納米藥物設(shè)計的主要潛在機制是增強滲透保留(the enhanced permeability and retention effect,EPR)效應(yīng),這被認(rèn)為是藥物遞送領(lǐng)域的“皇家大門”。
然而,近期的多項研究表明:由于實驗室中用于研究EPR效應(yīng)的模型與人類癌癥有很大的不同,納米藥物在臨床上幾乎不能提高療效。
因此,研究人員努力在提高EPR效應(yīng)或減輕抗EPR效應(yīng)特征方面進行了嘗試,發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)腫瘤異常微環(huán)境和刺激響應(yīng)型納米藥物等多功能納米藥物等改善遞送的策略,在增強抗癌藥物遞送系統(tǒng)方面顯示出了有希望的結(jié)果。
傳統(tǒng)藥物遞送系統(tǒng)(conventional drug delivery systems,CDDSs)中藥物的非特異性分布和不可控釋放,促使了“智能型”藥物遞送系統(tǒng)(smart drug delivery systems,SDDSs)的應(yīng)運而生。
“智能型”藥物載體能夠提高藥物體內(nèi)生物利用度、降低毒副作用,受到了廣泛關(guān)注。
“智能型”藥物載體的設(shè)計主要圍繞著實現(xiàn)2個目標(biāo):提高藥物對不同組織的靶向性,以及控制藥物的釋放曲線和釋放速率。
這些“智能型”藥物載體在常規(guī)藥物載體如脂質(zhì)體、膠束、介孔二氧化硅納米粒子、樹狀大分子、金納米粒子、超順磁性氧化鐵納米粒子、碳納米管和量子點等基礎(chǔ)上,通過附加新的調(diào)釋機制,能夠表現(xiàn)出對外界或內(nèi)部刺激信號的響應(yīng),自身結(jié)構(gòu)/性能發(fā)生宏觀變化(包括物理狀態(tài)、形狀、溶解度、溶劑相互作用、親水親油平衡和導(dǎo)電性等方面的變化),從而以更可控的方式將有效荷載藥物釋放到特定的部位,以提高治療效率,減少不良反應(yīng),即實現(xiàn)被環(huán)境刺激激活,自我調(diào)節(jié)、綜合感知與監(jiān)測。
根據(jù)藥物載體響應(yīng)以發(fā)揮預(yù)期效果所需的刺激類型不同,本文綜述了“智能型”藥物載體調(diào)釋新機制的研究進展以及在藥物靶向和緩控釋方面的應(yīng)用。
1、內(nèi)源刺激響應(yīng)型
內(nèi)源刺激響應(yīng)型藥物載體,是指在正常組織和血液中保持載體和藥物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,減輕對正常組織的傷害,可特異性響應(yīng)病理組織體溫高、pH值低、高還原電勢、酶濃度不同等生物學(xué)差異,靶向病理組織并可控釋放藥物,提高療效。
1.1 溫度響應(yīng)型
內(nèi)源性溫度響應(yīng)型載體是指在生理溫度(37℃)附近保持有效載荷,在炎癥、惡性腫瘤等病理環(huán)境下,病理組織的溫度比正常組織高,溫度響應(yīng)型載體能夠識別溫度的變化并被激活。
溫度響應(yīng)型藥物載體通常由熱敏聚合物(TSPs)構(gòu)成,常用的TSPs有聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)、聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)、聚(N-乙烯基烷基酰胺)、聚(N-乙烯基己內(nèi)酰胺)、普朗尼克、磷腈衍生物、多糖衍生物等。
這類材料,能夠在接近體溫時表現(xiàn)出溫度依賴性和可逆的凝膠膨脹收縮或膠束解體等結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,這種轉(zhuǎn)變控制了藥物的釋放速率,同時保持了物理化學(xué)穩(wěn)定性和生物活性。
