基于聚酰胺類樹形分子前藥的納米給藥系統在惡性腫瘤治療中的應用

王悅，黃元政，朱丹丹，廉寶平，劉瀟璇（中國藥科大學天然藥物活性組分與藥效國家重點實驗室，藥物科學研究院高端藥物制劑與材料研究中心，南京 210009）

惡性腫瘤是威脅人類生命健康的重大疾病，腫瘤的發生和發展機制復雜，其高侵襲、易轉移等特性給相應的治療及藥物研發帶來了巨大的挑戰。小分子藥物因其結構相對簡單、價格低廉且結構體系龐大，一直在抗腫瘤藥物開發和腫瘤的臨床治療中占據著重要的地位[1-2]。然而，小分子抗腫瘤藥物的研發往往伴隨著漫長的試驗周期和巨大的淘汰比例，而臨床上的小分子抗腫瘤治療藥物又通常存在諸如水溶性差、選擇性差、毒性大或多藥耐藥等缺陷[3-5]。面對新化學實體的研發困境，利用前藥策略對已上市藥物進行二次開發或對臨床試驗藥物的缺陷進行改進成為了抗腫瘤藥物研發的新熱點。

近年來，隨著納米技術在腫瘤藥物遞送領域的不斷發展，高分子前藥策略受到了越來越多的關注。與傳統的小分子前藥設計理念不同，高分子前藥策略利用特異性連接臂將具有一定尺寸的高分子載體與活性藥物共價偶聯，并通過調控其組裝行為和靶部位藥物釋放性能來構建納米級前藥。此策略可以有效結合前藥策略和納米給藥技術的優勢，增加藥物體內循環穩定性，通過高通透性和強滯留效應[6]（enhanced permeability and retention effect，EPR 效應）提高藥物在腫瘤組織的富集能力，進而突破小分子藥物在腫瘤治療過程中面臨的諸多瓶頸，提高治療效率。

目前，可用于前藥構建的高分子材料種類繁多、性質各異，其中，樹形分子因其獨特的結構和性能被廣泛關注。樹形分子是一類具有樹枝狀結構的大分子，一般由核心、分支單元和末端基團三個部分組成，并以分支單元的增長次數表示其代數（一般表示為Gn）[7]。與其他用于前藥構建的聚合物相比，樹形分子高度可控的制備途徑使其具有精確的分子結構和尺寸[8]；同時，樹形分子本身較小的納米尺寸使其具有良好的腫瘤組織滲透性[9]；此外，樹形分子還通過高度支化的方式在表面引入了豐富的可修飾基團，這些表面基團不僅為鍵合活性藥物或其他功能性修飾提供了基礎平臺[10]，還使得樹形分子具有多價效應，進一步將表面的功能性協同放大。在開發的各類樹形分子中，以聚酰胺-胺類[Poly（amidoamine），PAMAM]和肽類樹形分子（peptide dendrimers）為代表的聚酰胺類樹形分子是目前樹形分子前藥設計中應用最為廣泛的結構類型。其中，部分研發的聚酰胺類樹形分子及以其作為載體開發的前藥已進入臨床應用或正在進行轉化[8]。例如，第一個基于聚賴氨酸（PLL）樹形分子的藥物SPL7013（VivaGel）已經在澳大利亞和歐盟批準上市用于治療細菌性陰道病[11]；此外，Starpharma 公司開發的聚酰胺類樹形分子-抗腫瘤藥物多西他賽的前藥（DEP-Docetaxel）最近的臨床Ⅰ期試驗數據顯示，與活性藥物多西他賽相比，多西他賽樹形分子前藥不僅能夠增加藥物的安全性，延長血漿半衰期；同時還能降低血藥濃度峰值，增加整體的藥物暴露量[12]。這些成功的案例促使研究人員對聚酰胺類樹形分子前藥的設計合成進行了愈加深入的研究。

