1. 引言
老年患者尤其是绝经后妇女易出现原发性骨质疏松症。其主要表现为骨量减少,致使骨脆性增加,易发生骨折,导致其转化为废用性骨质疏松症。鲑鱼降钙素(Salmon calcitonin, SCT)可有效调节血钙水平和骨代谢,减少骨质流失 [1] 。但肌肉注射或静脉注射SCT的临床效果不佳,为提高SCT 在废用性骨质疏松症的治疗效果,可以通过缓释载体递送药物到骨折损伤处。聚乳酸聚羟基乙酸(Poly(D, L-lactic-co-glycolic acid, PLGA) 生物相容性良好,在体内最终转化成二氧化碳和水排出体外,具有骨传导性和骨诱导性,并可制成长效缓释微球(Microsphere, MS),提高多肽、疫苗、激素等生物大分子药物的生物利用率 [2] 。PLGA的分子量以及末端官能团等理化性质均可显著影响MS中的药物释放和降解行为 [3] 。因此,选择合适分子量和末端基团的PLGA十分重要。
本研究通过复乳法制备不同分子量和不同末端SCT-PLGA MS,考察PLGA理化性质对SCT载药量、体外释放和体外降解的影响,优选PLGA载药微球用于治疗废用性骨质疏松症。
2. 方法
2.1. 材料
PLGA (LA:GA = 50:50),分子量分别为20 kDa、40 kDa和60 kDa,特异性粘度分别为0.28 dl/g、0.37 dl/g和0.45 dl/g,末端基团为羧基(-COOH)和烷基(-CH3),购自山东医疗器械研究所;SCT购自上海苏豪逸明制药有限公司;聚乙烯醇(polyvinyl alcohol, PVA) 购自Sigma-Aldrich公司;微量BCA试剂盒(Micro BCA)购自赛默飞世尔科技公司。
2.2. SCT-PLGA MS的制备
称取0.3 g不同分子量和不同末端基团的PLGA (20 kDa-COOH、40 kDa-COOH、60 kDa-COOH、20 kDa-CH3、40 kDa-CH3和60 kDa-CH3),加3 mL 二氯甲烷溶解,加入0.60 mL 4 mg/mL SCT溶液,超声3 min (输出功率150 W,工作2 s,间歇2 s),形成W/O型初乳,立即将其注射到75 mL 0.06% (w/v) PVA溶液中,形成W/O/W型复乳。机械搅拌5 h使二氯甲烷完全挥发,静置,去离子水洗涤沉淀三次,冻干后4℃保存,得终产物SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-40 COOH MS、SCT-PLGA-60 COOH MS、SCT-PLGA-20 CH3 MS、SCT-PLGA-40 CH3 MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS。对照组加入与SCT溶液等体积的蒸馏水得未载药PLGA微球(blank-PLGA MS)。
2.3. SCT载药量和包封率
2.3.1. 标准曲线
按照Micro BCA试剂盒说明制备标准曲线。配制2 mg/mL的SCT溶液,精密量取50 μL,加入DDW稀释至0.5 mL,制得浓度为200 μg/mL贮备液。依次稀释,得浓度分别为40、20、10、5、2.5、1和0.5 μg/mL的SCT标准液,DDW作为空白对照。
以25:24:1(v/v/v)混合溶液A、B和C,配制Micro BCA工作液。吸取150 μL标准液,加入150 μL工作液,37℃温育2 h,量取200 μL,酶标仪测定562 nm处吸光值,以吸光值(A)对SCT浓度(C, μg/mL)线性回归,制备标准曲线。
2.3.2. SCT载药量和包封率
外水相法测定SCT-PLGA微球的载药量与包封率。制备SCT-PLGA MS,洗涤前,量取3 mL悬液,13,000 rpm离心3 min,取150 μL上清液,Micro BCA法测定562 nm处吸光值,由标准曲线计算SCT浓度。分别按下列公式计算载药量(Loading Capacity, LC)和包封率(Encapsulation Efficiency, EE):
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其中W、W0和W1分别表示PLGA质量、SCT总质量和上清液中SCT质量。
2.4. SCT-PLGA MS的表征
2.4.1. 粒径和跨距
将微球置于载玻片上,光学显微镜观察微球,计数300个,采用系统软件测量微球的平均粒径并计算D10、D50和D90。D10、D50和D90分别表示有10%、50%和90%的微球粒径小于该值所示的粒径。
2.4.2. 扫描电子显微镜 (SEM)
将少量SCT-PLGA MS固定于铝质圆台,喷金,SEM观察,加速电压20 kV。
2.4.3. 差示扫描量热 (DSC)
空铝坩埚为参比,另一铝坩埚中放入精密称重后的PLGA(20 COOH)、SCT、SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT与blank-PLGA-20 COOH MS物理混合物(5~6 mg),扫描范围为0~200℃,升温速度为10℃/min,氮气流速为30 mL/min。
2.5. SCT-PLGA MS的体外释放
