腫瘤氧化還原微環(huán)境智能響應(yīng)型前藥納米組裝體的研究進(jìn)展

陳瑤，張洪源，劉雨婷，孫丙軍，孫進(jìn)，何仲貴，羅聰

（沈陽藥科大學(xué)無涯創(chuàng)新學(xué)院，遼寧 沈陽 110016）

癌癥仍是嚴(yán)重威脅全球人類健康的重大疾病。癌癥的臨床治療策略主要包括：手術(shù)、化療、放療和免疫治療等[1]。目前癌癥的臨床治療現(xiàn)狀呈現(xiàn)出以傳統(tǒng)治療方案為主、多種治療方案并存以及免疫療法等新型治療策略蓬勃發(fā)展的局面。值得注意的是，因腫瘤細(xì)胞的基因多態(tài)性和不穩(wěn)定性，任何針對單一靶點的治療策略最終都會產(chǎn)生耐藥，例如上皮細(xì)胞生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）靶向治療[2]和程序性死亡受體1/程序性死亡受體配體1（programmed cell death 1/programmed cell death ligand 1，PD-1/PD-L1）阻斷免疫治療等[3]。因此，目前非單一靶點癌癥療法仍在臨床中扮演重要角色。那么，如何實現(xiàn)這些非特異性抗腫瘤藥物的“高效低毒”遞送是藥劑學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

借助中早期癌癥患者腫瘤血管的增強滲透和滯留效應(yīng)（enhanced permeability and retention，EPR）來設(shè)計和構(gòu)建新型納米藥物遞送系統(tǒng)能顯著提高藥物的遞送效率，且已經(jīng)有多個抗腫瘤藥物的納米制劑被批準(zhǔn)用于臨床癌癥的治療，如Abraxane?（紫杉醇白蛋白納米粒）和Doxil?（多柔比星脂質(zhì)體）等。盡管納米藥物已經(jīng)取得一定的研究進(jìn)展，但它們的臨床療效遠(yuǎn)未達(dá)到人們的預(yù)期。究其原因，主要是物理包埋的非共價載藥方式導(dǎo)致傳統(tǒng)納米制劑存在載藥效率低下、載藥穩(wěn)定性不佳和體內(nèi)藥物遞送效率不高等問題[4]。根本原因是多數(shù)抗腫瘤藥物與載體材料的相容性較差。前藥納米組裝體將共價連接化學(xué)和納米遞藥技術(shù)整合到同一納米平臺，已成為納米藥物遞送系統(tǒng)的一個重要研究領(lǐng)域。該納米平臺具有載藥量高、穩(wěn)定性好、血液循環(huán)時間長、安全性高、腫瘤靶部位智能響應(yīng)前藥激活等諸多優(yōu)勢[5-6]。

聚合物大分子前藥策略是將藥物通過特定的化學(xué)鍵共價鍵合于聚合物，巧妙地將藥物與聚合物載體“融”為一體，從根本上解決藥物與聚合物相容性差的問題。同時，通過在聚合物前藥中引入腫瘤微環(huán)境（tumor microenvironment，TME）刺激響應(yīng)型化學(xué)橋連還能實現(xiàn)藥物在腫瘤組織的選擇性快速釋放[5]。除大分子聚合物前藥以外，有些小分子前藥也能自組裝形成穩(wěn)定的納米體系，它們不僅具有聚合物前藥納米組裝體的優(yōu)點，還因藥物在整個前藥分子中占主導(dǎo)，極大地提高載藥量，甚至高達(dá)50%[6]。前藥分子的設(shè)計關(guān)鍵在于藥物如何在靶部位選擇性按需釋放。近年來，基于腫瘤特異性生理病理微環(huán)境實現(xiàn)前藥在作用靶點的特異性激活已被廣泛研究。本文總結(jié)腫瘤氧化還原微環(huán)境智能響應(yīng)型前藥納米組裝體的研究進(jìn)展，主要介紹腫瘤氧化還原微環(huán)境、常用的氧化還原敏感化學(xué)橋連、腫瘤氧化還原微環(huán)境智能響應(yīng)型聚合物大分子前藥納米組裝體和小分子前藥納米組裝體。

1 腫瘤氧化還原微環(huán)境

TME不僅包括腫瘤細(xì)胞所處組織的結(jié)構(gòu)、功能和代謝微環(huán)境，還包括腫瘤細(xì)胞自身的內(nèi)在微環(huán)境[7-8]。腫瘤微環(huán)境的改變與腫瘤細(xì)胞內(nèi)外的間質(zhì)液體壓力、氧含量、pH值、各種酶、氧化還原物質(zhì)等密切相關(guān)[7]。同時，復(fù)雜而特殊的TME又與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移息息相關(guān)[8]。因此，研究人員構(gòu)建一系列TME敏感釋藥的納米藥物遞送系統(tǒng)用于腫瘤的高效診療，如氧化還原敏感、pH敏感、酶敏感和氧分壓敏感型納米載體等。其中，研究人員利用腫瘤細(xì)胞和正常細(xì)胞之間存在的氧化還原梯度，設(shè)計和構(gòu)建多種氧化還原敏感的納米載體，為實現(xiàn)抗腫瘤藥物的高效低毒靶向遞送提供可能。

