基于腫瘤微環(huán)境的響應性納米藥物載體的研究進展

萬 冬，習鈺晶，李孫帆，潘 杰

(天津工業(yè)大學化學與化工學院，天津 300387)

癌癥是當今世界死亡率最高的疾病之一[1]。目前，癌癥的治療手段主要包括3種：手術治療、放療和化療[2]。其中化療是現(xiàn)在最常用的癌癥治療手段[3]，常見的化療藥物有紫杉醇(paclitaxel, PTX)、多西紫杉醇(docetaxel, DTX)、阿霉素(doxorubicin, DOX)[4]等。

紫杉醇(PTX)與多西紫杉醇(DTX)廣泛運用于多種癌癥的治療中，尤其是是乳腺癌，乳腺癌在各地的女性中發(fā)病率都極高[5]。紫杉醇的作用機理是使得微管蛋白聚合在一起且非常穩(wěn)定，防止在正常細胞分裂的時候微管斷裂，促進腫瘤細胞凋亡。但是由于它水溶性差、對機體毒性大、存在耐藥性，使得它在臨床的應用受到限制[6]。阿霉素(DOX)是一種廣譜抗腫瘤抗生素，可通過嵌入DNA阻斷核酸復制，抑制腫瘤細胞增殖，從而抑制腫瘤生長[7]。阿霉素(DOX)從血液到腫瘤組織需要克服多重生物學屏障，在血漿的藥物半衰期為16.5～30.0 h, 易被網狀內皮系統(tǒng)(RES)清除，無法長時間在體內存在[8]。阿霉素具有一定的毒性，在損傷癌細胞的同時也會對機體正常組織造成傷害，尤其是會帶來心臟毒性，表現(xiàn)為心跳加快及心力衰竭等[9]。

基于上述傳統(tǒng)的化療藥物缺乏特異性、會對人體產生較大毒性、缺乏對腫瘤靶向性、無法在體內穩(wěn)定存在、易被機體清除且對腫瘤產生耐藥性[10]等缺點，它們在臨床的應用受到了限制。此外，納米顆粒對腫瘤的有限穿透仍然是癌癥納米醫(yī)學的主要挑戰(zhàn)之一，要想獲得有效的腫瘤治療，藥物必須深入腫瘤組織，以盡可能多的癌細胞為靶點?，F(xiàn)在的研究表明，藥物的療效與藥物的藥效之間不形成正比，而與藥物的輸送方式和在體內的釋放直接相關[11]，因此藥物的輸送成為關注的焦點。在復雜納米顆粒靶向給藥實體腫瘤的研究中，人們對獲得更好的治療效果和最小化全身毒性的納米藥物遞送系統(tǒng)寄予厚望。與小分子藥物相比，納米顆粒具有較大的體積，這使其能夠通過增強高滲透性和滯留(EPR)效應而在實體腫瘤中有效累積，具有安全性和高效性[12]。

藥物遞送系統(tǒng)(Drug delivery system，DDS)是采用多學科聯(lián)合的手段將藥物有效地遞送到目的部位[13]，生物材料被應用于納米給藥系統(tǒng)已經有很長時間，各種納米載體包括脂質體、囊泡、水溶性聚合物、膠束、高分子納米球、樹枝狀分子和無機納米材料[14]已被開發(fā)，在一定程度上改善了傳統(tǒng)藥物的缺點[15]，如：提高了生物利用度，改善了傳統(tǒng)化療藥物的體內藥動學特征，降低了藥物的毒性，提高了藥物到達腫瘤細胞的準確性以及延長了藥物在體內的作用時間等。但藥物載體遇到的生物屏障困擾也是一直難以解決的問題。最近，智能型納米藥物載體被開發(fā)出來并且成為藥物遞送系統(tǒng)的一個主流研究方向，它是將藥物負載于可以對腫瘤微環(huán)境響應的納米載體上，合成響應型納米藥物載體以解決傳統(tǒng)藥物遞送面對的困境。該類納米藥物載體在未到達腫瘤部位時，有良好的緩釋效果，當?shù)竭_腫瘤部位，會快速釋放包覆的藥物，增強藥物的靶向性，具有良好的可塑性[16]。

