您現在的位置:首頁 >> 新聞動態 >> 科普知識 >> 甲殼素的化學修飾及復合物系列

        字號:   

        甲殼素的化學修飾及復合物系列

        日期:2012-3-21

          摘要 目的:綜述有關甲殼素的化學修飾及復合物系列,為甲殼素在醫藥學領域的開發應用提供參考。方法:對國內外文獻中有關甲殼素的化學修飾及復合物系列的報道進行了檢索和綜述。結果:甲殼素及脫乙酰甲殼素在化學結構上存有氨基和伯、仲羥基,可經化學修飾生成各種衍生物,從而引起物理、化學性質的巨大改觀。我們主要列舉一些在醫藥應用上有潛力的化學修飾衍生物的制法。甲殼素復合物系甲殼素通過絡合、離子交換、鍵合等形式與其它活性成份相結合所形成的一種新的產物,體現出一種協同作用。本文主要介紹已用于醫藥領域的多種復合物。結論:甲殼素化學修飾物及復合物系列的發展,將給醫藥領域帶來重要影響。

          關鍵詞 甲殼素 化學修飾 復合物

         

          甲殼素是生物合成的天然高分子,從60年代起廣泛應用于紡織、生化等領域。近年來,甲殼素研究的熱點迅速轉向了醫藥領域,因已有一定基礎,其發展迅猛。為滿足醫藥不同需求,除制備降解衍生物外,一部分專家致力于甲殼素的化學修飾,以擴大其在醫學領域的適用范圍,一部分專家則致力于醫學實用性更強的復合物系列研究,有關甲殼素與衍生物的關系可簡單表示如下:

         

         

        1 甲殼素化學修飾系列

          甲殼素及脫乙酰甲殼素在化學結構上存有氨基和伯、仲羥基,可經化學修飾生成各種衍生物,從而引起物理、化學性質的巨大改觀。我們主要列舉一些在醫藥應用上有潛力的化學修飾衍生物的制法。

        1. 1 烷(芳)酰化衍生物的合成

          通過導入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基,使甲殼素或殼聚糖酰化,提高產品的脂溶性。酰化位置可在羥基或/和氨基上進行。

          已報道己酰氧苯甲酰[1]、己酰[2]、對甲苯甲酰等19種。

          早期的酰基化反應代表是用干燥氯化氫飽和的乙酐對甲殼素進行乙酰化。時間長且降解嚴重。對此,Nishi采用先使樣品溶脹,造成了幾乎均相的條件,用醋酐在室溫下處理這樣的溶脹樣品,三分鐘就可完成酰化。三年后,Nishi又報道了采用甲磺酸作溶劑,完全均相下進行的酰化反應。所得的甲殼素酰化產物(O- 己酰化、O- 對甲苯甲酰化)的酰化度都在1.8以上。其它均相化溶劑還有三氯乙酸- 二氯乙烷系統。均相反應使酰化更有利,并避免了降解[1]。

          對于脫乙酰甲殼素,存在O- 酰化還是N-酰化的選擇問題。Moore和Robert[3]發現,當反應介質為乙醇/甲醇或甲醇/乙酰胺,反應體系的溶解度參數保持在13.1~13.5(Hildebrands)范圍內,氮上的乙酰化速度最快。酰基結構也能影響到酰化的難易,比丙酰基大的直鏈脂肪酰基,以及有支鏈結構的酰基都容易進行氧上的酰化反應。他又發現[4],預先在氨基上導入大的酰基或與苯甲醛形成西佛堿,可使O-乙酰化反應容易進行,得到乙酰化度為2的產物。

          至于脫乙酰甲殼素充分酰化(O-,N- 酰化)的實例有Fujii[2]的報道,脫乙酰甲殼素與過量的己酰氯、癸酰氯或十二酰氯在無水吡啶-氯仿中回流,可使氮上的兩個氫和兩個氧上的氫都被酰化。

