基于普朗尼克F127的Il-1Ra熱敏凝膠緩釋制劑及其對糖尿病的藥效學研究.pdf

1、在世界范圍內2型糖尿病在各類疾病中占有很大比例，它被認為是一種自身炎癥綜合癥，它的特點是具有漸變性β-細胞功能紊亂和胰島素抵抗，其中β-細胞功能紊亂是影響胰島分泌胰島素不足的主要因素，而胰島素抵抗又是組織特異性炎癥的誘因，導致其不能滿足機體高血糖和代謝的需求。這里我們主要研究引發(fā)2型糖尿病的炎癥機制，包括能夠誘導炎癥，胰島素抵抗，降低胰島素分泌和β細胞功能紊亂的機制。各種促進炎癥發(fā)生的介質在2型糖尿病的病理過程中扮演著重要角色，因此深入

2、研究2型糖尿病的炎癥響應機制可能為了解進而更好的治療2型糖尿病提供一種新的途徑。傳統(tǒng)抗糖尿病藥物有很大的缺陷，因為其有多種潛在的副作用，如急性低血糖、體重增加、心臟和肝臟損傷、胃并發(fā)癥、呼吸道和尿路感染等，因此希望能夠開發(fā)更好的藥物進入臨床。2型糖尿病是一種自身炎癥綜合征，因此，許多抗炎療法能夠有效治療2型糖尿病，其中白介素1受體拮抗劑(IL-1Rα)被認為是一種有效的抗糖尿病藥物，它是一種天然抗炎劑。盡管IL-1Rα具有廣譜抗炎和抗糖

3、尿病活性，但由于其半衰期較短（6-8小時），導致其應用受到限制?？紤]到研究2型糖尿病的的方法學限制，不可能直接將糖尿病患者作為實驗對象，因此各種具有2型糖尿病典型特征的糖尿病動物模型被建立，用于2型糖尿病研究的相關實驗。GK大鼠被認為是最好的非肥胖性2型糖尿病動物模型之一，特別是其用在關于病理生理機制研究方面。目前，GK大鼠已經(jīng)被專門用于研究各種各樣具有潛在2型糖尿病療效的化合物的研究。
　　本研究對GK大鼠中與2型糖尿病相關的多

4、種病理特征，包括涉及2型糖尿病多種發(fā)病機理作了全面的總結。GK大鼠是一種具有多種病理特點的動物模型，這些特點多或少在糖尿病患者中普遍存在并且具有功能性。這種動物模型被認為是研究2型糖尿病各種病理機制的最佳模型。IL-1受體拮抗劑廣譜的抗炎作用已被用于對各種自身免疫性疾病的研究。盡管IL-1受體拮抗劑有著優(yōu)異的廣譜抗炎作用，但它的生物半衰期只有4～6小時，目前改善這一問題的策略主要是:延長半衰期或者延長IL-1受體拮抗劑在靶標位點的釋放時

5、間。為了解決延長IL-1受體拮抗劑的治療持續(xù)時間的問題，首先我們對所有已經(jīng)報到過的方法進行了綜述。這些方法考察了IL-1受體拮抗劑的體外釋放特性，藥代動力學參數(shù)以及藥效學評價。嵌段式聚醚Pluronic F127(PF127)是一種有效運送蛋白藥物的重要生物材料。治療蛋白被嵌入基于PF127的熱敏凝膠中后，這些蛋白藥物的熱穩(wěn)定性、生物利用度、生物相容性和療效都得到了提高。通過對那些應用PF127作為熱敏凝膠進行藥物緩釋的方法進行總結后沒

