肺部藥物遞送系統(tǒng)在肺部感染治療領(lǐng)域的現(xiàn)狀和進展

李楠，劉暢，劉洪斌

(天津市醫(yī)藥科學研究所，天津 300020)

肺部感染已成為全球第三大致死疾病，僅次于心腦血管疾病[1]。大部分上呼吸道感染是由于呼吸道遭到外界病毒的侵襲，而下呼吸道感染可能由病毒、真菌、細菌、衣原體和支原體等病原微生物引起。其中銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa，PA)作為臨床上重要的條件致病菌之一，引起的肺部感染多為難治性慢性感染，常見于囊性纖維化(cystic fibrosis，CF)、彌漫性泛細支氣管炎癥和支氣管擴張等[2-3]。臨床治療中常采用抗菌藥物予以治療，但傳統(tǒng)口服或靜脈途徑治療，抗菌藥物全身性分布，感染部位有效藥物濃度低，無法達到治療所需的最小抑菌濃度，且容易誘導細菌產(chǎn)生耐藥突變，不利于肺部感染的有效防治[1]。世界衛(wèi)生組織已將細菌耐藥性視為人類健康的三大威脅之一[2]。因此，如何使抗菌藥物成功遞送至感染病灶同時減少細菌耐藥性成為有效治療肺部感染的巨大挑戰(zhàn)。局部遞送抗菌藥物，如吸入氣霧劑用于治療肺部感染，起效迅速，僅需較低的藥物劑量作用于局部，即可在靶部位實現(xiàn)較高的藥物濃度，更加可有效清除細菌并降低耐藥致病菌；減少全身暴露，從而降低藥物不良反應[4-5]。

慢性呼吸道感染治療常采用吸入用抗菌藥物[6]，早期的制劑并未明確設計用于吸入霧化治療(如慶大霉素注射劑的霧化吸入)，因而引起嚴重的支氣管刺激。1997年美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準即妥布霉素吸入制劑用于PA感染的CF患者[7]，在改善CF患者肺功能和降低住院頻次方面，顯示出良好的臨床前景。隨后，開發(fā)了干粉藥物遞送系統(tǒng)(drug delivery system,DDS)制劑以增強抗菌藥物的肺部遞送效率，減少抗菌藥物的使用劑量，在改善抗菌藥物的肺部安全性的同時避免耐藥性的發(fā)展。除用于CF的相關(guān)感染的治療，吸入制劑還可用于其他下呼吸道感染[7-8]。

隨著人們對肺部遞送藥物研究的不斷深入，將納米載體等藥物遞送系統(tǒng)(drug delivery system,DDS)應用于肺部局部給藥漸漸受到關(guān)注。DDS具有克服肺部生物學屏障的能力，有利于細菌感染的清除和防止耐藥菌的發(fā)展等。盡管國內(nèi)外研究人員針對DDS在肺部給藥治療相關(guān)領(lǐng)域進行了大量的研究，但當前的最新技術(shù)還無法滿足抗菌藥物肺部治療的理想要求，仍觀察到細菌耐藥性的不斷提高。本文將對肺部感染治療的難點、抗菌藥物耐藥性和吸入給藥的優(yōu)勢、肺部遞送藥物的要求等方面歸納和總結(jié)，以期為基于DDS的肺部吸入用抗菌藥物的研發(fā)提供參考。

1 抗菌藥物耐藥性和局部用藥的益處

病原微生物如金黃色葡萄球菌、腸球菌或銅綠假單胞菌(PA)[9]引起的人類細菌性感染在全球的死亡率中占很大的比例[10]。多數(shù)情況下，感染的患者會接受強效抗菌藥物的治療，傳統(tǒng)臨床治療常采用口服和/或靜脈給藥[6]。特別是對于慢性感染的治療，通常采用較高劑量的抗菌藥物。盡管它們對感染具有較好的治療效果，但也存在一些缺陷：①重復使用高劑量抗菌藥物可能會產(chǎn)生藥物不良反應、劑量蓄積和急性毒性。如反復高劑量給予妥布霉素會引起急性/慢性毒性，特別是減少腎小球濾過[11]；②在非治療部位使用或蓄積抗菌藥物(如影響結(jié)腸的正常細菌群)會導致耐藥性的發(fā)生，影響疾病的有效控制和治療[12]；③更重要的是抗菌藥物的生物利用度較低，使得治療部位所需的最低抑菌濃度(MIC)升高，引起細菌耐藥性的快速發(fā)展[12-13]。

