pH敏感納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計在腫瘤治療中的研究進展

鄭沛育 楊波 陳重 薛昊 張艷君 彭海生

[摘要] 近年來，腫瘤一直是納米醫(yī)學研究的重點，腫瘤細胞外酸性環(huán)境為腫瘤靶向治療提供了新思路。pH敏感結(jié)構(gòu)隨著pH的改變而產(chǎn)生構(gòu)象變化，將pH敏感結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，用于構(gòu)建pH敏感納米結(jié)構(gòu)以促進腫瘤細胞攝取。本文對近年來用于腫瘤靶向藥物遞送的pH敏感納米結(jié)構(gòu)的研究進行了綜述，描述了pH敏感結(jié)構(gòu)的類型，闡述了pH敏感結(jié)構(gòu)與納米結(jié)構(gòu)的結(jié)合方式。對pH敏感納米結(jié)構(gòu)的進一步了解將有助于設(shè)計更有效的藥物遞送系統(tǒng)，以應對腫瘤治療中遇到的挑戰(zhàn)。

[關(guān)鍵詞] pH敏感結(jié)構(gòu);納米載體;腫瘤靶向;藥物遞送

[中圖分類號] R73 ? ? ? ? ?[文獻標識碼] A ? ? ? ? ?[文章編號] 1673-7210（2020）04（b）-0028-04

Advances in the design of pH-sensitive nanostructures for tumor therapy

ZHENG Peiyu1 ? YANG Bo1▲ ? CHEN Zhong2 ? XUE Hao1 ? ZHANG Yanjun1 ? PENG Haisheng2▲

1.College of Pharmacy， Harbin University of Commerce， Heilongjiang Province， Harbin ? 150076， China; 2.College of Pharmacy， Daqing Campus， Harbin Medical University， Heilongjiang Province， Daqing ? 163319， China

[Abstract] In recent years， tumor has been the focus of nanomedicine research， and the extracellular acidic environment of tumor provides a new idea for targeted therapy of tumor. The pH-sensitive structure changes conformation with the change of pH. The combination of pH-sensitive structure and nanostructure is used to construct the pH-sensitive nanostructure to promote the uptake of tumor cells. This paper reviews the recent research on pH-sensitive nanostructures used for tumor targeted drug delivery， describes the types of pH-sensitive nanostructures， and describes the combination of pH-sensitive structures and nanostructures. Further understanding of pH-sensitive nanostructures will help design more effective drug delivery systems to address the challenges of tumor therapy.

[Key words] pH-sensitive structure; Nano-carrier; Tumor targeted; Drug delivery

癌癥一直是嚴重影響人類生存的疾病，現(xiàn)今臨床上所應用的化療藥物在殺死癌細胞的同時也會損害正常細胞，治療效果不理想[1]，從不同途徑尋找高效低毒的抗腫瘤藥物已成為臨床的首要任務和必須克服的難題。

根據(jù)人和動物實體瘤的pH數(shù)據(jù)顯示，正常組織中細胞外pH和血液pH保持恒定在7.4，超過80%的腫瘤細胞pH低于正常組織，范圍在5.7～7.0之間[2]。腫瘤細胞的pH值低于正常組織主要是因為癌細胞的糖酵解速率很高，而糖酵解將會產(chǎn)生大量的酸性物質(zhì)。此外，酸性環(huán)境有利于癌細胞生長，且會破壞細胞外基質(zhì)以及周圍的正常細胞[3]。

腫瘤細胞這種異質(zhì)性導致人們越來越重視具有靶向性的納米醫(yī)學，由于增強的滲透性和保留效應，納米顆粒可以既在腫瘤中累積，又同時屏蔽周圍的良性組織[4]。納米材料通常是多組分系統(tǒng)，可以通過多種程序?qū)⒍鄠€靶向部分結(jié)合到納米粒子的表面，精細地設(shè)計不同組分的納米結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生單分子療法中不存在的強協(xié)同效應。

具有pH響應區(qū)段的納米結(jié)構(gòu)用于傳遞藥物可以增強在腫瘤細胞處的靶向特異性，促進納米藥物進入腫瘤細胞[5]。設(shè)計能夠改變腫瘤細胞化學或物理性質(zhì)的pH敏感納米結(jié)構(gòu)對于治療癌癥來說具有重大意義。因此，本文將從腫瘤細胞pH響應機制以及pH敏感納米結(jié)構(gòu)的類型等方面對用于癌癥診斷和治療的pH敏感納米結(jié)構(gòu)的研究進行綜述。

