Applications of chitosan as a polymer carrier for increasing the drugs’ bioavailability

Full Text

СОКРАЩЕНИЯ:

ЖКТ – желудочно-кишечный тракт;

ЛС – лекарственное средство;

BCS – биофармацевтическая классификация;

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота;

РНК – рибонуклеиновая кислота;

ЛП – лекарственные препараты.

ВВЕДЕНИЕ

Абсорбция перорального лекарственного препарата – это процесс, на который влияют физико-химические и биофармацевтические свойства лекарственного средства и его взаимосвязь с ЖКТ. К основным параметрам, контролирующим абсорбцию ЛС, относят растворимость, растворение и проницаемость через кишечный барьер.

В настоящее время существует система биофармацевтической классификации, разработанная Gordon Amidom и соавт. в 1995 году, в основе которой лежит распределение фармацевтических субстанций по параметрам водной растворимости и кишечной проницаемости. В соответствии с этими свойствами все ЛС разделены на четыре класса [1]:

– I – высокая растворимость, высокая проницаемость;

– II – низкая растворимость, высокая проницаемость;

– III – высокая растворимость, низкая проницаемость;

– IV – низкая растворимость, низкая проницаемость.

Данная классификация представляет собой основу, которую можно использовать для прогнозирования проблем биодоступности субстанций при разработке новых лекарственных форм [2]. Подсчитано, что от 70 до 90% разрабатываемых ЛС характеризуется низкой растворимостью и относится ко II и IV классам по классификации BCS. Совершенствование технологий синтеза позволяет создавать более сложные соединения, что приводит к росту числа малорастворимых лекарственных субстанций, низкая растворимость которых связана со сложной химической структурой, размером, высокомолекулярной массой, липофильностью, H-связыванием с растворителем, внутримолекулярным H-связыванием, межмолекулярным H-связыванием (кристаллическая упаковка), кристалличностью, полиморфными формами, ионным зарядом, pH [3].

Препараты IV класса BCS (например, амфотерицин В, фуросемид, ацетазоламид) обладают многими характеристиками, препятствующими эффективной пероральной доставке. Часть проблем связана с низкой растворимостью в воде, плохой проницаемостью, неустойчивой и низкой всасываемостью, значениями положительного пищевого эффекта, который приводит к низкой изменчивости биодоступности.

Составление и разработка эффективной системы доставки для препаратов класса IV BCS представляет непростую задачу. В настоящее время используют следующие подходы к данному типу ЛС:

– разработка систем доставки на основе липидов, полимеров и полимерных матриц;

– инженерия кристаллов (нанокристаллы и сокристаллы);

– разработка самоэмульгирующихся систем и твердых дисперсий [4].

Особенности физико-химических свойств действующего вещества имеют важное значение при разработке лекарственной формы [5]. Новые низкомолекулярные фармакологические субстанции характеризуются высокими молекулярными массами и липофильностью по сравнению с ЛС, синтезированными до 1990 года. Они создают различные биофармацевтические сложности: плохая растворимость и биодоступность. Также возникают и технологические затруднения при их производстве. При разработке ЛС с оптимальными биологическими характеристиками, разработчики должны стремиться к оптимизации молекулярных характеристик и, возможно, использовать технологии, повышающие их растворимость.

В настоящее время пероральное введение сталкивается с новыми проблемами, в частности, касающимися доставки макромолекул и биотехнологических препаратов из-за их плохой абсорбируемости и чувствительности к разложению. Системы наночастиц на основе полисахаридов позволяют решать задачи, связанные с биотехнологическими лекарствами, а также с небольшими молекулами с проблемами стабильности/всасывания в кишечнике. Происходит это за счет использования способности полимера образовывать нековалентные связи с функциональными группами в химической структуре [6].

Цель исследования – изучение имеющихся в научной литературе данных для оценки использования биодеградируемого полимера – хитозана в качестве носителя для пероральной доставки инсулина и низкомолекулярных соединений.

ХИТОЗАН И ЕГО СВОЙСТВА

Нано- и микроматериалы на основе хитозана (рис. 1) или его производных широко исследуются в качестве перспективных носителей из-за их биоразлагаемости, хорошей биосовместимости, низких иммуногенности и токсичности. Хитозан, отдельно или в виде композитов, является подходящим субстратом для изготовления различных типов лекарственных форм, таких как: гидрогели, мембраны, шарики, пористая пена, нано- и микрочастицы, гели in situ, губки и нановолокна/каркасы. Наноносители на основе хитозана интенсивно изучаются как системы контролируемого и направленного высвобождения для различных лекарств (противовоспалительных, антибиотических, противораковых и др.), а также для белков/пептидов, факторов роста, вакцин, малых ДНК и коротких интерферирующих РНК [7, 8].