盡管可通過合理使用抗菌藥物避免藥物的不良反應，但細菌耐藥性已成為目前細菌感染治療最緊迫的威脅之一。某些耐藥菌甚至對多種抗菌藥物都產(chǎn)生了耐藥性[14-16]。

革蘭陰性桿菌引起的細菌耐藥性問題，其中最嚴重的當數(shù)腸桿菌科、銅綠假單胞菌(PA)和鮑曼不動桿菌，這些菌株幾乎對所有抗菌藥物都具有耐藥性[17]。目前臨床上對PA治療面臨著細胞的低滲透性、多種藥物的主動外排泵、生物膜形成、產(chǎn)生鈍化酶及染色體編碼的β-內(nèi)酰胺酶突變等問題[3,18]。

目前批準應用于臨床的抗菌藥物作用靶點通常在細菌細胞膜處或細菌細胞質(zhì)中的某個位置[15]。臨床治療時抗菌藥物應以高濃度達到其靶標，克服潛在的低藥物敏感性。盡管肺部給予抗菌藥物具有較好的療效，但肺部有其自身的防御機制，可限制異源性生物侵入肺部。近年來研究人員通過改變可吸入微粒的尺寸、形狀、表面電荷和溶解度等理化性質(zhì)克服肺部自身的防御機制，改善吸入制劑的霧化性能。

2 吸入用抗菌藥物治療肺部感染的難點

醫(yī)院獲得性銅綠假單胞菌是全球醫(yī)院內(nèi)肺部感染的主要原因之一。在醫(yī)院感染監(jiān)測系統(tǒng)報告的革蘭陰性病原菌中，位列第二[19]。PA是CF患者最常見的病原菌，被認為是此類患者發(fā)病和死亡的主要原因[20]。生物膜對抗菌藥物具有天然的抵抗力，這可能是反復持續(xù)細菌感染的根源。據(jù)報道，吸入給藥是呼吸道細菌感染最有效的治療方法，可直接將藥物遞送至患病部位[5,20]。研究表明，吸入抗菌藥物可減少病情加重的頻率，顯著降低氣道細菌密度，恢復肺功能，最重要的是改善肺部感染患者的生活質(zhì)量[21]。但是，目前吸入抗菌藥物在清除細菌感染方面還面臨一些困難。

2.1 藥物的生物利用度 肺內(nèi)襯液的總體積很小(約150 mL)，并以厚度為0.07～15 μm分布在較大的上皮表面(140～160 m2)上[22-23]，因此對藥物的水溶性提出了較高的要求[24]。由于目前臨床使用的吸入用抗菌藥的藥效相對較低，需給予相當高的劑量(最高達100 mg)，因此肺吸入抗菌藥物的水溶性至關(guān)重要。

2.2 肺對藥物的清除機制 藥物穿透氣血屏障進入體循環(huán)的吸收和肺對藥物的清除機制(如黏膜纖毛的清除和巨噬細胞的吞噬[25])可能是影響藥物在氣道內(nèi)盡可能長時間維持最小抑菌濃度(minimum inhibitory concentration，MIC)[26]的關(guān)鍵因素。此外，重復使用高劑量的抗菌藥物而不控制釋放，對患病部位的非靶向遞送，也可能對健康的肺細胞產(chǎn)生毒性[27]。

2.3 PA耐藥機制 最新的研究表明，目前臨床上使用的吸入抗菌藥物制劑只能終止病原體的傳播并減少氣道組織的破壞[28]，而不能徹底清除感染。作為革蘭陰性病原菌，PA對多種抗菌藥物具有天然耐藥性，其生物膜的形成是促使肺部PA感染變得復雜的關(guān)鍵因素。PA形成生物被膜后，可通過①細胞壁滲透性下降，阻止抗菌藥物的滲透；②吸附抗菌藥物滅活酶，促進抗菌藥物水解；③被膜下細菌呈“休眠狀態(tài)”，敏感性降低；④阻止機體免疫系統(tǒng)對細菌的清除，產(chǎn)生免疫逃逸等機制，很難被抗菌藥物清除[15,29]。此外，生物膜的細胞外基質(zhì)主要由海藻酸鹽、細胞外聚合物、脂質(zhì)和DNA組成，是抗菌藥物滲透的重要屏障[30]。氨基糖苷類藥物，特別是妥布霉素由于生物膜組分與其存在較強的相互作用，從而導致藥物不能完全滲透到生物膜基質(zhì)中[3,30-31]。

