腫瘤酸度響應(yīng)高分子藥物載體研究進(jìn)展

孫春陽綜述，于春水審校

（天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，天津市功能影像重點實驗室，天津300052）

高分子納米藥物載體系統(tǒng)具有獨特的尺寸，可以通過鍵合、包載或囊封方式負(fù)載并保護(hù)化療藥物分子，提高藥物的體內(nèi)穩(wěn)定性，避免藥物在血液中被快速清除；此外，高分子納米載體可以借助腫瘤血管的增強(qiáng)通透性和滯留效應(yīng)（Enhanced Permeability and Retention effect，EPR effect） 改變藥物的體內(nèi)分布、被動地增強(qiáng)藥物病灶富集、降低給藥劑量和毒副作用[1-3]。由于在腫瘤治療中體現(xiàn)出的巨大潛力，納米載藥系統(tǒng)長期以來一直是研究領(lǐng)域的熱點，以DOXIL?、力樸素為代表的納米藥物已經(jīng)進(jìn)入臨床，并獲得了相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~[4-6]。

盡管藥物載體系統(tǒng)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，取得了長足進(jìn)步，但大量的基礎(chǔ)研究結(jié)果表明，現(xiàn)有納米載體還存在很多缺陷：如腫瘤細(xì)胞攝取量低、腫瘤滲透性差和藥物釋放速度不足等，嚴(yán)重制約載體療效的提升[7-9]。

近年來，研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)，腫瘤組織由于更加旺盛的生理活動，存在與正常組織完全不同的微環(huán)境[10]。這其中，弱酸性環(huán)境是腫瘤組織和腫瘤細(xì)胞都具有的特異性環(huán)境。腫瘤細(xì)胞的能量需求高，會以更高的效率吸收葡萄糖促進(jìn)自身快速生長，而葡萄糖的利用方式主要是產(chǎn)能效率低下的糖酵解作用。與此同時，細(xì)胞會產(chǎn)生并外排大量乳酸，造成腫瘤組織基質(zhì)呈現(xiàn)弱酸性，一般認(rèn)為，腫瘤組織基質(zhì)的pH值為6.5～7.2[11]。另一方面，為了維持酸性水解酶活性，腫瘤細(xì)胞內(nèi)內(nèi)涵體或溶酶體表面會表達(dá)特殊的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，以泵入氫離子，從而將pH環(huán)境維持在 5.0～5.5 范圍[12]。

綜上所述，腫瘤細(xì)胞普遍性的生理活動造成了腫瘤組織基質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)的弱酸性環(huán)境。這種生理基礎(chǔ)十分穩(wěn)定，在多種腫瘤細(xì)胞系中均有所報道。因此，基于其設(shè)計構(gòu)建pH敏感高分子載藥系統(tǒng)，有望解決藥物體內(nèi)輸送的多重屏障，實現(xiàn)更好的治療效果。近年來，該研究領(lǐng)域已有較大進(jìn)展，本文將這些工作進(jìn)行綜述。

1 腫瘤基質(zhì)酸度促進(jìn)納米載體組織滲透

當(dāng)納米顆粒經(jīng)EPR效應(yīng)進(jìn)入腫瘤組織后，其尺寸大小是影響腫瘤滲透和組織深部給藥的決定性因素。大尺寸顆粒（100～400 nm）的體內(nèi)循環(huán)時間長，EPR效應(yīng)受益性好，但無法進(jìn)入腫瘤深層組織；小顆粒的腫瘤滲透性更好，但在系統(tǒng)給藥后易被迅速清除，缺乏長血液循環(huán)和腫瘤富集性能。已有研究證明，腫瘤酸度可調(diào)控納米顆粒尺寸，在正常生理環(huán)境下，其尺寸約為100 nm；而當(dāng)外部刺激源出現(xiàn)，顆粒收縮或崩解，產(chǎn)生小尺度顆粒，完成腫瘤滲透。例如，Wang等[13]將聚酰胺胺（PAMAM）樹枝狀分子鍵合于100 nm尺度的納米顆粒表面，在腫瘤組織pH條件，橋聯(lián)化學(xué)鍵CDM發(fā)生降解，PAMAM從大顆粒表面釋放。激光共聚焦顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，攜載鉑類藥物的PAMAM分子可以在BxPC-3腫瘤模型中具有更優(yōu)越的滲透能力，從而更好地抑制腫瘤生長（圖 1）。

