功能化介孔二氧化硅納米粒子在藥物遞送系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

尚宏周，王皓卿，孫曉然，韓利華，江悅，王安

(華北理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

介孔二氧化硅納米粒子(MSNs)作為藥物遞送系統(tǒng)的載體具有諸多優(yōu)點(diǎn)，主要包括高載藥量、良好的生物相容性、低細(xì)胞毒性、顆粒大小均勻、高比表面積、較好的穩(wěn)定性和易于修飾的表面性質(zhì)等[1-2]。裝入MSNs的藥物分子可在給藥后立即釋放，但由于藥物分子在到達(dá)靶器官之前，健康器官(包括肝臟、腎臟、骨髓和心臟)會(huì)對釋放的藥物非特異性攝取，可能會(huì)引起嚴(yán)重的副作用[3-5]。因此，非常有必要開發(fā)出具有刺激響應(yīng)型的功能化MSNs，防止藥物分子過早釋放。迄今為止，研究者已經(jīng)開發(fā)了幾種類型的“閥門”(用閥門封堵介孔二氧化硅孔隙)，如納米粒子、大環(huán)分子、線性分子和聚合物多層膜對各種刺激的反應(yīng)，包括磁性、酶、溫度、pH和氧化還原分子[6-10]。本文將對單一因素響應(yīng)型釋藥和多重因素響應(yīng)型釋藥進(jìn)行綜述，以期為MSNs的功能化修飾以及在藥物研究領(lǐng)域提供參考。

1 單一刺激響應(yīng)型釋藥

1.1 氧化還原型釋藥

氧化還原響應(yīng)介孔二氧化硅近年來引起了人們對癌癥細(xì)胞的受控藥物傳遞領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[11]。天然細(xì)胞擁有許多對維持代謝過程至關(guān)重要的氧化還原系統(tǒng)。其中一種系統(tǒng)是谷胱甘肽，其在氧化形式和還原形式之間切換以保護(hù)細(xì)胞免受促氧化應(yīng)激。谷胱甘肽(GSH)是具有序列谷氨酸-半胱氨酸-甘氨酸的三肽。該肽的獨(dú)特之處在于它在谷氨酸的γ-羧酸和半胱氨酸中的α-氨基之間形成了不尋常的肽鍵。當(dāng)含有二硫鍵的分子暴露于GSH時(shí)，二硫鍵裂解形成硫醇，而GSH被氧化成G-S-S-G。當(dāng)引入含巰基的實(shí)體時(shí)，還原形式的谷胱甘肽得以恢復(fù)。研究發(fā)現(xiàn)GSH在腫瘤細(xì)胞中的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常組織細(xì)胞，可以利用GSH敏感的介孔二氧化硅載藥系統(tǒng)將抗癌藥物運(yùn)送到腫瘤組織中[12]。

Chen等[13]使用一種天然存在的蛋白質(zhì)-轉(zhuǎn)鐵蛋白(Tf)作為封端劑和靶向配體，將氧化還原可裂解的二硫鍵接枝在MSNs的表面。研究發(fā)現(xiàn)模型抗癌藥物多柔比星(DOX)可以在不存在谷胱甘肽(GSH)的情況下有效地包封在MSNs中，并且當(dāng)系統(tǒng)暴露于GSH時(shí)觀察到DOX的爆發(fā)釋放，表明Tf具有良好的封端效率和氧化還原反應(yīng)性釋放DOX。Wang等[14]制備了一種聚乙二醇(PEG)修飾的雜化介孔二氧化硅納米粒子(MSNS)，通過可生物降解的二硫鍵進(jìn)行改性，從而實(shí)現(xiàn)“按需”藥物釋放。作者首先將介孔二氧化硅改性，制備出含有雙硫鍵的MSNs-SS-，再通過MSNs的羧基與PEG的羥基之間的縮合反應(yīng)制備PEG修飾的MSNs，PEG可以阻斷介孔內(nèi)的藥物釋放。研究結(jié)果表明，當(dāng)加入10 mmol/L GSH后，羅丹明B迅速釋放，且隨著PEG接枝密度的增加，介孔二氧化硅載體的生物相容性提高。Jiao等[15]通過二硫鍵將熒光碳點(diǎn)接枝到MSNs的表面。再將聚(丙烯酸)(PAA)通過酰胺化作用包封在含有二硫鍵的MSNs開口處，用于同時(shí)控制藥物輸送和實(shí)時(shí)成像，以跟蹤腫瘤治療期間納米顆粒的行為。Moghaddam等[16]基于結(jié)構(gòu)差異的選擇性蝕刻策略，利用Na2CO3調(diào)節(jié)顆粒內(nèi)部空腔直徑和殼的厚度，制備并表征了新型GSH敏感的可生物降解的中空介孔二氧化硅納米粒子，平均直徑為130 nm。研究結(jié)果表明，細(xì)胞內(nèi)GSH濃度(約10 mmol/L)存在下，該納米顆粒可通過二硫鍵降解。在pH=6、10 mmol/L GSH的環(huán)境下(類似于腫瘤內(nèi)微環(huán)境)，大約60%的DOX在2周內(nèi)釋放。

