小分子抗腫瘤藥物載體材料的選擇

小分子抗腫瘤藥物載體材料的選擇

網(wǎng)絡藝術1藥物輸送系統(tǒng)根據(jù)第三次全國死者調(diào)查，腫瘤已成為中國死亡的第二個主要原因。目前,腫瘤治療的手段主要有手術、放療、化療及生物治療等。其中,化療是腫瘤手術前后的有效療法,主要通過口服、皮下或靜脈注射等方式給藥,抗腫瘤藥物經(jīng)血液循環(huán)分布全身,在體內(nèi)達到一定的血藥濃度后產(chǎn)生治療作用。但是,小分子抗腫瘤藥物的體內(nèi)半衰期短、給藥量大、選擇性差,會對正常組織器官產(chǎn)生很大的毒副作用,且大多數(shù)抗腫瘤藥物存在耐藥性問題,長期使用會使腫瘤細胞產(chǎn)生耐藥能力,降低治療效果[2~4]。此外,小分子抗腫瘤藥物大多是疏水性的,溶解度極低,如紫杉醇的水中溶解度僅1μg/mL左右,而其親水性衍生物多西紫杉醇在水中溶解度也只有6~7μg/mL。因此,這些疏水性抗腫瘤藥物在給藥時,往往需使用助溶劑(如二甲基亞砜,DMSO)或表面活性劑。盡管這些試劑用量小,但仍會引起神經(jīng)毒性,使得小分子抗腫瘤藥物的臨床應用受到限制。通過選擇適宜的載體材料構(gòu)筑藥物輸送系統(tǒng)(如聚合物膠束[7~10]、納米凝膠[11~14]、納米顆粒[15~18]、樹枝狀大分子[19~21]、聚合物前藥[22~24]等),實現(xiàn)抗腫瘤藥物的有效輸送受到了人們的重視。與傳統(tǒng)小分子抗腫瘤藥物相比,其具有如下突出優(yōu)點:1)可實現(xiàn)藥物的控制釋放,延長藥物在體內(nèi)的半衰期;2)可實現(xiàn)藥物的靶向輸送,利用高通透性和滯留(EPR)效應將藥物輸送到腫瘤部位,降低其對正常組織的毒副作用,提高藥物的生物利用度;3)可通過化學鍵鍵合、物理增溶或表面吸附等方式提高疏水性抗癌藥物的溶解性,有效改善其給藥方式;4)可以通過胞吞方式進入腫瘤細胞,有效克服上皮和內(nèi)皮運輸障礙;5)可同時輸送兩種或以上藥物,實現(xiàn)聯(lián)合給藥;6)可通過包載或與顯像劑連接,實現(xiàn)藥物輸送可視化,實時跟蹤藥物輸送和釋放過程。1990年,美國食品與藥物管理局(FDA)批準上市了首個藥物輸送系統(tǒng)———兩性霉素B脂質(zhì)體。到目前為止,已有20余種基于納米技術的藥物輸送產(chǎn)品被FDA批準用于臨床。研究表明,每3~4年開發(fā)一種新型藥物輸送系統(tǒng)需耗費2~5億美元,遠低于研制新藥耗費的時間(至少10年以上)和成本(約50億美元)。由此可見,藥物輸送系統(tǒng)是一種更具市場價值的新型治療手段,具有廣闊的應用前景,因而備受重視。本文將綜述抗腫瘤藥物輸送系統(tǒng)的三個發(fā)展階段和新近的研究進展,并對其發(fā)展趨勢進行展望。2腫瘤藥物傳輸系統(tǒng)2.1微針治療法用于藥物輸送20世紀50年代至70年代末期通常被認為是第一代藥物輸送系統(tǒng)的發(fā)展階段。該階段的大多數(shù)藥物輸送系統(tǒng)屬于口服或者經(jīng)皮給藥型,藥物在體內(nèi)可持續(xù)12h(口服)至一周(經(jīng)皮給藥)。相對于自由藥,第一代藥物輸送體系具有延長藥物在體內(nèi)的半衰期、增加疏水藥物的溶解性、提高治療效果、減少潛在的致免疫性、降低藥物的毒副作用以及給藥頻率等優(yōu)點。20世紀60年代,Bangham等用電鏡觀察時發(fā)現(xiàn),磷脂分散在水中可形成多層囊泡,每一層都是脂質(zhì)雙分子層,囊泡中央與各層之間被水相隔開,具有類似于生物膜的結(jié)構(gòu),他們將這種結(jié)構(gòu)命名為脂質(zhì)體。1972年,Gregoriadis和Ryman將脂質(zhì)體用作藥物輸送載體。20世紀70年代,研究人員設想將微針治療法用于藥物輸送,但直到90年代隨著微電子技術的發(fā)展,才開發(fā)出制造微針所需的精密工具,將微針用于藥物輸送。1975年,Ringsdorf提出聚合物———藥物綴合物(又稱聚合物前藥,polymericprodrug)模型。20世紀70年代末,Duncan、Kopecek和Ringsdorf將該模型應用于藥物治療。這里值得一提的是聚合物前藥,目前仍然是藥物輸送研究領域的熱點之一。聚合物前藥是指將原藥(或稱母體藥物)與聚合物載體通過化學鍵連接在一起,形成無藥效的結(jié)合物或綴合物。當其進入體內(nèi)后,經(jīng)水解或酶解即可釋放出具有藥效的代謝物或原藥。最近,Bui等以抗腫瘤藥吉西他濱(Gem)修飾的三硫代碳酸酯為鏈轉(zhuǎn)移劑,采用RAFT法引發(fā)三十碳六烯甲基丙烯酸酯(SqMA)單體聚合,制得一種新穎的兩親性聚合物前藥(Gem-PSqMA)。Gem-PSqMA可自組裝形成納米粒子,并抑制多種腫瘤細胞的增殖。