作為藥物載體金屬有機框架的功能化材料研究進展

韓莎莎，趙僧群，劉冰彌,2，劉 宇,3，李 麗,3

(1. 遼寧大學藥學院，遼寧 沈陽 110036)(2. 遼寧大學 遼寧省天然產(chǎn)物制藥工程技術研究中心，遼寧 沈陽 110036)(3. 遼寧大學 遼寧省新藥研發(fā)重點實驗室，遼寧 沈陽 110036)

1 前 言

金屬有機框架(metal organic frameworks, MOFs)，是一類新興的結晶微孔材料，是由金屬離子或金屬簇與有機橋連配體通過配位作用構筑出二維或三維的具有周期性網(wǎng)絡結構的固體材料[1]。MOFs具有極高的比表面積、能夠負載藥物分子的大孔道、良好的生物降解性能，這些特點使得MOFs近年來成為藥物載體重要的候選材料[2]。作為一種藥物傳遞系統(tǒng)(drug delivery systems，DDSs)，MOFs與其它有機DDSs和無機DDSs相比具有自身的潛在優(yōu)勢。有機DDSs(如脂質(zhì)體和聚合物)具有較好的生物相容性，但藥物有效載荷量較低，缺乏藥物傳遞的控制率；無機DDSs(如金納米粒、鐵納米粒和硅納米粒等)雖然可以提供高載藥量，能夠以規(guī)定的速率傳遞藥物，但是生物相容性差、降解率低，導致其積累在肝臟或脾臟，可能會產(chǎn)生一些副作用[3]。MOFs材料則結合了上面二者的優(yōu)點[4]，由金屬離子(Fe，Zn，Cu，Co等)和有機鏈接劑(羧酸鹽、咪唑酸鹽、磺酸鹽、磷酸鹽等)自組裝而成，并且有機鏈接劑能夠在MOFs自組裝過程中或之后進行表面功能化修飾[5]，這也是MOFs的另一個優(yōu)點。

對MOFs進行表面修飾可以有效控制DDSs的穩(wěn)定性和分散性，調(diào)節(jié)MOFs與生物系統(tǒng)之間的關系，同時控制MOFs與細胞和組織靶向、細胞內(nèi)化之間的關系[6]。通過表面修飾可以提高MOFs的穩(wěn)定性和生物相容性；降低免疫應答，賦予MOFs隱身的性能；延長胃腸道滯留時間，提高對細胞膜的透過性；增強靶向性，減輕副作用；克服突釋的行為，實現(xiàn)緩釋給藥；將治療藥物與成像方式相結合以顯示給藥位點[7]；減輕癌癥患者壓力，實現(xiàn)口服給藥。

2 MOFs表面修飾

MOFs表面修飾方法一般分為兩種：共價鍵結合方式(即冷凝、點擊化學和共軛反應)和非共價鍵結合方式(即靜電相互作用、分散力和氫鍵)[8， 9]，通常根據(jù)MOFs的表面性質(zhì)和修飾分子的性質(zhì)來決定選擇何種方法。隨著MOFs表面修飾方法的不斷完善，各種不同功能的表面修飾材料也不斷地被開發(fā)出來，MOFs作為藥物載體扮演著日益重要的角色。以下將介紹幾種常見的MOFs表面修飾材料。

2.1 聚乙二醇

聚乙二醇(polyethylene glycols，PEGs)作為MOFs的表面修飾材料，可以防止顆粒聚集、提高MOFs的分散性和穩(wěn)定性[9]、減少血液蛋白對MOFs的氧化作用和單核吞噬系統(tǒng)中巨噬細胞對MOFs的吸收，使MOFs在血液中循環(huán)較長的時間，為靶向輸送提供條件。在此基礎上，PEGs還可以與其他具有靶向作用的分子鏈接，對人體的特定部位實現(xiàn)主動靶向給藥。Lin等[10]報道了包覆脂質(zhì)和PEGs的Mn-MOFs，通過包覆后再與靶向基團(對甲氧苯甲酰胺)鏈接，能夠提高藥物靶向性，顯著增強其對人乳腺癌細胞和胰腺癌細胞的毒性，如圖1a～1f所示。

