【材料】Chem. Sci.：口服胰岛素行不通，共价有机框架来帮忙
糖尿病是影响全世界近10％人口的全球十大死亡原因之一，自1980年以来其患病率增加了三倍，占直接医疗费用的近15％。糖尿病是当由于缺乏胰岛β细胞（1型）而没有产生胰岛素或所产生的胰岛素不能被身体有效利用（2型）时发生的慢性疾病。胰岛素治疗仍然是控制和调节血糖水平的关键因素，其主要方式是注射胰岛素。但是，在大部分不受控制的糖尿病患者中，胰岛素治疗的开始出现了延迟并且有的患者不愿意进行注射疗法。人们不愿进行胰岛素治疗的原因有许多，其中包括有一些人会对针头、自我注射以及疼痛产生焦虑和恐惧。因此，克服限制口服胰岛素的给药问题并改善胰岛素治疗的效果具有重要意义。
近期，阿拉伯联合酋长国纽约大学阿布扎比分校Ali Trabolsi课题组及合作者报道了一种亚胺连接的共价有机骨架（nCOF），可用于口服胰岛素递送以克服药物递送障碍。通过2,6-二甲酰基吡啶（DFP）与4,4',4''-(1,3,5-三嗪-2,4,6-三基)三苯胺（TTA）缩合制备了在酸性环境中具有高稳定性的nCOF纳米片，并在纳米片层之间负载胰岛素。该nCOF具有高的胰岛素负载能力以及良好的生物相容性。载有胰岛素的nCOF在体外的消化液中表现出胰岛素保护以及葡萄糖反应性释放，这种高血糖诱导的释放过程在糖尿病大鼠体内得到证实，并且没有明显的毒性作用。与非糖尿病对照组相比，装有胰岛素的nCOF成功地通过了肠道屏障，持续降低并恢复了1型糖尿病大鼠模型的体内血糖水平，且不会引起全身毒性。基于nCOF的口服胰岛素输送系统可以替代传统的皮下注射，从而简化胰岛素治疗，这为开发口服胰岛素奠定了基础，并为治疗糖尿病提供了一条新途径。相关成果以“In vivo oral insulin delivery via covalent organic frameworks”为题发表在国际化学权威杂志Chemical Science上（DOI: 10.1039/d0sc05328g）。
图一、nCOF用于体内口服胰岛素递送的示意图。
（来源：Chemical Science）
首先，作者合成和表征了nCOF并研究其稳定性和负载能力。作者通过SEM和TEM表征了nCOF的形貌。粉末X射线衍射证实了合成材料的结晶度，在2θ= 4.9°处的强峰对应于规则有序晶格的(110)平面；2θ= 25.6°处的宽峰对应于(003)平面。为了评估nCOF的化学稳定性，作者通过模拟胃环境（pH 2.0）和血液（pH 7.4）的环境，证实了在两种情况下nCOF均不受影响。作者通过将nCOF浸泡在胰岛素溶液中来实现胰岛素负载。作者使用染料（FITC）标记的胰岛素测定负载胰岛素的量，计算得知nCOF的胰岛素-FITC载量为64.6±1.7 wt％。作者通过共聚焦显微镜直观地分析了载有胰岛素-FITC的nCOF荧光，证实了纳米材料中存在胰岛素-FITC。与原始nCOF相比，nCOF/胰岛素中的nCOF层周期性会受到影响，以适应胰岛素分子，从而失去结晶性。作者通过FT-IR和XPS发现了nCOF与胰岛素之间相互作用，酰胺C=O基团长度和nCOF亚胺键之间弱的胰岛素/nCOF相互作用有关。
图二、nCOF合成示意图和表征图。
（来源：Chemical Science）
其次，作者在体外试验中评估了nCOF/胰岛素响应高血糖触发的药物释放能力。在正常和糖尿病对照中，对照条件下 24小时内仅释放了12％的胰岛素，血糖升高至28％，这表明胰岛素缓慢自然释放。在糖尿病患者表现出的高血糖情况下，在孵育7.5小时后几乎100％的胰岛素释放。由于葡萄糖水平在饥饿和饱食之间自然波动，作者每隔1小时就在正常和高血糖状态之间监测胰岛素释放的开-关调节，nCOF/胰岛素的胰岛素释放曲线显示出搏动性模式。为了证实胰岛素的释放是由葡萄糖特异性触发的，作者将nCOF/胰岛素在以下条件下于37 ℃孵育24小时：（i）人血清；（ii）11种氨基酸的混合物；（iii）果糖或蔗糖的盐水溶液。在上述条件下，作者观察到胰岛素在24小时内的释放都是有限的，最大的胰岛素释放在人血清中为15％，氨基酸中为3％，果糖中为22％，蔗糖中为13％。在孵育后，调节葡萄糖浓度以模拟高血糖，作者观察到胰岛素的突然释放，证实了该nCOF系统具有特异性的葡萄糖反应性。由于果糖比葡萄糖更易吸湿，其羟基与骨架氮原子的相互作用较少，这可能解释了为何葡萄糖与胰岛素具有选择性释放。
图三、评估葡萄糖触发nCOF /胰岛素响应释放情况。
（来源：Chemical Science）
最后，作者评估了葡萄糖反应性nCOF/胰岛素的体内药理作用。以链脲佐菌素诱导的1型糖尿病大鼠为模型进行口服给药，确定了糖尿病大鼠口服各种制剂或皮下注射游离形式胰岛素溶液后血糖水平随时间的变化。实验证实，无胰岛素的nCOF或游离形式的胰岛素溶液的口服给药几乎没有有效性。皮下注射游离形式的胰岛素溶液导致血糖水平在1小时内显著降低，但这种作用没有持续，血糖水平迅速恢复至高血糖水平。口服nCOF/胰岛素后，在2小时内观察到血糖水平明显下降，与非糖尿病大鼠相似，并持续了10小时降血糖作用，与非糖尿病对照组的正常葡萄糖水平一致。这些结果与血浆胰岛素水平一致，血浆胰岛素水平显示nCOF/胰岛素治疗的大鼠血浆胰岛素水平最高。皮下注射胰岛素的大鼠在注射胰岛素后的第1小时内血浆胰岛素水平达到峰值，此后迅速降低。与皮下注射胰岛素的大鼠相比，用nCOF/胰岛素治疗的大鼠的HOMA-IR（胰岛素抵抗指数）较低，HOMA-IS（胰岛素敏感性）较高。研究还表明，nCOF/胰岛素颗粒比皮下注射的胰岛素具有更好的身体吸收能力。口服胰岛素直接被肠上皮细胞吸收，并通过门静脉到达肝脏，从而维持葡萄糖稳态，而胃肠外给药的胰岛素不能模仿自然分泌的胰岛素。这与观察到的胰岛素和葡萄糖的血浆水平相符。
图四、nCOF/胰岛素体内响应释放。
（来源：Chemical Science）
小结：作者制备了nCOF并将其作为口服胰岛素递送系统。nCOF的结晶性和多孔性使胰岛素的负载量高，表征结果证明了胰岛素位于nCOF纳米片的层之间而不是位于多孔通道中。nCOF可以在模拟胃环境的严酷条件下保护在体外封装的胰岛素，而在高血糖条件下实现胰岛素的可持续释放。1型糖尿病大鼠口服nCOF/胰岛素后空腹血糖水平在2-4 h内持续下降，并且体内降血糖作用能保持超过10小时。这种基于nCOF的口服胰岛素输送系统没有全身毒性，有可能替代传统的皮下注射，为糖尿病的治疗提供新的思路。