細胞膜仿生納米粒在腫瘤治療領(lǐng)域的研究進展

胡楚玲，吳兆勇，顧芬芬，高 申

0 引言

隨著納米材料的發(fā)展，納米載體的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)研究中越來越普遍，特別是在藥物輸送和基因遞送領(lǐng)域[1]。有機和無機納米粒子被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究和臨床試驗中，如脂質(zhì)體[2]、聚合物膠束[3]、聚合物納米粒[4]、金納米粒[5]、二氧化硅納米粒等[6]。但由于其易被免疫系統(tǒng)識別并清除，及生物相容性和生物可降解性差，限制了合成納米材料的實用性[7]。

從細胞衍生的肽修飾到基于細胞的藥物遞送系統(tǒng)[8]，生物學(xué)的發(fā)展正在改變藥物遞送系統(tǒng)的設(shè)計?；诩毎陌邢蜻f送系統(tǒng)(Targeting drug deliver systems,TDDS)因免疫原性低、固有突變率[9]、長循環(huán)時間、無神經(jīng)毒性或致瘤性、先天靶向能力而發(fā)展成為一種有前景的遞送策略[10]。有報道，這種細胞是有效的天然載體，包括紅細胞(Red blood cell,RBC)、中性粒細胞、血小板、白細胞、吞噬細胞、干細胞、腫瘤細胞、B淋巴細胞、T淋巴細胞、天然殺傷細胞，甚至病毒和細菌[11]。例如，設(shè)計的RBC膜包被的納米顆粒可延長血液循環(huán)時間，以減輕免疫系統(tǒng)的清除[12]。腫瘤細胞膜包被還可實現(xiàn)嗜同性靶向[13-14]。巨噬細胞可用于腫瘤靶向遞送，如將巨噬細胞膜包被的納米顆粒(cskc-PPiP/PTX)用于乳腺癌治療，可顯示較強的治療效果[15]。本文介紹了細胞膜偽裝在藥物納米顆粒應(yīng)用中的最新研究進展及仿生納米藥物面臨的挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景。

1 紅細胞膜仿生系統(tǒng)

紅細胞膜是第一個被用于仿生納米顆粒的細胞膜，旨在提高納米顆粒的生物相容性，延長體內(nèi)循環(huán)時間，避免巨噬細胞的攝取和清除[16]。在這項開創(chuàng)性的工作中，將抗腫瘤藥物阿霉素(Doxorubicin,DOX)包封于聚乳酸-羥基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]納米粒中，并進一步用RBC膜包被。通過這種仿生技術(shù)，與傳統(tǒng)的PLGA納米粒相比，可使消除半衰期達40 h，明顯延長PLGA納米粒的體內(nèi)循環(huán)時間。而且可以將具有靶向活性的配體嵌入納米顆粒系統(tǒng)中[17]。例如，腫瘤靶向肽(RGDyK)修飾的RBC膜仿生納米系統(tǒng)具有較高的載藥量，在體內(nèi)表現(xiàn)為良好的靶向性，生物相容性，同時可延長保留時間。與非靶向藥物制劑相比，此類納米顆粒具有RBC和肽的特性，具有顯著的療效，同時明顯降低毒性[18]。用脂質(zhì)修飾RGD同樣可以嵌入到包載DOX和紫杉醇(Paclitaxel,PTX)的磁性-O-羧甲基-殼聚糖納米顆粒RBC膜中，以達到抑制腫瘤生長的目的[19]。

除了化學(xué)治療外，基于RBC膜的藥物遞送系統(tǒng)已迅速擴展到其他腫瘤治療方法，包括光動力療法(PDT)、光熱療法(PTT)和免疫療法。利用RBC獨特的天然攜氧能力，RBC膜可以改善光動力治療中缺氧的問題。在一項研究中，由紅細胞膜和光敏劑(PS)組成的紅細胞膜微型電動機可以有效靶向腫瘤組織，同時提供大量的氧氣[20]。另一種有效的設(shè)計是通過將RBC膜包被在二氧化錳納米顆粒上形成氧氣前體，以產(chǎn)生氧氣并緩解腫瘤缺氧。研究發(fā)現(xiàn)，RBC膜包被增加了DOX的負載能力，同時由于產(chǎn)生的氧氣破壞RBC膜而加速了DOX的釋放。通過結(jié)合普魯士藍(一種良好的光熱劑)，實現(xiàn)了PTT和化學(xué)療法的聯(lián)合治療[21]。