 

Рис. 1. Структура макромолекулы хитозана / Fig. 1. Chitosan molecular structure

 

Хитозан и его производные относят, в отношении перорального способа доставки, к мукоадгезивным водорастворимым или водонерастворимым полимерам, которые представляют собой набухающие сети, соединенные с сшивающими агентами. Такие полимеры обладают оптимальной полярностью, что гарантирует достаточное смачивание слизью и оптимальную тягучесть, которая обеспечивает взаимную адсорбцию и проникновение полимера в слой слизи.

Мукоадгезия – сложный процесс, включающий химические взаимодействия между муцином и полимерами (рис. 2). Результат и степень мукоадгезивного связывания основаны на различных свойствах полимеров. Эволюция таких систем прошла путь от гидрофильных полимеров первого поколения, способных образовывать неспецифические взаимодействия, до более специфических систем второго поколения на основе лектинов или новых материалов, полученных путем модификации полимеров различными функциональными группами, такими как тиоловые [9, 10].

 

Рис. 2. Механизм мукоадгезивного действия хитозана / Fig. 2. The mechanism of action of the mucoadhgesive property of chitosan

 

К свойствам хитозана можно отнести его способность ковалентно сшиваться с диальдегидами (глиоксалем или глутаральдегидом, ионно-сшитым с триполифосфатом), химически и механически усиливая матрицу. Ковалентно сшитые гидрогели более стабильны и подходят для доставки белков в кишечник.

Другие химические модификации хитозана (триметилированный, тиолированный и карбоксиметилированный) больше изучены для доставки бычьего и сывороточного альбумина, кальционина лосося и различных пептидов [11].

Контролируемого высвобождения ЛС из хитозана при пероральном введении можно достичь при использовании следующих форм: твердые дисперсии, сшитые гидрогели или наночастицы. На доставку ЛП оказывают воздействие несколько факторов: молекулярная масса полимера, степень диацетилирования, замещение полисахаридов, размер наночастиц, пористая структура. Данные параметры влияют на скорость высвобождения из твердой матрицы. Длина и конформация полисахаридных цепей сказываются на доступности функциональных групп хитозана для молекул действующего вещества, что имеет решающее значение для устранения электростатических взаимодействий и последующего включения молекул лекарственного препарата в эти системы. Кроме того, различные методы приготовления могут привести к различным взаимодействиям и пористым структурам образованных частиц. Характеристики пористых микроструктур (распределение пор по размерам, пористость, извилистость и др.) влияют на проникновение в матрицу растворителя, растворение молекул лекарственного препарата и последующее высвобождение этих молекул в среду [12].

АДРЕСНАЯ ДОСТАВКА ИНСУЛИНА

Значительное количество публикаций посвящено исследованиям использования различных составов хитозана для улучшения пероральной доставки инсулина (табл. 1). Среди всех путей введения пероральный наиболее предпочтителен, так как имитирует эндогенный путь введения инсулина. Однако пероральное введение ограничено ферментативной деградацией и низкой проницаемостью в кишечнике.

 

Табл. 1. Экспериментальные данные наночастиц хитозана, содержащих инсулин / Table 1. Experimental data of chitosan nanoparticles containing insulin

Носитель	Метод приготовления	Размер частиц, нм	Эффективность включения, %	Высвобождение инсулина in vitvo	Источник
Хитозан (25–65 кДа), степень диацелирования 83-86% Альгинат молекулярная масса – 1,03×105 г/моль	Полиэлектролитное комплексообразование	216	78,3	Первоначальный выброс инсулина максимально 26,7% при pH 1,2 с последующим и пролонгированным высвобождение в течение 24 ч	13
Хитозан 25 кДа Хрондроитин сульфат 20–30 кДа Полиэтилен-гликоль 5000 Да	Ионное гелеобразование	356,5±43,4	-	При pH 2,5 высвобождение инсулина из ±микроэмульсии составило 48,1. При pH 6,8–51,2% через два часа	14
Хитозан (90 кДа), степень диацелирования 85% Триполифосфат	Моментальное комплексо-образанование с использованием многовходовой вихревой смеси	42,6±2,7	91±1,7	Высвобождение инсулина при pH 2,5–16%	15
Хитозан (28 кДа) Лиценовые липосомы L-аргенин	Хитозан-инсулиновую дисперсию добавляли к лецитин липосомальной дисперсии	105±17	20	Высвобождение в фосфат буферной смеси pH 6,8 достигало 30 минут	16
Низкомолекуляный хитозан (50–190 кДа) степень диацелирования ≥75% i-каррагенин	Полиэлектролитное комплексообразование	613±41	86,9±2,6	В смеси моделирующей желудочный сок высвобождение составило 4,91±0,24% через два часа	17
Хитозан альгинат полиуретан	Полиэлектролитное комплексообразование	90–110	90	При pH 1,2 высвобождение 13,7% до 1 часа, 50% последующие десять часов	18
Хитозан (150 кДа), степень диацелирования 95%	Коацервация	534±24	79,96±3,96	При pH 2 высвобождение 14,03%, При pH 6,8 высвобождение 85% в течение десяти часов	19

