張璇,黃健,王金輝,藺聰聰
哈爾濱醫(yī)科大學(xué) 藥學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150081
三氧化二砷(As2O3)俗稱砒霜,是最古老的毒物之一,首載于《日華子本草》[1],作為藥物應(yīng)用至今已有2400 多年。傳統(tǒng)中醫(yī)藥學(xué)認(rèn)為,砒霜是以毒攻毒的藥物,其藥性峻猛,有蝕瘡祛腐、殺蟲、劫痰、截瘧等功效[2]?,F(xiàn)代,As2O3發(fā)揮出不同的功效,20 世紀(jì)70 年代,張亭棟[3]以其為主藥研發(fā)出“癌靈一號(hào)”,運(yùn)用于急性早幼粒細(xì)胞白血病(APL),取得了顯著療效。隨著As2O3抗白血病臨床研究的開展及其機(jī)制的揭示[4],As2O3已成為被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)的治療APL 的首選藥。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),As2O3不僅對(duì)白血病有奇效,對(duì)肝癌、肺癌、前列腺癌、胃癌等實(shí)體瘤的治療也有一定的效果。As2O3具有較強(qiáng)的細(xì)胞毒性,且無(wú)需任何響應(yīng)或激活即具藥理活性。遺憾的是,全身注射后,抵達(dá)腫瘤并發(fā)揮生理活性的As2O3卻不足總給藥劑量的1%,其余大量As2O3會(huì)非特異性地殺傷正常組織細(xì)胞。此外,As2O3腎臟清除快、半衰期短等缺陷也阻礙了其在實(shí)體瘤治療中的進(jìn)一步推廣[5]。如何以“毒”攻“毒”、變“毒”為“寶”,實(shí)現(xiàn)As2O3在實(shí)體瘤臨床治療中的應(yīng)用,是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。納米載體作為新興的藥物運(yùn)載工具,能夠保護(hù)藥物不被降解,延長(zhǎng)藥物的血液循環(huán)時(shí)間,大大提高藥物在腫瘤部位的富集,從而降低其對(duì)正常組織和細(xì)胞的毒性。與納米技術(shù)相結(jié)合,研究者們開發(fā)了一系列具有被動(dòng)靶向性、主動(dòng)靶向性和響應(yīng)性釋放的新型As2O3靶向遞送系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)As2O3的定時(shí)定位遞送。本文綜述了近年來(lái)As2O3納米藥物應(yīng)用于實(shí)體瘤治療方面的最新研究進(jìn)展,以期為As2O3進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)體瘤提供新的思路。
相對(duì)于正常組織,實(shí)體瘤組織中血管豐富、血管壁結(jié)構(gòu)完整性差、間隙較寬,淋巴回流缺失,造成大分子類物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒具有高通透性和滯留性,腫瘤部位這種增強(qiáng)滲透滯留(EPR)效應(yīng),使得粒徑<200 nm 的顆??赏ㄟ^(guò)血液循環(huán)向腫瘤組織滲漏,賦予了其良好的被動(dòng)靶向性。筆者總結(jié)了基于EPR效應(yīng)被動(dòng)靶向遞送As2O3的不同納米載體,如脂質(zhì)體、聚合物囊泡及仿生納米粒在實(shí)體瘤中的最新研究進(jìn)展。
脂質(zhì)體是將藥物包封在類脂質(zhì)雙分子層中形成的納米級(jí)微小泡囊,其主要缺點(diǎn)是在血液中能被快速清除。隨著新型載體材料及藥物修飾物的開發(fā),免疫脂質(zhì)體、長(zhǎng)循環(huán)脂質(zhì)體、靶向脂質(zhì)體等新型脂質(zhì)體逐漸問(wèn)世,已成為許多藥物的首選載體。As2O3脂質(zhì)體的研發(fā)始于Gortzi等[6]成功制備了胂酸脂質(zhì)體,在3種惡性腫瘤細(xì)胞系(HL-60、C6、GH3)實(shí)驗(yàn)中,胂酸脂質(zhì)體顯現(xiàn)出明顯的細(xì)胞毒性,而對(duì)正常細(xì)胞抑制作用小。張旭等[7]發(fā)現(xiàn),As2O3脂質(zhì)體可誘導(dǎo)20.03%大鼠C6 腦膠質(zhì)瘤凋亡,遠(yuǎn)高于游離As2O3的誘導(dǎo)凋亡率(3.92%)。同時(shí)多項(xiàng)研究揭示,As2O3脂質(zhì)體對(duì)膠質(zhì)瘤中血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(VEGF)及CD34蛋白表達(dá)的抑制作用也更強(qiáng)[8-9]。腦膠質(zhì)瘤動(dòng)物模型中,靜脈注射As2O3脂質(zhì)體取得顯著效果。這是由于As2O3脂質(zhì)體具有較高的血腦屏障(BBB)通透率,可明顯提高腦內(nèi)藥物濃度,對(duì)大鼠腦內(nèi)膠質(zhì)瘤發(fā)揮更有效的治療作用。但采用普通材料和方法制備的As2O3脂質(zhì)體包封率低且不穩(wěn)定,As2O3在生理pH條件下主要以亞砷酸[As(OH)3]的特殊形式存在,其可以穿透脂質(zhì)雙分子層,導(dǎo)致藥物泄露和全身毒性。為獲得高包封率、高穩(wěn)定性的As2O3脂質(zhì)體,研究者嘗試通過(guò)將As2O3與過(guò)渡金屬離子(NiⅡ、CoⅡ、PtⅡ等)共沉淀,產(chǎn)生復(fù)合物后再載入脂質(zhì)體中。結(jié)果表明此類脂質(zhì)體可使As2O3在血液循環(huán)過(guò)程中保留在脂質(zhì)體內(nèi),從而提高了脂質(zhì)體的穩(wěn)定性和包封率[10-13]。