劉珊珊，馮藝

(1.江蘇經貿職業(yè)技術學院健康學院，江蘇省食品安全工程技術研發(fā)中心，南京 211168；2.南京林業(yè)大學化學工程學院，南京 210037)

對大多數(shù)藥物而言，存在水溶性差、化學穩(wěn)定性差以及靶向性差等問題。因此，為提高藥物的療效，通常需用載體將藥物包裹，進行保護和遞送[1]。金屬有機骨架(metal organic framework，MOFs)是一類由金屬離子中心和有機配體通過配位作用形成的多孔材料[2-3]，具有高比表面積和豐富的孔道結構，加之其結構和組成多樣性以及其孔道和物理化學性能易于調控等特性，備受科研工作者的關注。沸石咪唑酯骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是MOFs中的一類材料，主要是由鈷離子和鋅離子與咪唑配體結合而形成的一類多孔材料[4-7]。ZIFs不僅具有MOFs的優(yōu)勢，如豐富的孔道結構、高比表面積、結構多樣性、易于改性調控等，還具有獨有的優(yōu)勢。ZIFs具有良好的生物相容性和低毒性。以ZIF-8為例，主要由鋅離子和2-甲基咪唑組成，鋅離子對生物體的危害小，毒性低[8]。ZIFs的合成簡單，可在室溫下金屬離子溶液與配體溶液攪拌混勻即可合成。因此，利用該特性，可在合成過程中的前驅體溶液中引入藥物，實現(xiàn)一步法藥物負載。ZIFs還具有較好的穩(wěn)定性，可耐高溫，因此ZIFs包裹藥物后可保護藥物不受到高溫環(huán)境的破壞。此外，ZIFs具有 pH響應性，即在生理條件下穩(wěn)定，但在酸性環(huán)境下解體。在大多數(shù)以ZIFs作為藥物載體的研究中，就是利用ZIFs可在酸性環(huán)境中破壞而緩慢釋放孔道內部藥物的特性，作為抗腫瘤藥物的靶向治療。ZIFs解體后所釋放的鋅離子(Zn2+)本身具有抗菌殺菌的效果，具有某些特定形貌的ZIFs，如ZIF-L，其尖的棱角可物理破壞細菌的細胞壁，也可起到一定的殺菌作用[9]。FENG等[5]綜述了ZIF-8顆粒的合成方法以及在藥物傳輸中的應用，WANG等[6]總結了ZIF-8的合成、改性以及在腫瘤防治中的應用，以及胡強強等[7]綜述ZIF-8顆粒尺寸的調控方法以及在醫(yī)學中的應用。然而，這些綜述主要側重于ZIF-8的合成與應用，對其他ZIFs并未進行討論。此外，對于材料合成而言，關鍵的一步在于ZIFs對藥物包裹的合成策略?；诖耍揪C述主要討論ZIFs作為藥物載體的優(yōu)勢，針對ZIFs包裹藥物的合成方法進行總結，并對各種合成手段的優(yōu)缺點及在醫(yī)藥領域中的應用進行了總結歸納。

1 ZIF-8的合成與載藥的策略

1.1ZIF-8的合成 目前，ZIF-8的合成主要有溶劑合成法、水熱合成法、微波法、對流合成法、機械混合法等。溶劑合成法是將金屬離子和咪唑配體溶解在水或有機溶劑中，在室溫或加熱條件下合成；水熱合成法是將前驅液置于反應釜中加熱，在一定壓力、溫度下合成；微波法是基于電磁波與富電荷材料的相互作用，為反應提供能量，從而促進ZIFs的形成；機械混合法通過研磨或球磨前驅體的方式得到最終產物；對流合成法是合成ZIFs膜常用的方法，是將金屬離子溶液和咪唑配體分別置于多孔膜的兩側，通過對流形成晶核，進而得到ZIFs顆粒的方法。除上述方法外，ZIFs還可通過金屬氧化物做模板劑和前驅體，與配體反應形成產物，例如以氧化鋅做鋅源和模板劑，與2-甲基咪唑配體結合可得到ZIF-8顆粒[10]。

1.2ZIF-8載藥的策略 ZIFs載藥策略可分為在線包裹/一步合成法、后處理負載法、相轉化法以及表面活性劑協(xié)助負載法等，如圖1所示。一步合成法是通過在ZIFs形成過程中對藥物進行包裹；后處理負載法是先合成ZIFs材料通過浸漬的方式對藥物進行包裹負載；相轉化法是通過ZIFs之間的轉化以及表面活性劑協(xié)助法是基于一步合成法，在負載過程中加入表面活性劑對載體的孔結構等進行調控，以促進藥物負載過程。