1.2 磁響應(yīng)型釋藥

與傳統(tǒng)材料相比，磁性介孔二氧化硅具有良好生物相容性、較大的比表面積、高孔容和可調(diào)的孔道直徑等顯著優(yōu)勢[17]。而且由于磁性粒子的存在，載藥的磁性介孔二氧化硅在外加磁場的作用下可以直接送達(dá)病灶部位，實(shí)現(xiàn)靶向給藥，降低藥物的毒副作用。

Nasrallah等[18]采用雙相系統(tǒng)中的剪切界面組裝合成了生物相容的核-殼結(jié)構(gòu)磁性介孔二氧化硅微球，成功將胰蛋白酶固定在微球上得到Fe3O4@RF@mSiO2，其均勻尺寸約為600 nm，垂直介孔為6.0 nm，大孔體積為0.77 cm3/g。研究結(jié)果表明，這些具有固定化胰蛋白酶的磁性微球可根據(jù)分子量的不同選擇性酶解蛋白質(zhì)。通過斑馬魚模型的毒理學(xué)測試，得出微球?qū)Π唏R魚胚胎沒有整體急性毒性，致畸性或神經(jīng)毒性。將抗癌藥物吉西他濱(GEM)裝載到微球上，發(fā)現(xiàn)微球顯示出pH響應(yīng)特性，這有利于癌癥治療下的GEM釋放。Egodawatte等[19]將抗癌藥物5-氟尿嘧啶(5-FU)裝載到磁性氧化鐵/介孔二氧化硅納米復(fù)合材料中，使用3種不同的溶劑(水、水/丙酮、二甲基亞砜)，深入了解不同溶劑如何影響胺基改性磁性介孔二氧化硅對于5-FU裝載和釋放。研究表明，溶劑的極性不僅影響材料的負(fù)載能力，還影響裝載到材料中的5-FU的釋放百分比。當(dāng)使用水和水/丙酮作為溶劑時(shí)，胺基改性材料與5-FU的較大氫鍵結(jié)合能力導(dǎo)致5-FU的較低釋放。Chen等[20]開發(fā)了一種具有磁性核的多功能治療磁性介孔二氧化硅納米粒子(MMSN)，用于腫瘤靶向磁共振成像和精確控制治療。通過鉑(IV)前藥連接將β-環(huán)糊精(β-CD)固定在介孔二氧化硅殼的表面，用于在細(xì)胞內(nèi)通過還原反應(yīng)觸發(fā)藥物釋放[20]。再通過主-客體相互作用將Arg-Gly-Asp(RGD)肽配體進(jìn)一步引入到β-CD上用于靶向治療癌癥的目的。在靶向癌細(xì)胞的活性內(nèi)吞作用后，MMSN中的鉑(IV)前藥將恢復(fù)為活性鉑(II)藥物，以響應(yīng)癌細(xì)胞中固有的還原微環(huán)境，導(dǎo)致β-CD網(wǎng)脫離，同時(shí)觸發(fā)包埋在MMSNs中的抗癌藥物多柔比星(DOX)原位釋放，從而殺死癌細(xì)胞。研究發(fā)現(xiàn)在外部磁場的作用下，載有藥物的MMSN在體內(nèi)磁共振成像(MRI)中顯示出高對比度，并且在癌癥部位中表現(xiàn)出磁性增強(qiáng)的有效積聚，顯著抑制癌細(xì)胞的生長且毒副作用最小。