Chitkara等利用聚乙二醇-(2-甲基-2-羧基碳酸丙烯酯)(PEG-PCC)鏈段上的大量側(cè)羧基與吉西他濱的氨基通過酰胺鍵連接在一起,得到一種兩親性的聚合物前藥。該聚合物前藥在水溶液中可自組裝形成粒徑約23.6nm的膠束,通過將吉西他濱包埋在疏水的膠束內(nèi)核中,防止其在血液中快速代謝,可延長血漿半衰期,從而明顯提高其對胰腺癌MIAPaCa-2細胞增殖的抑制作用。Wang等則以5-甲基-5-烯丙氧羰基-1,3-二ue40a烷-2-酮(MAC)為單體,首先經(jīng)開環(huán)聚合制備得到聚合物PMAC,然后通過PMAC與乙二硫醇之間的點擊化學反應在聚合物鏈上引入巰基,最后再利用這些巰基分別與12-丙烯酰氧十二烷基磷酰膽堿(ADPC)和馬來酰亞胺端基修飾的抗腫瘤藥阿霉素(Mal-DOX)進行點擊化學反應,制備得到一種可生物降解的聚合物前藥PMAC-graft-(ADPC-co-MalDOX)。研究表明,這種聚合物前藥可在水溶液中自組裝形成納米膠束。該膠束經(jīng)水解后釋放出的DOX對肝癌HepG2細胞和宮頸癌HeLa細胞會產(chǎn)生很高的細胞毒性。2.2高分子材料在藥物輸送系統(tǒng)中的智能作用20世紀80年代至2010年被認為是第二代藥物輸送系統(tǒng)的發(fā)展階段,主要實現(xiàn)了藥物的智能輸送。由于智能高分子材料能對外界因素(如pH值、溫度、光等)產(chǎn)生有效響應,這為藥物輸送系統(tǒng)的智能化提供了可能。近年來,智能藥物輸送系統(tǒng)依然是醫(yī)藥領域研究熱點之一,此處重點介紹pH響應型、溫敏型、還原型以及光響應型智能藥物輸送系統(tǒng)的新近研究成果。2.2.1pdeaema鏈段的質(zhì)子化與正常細胞(pH≈7.4)相比,腫瘤細胞具有酸性的微環(huán)境(pH≈5.8~7.2),其溶酶體中的pH值甚至更低(5.0~5.5)。酸敏感的化學鍵(如酯鍵、肟鍵)或者化學結(jié)構(gòu)(如腙式、縮醛結(jié)構(gòu))在酸性的細胞內(nèi)環(huán)境中可發(fā)生水解斷裂或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,從而調(diào)控藥物的釋放。因此,pH響應型智能藥物輸送系統(tǒng)具有極大的應用前景。近十幾年來,pH響應型膠束的設計與合成一直是智能藥物輸送領域的研究熱點。早在二十世紀八九十年代研究人員就設想將pH響應型膠束應用于藥物輸送[41~43]。1996年,Martin等最先報道了一種由聚(2-乙烯吡啶)-環(huán)氧乙烷嵌段共聚物(PVP-PEO)構(gòu)成的pH響應型膠束。此后,Kataoka等通過腙鍵將DOX鍵合到兩親性聚合物疏水鏈上,設計合成了一種pH響應型藥物輸送系統(tǒng)。一些聚合物疏水鏈上的伯胺、仲胺或叔胺在酸性條件下可發(fā)生質(zhì)子化,增加鏈段的親水性,使鏈段由收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭嬲範顟B(tài),表現(xiàn)出良好的pH響應特性。Yang等制備了一種以pH敏感的聚(2-(二乙氨基)乙基甲基丙烯酸乙酯)(PDEAEMA)鏈段為隔層的納米膠束。如圖1所示,當pH為7.4時,作為中間層的PDEAEMA鏈段呈疏水性而塌陷,使膠束具有緊密的結(jié)構(gòu)而防止負載的DOX提前釋放;當pH=6.5時,PDEAEMA鏈段上的部分叔胺基發(fā)生質(zhì)子化,導致鏈段親水性增強,膠束發(fā)生輕微溶脹,DOX的釋放速率加快;而當pH降為5.0時,鏈段上的叔胺基幾乎全部質(zhì)子化,鏈段的親水性進一步增強,膠束內(nèi)核疏水性大大降低,同時,DEAEMA基團間的排斥作用加強,導致膠束溶脹及解聚,進一步加速了DOX的釋放。Zhang等通過邁克爾加聚反應合成了一系列由聚乙二醇單甲醚(MPEG)、聚乳酸(PLA)和聚氨基酯(PAE)組成并具有pH響應性的嵌段共聚物(MPEG-b-(PLA-co-PAE))。這些共聚物自組裝形成的膠束可作為DOX的輸送載體,其載藥量高達18%。其中,PAE鏈段具有pH響應性,在pH=7.4的條件下呈疏水性而收縮,導致體系釋放DOX的速率較慢;而當pH<6.5時,鏈段上的氨基發(fā)生質(zhì)子化,PAE鏈轉(zhuǎn)化為正電性的親水鏈段而伸展,使DOX的釋放速率加快,有效抑制HepG2細胞的增殖。一般而言,聚合物膠束具有疏水性內(nèi)核和親水性外殼,而Koyamatsu等設計了一種pH敏感的反相膠束體系,用作口服藥物輸送載體。即利用聚乙二醇(PEG)大分子引發(fā)劑開環(huán)乙交酯和丙交酯,合成PEG-b-PLGA嵌段共聚物,然后制備出以親水性PEG鏈段為膠束內(nèi)核、疏水性PLGA鏈為疏水外殼的反相膠束,再通過疏水作用將PLGA嵌入到反相膠束的疏水PLGA外殼中。