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糖类家族大战之谁才是强冻干保护剂

发布时间:2021-05-26

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糖类家族大战之谁才是强冻干保护剂


冻干是复杂的相变过程,冻干制品在整个过程存在的各种应力,包括低温应力、冻结应力、干燥应力等,常常是直接或间接导致制品中蛋白质变性的因素,所以在冻干过程中需使用保护剂。常用的保护剂一般分为糖、多羟基化合物、氨基酸、蛋白质、聚合物和无机盐等,其中糖是常见、使用广的一类冻干保护剂,是蛋白质的非特异性稳定剂,在冻干的各个阶段均能对蛋白质生物制品起到一定的保护作用。


糖一般分为单糖、低聚糖和多糖。目前用作保护剂的单糖主要有:葡萄糖;用作保护剂的低聚糖主要有:蔗糖、乳糖、海藻糖;用作保护剂的多聚糖主要有:果聚糖、菊糖、麦芽糖糊精、麦芽多糖等。本文主要对常用的冻干保护剂葡萄糖、蔗糖、海藻糖、乳糖、麦芽糖及果聚糖进行对比,分析其优势及局限性。


葡萄糖在冻干过程中可部分保持无定型状态,对某些蛋白质具有一定的保护作用,但是葡萄糖是还原糖,可能与蛋白质上暴露的某些氨基酸残基发生迈拉德反应,使制品变黄,蛋白质活性降低,故有时不适合作为保护剂。有文献研究表明葡萄糖用于脂质体冻干保护时,不能很好的降低磷脂分子间的范德华力进而降低相变温度,其冻干保护能力较弱。


蔗糖是由葡萄糖和果糖通过异构体羟基缩合而形成的非还原性二糖,具有较高的玻璃化转变温度,对阻止蛋白质二级结构的改变、冻干处理过程中及贮藏期内蛋白质多肽链的伸展及聚集起着作用,已在蛋白、ji素类药物的冻干制剂以及病毒疫苗等产品中作为保护剂得以应用。并且对于注射用冻干制剂,蔗糖还能起到调节渗透压的作用,选择蔗糖作为生物制品的冻干保护剂可谓一举三得。同时在脂质体的冻干工艺中,蔗糖也是常用的一种保护剂。与甘露醇、葡萄糖等相比它具有较高的玻璃化转变温度和粘度保护效果更好,与海藻糖相比性价比更高,且脂质体外水相很多都用到蔗糖,因此为了不给制剂本身带来其它方面的影响,常常使用蔗糖,一般用量在5%~10%,具体的用量还需根据具体的chu方进行调整。蔗糖同时能够起到减少膜融合、保护脂质体粒子不在冻干过程中破裂、泄露药物的作用,此外还能起到赋形剂的作用—对冻干后饼的形状、疏松度、塌陷度等都有影响。大量文献表明,使用蔗糖作为冻干保护剂的脂质体制剂复溶后药液稳定性和复溶效果(主要是药物包封率和粒径变化)都很好。


海藻糖作为一种非常稳定的非还原性双糖,对生物体具有神奇的保护作用。海藻糖在高温、高寒、高渗透压及干燥失水等条件下,能在细胞表面形成独特的保护膜,能有效的保护蛋白分子不变性失活,从而维持生命体的生命过程。鉴于这些动植物特殊的自我保护机制,人们开始探索海藻糖在生物体保护上的应用,并作为蛋白质药物、酶、疫苗和其它生物制品的保护剂使用。海藻糖作为目前低温保存常用的非渗透性保护剂之一,可以提高胞外溶液的溶质浓度,不仅能在细胞外形成高渗,减少胞内冰的形成,还具有较高的玻璃化温度,易形成玻璃态。这样一方面避免了低温对细胞膜蛋白质和脂质的损伤,另一方面将细胞膜的蛋白质分子支撑包裹起来,使之不易变形,yi制细胞膜融合,降低细胞膜的通透性。除此之外,海藻糖也是脂质体注射剂冻干保护剂的不错选择。实验显示,以海藻糖作保护剂的冻干脂质体粒径变化小,保护效果好;葡萄糖的粒径变化大,保护效果差。对于海藻糖,10%的浓度对冻干脂质体的保护效果好。与蔗糖相比,海藻糖的玻璃化温度更高,吸湿性更低,也同样不属于还原性糖,因此具有更广的应用前景。但是由于海藻糖价格高,阻碍了其在生物制品工业生产中的大规模使用,在同等冻干保护效果下人们更倾向于选择性价比更高的蔗糖。


