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脂质体的粒度及zeta电位表征研究

来源:生物谷 2014-10-01 09:00

为成功实现药物传输,理想的途径是将治疗制剂靶向传输至所需位置,实现对受药组织与药物间相互作用的监测。可广泛运用于全身及局部给药的脂质体对这一应用的需求不断上升。由于具备液体、固体、半固体配方携载能力,脂质体已应用于针对真菌感染、甲肝、急性淋巴细胞白血病等疾病的治疗实践中。脂质体的物理表征对配方改良及研发具有十分重要的意义。本文将探讨两项相关辅助技术的成功应用:一是用于检测脂质体粒度分析的纳米粒子跟踪分析技术(NTA),二是用于测量脂质体粒度及zeta电位的光散射(动态电泳)技术。

能够"定位"的给药载体

脂质体由脂质双分子层构成,是一种人工制备的球形囊泡。最初应用于研究膜结构渗透性的模型系统中。由于脂质体既能将水溶性物质包封于其囊泡中,又能将油溶性物质包封于其脂双层内,近年来对它的研究主要集中在其作为给药载体的适用性。通过控制其脂质构成并/或者进行表面改性,研究人员还能够针对具体的应用对脂质体进行设计。脂质体分为单室脂质体和多室脂质体,具有生物降解性,基本无毒性,并可以制成不同粒度。既能载荷亲水物质,也能载荷疏水物质的特性使脂质体具有广泛的应用领域。此外,例如通过添加抗体或肽链等物质进行表面改性,脂质体能使药物靶向达到体内指定区域,或者延长体内药效的作用时间。这些特性促使许多研究人员选择脂质体作为药物载体。

脂质体应用广泛,其在制药领域的应用包括:保护治疗药剂不受胃肠环境影响,促进药物成分在胃肠道内的传输,定向控释药物至特定位置,并能促进溶解以及增加细胞对药物的吸收。与此同时,脂质体制剂的局部外用功能也引起了医药及化妆品行业的强烈关注。脂质体实现药物微粒靶向传输的机理包括扩散和直接细胞融合,其中后者更为常见。在直接细胞融合中,脂质体的脂双层可与其他双分子层(如细胞膜)融合,从而将脂质体的内含物传输至目标细胞

物理表征作用

脂质体的效用与其物理特性密切相关。测量和分析脂质体制剂的粒度、浓度、zeta电位等参数有助于预估制剂在临床环境下的效用。在这些参数中,脂质体的粒度及分布尤为重要,尤其是在肺部或非肠道途径给药的情况下,粒度对药物活性成分的有效传输起到了关键作用。除体内作用外,脂质体的粒度还具有一系列体外意义,会对给药系统的载药能力、聚集程度和沉积状况等诸多方面产生影响。而另一个重要的指标是zeta电位的数值测量,该测量技术已广泛应用于胶体系统的稳定性预测。在应用于脂质体时,这一技术能够监测体内可能发生的带电脂质体与相反电性微粒间的相互作用。

提高分析可靠性

就医药配方研发而言,无论采用何种载体、何种配法,必须要有可靠的分析体系提供相关的健全数据。如果用脂质体作为载体,为实现更高效、更先进的研发进程,需在进行任何临床试验之前,详尽了解这些载体是如何在体内发生作用的,而这其中的关键便是粒度及zeta电位的测量。

使用纳米颗粒跟踪分析技术测量脂质体粒度

纳米颗粒跟踪分析技术(简称:NTA)运用光散射来检测溶液中的纳米颗粒。该技术结合了光散射显微镜及视频成像技术(图一),根据不同的样本类型,可测量10 -2000 nm范围内的粒度。

使用科学数码摄相机可以捕捉溶液中颗粒的散射光,再由仪器软件逐帧追踪每个颗粒的移动情况(图二)。

在对被照射样本进行影像记录后,NTA软件将识别并跟踪视野中每一个颗粒的布朗运动。数位捕捉到的单个粒子的扩散速率(速度)与球体等效流体动力直径相关,并能通过以布朗运动为模型的斯托克斯-爱因斯坦方程计算得出。NTA可逐粒计算粒度,且由于有影像片段做分析基础,用户还可以精确表征实时状态。个体颗粒的粒度分布都能在数秒内快速获得。

