鄭沛育 楊波 陳重 薛昊 張艷君 彭海生

[摘要] 近年來，腫瘤一直是納米醫(yī)學(xué)研究的重點(diǎn)，腫瘤細(xì)胞外酸性環(huán)境為腫瘤靶向治療提供了新思路。pH敏感結(jié)構(gòu)隨著pH的改變而產(chǎn)生構(gòu)象變化，將pH敏感結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用于構(gòu)建pH敏感納米結(jié)構(gòu)以促進(jìn)腫瘤細(xì)胞攝取。本文對近年來用于腫瘤靶向藥物遞送的pH敏感納米結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行了綜述，描述了pH敏感結(jié)構(gòu)的類型，闡述了pH敏感結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式。對pH敏感納米結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步了解將有助于設(shè)計(jì)更有效的藥物遞送系統(tǒng)，以應(yīng)對腫瘤治療中遇到的挑戰(zhàn)。

[關(guān)鍵詞] pH敏感結(jié)構(gòu);納米載體;腫瘤靶向;藥物遞送

[中圖分類號] R73 ? ? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2020）04（b）-0028-04

Advances in the design of pH-sensitive nanostructures for tumor therapy

ZHENG Peiyu1 ? YANG Bo1▲ ? CHEN Zhong2 ? XUE Hao1 ? ZHANG Yanjun1 ? PENG Haisheng2▲

1.College of Pharmacy， Harbin University of Commerce， Heilongjiang Province， Harbin ? 150076， China; 2.College of Pharmacy， Daqing Campus， Harbin Medical University， Heilongjiang Province， Daqing ? 163319， China

[Abstract] In recent years， tumor has been the focus of nanomedicine research， and the extracellular acidic environment of tumor provides a new idea for targeted therapy of tumor. The pH-sensitive structure changes conformation with the change of pH. The combination of pH-sensitive structure and nanostructure is used to construct the pH-sensitive nanostructure to promote the uptake of tumor cells. This paper reviews the recent research on pH-sensitive nanostructures used for tumor targeted drug delivery， describes the types of pH-sensitive nanostructures， and describes the combination of pH-sensitive structures and nanostructures. Further understanding of pH-sensitive nanostructures will help design more effective drug delivery systems to address the challenges of tumor therapy.

[Key words] pH-sensitive structure; Nano-carrier; Tumor targeted; Drug delivery

癌癥一直是嚴(yán)重影響人類生存的疾病，現(xiàn)今臨床上所應(yīng)用的化療藥物在殺死癌細(xì)胞的同時(shí)也會損害正常細(xì)胞，治療效果不理想[1]，從不同途徑尋找高效低毒的抗腫瘤藥物已成為臨床的首要任務(wù)和必須克服的難題。

根據(jù)人和動物實(shí)體瘤的pH數(shù)據(jù)顯示，正常組織中細(xì)胞外pH和血液pH保持恒定在7.4，超過80%的腫瘤細(xì)胞pH低于正常組織，范圍在5.7～7.0之間[2]。腫瘤細(xì)胞的pH值低于正常組織主要是因?yàn)榘┘?xì)胞的糖酵解速率很高，而糖酵解將會產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)。此外，酸性環(huán)境有利于癌細(xì)胞生長，且會破壞細(xì)胞外基質(zhì)以及周圍的正常細(xì)胞[3]。

腫瘤細(xì)胞這種異質(zhì)性導(dǎo)致人們越來越重視具有靶向性的納米醫(yī)學(xué)，由于增強(qiáng)的滲透性和保留效應(yīng)，納米顆?？梢约仍谀[瘤中累積，又同時(shí)屏蔽周圍的良性組織[4]。納米材料通常是多組分系統(tǒng)，可以通過多種程序?qū)⒍鄠€靶向部分結(jié)合到納米粒子的表面，精細(xì)地設(shè)計(jì)不同組分的納米結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生單分子療法中不存在的強(qiáng)協(xié)同效應(yīng)。

