杀微生物剂阴道环的研究进展

杀微生物剂阴道环的研究进展李春晓1，2，宁美英1（1.国家人口计生委科学技术研究所北京市海淀区大慧寺路12号北京1000812.北京协和医学院研究生院北京市东城区东单3条9号北京100730）长效激素缓控释阴道环给药系统在治疗女性绝经期症状和避孕方面取得了较为显著的成效，目前的研究致力于运用类似的给药系统以实现对HIV杀微生物剂的控释。本文综述了阴道环控释技术的早期进展以及目前存在的不同类型的阴道环给药系统，以及抗HIV的杀微生物剂阴道环给药系统的发展状况。1引言有关HIV/AIDS的统计数据显示，2011年全球有3400万人受HIV/AIDS困扰，250万新感染者，已经死亡的有170万人；截至2011年底，中国存活艾滋病病毒感染者和艾滋病病人（PLHIV）约78万人，女性占28.6%，艾滋病病人约15.4万人，2011年新增发感染者约4.8万人，当年死亡约2.8万人。虽然进行了30多年的科学努力，安全有效的HIV疫苗仍未面世。与此同时，人们对于可替代的预防措施越来越关注，尤其是阴道杀微生物剂。这些化合物在性交前正确的应用于阴道内，具有阻断或减少HIV的进入和复制作用来减少其传播的潜能。关于目前HIV杀微生物剂的研究进展，读者可以查阅相关文献了解[1-3]，本文将重点阐述HIV杀微生物剂阴道环的研究进展以及新型的阴道环设计。2阴道环的进展2.1阴道环的发明20世纪60年代JudahFolkman发现，当动静脉分流器的硅橡胶管路外侧暴露于麻醉气体中时，能够使兔进入睡眠状态，于是他最早提出了药物在聚合物材料中能控制物质释放的概念。基于气体分子透过硅橡胶的能力，人们猜测固体药物混合到硅橡胶（或者其他高分子弹性体）后能够植入人体作为药物的控释递送系统。第一批商品化的两个药物控释递送系统是：Alza'sOcusert®（用于治疗青光眼的眼科植入剂，能够以恒定速度释放毛果芸香碱）和Progestasert®（宫内植入剂，能够以恒定速度释放孕酮）。二者均是以热塑型聚乙烯—醋酸乙烯酯（PEVA）为材料制成的储库型装置。第一个商品化的硅橡胶控释给药系统是美国人口委员会开发的皮埋避孕制剂Norplant®，1983年在芬兰批准应用，并于1991年在美国上市。该装置包含6个硅橡胶弹性体材质的小管（2.4mm×34mm），每一个管内包含36mg左炔诺孕酮，Norplant®是Folkman最初想法的直接外延，它能够实现有效避孕长达5年之久。第二代Norplant®装置目前已经上市，包含一种或两种硅橡胶弹性体或PEVA材质的含药棒。1970年UpJohn公司在美国注册的一项专利中描述道：“一种改良的弹性环状装置可以放置到阴道中并能在阴道中停留……其含有有效剂量的治疗药物能从药物透过性的聚合物材料中渗透”（图1A）。药物释放型阴道环概念的首次提出引发了20世纪70年代到80年代阴道环研究的热潮，主要集中于对避孕和激素替代治疗的研究，与此同时还诞生了多种多样的阴道环设计。WHO处在了这一研究领域的最前沿，其研究目的是发展硅橡胶弹性体甾体避孕环以控制人口的迅速增长。2.2阴道环释药系统的概况阴道环是一种柔韧有弹性的、环形的，以硅橡胶弹性体或热塑性塑料为材质的装置，能够向阴道中长期缓慢或恒速的释放药物，来起到全身或局部作用。妇女可以自行取放阴道环，并通常将其放置于靠近宫颈的阴道上1/3部分。尽管临床上对于阴道环的准确放置位置通常并不精确，但对于部分妇女而言放置位置与舒适度具有一定关系。(A)1970年美国的一项专利中首次描述了一种覆盖式的金属弹簧环。(B)固体微粉化药物均匀分散的基质型阴道环。(C)全长的储库型/核芯型阴道环，载药核心由一层非医用级的速率控释膜包裹。(D)多段核芯型阴道环，每个核芯含有不同的药物。(E)插入型核芯阴道环，在封闭末端之前载药核芯插入预制环体中。(F)三明治或壳型阴道环，载药层夹在非医用级的聚合物核芯和外部的非医用级的速率控释膜之间。