1.1 腫瘤氧化微環(huán)境的形成和特點

腫瘤細(xì)胞中常見的活性氧（reactive oxygen species，ROS）主要包括羥基自由基（·OH）、單線態(tài)氧（1O2）和過氧化氫（H2O2）等。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道，相比于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞會發(fā)生異常代謝行為，從而產(chǎn)生更高濃度的ROS[9]，具體過程是腫瘤的形成源自基因損傷，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞中線粒體功能代謝紊亂，阻礙線粒體呼吸鏈中電子的傳遞，生成過量的ROS[10]。此外，不同濃度的ROS對腫瘤的發(fā)生和發(fā)展具有不同的影響。一方面，適量的ROS能夠激活生長因子通路、絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路、磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B（phosphatidylinositide 3-kinases/protein kinase B，PI3K/AKT）通路、核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）相關(guān)通路等，進(jìn)一步促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移[11]；另一方面，當(dāng)腫瘤組織中ROS過量時，則會觸發(fā)氧化還原應(yīng)激機制，從而破壞DNA、氧化脂質(zhì)，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡和壞死。同時，ROS濃度的增加還會激活乏氧因子( hypoxia inducible factor-1α，HIF-1α) ，活化的HIF-1α誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞發(fā)生增殖、轉(zhuǎn)移和侵襲，進(jìn)一步加重腫瘤的惡化程度[12]。根據(jù)ROS過量的程度和暴露時間不同，氧化應(yīng)激可以雙向激活細(xì)胞增殖和凋亡機制[13]?；赗OS在癌癥發(fā)展中的雙重作用，抗氧化和促氧化策略在抗腫瘤藥物的研發(fā)中備受關(guān)注。

1.2 腫瘤還原微環(huán)境的形成和特點

腫瘤細(xì)胞為了降低ROS對于自身的損傷，便相應(yīng)產(chǎn)生大量以谷胱甘肽（glutathione，GSH）為主的還原性物質(zhì)。腫瘤細(xì)胞內(nèi)胞質(zhì)溶膠、線粒體和細(xì)胞核等多種細(xì)胞器均含有高濃度的GSH。腫瘤細(xì)胞內(nèi)的GSH的濃度（2 ～ 10 mmol · L-1）約是細(xì)胞外GSH濃度（2 ～ 20 μmol · L-1）的1000倍，且比正常細(xì)胞內(nèi)GSH濃度高數(shù)倍。這種高濃度的GSH常常導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的抗氧化應(yīng)激能力增強，并伴隨耐藥性也大大增加[14]。有研究發(fā)現(xiàn)，在耐藥的腫瘤細(xì)胞中，其GSH的濃度要比普通腫瘤細(xì)胞的濃度高10倍以上[14]。除GSH以外，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)還存在其他的還原物質(zhì)，主要包括以下幾種：1）少量以還原態(tài)存在的二價鐵離子（Fe2+）； 2）硫氧蛋白還原酶；3）γ-干擾素的溶酶體巰基還原酶（GILT）； 4）非GSH類還原劑如半胱氨酸。這些還原性物質(zhì)均使得腫瘤部位呈現(xiàn)較低的氧化還原電位[15-16]。

1.3 基于腫瘤氧化還原微環(huán)境特點的藥物遞釋策略

基于腫瘤細(xì)胞特殊的氧化還原微環(huán)境，研究者們已經(jīng)設(shè)計出多種氧化還原響應(yīng)型遞藥體系[17]。當(dāng)藥物隨著載體一起到達(dá)腫瘤部位，高氧化還原的微環(huán)境會觸發(fā)藥物的快速釋放，增加藥物在腫瘤細(xì)胞的快速蓄積，還能實現(xiàn)藥物的定時、定量釋放，從而提高腫瘤殺傷效果，并降低對正常組織的副作用。這些氧化還原刺激響應(yīng)型的載體往往表現(xiàn)出長循環(huán)、高響應(yīng)以及定點釋藥等諸多優(yōu)勢[18]。因此，合理調(diào)控腫瘤氧化還原平衡態(tài)對于腫瘤的發(fā)生和發(fā)展具有重要影響。此外，基于腫瘤氧化還原微環(huán)境合理設(shè)計遞藥體系，為腫瘤的精準(zhǔn)治療提供更多選擇。

2 氧化還原敏感的化學(xué)橋連

隨著對腫瘤氧化還原微環(huán)境的不斷深入了解，研究人員巧妙地設(shè)計多種氧化還原響應(yīng)型藥物遞送系統(tǒng)，以實現(xiàn)腫瘤的高效診療。構(gòu)建氧化還原敏感的藥物遞送系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于設(shè)計和利用氧化還原敏感的化學(xué)橋連。近年來，已經(jīng)相繼開發(fā)多種氧化還原敏感型化學(xué)橋連，并將其用于藥物遞送系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建。常用的氧化還原敏感型連接臂主要包括：單硫鍵[19]、二硫鍵[16]、三硫鍵[20]、琥珀酰亞胺-硫醚鍵[21]、硫縮酮鍵[22]、單硒鍵[23]和二硒鍵[24]等（見圖1）。

圖1 針對腫瘤細(xì)胞內(nèi)氧化還原微環(huán)境的常用氧化還原敏感型化學(xué)橋連Figure 1 Common redox sensitive chemical bridging for the redox microenvironment in tumor cells

