智能型聚合物納米藥物載體設計的研究進展*

李峰 袁哲凡

(武漢大學化學與分子科學學院生物醫(yī)用高分子教育部重點實驗室 湖北武漢430072)

腫瘤組織的結構與微環(huán)境同正常組織細胞的差異性是智能型藥物載體的設計基礎。固相腫瘤血管生成迅速，導致腫瘤管脈的分布錯綜復雜，血管架構存在缺陷，淋巴流向反饋機制受損。因此大尺寸的粒子或者高相對分子質量的聚合物易穿過血管壁，在腫瘤組織內累積，并且不易被排出，造成腫瘤特異性的生理分布。這種現(xiàn)象被稱為“增強滲透和滯留”效應(EPR effect)，也就是通常所說的“被動靶向”［1］。此外，腫瘤細胞的分裂周期較正常細胞更短，代謝速率更快，細胞間的信號傳遞、與細胞外環(huán)境的物質交換、細胞運動和遷移等細胞群體的“社會行為”也更為頻繁。這些生命活動與細胞膜的結構及功能密切相關。在腫瘤的細胞膜上，存在著某些過度表達的特異性抗原和受體，比如人類內皮生長因子受體，葉酸受體，血管活性腸肽受體等。這些特異性的受體與抗原成為了藥物傳輸?shù)闹匾悬c。將與之對應的抗體或者配體修飾到載體的表面，可以有效地提高載體穿越細胞膜障礙的能力，這種方式被稱為“主動”靶向藥物傳遞［2］。

除了組織、細胞結構的不同，腫瘤細胞的微環(huán)境也表現(xiàn)出與正常細胞不同的特別性質。例如，腫瘤細胞的糖酵解(glycolysis)與質膜的“質子泵”(plasma membrane proton-pump)活性強于正常細胞，因此產(chǎn)生了更多的乳酸分布在細胞間質中，這使得腫瘤組織的細胞外環(huán)境呈弱酸性［3］;由于大量谷胱甘肽(GSH)和還原性生物酶(比如硫氧還蛋白)的存在，導致腫瘤細胞質與細胞核空間中出現(xiàn)了高濃度的還原環(huán)境［4］;腫瘤細胞基于增殖、擴散的需要，往往還過度表達了許多生物酶，其中以基質金屬蛋白酶(MMP)最為常見。MMP對于腫瘤的血管生成和轉移、擴散非常重要，因此MMP也成為腫瘤特異性的刺激信號，并被應用到藥物載體的設計中［5］。另外，應用遠程控制信號，如光、磁場和超聲波等，將外部刺激直接聚焦腫瘤部位，或者轉化成其他信號作用于腫瘤組織，目前也成為腫瘤治療研究中的一種新思路。

根據(jù)腫瘤細胞、組織同正常細胞、組織的差別，設計腫瘤特異型藥物傳遞是藥物載體設計研究的主要方向。其中的設計思路主要由兩個方面組成:靶向傳遞的行為控制與藥物釋放的行為控制。靶向傳遞的行為控制是指調控載體在釋放藥物前生理分布，達到腫瘤部位的特異性累積，避免對正常組織的傷害。藥物釋放的行為控制是在調控藥物離開載體、作用于目標部位的方式和速率。以下將從這兩個方面對智能型藥物載體設計的研究現(xiàn)狀進行介紹。

1 靶向傳遞行為控制

靶向藥物傳遞可以根據(jù)目標部位的不同分為以下3個方面:組織器官層面的靶向傳遞;細胞層面的靶向傳遞(細胞膜靶向);亞細胞結構的靶向傳遞(靶向細胞器)。

組織器官層面的靶向傳遞可以通過EPR效應來實現(xiàn)。設計控制載體尺寸，使之介于10～500nm，可以實現(xiàn)在腫瘤組織間隙處累積。Chilkoti教授課題組調控了彈性蛋白基的聚合物多肽(ELP)的最低臨界轉變溫度(LCST)，使其在正常體溫37℃時處于單分子游離狀態(tài)，在接近42℃時實現(xiàn)分子間聚集，形成符合EPR效應尺寸的納米聚集體，實現(xiàn)組織層面的載體累積［6］。

癌癥化療的治療效果在很大程度上取決于藥物在病灶部位的累積量，通過EPR效應累積于腫瘤組織間隙的載藥粒子需要實現(xiàn)細胞內的傳遞來發(fā)揮療效。影響“被動”靶向能力的主要因素是載體粒子尺寸，使用納米技術傳遞藥物即可獲得“被動”靶向的功能。而亞細胞結構傳遞的前提是成功地跨越細胞膜的障礙，所以在靶向傳遞的行為控制中，最為關鍵的就是從組織到細胞的傳遞過程，下面將主要對這方面的研究進行介紹。

