本发明属于药物制剂
技术领域：
：，具体涉及一种定向酶促反应系统及其在制备小分子水凝胶递药系统中的应用。
背景技术：
：：基于小分子模块自组装的水凝胶因其优异的生物相容性、可降解性、低毒性以及较低的临界成胶浓度（约0.01%~1%），作为一种新型纳米软材料，在组织工程、再生医学以及药物缓控释系统等方面均有广阔的应用前景[1,2]。小分子水凝胶是由水凝胶因子（分子量<2000）的亲水基团和疏水基团通过非共价相互作用发生有序排列，自发聚集形成特定结构的聚集体。与聚合物凝胶不同，小分子水凝胶中线型、纤维状、带状三维网络结构的纤维间和纤维内部均靠非共价键连接，因而小分子水凝胶具有可注射性，在体外条件下即可制备并同时实现对药物的包载，从而有效降低原位凝胶在体内成胶过程中的药物突释[3,4]。以蛋白的基本组成单位、生物小分子氨基酸及其衍生物作为凝胶因子形成的寡肽小分子水凝胶为生物大分子蛋白药物提供了理想的载体平台。这种全部由生物分子构成的递药系统具有优异的生物相容性和生物降解性，安全、无毒。而且寡肽小分子水凝胶包载蛋白是基于生物小分子与生物大分子之间的作用，因而具有很好的相容性，可实现蛋白的高包载量，具有提高蛋白稳定性的特点，并可降低药物的突释效应，维持更长的治疗效果。利用酶的催化反应使水凝胶前体转变成能够自组装的水凝胶因子，启动自组装形成水凝胶[5]。相对于ph和温度触发的胶体反应条件剧烈、对蛋白药物生物活性的影响较大[6]，酶促法更加温和，能更好的保持蛋白药物的活性[7,8]。并且酶促自组装具有更好的生物相容性与时空可控性。酶催化水凝胶前体形成水凝胶因子的方式可分为两类，如图1所示：①酰胺键合成：通过酶催化键的形成，从而偶联两个水凝胶前体形成具有自组装能力的水凝胶因子[7]；②酰胺键断裂：在水凝胶因子上连接亲水基团形成水溶性佳的水凝胶前体，通过酶催化去除亲水基团后前体分子从而转为水凝胶因子[9]。参考文献：[1]silvaga,czeislerc,niecekl,beniashe,harringtonda,kesslerja,etal.selectivedifferentiationofneuralprogenitorcellsbyhigh-epitopedensitynanofibers.science2004;303:1352-1355.[2]tianr,chenj,niur.thedevelopmentoflow-molecularweighthydrogelsforapplicationsincancertherapy.nanoscale2014;6:3474-3482.[3]brancomc,pochandj,wagnernj,schneiderjp.theeffectofproteinstructureontheircontrolledreleasefromaninjectablepeptidehydrogel.biomaterials2010;31:9527-9534.[4]yangzm,wangl,gaop,wangjy,xub.introductionofphenylgrouponnanofibersconferssupramolecularhydrogelswithhighelasticityandrapidrecoveryproperties.j.mater.chem.2010;20:2128-2132.[5]yangz,liangg,xub.enzymatichydrogelationofsmallmolecules.acc.chem.res.2008;41:315-326.[6]mengerfm,carankl.anatomyofagel.aminoacidderivativesthatrigidifywateratsubmillimolarconcentrations.j.am.chem.soc.2000;122:11679-11691.[7]williamsrj,smitham,collinsr,hodsonn,dasak,ulijnrv.enzyme-assistedself-assemblyunderthermodynamiccontrol.nat.nanotechnol.2009;4:19-24.