2.1 基于“硫鍵”的氧化還原敏感型化學(xué)橋連

單硫鍵、二硫鍵和三硫鍵等含硫化學(xué)鍵作為最常用的氧化還原敏感鍵，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在聚合物膠束[25]、納米粒[18]、納米凝膠[26]等給藥系統(tǒng)中。筆者課題組在這方面做了一些研究工作：首先，發(fā)現(xiàn)單硫鍵的氧化還原雙敏感性，且其氧化敏感響應(yīng)能力非常強[18]；其次，盡管二硫鍵作為傳統(tǒng)意義上的還原單敏感化學(xué)鍵被最早開發(fā)和廣泛應(yīng)用，但是在研究中發(fā)現(xiàn)二硫鍵[19]同樣具有非常好的氧化還原雙敏感性。在腫瘤細(xì)胞內(nèi)，二硫鍵能被腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的GSH還原為硫醇，并且在ROS的作用下被氧化為強親水性的亞砜或砜，進(jìn)而增加體系的親水性，促進(jìn)藥物釋放；此外，還發(fā)現(xiàn)接近90°的二硫鍵鍵角可以顯著提高前藥分子的空間靈活性，有利于小分子前藥納米粒的穩(wěn)定自組裝。筆者課題組近期的研究發(fā)現(xiàn)，與二硫鍵相比，三硫鍵因具有3個硫原子和2個含硫的二面角，使得其在二聚體前藥自組裝中比二硫鍵更具優(yōu)勢[20]。此外，間隔二硫鍵[27]和硫縮酮鍵[22]作為氧化還原響應(yīng)的連接鍵也被廣泛研究。

2.2 基于“硒鍵”的氧化還原敏感型化學(xué)橋連

與含硫化學(xué)鍵相比，含硒化學(xué)鍵對氧化還原環(huán)境的敏感特性也被廣泛研究。硒（Se）相比于硫（S）具有更高的氧化敏感性。因為與硫原子相比，硒的原子半徑更大、電負(fù)性更弱，從而導(dǎo)致硒鍵具有較弱的鍵能（二硒鍵與二硫鍵的鍵能分別為172與240 kJ · mol-1）[23]。其中，單硒鍵具有很強的氧化敏感性，可以被氧化為親水性的硒亞砜或硒砜[24]。二硒鍵則具有氧化還原雙敏感性。在氧化條件下，二硒鍵被氧化為硒亞砜或硒砜，隨后水解為亞硒酸或硒酸。而在還原條件下，二硒鍵會生成親水性的硒醇[27]，更容易在TME中發(fā)生斷裂。此外，含硒的納米載體具有更強的抗腫瘤效果，主要原因是硒化合物可以增強免疫反應(yīng)、干擾腫瘤細(xì)胞的代謝、抑制血管生成并誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞的凋亡。

基于此，筆者課題組得出“硫鍵”和“硒鍵”氧化還原響應(yīng)性的不同順序。其中，氧化反應(yīng)性上，遵循單硒鍵＞單硫鍵＞二硒鍵＞二硫鍵的順序；還原敏感性上，S比Se更容易被還原，遵循二硫鍵＞二硒鍵＞單硫鍵＞單硒鍵的順序。4種橋連的氧化還原響應(yīng)機制如圖2所示。隨著研究的不斷深入，氧化還原敏感型化學(xué)橋連的種類也愈加多樣化，能夠?qū)崿F(xiàn)納米載體在腫瘤部位特異性釋藥，具有抗腫瘤效果好、副作用低的明顯優(yōu)勢，為腫瘤細(xì)胞內(nèi)響應(yīng)性釋放給藥系統(tǒng)的設(shè)計和構(gòu)建奠定堅實基礎(chǔ)。

圖2 單硫鍵、二硫鍵、單硒鍵和二硒鍵的氧化還原響應(yīng)機制Figure 2 Redox response mechanism of single sulfur bond, disulfide bond, single selenium bond and disselenium bond

3 氧化還原敏感的聚合物前藥納米組裝體

聚合物前藥通過特定的化學(xué)連接臂將藥物分子共價結(jié)合于聚合物分子上，多數(shù)藥物可以作為兩親性聚合物疏水端的一部分，最終自組裝形成聚合物前藥組裝體。新型的聚合物前藥納米組裝體采用敏感型化學(xué)鍵可實現(xiàn)在腫瘤部位的可控釋放。在這一部分，筆者重點介紹氧化還原敏感的聚合物前藥納米組裝體，根據(jù)組裝體的納米載體的不同，主要分為：1）聚合物前藥自組裝膠束；2）聚合物前藥自組裝凝膠；3）聚合物前藥自組裝共遞送納米載體。

3.1 聚合物前藥自組裝膠束

膠束由兩親性聚合物載體材料構(gòu)成，具有疏水內(nèi)核和親水外殼。聚合物前藥自組裝膠束則是將藥物共價鍵合于聚合物的疏水端，自組裝形成膠束[28]。聚合物前藥自組裝膠束種類繁多，因其具有良好的穩(wěn)定性和生物相容性等優(yōu)勢在抗腫瘤藥物遞送領(lǐng)域備受關(guān)注。然而，大多數(shù)脂肪族聚酯類聚合物膠束由于釋藥緩慢，治療效果并不理想。因此，根據(jù)腫瘤特有的高氧化還原的生理微環(huán)境，設(shè)計氧化還原響應(yīng)型聚合物膠束并實現(xiàn)藥物在腫瘤細(xì)胞內(nèi)靶向快速釋放，已成為研究的熱點。

氧化還原響應(yīng)型聚合物前藥自組裝膠束通常具有以下優(yōu)勢： 1）改善疏水性藥物的溶解性； 2）增加載藥穩(wěn)定性和載藥量； 3）延長藥物的血液循環(huán)時間； 4）通過EPR效應(yīng)增加藥物在腫瘤部位的蓄積，提高藥物的腫瘤靶向遞送效率； 5）敏感鍵在腫瘤部位的特異性響應(yīng)斷裂，降低藥物對正常組織的副作用[29-32]。Jia等[33]以支鏈聚乙烯亞胺（branched chain polyethylenimine，BPEI）為 骨架，二硫鍵為氧化還原敏感的化學(xué)橋連，透明質(zhì)酸（hyaluronic acid，HA）為靶頭，構(gòu)建一種腫瘤細(xì)胞靶向的、GSH刺激響應(yīng)的順鉑（Pt）納米給藥系統(tǒng)。以BPEI-SS-Pt為載體，通過靜電吸附將HA包被在BPEI-SS-Pt上，構(gòu)建氧化還原敏感的Pt靶向納米給藥系統(tǒng)[HA-(BPEI-SS-Pt)]，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)Pt在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的選擇性釋放，通過被動靶向與主動靶向結(jié)合，增加Pt在腫瘤部位蓄積，并能克服Pt的副作用。