 

В последнее время в научных публикациях использование полисахаридов представляется технологической стратегией для защиты инсулина от pH условий ЖКТ, а также повышения его проницаемости через трансклеточные и/или параклеточные пути, безопасности и селективности нацеливания инсулина [20]. В ряде работ показаны различные вариации частиц хитозана с инкапсулированным инсулином, предназначаемые для контролируемого и пролонгированного высвобождения.

Так, в одной из работ была предложена комплексная полиэлектролитная система нано- и микрочастиц хитозан-пектин без использования химически сшивающих агентов. В результате были получены частицы небольшого размера (в пределах 240–1900 нм) с максимальным выходом продукции около 34%. Максимальную эффективность капсулирования (около 62%) системы наблюдали при соотношении зарядов (n+/n-), равном 5. Полученная система являлась стабильной в различных средах, особенно в искусственной созданной желудочной жидкости (pH 1,2). При моделировании кишечной жидкости (pH 6,8) контролируемое высвобождение инсулина происходило в течение двух часов [21].

В работе Yang и соавт. изучали привитый гидрогель хитозана с карбоксиметил-β-циклодекстрином. В опытах in vitro высвобождение инсулина из гидрогеля зависело от pH среды. Инсулин успешно удерживался внутри гидрогелей в желудочной среде и медленно высвобождался после попадания в кишечные условия. Полученные микрочастицы гидрогеля не проявляли цитотоксичности и транспортировались через монослои клеток Caco 2, в основном параклеточным путем. Отмечено, что введение гидрогеля хитозана диабетическим мышам способствовало обеспечению значительного и устойчивого (в диапазоне от шести до двенадцати часов) снижения уровня глюкозы в крови [22].

Для контролируемого высвобождения инсулина успешно применяются также и гибридные полимер-липидные системы. Их преимуществами являются повышение мукоадгезивности и липофильности [23].

Разработка нано- или микросистем позволяет защищать инсулин и от ферментативной деградации. Предложенная система микрочастиц, покрытых альгинатом, плюроником F-68 и хитозаном, позволяла увеличивать всасывание инсулина в кишечнике. По результатам высвобождения in vitro было показано, что растворение инсулина в искусственной желудочной жидкости с pH=1,2 было замедленным за счет альгинатного ядра и его покрытия хитозаном, и быстро высвобождалось в кишечной жидкости с pH=6,8 [24]. Для увеличения эффективности инкапсуляции было рассмотрено получение микрочастиц хитозана и муцина улитки. Такие частицы имели эффективность инкапсуляции и загрузку инсулина более 75 и 28% соответственно. При этом в опытах in vitro было показано длительное высвобождение инсулина, более 80% в течение 12 часов [25].

Анализ литературы показал эффективность применения хитозана и его производных для получения контролируемого профиля абсорбции инсулина и его защиты от ферментативной деградации. По сравнению с индивидуальным введением инсулина использование микрочастиц хитозана позволило улучшить его биодоступность и снизить уровень глюкозы в крови.

Полученные данные связывают с мукоадгезивными свойствами хитозана, которые позволяют увеличить время пребывания микрочастиц с инсулином в области абсорбции кишечника, что облегчает доставку его по транцеллюлярному пути, либо внутриклеточно в кровеносные капилляры в печень.

На I и II фазах доклинических и клинических испытаний находится ряд разработок, улучшающих доставку инсулина с помощью мукоадгезивных полимеров, но из-за недостаточного финансирования фармакодинамических и фармакокинетических исследований на животных и людях и появления побочных эффектов исследования приостановлены.