然而，腫瘤組織獨特的病理特征為樹形分子前藥的構建帶來了諸多挑戰。首先，由于腫瘤的異質性和復雜性，僅僅依靠EPR 效應不能有效地將藥物轉運到腫瘤組織內部；同時，腫瘤組織較高的間質壓使得藥物很難滲透到腫瘤組織的深部殺死腫瘤細胞[13-16]；此外，采用單一藥物治療腫瘤的策略常會導致耐藥性的產生和腫瘤復發，臨床上主要采用多藥聯合的治療手段[17]。因此，迫切需要構筑一種多模式協同治療的給藥系統，用以改善腫瘤的治療效果。基于此，借助聚酰胺類樹形分子豐富的表面基團和精確的納米結構，研究人員將其與諸多功能性有機材料或無機納米粒等結合，進而開發出結構更加新穎且功能更加優異的納米給藥系統，以適應腫瘤復雜的微環境，并為實現腫瘤多模式聯合治療和診療一體化提供可能性。

本綜述先簡要介紹聚酰胺類樹形分子前藥的組成和結構基礎，然后進一步系統闡述近年來以聚酰胺類樹形分子前藥為基礎通過共價鍵合、非共價組裝以及Janus 樹形分子自組裝方式構建的納米給藥系統的設計思路和應用策略（見圖1）。

圖1 聚酰胺類樹形分子前藥納米遞送系統構建策略Fig 1 Construction of nano-drug delivery systems based on polyamide dendrimer prodrugs

1 聚酰胺類樹形分子前藥的組成及結構基礎

聚酰胺類樹形分子前藥主要是由樹形分子、活性藥物以及可控制藥物釋放的連接臂組成（見圖2），在高分子前藥設計中，這三種成分的選擇尤為重要。

圖2 聚酰胺類樹形分子前藥組成示意圖Fig 2 Composition of polyamide dendrimer prodrugs

作為前藥結構中的藥物載體部分，聚酰胺類樹形分子的結構和性質都會對前藥的制備、生物學功能以及后續的各種修飾產生很大的影響，是前藥分子設計的重要環節。聚酰胺類樹形分子（如PAMAM 和peptide dendrimers）的結構中含有大量的酰胺結構，同時分子表面還擁有豐富的可供修飾的官能團-氨基，這種特殊的結構使得聚酰胺類樹形分子具有良好的生物相容性和類蛋白特性，在生物醫藥領域得到了廣泛的應用，特別是在作為藥物載體用于前藥的開發方面研究得尤為深入[18]。利用此類樹形分子作為前藥載體有利于改善母體藥物在體內的吸收、分布、代謝、清除和毒性（ADMET），同時其擁有的大量表面官能團為藥物的連接提供了數量豐富且靈活可變的結合位點。

活性藥物是聚酰胺類樹形分子前藥發揮抗腫瘤作用的核心部分，整個樹形分子前藥的設計都是圍繞藥物的作用部位、作用機制以及藥物自身存在的缺陷等方面開展。在前藥的設計上，藥物結構穩定性及是否具有可修飾官能團都是重要的考慮因素，其結構穩定性保證了在前藥形成和解離過程中藥物自身的生物活性不發生改變；其是否具有可修飾官能團則決定了該活性藥物是否能進行前藥的構建以改善其ADMET。在活性藥物的結構中，常見的可修飾官能團包括氨基、羥基、羧基、羰基等[19]，這些官能團的種類將影響藥物與樹形分子之間敏感性連接臂的選擇、設計以及控制藥物釋放的能力。圖3列出了在樹形分子前藥設計中常被應用的一些抗腫瘤藥物，其中大部分已被用于構建聚酰胺類樹形分子前藥（見圖3）。

圖3 常見用于構建聚酰胺類樹形分子前藥的活性藥物Fig 3 Common active drugs for the construction of polyamide dendrimer prodrugs