          酰化衍生物原來用于紡織業,其化學研究進行較早而基礎扎實。近年在藥學方面最重要的應用是作為載體,如用于分子篩、HPLC、酶、凝膠色譜、抗乙肝病毒抗體、貼壁細胞培養等。另一個應用是藥劑學材料,如藥物包被材料、成膜材料等,還可用于皮膚嚴重燒傷、創傷治療和損傷臟器的修復等[37]。

          近年,酰化反應被用來制備寡糖的乙酰化產物。Flistch[5]和林永成[6]以乙酐作溶劑,在濃H2SO4中水解甲殼素,并用硅膠柱層析分離產物,得到五乙酰葡糖胺,八乙酰殼二糖,十一乙酰殼三糖和十四乙酰殼四糖。產率較高。甲殼素寡糖具有免疫活性和細胞毒,用于抗腫瘤。

          除甲殼素,脫乙酰甲殼素可發生酰化外,氨基葡萄糖也可發生酰化而生成O-四乙酰基葡糖胺[7],最近,林永成[6]以之為中間體,合成了6個嶄新的化合物。其中2個化合物是用苯甲酸和阿斯匹林作為活性底物,以圖獲得新的活性化合物。這從一個側面體現了甲殼素在化學修飾方面的潛力驚人。

        1.2 羧酰化衍生物的合成

          屬于前述烷(芳)酰化衍生物,但因酰化基團帶有羧基,表現出一些有趣的特點如具有等電點等,且這一類品種較多,故獨立介紹如下。

          制備方法一般是脫乙酰甲殼素與脂肪族或芳香族二元羧酸的醋酐反應而得。已報道用于羧酰化的二元酸酐有[1]順丁烯二酸酐等12種。

          這種羧酰化衍生物含有羧基,可進一步反應。如Berkovich[8]報道,用N- 馬來酰脫乙酰甲殼素(順丁烯二酸酐反應產物)和丙烯酰胺共聚,可得到在水中易溶脹,凝膠機械強度強且不受pH影響的一種共聚物。這意味著這類衍生物在親水性凝膠控釋給藥系統方面有良好的應用前景。

        1.3 烷基化衍生物的合成

          系將烷基引入脫乙酰甲殼素的N-或OH- 部分,其制法因產物而異。

        1.3.1 –OH取代

          栗田[9]利用烷基化反應和水解反應相結合,即先使脫乙酰甲殼素充分甲基化,然后徹底水解的方法,制備了難于直接制備的衍生物:3,6-二甲基化葡胺糖。

        1.3.2 N-季銨鹽化

          Kurita等[10]在室溫及氫氧化鈉水溶液中,對伯氨基直接進行烷基化反應,形成季銨鹽,當季銨化程度大于25%時,產物在所有pH值范圍內均可溶于水。

        1.3.3 N-烷基化[1]

          將脫乙酰甲殼素與酮或醛經過希夫反應(schiff),得到酮亞胺R2R3C=N-chitin或醛亞胺R2HC=N- chitin,用腈硼氫鈉(Sodium cyanoborohydride)還原而得N-烷基衍生物chitin- NH- CHR2R3或chitin- NH- R2H。盡管這些衍生物引入了疏水基團,但這些基團的插入破壞了分子內氫鍵,因而在水中易溶脹并且保留了成膜性的特點,擴大了應用范圍。

        1.4 羧烷(芳)化衍生物的合成

          是近年來醫藥界研究比較熱門的一類,雖可劃入烷基化衍生物,但因取代烷(芳)基上帶有羧基,故令許多藥化專家興趣盎然。已報道這類衍生物更易溶于水或酸、堿,因兼有胺基和羧基,多數顯示出兩性聚電解質的特性,近年報道較多。