Wang等[14]采用醋酸銅梯度法制備的As2O3脂質(zhì)體,通過(guò)在脂質(zhì)體內(nèi)使得水相醋酸銅與As2O3形成復(fù)合物,使包封率達(dá)83.1%。體內(nèi)藥動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,As2O3脂質(zhì)體血漿清除率顯著降低,與靜脈注射的As2O3溶液相比,體內(nèi)循環(huán)時(shí)間成倍增加,改善了藥物在腫瘤組織的分布。進(jìn)一步研究表明,砷與金屬離子形成的牢固骨架增加了藥物的穩(wěn)定性,這種脂質(zhì)體的儲(chǔ)存時(shí)間比原來(lái)延長(zhǎng)了6個(gè)月。綜上所述,由于脂質(zhì)體作為藥物載體時(shí)能改善藥物的藥動(dòng)學(xué)特征和組織分布,增加抗腫瘤藥的療效,減弱毒性,因此在構(gòu)建As2O3靶向遞送系統(tǒng)時(shí),從基于EPR 效應(yīng)的普通脂質(zhì)體,到偶聯(lián)特異性配體,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靶向腫瘤組織的主動(dòng)靶向脂質(zhì)體,脂質(zhì)體的開發(fā)也成為新的研究方向(表1)。
表1 As2O3脂質(zhì)體構(gòu)建策略及應(yīng)用
聚合物囊泡基本結(jié)構(gòu)與脂質(zhì)體相似,均為具有封閉的類脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu),但與脂質(zhì)體相比,聚合物囊泡的兩親性分子為合成的嵌段共聚物而不是磷脂,因此,其雙層膜具有更強(qiáng)的剛性,且其表面電性可通過(guò)共聚物組成改變,具有更強(qiáng)的增溶力、靶向性、緩釋性。在聚合物囊泡的制備中,聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)是常用材料,用聚乙二醇(PEG)表面修飾可避免其與單核巨噬系統(tǒng)的非特異性相互作用,獲得體內(nèi)長(zhǎng)循環(huán)效果。王琪等[18]將As2O3聚乳酸納米粒(As2O3-PLA-NPs)用PEG 衍生物(mPEG)修飾后藥時(shí)曲線下面積(AUC)為原來(lái)的1.64 倍。但PEG 本身會(huì)干擾納米粒和細(xì)胞間的相互作用,而且在藥物釋放過(guò)程中,PLGA 會(huì)被降解,降解體系呈酸性,可以引發(fā)炎癥反應(yīng),這些都要求研究者尋找新的改性材料。國(guó)外研究中,Song等[19]將PEG 和乳糖酸(LA)偶聯(lián)至殼聚糖(CS)上,制備了改性材料PEG 和LA 修飾的殼聚糖(PLC)。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)證明,優(yōu)化后的As2O3-PLGA/PLC納米粒子具有良好的血液相容性和緩釋性,在應(yīng)用于SMMC-7721細(xì)胞時(shí),能有效抑制瘤細(xì)胞生長(zhǎng),而對(duì)正常人肝細(xì)胞毒性低。因藥物載體和改性材料均具有良好的生物相容性和可降解性,這種聚合物囊泡對(duì)腎臟和肝臟無(wú)毒,是一種安全有效的肝癌化療給藥系統(tǒng)。Hu 等[20]發(fā)現(xiàn),PEG-PLGA-聚賴氨酸(PEAL)陽(yáng)離子胺基疏水/親水三嵌段共聚物在體內(nèi)降解產(chǎn)物無(wú)毒,且作為藥物載體時(shí)可增強(qiáng)對(duì)藥物的攝取,實(shí)現(xiàn)瘤內(nèi)給藥,在后續(xù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),PEAL 載As2O3遞藥后可通過(guò)降低DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶1(Dnmt1)和增殖細(xì)胞核抗原(PCNA)的表達(dá)、減弱Dnmt1和PCNA之間相互作用、誘導(dǎo)G2/M1基因阻滯等方式抑制腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)移,從而增強(qiáng)療效。由此可見(jiàn),研究開發(fā)新的聚合物材料是優(yōu)化As2O3聚合物囊泡的關(guān)鍵。
由于載體材料本身為異源性物質(zhì),因此在納米顆粒到達(dá)腫瘤組織前往往會(huì)被機(jī)體免疫系統(tǒng)快速清除,從而大大降低臨床療效。為解決此問(wèn)題,基于細(xì)胞、內(nèi)源性蛋白及病原體的仿生藥物遞送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。目前,As2O3仿生納米粒的研究主要是基于前2 種設(shè)計(jì)理念。Lian 等[21]利用紅細(xì)胞膜(RBCM)對(duì)As2O3納米粒進(jìn)行包裹。實(shí)驗(yàn)中用離子交聯(lián)法制備了負(fù)載有As2O3的海藻酸鈉納米粒(SANA),再將RBCM 包封于表面得到紅細(xì)胞包裹的載藥納米粒(RSANs)。RSANs 具有完整的雙層結(jié)構(gòu),平均粒徑為163 nm,平均包封率為14.31%,與未包膜組相比,包膜組藥物被巨噬細(xì)胞吞噬的幾率降低51%,且對(duì)NB4 及7721 瘤細(xì)胞系均有毒性,但對(duì)正常細(xì)胞毒性較低。另外,人血清白蛋白(HSA)也可用來(lái)包封納米粒,提高藥物的生物相容性或改善藥物的分散性。吳名等[22]發(fā)現(xiàn),用HSA 包覆多孔氧化鐵運(yùn)載As2O3后,可改善As2O3在緩沖液中的分散性,達(dá)到更好的肝靶向效果。樊繼波[23]采用乳化-熱固法制備的As2O3白蛋白納米球具有載藥量高、釋藥緩慢的優(yōu)點(diǎn),體外實(shí)驗(yàn)中能有效殺傷膀胱癌細(xì)胞,且與游離藥物相比,藥物毒性更低。最新研究中,研究人員采用化學(xué)原位沉淀法合成裸As2O3納米粒后用HSA 涂布。制得的納米粒在運(yùn)用于小鼠成纖維細(xì)胞和人皮膚成纖維細(xì)胞(HDF)中時(shí),展現(xiàn)出良好的生物相容性,并且對(duì)正常組織細(xì)胞的毒性低,HDF中HSA-As2O3的質(zhì)量濃度低于20 μg·mL-1[24]。
隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)腫瘤微環(huán)境(TME)遠(yuǎn)比預(yù)期復(fù)雜,致密的細(xì)胞外基質(zhì)、血管高滲透性、較高的組織液壓等形成了阻礙抗腫瘤藥物有效遞送的天然屏障[25],化被動(dòng)靶向?yàn)橹鲃?dòng)靶向的策略為納米藥物避開腫瘤組織致密微環(huán)境的天然屏障,進(jìn)一步提高負(fù)載藥物的療效開辟了新的思路。因此,在前期基礎(chǔ)上,研究者們針對(duì)腫瘤部位的特異性表達(dá)因子,設(shè)計(jì)了一系列主動(dòng)靶向納米制劑,如利用葉酸、抗體、多肽等對(duì)As2O3的納米粒進(jìn)行修飾。利用腫瘤細(xì)胞大量表達(dá)的特異性因子,實(shí)現(xiàn)As2O3在腫瘤部位的定向富集和精準(zhǔn)釋放,而正常組織細(xì)胞因缺乏對(duì)應(yīng)受體,藥物不易進(jìn)入細(xì)胞,從而減輕了藥物的不良反應(yīng)(圖1)。
圖1 As2O3主動(dòng)靶向遞藥原理
葉酸受體(FR)在腫瘤細(xì)胞膜上高度表達(dá),在正常組織細(xì)胞上的表達(dá)卻相對(duì)保守,將葉酸偶聯(lián)至脂質(zhì)體,介孔二氧化硅(SiO2)納米粒等載體上可賦予其主動(dòng)靶向性。Chen 等[26]將葉酸作為配體連接到As2O3脂質(zhì)體上,研究表明,人鼻咽癌細(xì)胞以FR為中介內(nèi)吞As2O3脂質(zhì)體,結(jié)合葉酸的靶向脂質(zhì)體細(xì)胞攝入率是未結(jié)合組的3~6 倍。葉酸修飾的主動(dòng)靶向系統(tǒng)在抗肝癌的研究尤其多。Zhu等[17]制備了葉酸修飾的亞砷酸鈣脂質(zhì)體(FA-LP-CaAs),在應(yīng)用于HepG2 細(xì)胞系時(shí),與未經(jīng)葉酸修飾的LP-CaAs 納米粒相比,F(xiàn)A-LP-CaAs 的細(xì)胞攝取率顯著增加,且HepG2 細(xì)胞內(nèi)As2O3濃度也提高,細(xì)胞凋亡率升高。葉酸也可以修飾其他納米載體,如白蛋白納米粒。劉海[27]合成了葉酸偶聯(lián)率為30.31 μg·mg-1的載藥葉酸偶聯(lián)牛血清白蛋白納米粒(F-BSANP)。將其應(yīng)用于A549 肺癌細(xì)胞模型時(shí)發(fā)現(xiàn),F(xiàn)-BSANP 組對(duì)腫瘤細(xì)胞的抑制率為72%,對(duì)正常細(xì)胞抑制率僅為13%,而未偶聯(lián)葉酸的藥物對(duì)腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞的抑制率分別為14%和10%。這表明葉酸修飾賦予藥物載體對(duì)靶細(xì)胞特異性殺傷作用。Chi等[28]在成功制備了具有pH依賴釋放特性且中心含有磁性氧化鐵納米顆粒的介孔SiO2納米粒后,為進(jìn)一步提高其對(duì)肝癌組織的靶向作用,將其表面用葉酸修飾,在應(yīng)用于SMMC-7721肝癌細(xì)胞系后,結(jié)果顯示,葉酸修飾組半數(shù)抑制濃度(IC50)下降至0.36 μmol·L-1,而用mPEG 修飾的對(duì)照組IC50為1.46 μmol·L-1,這說(shuō)明葉酸修飾增加了細(xì)胞藥物攝入率,因而獲得更好的抗癌效果。
抗體修飾可通過(guò)抗體-受體或抗體-配體識(shí)別結(jié)合的原理實(shí)現(xiàn)藥物的靶向運(yùn)送。采用抗體-受體結(jié)合策略構(gòu)建的主動(dòng)靶向藥物的基本原理是某些受體在腫瘤組織高表達(dá),因此在As2O3藥物上偶聯(lián)相對(duì)應(yīng)的抗體構(gòu)建的免疫微球或納米??梢园邢蚰[瘤組織。尿激酶系統(tǒng)包括尿激酶原激活物(uPA)和uPA 受體(uPAR),uPAR 在多種癌細(xì)胞表面過(guò)表達(dá),而在正常組織中低表達(dá)。因卵巢癌細(xì)胞具有高表達(dá)的uPA 系 統(tǒng),Zhang 等[13]將uPA 抗體連接 至As2O3脂 質(zhì)體上,這種靶向脂質(zhì)體應(yīng)用于卵巢癌細(xì)胞后,癌細(xì)胞藥物攝入的效率增加4 倍,細(xì)胞生長(zhǎng)抑制率為普通脂質(zhì)體的2倍。因VEGF-2受體在肝癌組織中過(guò)表達(dá),研究者將VEGF-2 偶聯(lián)至As2O3-PEG-PLA 納米粒上,該體系應(yīng)用于肝癌裸鼠模型后在肝腫瘤組織藥物濃度為未偶聯(lián)抗體的2 倍,而在其他組織藥物濃度顯著降低[29];陳巖等[30]將轉(zhuǎn)鐵蛋白受體的單克隆抗體(OX26)偶聯(lián)至As2O3脂質(zhì)體上制備的As2O3免疫脂質(zhì)體對(duì)大鼠腦膠質(zhì)瘤的抑制率高于單純As2O3組。另外,抗體-抗原的特異性結(jié)合亦可以提供設(shè)計(jì)主動(dòng)靶向藥的思路。Qian 等[31]將抗CD-44v6 抗體片段可變區(qū)共價(jià)連接至As2O3脂質(zhì)體囊泡上,因上皮細(xì)胞起源的腫瘤細(xì)胞高表達(dá)CD-44v6 抗原,所以該載藥體對(duì)此類腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出高度靶向性。該實(shí)驗(yàn)組進(jìn)一步將合成的納米粒應(yīng)用于人胰腺癌細(xì)胞系PANCE-1,發(fā)現(xiàn)與非靶向組相比,靶向組能夠更有效地運(yùn)送藥物到腫瘤組織。