6、有發(fā)現(xiàn)已知毒副作用。我們得出的結論是，PF127對蛋白及多肽藥物有很好的緩釋作用。綜上所述，我們可以預期應用PF127的藥物在臨床上是很有潛力。我們還比較了不同蛋白轉運策略（與蛋白融合及可生物降解聚合物結合）對IL-1受體拮抗劑生物活性的影響。為了克服IL-1Rα半衰期短的缺點以及研究其在實驗性大鼠模型（GK大鼠）中治療2型糖尿病效果，我們首先比較了人類IL-1Rα和大鼠IL-1Rα的氨基酸序列，并且計算了它們與大鼠受體的結合情況。這項

7、研究的目的是了解人類IL-1Rα和大鼠IL-1Rα的氨基酸序列、結構和配體之間連接相似性的關系。我們利用分子模擬技術進行結構測定、序列對比、結構修飾以及和相關蛋白的對接。最后，我們還利用AutoDock程序對大鼠受體(IL-1RI)的配體之間進行了對接。結果顯示，人類IL-1Rα和大鼠IL-1Rα序列和結構的相似性和統(tǒng)一性分別是85.4％和73.6％。從蛋白對接的結果中，我們發(fā)現(xiàn)三個受體中有兩個，即LYS290和ASP259在大鼠受體I

8、L-1RI兩種配體的結合中是一樣的。兩種配體結合位點明顯的相似性說明兩種配體可能擁有相同的治療效果。以上研究還排除了一個物種的IL-1Ra用于另一物種時可能出現(xiàn)的不確定因素。
　　本研究發(fā)現(xiàn)人類IL-1Ra與大鼠IL-1Rα相似性以后，利用GK大鼠進一步研究IL-1Rα對2型糖尿病的治療效果。我們給GK大鼠皮下注射IL-1Rα（10mg/kg、每天兩次）一個月。同時，我們也給GK大鼠和Wistar大鼠注射生理鹽水一個月，從而比較實

9、驗組與對照組的差別。在治療期間，我們持續(xù)監(jiān)控每組大鼠的體重和食物攝取量，同時每周對大鼠進行2-3次血糖水平測定。在治療結束前，我們分別對大鼠進行絕食8小時測定其ITT以及絕食過夜后測定IPGTT。胰島素抵抗和β-細胞的功能利用HOMA和QUICKI模型和做ITT和IPGTT之前測定的空腹胰島素和葡萄糖水平計算。IL-1Rα在GK大鼠治療期間沒有影響大鼠的體重和/或食物攝入量。整個治療期間，每組中GK大鼠的體重都持續(xù)增加，同時每組GK大鼠

10、的平均進食量也持續(xù)增加，我們并未發(fā)現(xiàn)給藥組的GK大鼠和對照組的Wistar大鼠和GK大鼠有任何顯著差異。在治療之前，GK大鼠（兩組）和Wistar大鼠的血糖含量有顯著差異。在利用IL-1Ra以及生理鹽水治療的初期，對GK大鼠連續(xù)12天注射IL-1Ra，給藥組和對照組的血糖含量沒有明顯差異，提示IL-1Ra并未顯著改善其血糖水平。同時，GK大鼠（兩組）和Wistar大鼠之間的血糖含量仍然存在顯著差異。后來，由于持續(xù)注射IL-1Ra，12天

11、以后，GK大鼠給藥組的血糖含量開始下降，在治療后期GK大鼠給藥組和對照組的血糖含量出現(xiàn)顯著差異。同時發(fā)現(xiàn)實驗組GK大鼠和Wistar大鼠的血糖含量沒有顯著差異，而GK大鼠對照組的血糖含量明顯高于Wistar大鼠對照組的血糖含量。ITT和IPGTT結果表明對GK大鼠持續(xù)注射IL-1Rα明顯改善了其胰島素敏感性和葡萄糖耐量，這表明IL-1Ra具有改善胰島素敏感性和保護β-細胞的功能。此外，在治療后期，我們考察了多種代謝物在血清中的水平，血清