近年來，腫瘤免疫療法得到了越來越多的關(guān)注。膜仿生技術(shù)在這個新興領(lǐng)域具有巨大的潛力。針對樹突狀細胞的抗原靶向是開發(fā)腫瘤疫苗的關(guān)鍵瓶頸。為了解決這個問題，紅細胞膜通過脂質(zhì)束縛技術(shù)，將載有特異性DC識別配體的卵白蛋白抗原的納米顆粒與甘露糖結(jié)合到一起，以利于DC攝取抗原[22]。納米疫苗的成功設(shè)計能夠在預(yù)防和治療轉(zhuǎn)移性黑色素瘤模型中起到促進疫苗轉(zhuǎn)運至引流淋巴結(jié)并有效抑制腫瘤生長和抑制腫瘤轉(zhuǎn)移的作用。

2 血小板膜仿生系統(tǒng)

由于血小板膜固有的特征，如血管損傷反應(yīng)和與CTC相互作用的識別，基于血小板細胞膜的仿生系統(tǒng)可用于治療腫瘤轉(zhuǎn)移。血小板表面特異性受體P-Selectin可以與CD44過表達的腫瘤細胞特異性結(jié)合，這是目前發(fā)現(xiàn)的在腫瘤轉(zhuǎn)移中起關(guān)鍵作用的機制[23]。血小板與CTC之間的這種特異性識別有利于血小板在CTC周圍聚集，并促進其在血流和血液中的循環(huán)，最終導(dǎo)致腫瘤轉(zhuǎn)移。利用這一點，Hu等[24]開發(fā)了一種血小板膜包衣的核-殼納米載體，用于靶向原發(fā)性腫瘤部位和CTC。研究者將含有DOX的納米顆粒裝載到血小板膜的內(nèi)部，并在膜的外部修飾了蛋白藥物TRAIL，該蛋白可以激活細胞凋亡信號通路，所構(gòu)建的雙重藥物系統(tǒng)可實現(xiàn)協(xié)同的抗腫瘤效果以及抗腫瘤細胞轉(zhuǎn)移的能力。為了解決多藥耐藥性，RGD肽修飾的血小板囊泡被用于包被黑色素納米粒和DOX，通過腫瘤細胞和腫瘤血管的雙重靶向有效抑制耐藥性腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移[25]。其中，血小板膜主要用于免疫逃逸和腫瘤靶向。RGD修飾的納米系統(tǒng)通過腫瘤細胞和腫瘤脈管系統(tǒng)的雙重靶向有效抑制了耐藥細胞的生長。

3 免疫細胞膜系統(tǒng)

3.1 巨噬細胞膜 作為先天免疫系統(tǒng)的重要細胞分型，巨噬細胞可以通過alpah-4整合素與腫瘤細胞的VCAM-1受體特異性結(jié)合，該機制還參與調(diào)節(jié)CTC的轉(zhuǎn)移。通過將巨噬細胞膜與脂質(zhì)體結(jié)合以促進藥物向轉(zhuǎn)移部位的遞送。巨噬細胞膜修飾增加了轉(zhuǎn)移性4T1乳腺癌細胞中曲妥珠單抗脂質(zhì)體的細胞攝取，并對細胞活力具有抑制作用。在體內(nèi)巨噬細胞膜使脂質(zhì)體靶向轉(zhuǎn)移細胞，并對乳腺癌的肺轉(zhuǎn)移產(chǎn)生明顯的抑制作用[26]。研究顯示，由于巨噬細胞表面蛋白對腫瘤內(nèi)皮的主動靶向作用，功能化巨噬細胞膜比RBC膜具有更多的優(yōu)勢[27]。Xuan等[28]通過自下而上的組裝方法,將巨噬細胞膜偽裝在介孔二氧化硅納米囊上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即使經(jīng)過24 h和48 h后，偽裝的納米囊在體內(nèi)仍有36%和32%的保留率，而非偽裝系統(tǒng)在24 h內(nèi)幾乎完全消除。另外，由于巨噬細胞上表達的某些趨化因子(如CCR2)，巨噬細胞膜可主動與分泌CCL2配體的腫瘤細胞(如乳腺癌)結(jié)合。Transwell分析顯示，偽裝的光熱納米粒子向CCL2陽性組的遷移能力是對照組的5倍。為了使腫瘤細胞對PTT敏感，研究者加入槲皮素(QE，一種HSP70抑制劑)以增強PTT的療效，結(jié)果顯示，其在原發(fā)性乳腺癌和肺轉(zhuǎn)移癌中的治療效果明顯得到了改善，且不良反應(yīng)小[29]。