由于嵌入的PLGA端羧基在中性和堿性條件下會發(fā)生去質(zhì)子化,破壞膠束疏水層,從而將內(nèi)核中的藥物釋放出來。研究表明,該體系在pH低至3.0的酸性條件下(胃液環(huán)境的pH值)僅釋放出少量的牛血清白蛋白(BSA);而當pH由6.0增至8.0(結(jié)腸環(huán)境pH值)時,BSA的釋放率明顯增加,高達74%。腙鍵是一種對酸敏感的化學鍵,酸性條件下可快速水解斷裂,常被用于設計合成pH響應的藥物輸送系統(tǒng)。Duan等設計了一種高載藥量的pH響應型藥物輸送系統(tǒng)(DSM),可實現(xiàn)按精確給藥配比聯(lián)合輸送P糖蛋白(P-gp)抑制劑戒酒硫(DSF)和DOX。他們首先將苯乙烯與馬來酸酐的共聚衍生物(SMA)與己二酰肼(ADH)反應,在聚合物鏈上引入酰肼基團,使其與DOX反應形成含腙鍵的兩親性SMA-ADH-DOX(SAD)綴合物。然后使SAD自組裝形成納米膠束(DSM),對DSF進行包載,形成DSM載藥體系。體外釋放實驗表明,腙鍵在酸性條件下快速水解斷裂可大大提高藥物的釋放速率。當pH分別為7.4和5.0時,體系在12h內(nèi)的DSF釋放率分別為70.2%和92.6%,96h內(nèi)DOX的釋放率分別為15.3%和92.1%。藥物在酸性條件下的快速釋放不僅能使P-gp快速失活,而且能有效克服耐藥性問題。She等利用樹枝狀肝素表面大量的羧基與DOX通過腙鍵連接,合成了一種藥物綴合物(heparin-DOX)。通過疏水性、氫鍵和π-π堆積等相互作用,該綴合物可自組裝形成粒徑約90nm且具有pH響應性的納米粒子。研究顯示,當pH=7.4時,納米粒子在56h內(nèi)僅釋放20%的DOX;而當pH=5.0時,DOX釋放率超過80%,說明體系可用作pH響應的智能納米藥物載體。最近,Sun等采用腙鍵將mPEG修飾的金納米粒子(mPEG@AuNPs)與DOX鍵合,形成具有pH響應的金納米粒子藥物輸送系統(tǒng)(DOX-Hyd@AuNPs),可以有效克服耐藥性問題,抑制腫瘤干細胞增殖,提高腫瘤治療效果。Jin等采用ATRP聚合法制備得到以pKa=6.3的聚(2-(N,N-二異丙胺)甲基丙烯酸乙酯)(PDPAEMA)為疏水鏈段的嵌段共聚物(PEO113-bPDPAEMA31),再通過自組裝形成納米膠束,然后將這些膠束嵌入到混合瓊脂糖水凝膠中,得到了一種pH響應的藥物輸送系統(tǒng)。其中,PDPAEMA是一種pH敏感的聚合物,當pH(7.4)高于其pKa時,PDPAEMA31鏈段呈疏水性而形成膠束內(nèi)核;而當pH降低為6.4時,PDPAEMA31因鏈上的叔胺質(zhì)子化而轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性,從而導致膠束解組裝,表現(xiàn)出良好的pH響應性。海藻酸鈉(SA)也具有很好的pH響應特性。SA中的Na+可與Ca2+發(fā)生離子交換,使海藻酸鈉溶液轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。當處于pH≈7.4的弱堿性環(huán)境中時,凝膠會發(fā)生溶脹,逐漸釋放內(nèi)部負載的藥物;而處于pH=1.2的酸性條件下則幾乎不會溶脹。Wang等在魔芋葡甘聚糖(KGM)和海藻酸鈉(SA)體系中引入氧化石墨烯(GO),制備了一種pH敏感的智能凝膠體系(KGM/SA/GO)(如圖2)。GO邊緣大量的羧基可通過Ca2+與SA的羧基作用發(fā)生物理交聯(lián),同時,GO底部的羥基、環(huán)氧基等與KGM和SA形成氫鍵,可增加凝膠結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。當pH=1.2時,KGM/SA/GO溶脹比較小,6h內(nèi)對抗腫瘤藥5-氟尿嘧啶(5-FU)的釋放率僅為38.02%;而當pH升至6.8時,體系發(fā)生溶脹,12h內(nèi)釋放率高達84.19%,表現(xiàn)出良好的pH控釋特性。2.2.2基于pnipam的溫敏型藥物輸送系統(tǒng)由于對周圍溫度變化敏感,溫敏性高分子材料被廣泛應用于藥物控釋領域,其中聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAm)及其共聚物是應用最廣的一類溫敏性高分子材料。1967年,Scarpa等首次報道了PNIPAm在水中的低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST),此后,溫敏性聚合物開始受到廣泛的關注。其中,Okano等[55~57]率先開展了基于PNIPAm的溫敏型藥物輸送系統(tǒng)相關的研究工作。