葉酸或轉(zhuǎn)鐵蛋白等修飾的載藥體系往往與天然配體之間存在競(jìng)爭(zhēng),受體基本被內(nèi)源性的葉酸或轉(zhuǎn)鐵蛋白飽和,導(dǎo)致外源性導(dǎo)向效率偏低,因此多肽修飾作為一種新型高效的運(yùn)載配體正被越來(lái)越多的研究者所青睞。Angiopep-2 是近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一種能夠通過(guò)高表達(dá)于BBB 和膠質(zhì)瘤的低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白(LRP)介導(dǎo)靶向BBB 和腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞的多肽,因此用Angiopep-2 來(lái)修飾納米遞藥系統(tǒng)為As2O3腦部藥物遞送提供了新思路。研究者以聚丙烯酸(PAA)包覆的介孔SiO2(MSN)納米粒為載體,采用薄膜水化法自組裝形成Angiopep-2 修飾的功能化MSN 脂質(zhì)囊納米粒。其可通過(guò)和腦膠質(zhì)瘤細(xì)胞上高表達(dá)的LRP-1 特異性地識(shí)別結(jié)合,增加As2O3跨BBB 并靶向治療腦膠質(zhì)瘤能力,體外抗腫瘤活性實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了較好的體外抗腦膠質(zhì)瘤效果[32]。另外,整合素αvβ3 在大多數(shù)腫瘤細(xì)胞和其血管內(nèi)皮表面高表達(dá),而Arg-Gly-Asp 三肽序列(RGD 肽)是整合素αvβ3 的特異性配體,使用RGD 肽修飾的藥物也能實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織的靶向作用。Lu等[33]將RGD 肽與聚乙醇化-聚酰胺-胺(mPEG-PAMAM)樹狀大分子偶聯(lián)后,制備了靶向腫瘤組織的藥物載體RGDyCmPEG-PAMAM。由于偶聯(lián)RGD 肽增加了腫瘤細(xì)胞對(duì)藥物的攝取,因而對(duì)小鼠C6膠質(zhì)瘤抑制率為未偶聯(lián)RGD 肽載體的2 倍。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),iRGD(CRGDK/RGPD/EC)腫瘤滲透能力強(qiáng),TGN 肽是另一種BBB 靶向短肽。倪文娟等[34]用BBB 轉(zhuǎn)運(yùn)(TGN)肽和iRGD 修飾PAMAM 樹狀大分子,構(gòu)建出iRGD/TGN-PEG-PAMAM/As2O3腦膠質(zhì)瘤靶向給藥系統(tǒng),使得As2O3能更好地透過(guò)BBB 并在腫瘤組織呈特異性分布。在體外跨BBB-人惡性腦膠質(zhì)瘤U87細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中,在2種肽聯(lián)合修飾的給藥系統(tǒng)作用下,U87 細(xì)胞的存活率為39.24%,顯著低于單獨(dú)使用iRGD 肽,單獨(dú)用TGN 肽,或未修飾的對(duì)照組。在應(yīng)用于肝癌的研究時(shí),F(xiàn)ei 等[35]將RGD 與脂質(zhì)體(LP)-空心SiO2(CHMSN)結(jié)合,制備了RGD-LPCHMSN-As2O3載藥體系。為了將RGD 成功修飾于載藥中空SiO2(HMSN)表面,研究者采用氯二甲基十六烷基硅烷修飾HMSN 表面,以支持磷脂雙分子層,提高藥物遞送系統(tǒng)與細(xì)胞膜的親和力,并使其易于被RGD 肽修飾。當(dāng)應(yīng)用于H22 腫瘤-異種移植小鼠模型時(shí),RGD 肽修飾可顯著提高細(xì)胞攝取率,與游離As2O3組相比,半衰期延長(zhǎng)了1.7 倍,AUC 增加了2.4 倍,該載藥系統(tǒng)提高了藥物的靶向效率和抗癌潛力。
越來(lái)越多的研究表明,選擇性地將藥物遞送到特定的亞細(xì)胞細(xì)胞器可以顯著提高癌癥治療的效率,其中以線粒體為靶點(diǎn)的治療策略最受關(guān)注。一方面,線粒體是為腫瘤細(xì)胞提供能量的重要細(xì)胞器,更容易受到熱療和氧化損傷;另一方面,線粒體在調(diào)節(jié)癌細(xì)胞凋亡過(guò)程中具有重要作用,當(dāng)細(xì)胞受到刺激時(shí),線粒體內(nèi)外膜之間的細(xì)胞色素C 和凋亡誘導(dǎo)因子釋放,半胱氨酸-門冬氨酸特異性蛋白酶類(Caspases)凋亡通路被激活。因此,靶向線粒體可作為抗癌藥物遞送的新思路。研究表明,As2O3可通過(guò)線粒體途徑誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。綜上,以線粒體為靶點(diǎn)的As2O3遞送策略在癌癥治療領(lǐng)域具有廣闊的前景。TPP是目前最常用的線粒體靶向基團(tuán)之一。