具有pH響應(yīng)區(qū)段的納米結(jié)構(gòu)用于傳遞藥物可以增強(qiáng)在腫瘤細(xì)胞處的靶向特異性，促進(jìn)納米藥物進(jìn)入腫瘤細(xì)胞[5]。設(shè)計(jì)能夠改變腫瘤細(xì)胞化學(xué)或物理性質(zhì)的pH敏感納米結(jié)構(gòu)對于治療癌癥來說具有重大意義。因此，本文將從腫瘤細(xì)胞pH響應(yīng)機(jī)制以及pH敏感納米結(jié)構(gòu)的類型等方面對用于癌癥診斷和治療的pH敏感納米結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)行綜述。

1 pH敏感納米結(jié)構(gòu)響應(yīng)機(jī)制

pH敏感納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以基于以下3種不同機(jī)制：①引入可質(zhì)子化的基團(tuán);②引入酸不穩(wěn)定鍵;③pH敏感性“聚乙二醇（PEG）脫離”。見圖1。

1.1 引入可質(zhì)子化基團(tuán)

質(zhì)子化是實(shí)現(xiàn)pH觸發(fā)的藥物釋放最常用的機(jī)制之一。在這一機(jī)制中，將利用到含有離子基團(tuán)的pH敏感聚合物作為生物材料來構(gòu)建納米載體，它既可以是單體，在腫瘤pH周圍具有pKa值，也可以是與現(xiàn)有聚合物具有類似pKa值的小分子連接[6-7]。聚合物的pKa值可以作為一個重要的指標(biāo)來反映聚合物在不同pH水平下的電離行為。其pH反應(yīng)是由分子水平上可電離基團(tuán)的可逆質(zhì)子化和去質(zhì)子化引起的[8]。一般來說，可電離聚合物的電離行為有兩種類型：陰離子聚合物在相對較低的pH值下接受質(zhì)子，陽離子聚合物在相對較高的pH值下釋放質(zhì)子。

1.1.1 陰離子pH敏感聚合物 ?Ravazzolo等[9]開發(fā)了用于腫瘤靶向的含磺胺二甲氧嘧啶的聚合物。其中磺胺二甲氧嘧啶這類低聚磺胺類化合物是一種抗菌性藥物，與砜基連接的胺基所帶來的pH敏感性使它在生理pH值下帶負(fù)電荷，呈去質(zhì)子化，可與多聚物形成絡(luò)合物，該復(fù)合物可以保護(hù)聚陽離子不被非選擇性靶向[10]。當(dāng)pH值下降時(shí)，陰離子聚合物接受質(zhì)子，pH敏感塊由陰離子變?yōu)橹行?，聚合物和陽離子之間不存在離子相互作用，聚合物釋放陽離子，繼而釋放藥物。因此，低聚磺胺類化合物是一種很有前途的屏蔽陽離子的載體，可用于腫瘤靶向。低聚磺胺類化合物還可與琥珀酸普魯蘭酯（PA）偶聯(lián)，在水介質(zhì)中形成自組裝的PA/SDM水凝膠納米粒。添加抗癌藥物后，與pH 7.4時(shí)比較，在pH 6.4～6.8時(shí)，體系穩(wěn)定性下降，藥物的釋放速度更快[11]。

1.1.2 陽離子pH敏感聚合物 ?Chiang等[12]合成了帶有叔胺基團(tuán)的pH敏感脂質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體在pH 7.4下穩(wěn)定，在pH 6.8或更低時(shí)，與不含叔胺基團(tuán)的脂質(zhì)體比較，pH敏感脂質(zhì)體藥物釋放的速率更快，細(xì)胞攝取的更多，具備pH敏感性，達(dá)到了抑制腫瘤生長的目的。pH值的降低導(dǎo)致陽離子聚合物接受質(zhì)子，pH敏感塊由中性變?yōu)殛栯x子。聚合物的可電離叔胺基團(tuán)，其在生理pH值下不帶電，形成疏水核，可攜帶疏水藥物分子，在生理pH下也更穩(wěn)定[13]。隨著pH值降低，pH敏感基團(tuán)逐漸質(zhì)子化，導(dǎo)致親脂性至親水性相轉(zhuǎn)變，納米結(jié)構(gòu)表面形成通道和裂縫，穩(wěn)定性降低。當(dāng)pH值達(dá)到6.4，納米結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，隨著納米結(jié)構(gòu)的破壞，攜帶的藥物分子也被釋放出來。因此，在腫瘤pH下，細(xì)胞對釋放藥物的攝取也更大[14]。

