龔　銳　李勝英(天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院藥劑科，天津　3002)

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納米級靶向化療藥物的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

龔銳李勝英1(天津醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院藥劑科，天津300211)

〔關(guān)鍵詞〕納米級靶向化療; 3D篩選體外模型

1天津兒童醫(yī)院檢驗(yàn)科

第一作者:龔銳(1975-)，女，碩士，主管藥師，主要從事藥物分析方面的研究。

化療藥物的副作用使其應(yīng)用范圍很小在過去的十幾年中，納米醫(yī)學(xué)將納米尺寸和納米結(jié)構(gòu)的材料應(yīng)用于藥物的開發(fā)，其獨(dú)特性能克服了很多傳統(tǒng)化療藥物的限制，成為一個(gè)有發(fā)展前途的抗癌手段〔1，2〕。目前納米顆粒-化療藥物制劑已被批準(zhǔn)臨床使用，最知名的是阿霉素(鹽酸多柔比星脂質(zhì)體)和商品名為Abraxane的紫杉醇(白蛋白納米顆粒)，尚有一些其他藥物目前在臨床試驗(yàn)階段〔3〕。納米顆?？梢苑乐够熕幬锝到庖蕴岣咂湓隗w內(nèi)的生物分布，使其直接作用于腫瘤組織并減少對健康組織的影響。

1　腫瘤的靶向給藥方式和機(jī)制

在臨床前期和臨床研究中，已證明實(shí)體腫瘤的靶向給藥主要通過兩種方式:被動(dòng)積累和主動(dòng)靶向給藥〔2〕。被動(dòng)積累利用了腫瘤組織的病理生理特性:即腫瘤血管豐富、血管壁間隙較寬、結(jié)構(gòu)完整性差，淋巴回流缺失，能夠允許尺寸為幾百納米的納米載體通過。正常組織中的微血管內(nèi)皮間隙致密、結(jié)構(gòu)完整，納米顆粒不易透過血管壁〔2～4〕。而被動(dòng)積累依賴于納米載體藥物可使循環(huán)時(shí)間延長特性，從而可以在腫瘤部位聚集，也被稱為滯留效應(yīng)(EPR)。循環(huán)時(shí)間取決于納米粒子的物理化學(xué)性質(zhì)(大小，電荷，生物降解性，溶解度，形狀，剛度等)，這些特性在不同的給藥系統(tǒng)中都可以輕易調(diào)節(jié)〔4〕。

最常見的修飾是通過在納米顆粒表面添加聚乙二醇(PEG)和/或其衍生物增加親水性，從而逃避巨噬細(xì)胞捕捉與增加循環(huán)時(shí)間〔2，4〕。多糖與PEG的作用類似，可通過提供空間位阻防止非特異性蛋白吸附，以延長循環(huán)中納米粒子的穩(wěn)定性。例如，Goncalves等〔5〕證實(shí)十六酯糊精乙烯基聚合物膠束在血循環(huán)中的穩(wěn)定性和滯留時(shí)間延長。同樣，半乳糖基化殼聚糖5-氟尿嘧啶納米粒子〔6〕與聚乙烯亞胺/DNA側(cè)鏈的半乳糖化殼聚糖〔7〕在體內(nèi)表現(xiàn)出相同的穩(wěn)定性和循環(huán)時(shí)間的提高。此外，多糖具有可結(jié)合生物活性分子(如多肽、抗體或蛋白質(zhì))的官能集團(tuán)，納米粒子復(fù)合藥物比單一的藥物生理功能活性極大增強(qiáng)〔5～7〕。大多數(shù)的納米藥物制劑的臨床應(yīng)用和發(fā)展主要依靠被動(dòng)積累作用于腫瘤，因此，通過親水性聚合物和生物聚合物來賦予其“隱身”特性以增加循環(huán)時(shí)間是其成功的關(guān)鍵。