圖1 共聚焦激光掃描顯微鏡下PEGs修飾的MOFs(a, c, e)和PEG-AA修飾MOFs(b, d, f)的MCF-7細胞培育照片，將靶向集團(AA)連接到修飾PEG的MOFs上，從而提高靶向性(標尺為20 μm)[10]；鈣蛋白在磷酸鹽緩沖液中的釋放圖譜(g, h)[11]Fig.1 MCF-7 cells cultured with PEGs-modified MOFs (a, c, e) and PEG-AA modified MOFs (b, d, f) under confocal laser scanning microscopy (CLSM), link the targeting group (AA) to MOFs modified with PEG to improve targeting, scale bars are 20 μm[10]; the release spectrum of calcium protein in phosphate buffers (g, h)[11]

此外，F(xiàn)organ等[11]將PEGs共軛修飾到UiO-66表面，發(fā)現(xiàn)在pH值為7.4時，PEGs鏈能夠增強MOFs對磷酸鹽的穩(wěn)定性，還可以克服突釋的行為；在pH值為5.5時，則可以實現(xiàn)緩釋給藥，如圖1g和1h所示。

PEGs具有很多優(yōu)良的性能，但仍然存在一些潛在的缺點，例如，PEGs及其合成過程中引入的副產(chǎn)物可能會引起機體的過敏反應；經(jīng)PEGs修飾的藥物載體，其體內(nèi)藥動學行為可能會發(fā)生不可預測的變化；PEGs本身的不可生物降解性及其在有氧環(huán)境中的易降解特性都會對其使用產(chǎn)生不利的影響[12]。此外，有文獻[13]報道PEGs還會侵入MOFs的骨架內(nèi)，顯著降低MOFs的多孔性，使之藥物負荷能力下降，不受控地釋放藥物。

2.2 二氧化硅

經(jīng)二氧化硅修飾后，MOFs的水分散性和化學穩(wěn)定性得到了提高，還可以通過硅烷醇的縮合反應來進行進一步功能化[9]。2007年，Lin等首次報道可以通過溶膠-凝膠或微乳化方法將二氧化硅涂覆在納米MOFs上，形成一系列納米核殼復合材料，用于金屬成分的控制釋放和吡啶二羧酸的發(fā)光傳感[14]。2008年，該團隊采用二氧化硅表面修飾的MOFs包載抗癌藥物，通過改變二氧化硅外殼的厚度有效地控制了藥物的釋放速率[15]，如圖2a所示。緊接著，該團隊又發(fā)現(xiàn)二氧化硅包裹的MOFs經(jīng)二氧化硅衍生物和羅丹明B功能化后，對血管新生癌細胞具有靶向性，同時具有核磁共振成像的潛力[16]，圖2b為細胞的核磁圖像。共聚焦顯微鏡成像研究進一步證實，與無修飾的顆粒和非靶向基團修飾的顆粒相比，具有靶向基團修飾的顆粒攝取增強，如圖2c～2e所示。

圖2 不同厚度二氧化硅修飾MOFs的藥物釋放速率曲線(a)[15]；HT-29細胞與無修飾的納米MOFs(左)、非靶向基團修飾的納米MOFs(中)、c(RGDfK)修飾的納米MOFs(右)的核磁照片(b)[16]；HT-29細胞與無修飾的納米MOFs(c)、非靶向基團修飾的納米MOFs(d)、c(RGDfK)修飾的納米MOFs(e)的共聚焦激光掃描顯微鏡成像照片[16]Fig.2 Drug release curves of MOFs modified by silica with different thickness (a)[15]; magnetic resonance imaging of HT-29 cells that were incubated with unmodified nano MOFs (left), nontargeted nano MOFs (middle), and c(RGDfK)-targeted nano MOFs (right) (b)[16]; CLSM imaging of HT-29 cells that were incubated with unmodified nano MOFs (c), nontargeted nano MOFs (d), and c(RGDfK)-targeted nano MOFs (e)[16]