ПРИМЕНЕНИЕ ХИТОЗАНА ДЛЯ АДРЕСНОЙ ДОСТАВКИ ЛП

Хитозан используется в качестве носителя и для низкомолекулярных малорастворимых соединений, позволяя улучшить их пероральную биодоступность. Представленные в научной литературе данные указывают, что основная часть исследований направлена на разработку и модификацию методов получения микрочастиц хитозана.

Так в статьях Lopedota A. и соавт. и Szekalska M. представлены данные по разработке метода получения частиц распылительной сушкой. В ходе исследований были получены частицы, которые обладали замедленным высвобождением активных компонентов и обеспечивали улучшенные мукоадгезивные свойства [26, 27].

В большинстве исследований используют различные модификации получения частиц эмульсионным методом с помощью сшивающих агентов (триполифосфата или глутарового альдегида). В результате получаются четко выраженные сферические формы частиц с эффективность загрузки от 85 до 97%, но степень набухания зависит от степени сшивания и от морфологии частиц.

Микрочастицы могут преодолевать желудочный барьер без разложения активного начала, которое защищено полимерной матрицей [28, 29]. На примере исследования Correa R. и соавт. представлена оптимизация состава полученных эмульсионным способом микрочастиц хитозана, покрытых pH-зависимым полимером эудрагитом. Основными параметрами, влияющими на образование микрочастиц хитозана с заданными свойствами, являлись соотношение ЛС/хитозан, ПАВ и концентрация глутарового альдегида. Приготовленные микросферы имели дискретную сферическую форму с шероховатой внешней поверхностью. Профиль высвобождения из непокрытых микросфер был медленным, но не зависел от pH растворяющей жидкости, процесс высвобождения занимал 24 часа. С увеличением концентрации полимера до определенного момента увеличивалась, а затем снижалась эффективность захвата ЛС. Другие переменные, такие как концентрация эмульгатора, скорость перемешивания и концентрация сшивки, также влияли на эффективность захвата и высвобождение ЛС [30].

В ряде статей исследованы механизмы абсорбции модифицированных частиц хитозана. Синтезированные гибридные микрогели на основе хитозана и наночастиц SiO2 были модифицированы винильными группами, которые обладали чувствительностью к pH среде (особенно в кислых средах). Такой состав обеспечивал высвобождение ЛС в течение 45 минут [31].

В другом исследовании для улучшения пероральной доступности представлена разработка полимерных сокристаллов хитозан-телмисартана, которые обладали повышенной концентрацией ЛС в плазме (1,47 мкг/мл) по сравнению с чистым препаратом (0,96 мкг/мл). Тем самым применение сокристаллов способствовало увеличению растворимости. За счет изменения плотного соединения происходила парацеллюлярная абсорбция [32].

В статье Liu M. и соавт. представлены данные по использованию хитозана в качестве функционального нанохелата для увеличения проницаемости циклоспорина А за счет положительного заряда хитозана, способного вызывать свертываемость анионых липидов с образованием нанохелатов со средним размером 114,2±0,8 нм без потребности в ионах кальция. Такие функциональные нанохелаты, индуцированные хитозаном, увеличивали всасываемость циклоспорина А в ЖКТ. Поглощение хитозан-индуцированных нанохелатов клетками Caco-2 происходило за счет клатрин- и кавеол-опосредованного эндоцитоза, а не посредством макропиноцитоза [33]. Микрочастицы хитозана способны переносить кварцетин в качестве противоопухолевого объекта через различные эпителиальные системы и высвобождать его в устойчивом контролируемом состоянии в целевой участок [34].

В ряде научных публикаций приводятся данные использования хитозана в качестве мукоадгезивного покрытия для различных нано- или микрочастиц различной природы. Такую стратегию использовали для улучшения растворимости и биодоступности фенофибрата (II класс по классификации BSC). Было показано, что наноструктурированный липидный носитель, покрытый хитозаном, способствовал обеспечению контролируемого высвобождения. Такую структуру получали методом ультразвуковой обработки с использованием хитозана (в качестве биоразлагаемого полимера), стеариновой кислоты (твердого липида), олеиновой кислоты (жидкого липида) и твина 80. Для изучения эффективности инкапсулирования и условий растворимости отношения стеариновая кислота/олеиноваяй кислота варьировали как 80/20, 70/30, 60/40 и 50/50 (мг/мг), регулируя соотношение хитозана. Все полученные составы нанолипидных носителей имели размер частиц приблизительно 200 нм с индексом полидисперсности ниже 0,3 и эффективностью инкапсуляции выше 85%. Фармакокинетические и фармакодинамические параметры нанолипидного состава фенофибрата после перорального приема были выше по сравнению с его неинкапсулированной формой [35].