1 pH敏感納米結(jié)構(gòu)響應機制

pH敏感納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以基于以下3種不同機制：①引入可質(zhì)子化的基團;②引入酸不穩(wěn)定鍵;③pH敏感性“聚乙二醇（PEG）脫離”。見圖1。

1.1 引入可質(zhì)子化基團

質(zhì)子化是實現(xiàn)pH觸發(fā)的藥物釋放最常用的機制之一。在這一機制中，將利用到含有離子基團的pH敏感聚合物作為生物材料來構(gòu)建納米載體，它既可以是單體，在腫瘤pH周圍具有pKa值，也可以是與現(xiàn)有聚合物具有類似pKa值的小分子連接[6-7]。聚合物的pKa值可以作為一個重要的指標來反映聚合物在不同pH水平下的電離行為。其pH反應是由分子水平上可電離基團的可逆質(zhì)子化和去質(zhì)子化引起的[8]。一般來說，可電離聚合物的電離行為有兩種類型：陰離子聚合物在相對較低的pH值下接受質(zhì)子，陽離子聚合物在相對較高的pH值下釋放質(zhì)子。

1.1.1 陰離子pH敏感聚合物 ?Ravazzolo等[9]開發(fā)了用于腫瘤靶向的含磺胺二甲氧嘧啶的聚合物。其中磺胺二甲氧嘧啶這類低聚磺胺類化合物是一種抗菌性藥物，與砜基連接的胺基所帶來的pH敏感性使它在生理pH值下帶負電荷，呈去質(zhì)子化，可與多聚物形成絡合物，該復合物可以保護聚陽離子不被非選擇性靶向[10]。當pH值下降時，陰離子聚合物接受質(zhì)子，pH敏感塊由陰離子變?yōu)橹行裕酆衔锖完栯x子之間不存在離子相互作用，聚合物釋放陽離子，繼而釋放藥物。因此，低聚磺胺類化合物是一種很有前途的屏蔽陽離子的載體，可用于腫瘤靶向。低聚磺胺類化合物還可與琥珀酸普魯蘭酯（PA）偶聯(lián)，在水介質(zhì)中形成自組裝的PA/SDM水凝膠納米粒。添加抗癌藥物后，與pH 7.4時比較，在pH 6.4～6.8時，體系穩(wěn)定性下降，藥物的釋放速度更快[11]。

1.1.2 陽離子pH敏感聚合物 ?Chiang等[12]合成了帶有叔胺基團的pH敏感脂質(zhì)體，發(fā)現(xiàn)脂質(zhì)體在pH 7.4下穩(wěn)定，在pH 6.8或更低時，與不含叔胺基團的脂質(zhì)體比較，pH敏感脂質(zhì)體藥物釋放的速率更快，細胞攝取的更多，具備pH敏感性，達到了抑制腫瘤生長的目的。pH值的降低導致陽離子聚合物接受質(zhì)子，pH敏感塊由中性變?yōu)殛栯x子。聚合物的可電離叔胺基團，其在生理pH值下不帶電，形成疏水核，可攜帶疏水藥物分子，在生理pH下也更穩(wěn)定[13]。隨著pH值降低，pH敏感基團逐漸質(zhì)子化，導致親脂性至親水性相轉(zhuǎn)變，納米結(jié)構(gòu)表面形成通道和裂縫，穩(wěn)定性降低。當pH值達到6.4，納米結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇轉(zhuǎn)變，隨著納米結(jié)構(gòu)的破壞，攜帶的藥物分子也被釋放出來。因此，在腫瘤pH下，細胞對釋放藥物的攝取也更大[14]。

1.2 引入酸不穩(wěn)定鍵

Sun等[15]合成了一種通過酸不穩(wěn)定鍵連接藥物與金納米粒子的pH敏感納米結(jié)構(gòu)，體內(nèi)研究證實酸不穩(wěn)定鍵裂解促進細胞內(nèi)藥物釋放到癌癥干細胞。由于腫瘤微環(huán)境與正常生理環(huán)境相比呈酸性，含有酸不穩(wěn)定鍵的聚合物可以通過降解來響應pH的變化。這個“智能”系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的主要區(qū)別在于，納米結(jié)構(gòu)與腫瘤pH下不穩(wěn)定的化學鍵結(jié)合，體系的穩(wěn)定性取決于酸不穩(wěn)定鍵在不同pH值中的裂解程度，酸不穩(wěn)定鍵在中性或堿性的pH值下不裂解，而當pH值下降時，體系不穩(wěn)定，酸不穩(wěn)定鍵裂解，藥物釋放或者靶向配體暴露[16]。具有酸不穩(wěn)定鍵的聚合物被廣泛應用于設(shè)計抗癌藥物傳遞系統(tǒng)，腙鍵是目前研究最多的酸不穩(wěn)定鍵之一，含腙鍵類化合物具有合成簡單、靈敏度適中等優(yōu)點。研究較多的還有硼酸酯類化合物，硼酸酯是由硼酸和醇形成的，在中性或堿性的pH值下穩(wěn)定，在低pH值的環(huán)境中容易分解為硼酸和醇基團。見表1。

