刺激響應性聚合物納米膠束在藥物控釋中的應用研究

張海博 黨婧

摘要：聚合物納米膠束不僅可以提高藥物的溶解度、生物利用度，延長藥物在人體內的循環(huán)時間，還可以有效控制藥物的釋放而實現(xiàn)靶向治療效果，極大地減少藥物對人體的副作用。通過嵌段共聚物的納米工程，可制備出具有細胞或組織靶向性且對物理或化學刺激敏感的高分子藥物載體。本文綜述了對pH值、溫度、超聲波和光具有響應性的聚合物納米膠束的制備及其在藥物控制釋放領域的應用。

關鍵詞：聚合物納米膠束；藥物控釋；刺激響應性；嵌段共聚物

中圖分類號：TQ437+.9 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）04-0058-06

在藥理學上有很多藥物對癌癥的治療是有效的，但藥物自身的細胞毒性和低水溶性使其在臨床上的應用受限。因此有效控制藥物的釋放，在規(guī)定時間內將規(guī)定劑量釋放至規(guī)定部位，實現(xiàn)靶向治療，不僅可以減小藥物的細胞毒性，也能提高治療效果。

與常規(guī)給藥相比，藥物控制釋放可以維持穩(wěn)定的藥物水平，延長作用時間，減少給藥次數，降低毒副作用和耐藥性，特別適用于一些毒副作用較大（如抗癌藥物）、易失活的藥物或生物制劑（如蛋白質和多肽藥物）[1]。1906年，德國保羅埃爾利希最先提出了只攻擊病原體，而不攻擊人體細胞的藥物概念，并將該藥物稱為“魔術子彈”。20世紀80年代初，Helmut Ringsdorf首次將聚合物膠束作為藥物載體[2]。

聚合物膠束是由兩親性二嵌段共聚物或三嵌段共聚物自組裝制備而成，具有制備簡單、高載藥量和可控制藥物釋放等優(yōu)點，是一種極有前途的藥物載體。在過去的30年里，諸多類型的藥物載體用聚合物膠束已被合成并得到廣泛的應用[3]。

1 聚合物納米膠束

通常情況下，聚合物膠束為球形的核/殼結構，粒徑為10～100 nm，內核由疏水性嵌段組成，可作為疏水性藥物的納米容器；外殼則由親水性嵌段組成，以確保膠束在水溶液中的溶解度和穩(wěn)定性。研究者通過對其外殼進行化學接枝修飾，成功實現(xiàn)膠束某種特定功能（如細胞靶向性）。聚合物膠束的形成和特征屬性如圖1所示[4]。

刺激響應性聚合物膠束可以在正常的人體組織中保持穩(wěn)定以避免藥物的提前釋放，又能確保藥物在需要的地方快速的釋放。

1.1 pH值敏感性聚合物膠束

腫瘤間質液的pH值約為6.75[5]。膠束進入癌細胞后，將處在內涵體和溶酶體的酸性環(huán)境中（pH值為5.0～5.5）。因此，應用pH值敏感性膠束的加速降解來釋放包封藥可克服內涵體或溶酶體膜對藥物到達其目標位點的障礙。目前制備pH值敏感性聚合物膠束主要有以下2種方法[6]：引入對pH值敏感的化學鍵（如腙鍵）；利用可質子化的含堿性或酸性嵌段共聚物。

1.1.1 引入對pH值敏感的化學鍵

腙鍵的作用是把抗癌藥物連接到藥物載體上[7]。Quan[8]通過"點擊化學"法在環(huán)糊精二聚體上同時連接親水性和疏水性嵌段形成兩親性嵌段共聚物，進而自組裝形成聚合物膠束。以“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”多肽序列為膠束的靶配體，再通過腙鍵把聚乙二醇側鏈引入到主鏈上。結果表明，膠束到達腫瘤部位后，腙鍵水解，聚乙二醇鏈被除去，膠束被癌細胞識別和吸收，藥物迅速釋放（如圖2所示），實現(xiàn)了阿霉素的靶向釋放。

Bae等[9]利用兩親性嵌段共聚物聚（乙二醇）-聚（A-芐基-L-天門冬酸）（PEG-PBLA）制備出載藥膠束，抗癌藥物阿霉素（ADR）通過腙鍵與聚（天冬氨酸）連接，葉酸作為主動靶向配體與膠束殼層偶聯(lián)。實現(xiàn)了細胞內pH值響應的藥物釋放和葉酸介導的腫瘤細胞靶向性，在抗腫瘤活性、安全性、生物利用度和藥代動力學方面遠優(yōu)于游離藥物。

