生物聚合物混合凝胶 - 贮库递送系统 发明领域 本发明一般涉及用于递送生物活性剂的基于生物聚合物 - 凝胶的系统。特别地， 本发明涉及提供生物活性剂的延长的和控制的递送的生物聚合物凝胶 - 贮库递送系统、 用于制造包含生物活性剂的基于生物聚合物的凝胶 - 贮库的方法， 和这种生物聚合物凝 胶 - 贮库在治疗中的用途。
发明背景
作为在体内递送活性剂的载体起作用的递送系统是已知的且主要为特定生物医 学应用而设计。 某些系统不仅仅通过携带活性剂起作用而且被特别设计为以更有效的方式 递送活性剂。例如， 当这些系统被设计时， 特别强调参数例如递送方式 ( 例如， 口服、 局部、 经黏膜等 )、 药释特征、 以及药物在体内的 ADME 性质 ( 吸收、 分布、 代谢和排泄 )。
使用例如口服和经黏膜途径可能不能有效地递送许多生物活性剂例如肽 / 蛋白、 抗体、 疫苗和基于基因的治疗药物。由于分子大小和 / 或电荷， 这些治疗药物经常易于酶解 或不能充分吸收进入系统循环。因此， 许多这些治疗药物通过注射递送。例如， 许多疫苗是 基于静脉内递送基于蛋白的药物。
另外， 通常， 为使生物活性剂提供所需功效， 需要在一段时间内给受治疗者重复施 用生物活性剂。 例如， 通过短期接种方法的免疫具有逻辑上和商业上的缺点， 因为其通常需 要疫苗的多次接种、 加强剂和高剂量， 对于工业和终端 - 使用者导致成本增加。
迄今为止， 经常以分散物形式 ( 可以是固体或乳状液或液体 / 液体分散物 ) 或以 粒子形式， 包括微粒、 乳状液、 免疫刺激复合物、 脂质体、 病毒颗粒和病毒样粒子给受治疗者 施用疫苗。
然而， 尽管引发对抗原的免疫应答的方法的成功， 这些方法仍需要给受治疗者重 复施用抗原。相似的问题发生在给受治疗者施用许多其他药物中。
因此， 已形成对于在药物施用中开发长时的且更好地控制的药物递送系统的需 要。本发明致力于解决这些已知递送系统的至少一些缺点。
发明概述
本发明提供了包括生物活性剂的生物聚合物混合凝胶 - 贮库， 可用来在体内将生 物活性剂递送至受治疗者。本发明的生物聚合物混合凝胶 - 贮库控制将剂递送至受治疗者 的速率， 从而减少了重复施用剂的需要。本文公开的基于生物聚合物的系统能够被例如皮 下注射， 通过体内快速 ( 自发的 ) 交联形成生物聚合物混合凝胶 - 贮库， 而不需要单独的固 化机制例如使用 UV 和 IR( 包括 NIR) 光、 热或催化剂。
一方面， 本发明提供了用于递送生物活性剂的缓释和 / 或控释递送系统， 该系统 包括 ：
(i) 包含生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白的第一组分 ； 和
(ii) 包含能够与第一组分交联的生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺化合物的第二组 分，
其中，
(a) 第一组分和 / 或第二组分还包括所述生物活性剂 ； 和
(b) 第一组分和 / 或第二组分还包括 ：
(i) 水不溶性碱土金属磷酸盐 ； 和/或
(ii) 生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖 ； 和
其中该系统的第一组分和第二组分被物理隔离， 且当使用时， 第一和分和第二组 分的合并促进交联并导致包含所述生物活性剂的生物聚合物混合凝胶 - 贮库形成。
第二方面， 本发明提供了形成包括生物活性剂的缓释和 / 或控释生物聚合物混合 凝胶 - 贮库的方法， 所述方法包括 ：
(i) 提供包含生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质的第一组分， 和包含能够与第一 组分交联的生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺化合物的第二组分 ；
(a) 其中第一组分和 / 或第二组分还包括所述生物活性剂 ； 和
(b) 其中第一组分和 / 或第二组分还包括 ：
(i) 水不溶性碱土金属磷酸盐 ； 和/或
(ii) 生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖 ； 和
(ii) 在促进交联和形成包括所述生物活性剂的生物聚合物混合凝胶 - 贮库的时 间和条件下组合第一组分和第二组分。 附图简述
图 1 是使用于 0.001M 磷酸盐缓冲液， pH6.8 中的 26wt％羟磷灰石的壳聚糖胶凝 产物的照片 ( 参考实施例 1) ； (A) 羟磷灰石∶壳聚糖为 75wt％， (B) 羟磷灰石∶壳聚糖为 50wt％， 和 (C) 羟磷灰石∶壳聚糖为 25wt％。
图 2 是冻干的壳聚糖 / 羟磷灰石凝胶的图像 ( 参考实施例 1)。
图 3 是在存在和不存在三聚磷酸盐作为交联溶液时， 壳聚糖 / 羟磷灰石悬液的胶 凝照片 ( 参考实施例 2)。
图 4 是通过与三聚磷酸盐交联产生的壳聚糖 / 羟磷灰石 / 三聚磷酸盐凝胶的 照片 ( 参考实施例 2) ； (A) 在低浓度三聚磷酸盐下形成的沉淀， (B) 在中浓度三聚磷酸 盐下形成的沉淀和均一凝胶的混合物， (C) 在高浓度三聚磷酸盐下形成的均一的顺应性 (complaint) 的凝胶。
图 5 是通过与三聚磷酸盐交联产生的壳聚糖 / 羟磷灰石凝胶的示意图 ( 参考实施 例 2)。将 5mL 壳聚糖溶液与羟磷灰石悬液 (26％ wt) 混合， 然后在轻度搅拌下加入 5mL 三 聚磷酸盐交联剂溶液， 其中 (A) 为粘胶乳液， (B) 膜凝胶， (C) 浑浊沉淀， (D) 凝胶， (E) 密实 凝胶， 和 (F) 纤维凝胶。
图 6 是冻干的壳聚糖 - 羟磷灰石 - 三聚磷酸盐凝胶的图像 ( 参考实施例 2) ； (A) 表示断裂的截面和 (B) 表示凝胶的外层。
图 7 是表示壳聚糖 / 羟磷灰石 / 三聚磷酸盐 / 硫酸软骨素凝胶 ( 实施例 1) 和壳 聚糖 / 羟磷灰石 / 三聚磷酸盐凝胶 ( 实施例 2) 的伪相图。F1 和 F2 之间的区域代表用于贮 库形成的最合适的组成。标记 (D) 凝胶、 (E) 密实凝胶、 和 (F) 纤维凝胶与图 5 相同。
图 8 是使用湿度为 60％ (5 托水蒸汽压力 ) 的三聚磷酸盐交联的壳聚糖 / 羟磷灰 石 / 硫酸软骨素 ( 实施例 1) 的图像。
图 9 是冻干的壳聚糖 / 羟磷灰石 / 三聚磷酸盐 / 硫酸软骨素凝胶 ( 实施例 1) 的
SEM 图像 ； (A) 表示断裂的截面和 (B) 表示凝胶的外层。
图 10 是包含纳米粒子和微粒子的聚合物凝胶 ( 实施例 2) 的照片和 SEM 图像 ： (A) 柔顺凝胶和彻底排除的液相， 和 (B) 粒子掺入到在孔壁 (cell wall) 结构内。
图 11 是表示贮库凝胶组分 ( 随时间 ) 的体外共注射和在针尖上自发形成凝胶的 照片。
图 12 是壳聚糖 (Chit)- 羟磷灰石 (HAp) 浓度随硫酸软骨素 (ChS)- 三聚磷酸盐 (TPP) 浓度变化的照片图。虚线内的凝胶组合物代表优选的组合物且实线内的那些组合物 代表更优选的组合物。
图 13 是代表壳聚糖 (Chit)- 羟磷灰石 (HAp) 浓度随硫酸软骨素 (ChS)- 三聚磷酸 盐 (TPP) 浓度变化的相图。
图 14 是表示固体质量 (％ ) 作为初始 HAp 比 w/v(％ ) 的函数的图。
图 15a 和 15b 是表示不同 HAp 含量的静态应力 (kPa) 作为静态应变 (％ ) 的函数 的图。
