潘 攀，張 浩，易 喻

聚合物膠束的穩(wěn)定性及影響因素

潘 攀，張 浩，易 喻*

（浙江工業(yè)大學藥學院，化學工程學院，浙江 杭州 310014）

由兩親性大分子自行組裝形成的聚合物膠束被廣泛地應用于抗腫瘤藥物的靶向輸送，但是聚合物膠束納米載藥系統(tǒng)面臨著困境，即膠束進入人體內(nèi)后其穩(wěn)定性大大減弱，導致藥物的提前釋放從而失去了靶向作用。因此闡明影響聚合物膠束穩(wěn)定性因素是進一步設計和制備物理穩(wěn)定的聚合物膠束藥物輸送載體的基礎。本文從熱力學和動力學角度概述聚合物膠束穩(wěn)定性的影響因素，并進一步探討了其作為重要的藥物輸送載體在人體血液循環(huán)系統(tǒng)中受到血液微環(huán)境等不利因素的影響。

聚合物膠束；兩親性嵌段共聚物；藥物輸送載體

0 引言

惡性腫瘤是危害我國人民健康最嚴重的疾病，每年有約200萬人死于惡性腫瘤，并仍然呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。由于大部分化療藥物的疏水性結(jié)構(gòu)造成其在臨床使用上具有很大弊端，因此如何克服抗癌藥物在臨床使用上的缺點逐漸成為當下研究熱點[1]。聚合物納米膠束由于其親水外殼-疏水內(nèi)核的結(jié)構(gòu)可以對疏水性的抗癌藥物進行包封裝載，一方面可以增大藥物在體內(nèi)的水溶性，另一方面減小藥物對人體的毒副作用[2]。

目前聚合物膠束藥物載體與其它納米藥物面臨同樣的困境，即在一定程度上可以減輕毒副作用，但是療效較原藥并沒有顯著的提高。可能的原因是膠束在血液循環(huán)系統(tǒng)的快速解離導致了藥物的提前釋放從而失去了靶向性，造成膠束化藥物體內(nèi)療效不高。因此，闡明體內(nèi)和體外環(huán)境下影響聚合物膠束穩(wěn)定性的因素，將為進一步設計物理性質(zhì)穩(wěn)定的聚合物膠束進而獲得高效膠束型納米藥物提供重要理論基礎。

1 聚合物膠束及其結(jié)構(gòu)

聚合物膠束是指兩親性嵌段共聚物（一端為親水性聚合物，一端為疏水性聚合物）在溶液中達到一個臨界濃度時，由分子間的氫鍵、范德華力和疏水相互作用等自發(fā)形成納米級親水性外殼，疏水性內(nèi)核的核殼結(jié)構(gòu)[3]（如圖1）。這種獨特的核殼結(jié)構(gòu)是決定聚合物膠束功能的重要因素。

疏水性的核心是決定膠束溶解難溶性化合物能力的一個重要組成部分，膠束核心裝載藥物的能力很大程度上決定于疏水核心與藥物分子之間的相容性。常用的疏水聚合物有聚環(huán)氧丙烷，聚乳酸和聚己內(nèi)酯等[4-6]，這些嵌段共聚物主要通過膠束的疏水內(nèi)核與藥物的疏水區(qū)相互作用而發(fā)揮藥物裝載功能。

聚合物膠束的外殼是指兩親性物質(zhì)的親水端。常用于親水端的材料有聚乙二醇、聚（n-乙烯-2-吡咯烷酮）和聚n-（2-羥丙基）甲基丙烯酰胺等[7-8]。聚乙二醇作為最常見的親水區(qū)端應用于聚合物膠束的研究中，主要是因為它對人體相對安全并被FDA批準在藥物中使用。而且在膠束的外殼結(jié)構(gòu)中，聚乙二醇結(jié)構(gòu)緊密，降低了膠束與膠束和膠束與蛋白的相互作用，使得膠束不易聚集以利于單核巨噬細胞系統(tǒng)的吸收或清除。

2 聚合物膠束穩(wěn)定性

膠束的穩(wěn)定性可分為熱力學穩(wěn)定性和動力學穩(wěn)定性。熱力學穩(wěn)定性用于表征膠束在形成和到達熱力學平衡的過程。動力學穩(wěn)定性則用于描述膠束體系隨著時間的變化鏈段在膠束之間的轉(zhuǎn)移和膠束聚合/裂解的行為。