圖1 常見的ZIF-8載藥策略示意圖 Fig.1 Schematic illustration of common strategies to encapsulate drugs into ZIFs-8

1.2.1一步合成法 由于ZIFs的形成是通過金屬離子(主要是鈷離子和鋅離子)和咪唑配體配位形成，因此在配位過程中可引入藥物，從而在ZIFs生長過程中形成對藥物的包裹。在液相體系中，金屬離子溶液與咪唑配體溶液混合，通過配位形成晶核后生長，最終得到ZIFs顆粒。在合成ZIFs過程中，藥物可先分散或溶解在金屬離子溶液或配體溶液中，從而在金屬離子簇與配體結合形成骨架結構的過程中形成對藥物的包裹。例如ALSAIARI等[11]將CRISPR/Cas9藥物與二甲基咪唑溶液混合，隨后加入鋅源，成功將藥物包裹在ZIF-8孔道內，其載藥率可達17%。ZHENG等[12]將抗腫瘤藥物多柔比星(DOX)與硝酸鋅溶液混合，兩者可通過配位作用力形成配位聚合物。隨后，將二甲基咪唑加入到該溶液中，通過鋅離子與二甲基咪唑的配位，達到ZIF-8包裹DOX(負載量達14%～20%)的目的。CHEN等[13]先將自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)與鋅離子溶液混合，隨后加入咪唑配體溶液，得到ZIF-8@3-MA[圖2(a)]。除上述加入順序外，也可先將鋅離子溶液與配體溶液混合，隨后加入藥物。如WANG等[14]通過這種加入順序，將吲哚菁綠引入到ZIF-8的孔道內。體外藥物試驗表明，該方法得到的ZIF-8包裹藥物具有較好的光熱治療療效。在固相體系合成ZIFs過程中加入藥物同樣可達到ZIFs包裹藥物的目的。例如在球磨ZIFs前驅體過程中加入藥物，可在線合成ZIFs包裹藥物的復合物[圖2(b)]。該方法的海藻酸鈉載藥效率高達83.5%，負載量可達6.68%。84%的藥物可在pH8的磷酸鹽緩沖液中8 h內緩慢釋放，展現(xiàn)出較好的藥物緩釋性能[15]。

圖2 (a)液相體系[13]和(b)固相體系[15]一步法ZIF包裹藥物的合成示意圖 Fig.2 One-pot synthesis of ZIF@drug in liquid solution (a)[13] and solid system (b)[15]

1.2.2后處理負載法 主要通過毛細作用力、靜電相互作用、范德華力或配位作用力將藥物與ZIFs進行結合。SHEARIER等[16]通過將合成好的ZIF-8顆粒經過球磨后分散到磷酸鹽緩沖液中并加入羥基脲，從而通過范德華力與ZIFs結合實現(xiàn)ZIFs對羥基脲的包裹。SOLTANI等[17]將慶大霉素溶解在甲醇溶液中，隨后加入預先合成的ZIF-8顆粒浸漬5 d，離心洗滌干燥即可得到ZIF-8包裹慶大霉素復合物(ZIF-8@GEN)。慶大霉素在ZIFs上的負載主要通過氫鍵和靜電吸附作用力來結合。WANG等[18]將ZIF-67顆粒浸漬在DOX和氧化鐵的前驅液中，得到ZIF-67包裹DOX和氧化鐵顆粒的復合材料。GOMAR 等[19]通過吸附，在ZIF-6、ZIF-3以及ZIF-1上負載氟尿嘧啶和硫鳥嘌呤分子，并通過模擬計算發(fā)現(xiàn)這兩類藥物分子會優(yōu)先吸附在ZIF-6和ZIF-1骨架上的Zn-咪唑配體的四元環(huán)上。與一步合成法相比，后處理負載法的優(yōu)勢在于可控制ZIFs的顆粒尺寸和形貌，即根據(jù)需要先合成具有一定顆粒尺寸和形貌的ZIFs進行藥物負載。而一步合成法是在線生長ZIFs顆粒，其生長速度不易控制，從而導致顆粒大小不均一以及顆粒尺寸難調控等缺點。雖然后處理法具有上述優(yōu)勢，但也存在以下幾個缺點，比如長時間浸泡會在一定程度上損壞ZIF的晶型，預先合成的ZIF由于其較小的孔道窗口，大分子無法進入孔道內部進行負載以及一般需較長的合成時間等。

1.2.3相轉變法 具有葉片狀的ZIF-L被認為是ZIF-8的中間態(tài)，是SOD結構的一部分[圖3(a-c)]。ZIF-L的二維SOD層與層之間通過氫鍵連接。經研究發(fā)現(xiàn)，ZIF-L可在有機溶劑中加熱轉化成ZIF-8[20]。利用這種特性，GUAN等[21]首先將藥物與ZIF-L混合，藥物進入二維SOD層間空隙，在ZIF-L轉化成ZIF-8的同時，咪唑配體連接相鄰的二維SOD片層，從而將藥物“關”在層間空隙中，形成包裹，如圖3(d) 所示。該工作為ZIFs包裹藥物提供了新的思路。