图 16a 和 16b 是表示不同 HAp 含量的压缩静态模量 (kPa) 作为静态应变 (％ ) 的 函数的图。 图 17a 是表示杨氏模量 (kPa) 作为初始 HAp 比 w/v(％ ) 的函数的图。
图 17b 是表示压缩模量 (kPa) 作为初始 HAp 比 w/v(％ ) 的函数的图。
图 18a 是在渐增的 TPP 浓度 (M) 下凝胶形成的照片图。
图 18b 是渐增的 HAp 比 (mg/mL) 下凝胶形成的照片图。
图 18c 是在带有剪切的渐增的 TPP(M) 下凝胶形成的照片图。
图 19 是壳聚糖 (Chit)- 羟磷灰石 (HAp) 浓度随羧甲基纤维素 (CMC)-TPP 浓度变 化的照片图。 虚线内的凝胶组合物代表优选的组合物且实线内的那些组合物代表更优选的 组合物。
图 20a 是带有剪切的渐增的 HAp 比 (mg/mL) 下凝胶形成的照片图。
图 20b 是没有 TPP 交联时渐增的 HAp 比 (mg/mL) 下凝胶形成的照片图。
图 21 是壳聚糖 (Chit)- 羟磷灰石 (HAp) 浓度随透明质酸钠 -TPP 浓度变化的照片 图。虚线内的凝胶组合物代表优选的组合物且实线内的那些组合物代表更优选的组合物。
图 22 是颜色直方图。箭头表示在贮库形成组合物中渐增的 HAp 和 TPP。
图 23a 是从贮库熟化 20 小时后， 由像素群体 (Pixle population)(％ ) 作为灰度 (0-255) 的函数表示的灰度直方图。
图 23b 带 有 剪 切 的 渐 增 的 TPP 浓 度 (M) 下 凝 胶 形 成 的 照 片 图 (Chit-HAp-Chs-TPP)。
图 24 是贮库熟化 20 小时后， 由像素群体 (％ ) 作为灰度 (0-255) 的函数表示的灰 度直方图。
图 25 是表示加热处理的壳聚糖的粘度值 (ηN) 作为 C(mg/mL) 的函数的图。
图 26 是粒子中和的 Mw 减少的壳聚糖的照片图， 示出了沉降 - 左和重悬 - 右。
图 27 是表示超声处理的壳聚糖的粘度值 (ηN) 作为 C(mg/mL) 的函数的图。
图 28a 和 28b 是表示在标记和结合反应的开始和在与 (a)FITC， 和 (b) 多肽孵育 24 小时之后的 Mw 减少的壳聚糖和氯乙酰化的壳聚糖微粒悬液的上清液的 UV-vis 吸光度谱
的图。 图 29a 和 29b 是表示冻干的 Mw 减少的壳聚糖和氯乙酰化的壳聚糖和结合多肽的 Mw 减少的壳聚糖和 FITC 标记的 Mw 减少的壳聚糖的发射谱的图。
图 30a-30c 是表示负载了 FITC 的贮库和负载了多肽的贮库和它们相应的上清液 的发射谱曲线图。
图 31 表示多种肽的吸光度 (280nm) 作为时间 ( 天 ) 的函数的图和条形图。
图 32 表示多种肽的吸光度 (280nm) 作为时间 ( 天 ) 的函数的图和条形图。
图 33 是用不同形式的脂肽注射的不同小鼠组的抗体滴度 (log10) 图。在 3 周和 7 周之后评估抗体滴度。
发明详述
根据以下启示， 预测了 ( 部分地 ) 本发明 ： 将生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质 ( 第一组分 ) 与能够与第一组分交联的生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺化合物 ( 第二组分 ) 合并产生快速 ( 自发的 ) 交联和随后生物聚合物混合凝胶 - 贮库的形成和这可以在体内注 射后自发地发生。
前面提及的第一组分和第二组分被认为通过自发交联、 胶凝和相分离机制形成生 物聚合物混合凝胶 - 贮库。生物聚合物混合凝胶的形成被认为在没有明显体积变化的情况 下发生， 因此具有未改变的初始液相组成。 当相分离时， 凝胶相则会经历由进一步交联和渗 透压引起的收缩而导致液相排除 ( 脱水收缩作用 )， 直到凝胶密度的增长速率被交联网络 的弹力抵消。这些过程 ( 胶凝和相分离， 进一步交联和脱水收缩作用 ) 的结果导致压缩的 顺应性生物聚合物混合凝胶 - 贮库的自发形成同时排除了明显多余的非膨胀水相。
本发明的生物聚合物混合凝胶 - 贮库是生物相容性的， 且具有生物相容性代谢物 / 降解产物。 生物相容性是本领域技术人员已知的概念。 它是一个相对的而非绝对的术语， 因为大部分外源物质引发某种形式的免疫应答， 因此不是绝对生物相容性的。生物相容性 外源物质是引发可接受的免疫应答的那些外源物质。 因此， 如本文所使用的术语 “生物相容 性” 是指生物学上相容的组分， 以使得其不会在体内引发有害免疫、 毒性或伤害性的应答， 或与特定细胞类型或组织有害地整合。
第一组分
第一组分包含任何适合的生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质。
特别地， 生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质可选自适合的聚氨基糖例如壳聚糖、 几丁质和透明质烷 ( 以及盐 )， 和其适当官能化的衍生物。
在一个实施方案中， 第一组分包含生物相容性蛋白质例如白蛋白和胶原 ( 或合适 的盐 )， 或其适当官能化的衍生物。
在另一个实施方案中， 第一组分包含选自壳聚糖、 及其盐、 或其适当官能化的衍生 物的生物相容性聚氨基糖。
在另一个实施方案中， 第一组分包含 ： (i) 聚氨基糖的混合物、 (ii) 蛋白质的混合 物、 或 (iii) 聚氨基糖和蛋白质的混合物。
应当理解的是， 由于第一组分必须能够与第二组分的生物相容性磷酸盐和 / 或磺 胺交联， 第一组分的合适的生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质是特征为具有能够交联的官 能团的化学部分的一种生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质。在这方面， 优选生物相容性聚
氨基糖和 / 或蛋白质选自具有能够在生理条件下与第二组分交联的亲电基团的那些聚氨 基糖和 / 或蛋白质。优选的亲电基团包括铵、 烷基铵和其亲电衍生物。更优选地， 亲电基团 + 为烷基铵， 且更优选 -CH2-NH3 。 因此， 生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质上的合适官能团包 含可被质子化且在生理条件下保持质子化的胺基团和烷基胺基团。在优选的实施方案中， 第一组分包括在生理条件下维持与第二组分交联能力的壳聚糖、 及其盐、 或其合适的官能 衍生物。在一个实施方案中， 第一组分也可以是 pH 缓冲的以确保氨基团被质子化且能够与 第二组分交联。例如， 当第一组分包含壳聚糖时， 优选第一组分为酸性水溶液形式。例如， 这可通过溶解壳聚糖于酸性水溶液， 例如 1％的醋酸溶液中实现。
壳聚糖是包含随机分布的 β-(1-4)- 联接的 D- 氨基葡萄糖 ( 脱乙酰单元 ) 和 N- 乙酰 -D- 氨基葡萄糖 ( 乙酰化单元 ) 的线性聚氨基糖。乙酰化程度 (％ DA) 可通过 NMR 光谱测定， 且商业化壳聚糖中的％ DA 在 60-100％范围内。
壳聚糖是生物相容性的、 可被酶生物降解的 ( 例如被溶菌酶水解 )， 且是无毒的 ( 其降解产物是相对无免疫原性和无致癌性的 )。