然而，使用二氧化硅對MOFs進行表面修飾可能會使其堵塞MOFs的孔隙通道，而且研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒會導致肝、脾、肺的損傷[17]，細胞毒性效應更高[6]。

2.3 環(huán)糊精

環(huán)糊精金屬有機骨架(CD-MOFs)是一種對環(huán)境無污染、生物相容性好的藥物載體，在藥物傳遞系統(tǒng)中日益受到重視[18]。Agostoni等將帶有磷酸酯的環(huán)糊精分子與納米懸浮液一起孵育，對MOFs進行表面修飾，環(huán)糊精的包覆以及MOFs載藥過程如圖3所示，首先三價鐵離子與三甲基磺酸反應制備MOFs，載藥之后，采用環(huán)糊精進行表面修飾，由于環(huán)糊精體積大，封閉MOFs的孔徑，藥物不會流出，而其他的小體積的涂層材料無法阻塞MOFs的孔隙，導致藥物釋放失控。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精涂層在體液中是穩(wěn)定的，可以與PEGs相鏈接以逃避免疫系統(tǒng)，還可以通過靶向配體對環(huán)糊精進行進一步功能化修飾[19]。Golmohamadpour等將環(huán)糊精包覆的Fe-MIL-88B用羥基磷灰石進一步修飾，提高了載藥量，并使藥物能夠緩慢釋放[20]。

圖3 環(huán)糊精的包覆以及MOFs載藥過程示意圖[19]Fig.3 Schematic diagrams of cyclodextrin coating and MOFs loadingprocess[19]

2.4 肝素

肝素最初因其抗凝作用而廣為人知，最近才被用作納米粒子的表面修飾物[9]。肝素分子結構中存在多種化學基團(硫酸基、羧基、羥基)，容易與MOFs表面發(fā)生相互作用，且肝素的分子尺寸較大，可以避免侵入MOFs的孔隙中。Bellido等[13]利用肝素對MIL-100(Fe)進行表面修飾，發(fā)現(xiàn)其在模擬的生理條件下表現(xiàn)出完整的晶體結構和孔隙度，穩(wěn)定性有所提高，相比于未包覆的MOFs能夠更加緩慢地釋放藥物，如圖4a和4b所示。J774.A1細胞的共聚焦顯微照片(圖5)表明，經(jīng)過1 h或4 h的短期培養(yǎng)，未涂覆肝素的MIL-100(Fe)納米粒子細胞滲透速度很快，肝素包覆的MIL-100(Fe)納米粒子的細胞攝取減少。此外，MOFs納米粒子被攝取后，最初圓形的細胞形態(tài)被重塑成拉長的構象，這與巨噬細胞的活化狀態(tài)一致。但是，在培育8 h后，細胞形態(tài)變化就不太明顯了，如圖5所示。上述結果表明，肝素涂覆可以降低細胞的識別和吸收能力，降低免疫應答與細胞內(nèi)化，且能夠在血液中循環(huán)較長的時間，從而使MOFs具有隱身的性能。另外，在體內(nèi)使用這些包裹肝素的納米粒子還有望產(chǎn)生較低的炎癥反應。

