納米粒子治療心肌梗死的研究進展

劉云翠，劉肖瑩，李明慧，彭海生

(哈爾濱醫(yī)科大學大慶校區(qū)藥學院，黑龍江 大慶 163319)

心肌梗死是缺血和低氧狀態(tài)引起的心臟損傷[1-2]。長期和反復缺血引起的大量心肌細胞丟失會形成難以恢復的損傷和疤痕組織。心肌細胞丟失后剩余的心肌細胞負擔就會加重，從而引起心排血量降低、心室重塑以及心肌肥大，嚴重時可導致心力衰竭和死亡[3-5]。常見的治療方法有藥物治療、抗血栓治療以及冠狀動脈旁路移植手術(shù)治療等。藥物治療可通過擴張血管降低血壓，從而降低心排血量[6-7]。冠狀動脈移植常用于嚴重的心肌梗死患者。因缺血性心臟病通常會導致終末期心力衰竭，以上措施只是暫時性改善心肌梗死癥狀。心臟移植可用來治療心肌梗死，但因供體器官短缺以及器官移植后的免疫并發(fā)癥而并未得到廣泛應(yīng)用[8]。因此需要新的治療策略來保護缺血心肌，防止心肌細胞死亡，減少心肌梗死面積，改善左心室功能，預(yù)防心力衰竭的發(fā)生。

納米粒子(nanoparticles,NPs)是一種用于傳遞化學和生物制劑的載體[9]，可根據(jù)不同的需要，合成不同材料、形狀、大小、物理和化學性質(zhì)以及生物特性的NPs。NPs可以包裹化學和生物制劑，也可通過非特異性吸附或表面修飾特異性結(jié)合到NPs表面，然后通過被動或主動靶向途徑將裝載的藥物遞送到心肌梗死部位。到達梗死部位后，藥物釋放到梗死組織，從而保護缺血心肌組織，減少梗死面積。

1 NPs靶向心肌策略

NPs可通過全身給藥或局部給藥的方式進入機體，進入機體的NPs可通過被動或主動靶向到達梗死的心肌組織。被動靶向是基于心肌梗死后心臟病理區(qū)的增強通透性和滯留效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect,EPR)，而在主動靶向策略是基于NPs表面修飾生物標志物[10]。在受損心臟組織和正常心臟組織中，尋找顯著上調(diào)的生物標志物，如心肌肌鈣蛋白、心房鈉尿肽以及基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-9等，是研究具有臨床應(yīng)用價值納米藥物遞送系統(tǒng)的必要條件[11-13]。目前，用于將顯像劑或藥物輸送到心臟組織的生物標志物大多在正常組織與受損組織之間并未表現(xiàn)出顯著的上調(diào)差異。成像技術(shù)的進步可能會彌補顯像劑的低選擇性，但基于配體的NPs藥物的遞送更依賴于合適的生物標志物。目前尚不清楚現(xiàn)有的臨床干預(yù)是否能夠通過上調(diào)生物標志物的方式“敏化”心臟組織，然后設(shè)計基于配體載體的靶向生物標志物。值得一提的是，在血液中，NPs表面吸附一層或多層蛋白，從而形成蛋白冠。蛋白冠可能會影響NPs的生物學效應(yīng)、藥物釋放和免疫原性，但目前尚不清楚其具體的作用機制[10]。

1.1NPs給藥方式 NPs的給藥方式有全身給藥和局部給藥兩種方式。全身給藥相較于局部給藥具有較小的侵襲性，但往往因部分藥物不能聚集在受損區(qū)域而產(chǎn)生不良反應(yīng)。靜脈注射NPs時，由于NPs的粒徑較小而更易被細胞吸收，在血流中發(fā)生堵塞的可能性也較小[14-15]。局部注射是將治療劑直接注射到梗死或梗死周圍心肌。由于治療藥物直接到達梗死的心臟區(qū)域(目標區(qū)域)，因此可減少用藥量并降低不良反應(yīng)發(fā)生率。局部遞送也可通過基于經(jīng)皮導管的技術(shù)進行，這將有利于NPs在臨床實踐中實施[16]。