NTA技术也能够对不同的脂质体进行同步的单独分析,因此除基础的粒度分析以外,还为获取额外信息提供了新的途径,其中包括单个脂质体的相对光散射强度的测定。将数据结果并与另行测得的粒度数据绘成坐标图, 可以更加细致地分辨出由不同折射率(RI)或不同材料构成的颗粒。这种方法对确定脂质体的内含物是否变异非常有用,因为空囊泡的RI值可能低于载荷的囊泡。同时作为一种单粒子探测系统,NTA还能测量颗粒浓度。

zeta电位测量的应用

脂质体与细胞在体内发生交互作用的部位在很大程度上由脂质体的粒度决定。小粒度的脂质体能够通过肝窦状隙的膜孔,中粒度的脂质体停留在血液腔室中并能长时间循环流动,而大粒度的脂质体则被Kupffer细胞快速清除。与粒度测量类似,了解脂质体制剂的zeta电位有助于预测其在人体内的变化。

颗粒的zeta电位是指颗粒在特定媒介中获得的总电荷。以基因治疗为例,zeta电位的测量可用于优化特定脂质体与不同DNA质粒的比例,从而将配方的聚集度降到最低。

动态光散射(简称:DLS)是表征脂质体粒度的一项较为成熟的技术。此外,能够同时采用动态光散射测量粒度、并使用激光多普勒频流速测定zeta电位的分析设备在业内也得到日益广泛的应用。

与NTA技术一样,由粒子布朗运动产生的光散射也是DLS技术的核心所在。DLS技术测量散射光强度随时间变化产生的波动,并确认粒子的扩散系数。在此基础上利用斯托克斯-爱因斯坦方程将数据转化为粒度大小分布情况。

采用激光多普勒频流速测定法测量zeta电位时,向分子溶液或微粒分散液施加电场,这些颗粒便会以一定的速率移动,而该速率与zeta电位相关。通过测定该速率能够计算出电泳迁移率,并据此算出颗粒的zeta电位和zeta电位分布。

使用马尔文仪器公司的Zetasizer Nano系统进行实验,结果表明:使用DLS粒度测量技术及激光多普勒频流速测量zeta电位同等可靠,均可适用于阴离子脂质体和阳离子脂质体。

总结

粒度及zeta电位可为特定医药领域脂质体定性及研发提供重要的参数,因而需要相关的表征技术来提供详细的辅助信息,帮助了解脂质体的性态,从而优化药剂定制工艺并实现质量控制。本文介绍的技术能够提供脂质体制剂的粒度、浓度、zeta电位等辅助信息。药物配方研究员通过对这些性能的不断论证,将促进针对具体的治疗方案选用最为合适的脂质体。

参考文献

1.Characterization and Applications of Liposomes: State of the Art. Journal of Colloid Science and Biotechnology Vol 1, 147-168.(2012)

2. Size and zeta potential characterization of liposomes using the Zetasizer Nano. Malvern Instruments Application note http://www.malvern.com/en/support/resource-center/application-notes/AN101104ZetaPotentialCharacterizationLiposomes.aspx (Accessed 5 May 2014)

Author Biographies

作者简介

Pauline Carnell- 马尔文仪器有限公司产品经理(NanoSight)

Pauline Carnell女士毕业于英国利物浦大学药理学专业。她在药物研究领域拥有20多年的丰富经验,曾先后于英国Warner Lambert公司和辉瑞制药工作,负责研究开发G蛋白偶联受体(GPCR)、离子通道、抗体和蛋白质等项目。在加入马尔文仪器前,Pauline女士在一家欧洲生物技术公司服务了两年,负责蛋白质结合金纳米粒子研究。Pauline女士目前主要从事生物应用领域的研究,包括给药系统、蛋白质聚集、细胞外泡和荧光物质的生物应用。

Mike Kaszuba-马尔文仪器有限公司技术支持经理

Mike Kaszuba先生拥有英国威尔士理工学院的博士学位,在校期间曾利用核磁共振技术对脂质体的物理和生化特性进行研究。此后,他继续于曼彻斯特大学从事脂质体给药应用的博士后研究。1996年,Mike Kaszuba先生加入马尔文仪器,担任Zetasizer系列设备的产品技术专员。2010年,他被任命为技术支持经理,负责总部设在英国的产品技术专家和应用团队。

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