1.2 引入酸不穩(wěn)定鍵

Sun等[15]合成了一種通過酸不穩(wěn)定鍵連接藥物與金納米粒子的pH敏感納米結(jié)構(gòu)，體內(nèi)研究證實(shí)酸不穩(wěn)定鍵裂解促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)藥物釋放到癌癥干細(xì)胞。由于腫瘤微環(huán)境與正常生理環(huán)境相比呈酸性，含有酸不穩(wěn)定鍵的聚合物可以通過降解來響應(yīng)pH的變化。這個“智能”系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，納米結(jié)構(gòu)與腫瘤pH下不穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)合，體系的穩(wěn)定性取決于酸不穩(wěn)定鍵在不同pH值中的裂解程度，酸不穩(wěn)定鍵在中性或堿性的pH值下不裂解，而當(dāng)pH值下降時(shí)，體系不穩(wěn)定，酸不穩(wěn)定鍵裂解，藥物釋放或者靶向配體暴露[16]。具有酸不穩(wěn)定鍵的聚合物被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)抗癌藥物傳遞系統(tǒng)，腙鍵是目前研究最多的酸不穩(wěn)定鍵之一，含腙鍵類化合物具有合成簡單、靈敏度適中等優(yōu)點(diǎn)。研究較多的還有硼酸酯類化合物，硼酸酯是由硼酸和醇形成的，在中性或堿性的pH值下穩(wěn)定，在低pH值的環(huán)境中容易分解為硼酸和醇基團(tuán)。見表1。

1.3 基于質(zhì)子化和酸不穩(wěn)定鍵裂解的PEG分離

pH靶向各種實(shí)體腫瘤的方法不僅包括直接觸發(fā)藥物釋放，還有通過屏蔽/脫粘機(jī)制暴露靶向配體來進(jìn)行藥物釋放。由于腫瘤細(xì)胞表面受體數(shù)量的增加，配體偶聯(lián)的納米顆?？梢酝ㄟ^促進(jìn)受體內(nèi)吞來增強(qiáng)腫瘤細(xì)胞的攝取。然而，上調(diào)受體的種類和數(shù)量在腫瘤細(xì)胞中并不一致[20]。實(shí)現(xiàn)配體和受體結(jié)合，1種通用的方案是結(jié)合陽離子細(xì)胞穿透肽，如人類免疫缺陷病毒1（HIV-1）的反式激活轉(zhuǎn)錄激活劑（TAT），細(xì)胞穿透肽最大的缺點(diǎn)是非選擇性，因此，選擇用較長的PEG進(jìn)行修飾。在pH 7.4下，PEG修飾的聚合物帶負(fù)電荷，與TAT分子發(fā)生靜電相互作用。然而，這種聚合物上的電荷密度會隨著pH值的降低而降低，當(dāng)pH值低于6.8時(shí)，由于靜電相互作用減弱，TAT與聚合物分離[21]。有學(xué)者[22]將磺酰胺與PEI結(jié)合，合成了用于腫瘤特異性基因遞送的結(jié)構(gòu)。同理，當(dāng)PEG鏈通過酸不穩(wěn)定鍵連接到納米結(jié)構(gòu)上時(shí)，在生理pH值下，較長的PEG鏈可以直接屏蔽與納米系統(tǒng)化學(xué)連接的配體。Zhang等[23]利用腫瘤酸性環(huán)境構(gòu)建了pH敏感性脂質(zhì)體藥物遞送系統(tǒng)，其表面修飾了具有細(xì)胞穿透活性的R8肽（通過PEG 2000與脂質(zhì)體相連），以及通過腙鍵與脂質(zhì)體連接的PEG 5000（圖2）。

