活性氧刺激響應納米載體

周 雯, 楊開廣, 趙寶鋒, 張麗華, 張玉奎

(1. 中國科學院大連化學物理研究所,中國科學院分離分析化學重點實驗室,遼寧 大連 116023; 2. 中國科學院大學,北京 100049)

功能材料近年來發(fā)展蓬勃,而且應用領域廣泛。相小超等[1]總結了應用于蛋白質組研究的功能材料,如磁性納米材料、金屬有機骨架材料等,該類功能材料能夠克服傳統(tǒng)蛋白質組學方法靈敏度低、準確性差等缺點。除此之外,它在生物醫(yī)藥領域、功能材料中也有著廣泛的研究。

ROS響應納米載體的核心是其骨架聚合物上的ROS響應基團(又稱為ROS響應連接子),響應基團對ROS響應,使得聚合物鏈段發(fā)生斷裂或者極性變化,進而調控納米載體釋放藥物。如表1所示,響應基團可以根據(jù)元素的種類,劃分為硫族元素類響應基團和其他元素類響應基團。硫族元素類響應基團主要包括硫醚、縮硫酮、硒化物、二硒化物、碲化物,其他元素類響應基團主要包括芳香硼酸酯、過氧草酸酯、二茂鐵。

1 硫族元素類ROS響應載體

硫醚和縮硫酮都屬于硫元素的連接子,但各自的響應機理存在差異。硫醚的響應機理是ROS引起聚合物鏈段疏水-親水相變,從而釋放藥物;而縮硫酮的響應機理是ROS引起聚合物鏈段斷裂,進而釋放藥物。Cheng等[5]使用疏水的苯硫醚基團(PhS)修飾介孔二氧化硅(MSNs)的納米孔,在ROS響應下,疏水的苯硫醚被氧化成親水的苯亞砜或苯砜,從而使納米孔被潤濕,導致內部藥物的釋放;在其研究中,裝載羅丹明6G的納米顆粒MSNs-PhS (1∶20)在100 μmol/L H2O2中10 h約釋放25%;在ROS過表達的MCF-7細胞中明顯觀察到胞內ROS促使納米顆粒內部阿霉素釋放,而正常HUVEC細胞中只觀察到極少量的阿霉素釋放。

近幾年來,硫族元素中縮硫酮是研究最為廣泛的ROS響應載體材料之一。Li等[6]利用縮硫酮、美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)和聚乙二醇(PEG),以及靶向肽(RGD),合成了聚合物RGD-PEG-TK-PLGA,RGD靶向腫瘤細胞表面的整合素avβ3,在細胞內ROS刺激下,縮硫酮發(fā)生斷裂進而使得載體材料釋放藥物;裝載阿霉素的NPs在100 μmol/L KO2環(huán)境下,6h約釋放58%;對于Cal27細胞,修飾RGD的納米顆粒的細胞攝取量是未修飾的納米顆粒的3倍,說明RGD腫瘤靶向性提高了細胞攝取量;小鼠活體實驗表明:納米顆粒(NPs)降低了藥物阿霉素的毒性,增加了腫瘤積累,混合裝載能刺激細胞產生ROS的α-維生素E琥珀酸酯,能夠加速縮硫酮斷裂釋放阿霉素,并且進一步提高其抗腫瘤效果。為了實現(xiàn)協(xié)同治療腫瘤,Chen等[7]將縮硫酮引入聚氨基酯骨架中,進一步在載體表面覆蓋親水的藻酸雙酯鈉,并同時裝載光敏劑(IR780)和阿霉素,構建出納米顆粒PPID;在808 nm激光照射下,IR780引起細胞內溫度上升以及ROS大量產生,在ROS響應下,縮硫酮斷裂釋放阿霉素,實現(xiàn)了光熱療法、光動力療法、化學療法的組合;在100 μmol/L H2O2下,PPID納米顆粒在20 h釋放約40%阿霉素;在Hep1-6細胞中,沒有激光照射下,PPID納米顆粒的半抑制濃度(50% inhibiting concentration,IC50)為0.72 μg/mL阿霉素;在808 nm激光照射下,結合光熱療法、光動力療法、化療,腫瘤細胞殺傷效果尤為顯著,對于腫瘤治療具有良好的應用前景。