TPP化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有的3 個(gè)苯基使其整個(gè)分子具有很強(qiáng)的脂溶性,同時(shí),TPP 磷原子上的正電荷可以離域到3 個(gè)苯環(huán),形成離域正電荷,促使TPP 可穿越線粒體的磷脂膜。周偉等[36]將TPP 通過(guò)硅烷化試劑鍵接到三氧化二鐵介孔納米棒的表面,制備了具有線粒體靶向性的藥物載體輸送As2O3。在應(yīng)用于人類乳腺癌細(xì)胞MCF-7 時(shí)發(fā)現(xiàn),與未加TPP 的載藥體系及游離As2O3相比,結(jié)合TPP 后構(gòu)建的新型藥物遞送系統(tǒng)As2O3-TPP-PEG-MNRs 富集于MCF-7 細(xì)胞線粒體中,實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送。Wu 等[37]使用二氧化鋯為載體,用相變十四醇(PCM)修飾,構(gòu)建了微波(MWA)控制釋放的載As2O3納米微粒后,進(jìn)一步在其表面偶聯(lián)TPP。在體外實(shí)驗(yàn)中,與未偶聯(lián)組相比,偶聯(lián)TPP組直接靶向癌細(xì)胞線粒體,增強(qiáng)As2O3促進(jìn)線粒體損傷的作用。實(shí)驗(yàn)表明,表征線粒體凋亡的綠/紅熒光比值在偶聯(lián)TPP 組上升至2.39。在用于HepG2 細(xì)胞時(shí),可顯著抑制癌細(xì)胞轉(zhuǎn)移和增殖并促進(jìn)其凋亡。除TPP 外,靶向線粒體的配體還有十八烷基TPP、促凋亡肽等[38],但在As2O3的遞藥體系中并未研究。As2O3可通過(guò)多種機(jī)制對(duì)實(shí)體瘤起到治療作用,此過(guò)程涉及多種細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu),而納米載體細(xì)胞器靶向藥物也逐步發(fā)展。因此,除線粒體外,靶向其他細(xì)胞器可能將會(huì)成為As2O3靶向遞送的一個(gè)新思路。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)藥物的按需響應(yīng)釋放,基于TME中某些特殊環(huán)境、物理或化學(xué)因素設(shè)計(jì)的刺激響應(yīng)型納米遞送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,這類智能納米藥物遞送系統(tǒng)進(jìn)入體內(nèi)后可在外源性(如溫度、磁場(chǎng)、光等)或內(nèi)源性(如pH、谷胱甘肽、活性氧、酶等)刺激下通過(guò)載體結(jié)構(gòu)、構(gòu)型等特征發(fā)生改變,迅速或按一定速率釋放藥物。
磁場(chǎng)在腫瘤治療中功能眾多,如外加高頻交變磁場(chǎng)(AMF)時(shí)可升溫實(shí)現(xiàn)磁熱療?;诖?,永磁性藥物可利用其磁場(chǎng)響應(yīng)性實(shí)現(xiàn)磁性靶向運(yùn)輸。此外,與具順磁性或超順磁性的金屬離子結(jié)合可進(jìn)行磁共振成像(MRI)。例如,磁靶向熱敏脂質(zhì)體可以在外加磁場(chǎng)的作用下隨血液循環(huán)聚集到靶器官,通過(guò)磁熱轉(zhuǎn)化升高腫瘤部位的溫度,使脂質(zhì)體雙層的滲透性增加,藥物快速釋放,與普通的脂質(zhì)體相比具有更強(qiáng)的靶向性和更好的控制釋放特性。Wang等[39]將磁性納米粒子MZFs 和As2O3用溫敏材料實(shí)現(xiàn)共包封,制備了As2O3/MZFs 熱敏磁性脂質(zhì)體,MZFs 在接觸AMF 時(shí),其溫度可達(dá)到脂質(zhì)體相變溫度(42.71 ℃),實(shí)現(xiàn)定時(shí)定位給藥,應(yīng)用于肝癌細(xì)胞系時(shí),腫瘤體積抑制率高達(dá)85.22%。此外,另有研究者采用化學(xué)沉淀法制備了新型磁性納米藥物As2O3/Fe2O3[40]。因Fe2O3納米顆粒在高頻交變電磁場(chǎng)中具有良好的功率吸收能力和較強(qiáng)的磁響應(yīng)性,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)Fe2O3濃度,選擇合適的溫度范圍(42~46 ℃)進(jìn)行腫瘤熱療??梢?jiàn),這種給藥系統(tǒng)結(jié)合了磁流體熱療(MSF)和藥物化療的優(yōu)勢(shì),當(dāng)應(yīng)用于SMMC-7721 細(xì)胞系時(shí),療效遠(yuǎn)優(yōu)于單獨(dú)使用藥物。Chi 等[28]用磁性氧化鐵和多孔SiO2合成一種磁性藥物載體M-LPMSNs,在載入As2O3后發(fā)現(xiàn),在注射藥物0.5 h 后,腫瘤區(qū)域開始出現(xiàn)明顯的核磁信號(hào),并持續(xù)至少24 h,這有利于治療過(guò)程中的持續(xù)監(jiān)測(cè)。這種成像技術(shù)可以監(jiān)測(cè)藥物是否準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)部位,觀察藥物殺瘤效果,具有廣闊的發(fā)展前景。