最近,Luo等采用ATRP法合成了一種以PNIPAm為親水鏈段、端羥基聚丁二烯(HTPB)為疏水鏈段的溫敏型四臂多嵌段共聚物。研究表明,與相應的線型三嵌段共聚物膠束相比,這種多嵌段共聚物自組裝形成的膠束具有更穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu)、更低的CMC值以及更高的載藥量。體外釋放實驗表明,當溫度為25℃時,由于穩(wěn)定的核殼結(jié)構(gòu),抗腫瘤藥喜樹堿(CPT)能被包封在疏水內(nèi)核中,12h內(nèi)其釋放率僅36%左右;當溫度升為37℃時,由于PNIPAm鏈段疏水性增強,導致膠束塌陷,使CPT快速從內(nèi)核中擴散出來,12h內(nèi)釋放率可達60%。Zhu等采用RAFT法合成了由聚(N-乙烯吡咯烷酮)與聚異丙基丙烯酰胺組成的兩親性嵌段共聚物(PVPON-b-PNIPAM),通過自組裝得到粒徑約90nm的溫敏膠束(BCM),然后利用鞣酸(TA)與膠束外層的PVPON形成多位點氫鍵,使膠束間形成物理交聯(lián),采用層層組裝技術得到一種含雙層溫敏膠束的LbL膜,如圖3所示。當溫度為37℃時,PNIPAM構(gòu)成的膠束內(nèi)核塌陷,可有效地將DOX包埋在內(nèi)核中;而當溫度降至20℃時,PNIPAM發(fā)生相轉(zhuǎn)變,膠束內(nèi)核水合化溶脹,使DOX從膠束中擴散出來。此外,通過實驗對比發(fā)現(xiàn),當溫度為20℃時,非交聯(lián)的PVPON-PNIPAM自由膠束會解組裝,導致釋放DOX的速度過快,30min內(nèi)釋放率高達85%;而相比之下,這種交聯(lián)的膠束體系很穩(wěn)定,相同時間內(nèi)僅釋放18%~20%的DOX,但可殺死高達90%的MCF-7細胞,表現(xiàn)出更好的溫控藥物釋放特性及抗腫瘤效果。通常,基于PNIPAm設計的溫敏型藥物輸送系統(tǒng)主要是根據(jù)病變部位的溫度較正常組織部位的高,PNIPAm鏈段在LCST之上發(fā)生相轉(zhuǎn)變,從而實現(xiàn)藥物的溫控釋放[60~64]。而Moghadam等制備了一種基于PNIPAm設計的新型溫敏性復合凝膠,首先采用二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)為交聯(lián)劑制備具有優(yōu)異耗散特性的聚羥乙基甲基丙烯酸酯(PHEMA)凝膠,然后將負載了模型藥物(二甲苯藍FF)的基于PNIPAm的納米粒子包埋在凝膠中,形成復合凝膠體系。當外界對體系施加機械負荷時,凝膠基質(zhì)利用其耗散特性將機械能轉(zhuǎn)化為熱能,使PNIPAm納米粒子溫度升高;當溫度升至37℃以上時,納米粒子發(fā)生塌陷,從而實現(xiàn)模型藥物的溫控釋放。研究表明,當外界施加8min機械負荷時,體系即可釋放出1.2%的二甲苯藍FF。普朗尼克F127也是一種被廣泛研究的溫敏性聚合物。其在室溫下呈液態(tài),而當溫度升至37℃時可迅速凝膠化轉(zhuǎn)變?yōu)槟z態(tài)。最近,Lin等將紫杉醇納米晶體(PTX-NCs)與F127混合,制備得到一種溫敏性凝膠(PTX-NCs-Gel)。該體系在4℃時呈透明液態(tài),而在37℃時,體系黏度加大,1min內(nèi)即可迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。體外釋放研究表明,37℃下,該凝膠體系在60h內(nèi)可穩(wěn)定持續(xù)地釋放出50%的PTX,有效抑制小鼠乳腺癌4T1細胞和人乳腺癌MCF-7細胞的增殖。對于溫敏性聚合物而言,大多數(shù)具有低臨界溶解溫度(LCST)。具有高臨界溶解溫度(UCST)的溫敏性聚合物報道相對較少,而被用于藥物載體的報道就更少。聚N-丙烯?；拾彼?PNAGA)是一種具有UCST的溫敏材料,其在溫度高于UCST時呈液態(tài),當溫度低于UCST時會轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。最近,Boustta等研究了摩爾質(zhì)量、濃度及凝膠化條件對PNAGA的UCST影響,通過體外釋放實驗證明PNAGA凝膠具有一定的溫控緩釋特性。他們還進一步用亞甲藍染料作為藥物模型,將溶有亞甲藍的PNAGA熱溶液注入到小鼠的腹膜內(nèi)腔中,對PNAGA凝膠的體內(nèi)釋放行為進行了定性分析。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),52h后,在小鼠的小腸壁和腹部脂肪組織中仍然可清晰觀察到染料,進一步證明PNAGA凝膠具有良好的溫控特性,可用作溫敏型藥物輸送載體。