在樹形分子前藥中，藥物與樹形分子之間的連接臂的選擇能夠在很大程度上決定藥物在體內釋放的位置和速度，進而決定樹形分子前藥在體內的安全性以及最終的抗腫瘤效果[20]。理想的連接臂應具有一定的動態穩定性，即在血液循環中保持相對穩定，而在到達腫瘤部位后，通過特定的刺激響應機制解離并按需釋放藥物。目前認為，腫瘤部位特殊的病理特征主要表現為：弱酸性（腫瘤組織中pH 為6.5～6.8，細胞的內涵體、溶酶體內的pH 為4.5～6.5）、多種酶類的高表達（基質金屬蛋白酶、酯酶、α-淀粉酶、組織蛋白酶B等）、還原性物質[以谷胱甘肽（GSH）為主]和活性氧（ROS）水平較高、氧氣缺乏等[12，21-22]。針對這些獨特的腫瘤微環境特征，研究人員已經設計出了多種刺激響應性化學結構并將其應用于控制藥物的精準釋放。目前，在諸多響應性結構中應用較多的包括：弱酸性環境響應的腙鍵、亞胺鍵、順烏頭酰胺鍵等；酶響應的酯鍵、偶氮鍵、多種短肽類（GFLG 等）間隔物等；還原性物質GSH 響應的二硫鍵以及ROS 響應的縮硫醛（酮）鍵等（見表1）[23-37]。此外，還有一些乏氧響應的化學鍵、自毀型化學鍵，以及能夠在外部光、溫度等刺激下發生斷裂的化學結構也已被成功開發并應用于樹形分子前藥的構建[38-39]。

表1 常見的用于構建樹形分子前藥的響應型連接臂的類型、結構及響應條件Tab 1 Type，structure and response of common responsive linkers for the construction of dendrimer prodrugs

2 以共價鍵合方式構建基于聚酰胺樹形分子前藥的納米給藥系統

共價鍵合是構建納米給藥系統的較為常用的策略之一，此策略構建的納米給藥系統通常具有較高的穩定性[40]。通過共價鍵合的方式在聚酰胺類樹形分子前藥中引入具有不同功能和特性的納米材料、生物大分子，或直接將前藥分子通過交聯劑聚合，不僅能夠構建基于小尺寸樹形分子前藥尺寸變換的納米給藥系統，增強EPR 效應以及藥物在腫瘤組織的深層滲透，還能夠結合其他治療模式，進一步實現腫瘤的多功能協同治療或診療一體化。

納米給藥系統的尺寸與其在腫瘤部位的聚集和擴散密切相關，較大尺寸的納米給藥系統更容易通過EPR 效應在腫瘤部位富集[41]。為形成尺寸更大的納米結構，將聚酰胺類樹形分子前藥直接共價交聯是最為有效的設計策略之一?；诖耍琖ang 等[29]首先利用丙烯酸酯結構將喜樹堿（CPT）鍵合到G3 PAMAM 表面獲得了樹形分子前藥，隨后選用聚乙二醇二丙烯酸酯（PEG-DA）作為交聯劑與前藥分子相互偶聯形成了具有緩控釋藥能力的納米遞送系統（見圖4A）。在生理條件下，丙烯酸酯結構能夠在樹形分子表面氨基的作用下緩慢降解并釋放藥物，而由酯鍵構成的交聯劑使得整個凝膠體系在體內發生緩慢的降解，從而避免高分子藥物載體在體內的過度累積。

然而，研究表明：尺寸較大的納米粒子（100～200 nm）能夠在腫瘤部位快速聚集，卻難以接近遠端的腫瘤細胞；相反，較小的納米粒子（＜50 nm）雖然具有更好的深層滲透能力，但通常在腫瘤部位的蓄積不足[9，41-42]。為解決這一問題，研究人員利用不同機制設計了各種尺寸可變換的納米給藥系統。一方面，在前藥共價交聯構建給藥系統的策略中使用具有腫瘤病理特征響應能力的交聯劑，使得交聯構建的大尺寸給藥系統能在腫瘤微環境中釋放小尺寸樹形分子前藥進入腫瘤組織深層發揮藥效。例如，Hou 等[36]選擇Asp-Ala-Thr-Gly-Pro-Ala 肽段作為交聯劑，以共價鍵合的方式構建了一種基于樹形分子前藥的納米凝膠系統，并借助靜電相互作用力在其表面包覆透明質酸（HA），最終獲得了一種具有特異性尺寸變換特性的納米遞送系統（見圖4B）。該體系中HA 的包覆不僅能夠提高藥物生物相容性并延長血漿半衰期，還通過主動靶向作用使納米顆粒更多地累積在腫瘤部位；多肽交聯劑能夠被腫瘤成纖維細胞上高表達的纖維細胞活化蛋白α（FAP-α）特異性切割，從而實現小尺寸樹形分子前藥的特異性釋放，產生尺寸轉變的效果；而由二硫鍵構建的前藥分子則能夠在腫瘤細胞內GSH 的刺激下有效釋放出藥物分子——阿霉素（DOX），從而產生顯著的抗腫瘤效果。另一方面，也可以通過在樹形分子前藥體系中引入具有不同性質的納米材料或生物大分子達到相似的目的。例如，Hu 等[28]將樹形分子前藥與明膠共價連接制備了一種同樣具有尺寸變換機制的納米給藥系統。該研究首先在聚L-賴氨酸樹形分子表面通過酸敏感的順烏頭酰胺鍵連接DOX，并修飾上聚乙二醇（PEG）和RGD（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸）靶向肽，獲得了具有腫瘤靶向功能的樹形分子前藥（粒徑約為30 nm）；然后將此前藥共價連接到明膠（gelatin）表面形成了較大粒徑的納米給藥系統（約為190 nm）（見圖4C）。結果表明，前藥鍵合明膠形成的給藥系統在腫瘤部位的富集明顯增加，到達腫瘤組織后，明膠能夠被腫瘤組織中高表達的基質金屬蛋白酶-2（MMP-2）降解，使其能夠解散并釋放出樹形分子前藥，進而增加藥物在腫瘤中的滲透能力。以上基于小尺寸樹形分子前藥共價鍵合構建尺寸可變的納米給藥系統的策略，充分利用了不同納米尺寸的優勢，增強了藥物在腫瘤部位的富集及其對遠端腫瘤細胞的滲透，提高了藥物的療效。