壳聚糖中的氨基团具有 pKa 值～ 6.5。 因此， 壳聚糖在酸性至中性溶液中是带正电 的 ( 即， 氨基团被质子化 ) 且是可溶的， 同时电荷密度取决于 pH 和％ DA- 值。换句话说， 壳 聚糖可在生理条件下作为带正电的聚合电解质起作用， 因此具有与第二组分交联的合适官 能团。
也可以改变壳聚糖的分子量以影响其特性。 只要这种改变不会对所得的衍生物的 交联能力产生不利影响， 则该衍生物也是可考虑的且被本文的术语 “适当官能化的衍生物” 所包含。
在一个实施方案中， 壳聚糖是分子量 (Mw) 在 40-150kDa 之间的短链壳聚糖。更优 选地， Mw 在 50-100kDa 的范围内且更加优选 50-80kDa。
第二组分
第二组分包含能够与第一组分交联的磷酸盐和 / 或磺胺化合物。因此， 磷酸盐和 / 或磺胺化合物可选自适当官能化以促进与第一组分的生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质 之间的交联的那些磷酸盐和 / 或磺胺化合物。
第二组分优选地选自有助于体内快速 ( 自发的 ) 交联并形成凝胶 - 贮库的磷酸盐 和 / 或磺胺组分。合适的交联磷酸盐化合物包括三聚磷酸盐， 和其盐。通常已知的三聚磷 酸盐的盐包括三聚磷酸钠和三聚磷酸钾。具有式 Na5P3O10 的三聚磷酸钠 (STPP， 有时为 STP 或三磷酸钠或 TPP) 是钠的多聚磷酸盐。它是三磷酸的钠盐。
合适的其他交联磺胺组分包括 ( 双 ) 琥珀酰亚胺辛二酸酯磺酸盐和二氨基羧基磺 酸盐。
其他合适的交联化合物包括戊二醛和表氯醇。
在一个实施方案中， 第二组分包括 (i) 磷酸盐交联剂 ( 或其混合物 )， (ii) 磺胺交 联剂 ( 或其混合物 )， 或 (iii) 磷酸盐交联剂和磺胺交联剂的混合物。
在优选的实施方案中， 第二组分包含 TPP。
在进一步的实施方式中， 第二组分可包含进一步促进第一组分和第二组分交联的 额外的化合物。 这些交联促进剂包括例如如以上关于壳聚糖讨论的质子化生物相容性聚氨 基糖和 / 或蛋白质上的烷基胺基团的酸性介质的使用。在另一个实施方案中， 生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质 ( 第一组分 ) 和生物相 容性硫酸盐和 / 或磺胺以约 1 ∶ 1-1 ∶ 2 的 wt/wt 比范围存在于系统中。
除了生物活性剂， 递送系统的第一和 / 或第二组分还包括生物相容性水不溶性碱 土金属磷酸盐， 和 / 或以在生理 pH 下带有多个负电荷为特征的生物相容性聚糖和 / 或蛋白 多糖。
水不溶性碱土金属磷酸盐
这些包括能够为所得的凝胶 - 贮库的孔壁结构提供刚性 ( 即， 骨骼类似性 ) 的 钙和镁的所有合适的水不溶性磷酸盐。也可使用掺杂的磷酸钙， 例如掺杂 Mg2+、 Zn2+、 Na+、 CO2- 和 SiO44- 的磷酸钙。
在一个实施方案中， 水不溶性碱土金属磷酸盐为磷灰石。
磷灰石是一组磷酸盐矿物且包括氟磷灰石， Ca5(PO4)F3 ； 氯磷灰石， Ca5(PO4)Cl ； 溴 磷灰石， Ca5(PO4)Br 和羟磷灰石， Ca5(PO4)3(OH)( 也常被写为 Ca10(PO4)6(OH， F， Cl， Br)2 以表 示每晶胞单元含有 2 个分子 )。羟磷灰石以六角形结晶系结晶。它具有 3.1-3.2 的比重且 具有莫氏硬度量表上 5 的硬度。可在牙齿 ( 珐琅质 ) 和骨中发现羟磷灰石。骨的约 70％包 括羟磷灰石。 在优选的实施方案中， 水不溶性碱土金属磷酸盐为羟磷灰石。
在一个实施方案中， 水不溶性碱土金属磷酸盐存在于第一组分中。在这一实施 方案中， 优选第一组分的水不溶性碱土金属磷酸盐∶聚氨基糖和 / 或蛋白质的 wt/wt 比 范围为约 1 ∶ 6-1 ∶ 12。在进一步优选的实施方案中， 其中水不溶性碱土金属磷酸盐为 羟磷灰石， 且聚氨基糖和 / 或蛋白质为壳聚糖， 优选的羟磷灰石∶壳聚糖的 wt/wt 比为约 1 ∶ 1-1 ∶ 4， 且更优选 wt/wt 比为 1 ∶ 1。
在另一个实施方案中， 水不溶性碱土金属磷酸盐存在于第二组分中。在这一实施 方案中， 优选水不溶性碱土金属磷酸盐 ( 例如， 羟磷灰石 ) ∶生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺 ( 例如， TTP) 的 wt/wt 比范围为约 1 ∶ 6-1 ∶ 12。
生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖
虽然前面提及的水不溶性碱土金属磷酸盐的特征能接受凝胶 - 贮库结构限定的 刚性， 但由磷酸盐提供的 “骨骼类似性” 确实有缺点。本发明人还发现刚性骨骼样凝胶 - 贮 库也可能会导致肉芽瘤形成， 这对于皮下递送系统是不期望的。
为克服这个问题且不想要被任何具体理论约束， 发明人还发现加入生物相容性蛋 白多糖和 / 或聚糖允许凝胶 - 贮库更具有顺应性， 在保持结构的同时为凝胶 - 贮库提供塑 料样特征， 因此将任何有害的免疫或伤害性应答最小化。据认为加入蛋白多糖和 / 或聚糖 可防止水不溶性碱土金属磷酸盐的结晶和生长， 其将单独导致凝胶 - 贮库变得刚性太大和 粒状而导致组织刺激和较低的生物侵蚀。因此， 除了保持凝胶 - 贮库结构的柔顺性， 在长期 稳定性方面观察到来自加入蛋白多糖和 / 或聚糖的另一优点。
因此， 在第一和 / 或第二组分的实施方案中， 根据本发明的系统和方法包括以在 生理 pH 下带有多个负电荷为特征的至少一种蛋白多糖、 聚糖或其混合物。
合适的聚糖包括羧甲基纤维素 (CMC)。
蛋白多糖是极大地糖基化的糖蛋白。 合适的蛋白多糖包括 ： 软骨素、 透明质酸葡聚 糖、 戊聚糖、 角质素、 皮肤素和类肝素 ( 和其衍生物例如硫酸软骨素、 透明质酸钠、 硫酸皮肤
素和硫酸类肝素 )、 肝素 ( 和其衍生物 )、 聚集蛋白聚糖 ( 和其衍生物 )。
在优选的实施方案中， 以在生理 pH 下带有多个负电荷为特征的生物相容性聚糖 和 / 或蛋白多糖为蛋白多糖或其混合物。
在优选的实施方案中， 蛋白多糖组分为硫酸软骨素。硫酸软骨素是包含交替的糖 (N- 乙酰 - 半乳糖胺和葡萄糖醛酸 ) 的无支链的多糖链的硫酸化粘多糖。硫酸根共价地结 合到糖上。如果某些葡萄糖醛酸残基异构化为左旋艾杜糖醛酸， 则所得的二糖称为硫酸皮 肤素。因为该分子在生理 pH 下带有多个负电荷， 在硫酸软骨素的盐中存在阳离子。硫酸软 骨素的商业制剂通常是钠盐。在这方面， 在选择本发明的贮库中使用的合适的蛋白多糖方 面， 显示同样多个负电荷 ( 在生理 pH 下 ) 的任何蛋白多糖衍生物也会是合适的。
硫酸软骨素是细胞外基质的主要成分， 且在维持组织的结构完整性方面是重要 的。 作为聚集蛋白聚糖的部分， 它还是软骨的重要结构成分， 且通过紧密布置的且高电荷的 硫酸软骨素的硫酸基团提供了其大部分的压缩抗性。