1.1.2 利用可質子化的含堿性或酸性嵌段共聚物

含有側氨基和/或羧基基團的共聚物，可用于制備pH值敏感的聚合物膠束。當膠束所處環(huán)境的pH值變弱時，親水嵌段極性減弱，逐漸變?yōu)槭杷?，使膠束不穩(wěn)定從而引起藥物釋放。

Hsiue[10]用聚（2-乙基-2-噁唑啉）-b-聚（L-丙交酯）二嵌段共聚物（PEOz–PLLA）制備出粒度分布窄和細胞毒性極低的pH值敏感聚合物納米膠束加載抗癌藥物阿霉素。結果表明，膠束通過細胞內吞作用進入癌細胞后，pH值的降低可促使阿霉素的快速釋放，有效降低癌細胞的存活率。Ko[11]等把抗癌藥物阿霉素裝入由兩親性的聚乙二醇甲醚-聚（β-氨基酸酯）嵌段共聚物形成的pH值敏感性聚合物膠束中，膠束在生理條件下藥物的釋放非常緩慢，而在弱酸環(huán)境中迅速釋放且迅速定位于細胞核，具有腫瘤靶向能力。

1.2 溫敏性聚合物膠束

溫敏性聚合物膠束最大的特點就是環(huán)境溫度的微小變化能引起結構的顯著可逆變化，進而釋放其裝載藥物。溫敏性兩親性共聚物可自組裝形成溫敏性膠束，改變組成膠束的聚合物種類可以設定膠束發(fā)生溫敏性變化的溫度。

1.2.1 聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）溫敏性聚合物膠束

用于制備溫敏性膠束的聚合物PNIPAAm在水溶液中的低臨界溶解溫度（LCST）約為33 ℃。LCST可通過調整聚合物的親水或疏水嵌段來改變，以制造藥物控釋的載體。當人體局部環(huán)境溫度略低于或高于LCST時，膠束分解從而觸發(fā)所包裹藥物脈沖式的釋放[12]。溫敏性PNIPAAm嵌段可作為膠束的外殼或內核。聚合物膠束可以分為2類：在LCST下形成膠束親水性的外殼和在LCST上形成膠束疏水性的內核。

（1）PNIPAAm作為膠束親水性的外殼

以親水性PNIPAAm嵌段為外殼的膠束在加熱情況下，可迅速轉變成疏水性。此時，通過膠束與細胞間的疏水性作用，膠束可選擇性地在被加熱的細胞周圍積累。當溫度高于LCST時，膠束分解，從而加速封裝藥物的釋放[13]。Wei[14]等利用嵌段共聚物PNIPAAm-PMMA自組裝合成溫敏性膠束，并包載抗炎藥物醋酸潑尼松。研究表明，當膠束殼結構溫敏性發(fā)生變化時，醋酸潑尼松體外釋放速度發(fā)生明顯的快/慢轉換。Liu[15]等利用兩親性共聚物PNIPAAm接枝聚[2-（N咔唑）乙基丙烯酸酯]，共聚合成聚[2-（N-咔唑基）乙基丙烯酸酯]/PNIPAAm（核/殼）聚合物膠束。隨著溫度的變化，可觀察到藥物的控制釋放（如圖3所示）。

（2）PNIPAAm作為膠束疏水性的內核

雙親水性嵌段共聚物（DHBCs）是一類新型兩親性嵌段共聚物，通過調整pH值、溫度或離子強度等可以實現(xiàn)一個嵌段疏水，另一個嵌段親水。以PNIPAAm為親水嵌段的雙親水性嵌段共聚物，當溫度高于LCST時，PNIPAAm變?yōu)槭杷?，可自組裝成聚合物膠束。當藥物到達病灶時可降低病灶溫度，使PNIPAAm轉變?yōu)橛H水性，膠束分解實現(xiàn)藥物的控釋。

雙親水性嵌段共聚物中，PNIPAAm-聚乙二醇（PEG）的嵌段共聚物研究最多。Neradovic等[16]在生理條件下利用聚[N-異丙基丙烯酰胺-co-（2-羥丙基）甲基丙烯酰胺-乳酸]（疏水性內核）和PEG（親水性外殼）的二嵌段共聚物制備出溫敏性聚合物膠束。當乳酸側基水解后，溫敏性片段的LCST升高，膠束分解，釋放出裝載藥物。

Cormick[17，18]通過連續(xù)可逆加成-斷裂鏈轉移聚合（RAFT）合成出PEG-b-聚（二甲基丙烯酰胺-co-N-丙烯酰氧基琥珀酰亞胺）-b-PNIPAAm三嵌段共聚物，在溫度升至PNIPAAm的LCST之上時自組裝成殼交聯(lián)膠束（SCL）。研究表明，在45 ℃用膠束裝載藥物雙嘧達莫，當溫度降低到25 ℃時，膠束分解觸發(fā)藥物的釋放。

