環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的研究進展

李劍華（泉州市第一醫(yī)院藥劑科，福建泉州 362000）

環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的研究進展

李劍華＊（泉州市第一醫(yī)院藥劑科，福建泉州 362000）

目的：為環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的設計提供新思路。方法：以“納米給藥系統(tǒng)”“環(huán)境敏感制劑”“藥物釋放”“Nanometer drug delivery system”“Drug release”“pH-responsive”“Redox-responsive”等為關鍵詞，組合檢索2000年1月－2016年2月在Web of Science、PubMed、ScienceDirect、中國知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫中的相關文獻，對納米給藥系統(tǒng)環(huán)境的敏感條件及其釋藥機制方面作簡要綜述。結(jié)果：共檢索到相關文獻237篇，其中有效文獻26篇。常見的敏感條件有pH敏感、氧化還原敏感、熱敏感、超聲波敏感、光敏感等；此類給藥系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)中可保持穩(wěn)定，但經(jīng)環(huán)境刺激后可響應性改善納米制劑的釋藥性能與結(jié)構、改變藥物的釋放位點、調(diào)控胞內(nèi)藥物代謝途徑，發(fā)揮靶向治療、快速釋藥的效果，提高腫瘤治療的療效。結(jié)論：本研究為設計性能更佳的納米給藥系統(tǒng)提供了一定的參考。后續(xù)研究需深入探索腫瘤微環(huán)境，充分了解外加刺激的性質(zhì)以及環(huán)境響應性納米聚合物的相關特性，以提高給藥系統(tǒng)藥物釋放速率，增強療效。

抗腫瘤藥物；納米給藥系統(tǒng)；環(huán)境響應性；釋放機制

研究顯示，納米給藥系統(tǒng)可改善抗腫瘤藥物的分布、提高療效、降低毒副作用［1］。常見的納米系統(tǒng)包括脂質(zhì)體、膠束、分枝狀聚合物［2］、微球、微囊與無機納米粒子（如金納米粒、碳納米管、量子點等）。近年來，納米系統(tǒng)的研究還延伸到了大分子給藥系統(tǒng)，如聚乙二醇化的蛋白共聚物（PEG-protein）、聚乙二醇化的小干擾核糖核酸共聚物（PEG-siRNA）［3］。近年研究發(fā)現(xiàn)，當納米給藥系統(tǒng)大量進入到高通透性和滯留（EPR）效應部位或靶細胞內(nèi)時，并沒有達到預期的療效，其原因可能與納米給藥系統(tǒng)的藥物釋放有關［4］。通過對納米載體進行篩選和修飾，改善給藥系統(tǒng)的生物學特性和釋放性能，可提高藥物在診斷和治療過程的抗腫瘤活性和生物利用度［5］。在本研究中，筆者以“納米給藥系統(tǒng)”“環(huán)境敏感制劑”“藥物釋放”“Nanometer drug delivery system”“Drug release”“pH-responsive”“Redox-responsive”等為關鍵詞，組合檢索2000年1月－2016年2月在Web of Science、PubMed、ScienceDirect、中國知網(wǎng)、萬方、維普等數(shù)據(jù)庫中的相關文獻。共檢索到相關文獻237篇，其中有效文獻26篇。對環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的主要類型及其釋藥機制等方面作簡要綜述，現(xiàn)報道如下。

1 環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的概念

環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)是指在外界刺激下可響應性發(fā)生構象變化或橋鏈斷裂的聚合物或脂質(zhì)體，且這些材料在條件改變中可保持良好性狀，確保給藥系統(tǒng)在腫瘤細胞或其微環(huán)境中暴露功能特性基團，以成功釋放藥物。各類環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)設計原理見圖1。

2 常見環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)的類型

為進一步改善藥物的釋放性能，提高給藥系統(tǒng)療效，根據(jù)腫瘤微環(huán)境的特殊性（如酸性pH環(huán)境、氧化還原電勢特異性等），以及外界環(huán)境中的刺激（如熱、超聲波、光照等），可以設計環(huán)境響應性敏感載體。此類載體可改善納米制劑的藥物釋放性能、改變藥物的釋放位點、調(diào)控胞內(nèi)藥物代謝途徑，從而提高抗腫瘤效果。