1.3 基于質(zhì)子化和酸不穩(wěn)定鍵裂解的PEG分離

pH靶向各種實體腫瘤的方法不僅包括直接觸發(fā)藥物釋放，還有通過屏蔽/脫粘機制暴露靶向配體來進行藥物釋放。由于腫瘤細胞表面受體數(shù)量的增加，配體偶聯(lián)的納米顆?？梢酝ㄟ^促進受體內(nèi)吞來增強腫瘤細胞的攝取。然而，上調(diào)受體的種類和數(shù)量在腫瘤細胞中并不一致[20]。實現(xiàn)配體和受體結(jié)合，1種通用的方案是結(jié)合陽離子細胞穿透肽，如人類免疫缺陷病毒1（HIV-1）的反式激活轉(zhuǎn)錄激活劑（TAT），細胞穿透肽最大的缺點是非選擇性，因此，選擇用較長的PEG進行修飾。在pH 7.4下，PEG修飾的聚合物帶負電荷，與TAT分子發(fā)生靜電相互作用。然而，這種聚合物上的電荷密度會隨著pH值的降低而降低，當pH值低于6.8時，由于靜電相互作用減弱，TAT與聚合物分離[21]。有學者[22]將磺酰胺與PEI結(jié)合，合成了用于腫瘤特異性基因遞送的結(jié)構(gòu)。同理，當PEG鏈通過酸不穩(wěn)定鍵連接到納米結(jié)構(gòu)上時，在生理pH值下，較長的PEG鏈可以直接屏蔽與納米系統(tǒng)化學連接的配體。Zhang等[23]利用腫瘤酸性環(huán)境構(gòu)建了pH敏感性脂質(zhì)體藥物遞送系統(tǒng)，其表面修飾了具有細胞穿透活性的R8肽（通過PEG 2000與脂質(zhì)體相連），以及通過腙鍵與脂質(zhì)體連接的PEG 5000（圖2）。

這些pH響應聚合物可以在不喪失pH敏感性的情況下與PEG結(jié)合，可應用于在多層納米顆粒中形成可脫pH層，該體內(nèi)屏蔽/脫粘納米系統(tǒng)已被證明對各種實體瘤有效，是理想的腫瘤pH靶向技術(shù)。

圖2 ? 陽離子配體在健康組織和腫瘤微環(huán)境（pH=6.0）的屏蔽示意圖

2 其他pH敏感納米結(jié)構(gòu)

合成了表面活性劑殼聚糖-聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAAm），并以殼聚糖為殼層，以PNIPAAm為核心組裝了納米粒子。當殼聚糖和PNIPAAm以4∶1（w/w）組合時，靈敏度最佳。將藥物載入納米顆粒，進行藥物釋放測試，在pH 6.8，溫度37°C時釋放效率最高，但在pH值6.5以下或高于pH值6.9時釋放減少。pH 6.8時的細胞毒性也明顯高于pH 7.4時。其釋放機制仍在研究中，但認為其釋放是殼聚糖殼層膨脹和PNIPAAm核縮小共同作用的結(jié)果。PNIPAAm還廣泛應用于溫度敏感系統(tǒng)中，為實現(xiàn)溫度和pH雙靶向提供了可能[24]。

3 結(jié)論與展望

pH敏感生物材料通過各種機制，在這些納米載體中產(chǎn)生構(gòu)象變化，促進腫瘤細胞的攝取或藥物釋放。然而，與腫瘤受體靶向比較，真正針對腫瘤pH敏感納米系統(tǒng)的研究仍然是有限的，期望本文綜述的關(guān)于pH敏感納米結(jié)構(gòu)在腫瘤治療中的研究信息，可以進一步預測藥物的釋放以及納米系統(tǒng)在細胞的內(nèi)化情況，更好地服務于臨床。總之，在靶向腫瘤細胞領(lǐng)域仍有廣闊的研究空間，隨著研究的深入，治療技術(shù)的更新，pH敏感納米結(jié)構(gòu)有望在癌癥治療中發(fā)揮重要作用。

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（收稿日期：2019-09-06 ?本文編輯：顧家毓）