12、中胰島素原、胰島素和胰島素原/胰島素比率在GK大鼠實驗組中顯著降低，同時IL-1Rα在GK大鼠實驗組中也展現(xiàn)了其對各種血脂水平和腎功能生物標志物的顯著療效。免疫組織化學分析顯示，與對照組相比，在經(jīng)過IL-1Ra治療的GK大鼠中，胰島細胞中只存在最少量的吞噬細胞，這表明胰島內炎癥的減少。我們研究的結果表明IL-1Rα在GK大鼠中具有廣譜治療潛力，因為它通過改善糖耐量和胰島素敏感性從而顯著降低IL-1β與IL-1依賴的促炎介質的不良反應。但

13、由于較短的生物半衰期（6-8小時）而需要高劑量、頻繁給藥。因此，有必要開發(fā)一種緩釋制劑延長它的半衰期。為了應對IL-1Ra生物半衰期短的問題，到目前為止，已經(jīng)建立了許多策略延長其半衰期和延長IL-1Ra從其靶點的穩(wěn)定持續(xù)釋放。所有的方法要么通過融合蛋白技術將IL-1Ra與其他蛋白融合以延長其半衰期，要么通過使用各種生物降解聚合物開發(fā)新的劑型以延長其在靶點的穩(wěn)定持續(xù)釋放時間。這些方法已經(jīng)進行了體外釋放特征和IL-1Ra的藥代動力學和藥效學

14、參數(shù)的考察。但是這些方法都未曾在糖尿病動物模型中去考察其對2型糖尿病的效果。除此之外，這些方法也存在一些局限性。在本研究中，我們利用生物降解聚合物PF127用于IL-1Ra的緩釋。PF127曾被報道能延長多種蛋白藥物的緩釋過程及其血清半衰期。因此，我們延伸此法用以克服IL-1Ra生物半衰期短的問題，我們第一次利用基于PF127的熱敏凝膠制成了IL-1Ra的新劑型，并研究其在體內和體外延長半衰期的效果。我們利用冷法準備了三種濃度(20％，

15、25％和30％)的PF127凝膠，考察了多種流變性特征(GT和粘度)并利用非膜溶解法進行體外藥物釋放動力學研究。我們用SDS-PAGE分析了載IL-1RaPF127凝膠劑型的體外穩(wěn)定性。在此基礎上，我們還利用20％和25％的PF127凝膠在wistar大鼠上進行體內研究以及25％的載藥PF127進行IL-1Ra生物活性的體內研究。從結果中，我們發(fā)現(xiàn)GT和PF127的濃度呈反相關，而粘度和PF127的濃度呈正相關。IL-1Ra從PF127

16、凝膠中的體外釋放模式遵循零級釋放動力模型。我們還用AIC計算釋放動力模型的R2值，進而預測IL-1Ra體外釋放的最佳擬合模型，零級釋放動力模型因其與其它模型相比具有最低的R2值而被認為是最佳擬合模型。根據(jù)Korsmeyer-Peppas方程，IL-1Ra從PF127凝膠中的釋放機理取決于PF127凝膠的侵蝕性和濃度。SDS-PAGE證明了在體外釋放時的IL-1Ra穩(wěn)定性。當與IL-1Ra水溶液直接相比時，載藥PF127凝膠在體內和體外釋

17、放IL-1Ra的時間延長，同時對降低血糖和抑制IL-6的IL-1β刺激產(chǎn)物也表現(xiàn)出更好的效果。IL-1Ra在體內的吸收和IL-1Ra在25％和PF127凝膠中的釋放相關性良好，其相關系數(shù)達到R2=0.9952.
　　本文研究了在在不同溫度(4℃、25℃和40C)下儲存三個月的PF127凝膠劑型中IL-1Ra的穩(wěn)定性。定期采集樣本用于研究其體外藥物釋放動力學。結果發(fā)現(xiàn)，在整個過程中，4C條件下PF127凝膠劑型中IL-1Ra的GT、