软骨素链可具有多于 100 个单糖， 其中每个可以不同的位置和数量被硫酸化。每 个单糖可以保持未硫酸化、 一次硫酸化、 或二次硫酸化。最普遍地， N- 乙酰 - 半乳糖胺的 4 和 6 位的羟基被硫酸化， 某些链的葡萄糖醛酸的 2 位被硫酸化。硫酸化由特定的磺基转移 酶介导。这些不同位置的硫酸化赋予软骨素粘多糖链特定的生物活性。 存在如下一些老的分类术语 ： 硫酸软骨素 A- 硫酸化位点在 N- 乙酰 - 半乳糖胺糖 的碳 4 上 ( 也称为 4- 硫酸软骨素 ) ； 硫酸软骨素 B- 硫酸皮肤素的旧名， 其已不再被分类为 硫酸软骨素的形式 ； 硫酸软骨素 C- 硫酸化位点在 N- 乙酰 - 半乳糖胺糖的碳 6 上 ( 也称为 6- 硫酸软骨素 ) ； 硫酸软骨素 D- 硫酸化位点在葡萄糖醛酸的碳 2 和 N- 乙酰 - 半乳糖胺糖 的碳 6 上 ( 也称为 2， 6- 硫酸软骨素 ) ； 和硫酸软骨素 E- 硫酸化位点在 N- 乙酰 - 半乳糖胺 糖的碳 4 和碳 6 上 ( 也称为 4， 6- 硫酸软骨素 )。所有这些衍生物在本文被考虑作为被考虑 用于本发明中的 “硫酸软骨素” 。
在一个实施方案中， 蛋白多糖存在于第二组分内。 在这一实施方案中， 优选蛋白多 糖∶生物相容性硫酸盐和 / 或磺胺的 wt/wt 比为 1 ∶ 3。更优选地， 其中蛋白多糖为硫酸软 骨素且生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺为 TTP， 优选的 wt/wt 为 1 ∶ 3。
因此， 另一方面本发明提供了用于递送生物活性剂的缓释递送系统， 该系统包 括：
(i) 包含壳聚糖 ( 或其适当官能化的衍生物 ) 的第一组分 ； 和
(ii) 包含三聚磷酸盐的第二组分 ；
其中
(a) 第一和 / 或第二组分还包含生物活性剂 ； 和
(b) 第一和 / 或第二组分还包含 ：
(i) 羟磷灰石 ； 和/或
(ii) 硫酸软骨素 ； 和
其中该系统的第一和第二组分被物理隔离， 且当使用时， 第一和第二组分的合并 促进交联且导致形成包含生物活性剂的生物聚合物混合凝胶 - 贮库。
另一方面， 本发明还提供了形成包含生物活性剂的缓释生物聚合物混合凝胶 - 贮 库的方法， 所述方法包括 ：
(i) 提供包含壳聚糖 ( 或其适当官能化的衍生物 ) 的第一组分和包含三聚磷酸盐 的第二组分，
(a) 其中第一和 / 或第二组分还包含所述生物活性剂 ； 和
(b) 其中第一和第二组分还包含 ：
(i) 羟磷灰石 ； 和/或
(ii) 硫酸软骨素 ； 和
(ii) 在促进交联和形成包含生物活性剂的生物聚合物混合凝胶 - 贮库的时间和 条件下合并第一和第二组分。
生物活性剂
第一和第二组分还包含生物活性剂， 其后来可被施用给受治疗者以为受治疗者提 供该剂的缓释。
术语 “生物活性剂” 意在包含本领域技术人员已知的能够在体内激发期望的生理 效应的合成制备或天然来源的任何分子， 例如具有在疾病或病症的治疗或预防方面的用途 的药物或疫苗， 尤其是需要向受治疗者缓释的一种分子。
生物活性剂可以是需要被例如皮下施用的治疗药物， 因为当这些剂通过其他途径 递送时遇到问题。这些剂的实例包括由吸收差、 亲油性高、 分子量高和 / 或净电荷过多引起 的生物利用率差的化合物以及易于酶解的剂。这些剂包括生理上不稳定的小分子、 肽或蛋 白药物、 抗体、 合成激素、 重组或灭活疫苗、 或基因药物。 在一个实施方案中， 生物活性剂选自但不限于肽类激素例如胰岛素、 皮质醇、 雌激 素或生长激素 ； 抗体例如英利昔单抗、 阿达木单抗、 利妥昔单抗、 阿仑珠单抗、 达利珠单抗或 巴利昔单抗 ； 融合蛋白例如依那西普和针对感染性物质、 或用于免疫去势 (LHRH) 或其他行 为改变的疫苗。
其他具体活性剂包括 ：
·强的松， 一种微溶于水的抗炎类固醇药物
·羟基喜树碱， 例如 10- 羟基喜树碱， 提供组织 ( 部位 ) 特异性递送和与网状内皮 系统较低相互作用活性的抗癌药物
· 乙型肝炎表面抗原 HBsAg 和乙型肝炎核心抗原 HBcAg 免疫， 特别为对抗发展中国 家普遍存在的低再免疫接种率 (3 次注射免疫方案 )
·DNA 基因疫苗质粒 DNA 递送， 人类免疫缺陷病毒和流感 DNA 疫苗， 提供针对核酸 酶降解的 DNA 保护。用于 DNA 酶以克服细胞进入和细胞毒性限制的药物递送系统。用于针 对癌症和其他遗传性疾病的 siRNA 分子的药物递送系统
·为肿瘤位点递送抗癌药物多柔比星
活性剂可以以分子形式 ( 即， 基本作为散布在凝胶 - 贮库中的分子 )， 或可以以粒 子形式 ( 即， 在凝胶 - 贮库内相邻定位的众多分子的团 )。 然而， 应当理解， 有生物活性剂可 存在于本发明的生物聚合物混合凝胶 - 贮库内的许多形式。剂可被包封、 存在于孔内、 与自 由胺结合、 负载在蛋白质上， 和 / 或游离的用于当植入时的即刻突释效应。所使用的确切形 式将取决于生物活性剂和应用。除此之外或可替代地， 生物活性剂可结合至聚合物的一个 或多个组分上。如果被结合， 生物活性剂可结合 ( 离子地或共价地 ) 到存在于凝胶 - 贮库 内的载体分子上。 例如， 活性剂可结合到壳聚糖上， 应当理解的是， 在这一实施方案中， 活性
剂可存在于系统的第一组分中以防止在注射之前与第二组分的生物相容性磷酸盐和 / 或 磺胺的提前的且不想要的原位交联。
生物聚合物混合凝胶 - 贮库
根据优选的实施方案中的一个， 壳聚糖能够与三聚磷酸盐交联且因而经历经典的 有吸引力的聚合物诱导的溶剂去除而导致聚合物压缩和液相排除， 即除链 - 链交联导致的 其他脱水收缩作用。
通常， 生物聚合物混合物由基本上液体组分 ( 包括液体分散物 ) 自发形成。 也就是 说， 在形成生物聚合物混合物之前， 第一和第二组分不是气体、 半固体、 或固体形式。因此， 优选地， 组分以使得它们易于注射而被提供， 且这也避免对额外固化机制 / 设备 ( 例如 UV、 IR、 加热 ) 的需要。
所得的凝胶 - 贮库不是热塑性的， 也不是由半固体 ( 例如， 膏状物 ) 得到， 其中对 于由其组分形成聚合物来讲任何形式变化都是不必要的。其可被称为无机 / 有机材料的二 元固体。如杨氏模量 ( 弹性模量 ) 所表述的， 本发明的凝胶 - 贮库的特征具有顺应性。在 一个实施方案中， 用于贮库的杨氏模量范围为约 20 至 60kPa 且优选约 10kPa。优选的压缩 模量在 100 至 500kPa 的范围内且优选约 220kPa。
优选地， 凝胶 - 贮库是可生物降解的， 意味着其可在体内分解。生物侵蚀是相似的 术语。从凝胶 - 贮库释放活性剂的曲线可包括短期部分和长期部分。短期曲线可通过存在 于凝胶 - 贮库中的游离活性剂实现， 而长期曲线将取决于凝胶 - 贮库降解以逐渐释放更牢 固嵌入的活性剂。
如本文所使用的， 短语 “缓释” 意思是剂向受治疗者释放的速率慢于如果直接向受 治疗者施用剂可产生的速率。在一个实施方案中， 生物活性剂持续长达约 12 个月的时期向 受治疗者释放。剂可以在该时期内连续或非连续释放。
术语 “控释” 意思是生物活性组分从聚合物向受治疗者释放的速率由例如生物聚 合物 - 凝胶贮库降解的速率和活性剂被包含在贮库内的方式 ( 例如， 包封、 结合、 游离于溶 液中等 ) 的机制控制， 其他因素包括贮库的尺寸和位置。
在一个实施方案中， 所得的生物聚合物混合凝胶 - 贮库内的特定组分的％ wt/wt 比范围如下 ：
生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质∶生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺∶水不溶性碱 土金属磷酸盐∶生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖从约 4 ∶ 6 ∶ 1 ∶ 2 至约 4 ∶ 12 ∶ 4 ∶ 4。