肺的上皮表面覆蓋一層黏液，其具有水凝膠樣結(jié)構(gòu)，主要由水、黏蛋白(糖蛋白)、DNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和細胞碎片組成[32]，是病原菌與宿主相互作用定植的第一個位點和進入機體的主要部位。盡管有黏液的屏障功能，但黏液并不能充分保護上皮組織免受病原菌定植等外部威脅[33]。病原菌一旦超過了機體的自然防御系統(tǒng)，黏膜可能成為細菌感染和耐藥的良好環(huán)境。值得注意的是，囊性纖維化(CF)患者肺內(nèi)黏稠的黏液堆積使其成為細菌感染的溫床。人們已經(jīng)認識到，黏液包裹的生物膜可持續(xù)存在數(shù)十年，無法完全清除。天然帶負電的黏液基質(zhì)可能成為更強的屏障，阻止抗菌藥物滲透到作用部位[31]。因此，形成生物膜的細菌更難以通過常規(guī)吸入給藥根治。

2.4 細菌感染治療的新技術(shù) 目前歐洲僅批準了4種治療CF相關(guān)PA感染的吸入用抗菌藥物，包括大腸菌素(及其前藥大腸菌素甲磺酸鹽)、妥布霉素、左氧氟沙星和氨曲南[34-35]；一旦病原菌對某種藥物產(chǎn)生耐藥性，即使使用現(xiàn)有的、不同類型的抗菌藥物聯(lián)合用藥來對抗肺部感染以減少細菌耐藥的發(fā)生仍具有一定的難度[34]。

最新用于細菌感染的治療方法包括噬菌體治療、免疫治療和疫苗接種，以及新的抗菌藥物的發(fā)現(xiàn)和合成。這些發(fā)現(xiàn)的主要目的是獲得更好滲透性，滲透細菌細胞壁和周圍環(huán)境屏障，可在作用部位獲得更好的生物利用度[14,36-38]。這些新的活性物質(zhì)或治療方法傾向于針對特定細菌進行選擇性殺滅，而不損傷其他細菌和正常細胞。群體感應抑制因子(QSI)可有效抑制生物膜結(jié)構(gòu)，使得細菌對抗菌藥物更敏感。這種思路已經(jīng)顯示出較好的結(jié)果，尤其是與已批準的抗菌藥物聯(lián)合使用，可顯著提高對細菌生物膜的功效[39]。QSI不會干擾細菌的生長，因而可避免抗菌藥物的耐性；它們通過群體感應系統(tǒng)抑制細菌傳播，阻止生物膜的形成。但目前發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的QSI水溶性很差，影響其生物利用度，從而限制其療效，使得它們無法通過吸入給藥[40]。

研究人員試圖通過提高現(xiàn)有抗菌藥物的藥效以克服細菌耐藥性。目前已經(jīng)合成了僅在目標部位起作用的前藥[15]，預期可降低由抗菌藥物本身引起的毒性，如黏菌素及其前藥，然而，由于活性藥物成分的理化性質(zhì)和藥物特性的影響，這一目標仍難以實現(xiàn)[41]。

因此，無論是發(fā)現(xiàn)新的抗菌藥物還是改善現(xiàn)有抗菌藥物的藥效，對抗細菌耐藥性的關(guān)鍵之一就是提高藥物在感染病灶的生物利用度。因此，需要有效的遞送系統(tǒng)，使其直接作用于局部，達到高劑量、持續(xù)的局部藥物分布。

3 藥物遞送系統(tǒng)在肺部感染治療領(lǐng)域的應用

3.1 DDS在肺部感染治療中的優(yōu)勢 與傳統(tǒng)(口服或靜脈)給藥相比，肺部遞送抗菌藥物治療呼吸道細菌感染可獲得了更好的效果，可顯著提高其生物利用度，且全身性的嚴重不良反應較小[1-2,6]；同時肺部藥物的遞送也面臨一些制劑工藝方面的難題。