除溫敏性凝膠外,溫敏性脂質(zhì)體(TSL)也常用于智能藥物輸送系統(tǒng)的設計[68~70]。May等使用二棕櫚酰磷脂酰膽堿(DPPC)和聚氧乙烯脂肪醇醚(Brij78)制備出一種具有快速溫度響應特性的脂質(zhì)體(HaT),用其負載細胞膜通透性差的抗腫瘤藥吉西他濱(GEM)和奧沙利鉑(OXA),分別形成HaT-GEM和HaT-OXA智能藥物輸送體系。實驗發(fā)現(xiàn)這兩個體系對溫度變化均可做出快速響應:當溫度為37℃時,體系在30min內(nèi)僅釋放不到5%的藥物;而當溫度為40~42℃時,2min之內(nèi)可釋放高達80%的藥物。這些溫敏性脂質(zhì)體還可有效提高腫瘤細胞對藥物的吸收及藥物在腫瘤部位的富集量。此外,Li等制備了一種包載DOX的溫敏性脂質(zhì)體(DOX-TSL),其在37℃時很穩(wěn)定,而42℃下,在90%的血清中1min內(nèi)可釋放95%以上的DOX,分別使藥物對小鼠BSF-1腫瘤細胞和人黑色素BLM腫瘤細胞的IC50降至原來的1/60和1/80,更有效地抑制腫瘤的增長。2.2.3raft聚合法制備聚合物膠束谷胱甘肽(GSH)是一種還原劑,能特異性地還原二硫鍵。研究發(fā)現(xiàn),GSH在人類血漿中的濃度很低,但在細胞質(zhì)中其濃度可達10mM,而一些腫瘤細胞中的GSH濃度比正常細胞的高出4~7倍[73~76]。因此,設計一類具有還原響應性的藥物輸送系統(tǒng)也具有廣闊的應用前景。1999年,Kataoka等首次報道了含二硫鍵的還原響應型聚離子復合膠束,隨后對其在醫(yī)藥領域的應用開展了一系列的研究[78~82],例如他們在2009年制備了一種由兩種均含二硫鍵和PEG嵌段的聚合物組成的聚離子復合膠束,這種復合膠束粒徑僅48.1nm,且具有良好的生物相容性,可用作藥物載體。近年來,基于二硫鍵設計的還原響應型藥物輸送系統(tǒng)備受研究人員的關注。例如,Ryu等通過自由基聚合法合成了一系列疏水鏈段含二硫鍵的兩親性聚合物,這些聚合物可在水溶液中自組裝成納米膠束,有效負載DOX,抑制MCF-7細胞增殖。Thambi等以PEG-SS-NH2為大分子引發(fā)劑,采用開環(huán)聚合法合成了一系列含二硫鍵的兩親性二嵌段共聚物(PEG-SS-PBLGs)。這些共聚物可自組裝形成77~120nm的膠束,在GSH作用下快速釋放出喜樹堿(CPT),對鱗狀細胞癌SCC7細胞具有很高的細胞毒性。最近,Sun等制備了一系列聚酰胺與聚乙二醇的兩親性共聚物(PAA-g-PEG),其中,疏水的聚酰胺鏈段含有大量二硫鍵。利用DOX的芳環(huán)與PAA的苯環(huán)之間的疏水及π-π堆積相互作用,可得到載藥量高達50%的聚合物膠束。研究表明,負載DOX的聚合物膠束通過EPR效應進入4T1細胞后,疏水內(nèi)核中的二硫鍵在GSH作用下斷裂,使膠束內(nèi)核被破壞,導致膠束解體,從而有效釋放出DOX,提高了DOX的生物利用率。Cui等在親水的mPEG鏈與疏水的十六烷基鏈之間引入二硫鍵,制備了具有還原響應的mPEG-S-S-C16聚合物納米膠束(如圖4)。體外釋放實驗結(jié)果表明,在還原劑二硫叔糖醇(DTT)作用下,膠束中的二硫鍵斷裂,可加速釋放DOX,8h內(nèi)DOX的釋放量達63%。激光共聚焦照片顯示,用負載DOX的膠束處理HeLa細胞,2h后細胞質(zhì)和細胞核中都出現(xiàn)強烈的熒光,證明膠束可被HeLa細胞快速攝入,內(nèi)部的二硫鍵在細胞中的GSH作用下被迅速還原,使DOX擴散到細胞核中,從而提高對腫瘤細胞的抑制效果。兩親性聚合物自組裝形成的膠束,其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般較差,進入體內(nèi)血液循環(huán)后易發(fā)生藥物突釋現(xiàn)象,引起毒副作用。Page等以甲基丙烯酰氧基乙基磷酰膽堿(MPC)和接有硫辛酸(LA)基團的甲基丙烯酸酯為單體,采用RAFT聚合法合成了疏水鏈端含大量巰基的聚合物(MPC-DHLA),然后將喜樹堿(CPT)通過二硫鍵接到疏水鏈末端,得到一種新型兩親性聚合物前藥。這種聚合物前藥可在水溶液中自組裝形成納米膠束,其內(nèi)部大量的巰基在緩慢通入空氣后可互相交聯(lián),形成二硫鍵交聯(lián)的內(nèi)核結(jié)構(gòu),不僅提高了膠束的穩(wěn)定性,又能防止藥物突釋,還賦予該載藥體系很好的還原響應特性。實驗結(jié)果顯示,藥物在不含DTT的PBS緩沖溶液中的半衰期(t1/2)長達28h,而當在緩沖溶液加入3mM的DTT時,t1/2大大縮短,僅為5.5h。近年來,本課題組[87~89]通過分子設計合成了一系列分子骨架中交替分布著親水性磷酸酯鏈段和疏水性二硫鍵的超支化聚磷酸酯,構(gòu)建了一系列含二硫鍵的還原響應型超支化智能藥物輸送系統(tǒng),在藥物輸送領域取得了一定的研究成果。