但是， 应理解以上比可在一定程度上取决于处理条件 ( 包括批大小 )， 因为其为由 动力学质量控制的运输过程。 在该范围之外， 可制备具有极大差异特征的贮库， 其可能具有 不同于本文设想的特殊优势应用 ( 例如， 更软质或更硬质的凝胶 )。
因此， 另一方面， 本发明提供了生物聚合物混合凝胶 - 贮库， 其包括 ：
(i) 生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质 ；
(ii) 与 (i) 充分交联的生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺 ；
(iii) 水不溶性碱土金属磷酸盐 ；
(iv) 生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖 ； 和
(v) 生物活性剂。
另一方面， 本发明提供了生物聚合物混合凝胶 - 贮库， 其包括 ：(i) 壳聚糖 ( 或其适当官能化的衍生物 ) ；
(ii) 与 (i) 充分交联的三聚磷酸盐 ；
(iii) 羟磷灰石 ；
(iv) 硫酸软骨素 ； 和
(v) 生物活性剂。
其他组分
本发明的生物聚合物混合凝胶 - 贮库也可包括佐剂。使用更少量的抗原或比如果 单独施用抗原更少的剂量， 佐剂调节免疫应答以达到更持久且更高水平的免疫。
多种佐剂是本领域技术人员已知的。佐剂的实例包括不完全弗氏佐剂 (IFA)， 佐 剂 65( 包含花生油、 二缩甘露醇单油酸酯和单硬脂酸铝 )、 油乳剂、 Ribi 佐剂、 复合多元醇、 多胺、 阿夫立定、 Quil A、 皂角苷、 MPL、 QS-21 和矿物凝胶例如铝盐。其他实例包括水包油乳 剂例如 SAF-1、 SAF-0、 MF59、 Seppic ISA720、 和其他粒子佐剂例如 ISCOM 和 ISCOM 基质。
另外， 活性剂和 / 或凝胶 - 贮库可包括进一步量的药学上可接受的且合适的载 体、 稀释剂或赋形剂。这些包括所有已知的溶剂、 分散介质、 填充剂、 固体载体、 铸造物 (casting)、 抗真菌剂和抗菌剂、 表面活性剂、 等渗和吸收剂及类似物。 将应理解的是活性剂 和 / 或凝胶 - 贮库也可包括其他辅助生理活性剂。
向受治疗者施用
如以上描述的系统优选包括使用两组分的溶液和悬液以使其容易向受治疗者注 射。系统被设计以使得直到即将使用之前第一和第二组分是分开的 ( 物理隔离 )。在优选 的实施方案中， 第一和第二组分在即将注射前合并， 例如， 通过使用带有单注射针头的双分 隔注射器。在该系统中分开两个组分将防止 / 减少当组分快速交联时的针头堵塞。因此， 应当理解， 虽然优选大部分的凝胶 - 贮库形成发生在体内， 至少某些凝胶 - 贮库可在当第一 和第二组分合并时在注射期间形成在注射器的腔或针头内。
使用特殊设计的具有用于允许在针口处相遇时发生混合的两成分的分隔通道的 双针头， 也可使用共注射。
在另一个实施方案中， 本发明还考虑了在体内同一位点同时注射或顺序注射第一 和第二组分的可能性。但是应当理解如果组分中的一种被快速吸收进入生物系统中， 这种 类型的施用可能不是优选的。
因此， 另一方面本发明提供了向受治疗者递送生物活性剂的方法， 其包括施用以 下的步骤 ：
(i) 包含生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质的第一组分 ；
(ii) 包含能够与第一组分交联的生物相容性硫酸盐和 / 或磺胺化合物的第二组 分， 其中
(a) 所述第一组分和所述第二组分还包含所述生物活性剂 ； 和
(b) 所述第一组分和所述第二组分还包含 ：
(i) 水不溶性碱土金属磷酸盐 ； 和/或
(ii) 生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖 ； 和
其中所述第一组分和所述第二组分被同时或顺序地在同一位置注射。
作为进一步的可能性， 考虑该系统可被用来形成用于体内注射而制造的基于凝胶 - 贮库的植入物。也就是说， 凝胶 - 贮库可在体外形成， 然后被植入。
因此， 又另一方面， 本发明提供了向受治疗者递送生物活性剂的方法， 该方法包括 植入生物聚合物混合凝胶 - 贮库的步骤， 该生物聚合物混合凝胶 - 贮库包括 ：
(i) 生物相容性聚氨基糖和 / 或蛋白质 ；
(ii) 与 (i) 充分交联的生物相容性磷酸盐和 / 或磺胺 ；
(iii) 水不溶性碱土金属磷酸盐 ；
(iv) 生物相容性聚糖和 / 或蛋白多糖 ； 和
(v) 生物活性剂。
关于上述优选递送方式， 优选交联和凝胶 - 形成快速且在混合第一和第二组分后 的 1-5 秒钟内发生。更优选地， 在混合第一和第二组分后的 1-2 秒钟形成凝胶 - 贮库。
根据本发明的体内注射可以是皮下的、 肌肉内的或腹腔内的。 优选地， 本发明涉及 皮下递送系统。
如以上提及的， 生物聚合物混合凝胶 - 贮库具有在施用生物活性剂例如药物或疫 苗方面的应用。
生物聚合物混合凝胶 - 贮库可在体内形成或植入到受治疗者体内以治疗或预防 疾病或病症。如本文所用的术语 “治疗” 和 “预防” 是指预防受治疗者的疾病或病症的任何 治疗。 “治疗” 和 “预防” 包括 ： (a) 抑制疾病或病症， 即阻止其发展 ； 或 (b) 减轻或改善疾病 或病症的症状， 即， 导致疾病或病症的症状衰退。就疾病或病症的部分或完全治愈来讲， 效 应可以是治疗性的。 本文所用的 “疾病” 是一般术语， 用来表示受治疗者遭受的且可使用提供活性剂缓 释的凝胶 - 贮库治疗或预防的任何健康偏离。 “病症” 是指受治疗者的身体的部分的功能失 常且其可使用提供活性剂缓释的凝胶 - 贮库治疗或预防。
被治疗或预防疾病或病症的受治疗者可以是人或对人有经济意义和 / 或社会意 义的哺乳动物， 例如除了人以外的食肉动物 ( 例如猫和狗 )、 猪 ( 家养猪、 肥猪和野猪 )、 反 刍动物 ( 例如家养牛、 公牛、 绵羊、 长颈鹿、 鹿、 山羊、 野牛和骆驼 )、 马、 和鸟类， 包括那些濒 危鸟类、 饲养在动物园里的鸟类、 和家禽、 和更特别地家养禽类， 例如， 家禽例如火鸡、 鸡、 鸭、 鹅、 珍珠鸡、 和类似的动物， 因为它们对于人类也有经济意义。该术语不指定特定的年 龄。所以， 成年的和刚出生的受治疗者都是期望被覆盖的。
如本说明书中所用的， 除非另外明确指明， 单数形式 “一个” 、 “一个” 和 “这个” 包 括复数情况。因此， 例如， 述及一个 “病毒” 包括单个病毒粒子以及两个或更多个病毒粒子， “一个基因” 包括单个基因或两个或更多个基因。述及 “本发明” 包括本发明的一个或多个 方面。
贯穿本说明书和以下的权利要求书， 除非上下文另有要求， 词语 “包括” 和例如 “单 数形式的包括” 和 “动名词包括” 的改变， 将应被理解为意指包括所述及的整数或步骤、 或整 数或步骤的组而不排除任何其他整数或步骤、 或整数或步骤的组。
除非另外限定， 本文所用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的普通技术 人员通常理解的相同含义。 尽管任何与本文描述的那些相似或等同的任何材料和方法可被 用来实践或测试本发明， 现在描述优选的材料和方法。
在以下非限制性实施例中更详细描述了本发明的进一步的特征。
实施例
所用的材料 ：
