用于提供靶向结肠的口服胰岛素的被微生物群激活的生物可降解共价基质和获得这些基质的方法与流程

发明领域

本发明涉及由阿魏酰阿拉伯木聚糖胶凝化形成的共价生物材料，该材料是可生物降解的并允许靶向结肠的经口胰岛素施用。本发明还包括用于制备在生物医学或制药行业中酶促使用的共价交联颗粒的方法。

相关技术的描述

胰岛素是一种治疗糖尿病患者所需的激素，但其皮下施用途径是一种痛苦的侵入性疗法；此外，它还可能引起副作用，如低血糖、过敏和脂肪代谢障碍(rekhaysharma，2013年)。由于这个原因，全世界都在寻求这种治疗肽的替代和非侵入性施用途径的策略。胰岛素的经口施用具有巨大的潜力，原因是特异性递送到结肠中具有令人感兴趣的特征，如长停留时间、降低的蛋白水解活性和自然吸收特性(yang等人，2002年)。然而，经由该途径成功递送胰岛素需要克服生物屏障，如在通过上部胃肠道(ugi，胃和小肠)时的酶促降解，并且当其到达特定的吸收部位时需要保持生物活性。为了克服这些屏障，多项研究集中于设计允许将胰岛素包封并受控释放到结肠中的基质。

近年来，作为开发用于口服胰岛素受控释放的系统的策略，已经广泛研究了胰岛素在基于多糖的基质中的包封(owens，2002年；khafagy等人，2007年)。此外，多糖易受微生物群的降解，这一特征允许开发结肠特异性递送系统(gibson等人，1995)。在现有技术中，有一些出版物引用了用于开发包封系统和使胰岛素在结肠中释放的多糖，如壳聚糖、果胶、瓜尔胶、菊粉和葡聚糖等(liu等人，2008年)。然而，这些策略中的大多数都具有在某些ph和离子强度条件下稳定性有限的缺点，因此它们被化学改性或与疏水性聚合物组合(coviello等人，2007年)。而且，许多策略需要使用有机溶剂和高温，这些方面都极大地限制了这些系统的使用。

这些系统的替代方案是使用能够以酶促方式形成共价凝胶的多糖。与大多数多糖不同，阿魏酰阿拉伯木聚糖(fax)能够以酶促方式形成共价基质，这是一种使得它们不可逆的特征(izydorczyk和biliaderis，1995年)。因此，温度变化、离子强度和ph对它们几乎没有影响(carvajal-millan等人，2005年，2006年)。共价凝胶通常很强，它们快速形成并且不会被上部胃肠系统降解。基于以上内容，在过去10年中，仅报道了将fax用于用来捕获诸如蛋白质(carvajal-millan等人，2006年)、益生菌(morales-ortega等人，2014年)、番茄红素(hernandez-espinoza等人，2012年)、双氯芬酸(iqbal等人，2011年)和甲基黄嘌呤(iravani等人，2011年)等分子的模型。这些研究的重点是确定凝胶结构对捕获不同分子的能力的影响。

此外，由于在给药过程及其半自动化制造期间的优点，最常报道的是，将捕获在颗粒(珠粒、微球、微囊)上用于经口施用的生物活性化合物的释放。在开发本发明之前，还没有关于在fax颗粒上包封生物活性胰岛素以在结肠中靶向释放的信息。这是因为用于制备具有其他多糖的颗粒的可用方法基于离子凝胶化、与合成或疏水性聚合物的组合、或通过聚合物沉淀。然而，fax是中性和亲水性多糖，不能通过上述技术形成。因此，本发明人开发了一种将胰岛素包封在通过酶促凝胶化过程获得的fax颗粒中的方法，该方法允许有效捕获生物活性胰岛素及随后在结肠中释放。

技术实现要素：

本发明的目的在于由凝胶化阿魏酰阿拉伯木聚糖形成共价生物材料，该生物材料是可生物降解的并且使得可以经口施用胰岛素以导向结肠。本发明还包括酶促制备共价交联颗粒的方法。