圖4 通過共價鍵合構建的特異性尺寸轉換的樹形分子前藥納米給藥系統Fig 4 Polyamide dendrimer prodrug-based on nanosystems with specific size converting function by covalent construction

此外，樹形分子前藥與不同功能的納米材料鍵合構建的給藥系統還能夠應用于協同治療和診療一體化的研究。例如，Li 等[25]將DOX 通過腙鍵裝載到G4 PAMAM 樹形分子上，然后將此前藥與金納米棒共價鍵合，構建了一種聯合化療和光熱治療的納米粒子——PEG-DOX-PAMAM-AuNPs（見圖5A）。當載藥納米粒子進入腫瘤細胞時，在內涵體酸性環境（pH 5.0）刺激下，藥物快速釋放殺傷腫瘤細胞；同時，給藥體系中的金納米棒還能夠將吸收的近紅外光轉變成熱量，進一步增強對腫瘤細胞的殺傷能力。與單一治療手段相比，此化-光療協同的納米遞送系統在體內外實驗中均表現出了更好的治療效果。而在另一項研究中，Chang 等[31]將紫杉醇（PTX）通過酯鍵鍵合到含有葉酸（FA）靶向基團的PAMAM 樹形分子上，再將樹形分子前藥與超順磁性氧化鐵納米粒子（IONP）通過配體交換反應共價連接，制備了一種可同時用于腫瘤治療與診斷的納米給藥系統（見圖5B）。此診療系統具有良好的生物相容性和血液穩定性，可通過EPR 效應特異性累積在腫瘤部位，并經由葉酸受體介導的內吞作用被腫瘤細胞快速攝取，從而起到殺傷腫瘤細胞以及腫瘤成像的作用。

圖5 聚酰胺樹形分子前藥與無機納米粒子共價鍵合構建的多模式納米給藥系統Fig 5 Multi-mode cooperative nanosystems constructed by polyamide dendrimer prodrugs and inorganic nanoparticles

采用共價鍵合方式構建的納米給藥系統具有相對較高的穩定性，能夠應對復雜的體內環境并實現治療目的。但是，由共價鍵結合的材料往往會受其本身性質的約束，合成條件復雜且純化難度較大；同時，這些納米給藥系統的結構相對固定，可能會對材料自身的功能性產生一定的限制，從而影響治療效果。

3 以非共價鍵結合方式構建基于聚酰胺樹形分子前藥的納米給藥系統

除了共價鍵合的方式以外，樹形分子前藥還可以通過非共價弱相互作用力與其他材料組裝形成超分子納米結構的給藥系統。所利用的非共價作用力主要包括π-π堆積作用、電荷相互作用力、親疏水作用和主客體相互作用等。與共價鍵合方式相比，由非共價作用力構建的納米組裝體具有動態可逆的特性，更易于進行特異性的尺寸、電性或形貌的變換，以適應不同體內環境的要求，實現多級響應性的藥物輸送。