本論文主要了介紹了4種響應性納米藥物載體，分別是pH值響應性納米藥物載體、還原響應性納米藥物載體、酶響應性納米藥物載體及雙重響應性納米藥物載體，并對納米藥物載體今后的發(fā)展進行了展望。

1 pH值響應性納米藥物載體

腫瘤組織的微環(huán)境與正常組織存在差異，正常組織中的pH值為7.4，腫瘤組織呈弱酸性，pH值在6.8左右，腫瘤細胞內部的溶酶體及內涵體中pH值在4.5～6.3之間，表現(xiàn)出相對更強的酸性[17]。研究者們利用該差異設計了pH值響應性納米藥物載體。在對pH值響應的設計主要包括2種方式，一種是引入pH值敏感性聚合物，另一種是酸敏感化學鍵[18]。該藥物載體弱的酸性、堿性基團在 pH 值較低的環(huán)境下可電離，部分結構發(fā)生質子化，或酸敏感連接鍵在弱酸性條件下斷裂，引起被包埋藥物的敏感釋放，從而實現(xiàn)納米粒子的定向輸送和藥物的靶向釋放，以pH值變化刺激藥物釋放，達到提高治療效果目的[19]。

Zhao等[20]在2013年合成了D-α-生育酚聚乙二醇(1000)-嵌段聚(β-氨基酯)(TPGS-b-PBAE)嵌段共聚物，如圖1所示，該納米載體用來負載多西紫杉醇(DTX)，得到的納米粒子在pH=7.4的時候是穩(wěn)定的，但在弱酸性條件下(pH=5.5)聚(β-氨基酯)(PBAE)會質子化裂解，藥物被快速釋放。D-α-生育酚聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)是天然維生素E和聚乙二醇(1000)(PEG1000)的衍生物，它可以使得多西紫杉醇(DTX)在對藥物敏感或耐藥性強的腫瘤細胞積累和增加細胞毒性，在D-α-生育酚聚乙二醇琥珀酸酯(TPGS)和聚(β-氨基酯)(PBAE)的協(xié)同作用下，可以克服腫瘤耐藥性。該納米藥物載體可以增強藥物的包封率，延長在體內的循環(huán)時間，增強生物利用效率。

圖1 以TPGS-b-PBAE為納米藥物載體釋放DTX[20]

姜黃素(CUR)是從姜科、天南星科植物中根莖中分離出的天然化合物，它通過誘導病灶細胞凋亡及抑制各種類型的癌細胞增殖，從而實現(xiàn)抗炎癥、抗氧化及抗腫瘤作用。Rashidzadeh等[21]在2020年設計了一種聚合物-姜黃素偶聯(lián)物用來負載姜黃素。該偶聯(lián)物是利用(MPEG)m-GP(NH2)n-(MPEG)m嵌段共聚物與姜黃素通過酯化反應，利用薄層色譜法監(jiān)控反應進程合成的。利用透析法純化反應產物后通過核磁共振譜圖確證聚合物-姜黃素偶聯(lián)物的成功合成。該偶聯(lián)物響應pH值的原理是因為(MPEG)m-GP(NH2)n-(MPEG)m嵌段共聚物的側胺基與姜黃素的羰基通過席夫堿反應生成亞胺鍵，亞胺鍵是一種酸敏感化學堿，在腫瘤內部的弱酸性環(huán)境下，亞胺鍵會斷裂，釋放出姜黃素。通過表征，該偶聯(lián)物顯示出較低毒性，為姜黃素在納米藥物載體方面的運用提供了一種新的思路。

