基于超聲靶向微泡破壞技術的納米給藥系統(tǒng)的研究進展

周厚妊 張 月 辛 瑩 李詩慧 劉小奇 劉治軍

納米給藥系統(tǒng)是指藥用材料與藥物制備的粒徑為1～1000 nm的納米級藥物輸送體系，具有靶向、控釋、易被細胞攝取及能提高藥物穩(wěn)定性等特點，在疾病的治療，尤其是在腫瘤的治療方面具有較好的應用前景。然而，目前其藥物輸送效率仍有待于提高。超聲靶向微泡破壞（ultrasound-targeted microbubble destruction，UTMD）技術是一種安全的物理靶向方法，其產(chǎn)生的微流和輻射力可使血腦屏障、致密結締組織及細胞膜等堅固屏障破裂，使更多的靶向藥物進入細胞和組織，從而顯著提高納米給藥系統(tǒng)效率。本文就UTMD 技術及其提高納米給藥系統(tǒng)效率的可能機制、基于UTMD 技術的新型納米給藥系統(tǒng)的分類、影響納米給藥系統(tǒng)靶向性的因素、納米給藥系統(tǒng)與靶向配體耦聯(lián)的策略，以及UTMD 介導納米給藥系統(tǒng)在腫瘤、糖尿病心肌病、糖尿病腎病、視網(wǎng)膜疾病等多種疾病診治中的應用等研究進展進行綜述。

一、UTMD技術及其相關機制

UTMD 技術是指經(jīng)超聲圖像確定載基因或藥物的微泡到達靶組織或器官后，給予不同強度的超聲輻照，致使微泡發(fā)生收縮、振蕩、膨脹及破裂，其產(chǎn)生的空化與聲孔效應使細胞膜形成小孔，進而促進外源性基因或藥物的靶向運輸。UTMD 介導納米給藥系統(tǒng)相較于其他基因或藥物遞送方式具備有如下優(yōu)勢：①具有低毒和低免疫原性；②納米給藥系統(tǒng)通過血管注射入體內(nèi)，具有非侵入性及高度可重復性；③實現(xiàn)了靶組織及細胞水平的診療一體化；④與其他成像方式比較，具有較高的經(jīng)濟實用性；⑤通過UTMD 技術可增強靶向性，提高轉染率，藥物或基因可被選擇性地遞送到指定的感興趣區(qū)域，從而降低系統(tǒng)給藥的毒性，減少全身性反應［1］。

UTMD 提高納米給藥系統(tǒng)效率的可能機制：①空化效應，包括穩(wěn)態(tài)空化及瞬態(tài)空化，穩(wěn)態(tài)空化可產(chǎn)生較小的輻射壓和微射流，瞬態(tài)空化可產(chǎn)生高能沖擊波及巨大切應力?？栈墒寡軆?nèi)皮細胞間隙增大，細胞膜通透性增加，促進納米給藥系統(tǒng)向血管外靶向位置的滲透；②聲孔效應，在瞬態(tài)空化的作用下，細胞膜表面形成可持續(xù)數(shù)秒的短暫開口，納米給藥系統(tǒng)進入細胞并遞送基因及藥物；③超聲波作用下細胞內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生大大增加，提高細胞膜通透性，同時超聲波可使細胞膜溫度升高，改變膜磷脂流動性，最大幅度地提高了細胞膜的滲透性，進而促進細胞對納米給藥系統(tǒng)的攝取［2］；④超聲波可刺激細胞內(nèi)吞功能［3］并通過產(chǎn)生過氧化氫促進鈣離子內(nèi)流，鈣離子依賴的鉀離子通道開放，激活細胞膜轉運，從而增加納米給藥系統(tǒng)的攝取。

二、基于UTMD技術的新型納米給藥系統(tǒng)的分類

1.載藥超聲納泡。載藥超聲納泡是由脂質或多聚物包裹惰性氣體（多選用氟碳氣體）及藥物或基因構成。有學者［4］制備了含有全氟丙烷的載基因脂質超聲納泡，并將其注入小鼠體內(nèi)，結果顯示基因攝取僅限于暴露于超聲下的區(qū)域，表明超聲破壞載基因脂質超聲納泡可用于增加DNA轉導。近年來，載藥超聲納泡的制備和初步應用取得了很好的效果，與微氣泡比較，納米氣泡的穩(wěn)定性和負載量均有了較大提高，并實現(xiàn)了系統(tǒng)的外滲。

2.載藥氟碳納米乳劑。載藥氟碳納米乳劑的外殼多為磷脂分子材料，其可生物降解且可變性，利于特異性配體耦聯(lián)。內(nèi)核選用液態(tài)全氟化碳，目前使用較多的內(nèi)核為全氟己烷或過氟辛基溴。Vlaisavljevich 等［5］利用超聲（短的高壓脈沖）激發(fā)載藥相變氟碳納米乳劑轉化為微泡，從而通過乳滴聲學氣化來增強回聲。文獻［6］報道當外滲的納米乳在生理溫度下轉化為微泡時，腫瘤的超聲對比度顯著增加。UTMD 技術介導載藥氟碳納米乳劑，使藥物向所需區(qū)域輸送，且由于其穩(wěn)定性佳，使治療劑的延遲釋放成為可能，從而潛在地減少了藥物的相關副作用。