表 1 ROS響應基團的機理

有研究[8,9]表明,線粒體功能紊亂與癌癥、神經性疾病等多種疾病有牽連。為了同時解決藥物的ROS響應釋放和線粒體靶向問題,Zhang等[10]直接將縮硫酮與藥物喜樹堿共價連接,利用靶向肽(cRGD)和三苯基磷(TPP),結合聚二甲基丙烯酰胺,合成了腫瘤細胞和線粒體雙重靶向的納米反應器DT-PNs,實現(xiàn)了腫瘤組織、亞細胞器ROS響應的靶向釋放;將細胞靶向的共聚物和線粒體靶向的共聚物共混自組裝,cRGD靶向腫瘤細胞表面的整合素avβ3,TPP靶向線粒體外膜,在線粒體ROS存在下,縮硫酮斷裂釋放喜樹堿,喜樹堿引起線粒體ROS產生,促進喜樹堿釋放,實現(xiàn)自循環(huán);在100 μmol/L H2O2中80 h釋放28%喜樹堿;進行腫瘤小鼠實驗,DT-PNs明顯抑制小鼠腫瘤生長,展現(xiàn)了極好的腫瘤治療效果。該研究實現(xiàn)了藥物的雙重靶向和ROS響應釋放,在腫瘤細胞線粒體特異性釋放喜樹堿,并自循環(huán)實現(xiàn)ROS爆發(fā)和喜樹堿大量釋放,對于殺傷腫瘤具有良好的效果。

對于硫醚和縮硫酮的ROS敏感性差異,Xu等[11]利用硫醚、縮硫酮合成了3種兩親性嵌段共聚物(只含硫醚、只含縮硫酮、同時含硫醚和縮硫酮),比較了3種載體的ROS響應釋放情況以及抗腫瘤效果;其中裝載阿霉素的只含硫醚的納米顆粒在500 μmol/L H2O2中展現(xiàn)出最快的ROS響應釋放(72 h釋放約65%),對于HeLa細胞和4T1細胞也呈現(xiàn)出最強的腫瘤殺傷效果(IC50分別為0.46和1.29 μg/mL),是很有前景的ROS響應載體。

跟硫同族的硒和碲,在ROS響應方面也引起了關注。硒化物和碲化物性質相似,都是在ROS響應下,疏水的硒化物/碲化物轉變成親水的亞砜/砜,聚合物相變引起內部藥物釋放;而二硒化物連接子的性質略微獨特,具有氧化還原雙重響應,氧化環(huán)境下二硒鍵斷裂形成硒酸,還原環(huán)境下二硒鍵形成硒醇,斷裂引起內部藥物的釋放。Ma等[12]將硒化物引入疏水的聚氨酯嵌段,搭配PEG合成兩親性嵌段共聚物PEG-PUSe-PEG,在ROS響應下,硒化物的疏水-親水相變使載體發(fā)生膨脹、崩解,釋放出內部裝載的阿霉素;在0.1% H2O2下10 h釋放72%阿霉素,響應釋放效果明顯優(yōu)于嵌段共聚物PEG-PUS-PEG(10 h釋放41%),初步推測可能是因為元素硒和硫的氧化敏感性差異導致的。該團隊[13]對此聚合物結構進行了持續(xù)并深入的探索,繼續(xù)引入二硒化物形成嵌段共聚物PEG-PUSeSe-PEG,在0.01% H2O2或0.01 mg/mL谷胱甘肽(GSH)中都觀察到良好的響應以釋放羅丹明B。Cao等[14]引入碲化物形成嵌段共聚物PEG-PUTe-PEG,ROS響應下發(fā)生碲化物的疏水-親水相變,通過循環(huán)伏安法比較含硫、硒、碲的模型化合物的氧化峰,碲化物更低的氧化電位顯示出它極好的氧化敏感性,能夠對更低濃度的ROS響應,因此碲化物連接子被評價為超敏ROS響應材料。在之前工作的基礎上,該團隊[15]對該兩親性嵌段共聚物進行了改進,用β-硒化羰基代替α-硒化部分,合成了聚合物C6-C3Se-PEG2000,在ROS響應下,硒化物被氧化為硒亞砜,然后發(fā)生硒亞砜分子內消除反應,實現(xiàn)了氧化引起聚合物結構解聚;合成的C6-C3Se-PEG2000能對1 mmol/L H2O2氧化響應斷裂,而超敏碲化物的類似結構正在探索,初步通過1H NMR能夠觀察到C6-C3Te能夠對生理條件下(50、100 μmol/L)氧化環(huán)境進行響應。