18、粘度和體外釋放模式保持相同。差示掃描量熱儀(DSC)的結果顯示PF127凝膠劑型可以提高其中IL-1Ra的熱穩(wěn)定性。在整個FTIR光譜中IL-1Ra沒有明顯變化，表明在IL-1Ra結構中沒有聚合物效應。此外FTIR的結果也表明在整個研究期間沒有藥物-聚合物相互作用，而SDS-PAGE結果證明了在PF127中IL-1Ra的穩(wěn)定性。這些結果為下面的結論提供了證據(jù):PF127是一種理想的聚合物，不僅有利于IL-1Ra的持續(xù)性運輸，而且在延長半

19、衰期的同時保持了其結構穩(wěn)定性。利用GK大鼠研究25％的PF127中IL-1Rα的長期抗糖尿病效果。我們給GK大鼠皮下注射載IL-1Ra的25％PF127凝膠劑型（10mg/kg/天）一個月，同時在Wistar大鼠和GK大鼠中注射正理鹽水一個月進行對照。在治療期間，每周對大鼠進行2-3次體重監(jiān)測和血糖含量測定。在治療結束之前，對大鼠進行空腹過夜后測定其IPGTT。我們還利用HOMA-IR，HOMA-β，F(xiàn)IGR和QUICKI模型和空腹胰島

20、素和葡萄糖水平計算了胰島素抵抗、胰島素敏感和β-細胞的分泌功能。載IL-1Rα的25％PF127凝膠劑型在GK大鼠實驗組中表現(xiàn)出持續(xù)性、長期性的降血糖效應并且在治療期間對GK大鼠的體重沒有影響。治療之前，Wistar大鼠和GK大鼠（兩組）的血糖含量有明顯區(qū)別。給藥后的前15天，GK大鼠實驗組和對照組的血糖含量沒有明顯差異，說明此時載IL-1Rα的25％PF127凝膠劑型沒有改變GK大鼠的血糖含量，而Wistar大鼠和GK大鼠（兩組）的血

21、糖含量仍然明顯區(qū)別。繼續(xù)進行給藥治療后，GK大鼠實驗組的血糖含量從治療的第15天開始下降并且在治療結束時發(fā)現(xiàn)實驗組和對照組的血糖含量有明顯差異。同時在治療后期，我們也發(fā)現(xiàn)GK大鼠實驗組和Wistar大鼠的血糖含量沒有顯著差異，而GK大鼠對照組的血糖含量明顯高于Wistar大鼠對照組的血糖含量。IPGTT結果表明載IL-1Ra的25％PF127凝膠劑在被治療的動物中能增加其葡萄糖耐受量，同時增加胰島素敏感性和β-細胞的分泌功能。GK大鼠實

22、驗組和Wistar大鼠在給予葡萄糖刺激后分泌的胰島素含量明顯高于GK大鼠對照組。基于空腹血糖和胰島素水平，我們還利用多種模型估計了胰島素抵抗、胰島素敏感和β-細胞分泌功能。HOMA-IR，HOMA-β,FIGR和QUICKI模型的結果顯示，載IL-1Ra的25％PF127凝膠劑型降低了胰島素抵抗和β-細胞分泌功能。此外，在治療后期，我們考察了多種代謝物的血清水平，血清中胰島素原、胰島素和胰島素原/胰島素比率在GK大鼠實驗組中顯著降低，同

23、時IL-1Ra在GK大鼠實驗組中也展現(xiàn)了其對各種血脂水平和腎功能生物標志物的顯著療效。與生理鹽水治療的GK大鼠相比，用載IL-1Ra的25％PF127凝膠劑治療后，免疫組織化學分析顯示胰島細胞中只含有微量的巨噬細胞。同時，在被治療的動物的皮膚和腎臟中沒有發(fā)現(xiàn)PF-127誘導的病理性變化。因此，我們得出結論:載IL-1Ra的PF127凝膠劑在GK大鼠中具有緩解2型糖尿病癥狀的廣譜抗炎作用。我們相信將IL-1Ra制成PF127緩釋劑型有可能