1.1 電荷轉換型靶向傳遞體系

Kataoka課題組在2007年首先提出了電荷轉換型聚合物的概念。他們將富含伯胺基團的陽離子聚合物通過化學修飾馬來酸酐衍生物轉化成負電性的陰離子聚合物，并以此包載正電性的蛋白制劑。由于靜電排斥作用，陰離子聚合物能減小與血清的相互作用，增加了包載物的血清穩(wěn)定性。但當馬來酸酐衍生物受到弱酸刺激水解離去時，陰離子聚合物還原成正電性，釋放出同樣帶正電荷的蛋白藥物［7］。王均課題組通過調整馬來酸酐衍生物的結構，將電荷轉換的響應能力擴展到腫瘤細胞間質的pH范圍，并最終通過電荷轉變后的正電性載體與負電性細胞膜的靜電相互作用，實現(xiàn)了對靶向傳遞的智能調控［8］。

1.2 應用光籠(photo-caging)技術的靶向傳遞

光籠技術的主要思路是將光可離去基團修飾在功能分子的某些反應位點上，以此實現(xiàn)對分子功能的抑制，而后又通過光刺激恢復原有的功能。光籠技術的應用非常廣泛，但直到2009年，這一技術才被運用到調控細胞外靶向行為上來。

Kohane等人利用光籠技術制備了光控靶向的納米粒子。他們將具有靶向功能的細胞黏附肽——YIGSR修飾到聚苯乙烯納米球的表面，并在多肽鏈中的酪氨酸上化學結合了4，5-二甲氧基-2-硝基苯基衍生物，從而抑制了YIGSR的細胞黏附能力。當修飾后的聚苯乙烯納米球受到紫外光照射時，DMNB基團離去，YIGSR的靶向功能重新恢復，介導納米球進入目標細胞內［9］。此外，Yeh等人也分別利用光可離去基團修飾了葉酸和最短鏈長的細胞穿膜肽——RRMKWKK來制備光驅動的靶向藥物傳遞系統(tǒng)［10］。

1.3 基于聚合物保護層脫離的靶向抑制與活化

這一類載體具有親水長鏈聚合物外層，以空間位阻隔斷配體與受體間的接觸，達到抑制靶向功能的目的;并能在外加刺激下剝離親水聚合物，恢復靶向功能。張先正課題組將聚乙二醇鏈通過苯甲基亞胺鍵修飾在膠束載體的表面，屏蔽了多肽序列RGD的靶向功能。苯甲基亞胺鍵能在pH＜6.8的條件下水解，使得載體在腫瘤細胞外露出RGD序列，完成腫瘤識別的細胞內吞［11］。此外，他們還利用可被基質金屬蛋白酶(MMP)降解的多肽序列將聚天冬氨酸鏈修飾在載藥多孔硅球的表面，以抑制硅球表面RGD序列的細胞靶向能力。由于腫瘤組織過度表達MMP，連接聚天冬氨酸保護層的多肽序列在酶的催化下水解脫離，實現(xiàn)了酶敏感的腫瘤靶向藥物傳遞［12］。

1.4 其他類型的智能腫瘤靶向傳遞體統(tǒng)

Chilkoti等人設計了一種溫度控制的智能腫瘤靶向傳遞體統(tǒng)。高精氨酸密度的細胞穿膜肽(CPPs)能有效介導細胞內吞，反之則不然。他們利用彈性蛋白基的聚合物多肽膠束在不同溫度下可逆的自組裝與解離，調控鏈端的短鏈(CPPs)中精氨酸的聚集密度，以此實現(xiàn)溫度響應的腫瘤靶向傳遞［13］。

2 藥物釋放行為控制

根據(jù)包載藥物的方式，我們從化學鍵合型藥物載體與物理包封型藥物載體兩大方面介紹“智能型”藥物釋放行為控制。

2.1 釋放化學鍵合型藥物

化學鍵合型藥物載體通常由通過可降解的基團相連的載藥基質與藥物共同組成。載藥基質可為高度生物相容的惰性材料，如聚乙二醇、聚羥丙基甲基丙烯酰胺、二氧化硅、金納米粒子等;也可為生物可降解的材料，如聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚氨基酸等。與之鍵合的藥物因此獲得了更佳的溶解性和生理穩(wěn)定性，并在載體的保護下避免了體內的快速清除。鏈接基團的選擇是決定藥物最終效能的關鍵因素。智能型的藥物釋放行為控制即為選擇合適的鏈接基團，使之在特定的條件下快速降解，釋放出藥物，并且不會對藥物的結構和功能產(chǎn)生任何影響。表1中例舉了部分化學鍵合型藥物載體的鏈接基團及響應的刺激信號。