1.2.2 基于其他聚合物的溫敏性膠束

離聚物是一類大分子鏈上帶有少量可離子化基團，并被金屬離子部分或全部中和的高分子材料。聚（2-異丙基-2-噁唑啉）的聚離子復合物（PIC）膠束作為裝載藥物的溫敏性載體具有極好的前景。Park[19]等將帶有相反電荷的嵌段離聚物——聚（2-異丙基-2-噁唑啉）-b-聚（L-賴氨酸）和聚（2-異丙基-2-噁唑啉）-b-聚（天冬氨酸）在水溶液中混合，制備了聚離子復合物（PIC）膠束，聚（2-異丙基-2 -噁唑啉）為溫敏性外殼（如圖4）。在生理條件下該膠束的LCST為32 ℃，通過調節(jié)溶液中NaCl的濃度可以調節(jié)膠束的LCST。

1.3 超聲激活型聚合物膠束

超聲波可用來觸發(fā)藥物從膠束中釋放。一方面利用持續(xù)波（CW）進行局部加熱，使溫敏性膠束分解，釋放藥物；另一方面利用脈沖波產生的剪切應力和空化氣泡破裂產生的沖擊波來觸發(fā)藥物釋放[20]。

Husseini[21]等人利用聚醚P-105合成了穩(wěn)定膠束，將裝載阿霉素的膠束置于超聲波曝光室中。結果表明，超聲波可以促進膠束的快速分解，加快阿霉素的釋放速率。Gao[22]等人采用聚醚P-105、PEG2000-二?；字⒕郏ㄒ叶迹?co-（h-芐基-L-天門冬氨酸）制備的混合膠束裝載抗癌藥物阿霉素，并將其注射到患有卵巢癌的小鼠體內，一定時間后用頻率為1 MHz的超聲波在腫瘤部位照射30 s，結果表明，腫瘤的生長速度下降為原來的36%。直接將藥物注射到人體內腫瘤的生長速度僅降為原來的70%?？梢姡暦▽υ缙诘哪[瘤治療有效。

1.4 光敏性聚合物膠束

用不同波長的光照射光敏性聚合物膠束可實現(xiàn)膠束的組裝與分解，且過程是可逆的。光敏性聚合物膠束允許從外部控制藥物的包封和釋放，且藥物的釋放在時間和空間上是可控的。根據光敏性聚合物膠束光致結構的不同，可將光敏性膠束分為親水疏水平衡的變化、主鏈的分解和聚合物嵌段的可逆交聯(lián)等3類[23]。

1.4.1 親水疏水平衡的變化

目前對光敏性膠束的研究大多集中在這類膠束上。光致異構基團作為側基連接在疏水性嵌段上，當膠束溶液曝光時，疏水性嵌段的極性急劇增加或轉化為親水性片段從而導致膠束的分解[圖5（a）]。

Chen[24]等人利用RAFT法，以PEG作為大分子鏈轉移劑合成了雙親性二芳基乙烯嵌段共聚物PEG43-b-PSDTE29。結果表明，當嵌段共聚物受到紫外光和可見光照射后，側鏈中的二芳基乙烯（DTE）可進行可逆的光致異構反應（閉環(huán)和開環(huán)）。DTE開環(huán)時嵌段共聚物可自組裝成中空囊泡狀結構，DTE閉環(huán)時則形成實心的膠體球[圖5（b）]。這種光調節(jié)的自組裝行為使其可應用于藥物的控制釋放。

Kotharangannagari[25]等人合成了光敏性嵌段共聚物聚（L-谷氨酸-螺吡喃）-b-聚環(huán)氧乙烷（PLGASP-b-PEO）。在紫外光照射下，疏水且閉環(huán)的螺吡喃（SP）發(fā)生異構化轉變?yōu)橛H水性且開環(huán)的花青（MC），而在可見光照射下MC也能轉變成SP。多肽嵌段使得聚合物有很好的生物相容性，在藥物控制釋放方面有很好的應用前景。

1.4.2 主鏈的分解

在膠束的成核鏈段即疏水性嵌段中反復嵌入可光解的化學鍵可以實現(xiàn)光照時膠束主鏈的斷裂，從而實現(xiàn)膠束的快速分解和其中客體分子的快速釋放[圖6（a）]。

