基于聚乙烯亚胺/聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米粒修饰提升竹节参皂苷IVa药代动力学特性的持续给药策略研究

《Scientific Reports》：Enhancing pharmacokinetic properties of Chikusetsusaponin IVa via modification of polyethylenimine/poly(lactic-co-glycolic acid) nanoparticles for sustained drug delivery

本研究针对竹节参皂苷IVa(CHIVA)水溶性差、口服生物利用度低(<20%)的瓶颈问题，通过响应面法优化聚乙烯亚胺(PEI)修饰的聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)纳米载体制备工艺。研究发现，最优配方(0.5% PEI, 3% PLGA, 3 mg/mL CHIVA)的纳米粒包封率达86±1.3%，粒径222±11 nm，zeta电位+3.9±0.6 mV，可持续释放132小时。大鼠药代动力学实验显示，纳米制剂相比游离CHIVA的峰浓度(Cmax)提升1.45倍，药时曲线下面积(AUC)增加近2倍，平均滞留时间(MRT)延长至15.1小时，显著改善了生物利用度，为难溶性天然产物的递送提供了可调控的纳米平台。

　　

在天然药物研发领域，竹节参皂苷IVa(Chikusetsusaponin IVa, CHIVA)作为一种从竹节参中提取的三萜皂苷类化合物，因其卓越的抗炎、神经保护、抗肥胖、诱导肿瘤细胞凋亡、心血管保护和降血糖等多重生物活性而备受关注。特别是在代谢性疾病和某些癌症治疗方面，CHIVA通过调节细胞因子分泌、抑制炎症小体活化、NF-κB信号通路以及调控SIRT1/ERK1/2和GSK-3β等通路发挥治疗作用，为现代药物研究提供了新思路。然而，这一极具潜力的天然活性成分却面临着临床转化的重大障碍——极低的水溶性和有限的口服生物利用度(低于20%)，严重限制了其治疗效果和应用前景。

面对这一挑战，纳米技术提供了创新解决方案。通过将活性成分封装在纳米载体中，可以显著提高药物的溶解度和稳定性，优化药物释放动力学，从而改善其在体内的吸收效率和生物利用度。在各种纳米药物递送系统中，聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid), PLGA)因其优异的生物相容性、生物可降解性、安全性和可控的药物释放特性而成为药物递送研究的首选材料。PLGA纳米粒能够高效封装多种药物，通过控制分子量和共聚物比例来调节药物释放速率，从而在增强治疗效果的同时减少潜在副作用。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，郑晓红、李碧波等研究人员探索了使用PEI修饰的PLGA纳米粒作为载体来改善CHIVA的溶解度和生物利用度。他们采用双乳液-溶剂蒸发技术制备纳米粒，并通过响应面法(response surface methodology, RSM)优化制备条件，系统评估了PEI浓度(0.25-0.75%)、PLGA浓度(1.5-4.5%)和CHIVA浓度(2-4 mg/mL)对纳米粒性能的影响。

研究人员通过单因素实验确定了关键变量的有效范围，发现PLGA浓度在3%时包封效率达到峰值约75%，继续增加至4.5%时效率趋于稳定；PEI浓度在0.5%时包封效率显著提高至80.39%，超过此浓度后改善不明显；CHIVA负载量在3 mg时包封效率最高(88.26%)，而PVA浓度在0.5%-2%范围内对包封效率影响不大。基于这些发现，研究团队采用Box-Behnken设计进行17组实验，建立了包封效率与三个关键因素之间的二次多项式模型，该模型具有高度显著性(P < 0.0001)和良好的预测能力(R2 = 0.9864)。

最优制备条件确定为PEI浓度0.5%、PLGA浓度3%、CHIVA浓度3 mg/mL，此条件下制备的纳米粒包封效率达86±1.3%，载药量2.201±0.201%，粒径222±11 nm，多分散指数(PDI)0.289±0.025，zeta电位+3.90±0.55 mV。透射电镜显示纳米粒呈球形，粒径约200-300 nm，PEI修饰使表面略显不规则且粗糙度增加。

傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和差示扫描量热法分析证实，CHIVA以非晶态形式成功封装在PLGA-PEI纳米粒中，形成了稳定的固相分散体，这有望显著提高原本难溶性结晶CHIVA的表观溶解度和溶出速率。

关键技术方法概述

研究采用双乳液-溶剂蒸发法制备纳米粒，通过响应面法优化关键参数(PEI、PLGA、CHIVA浓度)。使用动态光散射和透射电镜表征纳米粒的粒径、电位和形态，通过透析法评估体外释放特性。采用液相色谱-质谱联用技术测定药物含量和进行药代动力学分析，使用10只雄性SD大鼠(7周龄，200-250 g)随机分为两组，比较纳米制剂与游离CHIVA的药代参数。通过Wagner-Nelson法建立体外-体内相关性(IVIVC)，使用f1/f2因子评估释放曲线相似性。

研究结果

4.1 纳米粒组成的筛选

单因素实验表明，PLGA浓度在3%时包封效率达到峰值，超过4.5%后趋于稳定；PEI浓度在0.5%时显著提高包封效率，继续增加效果不明显；CHIVA负载量在3 mg时最优，而PVA浓度影响不大。响应面法优化确定最佳条件为PEI 0.5%、PLGA 3%、CHIVA 3 mg/mL，实际包封效率达86±1.3%，与预测值(88.885%)接近，证实模型可靠性。

4.2 表征分析

纳米粒粒径为222±11 nm，zeta电位为+3.90±0.55 mV，30天内物理稳定性良好。结构分析证实CHIVA以非晶态形式存在于聚合物基质中。体外释放研究表明，纳米粒在pH 7.4条件下可持续释放132小时，符合一级动力学模型(R2 > 0.95)，而游离CHIVA在12小时内释放超过90%。PEI浓度增加延缓释放，PLGA浓度提高延长侵蚀主导相，pH环境影响释放行为，在胃液pH 1.2条件下呈现突释特征。

4.3 药代动力学

大鼠口服给药(20 mg/kg)后，纳米制剂组峰浓度(C_max)为309.056±30.327 ng/mL，显著高于游离CHIVA组(213.180±22.797 ng/mL)。药时曲线下面积(AUC_{INF_obs})纳米制剂组(5487.466±415.509 h·ng/mL)约为游离药物组(2810.933±264.168 h·ng/mL)的2倍。平均滞留时间(MRT_{INF_obs})从12.591±1.574小时延长至15.113±1.328小时，表观清除率(Cl_{F_obs})从0.007±0.001 L/h/kg降低至0.004±0.000 L/h/kg，表明纳米粒显著改善了CHIVA的生物利用度和体内滞留时间。

4.4 体外-体内相关性分析

IVIVC分析显示，CHIVA溶液呈现中等程度的Level A相关性(r2 = 0.804)，而纳米粒的相关性较弱(r2 = 0.588)，表明标准体外条件难以完全模拟纳米粒在体内的复杂行为，提示需要更生物相关的溶解介质来改善预测准确性。

研究结论与意义

本研究成功开发了PEI修饰的PLGA纳米粒作为CHIVA的高效递送系统，通过系统优化制备工艺，获得了具有高包封率、适宜粒径和稳定正电位的纳米制剂。该制剂能够实现CHIVA的持续释放，显著提高口服生物利用度，延长药物在体内的作用时间。这一策略不仅为解决CHIVA及其他难溶性天然产物的递送问题提供了有效方案，也为设计合理化纳米载药系统提供了可借鉴的方法学框架。研究成果对于推动天然活性成分的临床应用和纳米药物递送系统的发展具有重要意义，为代谢性疾病和肿瘤治疗领域的药物研发提供了新思路。未来研究应关注该纳米系统的规模化制备、长期毒性评价、疾病模型中的疗效验证，以及向类似化合物的推广应用的靶向递送增强。