樹形分子前藥所攜載的藥物往往為疏水藥物，因而可以利用藥物間π-π堆積作用以及疏水性質簡單便捷地構建較大尺寸的給藥系統，以促進藥物在腫瘤部位的富集。例如，Zhang 等[33]將制備PEG 化的PLL 樹形分子-DOX 前藥組裝形成粒徑為60～90 nm 的超分子組裝體，其能通過EPR 效應累積在腫瘤部位，在卵巢癌SKOV-3細胞的體內模型中顯示出了比DOX 更高的抗腫瘤活性。

聚酰胺類樹形分子自身具有良好的親水性質，在遞送系統構建中，這種親水特性不僅使樹形分子前藥能夠與疏水片段偶聯形成兩親性分子，進而借助親疏水作用組裝構建尺寸可變的多級響應性納米遞送系統；還能夠使前藥進入脂質體的親水空腔，通過包載的方式實現藥物的按需遞送。例如，Li 等[43]將順鉑通過還原敏感的連接臂鍵合到G4 PAMAM 樹形分子上（粒徑約為5 nm），再將疏水性的聚己內酯（PCL）通過腫瘤微酸環境敏感的連接鍵（2-丙酸基-3-甲基丁烯二酸酐（CDM）修飾到樹形分子表面，從而獲得了一種具有兩親性的樹形分子前藥；隨后，通過親疏水作用力，將前藥分子與PCL、PEG 和聚己內酯的共聚物（PEG-b-PCL）共同組裝為超分子給藥系統（粒徑約為100 nm）（見圖6A）。進入血液循環后，這種超分子首先會在腫瘤部位蓄積；在進入腫瘤組織后，CDM 鍵響應腫瘤微酸環境發生斷裂，組裝體單元失去親疏水性質，超分子解散，繼而使順鉑-樹形分子前藥游離出來，以實現更好的深層滲透效果；順鉑-樹形分子前藥進入腫瘤細胞后，在胞內GSH 的作用下，釋放藥物，從而完成整個多級響應的過程，并在各種腫瘤模型中均表現出良好的治療效果。此外，Satsangi 等[35]將紫杉醇-PAMAM 樹形分子前藥包載在帶有FA 的脂質體中，制備了一種靶向給藥體系（見圖6B）。其中，紫杉醇和PAMAM 樹形分子之間通過GFLG 短肽共價連接，在腫瘤細胞內高表達的組織蛋白酶B 的作用下會發生斷裂，從而釋放出藥物；而包載前藥分子的脂質體外殼能降低網狀內皮系統（RES）對納米粒子的清除作用，還能夠特異性地靶向葉酸受體高表達的腫瘤細胞，增加藥物在作用位點的蓄積，從而提高療效。而Xiong 等[44]則利用相似的策略將順鉑-PAMAM 樹形分子前藥包載在帶有RGD 環肽（cRGD）靶向肽的熱敏性脂質體中，并在脂質層中負載光熱劑吲哚菁綠（ICG），構建了一種能夠在近紅外光（NIR）照射下發生崩解的納米給藥系統（見圖6C）。這種包載樹形分子前藥的脂質體能夠通過EPR 效應和cRGD 的靶向作用富集在腫瘤部位，當其受到近紅外光照射時，脂質層中的ICG 能夠將獲得的能量轉化成熱量從而提高局部溫度，進而使熱敏脂質體裂解，并釋放出粒徑約8 nm 的樹形分子前藥，實現藥物在腫瘤組織的按需遞送和深層滲透。

圖6 通過親疏水相互作用構建基于樹形分子前藥的納米給藥系統示意圖Fig 6 Construction of polyamide dendrimer prodrug-based on nanosystems via hydrophilic and hydrophobic interaction