3.2 T細胞膜 T細胞膜含有蛋白質(zhì)，可以感應(yīng)炎癥和病灶部位。局部低劑量照射可以上調(diào)腫瘤血管的黏附分子并釋放趨化因子，從而可以將CD8+T細胞募集到腫瘤部位。將人細胞毒T淋巴細胞膜包被的紫杉醇PLGA納米粒應(yīng)用于患有胃癌的小鼠，可提高偽裝納米藥物的靶向效率。有報道，在低劑量照射下，腫瘤生長的抑制率可以達到88.50%[30]。

3.3 NK細胞膜 由于NK細胞的特異性膜受體，NK細胞膜被用于脂質(zhì)體遞送系統(tǒng)，被稱為NKsome，其可用于腫瘤靶向。NKsome具有顯著的生物相容性，對腫瘤的親和力更高，且可延長體內(nèi)循環(huán)時間。裝載DOX后，Nksome在MCF-7腫瘤細胞體內(nèi)表現(xiàn)出顯著的抗腫瘤作用[31]。Deng等[32]利用NK細胞膜包裹含TCPP光敏劑的納米粒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NK細胞膜可使NK-NPs靶向腫瘤，并誘導(dǎo)促炎性M1巨噬細胞極化，從而產(chǎn)生抗腫瘤免疫力。此外，NK-NPs中裝載的TCPP可以通過光動力療法誘導(dǎo)腫瘤細胞死亡，從而提高NK細胞膜的抗腫瘤免疫效率。

4 干細胞膜

干細胞具有大量分子識別特性的結(jié)構(gòu)，為腫瘤化療、PDT和基因治療的仿生系統(tǒng)提供可能性。Gao等[33]開發(fā)了一種DOX負載的明膠納米凝膠，包被于骨髓來源的間充質(zhì)干細胞的高效腫瘤靶向藥物遞送平臺。與未包被的納米凝膠相比，SCMG具有極好的腫瘤靶向能力及在腫瘤部位的積累，SCMG可以保留這些促腫瘤特性并降低網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除率。Yang等[34]構(gòu)建了人臍帶間充質(zhì)干細胞膜涂覆的攜帶DOX的PLGA納米顆粒，該納米顆粒顯著提高了PLGA納米粒的細胞攝取效率，增強阿霉素對腫瘤細胞的殺傷能力。

5 腫瘤細胞膜

腫瘤細胞膜從源細胞繼承了同源靶向和抗原庫的功能，已應(yīng)用于腫瘤靶向治療和免疫治療。該領(lǐng)域的第一項研究表明，腫瘤細胞包被的PLGA納米粒與紅細胞包被及裸露納米粒相比，在攝取上分別增加40倍和20倍。通過添加FDA批準的單磷酸脂A，顯著上調(diào)了CD40、CD80和CD86的表達水平[35]。從這項最初的工作開始，使用腫瘤細胞膜包被納米顆粒已成為當今抗腫瘤治療和免疫治療領(lǐng)域的新興話題。

在腫瘤治療中，腫瘤細胞膜包被于各種納米粒上，并進一步與各種治療方法整合以靶向腫瘤部位。例如，采用FDA批準的PLGA裝載化療藥物如PTX，包被4T1細胞膜。與裸露的納米粒相比，腫瘤的靶向能力及PTX在血漿中的半衰期分別高4.3倍和2倍，成功抑制了乳腺癌細胞的生長和肺轉(zhuǎn)移[36]。

然而，整個細胞膜包被納米顆?？赡軙绊懰幬锏尼尫?，光熱加速等方法可用于解決這一問題。光敏劑吲哚菁綠(ICG)和DOX納米粒共同包封于細胞膜內(nèi)。體外實驗證明，激光照射72 h，可以使藥物釋放增加4倍，從而實現(xiàn)體內(nèi)協(xié)同抗腫瘤作用[37]。