這些pH響應(yīng)聚合物可以在不喪失pH敏感性的情況下與PEG結(jié)合，可應(yīng)用于在多層納米顆粒中形成可脫pH層，該體內(nèi)屏蔽/脫粘納米系統(tǒng)已被證明對各種實(shí)體瘤有效，是理想的腫瘤pH靶向技術(shù)。

圖2 ? 陽離子配體在健康組織和腫瘤微環(huán)境（pH=6.0）的屏蔽示意圖

2 其他pH敏感納米結(jié)構(gòu)

合成了表面活性劑殼聚糖-聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），并以殼聚糖為殼層，以PNIPAAm為核心組裝了納米粒子。當(dāng)殼聚糖和PNIPAAm以4∶1（w/w）組合時(shí)，靈敏度最佳。將藥物載入納米顆粒，進(jìn)行藥物釋放測試，在pH 6.8，溫度37°C時(shí)釋放效率最高，但在pH值6.5以下或高于pH值6.9時(shí)釋放減少。pH 6.8時(shí)的細(xì)胞毒性也明顯高于pH 7.4時(shí)。其釋放機(jī)制仍在研究中，但認(rèn)為其釋放是殼聚糖殼層膨脹和PNIPAAm核縮小共同作用的結(jié)果。PNIPAAm還廣泛應(yīng)用于溫度敏感系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)溫度和pH雙靶向提供了可能[24]。

3 結(jié)論與展望

pH敏感生物材料通過各種機(jī)制，在這些納米載體中產(chǎn)生構(gòu)象變化，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的攝取或藥物釋放。然而，與腫瘤受體靶向比較，真正針對腫瘤pH敏感納米系統(tǒng)的研究仍然是有限的，期望本文綜述的關(guān)于pH敏感納米結(jié)構(gòu)在腫瘤治療中的研究信息，可以進(jìn)一步預(yù)測藥物的釋放以及納米系統(tǒng)在細(xì)胞的內(nèi)化情況，更好地服務(wù)于臨床。總之，在靶向腫瘤細(xì)胞領(lǐng)域仍有廣闊的研究空間，隨著研究的深入，治療技術(shù)的更新，pH敏感納米結(jié)構(gòu)有望在癌癥治療中發(fā)揮重要作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] ?Tang S，Li Y. Sorafenib-Loaded Ligand-Functionalized Polymer-Lipid Hybrid Nanoparticles for Enhanced Therapeutic Effect Against Liver Cancer [J]. J Nanosci Nanotechnol，2019，19（11）：6866-6871.

[2] ?Peng XW，Liu PW，Pang B，et al. Facile fabrication of pH-responsive nanoparticles from cellulose derivatives via Schiff base formation for controlled release [J]. Carbohydr Polym，2019，216：113-118.

[3] ?Rothenberg ML，Carbone DP，Johnson DH. Improving the evaluation of new cancer treatments：challenges and opportunities [J]. Nat Rev Cancer，2003，3（4）：303-309.

[4] ?Shi J，Kantoff PW，Wooster R，et al. Cancer nanomedicine：progress，challenges and opportunities [J]. Nat Rev Cancer，2017，17（1）：20-37.

[5] ?Bozic I，Reiter JG，Allen B，et al. Evolutionary dynamics of cancer in response to targeted combination therapy [J]. Elife，2013，2：e00747.

[6] ?Gillies ER，F(xiàn)réchet JM. pH-Responsive copolymer assemblies for controlled release of doxorubicin [J]. Bioconjug Chem，2005，16（2）：361-368.

[7] ?Tang H，Luan Y，Yang L，et al. A Perspective on Reversibility in Controlled Polymerization Systems：Recent Progress and New Opportunities [J]. Molecules，2018，23（11）. pii：E2870.