利用聚酰胺類樹形分子的結構特點，通過靜電相互作用構建納米給藥系統也是一項行之有效的設計策略。在生理條件下，PAMAM 和PLL 等聚酰胺類樹形分子會因為大量的表面氨基而表現出正電性，這些密集的正電荷不僅能被帶有陰離子的聚合物包覆，以起到電荷屏蔽、協同增效的效果；還能夠借助電荷翻轉，控制前藥分子之間的聚集和離散。利用這種策略，Guo 等[45]在G4 PAMAM 樹形分子表面同時鍵合了順鉑和DOX兩種抗腫瘤藥物，隨后通過靜電相互作用在前藥分子上包覆了一層帶有負電荷的HA，以此構建了可以用于聯合治療的納米給藥系統（見圖7A）。這種超分子納米材料構成簡單可控，形成條件溫和，不僅增加了前藥分子的粒徑，整合了HA 的功能，還能夠屏蔽PAMAM 自身的表面正電荷，從而降低毒性和延長血漿半衰期。Xia 等[23]則利用靜電相互作用設計了一種基于聯合用藥和免疫治療的多功能納米遞送系統。該研究首先通過腙鍵將DOX 鍵合到G4 PAMAM 樹形分子表面得到了樹形分子前藥，再利用靜電相互作用將帶有負電荷的免疫佐劑胞嘧啶-磷酸鳥嘌呤寡核苷酸（CpG ODNs）附著在前藥分子表面，隨后選用帶有負電荷的低分子肝素（LMWH）作為外殼包覆在整個前藥分子和免疫佐劑上，完成樹形分子前藥給藥系統（LMWH/PPD/CpG）的構建（見圖7B）。其中，LMWH 是一種天然、可生物降解的多糖，其能夠通過屏蔽PAMAM 樹形分子表面的正電荷降低RES 對給藥體系的清除以及前藥分子的潛在毒性；抗腫瘤藥物DOX 除了能夠直接對腫瘤造成細胞殺傷作用，還能夠誘導細胞的免疫原性死亡，從而使機體產生免疫反應，而免疫佐劑CpG ODNs 則能夠協同并促進這一過程，使得這種多功能納米給藥體系統對黑色素瘤原發腫瘤和肺轉移均具有較高的治療效果。

通過敏感鍵的微環境響應，將電荷吸附作用轉變為電荷排斥作用，從而快速地解散超分子體系，是非共價作用力構建給藥系統中獨特的設計策略。其中較為常見的方法是通過2，3-二甲基馬來酸酐對一些含末端氨基的材料進行表面修飾，使其具有響應型電荷翻轉功能，再將其與前藥分子進行超分子組裝，形成納米給藥系統。例如，Li 等[46-47]嘗試使用2，3-二甲基馬來酸酐分別修飾聚乙二醇-聚（2-氨基乙基-天冬酰胺）共聚物和聚乙二醇-聚（2-氨基乙基-天冬酰胺）-聚己內酯的三嵌段共聚物，成功得到了兩種陰離子的嵌段共聚物，并將這兩種嵌段共聚物分別與順鉑-PAMAM 樹形分子前藥通過靜電相互作用組裝成尺寸可變的納米給藥系統（見圖7C）。這兩種嵌段共聚物均能在腫瘤微環境中發生電荷翻轉，暴露帶正電性的氨基表面，產生靜電斥力，進而釋放出更有利于深層滲透和細胞攝取的Pt-PAMAM 前藥，進入腫瘤細胞發揮藥效。

圖7 通過靜電相互作用構建基于樹形分子前藥的納米給藥系統的示意圖Fig 7 Construction of polyamide dendrimer prodrug-based on nanosystems via electrostatic interaction

通過非共價相互作用構建的納米給藥系統，能夠借助分子結構特性進行自發的識別組裝，所以形成條件溫和，純化便捷，同時也為結構功能的多樣化提供了基礎。但是，這種弱相互作用也相應地降低了超分子組裝體在體內循環中的穩定性。

4 基于Janus 樹形分子前藥構建的納米給藥系統

在多數的樹形分子前藥設計中，較高代數的樹形分子一般作為首選載體，這主要因為低代數的樹形分子表面基團數量較少，載藥量偏低。但高代數樹形分子則往往存在合成難度大、生產成本高等缺陷，這也給樹形分子前藥的構建帶來了諸多困難[48]。為了應對這一挑戰，研究人員開發出了一類具有精確結構的低代數Janus 樹形分子用于前藥的構建。這類Janus 樹形分子前藥一般具有親-疏水的不對稱結構，可以通過親疏水作用力自組裝成尺寸更大、表面基團更密集的納米顆粒，進而能通過EPR 效應富集在腫瘤部位。此外，得益于Janus 的結構，這類樹形分子前藥通常能具有至少兩種不同的功能化表面，由此也能賦予這類樹形分子以不同的性質。這些特殊的結構特點及其極佳的組裝性能使得Janus 樹形分子及其前藥在生物領域極具應用潛力。