1.3 溫度響應(yīng)型釋藥

溫度是人的正常組織和患病組織器官的主要差別之一，大多數(shù)腫瘤組織的溫度高于人體正常溫度(37 ℃)[21]。另外，當(dāng)患病部位與外界相接觸時(shí)，也較容易提高患病部位的溫度。因此，溫度響應(yīng)型藥物傳遞系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展前景。

Cho等[22]將聚(乙二醇)/聚(ε-己內(nèi)酯)(PEG/PCL)多嵌段共聚物修飾在MSNs表面，開發(fā)了一種溫度敏感型的藥物遞送系統(tǒng)(Dox@MBC-MSN)。研究表明，將PEG/PCL作為“閥門”，在沒有熱刺激的情況下，門保持關(guān)閉，而在加熱情況下，由于PCL晶體的熔化，門打開，導(dǎo)致藥物分子DOX的釋放。在水溶液中，PEG/PCL溶脹，但其致密的晶體結(jié)構(gòu)限制了水的滲透，但將共聚物加熱至45 ℃時(shí)，PCL的晶體結(jié)構(gòu)消失。Mishra等[23]將聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)修飾在MSNs表面，制得溫敏型藥物遞送系統(tǒng)(PNIPAM-MSNs)，并通過激光掃描共聚焦顯微鏡研究PNIPAM-MSNs對藥物分子DOX的遞送行為。研究表明，當(dāng)PNIPAM低于其低臨界溶解溫度(LCST)時(shí)，聚合物鏈溶脹，促使DOX進(jìn)入孔內(nèi)，觀察到DOX紅色熒光；當(dāng)溫度大于LCST時(shí)，聚合物鏈?zhǔn)湛s，無熒光現(xiàn)象。

1.4 pH響應(yīng)型釋藥

人體正常組織與腫瘤組織的pH之間存在差異，大多數(shù)腫瘤細(xì)胞外環(huán)境呈弱酸性(pH 6.5～7.2)，細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器表現(xiàn)出更低的pH值(內(nèi)體中為5.0～6.5，溶酶體中為4.0～5.0)。因?yàn)榕c正常生理組織相比，腫瘤部位缺氧會(huì)產(chǎn)生過量的乳酸[24]。這種pH差異已被用于設(shè)計(jì)pH響應(yīng)系統(tǒng)，將藥物載體遞送到癌細(xì)胞中，達(dá)到控制釋放藥物的目的。酯鍵、肼鍵、縮醛鍵等常與介孔二氧化硅表面連接，這類基團(tuán)在酸性pH下分解[25]。聚丙烯酸酯、聚天冬氨酸、聚谷氨酸和聚多巴胺等[26]聚電解質(zhì)常用作介孔二氧化硅中的封端劑以實(shí)現(xiàn)pH響應(yīng)，主要由于其含有大量易水解或可離子化的基團(tuán)，在不同pH環(huán)境下，導(dǎo)致聚合物結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，釋藥速率改變。

Martínez-Carmona等[27]開發(fā)了一種新型的多功能納米系統(tǒng)，用于骨癌治療。首先通過酸性條件下可分解的縮醛基團(tuán)接枝到MSN上的聚丙烯酸(PAA)封端層，以防止DOX過早釋放，并提供pH響應(yīng)釋藥的能力；又將一種靶向配體凝集素接枝到PAA上，以增強(qiáng)對癌細(xì)胞的選擇性，同時(shí)保持正常細(xì)胞的活力。體外實(shí)驗(yàn)表明，凝集素結(jié)合納米系統(tǒng)對人骨肉瘤細(xì)胞的內(nèi)化程度是正常成骨細(xì)胞的2倍。此外，與健康骨細(xì)胞相比，僅需要非常小的DOX濃度(2.5 μg/mL)即可獲得對骨肉瘤細(xì)胞的100%抗腫瘤效力，而健康骨細(xì)胞的存活率得以保持。與游離藥物相比，抗腫瘤效果增加了8倍。這一獨(dú)特納米系統(tǒng)為靶向骨癌治療開辟了新的思路。Li等[28]通過聚多巴胺(PDA)和聚乙二醇(PEG)進(jìn)行表面修飾來制備高度分散且pH敏感的介孔二氧化硅納米粒子(MSNs)載體即MSNs@PDA-PEG。作者通過X射線小角散射(SAXS)確定聚合物(PDA和PEG)厚度的方法為首創(chuàng)。又經(jīng)牛血清蛋白(BSA)吸附實(shí)驗(yàn)證實(shí)，PEG修飾降低了蛋白質(zhì)的吸附，提高了納米粒子的穩(wěn)定性。將DOX用作模型藥物，MSNs@PDA-PEG對其具有相對較高的包封率和載藥量，分別高達(dá)94.2%和31.4%，且DOX的釋放速率可通過pH來調(diào)節(jié)，隨著pH值的降低(pH值為5.0和4.0)，DOX釋放速率明顯增加。Xu等[29]制備出二茂鐵羧酸(FCA)功能化的介孔二氧化硅復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，藥物分子DOX與孔壁內(nèi)FCA結(jié)合，實(shí)現(xiàn)DOX的pH響應(yīng)釋放。與pH 7.4相比，DOX在pH 5.0下釋放顯著增多，當(dāng)釋放時(shí)間為20 h時(shí)，在pH 5.0和7.2下釋放量分別達(dá)到38.1%和31.6%；在68 h時(shí)，在pH 5.0的累積釋放量達(dá)到52.3%，比pH 7.2的累積釋放量高約9%。