乳糖是由半乳糖和葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接形成的二糖。由于价格低廉、易于获得,也常作为冻干保护剂。由于市售的药用乳糖,在其制备过程中不可避免的会有乳球蛋白的残留,这种外源性的蛋白会引起过敏反应,因此很多乳糖不能作为注射液使用。2020年新版中国药典限定了乳糖作为药用辅料的范围—供非注射剂、非吸入制剂用。


麦芽糖在一些脂质体的冻干保护效力上与海藻糖近似,但是麦芽糖为还原糖,可能与蛋白质上暴露的某些氨基酸残基发生迈拉德反应,影响产品质量。


果聚糖存在于多种温带植物中,某些植物中果聚糖的量可达到其干质量的80%(W) 。果聚糖聚集在这些可越冬且能经受干燥考验的植物qi官中,由此推测果聚糖在帮助植物抵御寒冷或干燥等极端条件上具有重要意义。但聚合度高的果聚糖水溶性较低,在干燥过程中易于析出沉淀故其保护作用较差。


就目前而言二糖中的蔗糖和海藻糖是研究多、也是公认的有效的生物制品保护剂,总结见下面表格。蔗糖和海藻糖在冻干保护界战斗力平分秋色,各有各的优点,蔗糖的玻璃化温度虽低于海藻糖,但胜在性价比高,在与海藻糖有同等冻干保护效果的情况,优先选它准没错;海藻糖的玻璃化温度更高,吸湿性更低,属于非还原性双糖,比起蔗糖具有更广的应用前景,但大的缺点是价格高,在工业生产的大规模化应用受限。我们可以期待一下,随着生产技术的发展,未来海藻糖的价格不再高昂,那它的大规模化应用也不远了。但就目前而言,蔗糖和海藻糖均属于冻干保护界的扛把子,选择哪一个都不亏,大家可以根据具体情况去选择。


参考资料:

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| 产品名:海藻糖(供注射用)(无菌)

| 中文名称:D(+)-海藻糖二水合物

| 英文名称:D(+)-Trehalose dihydrate (for injection)

| 化学名称:α-D-吡喃葡萄糖基-α-D-吡喃葡糖苷二水合物

| 型号:Hipo-S

| 含量测定:99.3%

| CAS号:6138-23-4

| EINECS登录号:202-739-6

| 备案登记号:F20190000452

| DMF号:034401

| 质量标准:符合各国药典标准(Chp,USP,JP,EP)

| 分子式:C12H22O11·2H2O

| 分子量:378.33

| 性状:白色结晶性粉末

| 比旋度:+198.8°

| 无菌:符合规定

| 微生物限度:无菌

| 细菌内:<0.1IU/g

| 含量测定:99.3%

| 溶解性:易溶于水,溶于热乙醇,微溶于甲醇。

保存:密封、凉暗干燥处保存,常温条件下运输。


| 中文名称:蔗糖(供注射用)

| 商品名:蔗糖(供注射用)  

| 型号:Zipo-S

| 英文名称:sucrose (for injection)

| 化学名称:D-(+)-Saccharose,Α-D-葡萄吡喃苷基-Β-D-呋喃果糖苷

| CAS号:57-50-1

| 备案登记号:F20200000093

| DMF备案号:035209

| 生产商:艾伟拓(上海)医药科技有限公司

| 级别:药用注射级辅料

| 执行标准:CP/USP/EP/JP

| 分子式:C12H22O11

| 分子量:342.3

| 性状:本品为无色或白色结晶,或白色结晶性的松散粉末,无臭有甜味。

| 用途:冻干保护剂、低温保护剂

| 保存:常温条件下运输,需密封、阴凉干燥处保存

| 注意事项:避免与强酸、强碱、强氧化性物质接触


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