由于腫瘤的快速生長(zhǎng)、新生血管生成導(dǎo)致腫瘤內(nèi)營(yíng)養(yǎng)和氧氣匱乏,代謝方式以糖酵解為主,從而在腫瘤間質(zhì)中產(chǎn)生酸性代謝物,使得TME 中pH 為5.7~7.8,而正常組織的pH 為7.2~7.4,利用腫瘤部位與正常組織間pH 差異可構(gòu)建pH 敏感的藥物遞送系統(tǒng)。傳統(tǒng)構(gòu)建pH 響應(yīng)性As2O3藥物遞送系統(tǒng)有2 種,一是將As2O3的不同鹽與Zn2+、Ni2+等金屬離子絡(luò)合制成前藥,在酸性環(huán)境下變?yōu)榛钚运幬锇l(fā)揮藥效;二是采用pH 敏感材料,如PAA 等進(jìn)行表面修飾?;诘谝环N設(shè)計(jì)思路的研究較為成熟,研究者開發(fā)出多種可與砷形成絡(luò)合物并各具特點(diǎn)的金屬離子。Huang等[41]利用As(OH)3與氯化鋅反應(yīng)生成亞砷酸鋅(ZnAsOx),再將其載入合成的納米級(jí)介孔SiO2中,制備了以SiO2為外殼,ZnAsOx為核心(ZnAs@SiO2)的納米藥物。ZnAs@SiO2在體循環(huán)中保持穩(wěn)定,而在pH為6.4時(shí)釋放增強(qiáng)。與Zn具有類似作用的還有鎳離子,且對(duì)砷負(fù)載率高。在Chi等[28]制備的多功能納米粒中,As2O3以亞砷酸鎳配合物的形式存在,在生理?xiàng)l件(pH=7.4)下穩(wěn)定,不顯示藥理活性,而在pH=5.4時(shí),核心藥物則會(huì)崩解成鎳離子和亞砷酸鎳,在將其應(yīng)用于SMMC-7721癌細(xì)胞時(shí),與游離As2O3組相比,凋亡誘導(dǎo)基因和凋亡抑制基因的比值(Bax/Bcl-2)的表達(dá)顯著升高,促進(jìn)細(xì)胞凋亡。Zhu 等[17]將As2O3以亞砷酸鹽的形式與Ca2+結(jié)合后構(gòu)建了以Ca3(AsO3)2為核心藥物的遞藥體系,其在酸性環(huán)境中同樣可溶解形成亞砷酸鹽,實(shí)現(xiàn)藥物的響應(yīng)性釋放。這一將As2O3與金屬離子結(jié)合制成納米前藥,構(gòu)建出自載藥物遞送體系的思路,在實(shí)現(xiàn)pH依賴可控性釋放的同時(shí),大大提高了藥物遞送體系的載藥量。此外,以pH敏感材料作為載體的載藥體系亦可實(shí)現(xiàn)As2O3在TME 中的觸發(fā)性釋放。PAA是一種最常用的pH響應(yīng)材料,具有低毒和良好的生物相容性。Xiao等[42]在載有As2O3的納米級(jí)中空SiO2表面偶聯(lián)PAA 作為pH 響應(yīng)材料后,As2O3在pH 5.0 時(shí)的48 h 累積釋放率達(dá)76.15%,遠(yuǎn)高于pH 味7.4時(shí)(40.52%)。
值得一提的是,近年來(lái)金屬有機(jī)框架(MOFs)的出現(xiàn)為pH響應(yīng)型納米遞送系統(tǒng)的制備提供了新的材料支持。MOFs 納米遞藥系統(tǒng)是將有機(jī)化學(xué)基團(tuán)與金屬離子相結(jié)合,構(gòu)建出納米級(jí)的結(jié)晶材料作為藥物運(yùn)載體,制備時(shí)藥物通過(guò)配位交換的方式進(jìn)入載體,在TME 中藥物亦可通過(guò)離子交換等方式釋藥,從而實(shí)現(xiàn)藥物的觸發(fā)性釋放;與傳統(tǒng)納米級(jí)藥物載體相比,對(duì)As2O3這樣的無(wú)機(jī)化合物,MOFs 形成的空隙結(jié)構(gòu)與巨大的表面積還賦予了其高載藥量的優(yōu)勢(shì)。Ettlinger 等[43]采用ZnⅡ離子作為金屬離子,2-甲基咪唑作為有機(jī)基團(tuán)合成了新型藥物載體鋅-甲基咪唑MOF(ZIF-8)作為藥物載體,再將As2O3以As(OH)3的形式通過(guò)配位交換的方式載入載體中,載藥量高達(dá)98 μg·mg-1。體外實(shí)驗(yàn)中,因ZIF-8 骨架在酸性條件下分解,因此載有As2O3的納米粒在酸性的TME 中可實(shí)現(xiàn)特異性釋放。在將其應(yīng)用于非典型畸胎樣橫紋肌瘤細(xì)胞系時(shí),可明顯抑制腫瘤細(xì)胞的生長(zhǎng)。MOFs 作為載體不僅載藥量大,且載體本身具備pH觸發(fā)釋放特性,這與目前pH 觸發(fā)釋放納米藥物大多是基于將As2O3制成各種鹽的思路不同,具有廣闊的研究前景。然而,在此研究中,實(shí)驗(yàn)者采用PEG 對(duì)MOFs進(jìn)行表面修飾,與未修飾藥物相比卻未發(fā)現(xiàn)明顯優(yōu)勢(shì),因此,關(guān)于MOFs的表面修飾方面仍需進(jìn)一步探究。
此外,低pH 插入肽(pHLP)的發(fā)現(xiàn)也為pH 觸發(fā)釋放遞藥系統(tǒng)提供了新思路。由于自身的特殊序列結(jié)構(gòu),pHLP 在堿性和中性條件下以單體形式存在,酸性條件下跨膜序列中的谷氨酸殘基、天冬氨酸羧基、C 末端均被質(zhì)子化,疏水性增強(qiáng)。因此,在酸性TME 中,pHLP 可折疊并插入細(xì)胞的脂質(zhì)雙層中,促進(jìn)納米藥物的細(xì)胞攝取,增強(qiáng)其在腫瘤部位滯留。Zhang等[44]利用反相微乳法構(gòu)建了以亞砷酸錳(MnAs)為核心藥物,納米級(jí)介孔SiO2為載體的載藥體系,再使用pHLP 包被,制備了在TME 中可控性釋藥的多功能藥物遞送體系MnAs-SiO2-pHLIP。體外實(shí)驗(yàn)表明,在肝癌、宮頸癌等多種癌細(xì)胞系中,MnAs-SiO2-pHLIP 在pH 6.0 時(shí)細(xì)胞攝入率更高,釋藥量也更大。同時(shí),酸性環(huán)境可以觸發(fā)Mn2+的釋放而增強(qiáng)T1 信號(hào),因此可以通過(guò)對(duì)比增強(qiáng)的磁共振成像信號(hào)實(shí)現(xiàn)藥物釋放情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