2.1 熱力學穩(wěn)定性

臨界膠束濃度（CMC）是表征膠束熱力學穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一。CMC用公式表示為CMC=exp（-nεh/kBT），其大小與熱能 εh 和聚合物與溶液之間的相互作用能kBT有關。CMC值越小表示膠束在熱力學上越穩(wěn)定。CMC值與膠束化自由能△G°相關，用公式表示△G°=RTln（XCMC）。 由于聚合物鏈段分子之間的交聯(lián)度比小分子之間高，因此聚合物膠束的CMC值比表面活性劑膠束的CMC值低。不同CMC值下，聚合物溶液呈現(xiàn)出不同的理化特征。一般情況下，聚合物膠束的CMC值在微摩爾級，其疏水端的大小與疏水性直接決定著膠束的穩(wěn)定性。聚合物的疏水性越強，膠束的CMC值越小[9]。另一方面，聚合物膠束的穩(wěn)定性與裝載的藥物有關，疏水性越強的藥物更容易與其內(nèi)核結(jié)合，有利于膠束的穩(wěn)定性。Allen與他的同事將抗癌藥物多西他賽共價結(jié)合到PEGPCL的疏水段，增強了包載藥物與疏水段的疏水作用力，從而制備出具外形更加均勻和水溶性更好的載藥膠束[10]。

2.2 動力學穩(wěn)定性

膠束動力學穩(wěn)定性描述的是膠束體系隨著時間的變化在溶液中的行為，特別是發(fā)生在膠束之間以及與膠束與外界環(huán)境之間的動力學行為。根據(jù)Mattice的理論，聚合物膠束的動力學平衡機理可以分為三個方面：鏈插入/分離，膠束合并/分裂、膠束跨越生成[11]。對于鏈分離和插入，指的是一個聚合物鏈從一個膠束中分離，返回到主體溶液中，然后插入至第二個膠束。當兩個膠束暫時融合且膠束核合并接觸時，鏈會發(fā)生交換。在這里，鏈轉(zhuǎn)移從第一個膠束轉(zhuǎn)移至第二個膠束。共聚物交換發(fā)生的最后機制是膠束跨越生成。兩個膠束的外部通過伸展鏈橋接，鏈沒有完全回到主體溶液中。鏈遷移從一個膠束至另一個膠束的這種方式，不會被完全從膠束分離，同時也沒有兩個膠束核間的聯(lián)系。膠束動力學穩(wěn)定性的影響因素有疏水性，嵌段比率和溫度等[12]。Jette等人改變PEG-b-PCL聚合物中PCL內(nèi)核的長度以使膠束解聚，然后使用液相色譜測定從完整膠束中解離的分離鏈，實驗表明增加膠束中疏水鏈的長度能夠增加聚合物膠束的穩(wěn)定性[13]。林琳等人利用核磁共振技術（NMR）研究膠束鏈段位移的變化，他們以PEG-PLA為研究對象，通過檢測PLA質(zhì)子在溶劑D2O中質(zhì)子峰的寬度來研究聚合物膠束核心嵌段的物理狀態(tài)。研究表明PLA中次甲基質(zhì)子峰寬隨著溫度的升高而逐漸變寬。因而隨著溫度的升高，PLA鏈位移更加劇烈，流動性顯著增大[14]。

3 聚合物膠束在人體血液環(huán)境的穩(wěn)定性

聚合物膠束作為藥物輸送載體通過靜脈注射進入到人體內(nèi)后經(jīng)歷了一系列環(huán)境變化，包括血液稀釋效應，血液pH與鹽濃度的變化等，其穩(wěn)定性會受到影響[15-17]。膠束一旦在血液循環(huán)系統(tǒng)中解離就會釋放出藥物，導致藥物失去靶向腫瘤的能力和在非靶器官中的蓄積。Yokoyama和他的同事們發(fā)現(xiàn)交聯(lián)阿霉素的共聚物膠束在水環(huán)境下穩(wěn)定，但在磷酸鹽緩沖液中卻失去其完整性。原因是聚合物膠束的疏水段疏水性較弱，當環(huán)境的pH值和滲透性發(fā)生改變時，膠束的疏水性內(nèi)核受到破壞導致其解體[18]。

除了溶液環(huán)境含鹽量和pH值會發(fā)生改變，載藥膠束在體內(nèi)輸送藥物時將暴露在大量的蛋白質(zhì)中。蛋白質(zhì)會吸附于膠束表面，同時破壞膠束凝聚力和穩(wěn)定性[19-20]。血清蛋白對膠束的三個不穩(wěn)定機制分別為：蛋白質(zhì)吸附、裝載藥物的影響和蛋白滲透進入核心。Lu[21]等人運用熒光共振能量轉(zhuǎn)移成像技術（FRET）考察了血液中的主要組分對PEG-PDLLA聚合物膠束穩(wěn)定性的影響。他們首先將具有FRET效應的膠束通過靜脈注射到小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)膠束在體內(nèi)快速地解體。為了探究影響膠束解離的主要因素，將膠束與血液中的主要組分如α-球蛋白，β-球蛋白，γ-球蛋白，血漿蛋白和血紅細胞分別攪拌孵化。實驗表明α-球蛋白和β-球蛋白是血液中影響膠束解離的主要成分。主要原因是血液蛋白容易吸附到帶電或輸水性的物質(zhì)表面，當血液蛋白吸附于膠束的外殼或與疏水的內(nèi)核鏈段相互作用時，就可能打破膠束的平衡而促使其解離。