Yan等[22]在同年將Bcl-2 siRNA和前藥組成了GA-CS-PEI-HBA-DOX@DOX納米膠束，設計了一種可以同時遞送2種藥物的酸響應性納米藥物載體。Bcl-2是小干擾RNA(siRNA)的一種，可以靶向Bcl-2基因，抑制Bcl-2蛋白的合成，從而抑制細胞凋亡，將其與化療藥物聯(lián)用，可以提高癌癥治療效果。4-肼基-苯甲酸(HBA)與阿霉素(DOX)之間通過腙鍵連接，腙鍵是一種酸敏感化學鍵，它對腫瘤細胞內外環(huán)境的酸度變化非常敏感，在弱酸性條件下，腙鍵斷裂，釋放出藥物。膠束中有肝癌細胞的靶向配體甘草次酸(GA)，它會與肝癌細胞表面的甘草次酸(GA)受體特異性結合，提高載體對細胞的主動靶向性。該納米載體為化療藥物與小干擾RNA(siRNA)聯(lián)合運用于一種制劑中提供了一種新的思路，有利于藥物傳遞系統(tǒng)的發(fā)展，該組合有很大的臨床應用潛能。

本課題組[23]在2018年開發(fā)了一種新型的智能酸敏感型納米藥物載體，將合成的PLA-mPEG2000聚合物與TPGS3350-PHis-Folate聚合物通過納米沉淀法合成納米粒子用來負載多西紫杉醇(DTX)。其中，聚乙二醇(PEG)鏈可以延長體內循環(huán)時間，在正常生理條件下，靶向葉酸分子可以隱藏在PLA-mPEG2000的聚乙二醇(2000)(PEG2000)鏈中，關閉納米粒子主動靶向功能；但在腫瘤組織內部弱酸性環(huán)境下，聚組氨酸(Phis)的咪唑環(huán)中氨基的孤對電子離去，導致質子化，使得D-α-生育酚聚乙二醇琥珀酸酯(3350)(TPGS3350)中的聚乙二醇鏈暴露在納米粒子表面，葉酸也隨之被帶到表面，重新開啟主動靶向功能，由受體誘導的內吞作用進入細胞，釋放藥物多西紫杉醇(DTX)。該納米藥物載體結合主動靶向和pH值觸發(fā)藥物釋放雙重功能，使其在腫瘤部位積聚及被細胞快速吸收，為葉酸分子運用于pH值響應性藥物載體提供了一種新的思路。

由此可見pH值響應性納米藥物載體根據(jù)天然存在的pH值差值設計，具有很大的應用潛能。

2 還原響應性納米藥物載體

腫瘤細胞內外的pH值差異被研究者們發(fā)現(xiàn)并且運用的同時，有人也注意到了腫瘤細胞內外的還原條件的差異。在正常組織中，細胞內環(huán)境的谷胱甘肽(GSH)濃度在2～10 mmol·L-1，細胞外的谷胱甘肽(GSH)濃度在2～10 μmol·L-1，而腫瘤細胞內含有較高濃度的谷胱甘肽，是正常細胞內谷胱甘肽濃度的4～7倍[24]。還原響應性納米藥物載體的設計是根據(jù)腫瘤細胞內外的還原性的不同，還原鍵在正常生理條件下穩(wěn)定，但在還原劑如谷胱甘肽(GSH)、二硫蘇糖醇(DTT)等的作用下裂解的原理形成的[25]。目前，該納米藥物載體中常用的還原鍵有二硫鍵，其中二硫鍵響應谷胱甘肽的用途最為廣泛。近年來，還原響應性納米藥物載體的研究進展受到了廣泛的關注。

Song等[26]在2016年開發(fā)了一種含有二硫鍵的還原響應性阿霉素(DOX)藥物-藥物綴合物，并通過納米沉淀法將其制成DOX-SS-DOX納米粒子，通過網格蛋白介導的內吞作用增加細胞攝取，在腫瘤細胞內的谷胱甘肽還原條件下，二硫鍵斷裂，釋放出DOX-SH藥物，通過溶酶體中的酰胺酶破壞阿霉素(DOX)與巰基(—SH)之間的酰胺鍵釋放阿霉素。將該納米粒子與已經用于臨床的阿霉素(DOX)脂質體對比，表現(xiàn)出顯著抑制腫瘤生長的能力，具有更強的抗癌能力，為藥物-藥物共聚物合成納米粒子的發(fā)展奠定了基礎。