Han[26]用一鍋法合成了兩親性ABA型3嵌段共聚物（PEO-b-PUNB-b-PEO）。在紫外光的照射下，硝基芐基發(fā)生光解導致鏈段被切割成小片段，使膠束的成核嵌段迅速降解，加載的藥物得以快速釋放[圖6（b）]。

1.4.3 聚合物嵌段的可逆交聯(lián)

人體內膠束的濃度低于其臨界膠束濃度會使膠束不穩(wěn)定甚至分解，使裝載藥物提前釋放。利用可逆光交聯(lián)反應，使用一定波長的光照射膠束使其成核嵌段發(fā)生交聯(lián)反應，可使膠束變得穩(wěn)定，需要時用另一波長的光破壞這種交聯(lián)使膠束分解。

Jiang[27]等以PEO親水性嵌段，以聚（甲基丙烯酸香豆素）（PCMA）為疏水性嵌段合成了兩親性嵌段共聚物。在>310 nm波長的紫外光照射下，香豆素發(fā)生交聯(lián)形成二聚體；而當波長<260 nm時，香豆素二聚體發(fā)生裂解，在可見光下香豆素亦可進行可逆的光反應。

2 展望

隨著納米科技、制藥、分子生物學、生物成像、腫瘤學的快速發(fā)展，刺激響應性聚合物膠束的設計和制備已取得巨大的進展，但與期望值相差甚遠。為了提高治療效果，減少對人體的副作用，亟需實現(xiàn)藥物在空間和時間上更精確的釋放。聚合物膠束通常只能對單一的刺激做出響應，難以達到滿意效果。因此，需研究制備多重刺激響應聚合物膠束，真正應用于體內的快速刺激-應答式控制釋放。此外，聚合物膠束的殘留物可能在體內滯留積累，會導致慢性中毒。所以仍需探索新型的合成方法，以精確控制膠束的化學結構及成分，盡可能地降低殘留物含量。刺激響應性聚合物納米膠束的智能藥物傳遞系統(tǒng)在未來的疾病治療尤其是癌癥治療方面的潛力是毋庸置疑的，但臨床應用階段還有很多關鍵技術需要突破。

參考文獻

[1]《高速發(fā)展的中國化學》編委會.高速發(fā)展的中國化學[M].北京：科學出版社，2012.

[2]Pratten M K，Lloyd J B，Horpel G，et al.Micelle-forming block copolymers-pinocytosis by macrophages and interaction with model membranes[J].Macromolecular Chemistry and Physics，1985，186（4）：725–733.

[3]Fleige E，Quadir M A，Haag R，et al.Stimuli-responsive polymeric nanocarriers for the controlled transport of active compounds： Concepts and applications[J].Advanced Drug Delivery Reviews，2012，64（9）：866–884.

[4]Nishiyama N，Kataoka K.Current state，achievements，and future prospects of polymeric micelles as nanocarriers for drug and gene delivery[J].Pharmacology&Therapeutics，2006，112（3）：630–648.

[5]Martin G R，Jain R K.Noninvasive measurement of interstitial pH profiles in normal and neoplastic tissue using fluorescence ratio imaging microscopy[J].Cancer Research，1994，54（21）：5670-5674.

[6]Liu R，Li D，He B，et al.Anti-tumor drug delivery of pH-sensitive poly（ethylene glycol）-poly（L-histidine-）-poly（L-lactide） nanoparticles[J].Journal of Controlled Release，2011，152（1）：49–56.

[7]Gu J X，Cheng W P，Liu J G， et al.pH-triggered reversible "stealth" polycationic micelles[J].Biomacromolecules，2008，9（1）：255–262.

[8]Quan C Y，Chen J X，Wang H Y，et al.Core_shell nanosized assemblies mediated by the cyclodextrin dimer with a tumor-triggered targeting property[J].ACS NANO，2010，4（7）：4211-4219 .

[9]Bae Y，Nishiyama N，Kataoka K.In vivo antitumor activity of the folate-conjugated pH-sensitive polymeric micelle selectively releasing adriamycin in the intracellular acidic compartments[J].Bioconjugate Chemistry，2007，18（4）：1131-1139.

[10]Hsiue G H，Wang C H，Lo C L，et al.Environmental-sensitive micelles based on poly（2-ethyl-2-oxazoline）-b-poly（L-lactide） diblock copolymer for application in drug delivery[J].International Journal of Pharmaceutics，2006，317（1）：69–75.

[11]Ko J，Park K，Kim Y S，et al.Tumoral acidic extracellular pH targeting of pH-responsive MPEGpoly（β-amino ester） block copolymer micelles for cancer therapy[J].Journal of Controlled Release，2007，123（2）：109–115.