1％醋酸中的 1wt.％壳聚糖在 20℃的粘度为～ 100mPa.s 的低分子量壳聚糖 ( ～ 150kDa) 来源于 Sigma-Aldrich 且用在这些实施例的所有聚合物形成中。三聚磷酸钠 ( 技 术级， 85％ )、 羟磷灰石 ( 于 0.001M 磷酸盐缓冲液 pH6.8 中的 26wt％总固体的 I 型悬液 ) 和硫酸软骨素 A( 来自于牛的气管的钠盐， ～ 70％的细胞培养测试， 与硫酸软骨素 C 平衡 ) 来源于 Sigma-AldrichChemicals。
参考实施例
参考实施例 1- 壳聚糖 / 羟磷灰石
获得于 1 体积％醋酸中的 1wt％和 2wt％的壳聚糖溶液。向 5mL 的壳聚糖溶液中 加入于磷酸缓冲液中的 100、 200 或 300μL 的 26wt％羟磷灰石。与羟磷灰石组合的 1wt％ 的壳聚糖溶液不产生凝胶。另一方面， 当 2wt％的壳聚糖溶液与 26wt％羟磷灰石组合以分 别产生 25wt％、 50wt％和 75wt％的羟磷灰石∶壳聚糖的混合物时， 的确形成凝胶。为了澄 清， 25wt％羟磷灰石 - 壳聚糖溶液包含 25g 羟磷灰石 /100g 壳聚糖。
在所有情况下， 混合物经受初始的剧烈搅拌且之后室温下保持 12 小时。 50wt ％ 和 75wt ％ 的 羟 磷 灰 石 ∶ 壳 聚 糖 的 混 合 物 产 生 了 均 一 的 硬 质 凝 胶， 而 25wt％的羟磷灰石∶壳聚糖的混合物在 12 小时之后仍是粘性液体。我们相信这表明羟磷 灰石粒子表面的磷酸基团参与和溶液中的壳聚糖链上的碱性含氮基团交联的能力。 也就是 说， 在壳聚糖溶液的弱酸性条件下， 壳聚糖的质子化的胺基团可能提供了与羟磷灰石粒子 表面上的磷酸基团交联。羟磷灰石也可在这些温和的酸性条件下微溶。产物被最佳描述为 均一的粒状固体且在图 1 中示出。
如图 2 所示， 使用扫描电子显微镜 (SEM) 研究凝胶产物的冻干微结构。所产生的 均一的凝胶将存在于初始溶液中的所有水包含在胶凝过程中产生的较大的空穴中。壳聚 糖 - 羟磷灰石凝胶微结构表明了羟磷灰石粒子与溶液中的壳聚糖的这种交联。
参考实施例 2- 壳聚糖 / 羟磷灰石 / 三聚磷酸盐贮库
在剧烈搅拌下， 向 5mL 的于 1％醋酸溶液中的 2wt％壳聚糖中加入从 50 至 400μL 范围内体积的羟磷灰石悬液。制备在 2 至 80mM 范围内的不同溶度的三聚磷酸盐溶液。然 后， 在慢搅拌速率下， 向每种壳聚糖 - 羟磷灰石混合物中加入 5mL 每种三聚磷酸盐溶液。相 对于溶液中的粒状羟磷灰石， 三聚磷酸盐是更活跃和更快速的交联实体。 因此， 引入三聚磷 酸盐作为潜在交联剂以提供结实的但刚性较低的聚合物。
通常， 且与参考实施例 1 对比， 使用三聚磷酸盐的胶凝过程几乎自发发生。同样， 如图 3 中的图像表明， 与缺少三聚磷酸盐相比， 使用三聚磷酸盐溶液的壳聚糖 - 羟磷灰石悬 液的胶凝产生了均一的凝胶。贯穿所有在凝胶自发形成时都显示了高脱水收缩 ( 体积收 缩 ) 效应的羟磷灰石∶壳聚糖和三聚磷酸盐范围， 获得了具有极大差异特点的凝胶。在低 浓度的三聚磷酸盐下， 如图 4A 中所示， 混合物形成沉淀以及澄清上清液。在高浓度的三聚 磷酸盐下， 如图 4C 中所示， 观察到均一顺应性的凝胶和澄清的上清溶液。如图 4B 中在这两 个界限之间观察到这些的组合。
通过观察它们的形貌和弹性且将其绘制在伪相图 ( 图 5) 上制备了贮库凝胶的物 理性质的半定量评估。所产生的凝胶被分为 (A) 粘胶乳液， (B) 膜凝胶， (C) 浑浊沉淀， (D)
凝胶， (E) 密实凝胶， 和 (F) 纤维凝胶的任何一种。
在最佳组成范围内， 通过慢速混合发现胶凝自发发生， 产生包含所有羟磷灰石粒 子的稳固的白色凝胶且通过脱水收缩， 将澄清的液相 ( 去除壳聚糖 ) 挤出成为周围流体。 这 种组成范围一方面 ( 较低的三聚磷酸盐 ) 形成了较弱质的凝胶且另一方面 ( 较高的三聚磷 酸盐 ) 形成了纤维凝胶。与没有三聚磷酸盐交联形成的凝胶相比， 脱水收缩现象产生了具 有较低孔隙度的更致密的材料。 具有必需特征的凝胶仅在较高去羟磷灰石∶壳聚糖比和较 高浓度的三聚磷酸盐下产生。
图 6 中示出了实施例凝胶的 SEM 图像。 看到凝胶形成过程中两种不同结构的形成 ； 第一种是凝胶的多孔块 ( 图 6A) 且第二种是低孔隙度外层 ( 图 6B)。
当向仅有壳聚糖的溶液 ( 即， 无羟磷灰石 ) 中加入三聚磷酸盐溶液时， 一旦混合， 在两种溶液之间形成交联的壳聚糖膜， 防止形成均一凝胶。
发明实施例
实施例 1- 壳聚糖 / 羟磷灰石 / 硫酸软骨素 / 三聚磷酸盐贮库
制备 40μL 羟磷灰石悬液和 2mL 于 1％醋酸溶液中的 2wt％壳聚糖的混合物。还 制备于 100mM 三聚磷酸盐溶液中的 1％的硫酸软骨素。 在室温下慢速搅拌下， 向羟磷灰石∶ 壳聚糖混合物中加入 0.5、 1 或 2mL 的硫酸软骨素溶液。
硫酸软骨素是溶于水的聚合物盐， 且其在酸性条件下沉淀， 因此在加入到羟磷灰 石∶壳聚糖混合物和自发胶凝之前， 其起初溶解在三聚磷酸盐交联剂溶液中。
在这一过程中形成的凝胶在物理性质上与壳聚糖 - 羟磷灰石 - 三聚磷酸盐凝胶相 似。图 8 中的图像表明壳聚糖 / 羟磷灰石 / 硫酸软骨素 / 三聚磷酸盐凝胶与在其组合物中 没有硫酸软骨素的相似凝胶相比具有浅棕色， 且标识位置指出了用于贮库形成的优选的组 成范围。 在最佳组成范围内， 浅棕色的顺应性水凝胶与彻底去除的液相一同自发形成。 壳聚 糖 - 硫酸软骨素 - 羟磷灰石 - 三聚磷酸盐凝胶微结构表明了与具有壳聚糖 - 羟磷灰石 - 三 聚磷酸盐的那些凝胶相似的结构 ( 见图 9)。
图 9A 表示凝胶的多孔块且图 9B 表示低孔隙度外表面。纤维样结构可能由胶凝过 程中的搅拌所致。
实施例 2- 包含壳聚糖粒子的可注射贮库凝胶
包含壳聚糖的聚合物的最终组成是 ： 可溶性壳聚糖和硫酸软骨素、 羟磷灰石 ( 作 为纳米粒子 )、 和三聚磷酸盐 ( 作为主要交联实体 )、 一同带有在 500nm 至 3 微米范围内的 壳聚糖粒子 ( 能够整合疫苗、 佐剂或药物但是在本实施例中不会这样 )。如上制备溶液、 悬 液和粒子且允许发生自发胶凝。图 10A 示出了混合时形成的凝胶， 带有通过脱水收缩作用 排除的澄清水相。如图 10B 中所示， 所有聚合物粒子被全部吸收进凝胶微结构内。
使用针头和塑料注射器共注射聚合物组分壳聚糖∶羟磷灰石悬液和三聚磷酸盐 交联剂溶液时表明了可注射性和自发胶凝。 使用硅油以提供可在其中检验凝胶形成和脱水 收缩过程的惰性透明介质。
图 11 示出了这些阶段和所形成的相。在硅油介质内， 可见白色凝胶相被代表当凝 胶经历体积缩小时从凝胶排除的液体的澄清水相包围。
实施例 3- 壳聚糖 -HAp-ChS-TPP 贮库
研究了下列贮库组成变化 ：组分 A ： 1％ AcOH 中的 2％壳聚糖， 其中 HAp wt％是变化的
组分 B ： 水中的 1％ wt ChS， 其中 TPP(M) 是变化的
图 12 中以图表方式列出了最佳浓度。
优选的组成与没有 ChS 时形成的贮库组成即前面实施例 2 中给出的 Chit-HAp-TPP 相似。基于由以上系列中的 A 和 B 组分产生的水凝胶形成可以以图表方式表示各相 ( 见图 13)。
实施例 4- 贮库凝胶的机械特征
测量了不包含硫酸软骨素系统即 Chit-HAp-TPP 中的一系列贮库组合物和包含硫 酸软骨素的贮库系统即 Chit-HAp-ChS-TPP 的压缩模量和杨氏模量。然后以多种组成形成 贮库的薄层结构， 同时切下厚度～ 1mm 的水化圆盘并特征化在 Perkin Elmer 热差异分析 DMTA 设备上。