1.2NPs被動靶向到心肌 研究人員正在致力于通過各種靶向策略和方法，最大限度地將NPs藥物通過被動靶向輸送到心臟。Dvir等[17]觀察大鼠模型中所有器官(包括肺、肝、脾、腎和心臟)中積累的NPs總量，成功實現(xiàn)心臟NPs的高累積量。Dvir所設(shè)計的系統(tǒng)是基于聯(lián)合應(yīng)用的策略，第一種策略是在梗死后心臟中主動靶向上調(diào)血管緊張素Ⅱ型受體；另一種是通過EPR實現(xiàn)被動靶向。EPR是一種在癌癥模型中常見的現(xiàn)象，能夠促進NPs在腫瘤組織的選擇性分布，并增加病理區(qū)的藥物濃度。最近的研究表明，心肌梗死后，心肌也存在這種EPR，其中供應(yīng)左心室血液的血管系統(tǒng)的高通透性和滯留性增加[18]。

此外，Tan等[19]觀察到，隨著剪切速率的增加，NPs對血管壁的聚集能力增強。心肌梗死時，由于血管畸形或部分閉塞，閉塞處血管口徑減小會增加局部血管壁的剪切速率，從而導致NPs向血管壁的聚集增加。這種流變現(xiàn)象，再加上左心室梗死血管的EPR，可使NPs的被動靶向策略獲得更高的效率。NPs的物理特性，如形狀和大小，可能會影響其對血管壁的聚集能力，如金NPs可以制備成棒狀、球形和水滴狀等[20]。Sharma等[21]發(fā)現(xiàn)，NPs的形狀影響巨噬細胞對其的吸收，如棒狀的NPs比球形NPs效果更好。NPs的延展性為設(shè)計靶向心臟的藥物輸送系統(tǒng)提供了思路。

1.3NPs主動靶向到心肌 為提高藥物在體內(nèi)的療效，研究人員的研究主要集中在如何增加NPs在體內(nèi)的循環(huán)時間和實現(xiàn)與靶點結(jié)合的特異性主動靶向上，其中降低巨噬細胞對NPs的吸收也是研究的熱點。Ahad等[22]將血管緊張素Ⅱ中的一個氨基酸序列與聚乙二醇脂質(zhì)體共價結(jié)合，血管緊張素Ⅱ序列與體內(nèi)的血管緊張素Ⅱ受體結(jié)合，實現(xiàn)對血管緊張素Ⅱ型受體的主動靶向。

機體發(fā)生炎癥時，內(nèi)皮細胞表達的E-選擇素可作為潛在靶向劑[23]。Kiely等[24]制備了小鼠單克隆抗體(mAb)H18/7修飾的脂質(zhì)體，H18/7是一種E-選擇素特異性抗體。Li等[25]用重組人白細胞介素-1β處理人臍靜脈內(nèi)皮細胞后，內(nèi)皮細胞活化。單克隆抗體(mAb)H18/7修飾后的脂質(zhì)體對活化內(nèi)皮細胞的靶向作用較未活化高，且具有較高的特異性。修飾后脂質(zhì)體的攝取主要通過細胞內(nèi)吞或溶酶體途徑。雖然E-選擇素被證實是一種可行的靶向給藥NPs的選擇，但這種糖蛋白在所有暴露于炎癥刺激的內(nèi)皮細胞中都有所表達。這意味著在患有多種或全身感染的心肌梗死患者中，體內(nèi)脫靶可能成為E-選擇素作為靶分子的一個主要問題。E-選擇素可與其他心肌靶向分子(如血管緊張素Ⅱ)協(xié)同使用，增強心肌的靶向性。因此，許多靶向方法可以協(xié)同使用以提高靶向特異性和靶向效率。

2 NPs在心肌梗死治療中的應(yīng)用

為了減少給藥后的藥物降解和損失，防止不良反應(yīng)的發(fā)生，提高藥物的生物利用度和在病變區(qū)的藥物濃度，目前正在開發(fā)各種藥物遞送和藥物靶向系統(tǒng)。在藥物載體中，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的是生物可降解納米顆粒、微球、納米粒、脂質(zhì)體以及膠束等。這些載體在體內(nèi)可被緩慢降解，并且可以與特定的抗原結(jié)合，靶向目的組織或細胞。在缺血心肌，NPs能夠靶向巨噬細胞和血管。