2.1 pH-敏感性給藥系統(tǒng)

細胞內(nèi)低pH環(huán)境是實體瘤的特征之一［6］。由于實體瘤內(nèi)部代謝過于旺盛，可產(chǎn)生過量的乳酸和CO2，同時導致空泡型（Vacuolar-type，V-type）H+-質(zhì)子泵（ATPase）在腫瘤細胞中的表達和活性增強。正常血液和組織的pH為7.4，而腫瘤細胞內(nèi)pH可能下降到6.5甚至更低，內(nèi)涵體pH可低至5.5，溶酶體內(nèi)則低于5.5，這種反常的pH梯度變化從細胞間微環(huán)境延伸到細胞內(nèi)各細胞器中［7］。這種pH梯度與多藥耐藥機制（Multidrug resistance，MDR）有關［8］。腫瘤細胞外基質(zhì)到細胞內(nèi)涵體pH值下降2個單位對制劑來說是強力的刺激。針對腫瘤微環(huán)境和核內(nèi)酸性變化而設計的環(huán)境響應性納米制劑已成為常見的給藥系統(tǒng)［9］。

圖1 環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)設計原理

Chen F等［7］以聚β-氨基酸酯（PBAE）為骨架，構建了pH敏感性的智能給藥系統(tǒng)——維生素E聚乙二醇1000嵌段共聚物（TPSS）。由于PBAE堿的電離平衡常數(shù)（pKb）約為6.5，TPSS在正常的生理環(huán)境下帶負電荷，在體循環(huán)中不易被吞噬和聚集。當給藥系統(tǒng)富集在腫瘤部位時，腫瘤微環(huán)境（腫瘤細胞外）的pH值約為6.5，TPSS上的叔胺與水分子形成氫鍵，實現(xiàn)了給藥系統(tǒng)的電荷翻轉(zhuǎn)，使TPSS帶正電荷。由于腫瘤細胞對帶正電荷TPSS的攝取能力更強，進而提高了TPPS抗腫瘤的療效。

Duan X等［10］將多柔比星（DOX）以前藥的形式通過pH敏感鍵（腙鍵）與大分子聚合物苯乙烯馬來酸聚合物（SMA）偶聯(lián)，構建了SMA-己二酸二酰肼（ADH）-DOX聚合物膠束，包封P糖蛋白（P-gp）抑制劑戒酒硫（Disulfiram，DSF），形成給藥系統(tǒng)包封DSF的聚合物膠束（DSM）。DSM可響應腫瘤細胞內(nèi)低pH環(huán)境，先后快速釋放DSF和DOX。DSF可阻斷P-gp的功能，減少DOX的外排，提高細胞內(nèi)藥物濃度。因此，DSM在乳腺癌耐藥細胞（MCF-7/ADR）上的毒性比DOX高89.7倍，比未包封DSF的聚合物膠束高2.41倍。可見，DSM可有效減少耐藥細胞對DOX的外排，增加細胞毒性。

因此，通過引入pH敏感鍵，可以加速給藥系統(tǒng)的藥物釋放，提高胞內(nèi)藥物濃度，達到增強療效的目的。

2.2 氧化還原敏感性給藥系統(tǒng)

雷楊［11］的研究表明，腫瘤細胞的細胞質(zhì)和內(nèi)涵體中谷胱甘肽（GSH）的濃度均較高，在0.5～10 mmol/L之間；而在正常細胞和機體體液中濃度較低，約為2～20 μmol/L。因此，二硫鍵在體液中很穩(wěn)定，而在胞內(nèi)高GSH條件下則易斷裂成巰基。二硫鍵的聚合物在還原條件下可迅速降解。

Huang H等［12］利用含二硫鍵的胱胺，經(jīng)過反復交聯(lián)，形成一個具有兩親型結(jié)構的給藥系統(tǒng)。在體外用二硫蘇糖醇（DTT）模擬腫瘤細胞內(nèi)的還原環(huán)境，通過測定胱胺聚合物分子質(zhì)量的變化、粒徑的改變以及體外藥物釋放情況，證明該類含有二硫鍵的聚合物確實具有還原敏感性。