PNIPAAm大分子側(cè)鏈上同時有親水性酰胺基和疏水性的異丙基,臨界溶液溫度(LCST)較低(約為32℃),接近體溫。
Meisam等制備了一種由有序介孔碳(CMK3)和熱敏聚合物PNIPAAm構(gòu)成的溫度響應(yīng)型智能藥物載體,與對照組(不含PNIPPAm)相比,隨著溫度從4℃升高到37℃,藥物釋放速率迅速增加超過3倍。
Kim等以脂肪組織中的人α-彈性蛋白為原料,制備了熱響應(yīng)的自組裝PEG化的人α-彈性蛋白(the PEGylated human alpha-elastin nanoparticles,PhENPs)。
PhENPs顯示出一種熱敏相變,在臨界溫度(32℃)以上迅速形成平均直徑330nm的納米粒子,利用這一特性,只需在水溶液中低溫混合,然后加熱至生理溫度,即可包埋大量的胰島素[包封率(EE):74.9%]和牛血清白蛋白(EE:60.8%),為可注射蛋白質(zhì)遞送系統(tǒng)中的多種應(yīng)用提供了機會。
此外,溫度響應(yīng)型藥物載體還廣泛應(yīng)用于低細(xì)胞毒性抗菌材料的研究。
1.2 pH響應(yīng)型
傳統(tǒng)pH響應(yīng)型載體主要是基于胃(pH≈2)和腸道(pH≈7)pH的差異,目前靶向?qū)嶓w瘤的pH響應(yīng)型藥物載體得到廣泛研究。
由于“Warburg”效應(yīng),腫瘤組織和正常組織pH值有很大差異,腫瘤細(xì)胞胞外pH值(約為6.0)低于正常細(xì)胞胞外pH值(約為7.4),同時,腫瘤細(xì)胞內(nèi)pH值略高于正常細(xì)胞,而且腫瘤細(xì)胞內(nèi)各細(xì)胞器之間的pH值也有很大懸殊。
因此,pH響應(yīng)型載體被廣泛用于靶向腫瘤藥物遞送的研究。
pH響應(yīng)型聚合物常被用來制備藥物載體,大致可分為含羧酸基團、磺酸基團的陰離子聚合物和含胺基、吡啶、咪唑基團的陽離子聚合物。
這些pH響應(yīng)聚合物可以自組裝形成各種納米結(jié)構(gòu),包括核殼膠束結(jié)構(gòu)、膠束/反膠束、空心微球、囊泡等復(fù)雜結(jié)構(gòu),通過表面活性、鏈構(gòu)象、溶解度和構(gòu)型等結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化來響應(yīng)pH的變化,進而在靶部位控釋藥物。
此外,還可以在聚合物鏈或聚合物與藥物的連接中引入腙鍵、酰胺鍵、縮醛和縮酮鍵等pH敏感鍵,通過pH響應(yīng)的鍵斷裂,促使藥物釋放。
研究已證實,pH值是一種有效的生理特性,可用于機體病理條件的智能藥物遞送。
Wang等制備了3種不同交聯(lián)度的殼聚糖交聯(lián)聚丙烯酸pH響應(yīng)水凝膠,發(fā)現(xiàn)交聯(lián)程度和溶液pH值決定了這些水凝膠的溶脹行為和溶脹時間的依賴性,負(fù)載水凝膠釋放阿莫西林和美洛昔康的速率隨著pH值的增加而增加。
此外,一些無機納米材料(鈣納米粒子、金屬氧化物、石墨烯氧化物)和pH敏感肽也被用于研發(fā)制備適宜的智能藥物載體。
Carole等利用pH響應(yīng)型單分散二氧化硅微球(mesoporous silicananoparticles,MSNs)作為藥物遞送載體,成功將抗癌免疫抑制劑R848靶向遞送到抗原提呈細(xì)胞(antigen presentation cells,APCs)中,有效激活免疫細(xì)胞。
這種納米載體配有生物素-親和素帽,在環(huán)境pH值為5.5及以下時,能夠有效刺激釋放R848。此外,該MSNs系統(tǒng)能夠同時遞送模型抗原OVA和佐劑R848,進而可以增強抗原特異性T細(xì)胞響應(yīng),是一種很有應(yīng)用前景的癌癥疫苗的載體,見圖1。