          報道的羧烷(芳)化衍生物有[1]N-羧芐基殼聚糖等9種。

        1.4.1 O-羧烷基化

          一般同鹵代羧酸反應制取。甲殼素或脫乙酰甲殼素在堿性條件,與一氯乙酸反應可致O-羧甲基化。有專利報道[11],當氫氧化鈉與一氯乙酸的重量比為0.9:1,異丙醇與甲殼素的重量比在10:1~14:1,在65℃反應2h條件下,可制得取代度為0.8左右的水溶性甲殼素衍生物。該反應受溫度及堿濃度的影響較大。本品與脫乙酰度70%的殼聚糖有同等強度的免疫活性,C6上羥基的羧甲基化使其產生一個負電荷,從而具有較好免疫效果。并且本品有可溶于水的優點,易于臨床應用。

          國內王愛勤[12]和于廣利[13]進行了同樣的實驗,均獲成功。

        1.4.2 N-羧烷(芳)基化

          一般用醛酸反應制取,原理同前述醛亞胺反應(1.3.3)。例如,脫乙酰甲殼素與鄰苯二甲醛酸懸浮于水溶液中,經過schiff反應和氫化反應,并加入乙醇和丙酮提取,得可溶于酸和堿的N-鄰羧芐基殼聚糖,結構如下:

          其中N-取代基團尚有- CH2- -COOH ,- CH2- CH2- CH2 - CH2 - COOH[14,15],- CH2- COOH[1],均是與醛酸反應而得。從化學結構上可看出其可能具兩性聚電解質的特性。

        1.4.3 O- ,N- 羧烷基化

          有專利報道[16],脫乙酰甲殼素衍生的O- 羧甲基甲殼胺,可再與乙醛酸反應,生成N,O- 羧甲基甲殼胺。該產品水溶性很好。

          關于N-或/和O-羧烷基化研究較多的另一個原因是這一類衍生物具有較強的與金屬螯合的特點,并能溶于水,對水凈化領域的發展影響較大。在引起藥學家重視之前已具有雄厚的研究基礎,進入藥學領域后發展更為迅速。近年的應用有,制造人造血紅細胞,增加免疫力,抑制腫瘤細胞,制作藥膜劑、緩釋劑、中藥澄清劑[37]。

        1.5 羥烷基化衍生物的合成

          在甲殼素或脫乙酰甲殼素的O- ,N- 上引入羥烷基后,可大大提高水溶性。

          制備可通過與環氧烷、鹵代醇、糖類反應以引入羥基。

        1.5.1 與環氧烷反應

          王愛勤[17, 18]在堿性條件下,用環氧丙烷為醚化劑,制備了羥丙基殼聚糖,通過紅外光譜分析,取代反應主要發生在- NH2活性基團上,C6也有取代。羥丙基殼聚糖具有良好的水溶性和成膜性,町田[31]將其應用于制備棒狀的抗癌藥埋藏制劑,證明有較好的緩釋性能。王愛勤[18]將其用于眼藥水的增稠,制備了人工淚液和鹽酸環丙沙星眼藥水。并制備了口腔潰瘍膜,較聚乙烯膜有更長的滯留時間。

          Yamada[19]報道了利用環氧乙烷作醚化劑,在乙醇/異丙醇溶劑中制備了羥乙基殼聚糖的反應。取代位置認為在C6。千乎諒[20]也報道了用環氧乙烷制備羥乙基殼聚糖的方法,只是溶劑為堿性水溶液。本品可制備一種藥條劑,用于治療口腔和鼻腔疾病。該藥條具有粘性強,粘附性好,柔軟性大等優點[36]。

        1.5.2 與鹵代醇反應

          王愛勤[21]報道,在堿性條件下,用3- 氯- 1,2- 丙二醇對殼聚糖進行化學改性,制得了丙三醇殼聚糖。產物在有機溶劑及水中的溶解性能較殼聚糖有較大改善。經紅外分析,取代反應發生在C6和- NH2基團上,但以- NH2基團為主。本品主要為殼聚糖的改性,作為體內藥物緩釋材料,用于替代非生物腐蝕型或不能生成無毒天然代謝產物的生物腐蝕型材料。

