI Oa/*
2. 利用溶致液晶对温度,pH独特的响应特点,研究智能化的高效载药体系,实 !W?6,i -]
现药物的可控精准释放 u?-
X07_
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