青蛙泡沫可递送药物？首次用于缓释抗生素，时间更得长更稳定

日常生活中，泡沫随处可见，也经常被用作输送化妆品或有机化合物的载体。比如药物或有机喷剂，众所周知的是，该类物质在释放后将很快变为一滩液体，很难稳定存在。

自然界中，稳定的蛋白质泡沫更加少见，工业制造出的合成泡沫也在生物相容性和长期稳定性方面存在明显的不足。

不过现在，英国斯特拉斯克莱德大学的 Hoskisson 实验室将致力于使用天然产物的蛋白质配制出具有良好稳定性和生物相容性的泡沫配方。

在日前发表于 Royal Society Open Science 杂志的论文中，Paul A. Hoskisson 教授及其团队证明，一类产自两栖动物的泡沫表现出良好的稳定性（在热带环境中长达 10 天）并且具有高度的生物相容性，这对于开发具有理想发泡特性、提供适量活性药物成分（API）的药物泡沫具有重要意义。

据悉，这是一种被称为 Túngara 的青蛙（Engystomops pustulosus ) ，雌性在排卵时会一同排出大量蛋白质液体，雄性在排出精子后会把混合物搅打成为一个泡沫巢，作为保护卵和幼崽的有效手段。这些泡沫巢在暴露的热带条件下可稳定数天，并能够保护发育中的胚胎和幼崽免受脱水、捕食、极端温度、紫外线照射和微生物降解等伤害。

图丨 Túngara 青蛙的原位泡沫巢（来源：论文）

此前，人们认为要尽量避免蛋白质起泡。这是由于在泡沫形成的过程中，气液界面的产生将导致大部分蛋白质的构象改变，从而发生变性或化学降解。

因此，适应于泡沫形成和稳定的蛋白质一经发现便引起了科学界对于其结构和稳定性的兴趣。

在英国，微生物及生化学家 Paul Hoskisson 的实验室专门开发抗菌剂，他对于这种可以自然抵抗细菌定植的青蛙泡沫也进行了长期研究。

鉴于这些泡沫的 “职责” 所在，其成分必须与卵子、精子和发育中的胚胎相容。除此之外，它们还必须具有适当的生物物理特性，以形成和稳定水性泡沫。2014 年，根据一项合作研究， Hoskisson 开始研究这种材料的稳定性和结构是否支持携带和释放药物。

“这是首次将两栖动物泡沫用于药物递送，” Hoskisson 表示，“在未来，这些泡沫或将提供一种性能良好的、安全的递送载体，它甚至可以给患者服用。”

为了验证青蛙泡沫可以作为药物输送系统的理论，研究人员采用了一系列标准制药技术来探测其成分、结构、粘度和稳定性。

据介绍，来自 Túngara 青蛙的泡沫共含有分子质量在 10~40 kDa 之间的六种主要蛋白质，其中包括已经在工业中成功应用的主要表面活性蛋白 Ranaspumin-2 (RSN-2)。这些蛋白质和复合碳水化合物（每种约 1 mg /mL）一起组成混合稀释液，看起来像是稀释过的起泡鸡蛋清（鸡蛋清中的总蛋白质浓度通常超过 90 mg /ml）。

图丨研究人员从特立尼达的森林中取出青蛙泡沫并将其带回实验室（来源：Paul Hoskisson's Lab）

通过封装易溶和难溶的色素分子进行试验，研究人员确定，这种泡沫可用于携带具有不同特性的多种药物。

结构上来说，泡沫由密集的气泡组成，称为囊泡。这些坚固的囊泡可捕获并富集药物分子，同时允许泡沫在大面积表面扩散而不会塌陷。人体皮肤的温度和降低的 pH 值导致囊泡溶解，随着时间的推移释放药物。

除了色素分子外，该团队还在泡沫中加入常见的抗生素利福平，其在一周时间内被释放出来 —— 该时间窗提示了泡沫药用的可能性，因为通常情况下，患者需要接受 5 到 14 天的抗生素治疗。