这通过产生用于在结肠中释放胰岛素的可生物降解的生物材料的过程来实现，该过程包括：(a)提供具有胶凝化能力的阿魏酰阿拉伯木聚糖；(b)制备浓度为约1-10％的阿魏酰阿拉伯木聚糖的水溶液；(c)制备交联剂的水溶液；(d)制备胰岛素水溶液，胰岛素/阿拉伯木聚糖的比率在0.6至0.25(w/w)之间；以及(e)通过电喷雾或手动阻塞产生共价交联的含胰岛素的颗粒。

附图说明

图1是通过对由冻干法形成的具有脱水胰岛素的axf共价微球进行光学显微术(a)和扫描电子显微术(b)获得的图像。可以看到形状和大小。

图2是通过激光显微术获得的图像，胰岛素局部分布在fax的共价微球中。对胰岛素进行罗丹明染色以观察其分布和聚集体大小。

图3a、图3b和图3c是通过对从体外人胃肠道(shime)模型中回收的fax共价微囊进行光学显微术获得的图像。在shime的不同区段中相对于暴露时间观察基质降解：2小时后的胃(图3a)、6小时后的小肠(图3b)、6小时后的升结肠(图3c)和12小时后的升结肠(图3d)。

图4a、图4b和图4c是在由结肠微生物群进行体外降解过程后通过对fax共价微球进行扫描电子显微术获得的图像。可以观察到与微生物群的作用相关的基质降解效应产生的空腔。放大350倍。

图5a和图5b是显示fax共价基质的体内评价的图形。(图5a)血糖水平降低，(图5b)大鼠血清胰岛素浓度。

具体实施方式

本发明涉及由凝胶化阿魏酰阿拉伯木聚糖形成的共价基质，该基质是可生物降解的并允许靶向结肠的经口胰岛素施用。如本文所用，术语“基质”是指通过共价键交联的fax凝胶，其形状为颗粒(球形或胶囊)，平均大小为纳米级(例如，纳米球；10-999nm)、微米级(例如，微球和微囊；1-999μm)或毫米级(例如，珠粒；1-999mm)。这些系统的平均大小可以通过本领域专家已知的并且例如在下面的实验部分中描述的标准程序来测量。平均粒度主要受fax的胶凝化能力以及颗粒形成条件(fax浓度、交联剂浓度和它们之间的比率)的影响。

所谓术语“fax”是指阿魏酰阿拉伯木聚糖，也称为戊聚糖，它们是非淀粉或半纤维素多糖。fax是天然存在的聚合物，其由β-(1→4)-d-吡喃木糖单元的线性链组成，具有α-l-阿拉伯呋喃糖的分支。鉴于阿拉伯糖是木糖链的主要取代基，支化水平可以通过阿拉伯糖-木糖(a/x)比确定。通常，a/x的程度在0.36至0.85、优选0.6至0.85的范围内。axf结构的一个特定特征是存在通过酯键与阿拉伯糖共价连接的阿魏酸残基，根据本发明的优选实施方案，这些阿魏酸残基可以在0.02与20μm/mgfax之间变化。胶凝的能力和fax的凝胶特性取决于fax的结构特征，如分子量、a/x比和阿魏酸含量。用于制备本发明的fax基质的fax具有60与2000kda之间、优选100与600kda之间的分子量，以及上述a/x范围和axf含量。所用的fax从玉米中提取，但小麦、大米、大麦、黑麦、黑小麦、香蕉、竹子和据报道是阿魏酰阿拉伯木聚糖来源的其他植物组织也可用作来源。

根据本发明，用于制备如前所述的fax颗粒的过程包括：(a)制备阿魏酰阿拉伯木聚糖的水溶液，(b)制备交联剂的水溶液，(c)制备胰岛素的水溶液，(d)制备共价交联的含胰岛素的颗粒。下面列出了实施本发明的每个步骤。

(a)fax的水溶液

作为本发明过程的初始部分，溶解fax的步骤在水溶液中以1与10％(w/v)、优选4与6％(w/v)之间的浓度以3与6之间、优选5的ph在室温(20-25℃)下使用2至4小时的温和搅拌(60-90rpm)来进行。该步骤允许fax链交联形成凝胶。为了降低ph，使用0.5m的ph在3与6之间的乙酸钠缓冲溶液。也可以使用0.5m的ph在3与6之间的柠檬酸钠缓冲溶液、或稀盐酸。