表1 部分刺激敏感性基團

2.2 釋放物理包封型藥物

物理包封型的藥物沒有經(jīng)過化學反應處理，完全保持藥物原本的結構和效用。但是，正因為如此，傳統(tǒng)的物理包封型藥物載體僅能通過其自身結構與藥物的相互作用力影響藥物在水相中的擴散速度。藥物的釋放行為控制是被動的，也是低效的。在腫瘤的化療中，往往要求藥物在病灶部位集中并快速釋放。因此載體需要依據(jù)刺激信號發(fā)生結構變化，以此調控藥物的釋放行為。比如含縮醛、縮酮結構的交聯(lián)位點的載藥微凝膠可以在內涵體的酸環(huán)境下解離釋放藥物［20］;以二硫鍵連接親憎水嵌段的載藥膠束響應于細胞內還原環(huán)境快速降解，釋放藥物［21］。近年來，還新出現(xiàn)以下幾種物理包封型“智能”藥物釋放系統(tǒng)。

2.2.1 層層自組裝聚合物膠囊

近些年，研究者采用具有生物相容性和生物可降解的大分子為組裝單元，通過層層自組裝技術，制備出聚合物微膠囊。由于其結構的中空性，聚合物微膠囊作為藥物載體有著特殊的優(yōu)勢，既可對藥物起保護作用，也能通過囊壁對外界環(huán)境和物質的響應調控藥物的釋放［22-23］。在此基礎上，進而發(fā)展出名為“爆破膠囊”的藥物載體。交聯(lián)的凝膠內核被緊緊地包裹在聚合物多層膜內，經(jīng)刺激降解的凝膠內核由于受到外層膜的阻滯而無法釋放增長的滲透壓，當壓力突破臨界值，整個膠囊爆破，內容物在短時間內噴射而出［24］。張先正課題組將爆破膠囊的應用拓展到生理環(huán)境，實現(xiàn)了對于大分子材料與小分子藥物在腫瘤弱酸環(huán)境［25］或者細胞內還原環(huán)境［26］的定點爆破釋放。

2.2.2 “自切除”聚合物納米粒子

Shabat等發(fā)明了基于醌甲基化合物的“自切除”樹形分子。對“自切除”樹形分子施以單點刺激，整個分子就會以“多米諾”效應完全分解［27］。Almutairi等人用“自切除”聚合物制備了載藥納米粒子，并以DMNB結構作為受激位點，實現(xiàn)了單光子紫外刺激、雙光子近紅外刺激的快速藥物釋放［28］。

2.2.3 介孔硅球藥物儲存器

通過香豆素分子間的光控可逆反應，Tanaka等首次構建了基于介孔硅球的“智能”藥物釋放系統(tǒng)［29］。此后，科學家對介孔硅球藥物儲存器的構建進行了廣泛的研究。封堵介孔硅球孔道的材料除了可逆交聯(lián)的香豆素，還包括CdSe、Fe3O4、Au等無機納米粒子，胰島素、抗體等生物大分子以及聚乙二醇、聚烯丙基胺-聚苯乙烯磺酸鈉多層膜等合成高分子材料;解封手段包括pH、還原環(huán)境、酶、光等刺激來實現(xiàn)封堵材料降解與脫離［30］。

3 結語

近年來對于癌癥化療的基礎研究主要集中在應用納米尺寸的藥物載體替代傳統(tǒng)的給藥方式。為保證納米載藥粒子安全、穩(wěn)定地傳送藥物到腫瘤部位，并能以精確的方式實現(xiàn)藥物在目標部位的定點、定量的累積與釋放，就需要藥物載體可以根據(jù)病灶部位特別的刺激信號相應地調整藥物傳輸方式與釋放的劑量，并同腫瘤建立耦合-反饋的機制。雖然目前的相關研究主要為基礎研究，但是我們相信，隨著人們對腫瘤組織、細胞的結構與環(huán)境進一步深入認識，終將設計出能廣泛應用于人類重大疾病治療、診斷與預防的智能型納米藥物載體。

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