称取30 mg SCT-PLGA MS (20 COOH、40 COOH、60 COOH、20 CH3、40 CH3和60 CH3),置离心管中,加入2 mL 0.2 mol/L PBS缓冲液(pH 7.4,含0.06% (w/v) NaN3),37℃下以100 rpm恒温振荡,分别于1、3、7、10、15、20、23、26、30、33、36和40 d取样,并以2 mL PBS更换释放介质,继续温育。释放样品13,300 rpm离心3 min,量取上清液150 μL,Micro BCA法测定SCT浓度,计算累积释放百分率(%)。
2.6. SCT-PLGA MS的体外降解
称取30 mg SCT-PLGA MS (20 COOH、40 COOH、60 COOH、20 CH3、40 CH3和60 CH3),置离心管中,加入2 mL 0.2 mol/L PBS缓冲液(pH 7.4,含0.06% (w/v) NaN3),37℃下以100 rpm恒温振荡,分别于1、2、3、4、5、6和7周测定上清液的pH值。
3. 结果与讨论
3.1. SCT-PLGA MS的制备和表征
3.1.1. SCT-PLGA MS的制备
SCT的水溶液作为内水相在二氯甲烷溶剂中分散,超声形成W/O型初乳,在外水相PVA水溶液中分散后,机械搅拌,室温下有机溶剂二氯甲烷挥发,形成W/O/W型复乳,离心洗涤后冻干得到SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-40 COOH MS、SCT-PLGA-60 COOH MS、SCT-PLGA-20 CH3 MS、SCT-PLGA-40 CH3 MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS。
3.1.2. SCT载药量和包封率
SCT标准曲线为A = 0.0118 C + 0.0834,r = 0.997。可见0.5~40 μg/mL浓度范围内吸光值(A)与SCT浓度(C, μg/mL)线性关系良好。
各组微球的载药量和包封率见表1,相同分子量的微球中,-COOH末端微球的包封率高于-CH3末端微球,这是由于SCT的pI值为10.2,水环境下SCT结构中-NH2质子化形成
,PLGA的-COOH末端释放质子,以-COO−离子形式存在,可与
以离子键连接,增加稳定性,提高包封率,而-CH3末端微球与SCT无离子键连接,故包封率较低;PLGA分子量对微球包封率无显著影响。各组微球载药量约0.5%~0.6%。
3.1.3. 粒径
载药微球的粒径和分布见表2。微球粒径主要分布于71~226 μm,平均粒径约120 μm。文献研究表明,PLGA的黏度随分子量的增大而增加,高分子量PLGA乳化时易形成较大微滴,导致微球粒径较大 [4] ,但本实验中微球的分子量和末端基团对其粒径无显著影响,可能是由合成工艺的差异引起。
3.1.4. SEM
图1为SCT-PLGA MS的SEM照片,可见PLGA微球平均粒径大于100 μm,形态圆整,无明显黏连,外表面的孔洞结构是由制备过程中二氯甲烷的挥发所致。PLGA的分子量和末端基团不影响微球形态。
3.1.5. DSC
图2为SCT、blank-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-20 COOH MS以及PLGA原料20kDa-COOH和SCT物理混合物的DSC图谱,可见blank-PLGA-20 COOH MS和SCT-PLGA-20 COOH MS均出现尖锐的热焓松弛吸热峰,玻璃转化温度(Tg)分别为38.82℃和36.64℃,表明SCT与PLGA间的相互作用对聚合物的Tg值有较小影响;SCT图谱中110.58℃处出现宽吸热峰,PLGA和SCT物理混合物图谱中98.13℃处出现SCT的吸热峰,而SCT-PLGA-20 COOH MS中未见该吸热峰,表明SCT不是吸附于微球表面,而是包载于微球中,并以无定形态存在 [5] [6] 。
3.2. SCT-PLGA MS的体外释放
图3(A)为不同分子量和不同末端基团的SCT-PLGA MS在PBS (pH 7.4,含0.06% (w/v) NaN3)中的药物释放曲线。SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-20 CH3 MS、SCT-PLGA-40 COOH MS、SCT-PLGA-40 CH3 MS、SCT-PLGA-60 COOH MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS的24 h 累积释放百分比分别为54.7%、16.0%、39.0%、31.9%、28.4%和19.3%,可见各组微球释药初期存在突释。分子量相同的PLGA微球,-COOH
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Table 2. Size distribution of SCT-PLGA MS (n = 3)
表2. SCT-PLGA MS的粒径分布(n = 3)
a10%的粒子其粒径小于该值;b50%的粒子其粒径小于该值; c90%的粒子其粒径小于该值;注:结果以mean ± SD表示,n = 3。
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Figure 1. SEM images of SCT-PLGA-20 COOH MS (a), SCT-PLGA-40 COOH MS (b), SCT-PLGA-60 COOH MS (c), SCT-PLGA-20 CH3 MS (d), SCT-PLGA-40 CH3 MS (e) and SCT-PLGA-60 CH3 MS (f) observed