(b)交联剂的水溶液

本发明的第二步是制备交联剂溶液。如本文所用，术语“交联剂”是指所有变色栓菌(trametesversicolor)漆酶和其他来源的具有相似催化性质的酶(1,2-苯二酚:氧氧化还原酶)。交联剂的变体是使用过氧化物酶和锰过氧化物酶。交联剂溶液通过在0.1m乙酸钠水溶液中在3至6、优选5的ph下30至1.67nkat/μl之间、优选16.64至5nkat/μl之间的催化活性制备。为了降低ph，使用ph在3与6之间的0.5m乙酸钠缓冲溶液。也可以使用0.5m的ph在3与6之间的柠檬酸钠缓冲溶液、或稀盐酸。交联剂使得fax链发生交联，从而形成网状物，胰岛素或生物活性分子可以插入其间且随后释放。

(c)胰岛素的水溶液

如本文所用，术语“胰岛素”是指人重组胰岛素以及具有相似物理化学性质和生物活性的胰岛素类似物。通过与谷氨酸的聚集来制备胰岛素溶液。谷氨酸可形成较小的胰岛素-谷氨酸聚集体，这些聚集体在ph大于6时可逆。将胰岛素/fax(w/w)比率为0.06至0.25的胰岛素溶于稀盐酸溶液中，优选以0.025m(总体积的15％)的浓度，随后添加40至55m的谷氨酸溶液(总体积的85％)，在室温(20-25℃)下恒定搅拌(60-100rpm)15至30分钟。

(d)制备具有胰岛素的fax颗粒

本发明的第四步是制造载有胰岛素的fax基质，其可以通过以下方法进行：1)将胰岛素直接溶解在fax溶液中，随后在将混合物挤出到疏水床上后添加交联溶液，并静置直至达到颗粒基质的成熟；2)通过使用三轴系统的电喷雾技术。三轴注射器由三根不锈钢毛细管组成，对于毛细管a，外径和内径(od和id)在0.4-0.5mm(id)/0.7-0.8mm(od)之间变化，对于毛细管b，在1-1.3mm(id)/1.6-1.8mm(od)之间变化，对于毛细管c，在2.3-2.5mm(id)/3-3.2mm(od)之间变化；优选地，毛细管a为0.4mm(id)/0.711mm(od)，毛细管b为1.19mm(id)/1.65mm(od)，毛细管c为2.39mm(id)/3.05mm(od)。使用注射泵以恒定的流速将步骤c、a、b的溶液分别注入毛细管a、b和c中。注射胰岛素溶液、fax和酶的流量分别为1、1和2ml/min。针尖与疏水液体之间的距离在1至5cm之间变化，优选5cm。疏水液体的搅拌速率在100至1000rpm、优选600至800rpm的范围内。制备基质后，将具有基质的疏水性液体以低于300rpm的速度在4℃下摇动3至6小时的时间段，从而使基质固化。此后，通过过滤回收基质并用植物油连续洗涤三次。如在本发明中所用，术语“疏水床”是指矿物油或具有相似物理化学特征(例如密度)的油性物质。

接下来，描述表现出本发明的特征和优点的一些说明性实施例。

实施例

实施例1：具有胰岛素的共价fax基质的形成和表征

根据本发明中描述的过程制备具有胰岛素的fax基质。主要基于fax的凝胶时间，将fax与交联酶的混合物挤出到疏水床上，然后使球体静置直至实现基质的成熟。为了减小球体的大小，据发现，溶液中fax的浓度、搅拌速率和疏水床的密度是非常重要的。用胰岛素以0.06的胰岛素/ax比率(w/w)制备6％w/v共价fax基质。fax基质的光学显微照片显示出球形，没有聚集(图1a)。6％fax微球的大小分布为386μm，范围为300-549μm。使用激光扫描显微术，可以观察fax基质的微观结构(图1b)。通过圆二色谱(cd)研究胰岛素二级结构的稳定性。从fax微球释放的胰岛素的cd光谱类似于未捕获的或天然的胰岛素的cd光谱。还通过激光扫描共聚焦显微术评估了6％fax微球中胰岛素的分布和形态(图2)。载有胰岛素的微球具有球形形态，平均大小为335±45μm，这些特征类似于不含胰岛素的mbax微球。