圖3 (a)ZIF-L的拓撲結構示意圖；(b)ZIF-8與ZIF-L的拓撲結構(綠色為ZIF-8拓撲結構，紅色顯示的為ZIF-L的層狀拓撲結構)；(c) ZIF-L的SEM形貌[22]；(d)相轉化法包裹分子示意圖 Fig.3 (a) Topological structure of ZIF-L；(b) Topological structure of ZIF-8 and ZIF-L (green is ZIF-8 topology，red is ZIF-L layered topology)；(c) SEM image of ZIF-L；(d) encapsulation of molecules into ZIFs via phase transformation method

除上述方法外，還可通過改性等方法對藥物進行包裹，如在ZIFs上引入官能團促進ZIFs與藥物之間的結合或通過模板劑協(xié)助包裹等。ABDELHAMID等[23]通過一步法合成ZIFs包裹藥物的同時加入三甲胺，可對ZIF的孔道結構進行調控，如圖4所示。三甲胺的加入不僅可促進ZIFs的形成，還可形成介孔，而所得到的ZIFs可有效保護包裹在內的染料分子(羅丹明B和亞甲基藍)以及蛋白質分子(牛血清白蛋白)，提高其分子穩(wěn)定性和存活時間。綜上，表1所示一步合成法，后處理負載法以及相轉化負載法各有優(yōu)缺點。

圖4 三甲胺為表面活性劑得到的具有多級孔結構ZIF-8包裹羅丹明B復合物 Fig.4 ZIF-8 encapsulated rhodamine B complex with hierarchical pore structure obtained by trimethylamine as surfactant

表1 不同ZIF-8包裹藥物的合成策略的比較 Tab.1 Comparison of different strategies to encapsulate drugs into ZIFs

2 ZIFs載藥系統(tǒng)在醫(yī)藥領域中的應用

目前，抗腫瘤治療的途徑有化學藥物治療、光熱治療、光動力治療等手段[24]。以ZIF為載體，負載相應的藥物或其他功能性材料如具有光響應、磁響應的材料，達到相應的治療的目的。最常見的手段是結合ZIFs的pH響應特性，即在酸性環(huán)境中ZIFs可解體，這一特性是其他MOFs如UiOs和MILs等不具有的。其主要原因是因為在酸性環(huán)境中，ZIFs的有機配體會被質子化，從而導致金屬離子簇與咪唑配體之間的配位鍵解離，導致骨架的破壞[25]。一般情況下，腫瘤細胞處在弱酸環(huán)境中，ZIFs到達靶向部位后在弱酸環(huán)境中解體，緩慢地釋放藥物。例如在ZHUANG等[26]的研究中，當pH值在7.4時，ZIF-8在24 h后藥物釋放小于10%，而在pH值為6的環(huán)境下1 h后藥物釋放可達50%，12 h后接近100% 。此外，ZIF解體所產生的金屬離子，尤其是Zn2+，本身具有一定的殺菌抗菌作用，也會對治療起到一定的貢獻。

ZIFs還可通過特定的化學試劑使其解體達到釋放藥物的目的。例如通過ZIF-90可在三磷酸腺苷(ATP)中解體的特性，可得到ATP響應的ZIF-90包裹蛋白質分子的復合物，并通過ATP使ZIF骨架發(fā)生分解，從而達到在目標區(qū)域釋放蛋白質分子的目的[27]。在該研究中，ZIF-90包裹蛋白質分子的復合物主要通過一步合成法得到，即將蛋白質分子分散在ZIF-90的前驅液中，通過金屬離子和咪唑配位形成骨架結構的同時，包裹蛋白質分子。上述兩種方法主要是通過ZIF的特性在特定環(huán)境中(pH變化或化學試劑刺激)響應，發(fā)生解體而使藥物釋放。除此之外，在合成過程中包裹具有功能化特性的材料，可使得ZIFs在其他刺激下如光、熱、磁性等發(fā)生響應，達到藥物釋放的效果：WU等[28]將Fe2O3顆粒包裹在ZIF-8中，使ZIF-8載體具有磁響應；SILVA等[29]報道了一種以金顆粒做內核以及ZIF-8做外殼的核殼結構，并通過引入Eu3+和Tb3+離子，使該材料具有熱響應，用于運輸和釋放氟尿嘧啶和咖啡因等藥物； SHARSHEEVA等[30]將光催化劑TiO2與ZIF-8結合，利用TiO2的光催化特性，使載體具有光響應特性。對光、熱、磁響應釋放藥物的途徑，通常不需要破壞ZIF的結構，而且由于其功能化材料的特性，會附帶其他功能，例如光照下光催化劑會產生光生電子和空穴，具有一定的氧化還原特性，而具有磁響應的載體可通過磁力為ZIFs傳輸產生動力。值得注意的是，上述提到的藥物釋放響應機制可組合使用(如pH-光響應等)，利用多種響應激發(fā)或促進ZIFs在靶向部位的藥物釋放。