Hu YW等［13］以含有二硫鍵的3，3-二硫代二丙酸作為橋連試劑，構建了二硫鍵糖脂嫁接物（CSO-ss-SA），并有效包封紫杉醇（PTX）形成CSO-ss-SA/PTX載藥納米粒。該載藥納米粒在含GSH 10 mmol/L的還原條件和腫瘤細胞內(nèi)，均可快速釋放其所包封的PTX，相較于酰胺鍵糖脂納米載體（CSO-SA）可大幅提高細胞內(nèi)藥物釋放速率，增強細胞內(nèi)抗腫瘤療效。其響應過程示意圖見圖2。

圖2 CSO-ss-SA/PTX載藥納米粒在腫瘤細胞內(nèi)對GSH響應的過程示意圖

CSO-ss-SA/PTX載藥納米粒經(jīng)被動靶向作用大量富集在腫瘤部位，并在腫瘤內(nèi)快速釋放藥物，實現(xiàn)了給藥系統(tǒng)對腫瘤的高效靶向治療。

2.3 熱敏性給藥系統(tǒng)

盡管熱敏性給藥系統(tǒng)的設計靈感來源于炎癥與腫瘤部位的高熱現(xiàn)象，但是實際正常組織與病變組織之間的溫差不足以使制劑特異性地在病變部位聚集并發(fā)揮作用，通常需要如熱水浴［14］、電磁體［15］、激光［16］、高強度超聲波［17］等外加熱源幫助熱敏性制劑發(fā)揮作用。

在脂質(zhì)體中加入某種相變溫度的熱敏性凝膠，可使脂質(zhì)體納米制劑具有溫度響應性。這種熱敏凝膠材料能隨環(huán)境溫度改變而發(fā)生一定的相變，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為非化學交聯(lián)的半固體凝膠，具有臨界溶解溫度。目前，研究較為廣泛的熱敏凝膠材料有丙烯酰胺類［18］。

Li W等［19］基于上臨界溶解溫度的新型藥用材料構建了溫度觸發(fā)型納米靶向給藥系統(tǒng)，并認為溫度控制下的藥物快速釋放是簡單、安全的。利用這種熱敏性膠束包封DOX，當載藥納米粒通過EPR效應實現(xiàn)其在腫瘤組織中高度聚集時，通過微波治療儀提高腫瘤部位溫度至43 ℃，此時溫度達到上臨界溶解溫度，膠束結(jié)構被破壞，藥物瞬間完全釋放，可高效地殺死腫瘤細胞。

2.4 超聲波敏感給藥系統(tǒng)

超聲波顯像技術作為一種體內(nèi)組織器官可視化、超聲治療、腫瘤消融、結(jié)石擊碎的技術手段已有多年的臨床使用經(jīng)驗。為了獲得分辨率更高的圖像，臨床研究者已經(jīng)應用了包括脂質(zhì)納米粒、微囊在內(nèi)的對比試劑通過增強聲波與穩(wěn)定氣泡之間的回聲來增強超聲效應［20］。超聲波會在物質(zhì)內(nèi)部形成“聲孔效應”（Sonoporation），即當材料內(nèi)部包含許多微小氣泡時，其即可在超聲波作用下產(chǎn)生膨脹、收縮、振蕩、崩潰等空化作用，導致物質(zhì)表面產(chǎn)生孔狀結(jié)構；停止超聲波作用后該載體材料的結(jié)構又恢復常態(tài)，孔狀結(jié)構消失。利用“聲孔效應”可設法使載體材料產(chǎn)生瞬時的孔隙結(jié)構，引起藥物的泄漏。因此，超聲波可用于觸發(fā)超聲波敏感性納米制劑的藥物靶向釋放。