实施例2：在人肠道微生物生态系统的模拟系统中体外评估共价fax微囊。

在模拟人肠道微生物生态系统(shime)的体外模型上进行测试，以评估结肠区域中共价fax基质的降解以及胰岛素释放。将shime中对应于结肠的三个区域用来自27岁未使用抗生素超过1年的健康成年志愿者的人粪便接种。接种后，监测不同的微生物标记物、ph、温度和保留时间，持续2周的时间段。在此时间段之后，将fax微囊作为shime中碳的主要来源施用三周。在此期间，对主要的细菌标记物和短链脂肪酸的产生情况进行定量。70％的fax微囊在升结肠中降解，而其余的在横结肠中降解。在降结肠中完成微囊的完全发酵，其中记录了乙酸、丙酸和丁酸的产量增加。在结肠的三个区域中，fax微囊的发酵显著增加了有益细菌(双歧杆菌属(bifidobacteriumspp.)和乳酸杆菌属(lactobacillusspp.))的群体，而发现主要病原体(肠杆菌科(enterobacteriaceae))的细菌群体减少了。此外，在此期间施用装有胰岛素的微囊。在图3a、图3b、图3c和图3d中，显示了从shime的不同区域回收的微囊，其中可以看出的是，微囊被降解到达升结肠。而图4a、图4b和图4c显示了细菌降解对fax共价微囊表面的影响。在这些图中，看到具有不同大小的空腔，这些空腔随着微囊在结肠区域中暴露的时间延长而增加。在该体外模型中发现的结果表明，fax微囊能够携带胰岛素并抵抗上部胃肠系统的模拟条件。在该途径中，一部分所含的胰岛素(约30％)通过扩散而损失，而大部分胰岛素通过基质降解在升结肠中释放。从这些实验得到的主要结论是：共价fax基质可通过结肠中存在的细菌发生生物降解，并具有通过由微生物群激活的机制将胰岛素携带和释放到该区域的能力。

实施例3：载有胰岛素的微囊的体外评估。

为了评估fax基质保护胰岛素的生物活性的能力，使用糖尿病大鼠在体外模型中进行测试。为了开展这些测试，使用体重在250g与350g之间的成年雄性威斯(wistar)大鼠，将这些大鼠饲养并保存在墨西哥索诺拉大学食品研究和研究生部(departmentofresearchandgraduatestudiesinfoodoftheuniversityofsonora,mexico)的动物实验设施中，置于标准光周期条件(12小时光照/12小时黑暗)、环境温度(22±2℃)、食物和水随意摄取以及微观和宏观环境卫生方案下。通过腹膜内(i.p.)施用链脲佐菌素(stz)溶液诱导糖尿病。在施用stz后0小时和72小时用accu-chek血糖仪(泰国罗氏诊断公司(rochediagnostics，thailand))评估血糖水平。血糖水平高于300mg/dl的大鼠被认为患有糖尿病。将糖尿病大鼠随机分成六组，每组六只，用于施用不同的治疗。使用口腔胃插管进行治疗的经口施用。在施用不同的治疗后，从大鼠的尾静脉取血样，以便测量血糖水平和大鼠血清中的人胰岛素。在0、3、6、9、12、24和48小时评估这些参数。使用accu-check血糖仪测量血液中的血糖水平，并使用elisa技术测量大鼠血清中人胰岛素的浓度。