理想的DDS必須解決活性藥物成分(API)在發(fā)揮療效方面的某些限制，如水溶性差、難以將藥物分子遞送至肺部及誘發(fā)高毒性的風險等[42]。增加比表面積可提高水溶性差的藥物的溶解速率，提高水溶性差的抗菌藥物在肺內(nèi)襯液的溶解度，控制藥物的釋放，合理選擇聚合物載體，并阻止藥物快速清除，并最大限度地降低可能的不良反應。納米顆粒的粒徑低于黏膜纖毛識別清除的最佳尺寸范圍[32,43]。避免或限制黏膜纖毛清除和肺泡巨噬細胞吞噬的同時，將抗菌藥物保留在肺內(nèi)襯稀薄的液體中，可提高藥物的生物利用度[1-2,44]。

吸入抗菌藥物，可在較長時間內(nèi)保持局部藥物濃度高于MIC[26]。對納米顆粒進行修飾達到對細菌細胞膜的更好親和力。盡管存在爭議和缺乏臨床證據(jù)，但納米藥物確實可改善藥物跨生物學屏障(生物膜和/或黏液)的性能，更直接、持續(xù)地將藥物轉(zhuǎn)運到靶部位，提高抑菌活性，從而降低細菌耐藥和反復感染[45]。多功能載體可實現(xiàn)不同功能活性藥物的共遞送。納米技術(shù)的靈活性為對抗細菌耐藥，尤其是治療肺部細菌感染提供了更多的可能性。

3.2 肺部藥物遞送系統(tǒng)的要求 為提高抗菌藥物治療肺部感染效果的目的，藥物必須主要沉積并在肺內(nèi)發(fā)揮療效。DDS應在改善藥物生物利用度和體內(nèi)吸收的同時實現(xiàn)高載藥量和高包封率。此外，DDS應能滿足同時遞送多種活性藥物，以協(xié)同提高治療效果。進一步對DDS進行修飾，可增強其與目標部位的親和力，降低不良反應。用于制備此類載體的材料應無毒、生物相容且可生物降解，在體內(nèi)釋藥后可被清除[46]。

吸入裝置和氣溶膠的性能是影響吸入制劑肺內(nèi)沉積的重要因素。根據(jù)藥物制劑在肺內(nèi)沉積和治療的特定需求選擇吸入裝置(霧化器、定量吸入器和干粉吸入器)。空氣動力學粒徑大小在0.5～5 μm的微?？杀挥行氩⒊练e在肺泡區(qū)域[47]。

納米醫(yī)學領(lǐng)域的重點已從制造簡單裝載藥物的載體轉(zhuǎn)移到設計具有所需特性的納米載體，以實現(xiàn)特定的靶向功能，甚至可進行成像，從而更好地控制遞送并克服生物屏障。但過于復雜的載藥系統(tǒng)難以通過臨床前研究，使得納米藥物無法真正運用到患者。目前還難以在大規(guī)模生產(chǎn)中制備多功能化載體。因此，尋找符合所需要求的藥物賦形劑用于肺部遞送抗菌藥物是目前亟待解決的問題之一。與口服或胃腸道外途徑相比，批準用于肺部遞送藥物的賦形劑非常有限，安全問題是開發(fā)吸入DDS的主要問題[1]。臨床前研究中采用簡單的策略，使用目前已批準制劑中的聚合物或?qū)ζ溥M行修飾，來開發(fā)高載藥量的遞藥系統(tǒng)達到改善治療效果的目的。

值得注意的是，由于實際遞送至肺部的載體量有限，因此在開發(fā)DDS時應優(yōu)先考慮其載藥量性能。盡管可通過優(yōu)化工藝參數(shù)來實現(xiàn)包封率的最大化，但要實現(xiàn)足夠高的載藥量仍是困擾研究人員的難點，因此載藥量是良好DDS的首要因素之一。