為了進(jìn)一步提高聚合物前藥自組裝膠束體系的主動靶向效果，可以在其表面進(jìn)行多肽配體靶向修飾。然而，腫瘤異質(zhì)性一定程度上限制單一刺激響應(yīng)型釋藥效率。因此，構(gòu)建雙重甚至多重刺激響應(yīng)釋藥的納米載體能夠進(jìn)一步有效提高藥物遞送效率。如Li等[34]制備可以主動靶向腫瘤的還原/pH雙響應(yīng)的鬼臼毒素前藥納米膠束。膠束由2種前藥聚合物構(gòu)成，一種是在聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）上用二硫鍵橋連鬼臼毒素和轉(zhuǎn)鐵蛋白受體靶向肽Pep，另一種是PEG上僅用二硫鍵橋連鬼臼毒素，將2種聚合物混合后制備膠束，賦予該體系更高的腫瘤靶向能力。

負(fù)載化療藥物的氧化還原響應(yīng)型聚合物前藥自組裝膠束體系，可以顯著提高藥物的抗腫瘤療效、增強疏水性藥物特異性、延長藥物在血液中的循環(huán)時間、并降低藥物副作用?？傊?，氧化還原響應(yīng)型聚合物前藥自組裝膠束是具有前景的抗腫瘤藥物載體?，F(xiàn)已有大量研究能夠證明其腫瘤靶向遞藥的高效性。對于氧化還原響應(yīng)型聚合物前藥自組裝膠束大規(guī)模地廣泛應(yīng)用仍需進(jìn)一步的探索，特別是在其代謝過程、藥物傳遞機制以及給藥體系的合理構(gòu)建等方面。

3.2 聚合物前藥自組裝凝膠

除膠束以外，凝膠作為一種新型納米載體，也廣泛應(yīng)用于聚合物前藥組裝體中。凝膠是由交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)組成的三維矩陣，使親水性聚合物鏈能夠固定住大量的水分子。凝膠在很多方面與人體組織十分類似，因而表現(xiàn)出良好的生物相容性。目前，納米凝膠因其具有高載藥量、高穩(wěn)定性和對環(huán)境因素的響應(yīng)能力，在智能納米給藥系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。其中，氧化還原響應(yīng)型聚合物前藥自組裝凝膠遞送系統(tǒng)在腫瘤治療領(lǐng)域已被廣泛研究，其響應(yīng)性釋藥通常可以通過聚合物硫醇化作用實現(xiàn)，即基于可逆的硫醇-二硫化物的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)藥物的可控釋放[35-39]。

目前，大部分早期研究只是將小分子藥物通過物理包埋的方法包封在納米凝膠中[35]，導(dǎo)致藥物易被提前釋放，從而降低治療效果并產(chǎn)生副作用。因此，基于化學(xué)共價鍵合實現(xiàn)藥物按需釋放的納米凝膠備受關(guān)注。例如，Qu等[37]利用二硫鍵將甲基丙烯酸（methacrylic acid，MAA）、喜樹堿（camptothecin，CPT）和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（N，N-methylene bisacrylamide，Bis）橋連在一起，構(gòu)建一個氧化還原/pH雙敏感的前藥納米凝膠，有效改善CPT水溶性差的問題。此外，二硫鍵的化學(xué)鍵合作用不僅使體系結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，同時借助二硫鍵的氧化還原響應(yīng)性和PMAA的pH響應(yīng)性，前藥納米凝膠中CPT的釋放具有氧化還原/pH雙重依賴性，有利于實現(xiàn)藥物在腫瘤細(xì)胞和腫瘤組織微環(huán)境中的按需釋放。

聚合物前藥自組裝凝膠遞藥系統(tǒng)，仍需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，比如提高聚合物前藥自組裝凝膠的載藥量。Peng等[26]利用共價連接將阿霉素(doxorubicin，DOX)橋連到含有二硫鍵N-乙烯基吡咯烷酮-co-N-乙烯基甲酰胺共聚物中，構(gòu)建一種在高還原環(huán)境中粒徑減小的納米凝膠。通過控制交聯(lián)密度進(jìn)而實現(xiàn)載藥量的調(diào)控。結(jié)果表明，隨著交聯(lián)密度的增加，DOX的載藥量也隨之增加，且載藥量均高于50%，最大為57.9%。值得注意的是，DOX的釋藥速度將隨著交聯(lián)密度的增加而降低。因此，該體系在載藥量和釋藥速率方面需要進(jìn)行平衡，以達(dá)到更佳的藥物遞送效果。此外，為防止納米凝膠的聚集，還可以通過在納米凝膠結(jié)構(gòu)中交聯(lián)親水性聚合物（如PEG）進(jìn)行改善。同時，還可以在納米凝膠表面上的官能團(tuán)修飾靶向基團(tuán)提高藥物的體內(nèi)靶向遞送。