二硒化物由于氧化還原雙重響應的特性,能夠對腫瘤細胞內的高含量ROS和GSH響應,快速進行藥物釋放。近年來關于二硒化物連接子的報道較多,Fan等[16]利用硒代胱胺、美國食品藥品監(jiān)督管理局批準的PLGA和PEG,合成了ROS響應的載體VPSeP,裝載黃連素;在炎癥部位,ROS引起二硒鍵斷裂,釋放黃連素,黃連素促進ROS生成,進一步激發(fā)載體裂解;在10 mmol/L H2O2中,30 h約釋放80%黃連素;在關節(jié)炎小鼠實驗中,它能夠抑制炎癥因子IL-1和IL-6的分泌,保護骨關節(jié)不被破壞,減輕爪水腫。除了將二硒鍵引入聚合物結構的研究,Shao等[17]直接將含二硒鍵的有機二氧化硅模塊摻入介孔二氧化硅(MSN)中,通過靜電相互作用裝載核糖核酸酶A,進一步包裹HeLa細胞的膜碎片,成功合成了具有同源靶向性、氧化還原雙重響應的納米顆粒;此時,氧化還原響應更為靈敏的MSN2納米顆粒在100 μmol/L H2O2中10 h約釋放55%核糖核酸酶A,在5 mmol/L GSH中10 h約釋放50%核糖核酸酶A;將納米顆粒分別與HeLa細胞、MCF-7細胞共孵育,在HeLa細胞中觀察到更高的熒光強度,說明了載體同源靶向性;在腫瘤小鼠實驗中,也明顯觀察到了腫瘤生長抑制。

2 其他元素類ROS響應載體

芳香硼酸酯作為ROS響應連接子,能夠被氧化成苯酚和硼酸,在ROS響應載體方面也獲得了很大的關注。Broaders等[18]利用芳香硼酸酯作為連接子,合成了氧化敏感的納米顆粒Oxi-DEX,即用芳香硼酸酯修飾右旋糖苷的羥基,使聚合物鏈段由水溶性轉變?yōu)橛腿苄?進而實現(xiàn)模型抗原-雞卵白蛋白(OVA)的包載;在H2O2環(huán)境下,芳香硼酸酯降解,暴露出右旋糖苷的羥基,最終使得聚合物鏈段轉換為原始的水溶狀態(tài),即使聚合物鏈段發(fā)生極性變化,釋放出OVA;在1 mmol/L H2O2下,2 h后Oxi-DEX發(fā)生完全的相變;裝載OVA的Oxi-DEX明顯引起DC2.4小鼠神經系統(tǒng)樹突細胞的MHC Ⅰ抗原表達增強,該載體能夠作為快速的選擇性給藥系統(tǒng)。另外,有報道表明,樹突細胞的吞噬體內ROS濃度能夠高達1 mmol/L[19],Oxi-DEX能夠實現(xiàn)生理環(huán)境下的ROS響應,但是對于ROS濃度低至100 μmol/L的腫瘤細胞,它并不能實現(xiàn)響應。為了解決這一問題,De Gracia Lux等[20]利用芳香硼酸酯合成了兩種聚合物,聚合物1是芳香硼酸酯直接連接主鏈,聚合物2是芳香硼酸酯通過芐基醚連接主鏈,聚合物1形成的載體1在1 mmol/L H2O2中26 h約釋放50%尼羅紅,而聚合物2卻能在100 μmol/L H2O2中達到類似釋放效果;將載體2裝載熒光素二乙酸,與中性粒細胞孵育,佛波酯處理6 h后,通過熒光強度觀察到釋放增加了2倍,使得芳香硼酸酯納米載體能夠在腫瘤細胞生理環(huán)境下ROS響應釋放。

Deng等[21]利用芳香硼酸酯形成了4種H2O2響應的單體,選擇單體NBMA形成兩親性嵌段共聚物,利用線粒體靶向肽(CGKRK)進行表面功能化,合成了具有線粒體靶向、氧化響應的聚合物囊泡;在線粒體H2O2響應下,聚合物發(fā)生級聯(lián)消除和脫羧反應,疏水性雙分子層發(fā)生酰胺反應,導致聚合物囊泡內部交聯(lián),使得雙分子層發(fā)生疏水-親水相變,從而釋放出疏水性雙分子層封裝的紫杉醇,以及水性內腔封裝的鹽酸阿霉素;載體Gd-N8在1 mmol/L H2O2中24 h約釋放94%鹽酸阿霉素和93%紫杉醇;將小分子細胞核染料(DAPI)和大分子的右旋糖苷共同封裝在親水內腔,與佛波酯處理后的HeLa細胞共孵育12 h,觀察到大部分的藍色熒光DAPI從囊泡擴散進入細胞核,而紅色熒光的右旋糖苷與囊泡出現(xiàn)極好的共定位,說明氧化環(huán)境促使疏水性雙分子層發(fā)生相變,小分子DAPI發(fā)生滲透,雙分子層交聯(lián)保持了囊泡結構的完整性,大尺寸的右旋糖苷被保留在囊泡內腔。該載體實現(xiàn)了兩種物理性質不同的藥物同時封裝,并且通過ROS響應促使囊泡的雙分子層發(fā)生相變,在保持了囊泡結構完整性的基礎上,實現(xiàn)了藥物的釋放。