3.3 DDS與肺部生物屏障間的相互作用 PA是一種條件致病菌，慢性的PA感染在小氣道中持續(xù)存在，可使CF患者反復出現(xiàn)PA感染[3]。盡管已經(jīng)成功地將藥物分子或載藥DDS遞送至靶部位，但由于肺部的生物屏障的存在可能會使其無法發(fā)揮作用。考慮到呼吸道細菌生物膜感染，限制藥物轉(zhuǎn)運的生物障礙包括細菌細胞膜、生物膜、黏液、黏膜生物膜和肺免疫調(diào)節(jié)劑等。由于最終目的是在克服細菌耐藥的同時治療生物膜感染，因此抗菌藥物應能穿過上述屏障，并沉積在細胞膜或細菌細胞質(zhì)中。普通的吸入制劑并不能滿足該目的，因此需對傳統(tǒng)的DDS進行改進修飾，以滿足跨越肺部生物屏障的要求[2]。

通過改進DDS的粒徑、電荷、表面化學性質(zhì)和形態(tài)等可更好地透過生物屏障。具有良好的生物屏障穿透性能的顆粒都具有較小的粒徑(100～200 nm粒徑可兼顧轉(zhuǎn)運和裝載的性能)、良好的表面性質(zhì)(PEG或兩性離子修飾)和光滑的表面形態(tài)。研究表明粒徑小于200 nm的球形PEG化納米顆粒可穿透黏液和生物膜等生物屏障實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)運[48]。表面電中性、粒徑較小的顆?？裳娱L體內(nèi)的滯留時間，但表面修飾PEG或兩性離子可能會降低顆粒表面的載藥性能。因此在設計穿透生物屏障的DDS時應綜合考慮各種因素。

肺部具有自身特殊的藥物清除機制，當有外來異物進入肺部，自然的清除是不可避免的，因此DDS在肺內(nèi)的滯留時間取決于肺部的清除。能夠克服生物屏障的顆粒要么被細胞吸收，要么被肺泡巨噬細胞吞噬。氣道上皮細胞為假復層纖毛柱狀上皮，是黏膜纖毛清除的主要場所，藥物經(jīng)肺吸入后，被截留在肺黏膜處，黏液層保護的肺泡上皮細胞是難溶性藥物發(fā)揮藥效的主要屏障，只有穿過黏液層才能逃離纖毛的清除，到達肺泡上皮黏液層，發(fā)揮治療效果[32,43]。黏液層與生物膜/黏膜生物膜也可以通過靜電相互作用吸附顆粒[32]。DDS經(jīng)肺部吸入，巨噬細胞識別納米顆粒通過吞噬作用將其從肺中清除，也有部分納米顆?？赡軙じ皆谏掀け砻婊蚓奘杉毎募毎ど稀?/p>

4 治療PA感染的肺部藥物遞送系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

妥布霉素和多黏菌素E甲磺酸鈉是臨床上用于PA感染最常見的吸入抗菌藥物。環(huán)丙沙星干粉吸入劑(dry powder inhalers，DPI)已在Ⅲ期臨床研究中，顯示出對治療肺部PA感染良好的效果[7,49]。臨床治療時，在許多嚴重且耐藥的CF相關(guān)感染病例中，DPI(特別是妥布霉素DPI)的功效仍受如何在感染病灶富集足夠藥物劑量的限制[50]。有限的療效可能與藥物的快速清除、滲透黏液和生物膜的能力較差以及藥物在肺內(nèi)微環(huán)境相互作用失活有關(guān)。因此除開發(fā)有效的抗菌藥物遞送系統(tǒng)外，還可通過一些最新的藥物遞送技術(shù)增強抗菌藥物的治療效果。

目前針對抗菌藥物的遞藥系統(tǒng)研究較多，常用的載體包括脂質(zhì)體；微乳和納米乳；固體脂質(zhì)納米粒；聚合物顆粒，包括由合成聚合物制成的顆粒[如二氧化硅顆粒、聚乳酸-乙醇酸共聚物(PLGA)顆粒]、由天然聚合物制成(如殼聚糖衍生物或海藻酸鹽)以及金屬納米粒(如金、銀、二氧化鈦納米粒)等都具有抗菌特性，目前已廣泛開展用于防止細菌定植和清除微生物生物膜的相關(guān)研究[51-54]。考慮到PA感染需長期給藥，可生物降解的材料應作為吸入給藥載體的優(yōu)選。