在Janus 樹形分子前藥的設計策略中，將疏水藥物與親水樹狀單元分別置于分子兩端是一類常見的結構形式。與一般的樹形分子類似，對于Janus 樹形分子末端基團進行合理的結構修飾同樣能夠改善自組裝后納米給藥系統的整體性質，使其能在體內更好地克服各類生理屏障，并將藥物高效地遞送至靶部位。例如，為了提高給藥系統的靶向性，Miller 等[30]以PEG-樹狀聚β-谷氨酸偶聯物作為親水端，將PTX 通過酯鍵鍵合到PEG 鏈另一端作為疏水端，同時，將具有一定骨腫瘤靶向性的阿侖膦酸鹽修飾到親水性聚β-谷氨酸的表面，由此制備了一種具有靶向性的Janus樹形分子前藥，其在生理條件下可以自組裝形成Janus 樹形分子前藥納米膠束（見圖8A）。此前藥膠束表面的阿侖膦酸鹽能特異性結合骨骼中的堿式磷酸鈣，使其能靶向骨腫瘤并蓄積在腫瘤部位，在產生與游離的PTX 相當的抗腫瘤和抗血管生成活性的同時，又表現出比PTX 更好的安全性和更長的血漿半衰期。此外，為實現給藥系統選擇性的細胞穿透作用，Zhang 等[24，49]對一種由DOX 和樹狀聚賴氨酸構成的Janus 樹形分子前藥進行了表面修飾，首先在樹狀賴氨酸表面修飾上能增強細胞穿透作用的精氨酸，同時，為了能夠特異性作用于腫瘤細胞，進而利用2，3-二甲基馬來酸酐對表面的精氨酸進行了進一步修飾，由此構建的具有多羧基表面的Janus 樹形分子前藥。形成的酰胺鍵能夠在血液循環中穩定存在，并于腫瘤微環境中快速解離（見圖8B）。修飾后的Janus 樹形分子前藥在生理條件下能夠進行自組裝，形成帶負電荷的納米給藥系統；該納米給藥系統在血液循環中具有較高的穩定性和較低的毒性，能通過EPR 效應累積在腫瘤部位，并能在腫瘤微酸環境的刺激下脫去表面的負電性修飾基團，暴露出原有的精氨酸表面基團，快速進入腫瘤細胞。此策略構建的納米給藥系統能夠特異性地增強腫瘤細胞攝取，從而提高藥物的療效。

圖8 聚酰胺類Janus 樹形分子前藥構建的納米給藥系統示意圖Fig 8 Janus poly-amide dendrimer prodrugs-based on nanosystems

藥物作為疏水端樹狀單元作為親水端形成的Janus 前藥分子一般穩定性較高，且藥物本身不易泄漏，但通常載藥量偏低。為進一步提高載藥量，研究人員嘗試將藥物共價鍵合到本身具有兩親性質的樹形分子表面，設計并制備了另外一種形式的Janus 樹形分子前藥。在此類Janus 樹形分子的設計中，親水端的選擇尤為重要。因PEG 鏈自身良好的親水性和生物相容性，常常被用于親水端的構建。例如，Li 等[34]構建了以乙二胺為核心的不對稱聚賴氨酸枝狀物，其一端是G2 的PLL 樹形分子，而另一端是G3 代的PLL 樹形分子；隨后在G2 PLL 樹形分子表面鍵合PEG 作為親水端，在G3 PLL 樹形分子表面通過酶敏感肽GFLG 鍵合了多個DOX 作為疏水段，以此構建了一種組織蛋白酶B 響應的Janus 樹形分子前藥（見圖9A）。這種前藥分子能夠在生理條件下自組裝形成納米組裝體。與游離的DOX 相比，Janus 樹形分子前藥納米給藥系統不僅具有更長的半衰期，而且能夠通過EPR 效應富集在腫瘤部位，并在乳腺癌模型中顯示出了更高的腫瘤抑制和誘導凋亡作用。此外，為進一步提高疏水端的疏水性質，充分利用樹形分子表面的可修飾基團，合成了一種由谷氨酸和賴氨酸構成的Janus 樹形分子，并在谷氨酸末端共價鍵合了PEG 作為親水端，在賴氨酸末端鍵合了疏水性的苯基甲酯結構作為疏水端，隨后又通過腙鍵進一步在疏水端上鍵合抗腫瘤藥物DOX，由此得到了一種Janus 樹形分子前藥（見圖9B）[31]。這種Janus 分子能夠通過自組裝形成具有PEG 外殼的超分子納米粒，且由于外層PEG 的存在而具有較長的血漿半衰期，能夠通過EPR 效應富集在腫瘤部位，并在酸性環境下快速釋放出DOX，進而有效地殺死腫瘤細胞。