1.5 酶響應(yīng)型釋藥

研究發(fā)現(xiàn)多種疾病如癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)變性疾病與代謝失調(diào)有關(guān)，這些狀況有時(shí)可通過增多的酶含量表現(xiàn)出來。已有學(xué)者嘗試在特定癌細(xì)胞中利用增多的酶含量引起刺激響應(yīng)性藥物釋放[30]。也有通過分子改變構(gòu)象封閉孔洞或被靶細(xì)胞中過度表達(dá)的酶切割以確保藥物在細(xì)胞內(nèi)選擇性釋放。酶響應(yīng)型介孔二氧化硅研究中使用的酶有還原酶、結(jié)腸酶、脫氧核糖核酸酶、透明質(zhì)酸酶、酰胺酶、胰酶混合物等[31]。

Kumar等[32]以瓜爾豆膠作為“封門”分子，首次合成了基于介孔二氧化硅的結(jié)腸酶響應(yīng)藥物遞送系統(tǒng)。體外研究表明，藥物分子5-FU的釋放是通過模擬結(jié)腸微環(huán)境中的結(jié)腸酶對瓜爾豆膠的酶促降解特異性觸發(fā)的，并且釋放的5-FU對結(jié)腸癌細(xì)胞起到抑制作用。Li等[33]制備了一種由偶氮基橋聯(lián)的倍半硅氧烷封端MSNs的藥物遞送系統(tǒng)，作為結(jié)腸特異性給藥。研究表明，該系統(tǒng)在模擬胃液和腸液中顯示出布洛芬的“零釋放”，但在模擬結(jié)腸液中由于偶氮還原酶的存在，偶氮鍵的還原裂解，布洛芬特異性釋放。

2 聯(lián)合刺激響應(yīng)型釋藥

多重刺激響應(yīng)的介孔二氧化硅載體代表了新一代智能藥物遞送系統(tǒng)。與單一刺激響應(yīng)系統(tǒng)相比，這些多刺激響應(yīng)載體在其遞送藥物和預(yù)期位點(diǎn)方面表現(xiàn)出更好的效率和特異性。此外，與單一刺激響應(yīng)型載體相比，其還可以更好地調(diào)節(jié)藥物釋放，提高了抗癌效果的可能性。

Jin等[34]采用種子聚合法，將聚(N-異丙基丙烯酰胺)-共聚(丙烯酸)[P(NIPAM-co-AA]包覆在MSNs表面，成功制得具有pH/溫度雙重敏感性的核殼結(jié)構(gòu)納米粒子(P@BMMs)。研究結(jié)果表明，當(dāng)pH為2.0時(shí)，模型藥物布洛芬(IBU)在37 ℃條件下累積釋放量達(dá)到72%，在25 ℃為59%；而當(dāng)pH為7.4時(shí)，IBU在37 ℃釋放量為29%，在25 ℃為38%。Zhu等[35]通過基于β-環(huán)糊精/二茂鐵超分子復(fù)合物和縮醛連接體的主客體相互作用，成功設(shè)計(jì)了在中空介孔二氧化硅納米粒子的表面上引入具有pH和氧化還原雙重響應(yīng)納米閥，實(shí)現(xiàn)根據(jù)尺寸選擇性遞送藥物和控制藥物釋放的目的[35]。研究結(jié)果表明，通過改變MSNs表面接枝鏈的長度，可實(shí)現(xiàn)對藥物的選擇性遞送。通過不同pH和H2O2的刺激，模型藥物羅丹明(R6G)顯示出良好的響應(yīng)行為，在pH為7.4時(shí)，幾乎沒有藥物釋放，在添加H2O2后顯示出氧化還原響應(yīng)行為，而當(dāng)H2O2含量不變，pH從7.4降至6.5時(shí)，顯示出更高的藥物釋放率，證明出pH和氧化還原的協(xié)同作用。