研究表明包封率和載藥量是決定吸入DDS的關(guān)鍵因素之一。而粒徑是另一個影響吸入DDS治療效果的重要參數(shù)，提高載藥量可能會增加載藥系統(tǒng)的粒徑。因此，盡管真正的納米材料的粒徑應小于100 nm，但實際應用中為裝載更高劑量的藥物常采用亞微米范圍(即100～900 nm)。載藥量較高的脂質(zhì)體和聚合物顆粒粒徑均大于500 nm，不利于穿透生物屏障，同時也是肺部清除機制的理想目標，除非將藥物載體系統(tǒng)設計成可穿透生物屏障，否則在特定位置遞送治療藥物將是遙不可及的。

4.1 脂質(zhì)體 目前肺部給藥DDS最常用的是脂質(zhì)體，磷脂是肺泡表面的主要活性物質(zhì)，而脂質(zhì)體特殊的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)，使其生物相容性更高，且易于通過肺泡。可通過改變磷脂雙分子層的組成來控制雙分子層強度和表面性質(zhì)來調(diào)節(jié)藥物包封率和釋放的穩(wěn)定性[55]，常規(guī)制備的脂質(zhì)體裝載抗菌藥物的最大載藥量近60%，有望改善靶部位抗菌藥物的生物利用度，從而提高治療效果。與吸入游離藥物溶液相比，將藥物裝載于脂質(zhì)體可顯著降低肺細胞內(nèi)抗菌藥物引起的不良反應。但是，這些載有抗菌藥物的脂質(zhì)體制劑只能通過降低MIC來稍微改善治療效果。感染病灶藥物的滯留時間沒有得到明顯改善，這可能是由于抗菌藥物從脂質(zhì)體中釋放過快[56]。絕大多數(shù)抗菌藥物在短時間內(nèi)(10 min至2 h)累積釋放達到100%[55]。由于藥物分子和脂質(zhì)體的非特異性結(jié)合造成藥物的突釋，進一步對脂質(zhì)體進行修飾可能會防止此類問題，但修飾也可能會影響脂質(zhì)體的穩(wěn)定性。由微乳、納米乳和固體脂質(zhì)納米粒裝載的抗菌藥物系統(tǒng)也是如此，但它們的載藥量卻遠不如脂質(zhì)體制劑。

4.2 聚合物納米粒 聚合物納米?？膳c藥物通過共價或非共價相結(jié)合，可更好的裝載藥物并控制釋放，并可更好地防止藥物的突釋。對聚合物載體修飾可獲得所需的DDS特性。然而，載藥量仍是限制DDS用于治療肺部感染領(lǐng)域的關(guān)鍵，通常吸入DDS的載藥量在5%以下。因此，目前基于聚合物納米粒的DDS尚未應用到患者。

載有單一抗菌藥物的DDS并不會減少用于治療感染的抗菌藥物劑量；在某些情況下，甚至可能會增加劑量。盡管存在這些難點，但已開發(fā)的DDS在降低生物膜中細菌的生存力方面已顯示出積極的結(jié)果，其藥效超過了相應的游離藥物。

新近研究的熱點集中在開發(fā)同時遞送多種活性藥物的DDS，可增強互補治療效果。多黏菌素B與不同分子量的聚(苯乙烯磺酸鹽)制成含有多黏菌素B的聚合物納米顆粒，結(jié)果顯示對PA的抑制活性提高了10 000倍[57]。Brackman等[39]在環(huán)丙沙星脂質(zhì)體中加入法尼醇(QSI)，結(jié)果顯示環(huán)丙沙星最小生物膜清除濃度(MBEC)0.128 μg·mL-1，與環(huán)丙沙星MIC(0.125 μg·mL-1)基本相同。通過聯(lián)合用藥可減少抗菌藥物的使用劑量，對于防止抗菌藥物耐藥性很重要。但是，目前尚未有體內(nèi)研究顯示可完全消除感染。