          另外,2- 氯- 乙醇也可作為反應試劑[19]。

        1.5.3 與糖反應

          在存在縮水甘油、縮水甘油基鹽酸三甲胺以及有NaCNBH3參與的條件下,殼聚糖可與糖類(單,雙,多糖)反應,在N位引入帶羥基基團[22, 23]。殼聚糖與乳糖的接枝反應即是一種N- 羥烷化反應,可得到具樹枝狀支鏈的水溶性的產品。

        1.6 硫酸酯化衍生物的合成

          甲殼胺硫酸酯的化學結構與肝素相似,但甲殼胺是促凝血的。當C6位發生- SO3H取代時,則轉為抗凝血,C3或N上的取代可加強C6-硫酸酯化衍生物的抗凝血活性[24-26]。

          傳統的制備方法是在非均相進行的,硫酸酯化試劑有濃H2SO4、SO2- SO3、氯磺酸。

          Wolfrom[27]報道了均相反應方法,他采用SO3-二甲基甲酰胺(DMF)作為反應試劑和溶劑,該反應無需加熱,條件溫和。

        1.7 其他化學修飾衍生物的合成

        1.7.1 磷酸化

          甲殼素、脫乙酰甲殼素在H3PO4/DMF、P2O5/甲磺酸混合溶劑中,可制得水溶性磷酸化衍生物[10]。

        1.7.2 氧化

          殼聚糖首先與高氯酸成鹽,C2上的氨基被質子化而保護,然后用CrO3氧化,可選擇性氧化C6成羧基,具有一定抗凝血作用。

        1.7.3 氰乙基化

          殼聚糖分子中的羥基與丙烯腈加成而得,反應在20℃可進行而發生O-氰乙基化,分子中氨基在20℃不參與反應。當反應溫度為70℃時,可有30%的氨基參加反應而發生N-氰乙基化。

        2 甲殼素復合物系列的制備

          系甲殼素通過絡合、離子交換、鍵合等形式與其它活性成份相結合所形成的一種新的產物。它不同于兩者的混合物。而是體現出一種協同作用,近年已有多種產品用于醫藥領域。

        2.1 碘-殼聚糖復合物的制備

          Shigeno[28]將殼聚糖用碘- 碘化鉀水溶液處理,制備了碘- 殼聚糖復合物,并指出殼聚糖用苯乙烯接枝后,可增加碘的吸附量。

          國內高懷生[29]對此作了進一步的研究,制備了碘殼聚糖膜無紡布,可釋放出碘。具有良好的熱穩定性和消毒殺菌作用。其測得的吸附最佳條件為:浸液碘甘油濃度0.02mol/L,浸漬時間1天,固液比1:40或1:60。

          碘-殼聚糖復合物的形成機理與淀粉的螺旋結構包合不同,系殼聚糖分子中的氨基與碘形成了n-σ型電荷轉移絡合物,類似于聚酰胺-碘之間的作用[28],高懷生通過UV、IR及X射線衍射光譜證明,形成碘復合物后,分子中酰胺鍵明顯鈍化,且脫碘后該鍵不能恢復原來位置[29]。

        2.2 酶-殼聚糖復合物[1]的制備

          即酶的固化,經固定化的酶可長期保存,反復使用,在生化研究及微生物制藥等領域意義重大。已報道的可固定在甲殼素上的酶有D- 葡萄糖異構酶等16種。

          其固定技術可利用酶和甲殼素直接鍵合而直接固定,或利用戊二醛作為交聯劑,使與殼聚糖和酶都生成醛亞胺鍵。也有在硅膠柱上涂以殼聚糖,再用于酶的固定,以加強力學性能。

        2.3 抗腫瘤藥椏薔厶歉春銜?/FONT>(前藥系統)

          利用特定分子量或體積的高分子物質對腫瘤細胞有選擇性或親和性的特點,將小分子抗腫瘤藥載接到甲殼素分子上,通過水解或酶解在體內釋出藥物,甲殼素本身可生物降解,具有緩釋、低毒甚至靶向等功能。

          國內楊福順[30]已合成了側鏈含5-Fu的甲殼胺并考察了其抗腫瘤活性。中村[31]也考察了氨甲蝶呤制成的甲殼素、殼聚糖復合物。并研究其作為可降解高分子抗癌藥的可能性。