圖1 pH響應(yīng)的介孔二氧化硅納米顆粒用于遞送瑞喹莫德以增強局部免疫應(yīng)答示意圖
1.3 氧化還原響應(yīng)型
氧化還原響應(yīng)型載體主要響應(yīng)的是細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(glutathione,GSH)依賴系統(tǒng)。
GSH是細(xì)胞內(nèi)的主要還原物質(zhì),據(jù)報道,GSH在細(xì)胞內(nèi)環(huán)境約2~10mmol·L-1,在細(xì)胞外基質(zhì)中約為2~10μmol·L-1,細(xì)胞內(nèi)外GSH濃度相差1000倍以上,這提供了一種細(xì)胞內(nèi)靶向藥物遞送機制。
此外,腫瘤組織內(nèi)GSH濃度比正常組織高4倍,氧化還原電位的差異是腫瘤靶向治療的潛在靶點。
基于還原響應(yīng)的“智能型”藥物載體通常含有二硫鍵和二硒鍵,高濃度的GSH可以破壞二硫鍵,使藥物迅速釋放。這些二硫鍵主要用作連接劑和交聯(lián)劑,連接聚合物主鏈與藥物。
基于氧化反應(yīng)的載體機制是響應(yīng)病理組織活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平,ROS(一般為H2O2和-OH自由基)的水平與腫瘤、動脈硬化、心臟和神經(jīng)損傷及炎癥等病理狀態(tài)都有關(guān)。像腫瘤等其他病理條件,ROS水平比正常組織高出1~100倍。
目前,已有多種材料用于研究氧化還原響應(yīng)型載體。Yu等報道了對納米結(jié)構(gòu)、形態(tài)和組成可調(diào)的介孔有機硅納米粒(mesoporous organosilica nanoparticles,MONs)的研究(見圖2)。
圖2 氧化還原響應(yīng)型介孔有機硅納米顆粒(MONs)
利用MONs中二硫鍵的引入,實現(xiàn)了納米粒子的氧化還原響應(yīng),制備的MONs在還原性環(huán)境(10mmol·L-1 GSH)中24h后被降解,7d后其大小被減小到5nm以促進腎清除。
在GSH存在下,還原性微環(huán)境觸發(fā)MONs的生物降解,誘導(dǎo)MONs同時釋放還原性抗癌藥物,48h內(nèi)藥物釋放達(dá)到75%,實現(xiàn)腫瘤特異性藥物遞送。
1.4 酶響應(yīng)型酶響應(yīng)型
智能藥物載體,是一類特殊的生物響應(yīng)性智能高分子材料。酶的表達(dá)和活性的失調(diào),是許多疾病病理學(xué)的基礎(chǔ)。利用這些酶在炎癥或腫瘤部位的生物催化作用,可以實現(xiàn)酶介導(dǎo)的藥物釋放。
攜帶有效載荷的納米載體,通過包封或共價鍵,將藥物通過位點特異性酶解在靶位點釋放。
大多數(shù)酶可在溫和的條件下(低溫、中性pH值和緩沖水溶液)催化化學(xué)反應(yīng),所以利用酶作為觸發(fā)器很有優(yōu)勢,此外,酶也可以對底物表現(xiàn)出特殊的選擇性,允許特定、復(fù)雜、生物誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)。
據(jù)報道,磷脂酶、蛋白酶、氧化還原酶、糖苷酶和脂肪酶是智能藥物載體中利用的典型酶,通過共價連接或物理封裝,包括交聯(lián)基質(zhì)、自組裝系統(tǒng)或籠狀多孔結(jié)構(gòu),可將藥物加載到納米材料中。
藥物載體可以被酶激活,以暴露靶向配體,以便隨后內(nèi)化到特定細(xì)胞中。此外,酶可以促進特定產(chǎn)物的產(chǎn)生,例如酸性環(huán)境,促進藥物從載體中釋放。