Xu等[27]在2017年制備了一種用于遞送抗癌藥物的還原響應性多肽膠束m PEG-b-PBMLC，然后將阿霉素(DOX)通過疏水相互作用加載到膠束上。聚(S-叔丁基巰基-L-半胱氨酸)嵌段共聚物(PBMLC)含有多肽片段，多肽是由氨基酸合成的材料，可以在代謝酶的作用下降解為氨基酸，氨基酸在體內可以快速代謝，不會對機體造成傷害，聚(S-叔丁基巰基-L-半胱氨酸)嵌段共聚物(PBMLC)中含有二硫鍵，會對谷胱甘肽響應，胞內釋放藥物，聚乙二醇(PEG)鏈延長藥物的體內循環(huán)時間。該納米膠束不僅可以運送阿霉素，也可運送一系列疏水性抗腫瘤藥物，載藥量可以達到50%以上，并且對腫瘤的生長有顯著的抑制作用，對多肽運用于谷胱甘肽響應性納米藥物載體開拓了新的方向。

He等[28]在2020年提出了一種新型還原響應性納米給藥系統(tǒng)來克服喜樹堿(CPT)的缺陷，DNA拓撲異構酶在腫瘤部位過度表達，喜樹堿(CPT)是它的一種重要的抑制劑。他們合成了CPT-LA前藥，并將前藥與2種表面活性劑SO-LA、MPEG-LA交聯(lián)，他們都含有硫辛酸結構，結構中含有巰基，通過交聯(lián)劑產生了二硫鍵，合成了CPT-LA核交聯(lián)納米膠束，它含有親水的聚乙二醇(PEG)殼。從各項表征實驗得出，其顯示出更好的抗腫瘤特性，且因為有高度交聯(lián)結構，所以非常穩(wěn)定，為喜樹堿在響應性納米藥物載體的應用提供了一種新的思路。

本課題組[29]在2020年提出了通過二硫鍵將TPGS3350偶聯(lián)化療藥物多西紫杉醇(DTX)得到聚合物 TPGS3350-SS-DTX，在水溶液中與聚合材料TPGS3350-FOL合成為還原響應型膠束，用于多西紫杉醇(DTX)的靶向運輸，如圖2所示。該藥物載體實現(xiàn)了化療藥物在體內長循環(huán)，主動靶向腫瘤細胞以及在胞內快速釋放藥物等多重功能。

圖2 以TPGS3350-SS-DTX & TPGS3350-FOL為納米藥物載體釋放DTX[29]

上述實例中的納米載體都引入了二硫鍵，并負載了傳統(tǒng)抗腫瘤藥物，可以提高抗癌藥物的水溶性，降低其的不穩(wěn)定性，使其準確到達腫瘤細胞并且在胞內快速釋放，該類還原響應性納米藥物載體有良好的應用前景。

3 酶響應性納米藥物載體

抗腫瘤藥物對許多腫瘤的滲透性低仍是影響其治療療效的關鍵因素。在腫瘤部位，一些基因的過表達會使酶的活性和表達發(fā)生很大的改變，酶具有高選擇性，因此可以據(jù)此設計出針對腫瘤微環(huán)境的酶響應的納米藥物載體。目前，在眾多的酶響應性納米藥物載體中，研究者們最喜歡研究的是基質金屬蛋白酶(MMP)，它分為20種，其中MMP-2和MMP-9的研究最為廣泛。基質金屬蛋白酶在多個腫瘤部位都顯示很高表達性，而在正常組織中顯示較低的表達性，該酶可以降解細胞外基質中的各種蛋白質，解決基質屏障，從而促使抗腫瘤藥物進入腫瘤部位[30]。針對基質金屬蛋白酶的特性，研究者們設計的響應性給藥系統(tǒng)的載藥方式主要包括3種：將藥物通過酶敏感鍵負載于載體上；將藥物包埋于對酶敏感的載體中；連接穿透蛋白。酶敏感策略將進一步增強給藥系統(tǒng)中的藥物穿透和在腫瘤部位累積，為納米藥物載體的研究打開了一個新的切入點。