4.2.1 重組人脫氧核糖核酸酶Ⅰ功能化聚合物納米粒 妥布霉素新型聚合物納米遞送系統(tǒng)，使用等溫滴定量熱法將妥布霉素裝載于殼聚糖/海藻酸鹽納米復合微粒(NP)，結(jié)果顯示該載藥NP以劑量依賴的方式有效清除PA，特別是在PA感染前使用該NP進行預防性治療可提供更長的抗菌藥物保護期，生存率從游離藥物的40%增加至80%。然后采用重組人脫氧核糖核酸酶Ⅰ(DNase)將妥布霉素NP功能化，證實DNA降解可改善NP對CF黏液的滲透性，能顯著抑制細菌生物膜的形成，并呈濃度依賴性。該妥布霉素NP具有克服黏液屏障、增加局部藥物濃度、避免全身性不良反應和改善CF預后的優(yōu)勢[9,50]。

4.2.2 海藻酸鹽修飾聚合物納米粒 在另一項研究中，采用海藻酸鈉裂解酶對殼聚糖納米顆粒進行功能化遞送環(huán)丙沙星用于治療CF患者的PA感染[58]。海藻酸鹽是PA生物膜的關(guān)鍵組分，負責表面黏附和生物膜的穩(wěn)定，其裂解酶可通過降解PA生物膜的海藻酸鹽成分治療肺部感染。FTIR證實環(huán)丙沙星與殼聚糖具有良好的相容性，將環(huán)丙沙星載入改性的殼聚糖NPs可延長局部MIC，并顯著減少PA生物膜的聚集和形成[59]。Alhariri等[60-61]將鉍-乙二硫醇(一種生物膜還原劑)混合物加入到妥布霉素脂質(zhì)體中，結(jié)果顯示該脂質(zhì)體(LipoBiEDT-TOB)可有效破壞細菌的群體感應系統(tǒng)，明顯降低脂肪酶、殼聚糖酶及蛋白水解酶的產(chǎn)生，與游離藥物相比細菌計數(shù)CFU顯著降低，提示LipoBiEDT-TOB可減少群體感應系統(tǒng)和毒力因子的產(chǎn)生，并改善CF患者的慢性肺部感染的治療效果。

4.2.3 改性的殼聚糖聚合物納米粒 近年來可生物降解DDS研究的重點放在多糖，尤其是殼聚糖，由于其具有黏膜黏附和抗菌活性而被大量使用。將殼聚糖加入制劑中，如殼聚糖基和殼聚糖包衣的PLGA顆?？裳娱L藥物的生物利用度，且改善局部和全身藥物的性能。除用于DDS增強黏膜黏附外，還可以對殼聚糖進行化學修飾，以治療肺部生物膜感染。Kenawy等[62]合成了含對硝基苯甲醛的氨基化殼聚糖(AmCs-pNBA)用對硝基苯甲醛官能化的胺化殼聚糖。這種改性的殼聚糖不僅對生物膜具有活性，還具有抗氧化和抗菌活性。對硝基苯甲醛的取代度在最小化細胞毒性的同時優(yōu)化了活性，提示在其他氨基官能化的可生物降解材料上也可探索這種方法[63]。Lu等[64]合成的功能化殼聚糖寡糖衍生物可釋放一氧化氮(NO)，可使 PA感染的殺滅率≥99%。與現(xiàn)有的可生物降解的大分子NO供體相比，仲胺改性的殼聚糖低聚糖極大地增加了NO的有效負載，其水溶性使其能順利穿透PA生物膜的胞外基質(zhì)與包埋的細菌結(jié)合。這類殼聚糖低聚糖在生物膜方面的有效性取決于分子量和離子特性，低分子量和陽離子型的殼聚糖低聚糖可在整個生物膜上均與細菌快速結(jié)合，從而增強了對生物膜的殺滅作用[48]。FTIR證實環(huán)丙沙星與殼聚糖具有良好的相容性，將環(huán)丙沙星載入改性的殼聚糖NPs可延長局部MIC，并顯著減少PA生物膜的聚集和形成。Alhariri等[59]將鉍-乙二硫醇(一種生物膜還原劑)混合物加入妥布霉素脂質(zhì)體中，結(jié)果顯示該脂質(zhì)體(LipoBiEDT-TOB)可有效破壞細菌的群體感應系統(tǒng)，明顯降低脂肪酶、殼聚糖酶及蛋白水解酶的產(chǎn)生，與游離藥物相比細菌計數(shù)CFU顯著降低，提示LipoBiEDT-TOB可減少群體感應系統(tǒng)和毒力因子的產(chǎn)生，并改善CF患者的慢性肺部感染的治療效果[65]。值得注意的是，從殼聚糖衍生物中釋放的NO通過破壞和消除對PA生物膜具有雙重活性，而單獨使用妥布霉素不會改變生物膜的物理性質(zhì)。