主動(dòng)靶向制劑實(shí)現(xiàn)了納米顆粒對靶細(xì)胞的識別。其利用靶細(xì)胞特異表達(dá)或過表達(dá)的多肽或抗體作為配體。因此，主動(dòng)靶向制劑實(shí)際上并沒有提高在納米粒子在腫瘤部位的積累，而是提高了由于腫瘤部位脈管系統(tǒng)被動(dòng)外滲的后，細(xì)胞對納米粒子的攝取〔2，8〕。腫瘤納米藥物制劑中，鐵和葉酸是主動(dòng)靶向制劑配體中最常見的基團(tuán)〔9〕。臨床獲批的唯一的用于治療白血病和淋巴瘤主動(dòng)靶向制劑的納米藥物是抗體耦聯(lián)藥物〔2，10〕。目前，還沒有主動(dòng)靶向制劑納米粒子制劑被批準(zhǔn)用于臨床使用，只有少數(shù)幾個(gè)尚在在臨床試驗(yàn)階段。

2　靶向給藥存在的問題

盡管有充分的證據(jù)和廣泛的研究工作證明被動(dòng)和主動(dòng)靶向納米藥物癌癥治療的有效性，但在臨床它們僅取得了有限的成功。因?yàn)槟[瘤微環(huán)境具有復(fù)雜性(腫瘤的異質(zhì)性，血管，腫瘤位置)，會(huì)對納米粒子的外滲，積累，及滲透到腫瘤產(chǎn)生影響。腫瘤的微環(huán)境是高度異質(zhì)性的，超過半數(shù)為非癌細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)(ECM)構(gòu)成的致密組織〔2〕。此外，腫瘤血管的高滲透特性使得納米粒子和體液可輕易進(jìn)入腫瘤組織環(huán)境，從而造成腫瘤間質(zhì)壓力非常高〔2〕。隨著腫瘤間質(zhì)壓力增加體積增大，而腫瘤的最外層區(qū)域壓力較低，導(dǎo)致惡性細(xì)胞在固體腫瘤內(nèi)往往是高度壓縮和高異質(zhì)性的〔2〕。因此，雖然腫瘤血管的高滲透特性可以促進(jìn)納米粒子的進(jìn)入和積累，但也構(gòu)成一些壁壘阻礙靶向給藥系統(tǒng)有效地到達(dá)腫瘤細(xì)胞而實(shí)現(xiàn)“魔術(shù)子彈”的抗癌療效。

另外納米給藥系統(tǒng)忽略了體外和體內(nèi)研究的差異性。在體內(nèi)納米粒子與活細(xì)胞接觸時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)立即覆蓋納米物質(zhì)表面，形成"蛋白質(zhì)冠冕"，在生物介質(zhì)上產(chǎn)生一個(gè)新的生物體。蛋白質(zhì)冠冕對細(xì)胞的攝取、炎性反應(yīng)、納米粒子的積累及降解和清除均有影響。此外，所吸附蛋白質(zhì)的組成和構(gòu)象也可以影響納米顆粒的整體生物活性〔10〕。納米顆粒的理化特性如化學(xué)構(gòu)成、疏水性、PH、官能基團(tuán)、大小和形狀都影響表面蛋白質(zhì)吸附。這些理化性質(zhì)對蛋白質(zhì)冠冕的成分以及對生物相互作用的影響已在其他領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛研究〔10〕。

3　腫瘤靶向藥物的展望

基于對腫瘤微環(huán)境的認(rèn)識，為了使納米粒子突破這些障礙達(dá)到目標(biāo)腫瘤細(xì)胞，目前的研究工作主要致力于利用納米粒子作為藥物運(yùn)送的載體，以此克服以往納米粒子主動(dòng)和被動(dòng)靶向給藥的一些限制。

3. 1靶向納米粒子作用于腫瘤的不同部位已有的方法之一是規(guī)避靶向納米粒子從腫瘤血管外滲到腫瘤脈管系統(tǒng)的多種阻礙〔2〕。腫瘤血管傾向于表達(dá)或過表達(dá)細(xì)胞表面和ECM的蛋白質(zhì)，而在正常的血管組織是不表達(dá)或較低水平表達(dá)，這一特性使他們成為理想的靶向給藥目標(biāo)。腫瘤血管腔內(nèi)表面細(xì)胞與循環(huán)的納米粒子直接接觸，避免了納米粒子穿透管內(nèi)皮細(xì)胞和腫瘤之間的多個(gè)細(xì)胞將其攜帶藥物滲透到腫瘤組織，同時(shí)也解決了納米粒子在腫瘤組織的高細(xì)胞密度、細(xì)胞外基質(zhì)和高細(xì)胞間隙壓力下滲透的難題。腫瘤血管靶向是在納米粒子上添加了與腫瘤血管結(jié)合的ECM抗體片段和多肽，如纖連蛋白額外結(jié)構(gòu)域B(EDB)和纖維蛋白-纖連蛋白復(fù)合物，以及可與腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞高表達(dá)的受體或分子特異性結(jié)合的多肽，如某些整合素受體，氨肽酶-N(CD13)和核仁素〔2〕。雖然這一策略具有明顯優(yōu)勢，但不適合無血管或血管密度低的腫瘤。此外，化療藥物納米粒子的靶向給藥在腫瘤血管微環(huán)境仍然分布貧乏。研究表明，化療藥物通常只能滲透三到五層細(xì)胞直徑的血管壁，幾乎沒有藥物能到達(dá)遠(yuǎn)端的腫瘤細(xì)胞，導(dǎo)致耐藥性的發(fā)生〔10〕。