[12]Rosler A，Vandermeulen G W M，Klok H A.Advanced drug delivery devices via self-assembly of amphiphilic block copolymers[J].Advanced Drug Delivery Reviews，2001，53（1）：95–108.

[13]Wei H，Cheng S X，Zhang X Z，et al.Thermo-sensitive polymeric micelles based on poly（N-isopropylacrylamide） as drug carriers[J].Progress in Polymer Science，2009，34（9）：893–910.

[14]Wei H，Zhang X Z，Zhou Y，et al.Self-assembled thermoresponsive micelles of poly（N-isopropylacrylamide-b-methylmethacrylate）[J].Biomaterials，2006，27（9）：2028–2034.

[15]Liu Y H，Wu J B，Meng L Z，et al.Self-assembled， fluorescent polymeric micelles of a graft copolymer containing carbazole for thermo-controlled drug delivery in vitro[J].Journal of Biomedical Materials Research Part B：Applied Biomaterials，2008，85B（2）：435–443.

[16]Neradovic D，Soga O，Van Nostrum C F，et al.The effect of the processing and formulation parameters on the size of nanoparticles based on blockcopolymers of poly（ethylene glycol） and poly（N-isopropylacrylamide） with and without hydrolytically sensitive groups[J].Biomaterials，2004，25（12）：2409–2418.

[17]Li Y T，Lokitz B S，McCormick C L.RAFT synthesis of a thermally responsive ABC triblock copolymer incorporating N-acryloxysuccinimide for facile in situ formation of shell cross-linked micelles in aqueous media[J].Macromolecules，2006，39（1）：81–89.

[18]Li Y T，Lokitz B S，Armes S P，et al.Synthesis of reversible shell cross-linked micelles for controlled release of bioactive agents[J].Macromolecules Communication to the Editor，2006，39（8）：2726–2728.

[19]Park J S，Akiyama Y，Yamasaki Y，et al.Preparation and characterization of polyion complex micelles with a novel thermosensitive poly（2-isopropyl-2-oxazoline） shell via the complexation of oppositely charged block ionomers[J].Langmuir，2007，23（1）： 138–146.

[20]Rapoport N.Physical stimuli-responsive polymeric micelles for anti-cancer drug delivery[J].Progress in Polymer Science，2007，32（8）：962–990.

[21]Husseini G， Pitt W G，Christensen D A， et al.Degradation kinetics of stabilized Pluronic micelles under the action of ultrasound[J].Journal of Controlled Release，2009，138（1）：45–48.

[22]Gao Z G，F(xiàn)ain H D，Rapoport N.Controlled and targeted tumor chemotherapy by micellar-encapsulated drug and ultrasound[J].Journal of Controlled Release，2005，102（1）：203–222.

[23]Zhao Y.Light-responsive block copolymer micelles[J].Macromolecules Perspective，2012，45（9）：3647?3657.

[24]Chen Z，He Y N，Wang Y，et al.Amphiphilic diblock copolymer with dithienylethene pendants：Synthesis and photo-modulated self-assembly[J].Macromolecular Rapid Communications，2011，32（13）：977?982.

[25]Kotharangannagari V K，Sanchez-Ferrer A，Ruokolainen J，et al.Photoresponsive reversible aggregation and dissolution of rod-coil polypeptide diblock copolymers[J].Macromolecules Communication to the Editor，2011，44（12）：4569?4573.

[26]Han D H，Tong X，Zhao Y.Fast photodegradable block copolymer micelles for burst release[J].Macromolecules（Communication to the Editor），2011，44（3）：437–439.

[27]Jiang J Q，Qi B，Lepage M，et al.Polymer micelles stabilization on demand through reversible photo-cross-linking[J]. Macromolecules （Communication to the Editor），2007，40（4）：790-792.

Application of stimuli responsive polymer nano-micelles in controlled drug delivery

ZHANG Hai-bo1，DANG Jing1，2

（1.School of Science，Northwestern Polytechnical University，Xi'an，Shaanxi 710072，China；2.AVIC the First Aircraft Institute，Yanliang，Shaanxi 710089，China）

Abstract：The polymer micelles can improve the drug solubility and bioavailability and prolong the cycle time of drugs in the body， and also can control the drug release to achieve the targeted therapy，reducing the side effects on the body.The polymer drug carriers with the cell or tissue targeting and the chemical or physical stimuli-sensitivity can be fabricated by the nano-engineering of block copolymers.The polymer micelles with pH， temperature， ultrasound and light responsiveness and their applications in the field of controlled drug delivery are reviewed in detail.

Key words：polymer nano-micelles；controlled drug delivery；stimuli-responsiveness；block copolymers