图1典型的阴道还设计最简单的阴道环设计是固体药物颗粒（通常以微粒化的形态）分散到整个聚合物基质中。药物在“均质型”或“基质型”环中的释放量是由渗透机制决定的，药物的释放速率取决于：（1）药物在聚合物中的溶解度；（2）溶剂化的药物透过聚合物扩散的能力；（3）装置中的载药量；（4）环的表面积。“三明治”和“核芯”阴道环设计（也分别被称为“壳型”和“储库型”）使药物在使用期间每天具有恒定的释放速率，并符合“零级”释放动力学。三明治结构（图1F）是由非医用级的核芯和外膜，以及处在二者之间较窄的载药聚合物层构成。药层的位置接近于表面，保证了那些在聚合物材料中扩散能力差的药物能够有效的递送。核芯型阴道环是由一个或多个含药的核心以及包裹在外面不含药的聚合物膜构成（图1C-E）。一些不同长度的独立载药核芯可以合并到同一个核芯环中，从而实现多种活性物质以既定速率独立地释放。核芯型和壳型阴道环的释放速率可以通过改变起到速率控制作用的外膜厚度来进行调整。在阴道环的制备过程中，材料的选择受到生物相容性、柔韧性以及药物的高渗透率三个因素的限制。商品化的阴道环产品是由硅橡胶（聚二甲硅氧烷）弹性体或者PEVA构成。最近，也有报道采用热塑型聚氨酯材料来制备阴道环[4-7]。3硅橡胶弹性体阴道环3.1材料及工艺硅橡胶是一类合成聚合物，包含一个由交替的氧原子和硅原子连接构成的主链，同时各有两个有机官能团共价连接到硅原子上。最普遍的硅橡胶衍生物是包含两个甲基官能团，被称为聚二甲硅氧烷。线性聚合体构成的硅橡胶在室温下为液体，即使分子量较大的也如此。弹性体硅橡胶材料是将有活性的功能性集团加入到线性聚合物中，使用合适的交联分子使二者产生交联。硅橡胶聚合物，尤其是弹性体，在医疗设备和药物递送装置方面有悠久的应用历史，这源于它们良好的生物相容性和生物耐受性。硅橡胶弹性体环通常是通过聚合反应或者添加化学固化剂经过高温反应注塑而成。两个含有雌性激素的储库型硅橡胶弹性体阴道环已经上市，用于治疗由雌激素缺乏引起的绝经期症状。Estring®(Pfizer，纽约，纽约州）含有一个完整的药物核芯（图1C），可以连续每天释放7.5μg17β-雌二醇达3个月以上，用于治疗局部症状。Femring®(WarnerChilcott英国有限公司，拉恩，北爱尔兰)包含一个片段式储库药芯（图1D中的一段），可以每天释放50μg或100μg（取决于药芯的长度）雌二醇的前药雌二醇醋酸酯3个月以上，用于治疗全身或局部症状。两种环均表现出较高的顺应性，并且比雌二醇阴道凝胶更易为妇女接受。一种可供一年使用的避孕环，使用3个星期为一周期，能同时释放15μg/d炔雌醇和150μg/d醋酸烯诺孕酮（Nestorone），目前正处于临床开发阶段。3.2硅橡胶弹性体阴道环在杀微生物剂上的应用首篇关于杀微生物剂阴道环的报道，非离子表面活性剂壬苯醇醚-9在体外能从基质型硅橡胶弹性体装置中持续释放8天以上。不同于目前正在作为HIV杀微生物剂的抗逆转录病毒的固体化合物，壬苯醇醚-9在室温下是液体，因此其从环中的释放不同于一般的释放动力学。研究表明壬苯醇醚-9的频繁使用能够增加HIV传播的风险，因此已经不再将其作为杀微生物剂候选药物。随后的研究结果表明达匹韦林（也被称为TMC120)在体外能够从硅橡胶弹性体储库型阴道环装置中有效释放71天以上。而且，经过计算，恒速日释放量130μg能够有效持续至少1年，理论上可以长达4年。很多开发为HIV杀微生物剂（例如达匹韦林（dapivirine），马拉维若（maraviroc），UC781和MC1220）的抗逆转录病毒候选化合物，具有与甾体分子相似的理化性质(尤其是高疏水性和低分子量)，表明硅橡胶弹性体阴道环的结构同样可用于杀微生物药物剂的控释系统。尽管大量的抗逆转录病毒化合物被载入到环中进行了体外释放试验，但是只有达匹韦林的基质型和储库型硅橡胶弹性体阴道环进入了临床试验阶段[8-9]。随着抗逆转录病毒制品在治疗HIV感染方面取得成功，科学研究工作者对杀微生物剂以及能够同时释放两种及以上具有不同作用机制的杀微生物剂的阴道环也颇感兴趣。