納米粒子攜帶藥物深入腫瘤組織的能力可極大提高化療藥物的療效，某些活躍的腫瘤血管靶向肽已建議用于增加腫瘤的穿透。Sugahara等〔11〕證明了在納米粒子表面加入循環(huán)iRGD肽序列可通過RGD集團(tuán)與腫瘤血管整合素受體結(jié)合。結(jié)合的序列經(jīng)過蛋白水解裂解的肽暴露一種新的集團(tuán)可特異性與neutrophilin-1結(jié)合，從而滲透如腫瘤深部組織。進(jìn)一步的研究表明，iRGD結(jié)合CendR(R/KXXR/K肽序)與腫瘤歸巢肽(NGR)可以極大提升腫瘤歸巢和滲透性〔12〕。這些具有腫瘤歸巢/滲透特性的多肽已通過噬菌體實(shí)驗(yàn)展示出極大的優(yōu)勢，可被用于研發(fā)先進(jìn)的納米給藥系統(tǒng)。

3. 2改變靶向納米粒子特性提高藥物有效性研究表明，納米粒子的特性如大小、形狀和表面性質(zhì)等對腫瘤歸巢/滲透特性有一定影響。研究證實(shí)只有非常小的納米顆粒(20 nm直徑或者以下)可以滲透到腫瘤內(nèi)〔2，13〕。不幸的是，在這個(gè)尺寸范圍內(nèi)的納米顆粒會(huì)迅速通過腎臟清除，因此無法有效地在腫瘤中積累。這導(dǎo)致了“納米顆粒尺寸悖論”，即大顆?？稍黾友h(huán)時(shí)間而小顆粒則增加了滲透性。Wong等〔14〕曾試圖解決這個(gè)悖論，他們制備了100 nm的“多級”明膠量子點(diǎn)(QD)納米顆粒，在外滲到腫瘤后經(jīng)腫瘤相關(guān)蛋白酶降解成10 nm的小顆粒，從而可以有效滲透到腫瘤組織。這些顆粒核心為氨基聚乙二醇明膠量子點(diǎn)，化學(xué)耦合1 -乙基-3 -(3二甲基氨基丙基)碳二亞胺(EDC)/N-羥基硫代琥珀酰亞胺化合物。較大的納米顆粒在外滲如腫瘤后，由于腫瘤微環(huán)境存在豐富的基質(zhì)金屬蛋白酶而裂解為小的納米顆粒。

除了大小和形狀外，表面電荷也影響腫瘤滲透性。研究表明，粒子縱橫比對腫瘤滲透性也產(chǎn)生影響(即圓柱形優(yōu)于球形)〔15〕。同樣，粒子表面的負(fù)電荷已被證明可提高滲透性〔2〕。然而，納米顆粒的形狀和大小對腫瘤穿透性改變的機(jī)制目前仍然知之甚少，這些不同的特性如何最大限度提高腫瘤滲透性仍有待研究。