从试验透析数据来看，利福平在前五个小时以稳定速率释放了约 80% 的负载抗生素，然后进入了缓释阶段，其释放时间比现有药物泡沫时间更长、更稳定（图 C）。

图丨泡沫用于吸收和释放模型化合物和药物分子（来源：论文）

此外，研究团队针对 Túngara 青蛙泡沫与人类上皮细胞的生物相容性进行了研究。结果证实，处在泡沫中的上皮细胞活力与未经处理的对照细胞相同，这表明来自青蛙的泡沫蛋白对上皮细胞无毒。这种高度的生物相容性与泡沫及其前体成分对裸露的两栖动物精子、卵子和青蛙的输卵管表面无害相一致。

这项工作首次展示了 Túngara 青蛙的泡沫巢可在异地长期稳定存在，并具有良好的理化和生物相容性等特性，并且能够封装包括抗生素等在内的一系列化合物。

目前，虽然有多种载有抗生素的脂质体及水凝胶等材料已经推向市场，但该类材料的适用性和释放效率仍然不足。例如，由纳米复合水凝胶负载四环素（一种聚酮类抗生素）已被用于通过皮肤缓释给药，其最多仅释放 15% 的负载药量。

多年来，合成泡沫已被用于化妆品类和经皮肤、直肠和阴道输送抗生素药物。这些合成的混合物能够便捷地将药物均匀涂抹在表皮上，但多数合成泡沫常常由于稳定性较差而很快 “崩塌”，失去了隔绝细菌的功能。而药用泡沫在用于治疗伤口和烧伤时，医生必须经常去除医用敷料，以便重新涂抹泡沫。这不仅不利于伤口愈合过程，还会增加感染和抗生素耐药性的风险。此外，合成泡沫有时也会成为过敏原并刺激皮肤。

现在，具有良好稳定性的泡沫则可能为这些问题提供解决方案。其与合成的药物泡沫具有一些类似及更加适应于药物应用的特性。

据论文通讯作者Dimitrios Lamprou介绍，研究团队正在尝试研究配制由该类泡沫产生的纳米颗粒，以便用于静脉注射或口服用药，拓展药物制造及给药方式。

来自德国亚琛工业大学的生物医学工程师 Yang Shi 在看到论文后表示，比起药丸或注射等方式，使用泡沫喷剂将药物递送至皮肤表面可以说是一个新颖且更为舒适的想法。Yang Shi 专攻癌症化学疗法和免疫疗法，他认为，两栖动物泡沫在提供治疗及杀灭皮肤癌细胞方面可能具有潜在作用。

不过他也表示，这项技术仍处于初期阶段，尤其是仅靠青蛙无法产生足够的泡沫来满足研究和制造需求。

虽然 Túngara 青蛙并不是唯一会产生泡沫巢穴的动物，其他蛙类、飞蛾和暹罗斗鱼也具备同样的功能。但在野外想要找到能够稳定存在的泡沫并不容易，因此需要探索泡沫中的关键蛋白质批量生产的途径。

该论文第一作者 Sarah Brozio 在攻读博士期间，其大部分论文都在致力于从头制造各类泡沫成分。她在细菌中添加进了青蛙的 DNA，并诱使它们产生出了某几种在泡沫中存在的关键蛋白质。

据 Brozio 介绍，即使她仅使用这些蛋白质中的某一种来制作泡沫，其混合物也至少能稳定存在一两个星期。接下来，Hoskisson 的实验室将会继续确定泡沫配方中每种蛋白质的理想含量，以及确认是否六种蛋白质都是必需的，这将简化泡沫的制造过程。

参考资料：

• https://researchonline.gcu.ac.uk/ws/portalfiles/portal/50217866/Brozio_et_al._2021_Revised_Frog_Foam_Drug_Delivery_August_2021_Author_Accepted_manuscript.pdf
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0006349505732732
• https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0021979799962562

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