关于包含25mg达匹韦林和100mg马拉维若的加成固化硅橡胶弹性体基质环的第一个临床试验于2012年开始实施，试验方案为：48名健康妇女将分别使用上述复合环、25mg达匹韦林阴道环、100mg马拉维若阴道环或空白环，试验周期为28d。4热塑性弹性体阴道环4.1材料及工艺热塑性弹性体是一种加热融化并随着不断降温能再次变硬的聚合物。然而大多数热塑型材料并不适合制备阴道环，因为它们较差的弯折和机械特性，一类被称为“热塑性弹性体”的材料成功的应用于阴道环的开发。值得一提的是，乙烯醋酸乙烯酯共聚物（PEVA）同时作为药物基质和控释膜被应用于组合（依托孕烯+炔雌醇）避孕阴道环Nuvaring®中。其他的皮下、植入型药物递送装置也以PEVA作为材料，包括Implanon®和Virtasert®。PEVA材料的乙烯酯含量和分子量特征在决定成品药物递送装置的机械特性、加工的难易程度以及药物的释放速率方面起到了重要作用。4.2热塑性弹性体阴道环在杀微生物剂上的应用Nuvaring®是一个非生物降解的、柔韧有弹性、透明无色的避孕阴道环，由欧家农股份有限公司开发并于2002年首次上市。它含有两种活性成分，孕酮依托孕烯（11.7mg）和雌激素炔雌醇（2.7mg）。Nuvaring®具有较高的有效性，其Pearl指数为1.18，避孕效率为99.1%。尽管Nuvaring®取得了商业上的成功，却很少有报道使用PEVA作为杀微生物剂阴道环的材料，这可能是因为使用医用级材料在人体内实验较困难。以PEVA、聚氨酯以及硅橡胶弹性体为材料制备的非核苷逆转录抑制剂UC781的阴道环片段被放置于兔体内，进行药代动力学数据的比较，结果显示三者在体内释放速率和动力学方面具有相似性。近期报道了一种能同时释放杀微生物剂候选物UC781以及避孕药孕激素左炔诺孕酮的组合PEVA基质环[10]。如果杀微生物剂阴道环的概念能够被达匹韦林硅橡胶弹性体环所证实，那么将预防HIV与有效避孕相结合的多元组合技术将会实现。热塑性聚氨酯同样被用于制备杀微生物剂阴道环。对于PEVA，聚氨酯的性质可以通过控制化学结构很容易达到修饰目的，只要对合成过程中反应底物（聚合物二元醇、扩链剂和异氰酸酯）的组成进行调整即可。目前，聚氨酯环加载UC781、达匹韦林、替诺福韦或者组合药物已经进行了体外释放验证[4,5,7,11]。达匹韦林在基质环中的恒速释放可以持续30d以上，释放速率由最初的载药量决定。新型分段式聚氨酯阴道环能同时释放达匹韦林和替诺福韦。每一种药物被制备成独立的嵌段，然后将两种嵌段连接起来形成完整的一个环。5递送杀微生物剂阴道环的新设计一些对于阴道环装置的新设计在开发，其共同目标是克服传统的硅橡胶弹性体或者热塑型系统对于亲水性以及大分子药物渗透性的限制。通过将环体设计为插入物或固体药物滞留的载体，将克服渗透的阻滞。然而，这种多组成结构阴道环的制备将制约其在短期内的临床发展。5.1豆荚镶嵌阴道环Versaring®技术平台（Auritec制药公司）基于载药的豆荚镶嵌设计，将包被着聚合物材料的固体药物嵌入硅橡胶弹性体环中，呈现出接近于零级的释放动力学特征[12-14]。药芯包被着半透性聚（乳酸）的聚合物。包衣的药物豆荚合并到硅橡胶环中，药物通过硅橡胶环上的递送窗口进行释放，释放速率取决于窗口的尺寸。每个环的释药量可以通过改变药芯聚合物包衣的数量和组成、药物递送窗口的尺寸以及药物豆荚的数量来调节。替诺福韦体外日释放速率的变化范围是2.5个数量级（10-4000μg/d）。该类环的多模特征保证了具有不同理化性质的多种药物在环中的释放。目前，替诺福韦和阿昔洛韦在同一个环中的体外释放考察已经完成[14]。研究证实了妇女使用为期1个月的替诺福韦杀微生物药物阴道环的可行性。5.2棒状和片状嵌入型阴道环类似于豆荚嵌入型阴道环，棒状和片状嵌入型阴道环是将一种或多种聚合物固体剂型（分别是冻干聚合物凝胶棒和直接压制