進(jìn)而，他們還設(shè)計了超敏聚乙二醇-聚甲基丙烯酸2-（六甲撐亞胺）乙酯-聚酰胺胺嵌段聚合物（PEG-PAEMA-PAMAM/Pt），在 pH 7.4 環(huán)境下，聚合物可組裝形成80 nm的納米顆粒，在PEG殼層保護(hù)下實現(xiàn)體內(nèi)長循環(huán)；在進(jìn)入腫瘤組織后，疏水的PAEMA嵌段迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，納米顆粒解離，小尺寸的親水高分子鏈攜載藥物滲透至腫瘤組織深部（圖2）[14]。組織分布及瘤內(nèi)擴(kuò)散實驗證實，該納米載體不僅具有較好的EPR效應(yīng)，而且具有較好的瘤內(nèi)深部滲透作用。Ge等[15]利用2，3-二甲基馬來酸酐對聚乙二醇-聚天冬氨酸進(jìn)行修飾，得到PEG-PAsp（EDA-DM）；再將負(fù)電性 PEG-PAsp（EDA-DM）與正電性PAMAM-Pt（IV）前藥分子進(jìn)行自組裝，形成～140 nm的大尺寸納米顆粒。在pH 6.8條件刺激下，聚合物的側(cè)基發(fā)生降解，使聚合物鏈由負(fù)電性轉(zhuǎn)變?yōu)檎娦?，破壞其與PAMAM-Pt（IV）之間的相互作用，釋放 PAMAM-Pt（IV），增強(qiáng)對 A549R 耐藥細(xì)胞的增殖抑制作用。

圖1 激光共聚焦顯微鏡觀察并分析響應(yīng)性載體（紅色熒光，RhB）在腫瘤內(nèi)釋放PAMAM分子（綠色熒光，F(xiàn)lu）的行為[13]

圖2 超敏pH響應(yīng)納米顆粒將在進(jìn)入腫瘤組織后，迅速解離為單分子鏈，增加進(jìn)入腫瘤深層組織的能力[14]

2 腫瘤基質(zhì)酸度增強(qiáng)納米載體細(xì)胞攝取

已有研究表明，納米載體表面“PEG化”會極大限制腫瘤細(xì)胞對其的攝取；同時，納米顆粒的表面性質(zhì)對其細(xì)胞攝取有重要影響。因此，可基于腫瘤組織pH環(huán)境設(shè)計響應(yīng)性納米載體，調(diào)控顆粒表面性質(zhì)實現(xiàn)提高細(xì)胞攝取的目的。Bae課題組[16]利用聚丙交酯-聚乙二醇-聚組氨酸-生物素和聚乙二醇-聚組氨酸構(gòu)建了混合膠束。在正常生理環(huán)境，聚組氨酸為疏水嵌段，使生物素靶向分子貼近膠束內(nèi)核；而在腫瘤基質(zhì)pH環(huán)境，咪唑環(huán)質(zhì)子化，聚組氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水性，生物素分子移動至膠束外層，發(fā)揮靶向功能，提高膠束進(jìn)入腫瘤細(xì)胞的含量（圖3）。

圖3 腫瘤酸度觸發(fā)靶向基團(tuán)（biotin）發(fā)揮功能的示意圖[16]