2.5 殼聚糖

殼聚糖(chitosan，CS)是甲殼素脫乙酰基產(chǎn)物，是一種天然的陽離子聚合物[21]，作為藥物載體可以防止胃腸道低pH值和酶引起的藥物失活和降解，更重要的是，作為滲透促進劑可以調(diào)節(jié)腸道屏障，瞬間打開上皮細胞之間的緊密連接[22]。同時，CS通過與黏液鏈的非共價鍵相互作用(離子相互作用和氫鍵)增強對黏液的粘附行為[23]，并保留在黏膜表面以供后續(xù)清除，是改善口服藥物吸收的典型生物材料。Hidalgo等報道了采用CS修飾的MIL-100裝載布洛芬(ibuprofen, Advil, AI)，首次制備出了一種適合口服給藥的納米MOFs載體，既保留了MOFs的高孔性，又保留了MOFs的晶體結構。CS與MIL-100納米粒子的主要相互作用發(fā)生在CS的羥基與MOFs的鐵原子之間，CS涂層在一定程度上阻止Fe(III)的還原，并具有屏蔽作用，可以保護MOFs不被酶降解。此外，CS具有生物粘附性，適合AI在腸黏膜附近局部釋放藥物。由圖6中Caco-2細胞的共聚焦顯微照片可以看出，與未經(jīng)包覆的MOFs相比，CS包裹MIL-100(Fe)納米粒子的細胞吸收顯著提高。隨著時間的推移，CS包覆MOFs的細胞內(nèi)化性得到了改善，僅孵育2.5 h后，腸道細胞內(nèi)就有一定數(shù)量的CS-MIL-100(Fe)。上述結果表明，CS可以促進含AI的納米MOFs載體通過黏膜屏障，提高AI的吸收率。表面改性還能提高納米微粒在不同生理介質(zhì)尤其是模擬體液中的化學穩(wěn)定性和膠體穩(wěn)定性，并使MOFs不易被免疫系統(tǒng)所識別。以上特點使CS修飾的MOFs適合用作口服給藥載體[24]。

圖6 用鐵自反射信號(綠色)和DAPI染色(藍色)觀察未包覆和CS包覆的MIL-100(Fe)的Caco-2細胞的共聚焦激光掃描顯微照片[24]Fig.6 Confocal microscopy images of Caco-2 cells containing uncoated and CS-coated MIL-100(Fe) NPs observed by iron self-reflection signal (green channel) and the nucleus stained by DAPI (blue channel) [24]

CS分子結構中包含許多游離的羥基和氨基，在一定條件下，可以通過水解、交聯(lián)、羧基化、烷化、?；⒀趸确绞綄S分子進行修飾改性[21]。例如，在CS結構中引入巰基，與腸黏液層糖蛋白半胱氨酸殘基形成共價鍵[23]，能夠顯著改善其生物粘附性，延長其腸道滯留時間，并抑制酪氨酸磷酸酶的活性，打開細胞間的緊密連接，提高藥物對細胞膜的透過性。CS是MOFs作為口服給藥載體理想的表面修飾材料。

2.6 靶向修飾材料

傳統(tǒng)的給藥方式對病變組織缺乏特異性，需要大量、頻繁地給藥，因而導致很多的副作用[25]。在MOFs表面修飾靶向材料，可以實現(xiàn)藥物在特定部位的富集，還能在腫瘤部位快速釋放化療藥物，從而延緩藥物泄漏到健康的生理環(huán)境，提高治療效果[26]。腫瘤部位的細胞表面存在過度表達的生物受體，能與相應的配體產(chǎn)生特異性識別，通過適當?shù)姆椒梢詫邢蛐揎棽牧线B接到MOFs表面，與藥物分子一起構筑靶向DDSs[27]，常見的靶向修飾材料有葉酸、DNA、甘草次酸等。

葉酸修飾的MOFs作為腫瘤靶向給藥載體已經(jīng)得到了廣泛的研究[28-30]，將葉酸與其他涂層材料共同修飾到MOFs表面可以起到雙重功能化作用。Shi等報道了葉酸和PEGs共同修飾的MOFs，實現(xiàn)了延長循環(huán)和主動靶向給藥[31]。Nejadshafiee等制備了包覆葉酸-殼聚糖偶聯(lián)物的MOFs，用于腫瘤靶向給藥[32]。Gao等將葉酸與熒光成像劑5-羧基熒光素共價連接到UiO-66-NH2表面，靶向肝癌細胞，并在體外顯示出良好的熒光成像行為[33]。