除腫瘤治療外，ZIFs作為載體還在生物成像和生物大分子保護等展現(xiàn)出良好的應用價值。例如通過ZIFs包裹磁性的Fe3O4、熒光碳量子點等功能性材料使其具有一定的檢測能力，可實現(xiàn)診斷治療一體化：以ZIF-8為載體，同時包裹具有熒光效應的量子點和氟尿嘧啶，其中熒光量子點可在腫瘤部位顯影成像，而抗腫瘤藥物氟尿嘧啶在腫瘤部位的可控釋放又可達到治療的目的，如圖5所示[31]。氟尿嘧啶的釋放，通過pH響應，充分利用ZIF-8在酸性中結構緩慢破壞的特點，達到藥物在靶向目標中的可控釋放。在該研究中，熒光碳量子的負載通過一步合成法，即在ZIF-8的合成前驅液中，分散碳量子點，得到包裹碳量子點的ZIF-8材料。隨后，通過后處理負載的方式，將氟尿嘧啶負載在已成型的ZIF-8顆粒之上，從而達到ZIF-8負載包裹碳量子點和氟尿嘧啶的目的。FENG等[32]通過ZIF-8包裹抗體分子、免疫球蛋白等蛋白質分子，對其進行保護。實驗結果表明，ZIF-8包裹的蛋白質分子在3周后仍具有很高的活性，從而突顯ZIF-8的保護作用 。

圖5 (a，f)ZIF-8，(b，g)ZIF-8包裹量子點，(c，h)ZIF-8與量子點混合，(d，i)甲醇洗滌后的ZIF-8包裹量子點以及(e，j)甲醇洗滌后的ZIF-8與量子點混合分別在(a-e)自然光和(f-j)365 nm紫外光下的表觀圖像和(k)ZIF-8包裹熒光量子點和藥物分子的示意圖 [31] Fig.5 Powder photographs of ZIF-8 (a，f)，ZIF-8@carbon dots(b，g)，ZIF-8 mixed with carbon dots(c，h)，ZIF-8@carbon dots after methanol washing (d，i) and ZIF-8 mixed with carbon dots after methanol washing (e，j)；schematic diagram of ZIF-8 encapsulating fluorescent carbon dots and drug molecules (k) [31]

3 結語與展望

ZIF-8具有高比表面積、豐富的孔道結構以及pH響應等特性，使其成為藥物負載的良好載體，目前，ZIF-8作為藥物載體，可負載化療藥物等用于腫瘤治療、光熱治療等領域，且在生物成像、生物大分子存儲與保護中也展現(xiàn)出良好的應用價值。雖然目前ZIFs載藥系統(tǒng)已有很多研究并取得一定的成績，但在以后的相關研究應注意以下幾個方面：①ZIF-8以微孔為主，孔道窗口較小，對一些生物大分子的包裹依然存在挑戰(zhàn)，因此需要合成具有多級孔結構或刻蝕ZIF-8對大分子藥物分子進行有效包裹。此外，ZIF-8多以顆粒為主，具有其他形貌如二維片層或一維結構的ZIF-8包裹藥物的研究尚未報道；②對藥物的負載要區(qū)分孔道內負載與表面負載，對某些藥物，可通過吸附作用吸附在ZIF表面，并未進入孔道內部。此外，藥物負載后應充分的洗滌，將表面游離態(tài)的藥物脫除；③藥物負載或改性處理后的ZIF-8，其抗酸穩(wěn)定性會發(fā)生變化，因此，負載藥物的ZIFs在酸性環(huán)境中解體釋放需與純ZIFs的數(shù)據(jù)進行比較；④IF-8在解體后分解為鋅離子和咪唑配體。雖有研究表明，Zn2+具有低毒性，但對咪唑配體的毒性研究較少，因此，ZIF-8在分解后的安全性還需進一步的研究；⑤相關文章不僅需要對合成后樣品的性能進行測試，還需對合成機理研究進行探討以及合成條件優(yōu)化。綜上，ZIFs是一種具有前景的藥物載體，未來期待有更多的研究推動ZIFs在藥物遞送系統(tǒng)中的廣泛應用。