图1. SCT-PLGA-20 COOH MS (a),SCT-PLGA-40 COOH MS (b),SCT-PLGA-60 COOH MS (c),SCT- PLGA-20 CH3 MS (d),SCT-PLGA-40 CH3 MS (e)和SCT-PLGA-60 CH3 MS (f)的扫描电镜照片
末端微球突释量高于-CH3末端微球。这是由于突释药物主要来自微球表面SCT的解吸附和孔壁上SCT的溶解,-COOH末端微球的蛋白吸附率高于-CH3末端微球,故突释量较大。-COOH末端微球中,释放
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Figure 2. DSC thermograms of blank-PLGA-20 COOH MS (a), SCT-PLGA-20 COOH MS (b), SCT (c), and the mixture of PLGA and SCT (d)
图2. blank-PLGA-20 COOH S (a),SCT-PLGA-20 COOH MS (b),SCT (c),及PLGA和SCT的混合物(d)的DSC图谱
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Figure 3. (A) In vitro drug release profiles of SCT from different SCT-PLGA MS in PBS (pH 7.4) containing 0.06% (w/v) NaN3 at 37˚C (n = 3); (B) pH of different SCT-PLGA MS as function of the degradation time (n = 3)
图3. (A) PBS缓冲液(pH 7.4,含0.06% (w/v) NaN3),37℃条件下,不同SCT-PLGA MS中SCT的体外释放曲线(n = 3);(B) 不同时间各种SCT-PLGA MS溶液的pH值(n = 3)
速率随分子量的增大而减小,这是由于以下两个原因:低分子量PLGA黏度低,分子间作用力较弱,药物可较快从聚合物基质中扩散 [7] ;低分子量PLGA固化较快,形成较多孔隙,高孔隙度使药物扩散速率增大。-CH3末端微球中,SCT-PLGA-20 CH3 MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS释放较少,一方面由于吸附蛋白较少,另一方面可能是粒径分布较宽,大粒径微球较多,药物通过微球扩散的途径较长,导致累积释放百分率较低 [8] 。释放7 d后SCT主要从孔隙中扩散,释放速率降低;20 d后释放速率增加,这是由于PLGA逐步降解,形成孔隙,且降解生成的单体易溶于介质中,导致微球的快速溶蚀,SCT释放增多 [9] 。40 d时,SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-20 CH3 MS、SCT-PLGA-40 COOH MS、SCT-PLGA-40 CH3 MS、SCT-PLGA-60 COOH MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS的累积释放百分比分别为85.4%、44.3%、79.6%、63.0%、70.1%和59.0%,表明本研究制备的SCT-PLGA MS具有良好的缓释效果,其中-COOH末端微球较-CH3末端微球释放更完全,SCT-PLGA-20 COOH MS 释放较理想。
3.3. SCT-PLGA MS的体外降解
PLGA微球的体外降解对SCT的体外释放有重要影响,体外降解越快释药速率越大,释药越多。PLGA降解产物为酸性较强的LA和GA。图3(B)为随降解时间延长不同分子量和不同末端基团的SCT-PLGA MS溶液pH的变化曲线。第3周时,SCT-PLGA-20 COOH MS、SCT-PLGA-20 CH3 MS、SCT-PLGA-40 COOH MS、SCT-PLGA-40 CH3 MS、SCT-PLGA-60 COOH MS和SCT-PLGA-60 CH3 MS 溶液的pH值分别降至5.14、7.08、5.87、6.59、6.42和6.48,表明SCT-PLGA-20 COOH MS的降解速率最快。降解初期,聚合物发生水合作用,水性介质首先渗透到PLGA内部,使聚合物结构松散 [10] [11] 。-COOH末端微球亲水性强,摄取水分多,故PLGA骨架降解较快,而-CH3末端微球亲水性弱,摄取水分少,PLGA骨架降解缓慢 [12] 。3周后,各组微球pH下降速率增大,这是由于聚合物开始水解,PLGA分子量逐渐减小,机械强度下降。随后PLGA的链状结构被破坏,更多的介质渗透进入微球,PLGA降解为水溶性单体,暴露更多羧基,导致pH值下降。如内部的降解产物未及时扩散到外部环境中,会引起微球内部pH局部降低,引发“自催化效应” [13] 。第7周时,各组pH值分别为3.22、3.33、3.04、3.26、3.43和3.57,较接近,表明PLGA MS已接近完全降解。
4. 结论
复乳法合成SCT-PLGA MS,平均粒径大于120 μm,形态圆整;SCT-PLGA-20 COOH MS虽突释显著,但累积释放量较高,体外降解迅速,有望用于治疗废用性骨质疏松症。
致谢
感谢指导过和帮助过本研究的老师和师长。