因为精确的机械模量测量需要样品形成为软质水凝胶的整体， 采取平面构造而不 是在注射针上的尖端处的形成。这要求在超出优选贮库形成的初始 HAp 比例的 HAp 比例下 形成并外推至优选组成范围。这些贮库水凝胶样品的水含量
如图 14 中所示， 这些水凝胶的水含量随羟磷灰石含量线性变化。
图 15a 和 15b 描绘了获得的用于贮库凝胶的多种 HAp 含量的应力 - 应变曲线。
如图 16a 和 16b 中所示， 这些图给出了两种系统的相应的压缩静态模量。
最后， 如下所示， 绘制了当改变起始 HAp 比时的杨氏模量和压缩模量， 且指出了可 注射凝胶的优选组成范围的推断模量值。这给出了在 6kPa 至 20kPa 范围内具有平均值 10kPa 的优选杨氏模量， 和在 100kPa 至 500kPa 范围内具有平均值 220kPa 的优选压缩模量。 这在图 17a 和 17b 的阴影区被指出。
实施例 5-CMC 作为 ChS 的替代物
研究了下列组成变化 ：
组分 A ： 1％ AcOH 中的 2％壳聚糖， 其中 HAp％是变化的
组分 B ： 水中的 1％ CMC， 其中 TPP(M) 是变化的
使用均质器 (18mm 定子， 剪切速率在 14,100s-1) 持续 2 分钟， 形成壳聚糖 -HAp 悬 液。使用 Eppendorf 移液分配器向悬液中加入等体积的组分。在振荡小瓶 (2-3 分钟 ) 之 前和之后和 20 小时后 ( 老化贮库形成 ) 将混合物拍照。当增加 TPP 浓度时， 膜凝胶逐渐变 化为具有与分配器的直径相关的结构的更致密的体积减小的凝胶贮库 ( 见图 18a)。
当不向含有 1 ％ CMC 的系统中加入 TPP 交联剂时 ( 见下面 )， 当加入壳聚糖溶液 [ 小瓶 1， 图 18b] 或同时加入壳聚糖和 HAp 悬液 [ 小瓶 6、 11、 16、 21] 时， 形成分散膜凝胶。 这表明了带正电的壳聚糖链和带负电的 CMC 聚合物链的静电作用。在没有 TPP 交联剂存在 下制备了更开放的凝胶结构 ( 如在通过增加以上 TPP 的之前系列中表明的 )。
剪切混合物之后， 如图 18c 所示的如系列 6-10 中的小瓶 [9] 中看见的， 在 0.08M TPP 下观察到更澄清的上清液。
如图 19 中所示的在 [ 小瓶 4、 9、 14、 19、 24] 中看见的， 在所有系列可见这一最佳 TPP 浓度， 0.08M， 这暗示了交联化学计量接近当量点 ( 滴定终点 )。带有 CMC 作为一种组分 的以下组成范围表示优选贮库形成的区域。
静置 20 小时后， 如图 19 所示， 凝胶出现进一步收缩。优选的组成与没有 CMC 的贮库组成即之前给出的 Chit-HAp-TPP 相似。
实施例 6- 透明质酸钠作为 ChS 的替代物
研究了下列组成变化 ：
组分 A ： 1％ AcOH 中的 2％壳聚糖， 其中 HAp％是变化的
组分 B ： 水中的 1％ NaHya， 其中 TPP(M) 是变化的
贮库合成阵列表明使用 NaHya 作为 ChS 的替代物可形成贮库。这一趋势表明任何 带负电的聚合物可以取代 ChS， 且因此提供促使顺应性贮库形成的静电结合组分。
当使用高比例的 HAp 时， 水凝胶贮库制剂变得更暗。例如， 在具有渐增的 HAp 比 [ 小瓶 30、 35、 40、 45 和 50] 的 0.01M TPP 中， 可见这一趋势 ( 图 20a)。因为部分归因于 HAp 对交联度的增加的促成作用引起的 HAp 比增加， 凝胶的体积也减少了 ( 表明凝胶贮库密度 增加 )。
当不向系统中加入 TPP 交联剂时， 产物为浑浊悬液， 其中较大的粒子形成沉淀 ( 如 图 20b 中所示 ) 表明仅在壳聚糖和 NaHya 之间的结合水平。随着 TPP 增加而增加的沉淀水 平清楚地表明 TPP 粒子作为交联位点起作用， 将 Chit 链从溶液中转移到沉淀上。
当组合物中没有使用 TPP 交联剂时， 再次由于带负电的透明质酸盐和带正电的壳 聚糖链的静电作用， 形成浑浊沉淀 ( 图 20b)。
如前面所见， 产物的更深颜色在较高 HAp 水平下出现。具有 NaHya 的组成范围表 示优选贮库形成的区域 ( 见图 21)。
实施例 7- 通过颜色分析的优选的贮库组成， (Chit-HAp-ChS-TPP)
优选的贮库组成可通过颜色直方图分析鉴定， 这用于说明壳聚糖 - 羟磷灰石 - 硫 酸软骨素 -TPP 系统 ( 见图 22)。考虑了每种颜色的平均值。值被归一化到总计 100％， 因 此忽略了颜色的强度。
实施例 8- 灰度直方图分析表明贮库形成的优选区域 ( 实施例 Chit-HAp-ChS-TPP 系统 )
形成的凝胶的透明性或不透明性来源于两种机制 ； 第一种是 HAp 在壳聚糖溶液中 的存在和第二种是当与 TPP 交联时的聚合物的相分离或带正电的壳聚糖和带负电的 ChS、 CMC 或 Hya 的聚集。 当这些带相反电荷聚合物经混合相遇时， 它们在两种溶液的界面上形成 膜或作为浑浊分散物沉淀。当在黑色背景上对系统拍摄图像时， 这些视觉参数被量化为灰 度直方图 ( 图 23a 和 23b)。
由于黑色背景是明显的， 在低灰度处的峰代表澄清的液体且在灰度的高值处的峰 代表水凝胶或沉淀形成， 而峰面积将量量化。 峰形表示贮库水凝胶的演变的微结构， 因为其 可被去褶积以提供结构信息。所以， 这种灰度技术将限定优选形成组成的关键参数量化。
由用于合成 ( 图 23b) 中的组成产生的区域 [ 小瓶 51、 52、 53、 54、 55] 之外的和在优 选区域 [ 小瓶 61、 62、 63、 64、 65] 内的 Chit-HA-ChS-TPP 系统表明了水凝胶演变及其表面微 观结构。通过增加峰形的复杂性如其去褶积所示， 表明了这种微结构的发展。在灰度分布 较低值 ( ～ 50) 的峰表示在相分离时形成的上清液体， 而在高值处的峰表示贮库形成。形 状的复杂性象征所形成的贮库内的增加的结构特征。 随着增加 TPP， 相分离以及在优选交联 度 [53、 54、 63、 64] 的更多结构质地的增加的峰复杂性特征是明显的。
在优选的组成区域之内和在其之外的 Chit-HA-ChS-TPP 系统表明水凝胶的演变以及通过增加峰形的复杂性如其去褶积所示， 表明了其形貌的微结构 ( 图 24)。
实施例 9- 用于与蛋白质 / 肽结合且整合在贮库中的氨基葡萄糖低聚物和低 Mw 壳 聚糖的产生
(a) 热诱导的壳聚糖的水解解聚
壳聚糖在酸性 HCl 条件 (30mL 的 35％ HCl 加入到 30mL 的于 1％ AcOH 中的 2％壳 聚糖中 ) 下解聚并在氮气层下使用蒸汽加热 1 小时。使用溶于水中的 40％ NaOH 中和混合 物。向冰浴中的混合物中加入乙醇以沉淀所有得到的壳聚糖。
在乙醇中重悬分离的壳聚糖沉淀并离心数次以完成纯化以允许测定 MW。 然后过夜 冻干纯化的解聚壳聚糖沉淀 ； 获得 0.35g 干重的壳聚糖， 代表总收率为 58％。
测定比浓粘度 ηred( 或粘度值 ηN) 以获得处理的壳聚糖的分子量 MW。这里， 将 150mg 加热处理的壳聚糖溶解到 15mL0.2M AcOH 和 0.1MAcONa 中以获得 1％溶液。使用毛 细管测粘计 (531 10/I 型 ) 在 25.00℃ ±0.01 获得稀释 1g/L 溶液至 0.1g/L 的特性粘度。 使用下列表达式 ：
比粘度 ： 比浓粘度或粘度值 ηN ： 特性粘度或固有粘度 ：