基于葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)催化機制的載體是一種重要的胰島素智能閉路載藥體系,能夠?qū)⑵咸烟菨舛葯z測與胰島素釋放有機結(jié)合在一起。
GOx是一種葡萄糖專屬催化酶,它通過消耗氧氣將葡萄糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖酸和H2O2,同時也使得催化區(qū)域內(nèi)的pH值下降,在葡萄糖水平的診斷和給藥中有所應(yīng)用。
顧臻團隊制備了基于GOX催化機制的pH響應(yīng)型、H2O2響應(yīng)型、乏氧環(huán)境響應(yīng)型胰島素載體。近期,該團隊根據(jù)GOx和辣根過氧化物酶(horseradish peroxidase,HRP)在異常高的葡萄糖水平下的級聯(lián)酶促反應(yīng)引起的3,3',5,5'-四甲基聯(lián)苯胺(TMB)的顯色,研制了一種成本低、便攜、用于檢測小鼠高血糖的經(jīng)皮比色微針貼片。
1.5 其他內(nèi)源性響應(yīng)型
除了上述類型外,內(nèi)源性刺激型藥物遞送系統(tǒng)還有響應(yīng)疾病狀態(tài)下特定生物分子、腫瘤細(xì)胞內(nèi)高ATP濃度等。
2、外源刺激響應(yīng)型
2.1 溫度響應(yīng)型
與內(nèi)源性響應(yīng)型藥物載體不同,外源性溫度響應(yīng)型智能藥物載體是接受外界環(huán)境的刺激觸發(fā),它需要外部供應(yīng)熱源(近紅外光、超聲、磁場等)來提高藥物釋放,并且對身體的生理溫度變化不敏感。
近日,Xi等報道發(fā)現(xiàn)減毒沙門菌靜脈注射后,可以在各種實體瘤中增殖并引起腫瘤血栓形成,通過光聲成像觀察到6種類型的腫瘤都會變成深色,具有強烈的近紅外吸收。
在激光照射下,細(xì)菌感染的腫瘤可以被有效地消融。此外,這種基于細(xì)菌的光熱療法(photothermal therapy,PTT)由于具有免疫刺激功能,可以抵抗再發(fā)的腫瘤。
該研究表明細(xì)菌本身可以作為腫瘤特異性溫度PTT試劑,使光免疫療法能夠抑制腫瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā),見圖3。
圖3 基于細(xì)菌的光熱療法(PTT)示意圖
2.2 光響應(yīng)型
光響應(yīng)型載體具有生物相容性、可生物降解、光源清潔易獲得、遠(yuǎn)程操作性強、響應(yīng)精準(zhǔn)迅速等優(yōu)點,為SDDSs的發(fā)展開辟了一條新的途徑。
光響應(yīng)型藥物載體可通過光源刺激開關(guān)、改變波長、照射時間等,結(jié)構(gòu)發(fā)生可逆變化,以脈沖形式釋放藥物。
光響應(yīng)型載體主要由光敏聚合物構(gòu)成,通常含有偶氮苯、螺吡喃、二芳基乙烯、三苯基甲烷、疊氮萘醌、肉桂酸酯、香豆素等感光基團。主要通過3個機制實現(xiàn)光觸發(fā)光療法:①光誘導(dǎo)疏水性親水性轉(zhuǎn)變。②光裂解反應(yīng)。③PTT。
這種無創(chuàng)的藥物遞送方法響應(yīng)于特定波長的光照,依賴于一次性或可重復(fù)的開關(guān)藥物釋放過程。
考慮到安全性和易得性,250~380nm的紫外光和700~900nm的近紅外線常被用于誘導(dǎo)光響應(yīng)。
在光觸發(fā)疏水性親水性轉(zhuǎn)變機制中,Aibani等利用螺吡喃(閉環(huán)、無色、疏水)在紫外光照射下轉(zhuǎn)變?yōu)椴炕ㄇ啵ㄩ_環(huán)、有色、親水)的性質(zhì),采用簡單的自組裝工藝,分別制備了基于螺吡喃的光響應(yīng)中空介孔二氧化硅(HMS)納米粒子和膠束(見圖4),同時通過FRET機制實現(xiàn)了在藥物釋放方面的實時監(jiān)測,光觸發(fā)釋放與熒光讀出一起實現(xiàn)藥物釋放過程的量化。