最常見的超聲波敏感納米載體是包載空氣或全氟化烷化物的脂質(zhì)體和脂質(zhì)微泡。由氫化大豆磷脂酰膽堿（Hydrogenated soybean phosphatidylcholine，HSPC）制備的脂質(zhì)體對低頻超聲具有響應性，可在3 min內(nèi)釋放包封藥物順鉑的80%。該脂質(zhì)體的組成為膽固醇-PEG2000-二硬脂酰磷脂酰乙醇胺（DSPE）摩爾比51∶44∶5，低頻超聲可在該脂質(zhì)體表面形成瞬時孔樣結(jié)構［21］。在荷淋巴瘤小鼠模型中，腹腔注射該藥物后發(fā)現(xiàn)低頻超聲可使藥物在2 min內(nèi)釋放70%，與此同時，在沒有低頻超聲作用下的藥物釋放則低于3%［22］。可見，超聲波敏感納米載體可對特定頻率下的超聲波產(chǎn)生特異性響應，實現(xiàn)藥物的快速釋放。

2.5 光敏感給藥系統(tǒng)

光的各項參數(shù)，如波長、強度、脈沖持續(xù)時間和周期均為可調(diào)節(jié)的刺激，在生物藥學研究領域有相當廣闊的應用前景。盡管可見光、紫外光（UV）和近紅外光（Near-infrared，NIR）均在臨床中應用廣泛［23］，但只有NIR可以穿透較深層組織，因此在腫瘤靶向治療領域具有更廣闊的應用前景。

使用包括卟啉衍生物（Porphyrin derivatives）、卟吩類（Chlorins）、酞菁類（Phthalocyanines）和卟啉烯（Porphycenes）在內(nèi)的光敏劑（Photosensitizing agent，PSA）進行光動力學治療是光敏感腫瘤靶向的策略之一［24］。光照激活的光敏劑可引起細胞內(nèi)氧自由基（ROS）的產(chǎn)生，進而損傷靶細胞。另外，還可通過應用光敏性聚合物賦予納米制劑光敏感特性。光敏性脂質(zhì)在光刺激下易發(fā)生結(jié)構變化，如光異構化、光碎片化或光聚合等，使納米載體裂解或崩塌，從而釋放藥物［25］。

除光敏性脂質(zhì)體以外，其他納米載體也可被賦予光敏感特性。目前合成了一種新型的光敏感兩親性樹枝狀聚合物（Glucose/lactose-D3-PCL-DNQ），其中重氮萘醌（DNQ）是NIR敏感的酚醛樹脂類［26］。該聚合物可在水溶液中形成光敏感膠束狀納米載體。疏水的DNQ基團位于膠束的內(nèi)核，可用來包封與阿霉素類似的水溶性較差的藥物，并通過對外部NIR光照響應性破壞膠束、加速藥物釋放。

3 結(jié)語

與傳統(tǒng)藥物傳遞系統(tǒng)相比，環(huán)境響應性納米給藥系統(tǒng)在控制藥物釋放部位和時間方面表現(xiàn)出了優(yōu)越的性能。其利用腫瘤微環(huán)境和腫瘤細胞的特殊性，如胞內(nèi)酸性pH環(huán)境、氧化還原電勢特異性等，以及外界環(huán)境中的刺激如熱、超聲波、光照等，刺激敏感性給藥系統(tǒng)，實現(xiàn)了藥物的快速釋放，提高了給藥系統(tǒng)的療效。當然，目前設計的環(huán)境響應納米給藥系統(tǒng)還不夠完美。存在的主要問題是不同腫瘤細胞在pH、氧化還原上存在一定差異，腫瘤微環(huán)境存在一定的不確定性，對藥物在體內(nèi)的釋放難以達到準確的調(diào)控。因此，要設計出性能優(yōu)良的刺激響應性納米給藥系統(tǒng)，還需進一步深入探索腫瘤微環(huán)境，要充分了解外加刺激的性質(zhì)以及刺激敏感性聚合物或脂質(zhì)的相關特性，利用一種或多種敏感方式使給藥系統(tǒng)對外界環(huán)境的響應能力更強，實現(xiàn)更快的藥物釋放。

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（編輯：劉明偉）

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＊主管藥師。研究方向：醫(yī)院藥學。電話：0595-22277052。E-mail：422533961@qq.com