聚合物前藥自組裝納米凝膠遞送系統(tǒng)因具有良好的生物相容性和可控的釋藥性，具有非常好的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，在載藥量和特異性釋藥等方面不斷取得突破，為進(jìn)一步提高藥物遞送效率打下良好的基礎(chǔ)。

3.3 聚合物前藥自組裝共遞送納米載體

聚合物前藥不僅可以作為前藥分子在腫瘤組織特異性激活中發(fā)揮相應(yīng)療效，還可以作為納米載體實現(xiàn)多種藥物的共遞送。目前，已經(jīng)上市多種不同作用機制的化療藥物，但這些作用通路并非毫無關(guān)聯(lián)，可能存在相互促進(jìn)的協(xié)同機制。因此，將2種藥物包載于同一種納米載體中不僅能實現(xiàn)藥物的高效共遞送，還能顯著增強協(xié)同治療效果。而聚合物前藥分子中疏水端鍵合的藥物分子與其他藥物之間存在的π-π堆積等分子間作用力是實現(xiàn)多種藥物的高效共載的基礎(chǔ)。

在臨床治療中，腫瘤耐藥性一直是亟待解決的關(guān)鍵問題。目前常用的2種解決策略是聯(lián)合遞送多種化療藥物或聯(lián)合應(yīng)用不同治療方式。利用腫瘤與炎癥高度相關(guān)性，Chai等[40]構(gòu)建聚合物前藥自組裝共遞送納米載體，通過共遞送非甾體抗炎藥布洛芬和DOX，顯著提高高轉(zhuǎn)移性乳腺癌的治療效果。腫瘤組織高表達(dá)的環(huán)氧合酶-2（cyclooxygenase-2，COX-2）賦予腫瘤組織更強的侵襲性和轉(zhuǎn)移性，布洛芬通過抑制COX-2介導(dǎo)的腫瘤轉(zhuǎn)移與DOX協(xié)同增強抗腫瘤效果。此外，也有研究基于聚合物前藥自組裝共遞送納米載體實現(xiàn)2種化療藥物的共遞送。Sun等[41]以二硫橋連的達(dá)沙替尼聚合物前藥納米膠束為基礎(chǔ)，通過包封DOX實現(xiàn)二者的共遞送。也有研究將吲哚胺2，3-雙加氧酶（indoleamine 2，3-dioxygenase，IDO)抑制劑NLG919通過二硫鍵共價連接到聚合物上，并包載DOX進(jìn)行共遞送和腫瘤免疫治療[31]。

此外，將聚合物前藥自組裝共遞送納米載體用于腫瘤診療一體化也一直是研究的熱點。例如，Yang等[42]報道一種以殼聚糖為載體的還原響應(yīng)聚集誘導(dǎo)發(fā)光（aggregation-induced emission，AIE）生物熒光探針。殼聚糖分子具有很多羥基，在空間距離較遠(yuǎn)的一對羥基中，一端連接具有AIE結(jié)構(gòu)的分子四苯乙烯（tetraphenyl ethylene，TPE），另一端則連接具有二硫鍵的羧酸。在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的高GSH濃度條件下，二硫鍵斷裂，羧基脫離，聚合物納米粒的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而產(chǎn)生AIE效應(yīng)，可用于腫瘤的熒光成像和診斷，通過光動力療法還可以治療腫瘤。在這個系統(tǒng)中，可以將二硫鍵另一端的羧基再進(jìn)一步連接其他藥物，同時，由于TPE分子具有多個共軛的苯環(huán)，理論上能通過物理包埋的方式實現(xiàn)多種藥物的共遞送。

雖然基于聚合物前藥的氧化還原敏感共遞藥納米組裝體具有穩(wěn)定性好、靶向性強和腫瘤抑制效率高等優(yōu)點，但不可忽視的是共遞送藥物系統(tǒng)中小分子藥物依舊是以物理包埋的方式進(jìn)行負(fù)載，始終存在藥物提前泄露的風(fēng)險。此外，并不是所有藥物都能夠?qū)崿F(xiàn)共遞送，這可能取決于前藥和小分子藥物的結(jié)構(gòu)。如何對自組裝過程中的驅(qū)動力形成完整認(rèn)知并利用這個規(guī)律實現(xiàn)藥物的共遞送是需要面臨的首要挑戰(zhàn)。隨著計算機與藥學(xué)的緊密結(jié)合，利用計算機手段進(jìn)行分子動力學(xué)計算是目前分析分子自組裝構(gòu)象和驅(qū)動力的重要手段[20]，盡管其準(zhǔn)確性很大程度上受到分析環(huán)境等條件影響，但仍可以提供一定的參考。

4 氧化還原敏感的小分子前藥納米組裝體

不可否認(rèn)，聚合物前藥納米組裝體確實能夠增加藥物的載藥量和穩(wěn)定性，并延長藥物的血液循環(huán)時間，從而提高腫瘤遞藥效率。然而，這類納米組裝體在臨床轉(zhuǎn)化過程中仍然存在一些問題，首先是安全性問題，經(jīng)過修飾的聚合物前藥載體可能會發(fā)生生物安全性變化；其次是成藥性問題，聚合物自身的純度問題將直接影響聚合物前藥納米組裝體的成藥性，以及在臨床中如何精確控制給藥劑量等。相對于大分子聚合物前藥，小分子前藥組裝體受到業(yè)界廣泛的關(guān)注，為前藥納米給藥系統(tǒng)注入新鮮血液。