當聚合物納米膠束進入人體血液內(nèi)，其穩(wěn)定性不僅會受到血液中主要組分如蛋白質(zhì)或血細胞的影響，而且體內(nèi)的流動環(huán)境也會影響著聚合物納米膠束的穩(wěn)定性[22]。Budamagunta等人發(fā)現(xiàn)PEG-TEMPO1聚合物膠束在體外血液環(huán)境下穩(wěn)定，但是通過靜脈注射到小鼠體內(nèi)，在不到2 h內(nèi)膠束解離60%，說明體內(nèi)微環(huán)境對膠束影響顯著[23]。目前僅有少數(shù)研究聚焦于體內(nèi)血液流動過程所產(chǎn)生的剪切力對膠束動力學穩(wěn)定性的影響。臨床資料表明，動脈粥樣硬化斑塊多發(fā)于動脈開口、分叉和彎曲的部位，而這些部位均為血流動力學變異較大的場所。Holme等人[24-25]以聚（甲基丙烯酸甲酯）形成的收縮腔模擬了人動脈粥樣硬化的心血管，以正常的管道模擬健康的心血管。兩個動脈模型具有2.5 mm入口直徑的管道，其中一個具有沿著2.5 cm節(jié)段高達75%橫截面積的收縮。對兩個動脈模型中的剪切應力評估得到收縮模型中的剪切力大小為40 Pa，而在健康血管模型中為2 Pa。使用體外循環(huán)泵來模擬心臟，發(fā)現(xiàn)載藥微囊在收縮腔的釋藥速率比健康血管模型中藥快許多，作者基于此推斷這可能是收縮腔內(nèi)產(chǎn)生的強大剪切力誘導藥物的快速釋放。Korin等人發(fā)現(xiàn)聚合物納米膠束在肺栓塞的小鼠模型體內(nèi)短時間發(fā)生了解離（如圖2）。之后他們在體外建立一個血管模型，發(fā)現(xiàn)膠束在高剪切力處迅速解離，由此說明血液剪切力對膠束穩(wěn)定性的影響顯著，這為我們探究聚合物膠束在體內(nèi)穩(wěn)定性的影響提供了新的思路[26]。

圖2 基于微流控芯片研究剪切力對聚合物膠束穩(wěn)定性影響的示意圖Fig 2 Schematic of using microfluidic Chip to study the effect of shear stress on the stability of polymer micelles

4 展望

目前，雖然人們已從現(xiàn)有的研究中對膠束穩(wěn)定性獲得了一定的認知，但由于體內(nèi)環(huán)境的復雜性，還無法較為全面地理解膠束穩(wěn)定性與藥物輸送之間的關系，比如聚合物膠束如何與藥物的相互作用從而影響其穩(wěn)定性，藥物的釋放與聚合物膠束的穩(wěn)定有何關系等等?，F(xiàn)階段存在許多手段來增加膠束的穩(wěn)定性，包括交聯(lián)疏水性內(nèi)核，鏈段末端添加共軛的靶向分子等，但是隨著膠束設計的越來越復雜，對其性能的評價也相應地變得困難，且耗時耗力，不利于聚合物膠束在臨床上的應用。此外，由于體內(nèi)環(huán)境復雜，實驗條件不易控制，所得結(jié)果不易量化，所以完全在體內(nèi)環(huán)境研究聚合物膠束的穩(wěn)定性影響可行性不高，能否在體外構(gòu)建一種新的評估模型來探究聚合物膠束的穩(wěn)定性影響因素也是一種新的思路。

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Stability and Influencing Factors of Polymer Micelles

PAN Pan，ZHANG Hao，YIYu*
（College of Pharmaceutical Science，College of Chemistry and Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China）

In present，the polymer micelle nano drug carrier system （PMNDCS）that made from amphiphilic macromolecularis facing dilemma，which is widely used in targeted delivery of anticancer drugs.It showed that the stability of micelles is greatly weakened in vivo ultimately as a result of the drug was released and lost its targeting effect.Therefore，it’s basic for depicting the factors that affect the stability of polymer micelles to further design PMNDCS.In this present study，we summarized the stability and dynamic of polymer micelle，which provided a new idea for the study of the stability of polymer micelles in vivo.

polymer micelle； amphiphilic block copolymer； drug carrier

1006-4184（2017）12-0008-04

2017-03-22

國家自然科學基金（C10114240）資助。

潘攀（1988-），男，碩士研究生，研究方向：藥物輸送載體在體內(nèi)微環(huán)境下的穩(wěn)定性研究。*通訊作者：易喻，E-mail:490377299@qq.com。