应用于 Staudinger’ s 方程的截距 ( 见图 25)， [η]， 在 C ＝ 0 时对于处理过的壳聚 糖为 49.867， 给出 Mw 为 60.113kDa 和 ( 对于 DD ＝ 80％， K ＝ 0.00083046 且 α ＝ 0.9999)。 α
[η] ＝ KM
对于处理过的壳聚糖样品， 这给出了聚合度 354。
当使用 NaOH 溶液中和时， 这种 Mw 减少的壳聚糖能够产生微粒状的可重悬物。 如图 26( 左 ) 所示， 当以 4.4 ∶ 1(v/v) 与 1N NaOH(pH ＝ 12.7) 混合时， 溶于 0.2M AcOH 和 0.1M AcONa 的 0.25％的壳聚糖溶液产生浑浊悬液。
这种悬液中的微粒可被结合至多肽或蛋白质上且通过降低 pH 溶解且与贮库组分 混合以用于交联粘附到形成的贮库上 ( 见图 26( 右 ))。
(b) 使用超声降解法解聚壳聚糖 通过超声降解法解聚壳聚糖， 在不同的温度和输入功率下， 如下面制作的表， 使用 1 秒脉冲开 / 关程序对 30g 的于 0.2MAcOH 和 0.1M 醋酸钠 (NaOAc) 中的 2％壳聚糖的样品 超声。
然后用 10％ NaOH 沉淀样品， 离心并用乙醇洗且然后用水洗数次直到达到中性 pH， 最后将它们冻干。然后通过 GPC 和固有粘度特征化样品。
功率 I 质量 温度 超声时间 [η](mL/g) 928.89 Mw(kDa) 1,120.121CN 102470180 A A B C
50％ 50％ 90％ 30g 30g 30g 70℃ 85-90℃ 90℃说明书320.72 291.95 243.6917/18 页 386.7 352.0 294.61 小时 1 小时 1 小时图 27 示出， 超声与产生 Mw 60x103 的酸化加热相比将初始壳聚糖 (I) 的分子量从 约 1.1x106 降至低达约 300x103。
实施例 10- 使用短链壳聚糖 (MW 60x103) 形成贮库和结合疫苗
(a) 结合至短链壳聚糖
结合至短链壳聚糖以后， 通过以下方法测定溶液中的 FITC 或含硫醇的肽的量 ：
用荧光素 FITC(32μg/ml)(A) 或 3kD 含硫醇肽 (2mg/ml)(B) 孵育未氯乙酰化 (A) 或氯乙酰化 (B) 短链壳聚糖溶液。用 1N NaOH 调节溶液至 pH 8-9 并在 37℃在混合架上静 置过夜孵育。在 0 小时和 24 小时后测量每种溶液的吸光度谱。在 495nm 波长测量含 FITC 溶液并在 280nm 下测量含肽溶液。
起初通过结合异硫氰酸荧光素 (FITC) 并在结合 24 小时后在 495nm 测量残留于溶 液中的 FITC 来测定壳聚糖链的 NH2 官能团的反应性。在图 28a 中， 可以看出大部分的 FITC 共价键合到壳聚糖链上。
在 5mL 的无水丙酮中悬浮 100mg 冻干的短链壳聚糖。向管中加入 500mg 的氯乙酸 和 50mg 的氯乙酸酐并密封。在 50℃下持续搅拌混合物 1 小时以产生用于多肽结合的氯乙 酰化的短链壳聚糖。
然后通过在溶液中持续接触 24 小时， 将含硫醇的肽结合至氯乙酰化的短链壳聚 糖上， 并通过 280nm 处的肽固有荧光测量残存在溶液中的未结合的肽的量。在图 28b 中借 助于溶液荧光显示了肽结合。
然后直接在固体干燥样品上分析所得的肽结合短链壳聚糖中的肽含量并与在 270nm 激发的固态荧光结合前的乙酰化 (ClAcO) 的壳聚糖比较， 如图 29a 中所示。
如图 29b 中所示， 通过 FITC 结合和在 330nm 激发的荧光谱验证短链壳聚糖的胺官 (b) 将短链壳聚糖、 FITC 标记的短链壳聚糖和多肽结合的短链壳聚糖整合到贮库能团。
中 通过混合作为主要组分的长链聚合壳聚糖和作为携带结合的多肽进入贮库结构 的载体起作用的短链壳聚糖， 实现了贮库形成。 以这种方式， 多肽通过短链共价地连接到贮 库结构， 同时通过聚合壳聚糖组分保持了贮库的机械性能。贮库和其上清液的固有荧光在 285nm( 多肽 ) 和 346nm(FITC) 激发。图 30a 表明所有长链聚合壳聚糖在贮库形成中被吸 收。
通过混合聚合壳聚糖溶液和多肽结合的壳聚糖链溶液制备了贮库。图 30b 表明在 贮库形成期间， 所有多肽结合的短链壳聚糖被整合到结构中。
为确定短壳聚糖链被整合到贮库中， 将 FITC 标记的短链壳聚糖与形成贮库的聚 合壳聚糖混合。图 30c 表明所得的贮库的发射谱 ( 在 346nm 激发 ) 且其上清液表明 FITC 标记的短链被全部整合。
实施例 11- 脱水收缩作用研究
(a) 贮库形成期间的抗原吸收和释放 ( 仅溶菌酶的初始量 )
图 31 中示出了在与初始生理浓度的人溶菌酶和氨基葡萄糖苷酶孵育下通过贮库 形成的抗原吸收 (A) 和向上清液中的释放 (B)。
在 1mL 壳聚糖溶液中预混合 100μl 含抗原 (400μg) 的盐水， 所述抗原的形式为 蛋白质卵清蛋白 (OVA)， 一种肽抗原或荧光素标记物 (FITC)。通过向 1ml 的三聚磷酸盐溶 液中加入带有 ( 预混 ) 抗原或没有抗原 ( 无 ) 的壳聚糖溶液形成贮库并在剧烈混合之前允 许静置 10 分钟。然后在不同的时间点获取贮库形成后上清液的吸光度读数 (280nm) 以测 定残留在溶液中的抗原的量。作为对比， 还对没有抗原存在时形成的但有意掺入相同量的 用于预混合贮库的抗原的贮库上清液进行吸光度读数。(B) 在 37℃在不存在或存在酶∶溶 菌酶 (50μg/ml) 和 N- 乙酰 -β-D- 氨基葡萄糖苷酶 (10U/L) 时在 500ul 盐水中孵育含抗 原贮库。在不同时间点获取贮库溶液的吸光度读数 (280nm)。每个符号代表取自一式三份 的吸光度读数的平均值和标准误差 ( 见图 31)。
(b) 贮库形成期间的抗原吸收和释放 ( 补充溶菌酶 )
如图 32 中所示， 通过贮库形成的抗原吸收 (A) 和用连续补充的鸡溶菌酶孵育下向 上清液中的释放 (B)。 (A) 通过在随后被加入到 1ml 的三聚磷酸盐溶液中的 1ml 的壳聚糖溶液中混合 100μl 的含抗原 (400μg) 的盐水形成贮库。 在形成贮库后， 读取在 280nm 的吸光度读数以 测定残留在溶液中的抗原的量以确定验证如之前的图中的抗原吸收。(B) 在 37℃在不存在 或存在鸡卵溶菌酶 (2mg/ml) 时在 500ul 盐水中孵育含抗原贮库。在不同时间点获取贮库 溶液的吸光度读数 (280nm)。在第 5 天和第 18 天用新鲜溶液取代酶溶液 ( 如箭头所示， 图 32)。每个符号代表取自一式三份的吸光度读数的平均值和标准误差。
(c) 使用贮库的体内 ( 小鼠 ) 疫苗免疫应答
如图 33 中示出了由疫苗接种引发的抗体应答。
用 20 纳摩尔的游离脂肽或脂肽结合的微粒在颈背接种小鼠 ( 每组 4 只 )。还在麻 醉状态下使用含有以一支注射器中的壳聚糖溶液和另一支注射器中的三聚磷酸盐溶液配 制的 20 纳摩尔的游离脂肽或脂肽结合的微粒的双注射针头系统进行接种。 3 到 7 周后给小 鼠取血以获得血清并在 ELISA 测试中测定抗体滴度。
图 33 表明与初始剂量一致的高游离抗体应答， 和对自由粒子内的抗原有较弱的 但明显的应答， 其从 3 至 7 周轻微增强。贮库自身内和贮库内的粒子内的脂肽抗体表明足 够明显的延迟以在第 7 周时开始引发免疫应答。固定量增加， 即， 贮库内的粒子内的抗体显 示最大延迟 ( 如箭头所示 )。