        2.4 海藻酸鈉- 殼聚糖高分子電解質復合物的制備

        海藻酸鈉和殼聚糖分別用作緩釋材料時,釋藥速度受介質pH的影響較大,為克服這一缺點,高橋[31]和Takahashi[32]制備了海藻酸鈉- 殼聚糖高分子電解質復合物,當結合摩爾數比為1:1.2[31]時,釋藥速率不受pH,離子強度的影響。

          國內蔣新國也作了相似的研究[33],結論為兩者比例為1:1或3:2,緩釋骨架片在人工胃液和人工腸液中的釋藥規律相近,即不受pH影響。

          據分析,海藻酸鈉為陰離子型化學物,酸性介質不利于釋藥,中性介質有利于釋藥;而殼聚糖為陽離子型化合物,釋藥性能恰好相反,經調整比例,其形成的聚離子復合物可滿足特定環境的釋藥要求。

          另報道,盧鳳琦將電解質復合物用于制備尼莫地平緩釋微囊,獲得成功[34]。

        2.5 其他殼聚糖復合物的介紹

          亞油酸-殼聚糖復合物[1],可作為食品添加劑,具排斥膽固醇作用。

          活性炭-殼聚糖復合物[35],具相互協同增效作用,其脫色和脫味效果大大提高。

          綜上所述,無論從研究還是實用角度,甲殼素化學已漸成氣候,并已顯示出強大的生命力和市場潛力。但目前,國內符合藥用的甲殼素產品除脫乙酰甲殼素一種(作為醫藥輔料)外并不多。考慮到其豐富的自然資源,廣闊的市場前景以及潛在的巨大的經濟利益,對甲殼素化學的研究有必要引起有關部門的重視。我們確信,甲殼素化學的蓬勃發展在不久將給醫藥領域甚至人們的日常生活帶來重要的影響。

         