[8] ?Sun H，Kabb CP，Dai Y，et al. Macromolecular metamorpHosis via stimulus-induced transformations of polymer architecture [J]. Nat Chem，2017，9（8）：817-823.

[9] ?Ravazzolo E，Salmaso S，Mastrotto F，et al. pH-responsive lipid core micelles for tumour targeting [J]. Eur J pHarm BiopHarm，2013，83（3）：346-357.

[10] ?Zapotoczny S. Stimuli responsive polymers for nanoengineering of biointerfaces [J]. Methods Mol Biol，2012， 811：51-78.

[11] ?Naeem F，Khan S，Jalil A，et al. pH responsive cross-linked polymeric matrices based on natural polymers：effect of process variables on swelling characterization and drug delivery properties [J]. Bioimpacts，2017，7（3）：177-192.

[12] ?Chiang YT，Cheng YT，Lu CY，et al. Polymer-lipsome complexes with a functional hydrogn-bond cross-linker for preventing protein adsorption and improving tumor accumulation [J]. Chem. Mater，2013，25：4364-4372.

[13] ?Kanamala M，Wilson WR，Yang M，et al. Mechanisms and biomaterials in pH-responsive tumour targeted drug delivery：A review [J]. Biomaterials，2016，85：152-167.

[14] ?Tian L，Bae YH. Cancer nanomedicines targeting tumorextracellular pH [J]. Colloids Surf B Biointerfaces，2012，99：116-126.

[15] ?Sun TM，Wang YC，Wang F，et al. Cancer stem cell therapy using doxorubicin conjugated to gold nanoparticles via hydrazone bonds [J]. Biomaterials，2014，35（2）：836-845.

[16] ?Zhang X，Malhotra S，Molina M，et al. Micro-and nanogels with labile crosslinks-from synthesis to biomedical applications [J]. Chem Soc Rev，2015，44（7）：1948-1973.

[17] ?Gillies ER，Goodwin AP，F(xiàn)réchet JM. Acetals as pH-sensitive linkages for drug delivery [J]. Bioconjug Chem，2004，15（6）：1254-1263.

[18] ?Heffernan MJ，Murthy N. Polyketal nanoparticles：a new pH-sensitive biodegradable drug delivery vehicle [J]. Bioconjug Chem，2005，16（6）：1340-1342.

[19] ?Masson C，Garinot M，Mignet N，et al. pH-sensitive PEG lipids containing orthoester linkers：new potential tools for nonviral gene delivery [J]. J Control Release，2004， 99（3）：423-434.

[20] ?Liu B，Thayumanavan S. Substituent Effects on the pH Sensitivity of Acetals and Ketals and Their Correlation with Encapsulation Stability in Polymeric Nanogels [J]. J Am Chem Soc，2017，139（6）：2306-2317.

[21] ?Shin J，Shum P，Grey J，et al. Acid-labile mPEG-vinyl ether-1，2-dioleylglycerol lipids with tunable pH sensitivity：synthesis and structural effects on hydrolysis rates，DOPE liposome release performance，and pHarmacokinetics [J]. Mol Pharm，2012，9（11）：3266-3276.

[22] ?Etrych T，Jelínková M，Ríhová B，et al. New HPMA copolymers containing doxorubicin bound via pH-sensitive linkage：synthesis and preliminary in vitro and in vivo biological properties [J]. J Control Release，2001，73（1）：89-102.

[23] ?Zhang L，Wang Y，Yang Y，et al. High Tumor Penetration of Paclitaxel Loaded pH Sensitive Cleavable Liposomes by Depletion of Tumor Collagen I in Breast Cancer [J]. ACS Appl Mater Interfaces，2015，7（18）：9691-9701.

[24] ?Martin NK，Robey IF，Gaffney EA，et al. Predicting the safety and efficacy of buffer therapy to raise tumour pHe：an integrative modelling study [J]. Br J Cancer，2012，106（7）：1280-1287.

（收稿日期：2019-09-06 ?本文編輯：顧家毓）