載體的設(shè)計和開發(fā)一直是研究人員關(guān)注的熱點。NPs載體將藥物輸送到心臟組織領(lǐng)域是心臟組織再生的一個重要組成部分。為了開發(fā)成功的納米系統(tǒng)，研究人員必須克服循環(huán)與靶細胞通路上的兩個主要障礙。首先，NPs穿過正常血管內(nèi)皮。只有在血管系統(tǒng)功能異常的情況下，NPs才能更容易地穿過內(nèi)皮細胞。第二，需要活性靶向分子，這種靶向分子需要在目的組織中的表達與其他組織中的表達存在明顯差異，以及能與該靶向分子結(jié)合的配體[26-27]。

2.2脂質(zhì)體 脂質(zhì)體是常見的納米載體之一，其具有與細胞膜相似的結(jié)構(gòu)，可以將藥物輸送到梗死區(qū)域，并且可以包裹親脂性和親水性藥物。脂質(zhì)體可長期釋放藥物，且只影響損傷或梗死的細胞，不影響健康的細胞。脂質(zhì)體可將納米?；蛩幬锇?，使其免受生物分子的吸附。脂質(zhì)體釋放藥物在很大程度上取決于磷脂脂質(zhì)雙層的性質(zhì)、脂膜裂解的速度以及藥物分子的大小[32]。藥物的包封效率取決于藥物本身分配系數(shù)和與水親和的能力。如果藥物是極性的，可能位于內(nèi)水相核心或鄰近水-脂界面。在慢性心肌梗死的豬模型中，單獨注射載有環(huán)孢菌素A的脂質(zhì)體或聯(lián)合在心肌局部注射干細胞發(fā)現(xiàn)，載有環(huán)孢菌素A的脂質(zhì)體能降低心肌細胞的凋亡，并且聯(lián)合治療能夠明顯改善左心室功能，促進新血管形成，減少梗死面積[33]。顧一珠等[34]制備了載有葛根素的RGD肽(H-甘氨酰-精氨酰-甘氨酰-天冬氨酰-天冬酰胺酰-脯氨酸-OH)修飾并聚乙二醇化的NPs。在大鼠慢性心肌梗死模型中，與未修飾的脂質(zhì)NPs相比，RGD肽修飾的NPs心臟中葛根素的水平升高，心肌梗死面積減少。Gabrielska等[35]將黃芩苷包裹在聚乙二醇化的脂質(zhì)NPs中也觀察到了類似的結(jié)果，黃芩苷具有抗氧化作用和清除活性自由基的作用，是具有心肌缺血保護功能的小分子。

2.3PLGA NPs載體的可用輔料很多，其中聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]是生物安全性、生物相容性和生物降解性俱佳的高分子材料，是美國食品藥品管理局授權(quán)的藥用高分子輔料。對PLGA進行處方優(yōu)化(加入帶正電脂材、聚酸酐及無機鹽)可克服PLGA的載藥和釋放問題。研究證明，PLGA-NPs通過靜脈注射可以遞送小分子生物活性物質(zhì)到缺血區(qū)域[36-37]。環(huán)孢菌素A、厄貝沙坦和洛伐他汀具有保護心臟作用，聚合物NPs包裹后可以維持生物活性。厄貝沙坦阻斷血管緊張素Ⅱ受體并激活過氧化物酶體增殖物激活受體γ，降低血壓和促炎細胞因子的表達；洛伐他汀激活磷脂酰肌醇-3-激酶通路，并降低炎癥的發(fā)生[38]。在缺血再灌注豬模型中，注射載有保護缺血心肌小分子藥物的PLGA-NPs降低了炎癥和氧化應(yīng)激的發(fā)生[39]。