Ke課題組[31]在2016年制備了一種針對基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)響應型肽鏈嵌段共聚物膠束用于遞送阿霉素(DOX)，該嵌段共聚物是由PEG、GPLGVRGDG、P(BLA-co-Asp)3部分組成。膠束通過芐基和羧基的靜電相互作用可以有效包裹阿霉素(DOX)。在基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)的作用下，脫除聚乙二醇，分離PEG-GPLG，可以克服細胞外環(huán)境的聚乙二醇(PEG)困境，同時VRGDG片段在膠束表面殘留，促進細胞攝取藥物。含有芐基和羧基的膠束具有很高的穩(wěn)定性，且提高了藥物的包封率，有利于酸和酶觸發(fā)藥物的快速釋放，在人纖維肉瘤細胞(HT 1080)細胞中，基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)會過表達，加阿霉素(DOX)的膠束顯示出更高的細胞攝取和細胞毒性，在MCTs結合和細胞穿透方面的性能較好，該模塊化抗癌藥物給藥系統(tǒng)設計策略很容易推廣到其他給藥系統(tǒng)設計中。

Ke課題組[32]在2017年制備出了一種酶響應性嵌段共聚物納米藥物載體。他們先將對基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)敏感的反應性多肽GPLGVRGDG插入嵌段共聚PEG-PDLLA中，組成新型嵌段共聚物PEG-GPLGVRGDG-PDLLA，它沒有顯著改變共聚物的理化性質，但是改變了其作為納米藥物載體的體內性能，如圖3所示。該共聚物會進一步自組裝成負載紫杉醇(PTX)的膠束納米顆粒(NPs)，在基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)的作用下，膠束中多肽G和V之間的位點裂解，殘留的VRGDG仍存在于膠束表面，可促進藥物紫杉醇(PTX)被細胞攝取。將其與PEG-GPLGVRG-PDLLA&PTX膠束和PEG-PDLLA&PTX膠束對照，通過表征實驗，證明了這種新型智能的兩親性嵌段共聚物納米藥物載體促進了藥物在腫瘤部位的蓄積，有較高的生物安全性。這為開發(fā)高效的酶響應性納米藥物載體提供了一種有效的策略。

圖3 以PEG-GPLGVRGDG-PDLLA為納米藥物載體釋放PTX[32]

Li等[33]在2017年以相對分子質量較高的聚乙二醇(PEG)鏈段和相對分子質量較低的PGPMA鏈段作為親水段，以聚己內脂(PCL)作為疏水性嵌段，合成一種酶響應的可裂解三嵌段共聚物PEG-GPLGVRG-PCL-PGPMA。然后該嵌段共聚物可以自組裝成不對稱小泡，在富集基質金屬蛋白酶(MMP)的腫瘤部位激活藥物紫杉醇(PTX)的傳遞，多肽斷裂，囊泡會變成互相融合的多密度小囊泡和小納米顆粒。該納米載體對細胞的親和力提高且細胞毒性顯著增強。這種系統(tǒng)的不對稱結構可以有效保護穿透細胞的分子有望作為智能納米載體高效地在體內應用于特異性藥物地傳遞。

本課題組[34]在2018年提出了采用TPGS3350-GPLGIAGQ-PLGA和TPGS-FOL共聚物為原料，研制了新型基質金屬蛋白酶-2(MMP-2)敏感納米藥物載體TPGS3350-GPLGIAGQ-PLGA&TPGS-FOL&PTX。與傳統(tǒng)抗癌藥物相比，該膠束藥物增強了腫瘤靶向性，提高了藥物在腫瘤部位的聚集，增強了細胞內化，使得抗癌效果更加顯著，副作用低。該載藥納米系統(tǒng)是一種很有前途的抗癌制劑，在未來的臨床試驗中具有很大的潛力。

本課題組在2019年提出了一種新的酶響應性納米藥物載體TPGS3350-PVGLIG-DOX&TPGS-FOL,該膠束可以主動靶向腫瘤細胞，實現(xiàn)在體內的長循環(huán)，降低對機體的毒副作用。