圖4 基于螺吡喃-部花青光致變色二聯(lián)體的物理化學(xué)變化來調(diào)控藥物釋放示意圖
2.3 超聲響應(yīng)型
超聲響應(yīng)型藥物載體應(yīng)用于腫瘤診療,主要是基于超聲的熱效應(yīng)和聲空化效應(yīng),其中作為智能藥物載體主要是基于超聲的聲空化效應(yīng)。
超聲響應(yīng)型智能藥物遞送系統(tǒng)對來自外部超聲波設(shè)備的微小振動進行響應(yīng),從而讓藥物釋放,是一種廣泛適用、無創(chuàng)、經(jīng)濟有效的給藥方式。
超聲空化效應(yīng)觸發(fā)藥物釋放是由聲場中的氣泡震蕩和氣泡塌陷實現(xiàn)的,通過這些微泡的內(nèi)爆釋放藥物,同時促使腫瘤組織的脈管系統(tǒng)內(nèi)皮細(xì)胞壁間隙擴大,對腫瘤致密的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響,通過調(diào)諧頻率、無電離輻射和暴露時間來調(diào)節(jié)組織穿透深度,從而協(xié)助藥物載體在腫瘤實質(zhì)組織的滲透和滯留。
超聲波輔助處理的另一個優(yōu)點,是增強了不可降解聚合物的滲透,加速了可降解聚合物的降解。
超聲響應(yīng)藥物載體在腫瘤化療領(lǐng)域已經(jīng)進行了非常廣泛的研究。Wei等設(shè)計了一種基于聚環(huán)氧乙烷-聚甲基丙烯酸二乙氨基乙酯-聚甲基丙烯酸甲氧基乙酯嵌段共聚物(PEO-b-P(DEA-stat-MEMA))的超聲和pH響應(yīng)性高分子材料(見圖5)。
圖5 可有效進行腫瘤治療的新型超聲響應(yīng)性多聚體囊泡示意圖
體外實驗證實了多聚體具有良好的內(nèi)含體逃逸能力、按需釋藥行為、低細(xì)胞毒性和較高的細(xì)胞內(nèi)釋放效率。體內(nèi)抗腫瘤試驗表明,在超聲作用下,這些超聲響應(yīng)的多聚體可加速釋放抗癌藥物。
Baghbani等開發(fā)了多功能智能姜黃素載殼聚糖/全氟己烷納米液滴,用于超聲造影成像和按需給藥。頻率為1MHz、2W·cm-2的超聲波作用4min,可使姜黃素從最佳處方(Cur-NDs-2)中釋放63.5%,在影像引導(dǎo)腫瘤治療中具有巨大的應(yīng)用潛力。
2.4 磁響應(yīng)型
磁響應(yīng)智能藥物遞送,是對靶點的時間和空間控制上的又一個無創(chuàng)途徑。磁響應(yīng)載體是將磁性納米顆粒經(jīng)過表面修飾后再與藥物結(jié)合形成的穩(wěn)定的藥物載體系統(tǒng)。
通常在外部施加的磁電流下,部分具有金屬物質(zhì)的相關(guān)磁響應(yīng)載體會發(fā)生靶向、產(chǎn)熱和形狀改變。與其他刺激響應(yīng)系統(tǒng)相比,響應(yīng)時間快是它的突出優(yōu)勢。
磁響應(yīng)型納米藥物載體的核心是磁性納米粒子,相比于其他磁性納米粒子,F(xiàn)e3O4納米粒子易形成超順磁性。
由于制作簡單,對正常組織和細(xì)胞毒副作用小,且能被靶向性配體分子、聚合物分子、脂質(zhì)體等修飾,基于超順磁Fe3O4的磁響應(yīng)型納米藥物載體已經(jīng)發(fā)展為藥物遞送系統(tǒng)中的一個重要成員。
Jiang等制備了負(fù)載氧化鐵納米顆粒的牛血清白蛋白(Fe3O4/BSA),磁性可調(diào)。顆粒可內(nèi)化為骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells,MSCs),在外加磁場作用下,顆粒的釋放明顯減慢,在恒定靜磁場條件下,F(xiàn)e3O4/BSA顆粒的攝取顯著增強了靜磁場下MSCs的成骨分化,此結(jié)果表明了磁操控干細(xì)胞分化的潛在方法。