Yuan等[36]將海藻酸鈉(SA)通過二硫鍵接枝到MSNs表面，制得具有氧化還原和pH雙重響應(yīng)納米載體(MSN-SS-SA)。通過改變pH和GSH的濃度來模擬腫瘤和血液微環(huán)境，研究MSN-SS-SA的釋藥性能。研究表明，當(dāng)在pH為7.4或10.0 μmol/L GSH時(shí)，納米載體經(jīng)過24 h釋放DOX量少于20%。相比之下，當(dāng)pH值降至5.0或GSH濃度升至10 mmol/L時(shí)，DOX釋放速率加快。此外，當(dāng)pH值調(diào)至5.0并同時(shí)含有10 mmol/L GSH時(shí)，測定DOX的最快速釋放，超過60%的DOX可在12 h內(nèi)從MSN-SS-SA中釋放出來。Wang等[37]通過將氧化還原/酶雙響應(yīng)二硫鍵-共軛碳點(diǎn)與介孔二氧化硅納米粒子相組合(MSN-SS-CDHA)，實(shí)現(xiàn)控制和靶向抗腫瘤藥物遞送和實(shí)時(shí)生物成像。通過應(yīng)用檸檬酸和透明質(zhì)酸(HA)作為原料(稱為CDHA)，通過聚合反應(yīng)制備具有控制和靶向能力的碳點(diǎn)。所制備的MSN-SS-CDHA不僅表現(xiàn)出優(yōu)異的光穩(wěn)定性和優(yōu)異的生物相容性，而且還具有使靶向細(xì)胞A549中CD44受體過表達(dá)的能力。Tian等[38]通過在磁性介孔二氧化硅表面包裹N-異丙基丙烯酰胺和甲基丙烯酸共聚物，成功制備出具有溫度、pH和磁響應(yīng)三重響應(yīng)型藥物載體MMSN@P(NIPAM-co-MAA)。研究結(jié)果表明，該納米顆粒平均粒徑為(255±28) nm，飽和磁化強(qiáng)度為6.2 emu/g，可在短時(shí)間內(nèi)在交變磁場下產(chǎn)生熱量至熱療溫度。MMSN@P(NIPAM-co-MAA)納米顆粒裝載鹽酸多柔比星(DOX)，表現(xiàn)出溫度和pH響應(yīng)性藥物釋放行為。此外該納米顆粒具有低細(xì)胞毒性并被HeLa細(xì)胞內(nèi)化。裝載DOX的納米顆粒顯示出化學(xué)和磁熱療法的協(xié)同效應(yīng)，使殺死癌細(xì)胞的效果更佳。

3 結(jié)論與展望

本文綜述了近年來開發(fā)的功能化MSNs在藥物遞送系統(tǒng)中的最新研究進(jìn)展，研究表明基于MSNs的藥物遞送系統(tǒng)可以增強(qiáng)藥物溶解度，避免藥物過早降解，避免藥物與健康組織的相互作用，最終提高藥物的生物利用度和治療效果。盡管基于功能化修飾的MSNs藥物遞送系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢，但仍有一些關(guān)鍵問題需要解決以促進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展。如系統(tǒng)地研究這些材料的生物相容性、降解性和藥代動(dòng)力學(xué)；深入研究MSNs系統(tǒng)在生理介質(zhì)中的膠體穩(wěn)定性以及給藥途徑對納米顆粒功效的影響；在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的良好效果能否在臨床中重現(xiàn)。然而，隨著研究的不斷深入，相信上述問題將逐步得到解決，基于功能化的MSNs藥物遞送系統(tǒng)將會(huì)有著廣闊的發(fā)展前景。