Wang等[17-20]構(gòu)建了一系列響應(yīng)性“電荷反轉(zhuǎn)”納米顆粒，在系統(tǒng)給藥后，顆粒表面負(fù)電荷會降低蛋白吸附，延長顆粒的循環(huán)時間，提高被動靶向性能；而當(dāng)顆粒富集于腫瘤組織后，聚合物側(cè)基的DMMA基團(tuán)發(fā)生降解，負(fù)電性納米顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)檎娦?，增?qiáng)顆粒與蛋白的結(jié)合作用。與非響應(yīng)性載體相比，“電荷反轉(zhuǎn)”顆粒能夠兼顧長循環(huán)和細(xì)胞攝取兩方面優(yōu)勢，將更多的藥物輸送至腫瘤細(xì)胞內(nèi)，改善藥物治療效果。在此基礎(chǔ)之上，Wang等[21-23]進(jìn)一步對DMMA基團(tuán)進(jìn)行改進(jìn)，合成了多種聚乙二醇化響應(yīng)性橋聯(lián)聚合物，通過“PEG脫殼”策略，進(jìn)行siRNA和化療藥物體內(nèi)遞送。當(dāng)載體被動進(jìn)入腫瘤組織后，Dlinkm化學(xué)鍵降解，使PEG殼層從納米顆粒表面脫落，提高腫瘤細(xì)胞對載體的識別能力。在給藥后對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)胞內(nèi)藥物濃度顯著提高（圖4）。

圖4 高分子納米載體借助PEG殼層的保護(hù)，延長藥物的血液循環(huán)；在富集于腫瘤組織后，通過“電荷反轉(zhuǎn)”/“PEG脫殼”等策略，提高腫瘤細(xì)胞的識別攝取[21]

使用細(xì)胞穿膜肽對聚乙二醇化載體進(jìn)行修飾，可以在體外水平顯著性增強(qiáng)細(xì)胞攝??；但修飾后的納米顆粒后會在體內(nèi)循環(huán)過程中被加速清除，降低載體系統(tǒng)的療效[24-25]。Yang等[26]將穿膜肽Transcriptional Activator Protein（TAT）中的賴氨酸側(cè)基用2,3-二甲基馬來酸酐修飾，藥代動力學(xué)和分布實驗結(jié)果顯示，當(dāng)賴氨酸氨基被屏蔽后，TAT功能被顯著抑制，載體的循環(huán)性能與未修飾TAT的顆粒相近；只有在pH 6.5條件下，DMMA基團(tuán)降解，TAT才能在腫瘤組織發(fā)揮功能，增強(qiáng)顆粒的細(xì)胞攝取能力，在體內(nèi)腫瘤抑制實驗中，這種載體系統(tǒng)體現(xiàn)出了自身的優(yōu)越性。Zhou等[27]采用類似方法，結(jié)合腫瘤細(xì)胞胞內(nèi)谷胱甘肽響應(yīng)性藥物釋放，同時解決細(xì)胞攝取和胞內(nèi)藥物釋放屏障，實現(xiàn)了級聯(lián)響應(yīng)性藥物遞送。

3 腫瘤細(xì)胞酸度加速藥物胞內(nèi)釋放

藥物釋放是納米載體體內(nèi)給藥的最后一步，只有在細(xì)胞內(nèi)將原藥分子迅速釋放，才能發(fā)揮殺傷腫瘤細(xì)胞的功能。納米載體在細(xì)胞攝取后，會在較長時間內(nèi)處于內(nèi)涵體/溶酶體。因此，可以設(shè)計響應(yīng)性的納米藥物載體，針對細(xì)胞器內(nèi)弱酸性環(huán)境（pH 5.0～5.5）解離或降解，快速釋放藥物。目前，具備胞內(nèi)敏感藥物釋放性質(zhì)的載體的設(shè)計手段，主要有兩種：一種是將反應(yīng)基團(tuán)修飾在聚合物側(cè)基，當(dāng)納米顆粒接收到刺激源后，其側(cè)基會發(fā)生響應(yīng)性的降解或質(zhì)子化，使得疏水嵌段轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水嵌段，顆粒在無法獲得疏水-疏水相互作用的支持后會快速解離為高分子鏈，同時釋放包載藥物。Yu等[28]報道了聚乙二醇-b-聚（二異丙基氨基甲基丙烯酸酯），在pH 7.4條件下，兩親性聚合物可自組裝形成蠕蟲狀的納米膠束。當(dāng)納米顆粒被A549肺癌細(xì)胞攝取后，由于二異丙基氨基基團(tuán)的質(zhì)子化，顆粒會迅速解離，恢復(fù)光敏劑Ce6功能，對腫瘤細(xì)胞進(jìn)行高效的光動力學(xué)治療（圖5）。Zhong等[29]利用聚乙二醇-聚甲基丙烯酸（三甲氧基苯甲縮醛-三羥甲基乙烷酯）-聚丙烯酸（PEG-PTTMA-PAA）制備了攜載阿霉素（DOX）的納米囊泡，在pH 5.0條件下，縮醛鍵降解，使兩親性聚合物的親疏水比例變化，調(diào)控納米顆粒組裝狀態(tài)，DOX得以釋放并殺傷Hela細(xì)胞。Wooley等[30]將紫杉醇（PTX）分子經(jīng)β-硫代丙酸酯鍵鍵合于聚乙二醇-聚磷酸酯側(cè)基，制備得到的PEO-PPEPTX在進(jìn)入OVCAR-3細(xì)胞后，β-硫代丙酸酯鍵降解，PTX與聚合物骨架分離，使疏水嵌段轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水嵌段，PTX快速釋放。