無(wú)機(jī)磷酸鹽在體內(nèi)以磷酸二氫鹽和磷酸一氫鹽的形式富集于血漿及細(xì)胞質(zhì)中。TME 中Pi的濃度是正常組織的2 倍。因此,Pi 被認(rèn)為是一種新的TME特征性生物標(biāo)志物?;诖耍芯空邆冮_發(fā)了Pi 觸發(fā)釋放的As2O3納米前藥。因鑭系礦物多以磷酸鹽的形式存在,其中釓離子(Gd2+)的磷酸鹽與相應(yīng)的砷酸磷酸化合物相比更加穩(wěn)定[KspGdAsO4(10.0~21.7)>KspGdPO4(10~25)]。因此,Chen 等[45]利用[GdAsOx(s)+Pi(aq)-GdPO4(s)+H3AsO3(aq)]的反應(yīng),制備了以亞砷酸釓(GdAsOx)為核心藥物的Pi 依賴釋放性As2O3自載遞藥體系。研究表明,在高濃度Pi 存在時(shí),釋藥率高達(dá)96%,而在沒(méi)有Pi的情況下,納米粒在不同pH條件下均無(wú)藥物泄露,證明了此載藥體系的高度腫瘤靶向性。此外,與游離As2O3相比,GdAsOx納米粒在腫瘤內(nèi)砷的積累增加10倍。此外,TME中高濃度的Pi不僅用于蛋白質(zhì)的快速合成和腫瘤細(xì)胞的增殖,而且是維持TME 酸性環(huán)境的重要離子。與未轉(zhuǎn)移的腫瘤相比,高轉(zhuǎn)移性腫瘤的Pi濃度增加。因此,當(dāng)磷酸取代As(OH)3時(shí),實(shí)現(xiàn)了靶向釋藥和堿化TME 的雙重治療作用。Fu等[46]用氯化釓水溶液(GdCl3·6H2O)和亞砷酸鈉(NaAsO2)制備了粒徑處于納米范圍的膠體GdAsOx納米顆粒。體外研究顯示,在存在1.4 mmol·L-1Pi介質(zhì)中,超過(guò)80%的砷釋放,而無(wú)Pi 時(shí)無(wú)藥物泄露。而隨著Pi濃度的降低,介質(zhì)pH逐漸升高。這證明,TME 中的Pi 在觸發(fā)藥物釋放的同時(shí)自身被耗竭,TME被堿化,而堿化TME也是一種新的腫瘤治療策略[47],因而Pi 響應(yīng)性釋放體系與其他刺激響應(yīng)性遞送系統(tǒng)相比可能具有更大的優(yōu)勢(shì)。在用于肝癌模型小鼠后發(fā)現(xiàn),多次注射后小鼠腫瘤體積減小了50%以上,與對(duì)照組相比生存時(shí)間顯著延長(zhǎng)。而且,雖然該藥物是由Pi 觸發(fā)釋放的,但對(duì)體內(nèi)磷平衡無(wú)明顯干擾,且該藥毒性可逆,停藥3 周后,小鼠重要臟器恢復(fù)正常。
腫瘤細(xì)胞內(nèi)還原性谷胱甘肽(GSH)的濃度(2~10 mmol·L-1)遠(yuǎn)高于正常細(xì)胞,而生理狀態(tài)下細(xì)胞外區(qū)GSH 濃度僅為2~20 μmol·L-1。因此,利用GSH 濃度的差異可以實(shí)現(xiàn)藥物載體在腫瘤細(xì)胞內(nèi)快速解離并釋藥。與pH 響應(yīng)及Pi 響應(yīng)釋放系統(tǒng)相比,還原性響應(yīng)釋放直接與腫瘤細(xì)胞內(nèi)高GSH 相關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)胞內(nèi)定位釋放藥物。As-S 鍵可以被高濃度的GSH 還原為巰基而斷裂,實(shí)現(xiàn)藥物的靶向釋放。利用這一性質(zhì),Zhang等[48]將巰基和疏水嵌段共聚物結(jié)合形成共聚物PEO-b-P(CCLC6-SH),再將三價(jià)砷的氧化物氧化苯砷(PAO)和巰基共同包封,由于巰基與砷的高親和力,藥物包封率提高15 倍,在高濃度的GSH 中,藥物釋放得到了顯著增強(qiáng)。與As-S 鍵相比,二硫鍵具有良好的氧化還原敏感性,其僅在10 mmol·L-1水平的GSH 中斷裂并釋放藥物,可以避免因正常細(xì)胞內(nèi)外存在的GSH 濃度差異觸發(fā)的藥物釋放,減少不良反應(yīng)。馬瑞等[49]以介孔SiO2為載體,通過(guò)二硫鍵修飾表面后,經(jīng)?;磻?yīng)連接PEG,最后通過(guò)靜電吸附作用負(fù)載As2O3,成功制備了氧化還原響應(yīng)性As2O3納米遞藥系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn),在含有10 mmol·L-1GSH 的釋放介質(zhì)中,As2O3累積釋放量達(dá)到81%,而不含GSH 時(shí)釋放量?jī)H為25.84%,有力證明了此載藥體系具有GSH響應(yīng)性釋放特性。除此之外,由于系統(tǒng)表面帶有一定正電荷,電荷密度和排斥力隨著pH的降低而增加,因此,此載藥體系也具有一定的pH 依賴性釋放特性。事實(shí)上,在其他抗癌藥物的納米遞藥系統(tǒng)中,二硫鍵還被用于構(gòu)建“前修飾”及“后修飾”[50]還原響應(yīng)納米載體,但有關(guān)研究在As2O3的遞送中尚未見(jiàn)報(bào)道。因此,如何充分利用二硫鍵在氧化還原響應(yīng)型納米載體構(gòu)建中的優(yōu)勢(shì),為As2O3的精準(zhǔn)遞送服務(wù)仍有待研究者的進(jìn)一步探究。
綜上,在刺激響應(yīng)性理念下設(shè)計(jì)的As2O3遞送體系可通過(guò)響應(yīng)外加磁場(chǎng)或微波實(shí)現(xiàn)藥物的可控性釋放,與MRI 技術(shù)結(jié)合后還可給藥的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用腫瘤微環(huán)境中低pH、高Pi 濃度、高GSH 濃度也實(shí)現(xiàn)藥物在靶向部位的精準(zhǔn)釋放,從而在降低As2O3引起的不良反應(yīng)、提高腫瘤療效等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛能(圖2)。
圖2 刺激響應(yīng)型遞送系統(tǒng)構(gòu)建原理
