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Betaine-Modified Chitosan Nanoparticles Enhance Oral Insulin Delivery via pH-Triggered Charge Switching, Mucus Penetration, and Lysosomal Escape

化学 生物物理学 内吞作用 粘液 纳米颗粒 壳聚糖 表面电荷 Zeta电位 细胞内 生物利用度 渗透(战争) 胰岛素 药理学 渗透 跨细胞 膜 毒品携带者 药物输送 膜透性 碳酸钙-2 磁导率 溶酶体 脂质体 小泡 生物化学 口服 介导转运 膜转运 钠
作者
Shengqin Chen,JinQi Wang,Yang Liu,Qingya Miao,荣秀媛,Jia Yang
出处
期刊:Molecular Pharmaceutics [American Chemical Society]
卷期号:23 (9): 4482-4498
标识
DOI:10.1021/acs.molpharmaceut.6c00071
摘要

Oral insulin delivery is limited by the intestinal mucus barrier and intracellular lysosomal degradation within epithelial cells. To address these sequential barriers, we engineered insulin-loaded zwitterionic charge-switching nanoparticles (INS/Bet-CS-SA NPs) through the rational integration of betaine-modified chitosan and sodium alginate. This design leverages the pH-responsive surface charge transition of the nanocomplex, allowing the formulation to remain compact and positively charged under gastric conditions while undergoing swelling and surface transformation in intestinal media. The optimized nanoparticles exhibited a high insulin loading capacity (71.71%) and a sustained release profile (86.03% within 12 h under simulated gastrointestinal conditions). Especially, the surface zeta potential of INS/Bet-CS-SA NPs shifted from +15.73 ± 3.17 mV at pH 1.2 to -24.22 ± 3.47 mV at pH 6.8 and -25.68 ± 3.93 mV at pH 7.4, confirming the intended charge-switching behavior. This zwitterionic functional surface markedly enhanced mucus penetration and transepithelial transport, yielding apparent permeability coefficients 25.4-fold higher than that of free insulin. Cellular uptake and trafficking analyses suggested caveolae-associated endocytosis and reduced lysosomal retention played an essential role, which might be caused by betaine-associated membrane perturbation and chitosan's proton buffering capacity. In a type 2 diabetic rat model, orally administered INS/Bet-CS-SA NPs induced a sustained hypoglycemic response and achieved a relative bioavailability of 25.36%. The prolonged pharmacodynamic effect was additionally supported by a semimechanistic pharmacokinetic/pharmacodynamic model. Overall, this work provides a zwitterionic functional nanoplatform capable of overcoming multiple gastrointestinal barriers as a promising strategy for the oral delivery of insulin.
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