圖5 在中性條件，兩親性聚合物自組裝為蠕蟲狀納米膠束；腫瘤細(xì)胞酸性條件刺激聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)槿H水性，膠束解離[28]

另一種實施方案是將化學(xué)鍵作為納米顆粒親疏水組分的橋聯(lián)部分，當(dāng)橋聯(lián)化學(xué)鍵遭遇刺激源后，會迅速降解，從而將親疏水組分分離，最終改變納米顆粒的組裝結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步促進(jìn)藥物釋放。Wagner研究組[31]曾利用腙鍵將PEG與疏水性膽固醇“橋聯(lián)”，并與DNA復(fù)合，組裝成納米顆粒。在生理條件下顆粒可穩(wěn)定存在，而被細(xì)胞攝取并進(jìn)入內(nèi)涵體后，在偏低的pH環(huán)境（pH=5.4）下腙鍵迅速降解斷裂，使納米顆粒表面脫去PEG保護(hù)層，去PEG化的納米顆粒在響應(yīng)性釋放DNA的同時可以顯著促進(jìn)基因藥物從內(nèi)涵體的逃逸。上述載體系統(tǒng)在體外水平與非“橋聯(lián)”的體系相比，基因藥物的轉(zhuǎn)染效果增強(qiáng)約40倍（圖6）。

圖6 橋聯(lián)高分子的化學(xué)鍵被弱酸性環(huán)境降解，納米載體崩解，釋放攜載DNA[31]

4 展望

腫瘤酸度響應(yīng)納米藥物載體巧妙利用了腫瘤組織和腫瘤細(xì)胞內(nèi)獨特的微環(huán)境，有效解決了納米載體在系統(tǒng)給藥后面臨的腫瘤滲透、高效攝取、快速釋放藥物等難以，改善了原有化療藥物的療效，降低了毒副作用，受到納米醫(yī)學(xué)科研工作者的廣泛關(guān)注。除了腫瘤酸度，腫瘤組織還存在還原物質(zhì)、特異性表達(dá)酶等內(nèi)在微環(huán)境；同時，超聲、激光等也是很好的外部刺激因子。在未來抗腫瘤藥物遞送研究中，多重級聯(lián)響應(yīng)性載體將成為研究熱點。這種載體集成了不同微環(huán)境下的協(xié)同效應(yīng)，不僅能夠更好地克服各個給藥屏障，還可以協(xié)調(diào)各個屏障間的關(guān)系，實現(xiàn)高效藥物遞送。然而，多重響應(yīng)性載體的材料合成步驟復(fù)雜，質(zhì)量不容易控制，只有聯(lián)合推動材料學(xué)和相關(guān)學(xué)科共同發(fā)展，才能有效解決該問題，使納米藥物載體的給藥向更加精準(zhǔn)化方向發(fā)展。