        參考文獻

        盛以虞. 甲殼素及其衍生物的應用. 藥學進展, 1989; 13(1): 34.
        Fujii S, Kumagai H, Noda M. Preparation of poly(acyl) chitosans. Carbohydr Res, 1980; 83: 389.
        Moore GK, Roberts GAF. Preparation and reactivity of N-acyl derivatives of chitosan. Int J Biol Macromol, 1981; 3: 292.
        Moore GK, Roberts GAF. Preparation and reactivity of schiff’s base derivatives of chitosan. Int J Biol Macromol, 1982; 4: 246.
        Flitsch SL, Pinches HL, Taylor JP, et al. Chemo-entymatic synthesis of a liqid-linked cored trisaccharide of N-linked glyoproteins. J Chem Soc Perkin Jrans I, 1992; 16: 2087.
        林永成, 王植材, 龍仲濤, 等. 甲殼素選擇性降解和葡糖胺衍生物的合成. 中國海洋藥物, 1996; (3): 1.
        Boulanger P. The use of N-alkoxycarbonyl derivatives of a -amino-2-deoxy-D-glucose as donor in glycosylation reactions. Carbohydr Chem, 1990; 202: 151.
        Berkovich LA, Tsyurupa MP, Davankov VA. The synthesis of crosslinked copolymers of maleated chitosan and acrylamide. J Polym Sci, 1983; 21: 1281.
        嚴俊, 甲殼素的化學和應用. 化學通報, 1984; 11: 26.
        Kurita K, Inous S, Koyama Y. Studies on Chitin. 18. Preparation of diethylaminoethyl chitins. Polymer Bull, 1989: 21: 13.
        Us 1986: 4619995.
        王愛勤, 閆志宏, 賈寶全, 等. 羧甲基殼聚糖的制備與質量分析. 中國生化藥物雜志, 1996; 17(4): 147.
        于廣利, 李八方, 梁平方, 等. 水溶性甲殼胺的制備及其對鉛離子的螯合作用. 中國海洋藥物, 1996; (4): 13.
        Muzzarelli RAA, Tanfani F, Emanvelli M, et al. N-(carboxymethylidene) chitosans and n-(carboxymetyl) chitosans: Novel chelating polyampholytes obtained from chitosan glyoxylate. Carbohydr Res, 1982; 107: 199.
        張秋華, 駱贊椿, 蔡小洪, 等. 水溶性羧甲基甲殼素的制備. 精細化工, 1994; 11(4): 36.
        CN 1992: 1060010A.
        王愛勤, 季生福. 水溶性羥丙基甲殼素的合成及性能研究. 天然產物研究與開發, 1995; 7(3): 79.
        王愛勤, 肖玉方, 曹農, 等. 殼聚糖的改性和應用研究. 中國生化藥物雜志, 1997; 18(1): 16.
        Yamada H, Imoto T. A convenient synthesis of glycolchitin, a substrate of lysozyme. Carbohydr Res, 1981; 92: 160.
        李吉高, 吳蓉蓉, 邰子厚. 天然多糖-甲殼素. 海洋藥物, 1985; 2: 26.
        王愛勤, 李洪啟, 張俊彥, 等. 丙三醇殼聚糖的制備與分析. 中國生化藥物雜志, 1997; 18(2): 75.
        Loubaki E, Oureritch M, Sicsic S. Chemical modification chitosan by glgcidyl trimethylammonium chloride. Eur Polym J, 1991; 27: 311.
        Yalpani M, Hall LD. Some chemical and analytical aspects of polysaccharide modifications. Macromolecules, 1984; 17: 272.
        Muzzarelli RAA, Tanfani F, Emanuelli M, et al. Sulfated N-(carboxymethyl) chitosans: novel blood anticoagulants. Carbohydr Res, 1984; 126: 225.
        Hirano S, Yane H. Effect of sulfated derivatives of chitosan on some blood coagulant factors. Carbohydr Res, 1985; 137: 205.
        Malette WG, Quigley HJ. Achieving hemostasis using chitosan. Ann Thorac Surg, 1983; 36: 55.
        Wolfrom ML, Shenhan TM. The sulfonation of chitosan. J Ameri Chem Soci, 1959; 81: 1764.
        Shigeno Y, Kondo K, Takemoto K. Functional monomers and polymers. LXX. Adsorption of iodine onto chitosan. J Appl Polym Sci, 1980; 25: 731.
        高懷生, 黃是是, 張世達, 等. 碘殼聚糖生物敷料的制備. 中國藥學雜志, 1996; 31(5): 280.
        楊福順, 卓仁禧. 側鏈含5-氟尿嘧啶甲殼胺的合成及其抗腫瘤活性的研究. 高分子學報, 1990; (3): 322.
        譚天瑞. 甲殼素、殼聚糖及其衍生物在制劑上的應用. 中國藥學雜志, 1990; 25(8): 453.
        Takahashi T, Takayame K, Machida Y, et al. Characteristics of polyion complexes of chitosan with soeium alginate and sodium polyacrylate. Int J Pharm, 1990; 61(1,2): 35.
        蔣新國, 何繼紅, 奚念珠. 海藻酸鈉和脫乙酰殼多糖混合骨架片劑的緩釋特性研究. 中國藥學雜志, 1994; 29(10): 610.
        盧鳳琦, 曹宗順, 趙焰. 殼聚糖-海藻酸鹽微囊對藥物的緩釋作用. 中國醫藥工業雜志, 1996; 27(6): 247.
        中村道衛. 日本公開特許公報, 1980; 167043.
        溫玉麟,趙瀟濤. 甲殼質及其衍生物在藥物制劑中的應用. 中國海洋藥物,1989;(1):33

        劉萬順,陳西廣,賀君,等. 甲殼質的藥用價值及研究進展.. 中國甲殼資源研究開發應用學術研究會議文集(上冊),中國藥學會海洋藥物專業委員會等編. 青島.1997;5
         

        所屬類別: 科普知識

        該資訊的關鍵詞為:

        电子怎么对刷