除了使用親水性聚合物PEG 作為親水端外，可生物降解的水溶性天然多糖也能作為Janus 樹形分子前藥的親水端。She 等[26]選用天然多糖肝素作為親水端，設計了一種由肝素和聚賴氨酸樹狀單元構成的Janus 樹形分子，并利用上述相似的策略將DOX 通過酸敏感的腙鍵鍵合在樹狀單元的末端構建前藥分子（見圖9C）。其中，肝素是一種天然多糖，可以通過與腫瘤相關因子（如選擇素、肝素酶和生長因子）相互作用來抑制腫瘤的生長和轉移。當這種Janus 樹形分子前藥自發組裝形成納米顆粒時，DOX 作為疏水端被包裹在內部，而肝素則會處于外層。前藥分子能夠在pH 5.0 的環境中快速釋藥，并在乳腺腫瘤模型中表現出了比游離的DOX 更強的抗腫瘤活性。

圖9 表面藥物修飾的自組裝聚酰胺類Janus 樹形分子納米給藥系統Fig 9 Self-assembly of surface drug-modified Janus polyamide dendrimer based nanosystems

此外，還可以選用疏水性的烷基鏈和親水性的PAMAM 樹形分子構建兩親性的樹形分子，并將活性藥物鍵合在樹形分子表面以構建Janus 樹形分子前藥。基于這種設計，Zhou 等[50]利用酯鍵將核苷藥物類似物連接到含有十八烷基疏水鏈的G2 PAMAM 兩親性樹形分子表面，以此構建了兩親性Janus 樹形分子前藥。這種前藥分子能夠在較低的臨界膠束濃度（CMC）下進行自組裝，并通過酯酶降解釋放藥物。

由于Janus 樹形分子前藥自身具有的親疏水特性，使其能夠結合低代和高代樹形分子前藥的多種優勢，結構精確，功能多變，是納米給藥系統的理想載體。但是，基于親疏水作用力的納米顆粒仍然存在穩定性不足，易在體內循環中解離的缺陷。

5 總結

樹形分子前藥因結合了樹形分子和前藥的獨特優勢而受到了研究人員的廣泛關注。然而，腫瘤的異質性和復雜性給樹形分子前藥的構建帶來了諸多挑戰。本綜述主要聚焦于以聚酰胺類樹形分子前藥為基礎的納米給藥系統構建模式，分析總結了共價鍵合、非共價組裝以及Janus 樹形分子自組裝三種設計策略。其中，共價鍵合的構建方式結構穩定，能夠適應體內不同微環境的變化，獲得良好的治療效果；非共價相互作用的構建方式靈活多變，且形成條件溫和，結構動態可逆，能夠更好地實現多樣化的體內功能；而基于Janus 樹形分子的超分子組裝體則綜合了低代和高代數樹形分子前藥的優勢，在保證結構精確的同時，還降低了合成難度，豐富了體系的多樣性。這些納米給藥系統能夠有效地調控組裝行為、特異性地進行藥物釋放并結合不同的功能性材料，在控制藥物釋放、降低毒性、增強靶向作用等方面取得了極大的進展。但目前仍然存在一些急需解決的問題：如樹形分子材料的工業合成難度；一些分子量較高的樹形分子前藥仍缺乏有效的表征手段；樹形分子材料體內安全性的研究不足等。但隨著研究的深入，這些問題在不久的將來都會被有效地解決，樹形分子前藥仍具有很大的臨床應用潛力。