在该体外模型中，据发现，经口施用的fax微囊中所含的胰岛素在血液循环中达到生物活性，并且在48小时内具有降血糖作用(图5a)。此外，据观察，血糖水平随时间的降低与糖尿病大鼠血清中人胰岛素浓度的增加相匹配(图5b)。在该血糖降低中获得的最大时间和血清胰岛素的增加对应于微生物群降解fax基质所需的时间，与在shime中进行的体外测试中发现的结果一致。实验结果表明，在经口施用后6小时至至少48小时，具有胰岛素(25和50u/kg体重)的共价fax基质显著降低了血糖(图5a)。而未包含在共价fax基质中的胰岛素对血糖水平的降低没有显著影响，且其行为类似于未接受治疗或接受没有胰岛素的微囊的糖尿病大鼠中的所见。关于大鼠血液中人胰岛素的结果，用具有胰岛素的共价fax基质治疗后12小时观察到恒定的胰岛素水平，然而，胰岛素从25u/kg体重增至50u/kg体重，显示出大鼠血清中更高浓度的人胰岛素。在用不包含在fax基质中的胰岛素治疗时，在大鼠血清中发现不显著的人胰岛素值。这些结果表明，使用载有胰岛素的共价fax基质使得可以经口递送具有靶向结肠的生物活性的胰岛素。

参考文献

carvajal-millan,e.、guilbert,s.、doublier,j.-l.和micard,v.(2006)，阿拉伯木聚糖/蛋白质凝胶：结构、流变学和控释性质，《食品胶体》，第20卷第1期，第53–61页。

carvajal-millan,e.、guilbert,s.、morel,m.和micard,v.(2005a)，阿拉伯木聚糖凝胶结构对其流变学和蛋白质转运性质的影响，《碳水化合物聚合物》，第60卷第4期，第431–438页。

coviello,t.、matricardi,p.、marianecci,c.yalhaiquef.(2007)，用于缓释制剂的多糖水凝胶，《控释杂志》，第119期，第2-24页。

gibson,g.r.、probert,h.m.、vanloo,j.、rastall,r.a和roberfroid,m.b.(2004)，人类结肠微生物群的饮食调节：更新益生元的概念，《营养研究评论》，第17期，第259-275页。

a.b.、m.i.、a.、santana-rodríguez,v.m.和carvajal-millan,e.(2012)，番茄红素/阿拉伯木聚糖凝胶：流变学和控释特性，《分子》，瑞士巴塞尔，第17卷第3期，第2428–36页。

cizydorczyk,m.s.和biliaderis,c.g.(1995)，谷类阿拉伯木聚糖：结构和物理化学性质的进步，《碳水化合物聚合物》，第28卷第1期，第33-48页。

iqbal,m.s.、akbar,j.、hussain,m.a.、saghir,s.和sher,m.(2011)，来自卵叶车前子种子的热水提取的阿拉伯木聚糖作为药物载体的评价，《碳水化合物聚合物》，第83卷第3期，第1218–1225页。

iravani,s.、fitchett,c.s.和georget,d.m.r.(2011)，阿拉伯木聚糖粉末及其含有甲基黄嘌呤的水凝胶的物理表征，《碳水化合物聚合物》，第85卷第1期，第201–207页。

khafagye.s.、morishitam.、onukiy.和takamayak.,(2007)，当前在非侵入性胰岛素递送系统中的挑战：对比性综述，《先进药物递送评论》，第59期，第1521-1541页。

liuz.、jiao,y.、wang,y.、zhou,c.和zhang.,z.(2008)，基于多糖的纳米粒子作为药物递送系统，《先进药物递送评论》，第60期，第1650-1662页。

morales-ortega,a.、carvajal-millan,e.、brown-bojorquez,f.、rascón-chu,a.、torres-chavez,p.、lópez-franco,y.l.…campa-mada,a.c.(2014)，益生菌在水可提取的阿拉伯木聚糖凝胶中的捕获：流变学和微观结构表征，《分子》，瑞士巴塞尔，第19卷第3期，第3628-37页。

owens,d.r.(2002)，新的视野-胰岛素疗法的替代途径，《自然综述药物发现》，第1期，第1529-540页。

rekhamr和sharmacp.(2013)，用于糖尿病的治疗性蛋白质/肽的经口递送-未来的观点，《国际制药学杂志》，第440期第48-62页。

yang,l.、chu,j.s.和fix,j.a.(2002)，结肠特异性药物递送：新方法和体外/体内评估，《国际制药学杂志》，第235卷第1-2期，第1–15页。