3.微泡-載藥納米粒復合給藥系統(tǒng)。該納米給藥系統(tǒng)是將微泡與載藥納米粒相結合的復合體系。張霞等［3］以肝素為原料制備生物素化包裹紫杉醇的肝素納米粒，采用機械震蕩法制備生物素化脂質微泡，并借助橋聯(lián)親和素-生物素將兩者耦聯(lián)，制備了一種新型復合納米給藥系統(tǒng)。超聲破壞普通載藥微泡可增加靶組織藥物濃度，但普通載藥微泡藥物包載率低，體內(nèi)穩(wěn)定性差，半衰期短；以肝素為載體的納米粒藥物包載率高，但因粒徑小，其易與靶組織以外的組織聚積，降低靶組織濃度的同時增大全身不良反應。微泡-載藥納米粒的復合納米給藥體系，成功地結合了微泡與納米藥物遞送兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢，并避開了各自的不足。

三、影響納米給藥系統(tǒng)靶向性的因素

1.納米給藥系統(tǒng)表面電荷。人體的體內(nèi)環(huán)境為負電性的，納米給藥系統(tǒng)表面的負電荷限制了它們與靶組織和細胞，特別是與腫瘤細胞的結合［7］。

2.免疫系統(tǒng)監(jiān)測。進入人體的納米給藥系統(tǒng)可以被肝臟和脾臟網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的單核吞噬細胞當作異物清除，從而影響納米給藥系統(tǒng)向靶組織或器官的聚積［8］。

3.納米給藥系統(tǒng)的大小。不同大小的納米給藥系統(tǒng)對不同腫瘤組織具有選擇性。直徑20～30 nm 的納米給藥系統(tǒng)通常在進入靶組織前被腎臟清除；30～150 nm 的納米給藥系統(tǒng)易在心臟、腎臟和骨髓中積累；150～300 nm的納米給藥系統(tǒng)易在肝、脾中積累。

4.腫瘤細胞表面特異性抗原或受體的高表達。這些于腫瘤細胞表面高表達的抗原或抗體，在正常細胞為中表達甚至不表達的，從而使連接特定靶頭的納米給藥系統(tǒng)能更好地靶向至腫瘤組織［9］。納米給藥系統(tǒng)與靶向配體耦聯(lián)的策略有兩種形式。①被動靶向：腫瘤新生血管內(nèi)皮細胞間隙增大（通常為380～780 nm），使納米級給藥系統(tǒng)外滲；淋巴引流不良及靜脈回流緩慢進一步增加納米給藥系統(tǒng)在血管外間隙的滯留及積聚。這種高滲透長滯留效應的積累稱為被動靶向，通常發(fā)生于10～200 nm的納米系統(tǒng)中［10］。但此方式靶向性略顯不足，要達到滿意療效必須增加給藥劑量，勢必導致成本及毒副作用的增加。②主動靶向：能克服基因治療靶向性低的缺點，增加療效并減少對其他器官或組織的毒副作用。殼膜表面連接的配體通常是多肽類、聚合物或抗體等，連接方式中生物素（非共價）或通過羧酸基、巰基或馬來酰亞胺的共價耦聯(lián)是最常見的［11］。共價耦聯(lián)不需要外源蛋白，產(chǎn)生免疫反應的幾率較低。共價靶向方法取決于暴露在納米給藥系統(tǒng)表面的官能團類型。碳二亞胺可以激活靶向納米給藥系統(tǒng)殼上的羧基，形成活性酯，與蛋白質氨基發(fā)生反應，形成酰胺鍵。但其導致耦合率相對較低［12］。另外，殼上的馬來酰亞胺與配體上的巰基也可實現(xiàn)耦聯(lián)（反之亦然），形成硫醚鍵［13］。馬來酰亞胺-硫醇耦聯(lián)的優(yōu)點是定向耦聯(lián)，顯著提高了耦合率。非共價靶向方法的基礎是將蛋白質，脂質等靶向配體摻入到納米給藥系統(tǒng)的殼中。常用的非共價靶向方法之一是將磷脂酰絲氨酸結合到磷脂微泡的殼中，從而賦予微泡對活化白細胞的靶向性。另一常見方法即利用聚乙二醇間隔臂將親和素結合到微泡表面，然后利用橋聯(lián)親和素-生物素連接病理特異性配體［14］。該方法非常靈活，有利于臨床前檢測，但由于親和素的免疫原性，尚不能應用于臨床。