除二硫鍵以外,研究發(fā)現(xiàn)雙硒鍵也具有還原響應特性。與二硫鍵相比,雙硒鍵的鍵能較低,對還原刺激更靈敏。因此,含雙硒鍵的還原響應型藥物輸送系統(tǒng)更具臨床應用價值。近年來,含硒聚合物受到了廣泛的關注,其中,張希課題組在含雙硒聚合物的設計、合成及應用方面作出了突出貢獻,設計合成了一系列含雙硒鍵的還原響應型載藥體系[92~96]。2010年,他們首先通過二鈉聯(lián)硒化物與11-溴代十一醇反應,得到含雙硒鍵的二元醇,并使其與甲苯二異氰酸酯(TDI)聚合,接著用聚乙二醇單甲醚封端,制備得到具有良好溶解性的三嵌段共聚物(PEG-PUSeSe-PEG),成功地將雙硒鍵引入到疏水的聚氨酯(PU)鏈段中,通過自組裝制得具有還原響應性的膠束載藥體系。研究表明,即使在GSH濃度低至0.01mg/mL的條件下,這些膠束也能發(fā)生明顯的塌陷,表現(xiàn)出靈敏的響應性。本課題組采用A2+B3型縮聚反應合成了一種分子骨架中交替分布著親水性磷酸酯鏈段和疏水性雙硒鍵的兩親性超支化聚雙硒-磷酸酯(HPSe)(如圖5)。HPSe可在水溶液中自組裝形成粒徑大約為50nm的膠束。體外細胞實驗結(jié)果顯示,HPSe膠束對正常細胞幾乎沒有毒性,而對HeLa細胞的增殖具有明顯的抑制效果。體外釋放實驗結(jié)果表明,GSH可使HPSe膠束內(nèi)的雙硒鍵斷裂,當GSH濃度為10mM時,HPSe膠束在60min內(nèi)可快速釋放出負載在內(nèi)核中的尼羅紅,表現(xiàn)出靈敏的還原響應特性。研究證明,HPSe膠束不僅是一種高效、廣譜的抗腫瘤大分子藥物,還可用作疏水性抗腫瘤藥物(如DOX)的載體。2.2.4pe-cbl納米粒子與pH、溫度等其他外界刺激相比,外加光的波長、強度、時間和位置均可被精確調(diào)控,因此光作為刺激手段可以有效調(diào)節(jié)藥物釋放行為。趙越等先后報道了兩種可在紫外光照下分別發(fā)生可逆與不可逆解組裝的光敏聚合物膠束,這對光敏型藥物輸送系統(tǒng)的設計具有相當重要的意義。紫外光是一種常見的激發(fā)光源,常用于藥物的光控釋放。例如,最近Li等采用RAFT聚合和后功能化法制備了一種Gd3+復合物標記的嵌段共聚物,通過自組裝制備得到由疏水的鄰硝基芐基丙烯酸酯(NBA)光敏基團構(gòu)成疏水內(nèi)核的膠束。研究發(fā)現(xiàn),NBA在紫外光照射后會發(fā)生光致裂解反應,使疏水鏈段親水性增強,導致膠束內(nèi)核溶脹,流體動力學直徑由45nm增至68nm,使負載的DOX擴散出來。在無紫外光照射時,體系在25h內(nèi)可穩(wěn)定釋放出約47%的DOX;而當被紫外光照射30min后,12h內(nèi)可釋放近65%的DOX。Chen等用螺吡喃和氟硅烷摻雜物修飾介孔二氧化硅納米顆粒表面,制備了一種光敏藥物載體(MS-FSP)。其中螺吡喃是一種光敏分子,可作為光控開關。無光照時,螺吡喃呈疏水性結(jié)構(gòu),導致介孔二氧化硅納米顆粒表面不能被水分子浸濕,從而關閉CPT釋放通道;而在360nm的紫外光照射后,螺吡喃發(fā)生構(gòu)象轉(zhuǎn)變,呈親水性,使介孔二氧化硅納米顆粒表面被水分子浸濕,納米孔道打開,從而釋放出CPT。Jana等合成了一種具有光響應的單組分苝-苯丁酸氮芥(Pe-Cbl)綴合物,采用二次沉淀法制備得到粒徑約20nm的Pe-Cbl納米粒子。由于苝與苯丁酸氮芥之間的酯鍵僅在可見光照射下發(fā)生斷裂,釋放出抗腫瘤藥苯丁酸氮芥,并且具有熒光特性的苝伴隨酯鍵斷裂其熒光顏色也會發(fā)生明顯改變,因此,Pe-Cbl納米粒子同時兼具藥物輸送、光敏劑、顯像劑以及實時監(jiān)測藥物釋放的檢測器多重功能。研究發(fā)現(xiàn)短波長的光源(如紫外光或可見光)對組織穿透力較差,且會損傷正常組織,因而限制了其應用。相比而言,近紅外光(700~1000nm)具有較深的光穿透深度、對生物組織幾乎無損傷、安全可靠優(yōu)點,更適合作生物材料的激發(fā)光源。2005年,Fréchet等制備了一種疏水鏈端連接有2-重氮-1,2-萘醌(DNQ)光敏基團的納米膠束,并將模型藥物尼羅紅包封在膠束內(nèi)核中,首次使用近紅外光作為刺激光源誘導DNQ基團進行Wolff重排,實現(xiàn)了尼羅紅的光控釋放,為近紅外光在藥物輸送系統(tǒng)中的應用奠定了基礎。DNQ是一種疏水性的光敏分子,其在紫外或近紅外光激發(fā)下可分別經(jīng)單光子或雙光子過程發(fā)生不可逆的Wolff重排,轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性的3-茚酸(3-IC)分子(pKa=5.4),從而破壞膠束的結(jié)構(gòu),導致膠束不可逆的解聚。