基于響應性納米粒用于抗癌藥物的選擇性釋放

許以琛

研究背景

手術(shù)、放射治療和化學治療是現(xiàn)今最普遍的癌癥治療方案，但這些方案都會對正常組織造成損害。藥品雖然能治愈癌癥，但治療過程卻同時會引起副作用，故隨著納米科技的進步，研究如何使用納米藥品以降低不必要的傷害，也變得越來越重要。

本次研究使用了一種納米粒子，其由4-羥基苯硼酸頻哪醇酯與1-金剛烷羧酸（BA-ADA）合成，是一種具自由基（ROS）響應性的藥品傳遞系統(tǒng)，使藥物多柔比星（Doxorubicin，DOX）僅可于自由基過度產(chǎn)生的區(qū)域內(nèi)釋放，即存在癌細胞或發(fā)炎細胞的區(qū)域內(nèi)釋放，不但能夠達到治療效果，還可保障正常細胞免受藥物侵害，從而減少副作用。于是，我進行了一系列實驗，以證明粒子的特性。

研究設計

設計思路

本研究主要目的是構(gòu)建一種具有ROS響應性的載藥納米粒子，設計可歸納為3個主要部分：

合成納米粒子，并將治療藥物與其結(jié)合，研究將以2個實驗確認粒子的形成。

進行2個實驗以測試粒子的穩(wěn)定性。

檢查粒子的ROS響應性，本次研究會進行一系列實驗以證明其ROS響應性。

假設

ROS響應性BA-ADA載藥納米粒子（包括納米粒子-BA-ADA和藥品-DOX）可以通過細胞吞噬作用而進入細胞，由于粒子具ROS響應性，故在高ROS微環(huán)境的癌細胞其藥物釋放量會較正常細胞多。

目標受益者

藥物傳遞系統(tǒng)對所有階段的癌癥患者都是有益的，因為納米粒子能將藥物直接輸送到癌細胞，減少藥品于正常組織中的釋放，從而減少副作用。

材料

本次研究的納米粒子由4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）和1-金剛烷羧酸（ADA）合成，并以多柔比星（DOX）為治療藥品。4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）是粒子具有選擇性釋放藥物的關(guān)鍵材料；1-金剛烷羧酸（ADA）能讓粒子連接其他材料，由于其是疏水性的，故能透過疏水作用令其連接4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）；治療藥物多柔比星（DOX）通過阻斷一種叫作“第二型拓撲異構(gòu)酶”的酶減緩或阻止癌細胞的生長，第二型拓撲異構(gòu)酶是癌細胞分裂及生長所必要的酶。而聚山梨醇酯80（吐溫80）則用作表面活性反應物，用以穩(wěn)定粒子。

載藥納米粒子的合成與實驗結(jié)果

研究共分為3個主要部分，每個部分各具不同的目標，粒子合成的方法及材料、每部分的實驗方法與使用的各項材料及設備、實驗結(jié)果等簡述如下。

載藥粒子的形成

形成載藥粒子的主要程序：？化學反應：BA-ADA的形成。？添加藥品：形成載藥BAADA。

移除溶劑、催化劑、表面活性反應物。

取得納米粒子。

檢查粒子的穩(wěn)定性

穩(wěn)定的粒子須具備2個條件：一是一致的粒子寬度，二是呈球形。本次研究能合成并挑選符合上述條件的粒子，以確保一致性。

檢測納米粒子的響應性

過氧化氫（H2O2）是ROS的關(guān)鍵成員，所有細胞都會有一定量的H2O2，但在癌細胞中，其水平要高得多。實驗中以H2O2模擬細胞內(nèi)的ROS，并由此檢測本次研究合成的納米粒子是否具ROS響應性。

討論與結(jié)論

此項目對社會的貢獻

在上述實驗結(jié)果中，ROS響應性的BA-ADA納米粒子傳遞系統(tǒng)是安全、有效的，并且治療過程中病人的痛楚相信會更少，患者在接受輸送系統(tǒng)時并不會有劇痛，而且納米藥物較不會傷害健康的組織和器官，也能在癌細胞形成腫瘤前檢測和消除。ROS響應性的BA-ADA納米粒子傳遞系統(tǒng)還能提高癌癥患者的生活質(zhì)量，不會導致脫發(fā)。

ROS響應性BA-ADA納米粒子傳遞系統(tǒng)仍處于早期階段

雖然許多文獻已證明藥品傳遞系統(tǒng)的設計，顯示其能有效地將治療藥品傳送到疾病的部位，而且它將在生物醫(yī)學領(lǐng)域上變得越來越普遍，但是此項目距離人類臨床試驗還有漫漫長路。因此，需要進行更多的體外和體內(nèi)試驗完善。