研究表明[34]，DNA修飾的MOFs表現(xiàn)出了更強的穩(wěn)定性和細胞攝取能力。Ning等通過表面配位化學的方法將DNA固定在納米MOFs表面，以靶向特定的癌細胞[35]。Chen等采用核酸基聚丙烯酰胺水凝膠修飾的MOFs裝載阿霉素，該藥物遞送系統(tǒng)表面含有游離的核酸鏈，能與特定的細胞靶向配體相結合，對癌細胞的選擇性和滲透性增強[36]。為克服卵巢癌細胞的耐藥性，Lin等首次將順鉑前體藥物——cis, cis, trans-[Pt(NH3)2Cl2(OEt)(OCOCH2CH2COOH)]，包封到納米MOFs的孔隙內(nèi)，構建載藥系統(tǒng)UiO-Cis，將小干擾素siRNA與納米MOFs表面金屬位點相結合(如圖7所示)，從而使耐藥基因不能表達，同時也使耐藥的卵巢癌細胞對順鉑的治療重新變得敏感，以此來增強治療效果[37]。

圖7 siRNA/UiO-Cis合成及載藥原理示意圖[37]Fig.7 Schematic presentation of siRNA/UiO-Cis synthesis and drug loading[37]

此外，肝細胞表面存在甘草次酸(glycyrrhetinic acid，GA)結合位點[38]，甘草次酸修飾的DDSs可以將藥物傳遞至肝臟部位從而發(fā)揮其特有的主動肝靶向效應，與抗癌藥物形成的復合物也表現(xiàn)出明顯的肝靶向特性[39]。

隨著對抗癌機制研究的不斷深入，MOFs表面修飾材料也在不斷更新。腫瘤細胞還可能通過自噬來阻斷凋亡通路，進而保護癌細胞不受抗腫瘤藥物的侵襲。Chen等報道了納米MOFs包覆自噬抑制劑用以克服腫瘤的耐藥性，增強抗癌效果[40]。Filippousi等將載藥MOFs包封在經(jīng)修飾的聚(ε-己內(nèi)酯)中，并用D-α-生育酚聚乙二醇琥珀酸酯聚合物基體進行包封，發(fā)現(xiàn)表面修飾的MOFs能夠克服突釋行為，提高緩釋效果，具有更好的抗癌活性[41]。此外，有些研究選用磁性金屬材料構建納米顆粒，使其具有核磁共振成像的潛力[42， 43]，同時再對其表面進行功能化修飾，以賦予多種治療功能[44]。

3 結 語

自從Ferey等首次報道了MOFs在生物醫(yī)學上的應用以來，大量對MOFs的開發(fā)工作都在進行中。MOFs具有超高的孔隙率、極大的比表面積、生物可降解性、結構可裁性和易功能化等特征，已得到越來越多的關注，但是其本身存在的一些固有缺陷，如較差的生物相容性、釋藥過程存在突釋現(xiàn)象等，限制了它的開發(fā)和利用。另外，目前的研究大多集中在MOFs對藥物的包載能力方面，而且多是以MOFs作為靜脈注射載體，而作為藥物口服載體的報道極少。對MOFs進行表面修飾可以克服一些不良特性，優(yōu)化性能，擴展其在醫(yī)藥領域的應用。引入生物相容性好的成分對MOFs進行表面功能化，可以實現(xiàn)更長的血液循環(huán)，減少細胞內(nèi)化，具有更好的細胞和組織特異性；利用生物粘附聚合物對MOFs表面進行修飾，可以延長其在腸道內(nèi)的停留時間，顯著改善藥物的口服吸收；另外，在MOFs內(nèi)部裝載藥物的同時，還可以用顯影劑對其表面進行修飾，達到治療和診斷同時進行的目的。隨著MOFs表面修飾方法的不斷完善及功能化修飾材料的不斷更新，MOFs作為藥物載體的潛力也逐漸被開發(fā)出來，在精準治療、靶向給藥、緩控釋給藥、口服給藥、醫(yī)學成像等方面應用前景廣闊。