[8]williamsrj,hallte,glattauerv,whitej,pasicpj,sorensenab,etal.theinvivoperformanceofanenzyme-assistedself-assembledpeptide/proteinhydrogel.biomaterials2011;32:5304-5310.[9]yangzm,guhw,fudg,gaop,lamk,andxub.enzymaticformationofsupramolecularhydrogels.advmater.2004;16:1440.技术实现要素：解决的技术问题：本发明的目的是解决蛋白酶在催化氨基酸类水凝胶前体偶联或断键转变成水凝胶因子从而启动自组装形成小分子水凝胶过程中会导致蛋白药物发生降解的技术问题，提供一种定向酶促反应系统及其应用，该定向酶促反应系统不仅保留了触发小分子水凝胶合成的能力，同时形成空间位阻避免了对蛋白药物的降解。技术方案：定向酶促反应系统，由酶和包载在酶外部的包载材料制成，所述包载材料在所述酶外部形成纳米网壳，该纳米网壳只允许水凝胶前体与水凝胶因子自由出入。进一步地，所述酶和所述包载材料的重量比为1:10-10:1。进一步地，所述酶为作用于酰胺键的蛋白酶，可以促进酰胺键的形成或断键使不具有自组装能力的水凝胶前体转变为具有自组装成水凝胶能力的水凝胶因子。进一步地，所述包载材料为可发生自由基聚合反应的单体材料或可发生自由基聚合反应的聚合物衍生物。上述定向酶促反应系统的制备方法，先将酶溶解在缓冲液中，再加入包载材料，通过引发剂触发自由基聚合反应，得到定向酶促反应系统。上述定向酶促反应系统在制备小分子水凝胶中的应用。小分子水凝胶递药系统，其特征在于：由权利要求1所述的定向酶促反应系统、水凝胶前体和蛋白药物制成。进一步地，所述水凝胶前体通过酶促反应生成凝胶因子，水凝胶因子为具有亲水基团或疏水基团、能通过非共价相互作用发生有序排列自发聚集形成聚集体的寡肽或寡肽衍生物。进一步地，所述蛋白药物选自多肽、蛋白、酶、激素、疫苗、细胞生长因子或单克隆抗体中的一种。有益效果：本发明的定向酶促反应系统保留了触发小分子水凝胶合成的能力，只允许水凝胶前体与水凝胶因子自由出入酶口袋，并同时提供空间位阻，阻止大分子蛋白药物靠近酶口袋，从而避免被降解。附图说明图1为酶催化水凝胶前体形成水凝胶因子的作用机制示意图；图2为本发明的定向酶促反应系统的作用机制示意图；图3为实施例1的定向酶促反应系统的透射电镜图；图4为实施例1中trail的生物活性统计图；图5为实施例1的小分子水凝胶扫描电镜图；图6为实施例1的小分子水凝胶透射电镜图；图7为实施例1的载药小分子水凝胶的体外释放结果统计图。具体实施方式以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。蛋白酶作为一类作用于肽键的酶，既能催化蛋白的水解反应，也能催化其逆反应—肽键的合成反应，并且具备高效的催化活性和高度专一性。一些蛋白酶已被证明可以催化特定的水凝胶前体偶联[7]或脱去亲水基团[9]转变为水凝胶因子，进而形成小分子水凝胶。相对于物理化学刺激如ph和温度等触发的胶体反应条件剧烈、对蛋白药物生物活性影响较大，酶促法更加温和，能更好的保持蛋白药物的活性。鉴于水凝胶前体和蛋白药物分子量之间的巨大差异，本发明设计在蛋白酶的表面修饰纳米网壳，构成定向酶促反应系统；该纳米网壳只允许小分子的水凝胶前体与水凝胶因子自由出入蛋白酶口袋，并同时提供空间位阻，阻止大分子的蛋白药物靠近蛋白酶口袋，从而避免被降解。如图2所示，本发明提供的定向酶促反应系统，由酶及将酶包载在所述定向酶促反应系统中的包载材料制成，具体地，先将酶溶解在缓冲液中，再加入包载材料，通过引发剂触发自由基聚合反应，得到定向酶促反应系统，所述酶和包载材料的重量比为1:10-10:1。作为上述的蛋白酶，只要能够发挥催化水凝胶前体偶联或脱去亲水基团后形成水凝胶因子的目的即可，没有特别限定，可以举出：嗜热蛋白酶、wq9-2、基质金属蛋白酶、磷酸酯酶等。作为上述的包载材料，可以为自由基聚合可反应性的单体材料，具体为丙烯酰胺、n-（3-氨基丙基）甲基丙烯酰胺、甲叉双丙烯酰胺等，或可发生自由基聚合反应的聚合物衍生物，聚合物可以为天然聚合物、半合成聚合物或合成聚合物，具体为透明质酸、壳聚糖、右旋糖苷、海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙二醇-聚乳酸聚合物等。