3 多重刺激響應(yīng)型
盡管上述單一刺激響應(yīng)型可作為獨立的控制藥物釋放的載體,但為了獲得更好的特異性和靈活性以適應(yīng)機體中眾多影響因素,多重刺激響應(yīng)型藥物載體逐漸成為目前醫(yī)藥領(lǐng)域的研究熱點,其中pH/溫度、pH/氧化、溫度/還原刺激組合的智能載體受到了廣泛關(guān)注。
Oroojalian等合成了熱響應(yīng)性聚(N-異丙基丙烯酰胺)阿霉素(PNIPAM-DOX)水凝膠,并將其負(fù)載到pH響應(yīng)性聚乙二醇-2,4,6-三甲氧基亞芐基季戊 四醇碳酸酯(PEG-PTMBPEC)聚合物中,以制備一種智能的熱/pH響應(yīng)性藥物傳遞系統(tǒng)(見圖6)。
圖6 由PNIPAM-DOX負(fù)載的熱/pH反應(yīng)性聚合體控制DOX釋放示意圖
體內(nèi)釋放評價表明,多聚體制劑的DOX釋放具有pH依賴性,在37℃時,由于PNIPAM-DOX偶聯(lián)物在pH響應(yīng)性聚合體內(nèi)部的凝膠化,藥物釋放速率顯著降低。
與自由DOX治療組相比,經(jīng)靜脈或瘤內(nèi)注射的單次給藥系統(tǒng)對小鼠腫瘤生長有明顯抑制作用。
此外,用多聚體制劑治療,在重要器官的病理改變、存活率和體重減輕方面沒有引起任何系統(tǒng)性毒性。
晚期腫瘤相關(guān)抗原(tumor-associated antigen,TAA)表達(dá)較低的黑色素瘤患者對PD-1/PD-L1阻斷治療的響應(yīng)較差。表觀遺傳調(diào)節(jié)劑如低甲基化的藥物(hypomethylation agents,HMAs)可通過誘導(dǎo)TAA表達(dá)來增強抗腫瘤的免疫反應(yīng)。
Ruan等將抗PD1抗體(aPD1)裝入pH敏感的碳酸鈣納米顆粒(CaCO3,NPs)中,再與Zebularin(Zeb,一種HMAs)一起封裝在對ROS敏感的水凝膠中,構(gòu)建了一個雙生物響應(yīng)性水凝膠(Zeb-aPD1-NPs-gel),它可以對腫瘤微環(huán)境(the tumor microenvironment,TME)中的酸性pH和ROS做出響應(yīng)。
結(jié)果表明,該聯(lián)合治療材料可以提高腫瘤細(xì)胞的免疫原性,并具有逆轉(zhuǎn)免疫抑制性TME的作用,進而有效抑制B16F10-黑素瘤小鼠的腫瘤生長,延長其生存的時間。
4 結(jié)語與展望
隨著藥劑學(xué)、材料學(xué)和生物醫(yī)學(xué)的飛速發(fā)展,各種“智能型”藥物載體得到了廣泛研究,“智能型”藥物載體將在未來的診療中發(fā)揮巨大潛能。
然而,這些納米載體缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的制造方法、毒性評估經(jīng)驗以及臨床前和臨床研究的明確相關(guān)性。
因此,智能藥物載體應(yīng)在未來的研究中,應(yīng)重視設(shè)計優(yōu)化或?qū)ふ腋《拘浴⒏呱锵嗳菪缘亩嘀仨憫?yīng)型智能載體,在動物模型和患者體內(nèi)進行廣泛的毒理學(xué)研究,以病理部位為靶點,嘗試提出簡單和直接的劑型配方,以及合理、易于轉(zhuǎn)化入臨床和廣泛適用的策略,使藥物載體真正成為臨床現(xiàn)實的“智能”部分。
來源:《中國新藥雜志》2021年第30卷第21期、銘研醫(yī)藥
原標(biāo)題:《“智能型”藥物載體調(diào)釋新機制研究進展》
作者:范月月,郝文艷,張沙莎,楊陽,高春生(河南大學(xué)藥學(xué)院,軍事醫(yī)學(xué)研究院毒物藥物研究所,佳木斯大學(xué)附屬第一醫(yī)院)
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