4.2.4 聚合物-抗菌藥物偶聯(lián)物 殼聚糖寡糖可通過簡單的化學方法直接與抗菌藥物偶聯(lián)，還原不穩(wěn)定的亞胺鍵。已證實將鏈霉素與水溶性天然多糖殼聚糖寡糖(COS)偶聯(lián)在一起，COS-鏈霉素偶聯(lián)物(COS-Strep)幾乎不會影響革蘭陽性菌的生物膜，卻可有效地消除革蘭陰性菌PA的生物膜。殼聚糖寡糖的聚合度影響COS-Strep的活性，偶聯(lián)后PA生物膜對抗菌藥物的敏感性增強可能與鏈霉素抑制MexX-MexY藥物外排泵并下調(diào)生物膜外多糖的生物合成有關(guān)。提示將抗菌藥物與殼聚糖寡糖共價連接可能有助于抑制細菌耐藥性[65]。

聚合物-藥物偶聯(lián)物為DDS提供了潛在的優(yōu)勢：①增加溶解度并保護活性分子免受生物環(huán)境影響；②可設計用于刺激響應釋放。開發(fā)新型抗菌藥物既昂貴又耗時，使用聚合物改進現(xiàn)有藥物是一種不錯的選擇。但是由于穩(wěn)定性和功能性的要求，僅有少數(shù)可與聚合物歐聯(lián)的抗菌藥物[58]。天然多糖的材料(如纖維素醚或殼聚糖)具有豐富的可直接結(jié)合的活性官能團，與現(xiàn)有抗菌藥物相比，此類偶聯(lián)物的水溶性較好[61]。但這種化學結(jié)合也有明顯的缺點，如天然聚合物在高溫、酸性介質(zhì)等反應條件會引起部分降解[63]。

5 結(jié)論

雖然針對PA感染，國內(nèi)外研究人員投入了大量的精力，但至今仍只有少數(shù)幾種藥物被批準用于臨床治療。脂質(zhì)體和聚合物是最常見抗菌藥物遞送載體，具有制備工藝簡單、生物相容性和可生物降解，且在介質(zhì)中相對穩(wěn)定，可改善藥物遞送和藥物抗菌活性。

目前已成功地采用處方設計和材料合成等方法實現(xiàn)藥物的最大化裝載和同時遞送多種活性藥物，以對抗細菌感染并防止細菌耐藥，并在不同的生物學環(huán)境(如存在黏液或生物膜)評估了對細菌感染不同階段的療效。采用抗菌藥物環(huán)丙沙星和QSI(法尼醇)共遞送用于細菌生物膜感染的補充治療，結(jié)果顯示該方法可增強藥物的抗菌活性，并減少抗菌藥物的用量，從而避免細菌耐藥。隨著細菌耐藥問題的不斷上升，聯(lián)合用藥(如QSI或其他免疫調(diào)節(jié)劑)可能將是一種值得關(guān)注的方法。

聚合物-抗菌藥物結(jié)合物和聚合物的修飾可控制藥物在體內(nèi)的釋放，且在體外清除生物膜感染試驗中增強了抗菌活性。但目前尚未有體內(nèi)相關(guān)研究證實可完全清除肺部PA感染。此外，雖然吸入DDS治療細菌生物膜感染具有較好的前景，但仍需對吸入制劑的特性進一步優(yōu)化。同時安全性是吸入制劑研發(fā)過程中應重點關(guān)注的問題，不溶性顆?；蜉d體的沉積導致局部反應，通常粒徑越小，其潛在毒性越大。未來新型吸入DDS制劑的研發(fā)應重點考慮安全性及制劑與肺部生物屏障(生物膜、黏液和巨噬細胞)間相互作用，更好的設計肺部藥物遞送系統(tǒng)處方工藝，以克服吸入制劑臨床應用的難點。