本发明还提供了一种小分子水凝胶载药系统，由定向酶促反应系统和水凝胶前体制成。所述的水凝胶前体通过酶促反应生成水凝胶因子，水凝胶因子为具有亲水基团和疏水基团、可通过非共价相互作用发生有序排列从而自发聚集形成特定结构的聚集体的寡肽（2-20个氨基酸）或寡肽衍生物，如fmoc、nap、boc、cap等氨基酸保护基团、人工氨基酸、维生素、抗氧化剂、抗生素、抗瘤剂、抗真菌剂、抗寄生物分子等修饰的寡肽衍生物。上述小分子水凝胶载药系统可以递送蛋白药物，包括多肽、蛋白、酶、激素、疫苗、细胞生长因子及单克隆抗体等，具体可选自肿瘤坏死因子、肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体、贝伐单抗、曲妥珠单抗、胰岛素、生长激素等。在前期的研究中，发明人已筛选出菌株bacilluscereuswq9-2（cn102021125a），所产蛋白wq9-2具有催化合成水凝胶因子的性能。wq9-2作为酶促开关，通过催化苯丙氨酸氨基供体与非极性氨基酸羧基供体形成水凝胶因子，进而自组装为小分子水凝胶。但是酶和蛋白可能存在相互作用，wq9-2在具有催化合成短肽能力的同时可能降解被包载的蛋白药物。具体地，本发明提供了一种以wq9-2作为酶促开关、采用丙烯酰胺、n-（3-氨基丙基）甲基丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺作包载材料的定向酶促反应系统，该定向酶促反应系统可以促进水凝胶前体（芴甲氧羰基-苯丙氨酸和苯丙氨酸-苯丙氨酸-二羟苯丙氨酸）包载trail（肿瘤坏死因子凋亡诱导配体），制成小分子水凝胶。实施例1定向酶促反应系统的制备：溶解20000uwq9-2于2ml的碳酸氢钠缓冲液（ph8.5,50mm），加入丙烯酰胺、n-（3-氨基丙基）甲基丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺（三者摩尔比5:5:1）。4℃搅拌0.5小时，加入30μl过硫酸铵(100mg/ml)水溶液及3μl四甲基乙二胺触发自由基聚合反应，通氮气保护反应2小时。4000rpm超滤管超滤15min，重复3次除去未反应的单体和引发剂。通过透射电镜观察wq9-2定向酶促反应系统的形态成均一圆球型，粒径大小约为10-20nm，如图3所示。未修饰的wq9-2与trail共孵5分钟后，采用酶联免疫吸附测定trail的生物活性。如图4所示，trail与未修饰的wq9-2（wq9-2）共孵5min后，生物活性下降至原有的30%；而trail与修饰后的wq9-2定向酶促反应系统（nwq9-2）共孵后活性保持在90%以上，证明wq9-2与trail存在相互作用，而定向酶促反应系统通过形成空间位阻阻碍了wq9-2与trail间的作用。水凝胶的制备：10mm芴甲氧羰基-苯丙氨酸和20mm苯丙氨酸-苯丙氨酸-二羟苯丙氨酸作为凝胶前体，溶于2ml的双蒸水，调节ph至7.4。加入2000uwq9-2定向酶促反应系统触发水凝胶因子形成，37℃孵育4小时后，形成小分子水凝胶。扫描电镜和透射电镜观察形态。扫描电镜样品准备流程：将小分子水凝胶低温真空干燥后固定于样品台上，进行喷镀金处理，镀金厚度为10nm的均匀薄膜；随后将小分子水凝胶切取少量置于扫描电镜的载物台上，在加速电压为15kv的条件下，对水凝胶微观结构的进行观察。透射电镜样品准备流程：将镀碳的铜格网垂直置于小分子水凝胶中5-10秒后轻轻取出，置于干燥箱中过夜，采用透射电镜在加速电压为80kv的条件下进行观察。扫描电镜观察显示小分子水凝胶为枝状管网的多孔结构，密集的孔状结构为小分子水凝胶提供了充足与坚实的三维支架结构，如图5所示。透射电镜观察显示小分子水凝胶为具有自组装能力的10nm宽的纳米纤维状结构，如图6所示。trail的释放检测10mm芴甲氧羰基-苯丙氨酸、20mm苯丙氨酸-苯丙氨酸-二羟苯丙氨酸作为水凝胶前体，溶于1ml的双蒸水，调节ph至7.4后与1ml的trail水溶液混合。加入200μlwq9-2定向酶促反应系统触发凝胶因子形成，37℃孵育4小时后，置于恒温震荡仪中，分别在1h、2h、4h、8h、12h、1d、2d、3d、4d、5d、6d、7d取样，检测trail的释放。如图7所示，载药小分子水凝胶的体外释放实验结果表明，小分子水凝胶的7天累计释放量为40%，为trail的缓控释载体。当前第1页12当前第1页12