在本次研究過程中，面臨的主要挑戰(zhàn)是材料的選擇。我耗費了大量時間進行文獻回顧和納米粒子合成，我曾經(jīng)想使用囊泡進行實驗，并進行了大量實驗測試囊泡的穩(wěn)定性，但由于囊泡的效果不佳，只能另作他選，最后才選用BA-ADA納米粒子，并曾經(jīng)多次改良增加及確保其純度。另外，選擇治療藥品的實驗也費時不少，這些藥品除已被證明能有效治療癌癥外，也須能配合實驗的測試條件，如能產(chǎn)生共聚焦研究所需的熒光等。

項目未來發(fā)展

納米粒子的性質(zhì)是決定它們能否進入血液循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵，在未來的研究中，我計劃將粒子與聚乙二醇（PEG，Polyethylene Glycol）結(jié)合，PEG是親水性聚合物分子，可以阻礙血漿蛋白的結(jié)合，故通常被稱為“隱形”納米粒子，它們不易被單核吞噬細胞系統(tǒng)找到，并能抵抗血清蛋白的吸附，因此PEG就像為粒子形成了另一層保護，以增加其穩(wěn)定性，同時可防止藥物流失及降低其在健康組織內(nèi)釋放藥品的風險。

此外，在未來研究中也會檢視BA-ADA粒子的pH響應性和GSH響應性。據(jù)Karimi等（2016）的研究，腫瘤細胞內(nèi)外之間存在pH值差異，這是由于腫瘤細胞的快速增殖和生長速度遠超過血液運輸，會導致營養(yǎng)和氧氣供應不足，因糖解而產(chǎn)生乳酸無法代謝，而具有pH響應性的納米粒子便會在酸性的腫瘤微環(huán)境下瓦解，將其裝載的藥物釋放到細胞質(zhì)中，消滅腫瘤細胞。至于榖胱甘肽（GSH），癌細胞內(nèi)的GSH水平在0.5？10×10-3M的范圍內(nèi)，是正常組織中GSH水平的4倍，這更使得腫瘤組織對化療更具抵抗力。然而，由于GSH水平在癌組織及正常組織間的差異，也有利于具GSH響應性的納米粒子建構(gòu)及使用。

我下一階段將測試BA-ADA納米粒子是否可用作多刺激響應性納米藥品傳遞系統(tǒng)，使得BA-ADA能成為多刺激—反應性藥物運輸系統(tǒng)，可以進一步探測病灶并控制藥物釋放。希望能使系統(tǒng)具高載荷、避免過早滲漏，并能更快速、更精確地靶向病患部位。

總結(jié)

本研究中的納米粒子能把藥物直接遞送至ROS高的病變部位，而不傷害附近的健康細胞。這樣的治療方式不但可增強治療效果，還可減少藥物的副作用。因此，刺激—反應藥物傳遞系統(tǒng)于現(xiàn)今的治療方案中顯得十分重要，因系統(tǒng)具有與某些疾病癥狀相關(guān)的響應性，故能設計選擇性地于病患部位釋放藥物，從而能消滅目的細胞。其中一個最引起關(guān)注的生物刺激來源就是ROS，因為其過量產(chǎn)生與很多病患均有關(guān)系，故發(fā)展具ROS響應性的醫(yī)學物料具有巨大潛力。

本次研究成功地合成了一種納米粒子，即BA-ADA納米粒子，其可以“裝載”藥品，即DOX，能有效地阻礙癌細胞的生長或復發(fā)。BA-ADA納米粒子可說是一種優(yōu)良的藥品傳遞系統(tǒng)，因為在其結(jié)構(gòu)中，BA具有ROS響應性，而ADA則具有酸堿（pH）響應性和谷胱甘肽（GSH）響應性，這使納米粒子具有多重標靶病患區(qū)域的可能性。但在現(xiàn)時的研究階段中，我主要通過一系列實驗確認粒子的ROS響應性。

本次研究除成功合成具ROS響應性的載藥納米粒子外，還通過實驗作出了以下證明：①納米粒子本身對細胞并無毒性；②納米粒子可于高濃度的H2O2區(qū)域內(nèi)釋放其載體，H2O2是ROS存在的重要信號之一；③時間越長，累積釋放的載體藥物越多；④載藥納米粒子可以選擇性地在發(fā)炎的小鼠巨噬細胞內(nèi)釋放裝載的DOX藥品，即載藥納米粒子屬具有藥物釋放選擇性的系統(tǒng)；⑤載藥納米粒子的藥物釋放能選擇性對癌細胞有效，藥品釋放于癌細胞明顯較多。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組生物醫(yī)學一等獎。

專家評語

該項目合成了BA-ADA載藥粒子，驗證了載藥粒子的穩(wěn)定性和響應性，評價了載藥效果，具有創(chuàng)新性和實用價值，可為癌癥化療提供參考依據(jù)。但該研究尚處于早期階段，有待深入研究。