從As2O3成功應(yīng)用于白血病的治療以來(lái),研究人員致力于將其開發(fā)為高效低毒的抗實(shí)體瘤藥物應(yīng)用于臨床,使用納米技術(shù)協(xié)助As2O3運(yùn)送到腫瘤部位,減少其對(duì)正常組織細(xì)胞的不良反應(yīng),已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。迄今為止,研究人員嘗試制備了各種各樣的納米材料,進(jìn)行As2O3的包載和遞送,如脂質(zhì)體、聚合物囊泡、仿生納米粒等,被動(dòng)靶向納米粒主要通過(guò)EPR 效應(yīng)實(shí)現(xiàn)藥物在腫瘤組織的滯留。在此基礎(chǔ)上,對(duì)這些載體進(jìn)行修飾,構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向。基于抗體和配體的主動(dòng)靶向系統(tǒng)可以將藥物定向輸送到腫瘤細(xì)胞或亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中,提高療效、減輕不良反應(yīng)。已經(jīng)研究出通過(guò)使用多肽、葉酸、抗體及線粒體靶向的配體,可以實(shí)現(xiàn)As2O3向多種實(shí)體瘤的主動(dòng)靶向運(yùn)送。而如何針對(duì)不同腫瘤組織尋找其特異表達(dá)的受體,并使用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣吲潴w在載藥系統(tǒng)上的修飾效率,有待進(jìn)一步研究。除此之外,通過(guò)響應(yīng)內(nèi)源或外源物質(zhì)可實(shí)現(xiàn)藥物的可控性釋放。與磁性納米粒子及外加磁場(chǎng)相結(jié)合,構(gòu)建出磁響應(yīng)性釋放及溫度響應(yīng)性釋放體系,除靶向遞送藥物到腫瘤組織外,磁場(chǎng)用于升溫使得化療熱療相結(jié)合,且磁性粒子可用MRI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)藥物釋放情況和腫瘤組織的監(jiān)測(cè)。但目前,在As2O3磁性藥物遞送載體的研究中,開發(fā)的磁性納米粒子較為局限,且與磁性納米粒子復(fù)合的材料也有待進(jìn)一步研究,以減少藥物的泄露問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的靶向。與外源性響應(yīng)系統(tǒng)相比,基于TME 中高酸度、高磷及腫瘤細(xì)胞內(nèi)高GSH 濃度所設(shè)計(jì)的內(nèi)源性靶向系統(tǒng)一方面可以實(shí)現(xiàn)藥物的靶向遞送,且與外源性響應(yīng)系統(tǒng)相比,無(wú)需外加輔助,更具安全性;另一方面,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)TME 的調(diào)節(jié),如內(nèi)源性磷的減少可升高腫瘤局部pH,起到堿化TME 的治療作用。而將主動(dòng)靶向與內(nèi)源性及外源性響應(yīng)釋放技術(shù)相結(jié)合所構(gòu)建的多功能納米靶向遞送體系相當(dāng)于對(duì)以上靶向技術(shù)的加和,能將As2O3更精準(zhǔn)地運(yùn)送到腫瘤部位,并響應(yīng)于刺激性物質(zhì)而定位釋放。
目前,關(guān)于As2O3靶向遞送系統(tǒng)的研究雖取得了一定進(jìn)展,但仍面臨與其他納米藥物一樣的棘手問(wèn)題。在納米載藥體系設(shè)計(jì)方面,包括粒徑分布、表面功能性修飾、粒徑調(diào)控、結(jié)構(gòu)可變等,都或多或少存在著理論框架的空白,如何設(shè)計(jì)功能良好且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的納米載體有待進(jìn)一步研究。人體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性要遠(yuǎn)超過(guò)我們的理論設(shè)計(jì),如血液含有大量不同的生物蛋白,同時(shí)體內(nèi)氧化還原環(huán)境、pH 環(huán)境等都在不斷地變化,且體內(nèi)保護(hù)性的免疫清除系統(tǒng)會(huì)高效地清除外來(lái)異物。因此,簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的納米載體往往會(huì)導(dǎo)致納米藥物的理化性質(zhì)存在許多不確定性,在進(jìn)入體內(nèi)血液循環(huán)后極易產(chǎn)生不穩(wěn)定崩解,被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)快速清除,或者與帶電生物分子發(fā)生不良反應(yīng)。尤其對(duì)于As2O3這樣治療窗窄,且會(huì)以無(wú)機(jī)鹽形式穿透脂質(zhì)雙分子層的毒效并存藥物,納米藥物固有的理化性質(zhì)缺陷更不容忽視。因此,今后的研究仍需進(jìn)一步結(jié)合As2O3自身的性質(zhì),采用雙靶向或多靶向的設(shè)計(jì)策略,通過(guò)物理化學(xué)原理及相應(yīng)的標(biāo)度關(guān)系精確設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且功能最優(yōu)化的納米載體,以實(shí)現(xiàn)As2O3在實(shí)體瘤中的精準(zhǔn)釋放。