芳香硼酸酯形成的載體能夠對生理相關的H2O2濃度響應,獲得了較好的發(fā)展。而含二茂鐵的聚合物是將金屬引入聚合物,雖然由于優(yōu)異的物理性質獲得了關注,但是在ROS響應方面,仍需要進一步的發(fā)展。Na等[22]合成了一系列含二茂鐵的兩親性嵌段共聚物FMMA-r-MA,在水中自組裝形成內核疏水的納米顆粒,氧化后疏水的二茂鐵分子變成親水的二茂鐵陽離子,發(fā)生疏水-親水相變,同時由于陽離子的靜電排斥作用會讓納米顆粒膨脹破碎,釋放內部的尼羅紅,氧化響應和穩(wěn)定性最好的FNP (C2)納米顆粒在0.4 mol/L H2O2環(huán)境下,8 h約釋放25%尼羅紅。

與Li等[6]和Fan等[16]設計的結構類似,Liang等[23]使用過氧草酸酯連接PLGA和PEG,合成聚合物3s-PLGA-PO-PEG,裝載模型抗原OVA,在ROS響應下,過氧草酸酯斷裂釋放OVA,使用聚醚酰亞胺修飾納米顆粒表面以增加轉染效率,從而構建出PPO納米顆粒;PPO納米顆粒在200 μmol/L H2O2中兩天釋放超過90%OVA;在小鼠活體實驗中,PPO納米顆粒能夠引起OVA特異性抗體的生成,從而上調CD4+和CD8+T細胞的比例,激活記憶T細胞。這種攜帶抗原疫苗的NPs能夠實現(xiàn)體內的免疫響應。

如表2所示,對于ROS刺激響應納米載體,縮硫酮和芳香硼酸酯作為ROS響應基團,引入納米載體較為廣泛,而且ROS響應也較為靈敏,兩者在細胞層面皆有良好的應用。二硒化物不僅是ROS響應基團,而且是GSH響應基團,對于ROS和GSH都呈現(xiàn)高含量的腫瘤細胞,二硒化物的雙重響應能夠促使藥物的響應釋放;但是由于細胞質內也呈現(xiàn)高濃度的GSH,對于亞細胞器的特定響應釋放,二硒化物還呈現(xiàn)一定的劣勢。結構和性質十分類似的硫醚、硒化物和碲化物中,目前硒化物和碲化物的ROS響應載體發(fā)展較少,可能是出于它們的生物層面安全性考慮,或者是載體制備的困難程度影響;但是由于碲化物的ROS超敏能力,它還具有較大的應用潛力。ROS響應基團中的過氧草酸酯和二茂鐵在ROS響應方面還需要進一步的發(fā)展,以獲得生理條件下的響應。

表 2 ROS刺激響應納米載體的性能比較

表 2 (續(xù))

3 總結

由于疾病部位的ROS水平異常,因此ROS響應納米載體具有靶向給藥、降低藥物毒性等優(yōu)點,具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿ΑＶ苽銻OS響應納米載體時,ROS響應基團的氧化敏感性值得考慮,本文中的硫醚、硒化物、碲化物、二茂鐵都是ROS引起其疏水-親水相變,進而引起藥物釋放,特別是對于硒化物,β-硒化羰基代替α-硒化部分后,硒化物被氧化為硒亞砜,會繼續(xù)發(fā)生硒亞砜消除反應,引起聚合物斷裂;縮硫酮、二硒化物、芳香硼酸酯、過氧草酸酯都是ROS引起其斷裂進而釋放。ROS響應納米載體用于活體的研究才剛剛起步,載體的生物相容性、生物降解性尤其需要關注,只有在確保安全的前提下,ROS響應納米載體才能起到對疾病部位進行智能釋放藥物、精準治療的目的。