四、UTMD介導納米給藥系統(tǒng)在疾病診治中的應用進展

1.腫瘤。惡性腫瘤是目前患病死亡的主要原因之一，全身化療是治療腫瘤的主要方法。加強腫瘤組織的局部藥物遞送，同時最大限度減少全身副作用是化療成功的關鍵。UTMD 介導的納米給藥系統(tǒng)，是一種新的腫瘤靶向藥物遞送策略，通過增加腫瘤血管及細胞膜通透性，提高病灶區(qū)域的藥物釋放濃度，達到靶向治療并減小副作用的目的。王翔［15］制備的微泡-載甲氨蝶呤納米粒給藥系統(tǒng)結合UTMD 技術，微泡在超聲波的作用下產(chǎn)生空化作用，引起血腦屏障緊密連接開放，明顯增加了甲氨蝶呤跨大鼠血腦屏障轉運，進而有效抑制顱內(nèi)腫瘤細胞的增殖。Teng 等［16］制備包載乳腺癌耐藥蛋白siRNA 的超聲納泡，其基因包封率高于98%，結合UTMD 技術，大大地提高了siRNA轉染率，相應的蛋白表達相對于裸siRNA顯著下調(diào)。Gao等［17］制備的載酸解阿霉素前藥的氟碳納米乳劑超聲觸發(fā)納米給藥系統(tǒng)，通過UTMD 的超聲空化作用，可達到高成像對比度，并大大增強腫瘤細胞對藥物的攝取，從而獲得更好的抗腫瘤治療效果。Chumakova 等［18］報道，由UTMD 觸發(fā)的聚乳酸-羥基乙酸共聚物和聚乙烯亞包載DNA 的超聲納泡在體內(nèi)成功遞送到腫瘤細胞，且其基因轉染效率至少提高了8 倍。UTMD 介導納米遞送系統(tǒng)仍處于細胞和動物實驗階段，但極具前景，未來將大大改善腫瘤患者的預后和生活質量。

2.其他。UTMD介導納米給藥系統(tǒng)在腫瘤治療中的應用前景推動了其在其他疾病治療中的實驗研究。越來越多的臨床研究證明了UTMD 介導納米給藥系統(tǒng)在多種疾病中的治療作用。張明等［19］制備微泡-包載堿性成纖維細胞生長因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）納米粒的復合納米給藥系統(tǒng)，結合UTMD 技術，實現(xiàn)了高效bFGF 心臟靶向轉運，其減少全身給藥副作用的同時，可有效促進血管內(nèi)皮細胞分裂增殖，誘導血管新生，增加心臟灌注，改善心肌功能，有望成為治療糖尿病心肌病的一種新方法。DU 等［20］報道，UTMD 介導的載siRNA 超聲納泡可更有效下調(diào)mRNA 及血小板源性生長因子的蛋白表達，且組織學檢查未見明顯的組織損傷，證明UTMD 可安全地促進載siRNA 的單甲氧基聚（乙二醇）-聚（乳酸-乙醇酸）-聚-L-賴氨酸（mPEG-PLGA-PLL）超聲納泡在大鼠視網(wǎng)膜的轉染率。Sheng 等［21］研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病大鼠經(jīng)包載bFGF的納米給藥系統(tǒng)結合UTMD 治療后，腎臟中bFGF 濃度明顯高于單純bFGF的納米給藥系統(tǒng)治療（均P＜0.05）；且經(jīng)B超檢查及組織學分析顯示，前者大鼠腎臟形態(tài)和功能均明顯恢復?？傊?，UTMD介導納米給藥系統(tǒng)可促進基因或藥物的靶點釋放，降低系統(tǒng)給藥毒性，減少全身反應并增強基因轉染，為很多疾病提供了新的相對安全有效的遞送方式。

五、小結與展望

總之，UTMD 結合納米給藥系統(tǒng)通過延長藥物在體內(nèi)的循環(huán)時間，增加了藥物在靶組織的聚積濃度，從而大大提高了藥物的遞送效率，是目前最具潛力的靶向治療方法，有望廣泛地應用于人類各種疾病。但此項技術尚處于研究階段，仍存在不足：①靶向納米給藥系統(tǒng)的制備技術尚需完善；②UTMD的空化效應在發(fā)揮作用的同時也會產(chǎn)生一些負面生物學效應，因而需要確定適宜的微泡劑量和超聲參數(shù)，使其最大化發(fā)揮正面效能的同時盡可能地降低對細胞的損傷；③UTMD 介導納米給藥系統(tǒng)僅停留在細胞和動物實驗階段，尚未進行臨床研究，仍不能確切說明該給藥系統(tǒng)的功能特性。盡管當前的UTMD介導的納米給藥系統(tǒng)研究存在諸多問題，但隨著國內(nèi)外專家不斷地深入探索，UTMD介導的納米給藥系統(tǒng)必將擁有更廣闊的應用前景。