小分子前藥與聚合物前藥的根本性區(qū)別在于將小分子藥物偶聯(lián)到另一個小分子結(jié)構(gòu)而非聚合物結(jié)構(gòu)上。小分子前藥因非“藥”成分所占比例更低，且化學(xué)結(jié)構(gòu)固定明確，使得載藥量更高、成藥性更強、易于精準(zhǔn)判斷臨床用藥劑量。此外，目前應(yīng)用于臨床的大部分小分子抗腫瘤藥物存在清除快、靶向性差、毒性大等缺點。將小分子藥物修飾成前藥并基于分子間作用力自組裝成納米遞藥系統(tǒng)則能夠顯著克服這些缺陷。在這里，將重點介紹氧化還原敏感的小分子前藥納米組裝體，根據(jù)前藥分子的親水-親脂性，主要分為兩親性小分子單體前藥組裝體、疏水性小分子單體前藥組裝體和二聚體小分子前藥組裝體3個部分。

4.1 兩親性小分子單體前藥納米組裝體

兩親性小分子前藥通常由1個疏水性和1個親水性小分子結(jié)構(gòu)組成。這樣的組合既可以是疏水性藥物結(jié)合親水性側(cè)鏈[43-45]，也可以是親水性藥物結(jié)合疏水性側(cè)鏈[46]。通過調(diào)控前藥的分子結(jié)構(gòu)使其親水-疏水作用力達(dá)到平衡，才能在水介質(zhì)中實現(xiàn)穩(wěn)定的自組裝。在臨床常用化療藥物中疏水性藥物所占比例較大，如紫杉烷類藥物和喜樹堿類藥物等。因此，在疏水性藥物上鍵合1個親水側(cè)鏈?zhǔn)悄壳氨容^常用的策略，這增強了其自組裝過程中的穩(wěn)定性。此外，還能夠通過側(cè)鏈的選擇，實現(xiàn)對納米粒功能化修飾。比如常用的親水側(cè)鏈包括氨基酸或多肽、氨基酸或多肽的衍生物和乳糖等。乳糖和一些多肽除了發(fā)揮親水性功能之外，還能促使納米組裝體腫瘤靶向遞送。例如，Lu等[43]將CPT和乳糖通過二硫鍵相連，合成并制備還原敏感的兩親性小分子前藥納米粒，顯著增加藥物的腫瘤蓄積并且降低CPT對正常組織器官的副作用。此外，Wang等[44]通過二硫鍵將神經(jīng)腺苷受體-1（NRP-1）靶向肽RGDK與7-乙基-10-羥基喜樹堿（SN 38）相連，構(gòu)建了一個還原敏感的小分子前藥納米膠束（SN 38-Pep），不僅可提高載藥量，還具有良好的腫瘤靶向性。

值得注意的是，前藥化學(xué)結(jié)構(gòu)的細(xì)微差別會直接影響其自組裝穩(wěn)定性，從而影響其釋放速率和體內(nèi)長循環(huán)效果。SN 38具有2個羥基，分別對其修飾得到SN38(10)-CRGDK和SN38(20)-CRGDK 2種小分子前藥納米膠束。其中，由于酚羥基（10位羥基）相比醇羥基（20位羥基）具有更強的親水性，且能與血清蛋白發(fā)生相互作用，SN38(10)-CRGDK更有利于藥物的自組裝，也有利于體內(nèi)的長循環(huán)。大部分的兩親性小分子前藥在水溶液中自組裝會形成膠束，然而膠束的穩(wěn)定性受到臨界膠束濃度（critical micelle concentration，CMC）的影響。靜脈給藥后，血液稀釋可能導(dǎo)致膠束解體。相對于膠束結(jié)構(gòu)，在前藥結(jié)構(gòu)中引入多肽的二級結(jié)構(gòu)能夠形成具有特殊形狀且更加穩(wěn)定的納米組裝體。例如，Lin等[45]將紫杉醇通過二硫鍵修飾到短肽Tau上，Tau的β-片狀結(jié)構(gòu)使前藥自組裝形成納米纖維，比納米膠束結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。

4.2 疏水性小分子單體前藥納米組裝體

相對于兩親性小分子單體前藥，對疏水性小分子單體前藥的研究更加廣泛。這是由于疏水性小分子單體前藥自組裝納米粒一定程度上克服大多數(shù)兩親性小分子前藥自組裝膠束廣泛存在的體內(nèi)長循環(huán)穩(wěn)定性問題。然而，如何使其在水溶液中自組裝形成穩(wěn)定的納米組裝體是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)。在早期的研究中，一般認(rèn)為疏水性單分子前藥因過強的疏水性，在水介質(zhì)中更趨向于形成沉淀。隨著研究的深入，一些不飽和脂肪酸等具有特定結(jié)構(gòu)的小分子或二硫鍵等特殊化學(xué)鍵的引入會促使疏水性小分子前藥在水介質(zhì)中自組裝形成穩(wěn)定的納米粒。顯然，由于前藥的空間構(gòu)象和化學(xué)鍵的鍵角在自組裝過程中的獨特作用，使得疏水性前藥的空間結(jié)構(gòu)能夠在水性介質(zhì)中進(jìn)行靈活調(diào)整，有效阻礙分子聚集沉淀，助力自組裝過程。近年來，已發(fā)現(xiàn)疏水作用力、π-π堆積作用力、氫鍵、離子鍵等多種作用力均能促進(jìn)疏水性前藥自組裝形成納米粒。