В другом исследовании приведены фармакокинетические данные покрытых хитозаном микрочастиц гидроксипропилметиллюлозы с леводопой, поддерживающих относительно высокие уровни леводопы в кровотоке. Кинетика высвобождения ЛС из микрочастиц показала контролируемый и продолжительный выход 80% в течение 12 часов. В результате фармакокинетических исследований in vivo у крыс, получавших микрочастицы, отмечали более высокую AUC и более высокий Cmax по сравнению с зарегистрированным лекарственным препаратом «Синемет» [36].

Схожие данные были получены у микрочастиц, нагруженных кальций-связываемыми фосфопептидами казеина. Исследования высвобождения показали устойчивое контролируемое высвобождение кальция и его поглощение [37].

В исследованных нами публикациях микрочастицы хитозана, в основном, получали ионным гелеобразованием с использованием сшивающих агентов. Изучены pH-зависимая стабильность, характеристики морфологии, контролируемое высвобождение. Также использование микрочастиц хитозана и его различных матриц способствуют уменьшению нежелательных побочных эффектов. Данные исследования проводили на поперечно сшитых триполифосфатом частицах хитозана, нагруженных венлафаксином [38].

Таким образом, при использовании хитозана для доставки низкомолекулярных соединений особое внимание уделяется разработке метода получения частиц и его анализу. Приведены данные о характеристиках модифицированных, гибридных частиц и сокристаллов хитозана для направленной доставки ЛС и профили высвобождения из них.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По своему химическому составу хитозан уникален по сравнению с другими полисахаридами, используемыми для пероральной доставки ЛС. Его структура допускает определенные модификации посредством модуляции хитозанового амина или гидроксила функциональных групп. Для фармацевтического применения эти химические фрагменты могут использоваться для конъюгирования лекарственных средств напрямую или через линкеры. Обилие аминогрупп в составе хитозана позволяет осуществлять конъюгацию с другими молекулами через метаакрилирование и карбоксиметилирование.

В основу стратегией при использовании хитозана в качестве носителя положены защита ЛС от pH условий ЖКТ, а также повышение биодоступности посредством увеличения проницаемости через трансклеточные и/или параклеточные пути, безопасности и селективности. Разработаны различные полиэлектролитные системы с хитозаном, а также дополнительные покрытия (альгинат, эудрагит) частиц.

Таким образом, исследование привлеченных публикаций не позволило выявить какой-либо наиболее оптимальный способ получения модифицированных форм или нано- и микрочастиц хитозана. Их формирование осуществлялось посредством ионного гелеобразования, приготовлением эмульсии вода/масло и с использованием распылительной сушки. Эффективность инкапсуляции находится в диапазоне от 28 до 62% в зависимости от способа получения, однако эффективность захвата получаемых частиц высока и составляет до 97%. Во многих исследованиях представлены данные профиля высвобождения лекарственного средства: получаемые частицы обладали контролируемым и пролонгированным высвобождением с выходом до 80% препарата в течение 12 часов. Представленные подходы и фактические данные позволяют рассматривать хитозан в качестве полимерного носителя для повышения биодоступности ЛП, разрабатываемых или модифицируемых для энтерального пути введения.

About the authors

Tatiana M. Ustinova

State Scientific Research and Test Institute of Military Medicine, Ministry for Defense of the Russian Federation

Author for correspondence.
Email: gniiivm_15@mil.ru
ORCID iD: 0000-0001-9579-9190
SPIN-code: 7247-4663
Scopus Author ID: 57196118429

Ph.D. in biology senior researcher of the Research Department

Russian Federation, Saint Petersburg

Nikolai G. Vengerovich

State Scientific Research and Test Institute of Military Medicine, Ministry for Defense of the Russian Federation; Saint Petersburg State Chemical Pharmaceutical University of the Ministry of Health of the Russian Federation

Email: nikolai.vengerovich@pharminnotech.com
ORCID iD: 0000-0003-3219-341X
SPIN-code: 6690-9649
Scopus Author ID: 55639823300
ResearcherId: U-3467-2019
http://eco.pharminnotech.com/sotrudniki-kafedry/vengerovic-nikolaj-georgievic

Doctor of Medical Science, Deputy Head of Department; Professor of the Industrial Ecology Department

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Dmitriy K. Glinko

State Scientific Research and Test Institute of Military Medicine, Ministry for Defense of the Russian Federation

Email: gniiivm_15@mil.ru
ORCID iD: 0000-0003-4296-1179

Researcher, State Scientific Research Testing Institute

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files