3. 3外部環(huán)境干預(yù)提高靶向納米粒子藥物療效用藥物、酶或炎癥介質(zhì)預(yù)處理腫瘤組織，或?qū)⑦@些分子與納米粒子連接可有效地提高納米粒子突破ECM屏障和/或增加細(xì)胞間隙的能力。納米粒子結(jié)合基質(zhì)降解酶如膠原酶，明膠酶，和透明質(zhì)酸酶有被證明可顯著提高納米顆粒向腫瘤內(nèi)滲透，從而大大提高其療效〔2〕。松弛激素預(yù)處理腫瘤可導(dǎo)致膠原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，能提高大分子外滲作用2～3倍〔2〕。低劑量化療藥物紫杉醇和阿霉素預(yù)處理腫瘤也可成功用于擴(kuò)大細(xì)胞間隙和增強(qiáng)較大的納米粒子5～200 nm的滲透性〔16〕。Chauhan等〔15〕發(fā)現(xiàn)，服用血管緊張素抑制劑氯沙坦降低腫瘤間質(zhì)的ECM密度，減少透明質(zhì)酸的生產(chǎn)，從而降低了表達(dá)纖維化的信號和腫瘤血管的壓迫〔17〕，這些因素提高了腫瘤的氧含量，增強(qiáng)了藥物傳遞到腫瘤。改善了乳腺癌和胰腺癌的小鼠模型中的缺氧增強(qiáng)了化療藥物的療效。由于血管緊張素抑制劑廉價(jià)且已應(yīng)用于臨床，因而其用于調(diào)節(jié)腫瘤微環(huán)境，改進(jìn)納米粒子給藥系統(tǒng)對腫瘤細(xì)胞的療效在不久的將來可能成為現(xiàn)實(shí)。

最新研究證明，通過外部刺激如光、熱、磁或超聲觸發(fā)以釋放納米顆粒的內(nèi)容物可以增強(qiáng)腫瘤的靶向給藥進(jìn)而提高療效〔18〕，而通過將外部刺激限制在特定區(qū)域內(nèi)，可以使藥物的釋放限定在該區(qū)域內(nèi)。此外，這些外部刺激已被證明能提高較大的納米顆粒有效地分布于整個(gè)腫瘤。此類藥物具有代表性的如Thermodox，溫度敏感的多柔比星類脂質(zhì)體靶向給藥納米粒子，目前也已處于第三階段臨床試驗(yàn)〔2〕。雖然這一策略展示了許多優(yōu)勢，但這一系統(tǒng)的穩(wěn)定性和如何產(chǎn)生有效的局部刺激都使得其在臨床有效應(yīng)用成疑。

3. 4建立可靠有效的體外三維(3D)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒^大多數(shù)的納米粒子研究是建立在二維(2D)基礎(chǔ)上的，即在單層細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中，納米載體粒子顯示了極大地有效性。然而只有在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)甚至臨床試驗(yàn)進(jìn)行后，才可以觀察到其進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的有效性。腫瘤微環(huán)境十分復(fù)雜，體外體內(nèi)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性研究及其缺乏，而且體內(nèi)模型不僅昂貴、復(fù)雜、耗時(shí)，而且在倫理方面缺乏可行性，所以需要采用更先進(jìn)的體外模型來篩選納米粒子給藥系統(tǒng)。腫瘤球體(多種腫瘤細(xì)胞系細(xì)胞體外培養(yǎng)形成的球體)是目前采用的最簡便且最先進(jìn)的納米顆粒3D篩選體外模型〔19〕。更復(fù)雜的系統(tǒng)可包含基質(zhì)和其他支持細(xì)胞，而這些基質(zhì)和支持細(xì)胞通常存在于腫瘤微環(huán)境和/或天然的及人工合成的ECM支架結(jié)構(gòu)中〔20〕。這些3D的腫瘤球體系統(tǒng)可以用來研究納米粒子的滲透性及療效。靶向納米粒子2D模型與復(fù)雜的3D腫瘤球體模型之間轉(zhuǎn)換的相關(guān)研究亦有文章詳述〔21〕。

靶向納米顆粒，其獨(dú)特性能克服了很多傳統(tǒng)化療藥物的限制，既可以防止化療藥物降解以提高其在體內(nèi)的生物分布，同時(shí)直接作用于組織，提高化療藥物的有效性，減少毒副作用和對正常組織的影響，這對提高化療藥物的有效性和病人的生活質(zhì)量具有重要的意義。

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〔2015-05-09修回〕

(編輯袁左鳴)

〔文章編號〕1005-9202(2015)20-5990-03;

doi:10. 3969/j. issn. 1005-9202. 2015. 20. 152

〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A

〔中圖分類號〕R98