細胞膜PEG化被用于插入膜脂質(zhì)層，以進一步降低腫瘤細胞膜和血清之間的非特異性相互作用。有報道，在體內(nèi)相互作用會引起不必要的聚集、調(diào)節(jié)和吞噬納米粒[38]。如PLGA包裹ICG較沒有細胞膜包被的納米粒在腫瘤部位有高達3.1倍的集聚。同時，在肝臟和腎臟的積累分別減少了51%和34%。ICG的包封為系統(tǒng)提供了熒光/光聲成像特性和光熱效應(yīng)。在治療方面，該多功能系統(tǒng)僅單次劑量即可完全消融MCF-7細胞。

腫瘤細胞膜仿生的納米粒在腫瘤治療效果上同樣受腫瘤微環(huán)境的影響。為了改善耐藥性和較差的化療結(jié)果，腫瘤細胞膜包被的載血紅蛋白和DOX的PLGA聚合物納米系統(tǒng)被開發(fā)。血紅蛋白通過抑制缺氧誘導(dǎo)因子-1a(一種多藥耐藥基因1)和p-糖蛋白，促進了O2干擾化學(xué)治療，以克服缺氧誘導(dǎo)的化學(xué)耐藥性，從而增加了DOX的累積，提高了腫瘤治療效果[39]。此外，4T1細胞膜包裹的MnO2納米粒中和了腫瘤微環(huán)境中過量的谷胱甘肽(GSH)，同時將抗血管生成作用藥物(阿帕替尼)包裹于納米粒中，以減弱促腫瘤血管生成作用。該多功能系統(tǒng)同時解決了兩大問題，即在PDT過程中過量的GSH和促血管作用[40]。

除腫瘤靶向治療外，免疫治療同樣利用細胞膜作為抗原來解決很多問題。原則上，細胞膜可單純作為一個抗原，其可被APCs捕獲。一種腫瘤細胞膜包被免疫刺激佐劑的PLGA納米粒被開發(fā)用于腫瘤疫苗。該納米疫苗可促進抗原遞呈并激活下游免疫反應(yīng)。為發(fā)揮抗腫瘤免疫反應(yīng)，免疫檢查點封閉(抗CTLA4和抗PD-1)以緩解免疫抑制腫瘤微環(huán)境。通過這種設(shè)計，腫瘤生長得到有效控制，顯示出腫瘤細胞膜用于免疫治療的潛能[41]。

6 機遇與挑戰(zhàn)

混合細胞膜是一種有前景的仿生納米遞送系統(tǒng)應(yīng)用方法，具有較多優(yōu)點，如循環(huán)時間長和主動定位。已報道的混合生物膜系統(tǒng)包括腫瘤細胞和RBC膜、血小板和紅細胞膜、血小板和腫瘤細胞膜，以及血小板和白細胞膜等。其具有較為廣闊的應(yīng)用前景，但是，需要注意混合膜可能會進一步降低膜的取向分子，從而破壞膜性能。

腫瘤免疫治療支撐起仿生納米系統(tǒng)研究的一半天地。除了靶向能力，腫瘤細胞膜、宿主抗原庫使仿生納米顆粒用于腫瘤納米疫苗的研發(fā)。這種方法克服了特異性抗原篩選和復(fù)雜的疫苗制備過程，這些發(fā)展都進一步刺激了“仿生”免疫療法的發(fā)展。需要注意的是：①使用腫瘤細胞膜或細菌膜的安全性問題。不恰當?shù)拿庖咴员┞犊赡苷T導(dǎo)有害的免疫反應(yīng)，即使對正常的細胞類型，也需要考慮其長期安全性[42]。②細胞的高度異質(zhì)性膜和納米顆粒合成的困難可能會給大規(guī)模生產(chǎn)帶來挑戰(zhàn)。

7 結(jié)論

細胞膜仿生技術(shù)已在納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了重要進展，主要優(yōu)點在于其天然細胞特性。本文概述了其在腫瘤治療方面的應(yīng)用。自然界細胞膜功能廣泛，將使仿生納米技術(shù)得到更進一步的發(fā)展。