綜上，該型響應納米藥物載體的酶敏感特性將為癌癥治療帶來新的曙光，研究者們還在這條路上不斷摸索，以期找出最佳的酶響應性納米藥物載體。

4 雙重響應性納米藥物載體

目前大部分單一響應性藥物載體雖然克服了傳統(tǒng)藥物的一些缺點，但他們只對腫瘤微環(huán)境單一因素敏感，可能因為腫瘤內外該因素差異不明顯而達不到較好治療效果，因此研究者們提出將2種因素結合起來，制備出了雙重響應性納米藥物載體[35]。例如pH值-溫度雙重響應性納米藥物載體主要通過化學鍵將pH值敏感聚合物和溫度敏感聚合物偶聯(lián)，合成雙響應聚合物；或者分別對上述敏感聚合物進行修飾，最后通過自組裝形成雙響應膠束[36]。

Xie等[37]在今年合成了可以同時響應pH值和GSH的雙重響應性的PEG-CMCS-SS-PDPA/DOX納米藥物載體。羧甲基殼聚糖(CMCS)是殼聚糖的兩性離子衍生物，它可以在不同的pH值環(huán)境中表示不同的電性;聚乙二醇(PEG)可以促進共聚物自組裝，延長載體在體內的循環(huán)時間; PEG-CMCS片段被用作還原反應的屏蔽殼，可以使羧甲基殼聚糖(CMCS)表面電荷由正到負逆轉，使其不會被帶負電的血清凝結，提高其血液穩(wěn)定性；通過共沉淀法，聚甲基丙烯酸二異丙氨基乙酯(PDPA)片段用來負載和釋放阿霉素(DOX),可以避免藥物過早泄漏。綜上，在該藥物遞送系統(tǒng)(DDS)中，阿霉素(DOX)被裝載在由PDPA片段組成的對酸堿度敏感的核中，這些片段可生物還原地綴合在聚乙二醇(PEG)化的羧甲基殼聚糖(PEG-CMCS)主鏈上，充當對還原反應敏感的可降解殼。在pH值環(huán)境和還原環(huán)境雙重條件的作用下，敏感性殼裂解，藥物被釋放出來。所提出的PEG-CMCS-SS-PDPA/DOX納米粒子顯示出優(yōu)異的血清穩(wěn)定性，對酸堿和還原條件敏感，有較高的載藥量和抗腫瘤效果，為pH值條件和還原條件聯(lián)合運用于納米藥物載體提供了一種新的視野。

目前雙重響應性納米藥物載體的研究尚且不多，大部分研究出的納米藥物載體都以pH值和還原雙響應為主。目前發(fā)表的大部分文獻表明雙重響應性納米藥物載體比單一響應性載體能更加準確到達腫瘤細胞部位，并且對身體毒性顯著降低[38],但雙重響應性納米藥物載體是否優(yōu)于單一響應性載體還有待考證和研究，因此對雙響應性納米載體的合成和表征是未來的研究趨勢之一。

5 展望

目前，傳統(tǒng)藥物載體具有相對復雜的結構，在體內很難降解，其在材料的選擇上和應用上都存在明顯不足，只有少數(shù)可以運用于臨床治療。合成響應性納米藥物載體是一個很熱門的研究方向，它克服了傳統(tǒng)藥物載體的弊端，可以準確控制藥物釋放部位，增大了疾病治療效果。除了本論文提到的內部刺激因素，還有各種外部刺激因素，如：磁性、溫度及光等，設計者們根據(jù)這些因素不斷地進行探索。但因為單一響應性納米藥物載體有時對單一因素表現(xiàn)不出較高的敏感性，研究者們現(xiàn)在將目光放在了雙重及多重響應性納米藥物載體的設計上，如：pH值/還原、pH值/溫度、還原/酶、pH值/還原/酶等。但雙重及多重響應性納米藥物載體因其對多重因素響應，設計更加復雜，驗證更加困難，它是否會顯示出更加優(yōu)異的載藥特性還需要更多的研究探索，因此這也是未來納米藥物載體的發(fā)展方向之一。相信在世界大環(huán)境的快速發(fā)展、多學科交叉發(fā)展及科研人員的不斷探索下，可以有效解決納米藥物載體現(xiàn)在存在的問題，開發(fā)出一種對人體友好、治療效果最佳并且易生物降解的響應性納米藥物載體。