2.4生物可降解納米顆粒 生物可降解聚合物如聚己酸內(nèi)脂、聚羥基脂肪酸酯、多聚賴氨酸等制備成的藥物載體可以攜帶比單克隆抗體多幾個數(shù)量級的藥物，并可設(shè)計出具體藥物釋放率的載體結(jié)構(gòu)。基于這些特性，生物可降解藥物載體補充并擴大了其他載體(如脂質(zhì)體和聚合物膠束等)靶向遞送藥物的可能性?？缮锝到忸w粒的靶向主要途徑包括單克隆藥物抗體雜交、免疫脂質(zhì)體、細胞載體和抗體/受體連接[40]。納米顆粒的粒徑和表面電荷是決定體內(nèi)清除率最重要的因素。研究表明，表面電荷在納米顆粒的穩(wěn)定性中起著最重要作用，一般來說，中性或負電荷的納米顆粒較正電荷的納米顆粒引起的炎癥反應(yīng)要少[41]。納米材料的生物相容性取決于材料的結(jié)構(gòu)、粒徑和配方等[42]。Torchilin[43]制備了載有堿性成纖維細胞生長因子的可生物降解納米顆粒發(fā)現(xiàn)，生物可降解納米顆?？筛纳坡孕募」Ｋ绖游锏淖笮氖夜δ埽种谱笮氖抑貥?gòu)，促進血管生成，使不易破碎的小血管重建，并增加冠狀動脈搭橋手術(shù)時遠端的徑流量，從而起到治療作用。

2.5聚合物納米膠束 聚合物納米膠束是由親水和疏水單體組成的嵌段聚合物通過自組裝形成，使膠束能夠特定地或至少優(yōu)先地聚集在所需的病理區(qū)域(即制造靶向膠束)，可進一步提高膠束膠囊藥物(藥物和診斷劑)的治療效果[44-45]。由于血管系統(tǒng)(腫瘤和梗死)處的EPR，載藥的膠束可在“滲漏”區(qū)域優(yōu)先積累。Wang等[46]設(shè)計了由MMP靶向肽修飾的脂質(zhì)納米膠束MMP-TP，并在動物水平對其進行了評價，證明MMP-TP膠束可通過靜脈輸送到特定的心臟梗死部位。聚合物納米膠束通過提供重新編程的因子，進行基因修飾巨噬細胞和優(yōu)化組織重塑，對心臟再生治療有重要意義。

2.6MMP-9作為觸發(fā)條件的納米給藥系統(tǒng) 藥物載體可根據(jù)正常組織與缺血心肌之間生化參數(shù)的顯著差異進行設(shè)計，達到將藥物輸送到所需位置的目的。如在細胞水平，缺血4 h后，受影響的心肌細胞對氧供減少的初始反應(yīng)開始是凋亡，隨后是心臟細胞大量丟失和微環(huán)境惡化[47];缺血12 h后，心肌細胞開始壞死。MMP-9是一種分解細胞外基質(zhì)的蛋白酶，心肌梗死后在梗死區(qū)的表達增加，并參與心肌組織重構(gòu)[48]。MMP-9可以酶解類似膠原蛋白序列結(jié)構(gòu)的底物，將底物修飾到NPs的表面可用作觸發(fā)條件破壞NPs的表面結(jié)構(gòu)，達到快速釋放所載藥物的目的[49-50]。此外，在NPs表面雙修飾心肌靶向分子和MMP-9酶解的膠原蛋白序列結(jié)構(gòu)的底物能夠增強心肌的靶向性?？焖偬岣咝募乃绤^(qū)域的藥物濃度。

3 小 結(jié)

NPs的發(fā)展對心血管疾病的診斷、治療和成像有重要意義，其能夠有效地將藥物遞送到梗死心肌組織，是解鎖納米治療策略的關(guān)鍵，也能增強常規(guī)治療的效果。成功的心臟藥物輸送系統(tǒng)是基于研究人員了解各種心臟疾病的發(fā)病機制、載體的靶向特性和活性、載體的靶向配體，并確保載體與靶細胞表面分子之間的相互作用等。目前，研究人員正在積極開發(fā)和設(shè)計新的靶向心肌的納米策略，以增加藥物在缺血區(qū)的聚集，從而發(fā)揮治療作用。