因此,DNQ在光敏膠束載藥系統(tǒng)中的應用受到了研究人員的關注。2012年,Liu等用DNQ修飾右旋糖酐(Dex),制備了一種光敏性的兩親性接枝共聚物(Dex-DNQ)。Dex-DNQ可自組裝形成納米膠束,對DOX的載藥量高達24%。研究表明,在近紅外光照射下,疏水的DNQ基團經(jīng)Wolff重排使聚合物鏈由兩親性轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性,導致膠束解組裝,從而誘導DOX的光控釋放。體外細胞毒性實驗表明,被波長為808nm的近紅外光照射5min后,負載DOX的膠束對HepG2細胞的抑制作用明顯增強。Sun等分別用疏水的DNQ分子和親水的乳糖(Lac)分子修飾聚酰胺樹枝狀大分子(PAMAM),然后采用點擊化學方法將兩種PAMAM連接在一起,制備得到具有Janus形狀的兩親性光敏樹枝狀大分子(Dm-Lac-D3DNQ)。實驗表明,Dm-LacD3DNQ可在水溶液中自組裝形成由DNQ構(gòu)成疏水內(nèi)核的膠束,并且負載DOX后膠束粒徑可減小至100nm以下。當使用波長為808nm的近紅外光照射負載DOX的膠束10min,體系釋放DOX的速率加倍;當照射時間延長至30min時,由于DNQ分子發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,導致大部分膠束解組裝,有效地釋放出DOX,使體系對HeLa細胞的抑制作用明顯增強,表現(xiàn)出靈敏的光致誘導藥物釋放特征。除DNQ外,香豆素及其衍生物也具有靈敏的光響應特性。在長波紫外光(320~400nm)照射下,香豆素基團會發(fā)生[2+2]環(huán)化反應形成環(huán)丁烷結(jié)構(gòu);而在短波紫外光(200~280nm)照射下,所形成的二聚體又會發(fā)生斷裂變回香豆素基團。最近,Yang等用接有香豆素基團的共聚物表面修飾介孔二氧化硅納米粒子,制備得到了一種光敏型藥物輸送系統(tǒng);通過香豆素基團在紫外光照下的光致交聯(lián)與解交聯(lián)反應,調(diào)節(jié)介孔二氧化硅納米粒子運輸通道的開與關,實現(xiàn)了藥物的光控釋放。Guardado-Alvarez等設計合成了一種光敏型介孔二氧化硅納米粒子藥物輸送載體,首先使用香豆素衍生物表面修飾介孔二氧化硅納米粒子,再將羅丹明B負載在納米粒子的孔道中,通過香豆素基團與環(huán)糊精之間形成包合物而阻斷納米粒子的運輸孔道;當使用近紅外光照射納米粒子后,香豆素基團發(fā)生光致裂解反應,可打開孔道并釋放出環(huán)糊精和羅丹明B。鄰硝基芐基也是一種光敏基團,其在紫外或近紅外光照射下會發(fā)生光解反應。Cao等用丁二酸酐和鄰硝基芐醇修飾殼聚糖,制備了一種兩親性嵌段共聚物。該共聚物可自組裝形成由琥珀?；袜徬趸S酯構(gòu)成疏水內(nèi)核的納米膠束。當用近紅外光照射膠束時,膠束內(nèi)核中疏水的鄰硝基芐酯發(fā)生光解,轉(zhuǎn)化為親水的羧酸和2-亞硝基苯甲醛,使膠束解組裝,實現(xiàn)深層組織的光控藥物釋放。此外,光解生成的2-亞硝基苯甲醛具有一定的細胞毒性,可發(fā)揮協(xié)同作用,提高藥物的治療效果。近年來,研究人員發(fā)現(xiàn)低毒穩(wěn)定的稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒材料可吸收外界近紅外光并在生物體內(nèi)將其轉(zhuǎn)換為紫外光。因此,稀土上轉(zhuǎn)換納米顆粒在藥物輸送、多模式成像、腫瘤跟蹤等領域具有潛在的應用價值。自2007年Zhang等首次報道了一種上轉(zhuǎn)換納米顆粒載藥系統(tǒng)后,上轉(zhuǎn)換納米顆粒在藥物輸送上的應用逐漸引起了科研人員的關注[111~114]。最近,Dai等采用核殼結(jié)構(gòu)的上轉(zhuǎn)換納米顆粒NaYF4:Yb3+/Tm3+@NaGdF4/Yb3+(UCNPs),設計合成了一種多功能藥物輸送系統(tǒng)(UCNP-DPP-PEG)(如圖6),其中光敏感的四價鉑聚合物前藥(DPP)通過與UCNPs表面修飾的聚乙烯亞胺上的氨基反應連接到納米顆粒上。研究表明,當使用980nm的近紅外光照射UCNP-DPP-PEG時,UCNPs可將近紅外光轉(zhuǎn)換為紫外光,與DPP發(fā)生能量轉(zhuǎn)移,導致鉑-疊氮鍵消失,四價鉑聚合物前藥(DPP)被激活釋放出來,可高效抑制HeLa細胞增殖。此外,釋放出來的DPP可同步轉(zhuǎn)化為藥效更高的二價鉑復合物,進一步提高藥物的抗腫瘤效果。經(jīng)粗略計算發(fā)現(xiàn),納米顆粒在光照1h后可釋放3000多個DPP分子。