在氧化還原敏感的疏水性小分子單體前藥納米組裝體中，常用的氧化還原敏感化學(xué)橋連有單硫鍵、二硫鍵和二硒鍵。其中，筆者課題組首次報道單硫鍵的氧化還原雙敏感特性[18]，并將其應(yīng)用于構(gòu)建氧化還原雙敏感的紫杉醇-油酸前藥自組裝納米粒。筆者課題組在解析自組裝機制，發(fā)現(xiàn)不飽和脂肪酸中的雙鍵以及分子間π-π堆積作用力在前藥自組裝過程中扮演著重要角色。與單硫鍵相比，二硫鍵在前藥自組裝方面更具有優(yōu)勢，這是由于其鍵角更接近于90°，賦予前藥分子最大化的空間靈活性。此外，盡管二硫鍵一直以來被認(rèn)為是還原單敏感的化學(xué)鍵，筆者課題組首次報道二硫鍵的氧化還原雙敏感性，并發(fā)現(xiàn)二硫鍵距離相鄰酯鍵的距離會顯著影響前藥的氧化還原響應(yīng)能力[19]。除單硫鍵和二硫鍵外，二硒鍵也被廣泛用于構(gòu)建氧化還原敏感的納米藥物遞送系統(tǒng)。筆者課題組就含硫、硒及碳化學(xué)鍵對前藥自組裝及前藥自組裝納米粒遞送效率的影響進(jìn)行了探討和研究[47]。其中，共構(gòu)建包括單硫鍵、二硫鍵、單硒鍵、二硒鍵、碳鍵和碳碳鍵6組不同化學(xué)鍵橋連的紫杉醇-香茅醇前藥，發(fā)現(xiàn)二硒鍵橋連的紫杉醇-香茅醇前藥比其他前藥具有更好的自組裝能力、更穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)和更高的體內(nèi)藥物遞送效率。這是由于二硒鍵具有比其他化學(xué)鍵更加接近90°的鍵角和二面角。

4.3 二聚體小分子前藥納米組裝體

與小分子單體前藥不同，二聚體小分子前藥是直接將2個抗腫瘤藥物分子通過一定的化學(xué)鍵進(jìn)行共價鍵合。其沒有引入額外的“非藥”側(cè)鏈，因而具有更高的載藥量，并且可以通過合理設(shè)計前藥結(jié)構(gòu)發(fā)揮多種功能。根據(jù)前藥的分子結(jié)構(gòu)可將其分為同型二聚體前藥和異型二聚體前藥。同型二聚體小分子前藥是指將同一藥物的2個分子通過適合的化學(xué)鍵進(jìn)行鍵合；異型二聚體小分子前藥是指將2個不同藥物分子通過適合的化學(xué)鍵進(jìn)行鍵合。其中，單硫鍵、二硫鍵和二硒鍵都被廣泛用于合成氧化還原敏感的二聚體小分子前藥。除這些常見的氧化還原敏感化學(xué)鍵以外，筆者課題組最近報道了還原敏感的三硫鍵[20]。與單硫鍵和二硫鍵相比，三硫鍵在DOX二聚體前藥自組裝納米遞藥系統(tǒng)中更具有優(yōu)勢。首先，在自組裝穩(wěn)定性方面，三硫鍵含硫鍵角更多且更接近90°，形成的2個二面角也更接近90°，其更加有利于二聚體前藥自組裝；其次，在還原敏感釋藥方面，三硫鍵中含有0價態(tài)的硫原子，是一個非常容易被進(jìn)攻的位點，具有更好的還原敏感性；此外，在體內(nèi)抗腫瘤效果方面，三硫鍵橋連的DOX二聚體前藥自組裝納米粒具有更高腫瘤抑制率，且安全性良好。同時，單硒鍵和單碲鍵也是重要的橋連鍵。如Xia 等[48]分別合成單硫鍵、單硒鍵和單碲鍵橋連的紫杉醇二聚體前藥。與單硫鍵相比，單硒鍵具有更高的氧化敏感性，單碲鍵則在ROS和GSH協(xié)同刺激時才能更好地發(fā)揮抗腫瘤作用。

如上所述，同型二聚體前藥的自組裝能力較差，研究人員通過在體系中引入其他藥物，能夠顯著改善自組裝穩(wěn)定性，同時還能實現(xiàn)聯(lián)合給藥。例如，筆者課題組設(shè)計合成二硫鍵橋連的紫杉醇二聚體前藥，與光敏劑DiR共組裝后能夠?qū)崿F(xiàn)化療與光熱治療協(xié)同抗腫瘤效果[49]。同樣地，Pei等[50]基于人血清白蛋白（human serum albumin，HSA）、單硫鍵橋連的紫杉醇二聚體（PTX2-S）和光敏劑IR780碘化物，構(gòu)建以PTX2-S和IR780為疏水內(nèi)核，以HSA為親水外殼的氧化、還原和光三重敏感的納米體系，實現(xiàn)化療與光熱的協(xié)同抗腫瘤效果。此外，Gao等[51]利用二硒鍵的免疫特性，構(gòu)建放療-免疫-化療三元協(xié)同的二聚體小分子前藥共遞藥自組裝納米粒。其中γ射線的照射不僅能直接殺傷腫瘤細(xì)胞，還可以觸發(fā)二硒鍵的斷裂和氫鍵的破壞，釋放培美曲塞。同時，斷裂的二硒鍵能形成亞硒酸，增強自然殺傷細(xì)胞（natural killer，NK）介導(dǎo)的免疫治療作用。最終該體系發(fā)揮放療-免疫-化療三元協(xié)同抗腫瘤效果。