還原氧化石墨烯(rGO)具有優(yōu)異的光熱效應,在近紅外光照射下可將吸收的光能轉(zhuǎn)換為熱能,使周圍溫度升高。Kim等制備出一種表面用PEG和聚乙烯亞胺(PEI)修飾的功能化還原氧化石墨烯(PEG-BPEI-rGO),利用DOX與石墨烯芳環(huán)間的疏水性和π-π堆積相互作用,可將DOX負載于PEG-BPEI-rGO中,形成PEG-BPEI-rGO/DOX復合粒子。實驗結(jié)果表明,復合粒子經(jīng)胞吞進入細胞內(nèi)的核內(nèi)體后,在808nm的近紅外光照射下,rGO產(chǎn)生光熱效應,使細胞內(nèi)的溫度升高,內(nèi)吞作用被破壞,繼而使復合粒子從核內(nèi)體中擴散到細胞質(zhì)中,接著細胞質(zhì)中的GSH可破壞復合粒子中芳環(huán)間的疏水和π-π堆積相互作用,最終實現(xiàn)DOX的光控釋放。2.3采用納米膠囊作為藥物輸送系統(tǒng)2010年以后被認為是第三代藥物輸送系統(tǒng)的發(fā)展階段,主要實現(xiàn)藥物的靶向智能輸送。1900年,Ehelich首次提出了一種“神奇子彈”的概念,隨后將其應用于昏睡病的靶向治療,此后,引發(fā)了靶向藥物輸送的設想。傳統(tǒng)的藥物輸送系統(tǒng)主要通過EPR效應被動靶向到達目標部位,這樣往往會使藥物在較長的體循環(huán)中發(fā)生泄露或者因結(jié)構(gòu)改變而失活,降低了目標部位的藥物濃度;而真正的靶向藥物輸送系統(tǒng)是指藥物載體共價修飾了靶向基團(如蛋白質(zhì)[119~121]、多肽、適配體、葉酸[126~128]等)的藥物輸送系統(tǒng),使體系具有更高的腫瘤選擇性,主動將藥物靶向輸送到病灶部位,縮短不必要的循環(huán)過程,保證藥物送達病灶部位時仍具有很好的藥效,盡可能地降低藥物對正常組織器官的損傷。通常,腫瘤細胞會在其表面過度表達葉酸(FA)的受體(FR)。而葉酸對受體有很強的親合力,通過將藥物載體與葉酸鍵合,可大大提高藥物的靶向性,降低毒副作用。因此,葉酸被廣泛應用于靶向藥物輸送系統(tǒng)的設計。最近,El-Gogary等用PEG鏈為間隔基團將葉酸和PLGA連接起來,制備了一種葉酸靶向的聚合物納米膠囊,用于輸送疏水性的抗腫瘤藥槲皮素。小鼠體內(nèi)實驗表明,這種葉酸靶向的納米膠囊對過度表達FR的HeLa細胞和卵巢癌IGROV-1細胞具有很好的選擇性,為槲皮素的體內(nèi)給藥提供了新方法。Nair等采用自組裝和立體穩(wěn)定法制備了一種由籠狀倍半硅氧烷(POSS)與普朗尼克F68組成的混合囊泡(POS-F68);葉酸在氫鍵作用下被包載在混合囊泡內(nèi),當囊泡被溶劑化后,葉酸可暴露在囊泡表面,從而賦予囊泡靶向特性,以提高HeLa細胞對DOX的內(nèi)攝。Mackiewicz等采用開環(huán)聚合法合成了末端有疊氮基團的PEG-b-PLA共聚物,然后采用點擊化學方法將葉酸或熒光探針接到共聚物鏈端上,最后讓共聚物自組裝,制備得到表面兼有葉酸和熒光探針修飾的多功能納米粒子,可同時實現(xiàn)細胞成像和藥物靶向輸送目的。除葉酸外,一些糖類物質(zhì)也被用于靶向藥物輸送系統(tǒng)的設計。由于肝癌細胞(如HepG2、SMMC7721)表面含有去唾液酸糖蛋白受體(ASGP-R),可通過受體-配體間特異性的相互作用識別半乳糖、乳糖等配體,因此,半乳糖常被用于肝癌靶向藥物輸送系統(tǒng)的設計。Ladmiral等采用RAFT聚合誘導自組裝方法制備了半乳糖功能化的二嵌段共聚物納米材料(納米微球、棒狀膠束或囊泡),實驗證明這些納米材料對ASGP-R具有很高的特異性;其中形成的囊泡具有很好的生物相容性,可被原代人真皮成纖維HDF細胞快速攝取并釋放出負載的羅丹明B,可用于開發(fā)新型靶向藥物輸送系統(tǒng)。Ding等以L-谷氨酸-N-羧酸內(nèi)酸酐為單體,采用開環(huán)反應合成了一系列具有生物相容性的肝癌靶向半乳糖基多肽(如圖7),這種多肽在靜電和疏水相互作用下可自組裝形成能負載DOX的納米膠束,通過半乳糖基與HepG2表面的ASGP-R之間的識別作用可顯著促進細胞對膠束的內(nèi)攝,提高藥物的抗腫瘤效果。血腦屏障(BBB)細胞和膠質(zhì)瘤細胞可過度表達葡萄糖轉(zhuǎn)運體(GLUT),于是Jiang等制備了一種2-脫氧-D-葡萄糖修飾的雙重靶向藥物輸送系統(tǒng)。其中,負載紫杉醇(PTX)的納米粒子表面的2-脫氧-D-葡萄糖基可選擇性地識別血腦屏障細胞和膠質(zhì)瘤細胞表面表達的GLUT,分別通過GLUT介導的轉(zhuǎn)胞吞作用和內(nèi)吞作用提高納米粒子對BBB的通透性及在膠質(zhì)瘤中的富集量,有效克服藥物輸送的血腦屏障難題。研究發(fā)現(xiàn),使用單一機制的智能藥物輸送