除同型二聚體小分子前藥以外，異型二聚體小分子前藥的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)2個不同藥物的高度同步遞送，如紫杉烷類藥物-DOX異二聚體小分子前藥納米組裝體。目前，多種氧化還原敏感的化學(xué)橋連被應(yīng)用于構(gòu)建異型二聚體小分子前藥納米組裝體。例如，筆者課題組制備單硫鍵橋鏈的紫杉醇-DOX前藥自組裝納米粒[51]。在該體系中，紫杉醇的載藥量達(dá)46.5%，DOX的載藥量達(dá)30%。此外，Ma等[52]報道的二硫鍵橋連的紫杉醇-DOX二聚體前藥納米組裝體，并將微流控技術(shù)應(yīng)用于納米粒的制備，能夠通過調(diào)節(jié)二聚體前藥在溶劑中的濃度和流速靈活調(diào)控納米粒的粒徑。此外，異型二聚體除了在自組裝方面具有更大優(yōu)勢外，還可以利用藥物的協(xié)同作用增強抗腫瘤效果。如筆者課題組[28]利用光觸發(fā)釋放的ROS與腫瘤細(xì)胞微環(huán)境中的ROS協(xié)同促進(jìn)單硫鍵的斷裂，設(shè)計單硫鍵橋連的光敏劑PPa和紫杉醇前藥。如上所述，單硫鍵具有非常好的氧化敏感性，光敏劑在光照下產(chǎn)生的ROS不僅能直接破壞腫瘤細(xì)胞，還可以促使單硫鍵氧化加快釋藥速度。該設(shè)計既可提高藥物在靶部位的快速釋放和蓄積，還可以通過控制光照部位進(jìn)一步確保用藥安全性。除協(xié)同作用外，異型二聚體還能夠賦予納米粒更多功能，如Sun等[53]構(gòu)建的二硫鍵橋連的藥物和染料dyr前藥結(jié)構(gòu)，不僅實現(xiàn)了光熱和化療協(xié)同治療腫瘤，且dyr染料的自發(fā)射熒光能夠準(zhǔn)確提供前藥在體內(nèi)的激活和生物分布等實時信息。

5 結(jié)語

納米藥物遞送系統(tǒng)的快速發(fā)展極大地豐富了藥物遞送方式和策略，促進(jìn)了化學(xué)、納米科學(xué)、材料學(xué)和藥劑學(xué)等多學(xué)科交叉融合。其中，前藥納米組裝體將共價連接化學(xué)和納米遞藥技術(shù)進(jìn)行了有機結(jié)合，逐漸形成一類獨具特色的納米藥物遞送系統(tǒng)。其中，藥物通過共價鍵合的方式被包載于納米結(jié)構(gòu)，甚至藥物本身成為納米載體的核心部分，藥物與載體材料不再是獨立的個體，而是相互交融。這種獨特的遞送系統(tǒng)賦予體系更高的載藥效率和穩(wěn)定性，還延長了藥物的血液循環(huán)時間，且通過特定刺激條件響應(yīng)化學(xué)橋連的引入，能夠?qū)崿F(xiàn)在腫瘤細(xì)胞內(nèi)高氧化還原的微環(huán)境中選擇性智能釋藥，提高治療選擇性，降低副作用。然而，前藥納米組裝體自身也存在一定的局限性。首先，不是所有藥物都適合被開發(fā)成為前藥，藥物必須有可被化學(xué)修飾的基團(tuán)（如羥基、羧基和氨基等）；其次，前藥結(jié)構(gòu)設(shè)計和氧化還原敏感化學(xué)橋連的選擇極具挑戰(zhàn)，必須平衡好在靶前保持穩(wěn)定和在靶部位快速激活這一關(guān)鍵問題，且不同的藥物之間因性質(zhì)差異大，使得很難有通用的策略和明確的規(guī)律可循。

從整個納米藥物開發(fā)的角度講，盡管生物納米技術(shù)和藥物載體材料的蓬勃發(fā)展極大促進(jìn)了納米藥物遞送系統(tǒng)的進(jìn)步，但納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化前景仍不容樂觀，甚至備受質(zhì)疑。究其原因，可以歸結(jié)為以下幾個方面： 1）生產(chǎn)工藝受限導(dǎo)致放大制備和工業(yè)化生產(chǎn)難度較大； 2）多數(shù)聚合物載體材料的結(jié)構(gòu)非常新穎，但藥理和毒理學(xué)資料匱乏，距離開發(fā)成為真正的藥用輔料任重而道遠(yuǎn)；3）大部分納米載體的載藥量較低，且大量載體材料在體內(nèi)蓄積易引發(fā)相關(guān)副作用； 4）物理包載藥物（非共價方式）使得藥物易在存儲過程中從納米載體中結(jié)晶或泄露出來，從而可能導(dǎo)致療效不佳和毒性風(fēng)險增加； 5）多數(shù)納米載體的釋藥驅(qū)動力是納米結(jié)構(gòu)內(nèi)外的藥物濃度梯度，缺乏疾病特異性和選擇性； 6）納米藥物臨床試驗對象多數(shù)為晚期癌癥患者，但臨床晚期實體瘤患者的EPR效應(yīng)幾乎消失，這已成為納米藥物臨床轉(zhuǎn)化的最大障礙。因此，納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化之路仍充滿挑戰(zhàn)，完全從納米載體設(shè)計的角度很難取得實質(zhì)性進(jìn)展，可能要從聚合物藥用輔料開發(fā)和毒理學(xué)研究、可工業(yè)化生產(chǎn)納米制劑制備技術(shù)開發(fā)、納米藥物治療控制技術(shù)開發(fā)以及納米藥物臨床試驗患者適用性研究等多個方面進(jìn)行同步研究和推進(jìn)，才能真正意義上快速推進(jìn)納米藥物的臨床轉(zhuǎn)化，特別是優(yōu)效型納米制劑的研發(fā)和臨床轉(zhuǎn)化。