紫杉醇二聚體納米前藥研究進(jìn)展

王 健，裴 晴，謝志剛 *

(1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所，高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022； 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

多年來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種方法用來(lái)嘗試攻克癌癥，包括放療[1-3]、化療[4-6]、光熱治療[7]、光動(dòng)力治療[8-9]、免疫治療[10-11]等?；熡捎谄鋸V譜高效的特點(diǎn)，成為癌癥治療的一種主要方式。PTX作為代表性的化療藥物，在臨床上已被廣泛被用于乳腺癌[12]、卵巢癌[13]、肺癌[14]以及部分頭頸癌的治療[15]。但是，由于PTX的水溶性差，其商業(yè)注射劑型(Taxol)是通過(guò)將PTX溶解在乙醇和聚氧乙烯蓖麻油(Cremophor EL，一種非離子表面活性劑)中來(lái)制備，賦形劑的使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的副作用和有限的治療效果[16]。為解決這些問(wèn)題，前藥和納米藥物遞送系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

“前藥策略”通常是指將母體藥物修飾成具有特殊理化性質(zhì)的無(wú)活性形式，其可以很容易地在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為具有活性的母體藥物。前藥的合理設(shè)計(jì)可以有效地應(yīng)對(duì)母體藥物的不良特性，例如穩(wěn)定性差、溶解度低和嚴(yán)重的毒性等等，已被廣泛用于提高PTX的遞送效率。例如，ZHONG等開(kāi)發(fā)出了新型的以透明質(zhì)酸為殼的酸激活的PTX前藥膠束(HA-dOG-PTX-PM)，用于在體外和體內(nèi)有效靶向和治療異種移植人乳腺癌[17]。由于內(nèi)膜/溶酶體中的乙縮醛裂解，PTX在腫瘤細(xì)胞內(nèi)迅速釋放，該前藥膠束治療的帶有MCF-7人乳腺癌異種移植物的裸鼠存活率可達(dá)100%。

此外，在過(guò)去的幾十年中，納米藥物遞送系統(tǒng)也經(jīng)歷了巨大的發(fā)展，其顯著優(yōu)勢(shì)包括延長(zhǎng)體內(nèi)循環(huán)時(shí)間、改善腫瘤蓄積和促進(jìn)細(xì)胞攝取等[18]?；诙垠w前藥的自組裝納米技術(shù)已成為高效的化療藥物遞送平臺(tái)。二聚體前藥是通過(guò)橋連基團(tuán)將兩個(gè)藥物分子連接，實(shí)現(xiàn)藥物-藥物的偶聯(lián)。PTX分子本身非常容易形成針狀晶體，而引入具有柔性鏈結(jié)構(gòu)的橋連基團(tuán)，相當(dāng)于給分子提供了一個(gè)更加靈活的“結(jié)構(gòu)缺陷”，使分子旋轉(zhuǎn)更加自如，促進(jìn)了二聚體的自組裝，即使在無(wú)助劑的條件下，也可在水中自組裝為納米聚集體。與PTX相比，二聚體分子本身的自組裝性能使其與載體具有更好的相容性，從而實(shí)現(xiàn)了藥物的超高擔(dān)載，降低了載體相關(guān)的副作用。我們課題組對(duì)PTX二聚體與載體聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物(PEG-PDLLA)的相容性進(jìn)行了探究[19], 結(jié)果如表1所示，通過(guò)引入柔性碳鏈，將PTX修飾為二聚體(PTX2-C8)后，與直接擔(dān)載PTX相比，其載藥量明顯升高。

表1 擔(dān)載PTX或PTX2納米粒的表征

此外，通過(guò)調(diào)控可裂解的橋連基團(tuán)，可以使前藥在特定的生理環(huán)境下發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化，釋放出具有活性的母體藥物。因此，刺激響應(yīng)型紫杉醇二聚體納米前藥引起了許多研究人員的關(guān)注。

1 內(nèi)源刺激響應(yīng)型PTX二聚體前藥

與正常組織相比，腫瘤微環(huán)境具有異質(zhì)性，包括酸性低的pH值、乏氧、高氧化還原水平以及某些特異酶的高表達(dá)[20]等特性。因此，可以基于該異質(zhì)性，開(kāi)發(fā)腫瘤微環(huán)境響應(yīng)性PTX二聚體前藥，在提高載藥量的同時(shí)，又增加了藥物的選擇性。

由于更旺盛的新陳代謝，與正常細(xì)胞相比，大多數(shù)腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出更高的細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽(GSH)和活性氧(ROS)水平[21]。據(jù)報(bào)道，腫瘤細(xì)胞中高的ROS的水平是由于細(xì)胞的致癌性轉(zhuǎn)化導(dǎo)致了作為有氧代謝副產(chǎn)物ROS的不斷產(chǎn)生。而腫瘤細(xì)胞的還原環(huán)境主要由NADPH/NADP+和谷胱甘肽的還原和氧化態(tài)(GSH，GSH/GSSG)決定，兩者都有不同的還原電位和還原能力。在還原性環(huán)境中，GSH的濃度高于NADPH的濃度，在這種情況下，GSH在微環(huán)境的調(diào)節(jié)中起主要作用。在分子水平上，GSH主要通過(guò)二硫鍵的形成和斷裂以及與過(guò)量ROS的反應(yīng)來(lái)控制細(xì)胞的還原環(huán)境。據(jù)報(bào)道，腫瘤組織中谷胱甘肽的濃度至少比正常組織高4倍，在某些具有多種耐藥性的腫瘤中尤其高?；谶@些機(jī)制，正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞的微環(huán)境差異為氧化還原響應(yīng)性的靶向治療提供了一種潛在可行的策略。

ZHANG等制備了基于二硒鍵(-SeSe-)的PTX二聚體，二聚體自組裝后可以形成粒徑穩(wěn)定且大小均一的納米粒，內(nèi)吞進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后在GSH的作用下二硒鍵斷裂進(jìn)而水解釋放出活性的PTX[22]。WANG等設(shè)計(jì)了四種具有不同橋連基團(tuán)的PTX二聚體前藥[23]。這四種二聚體前藥顯示出對(duì)癌細(xì)胞氧化還原環(huán)境不同的敏感性，這使得它們具有不同的藥物釋放速率、細(xì)胞毒性和抗腫瘤能力。通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)帶有一個(gè)亞甲基二硫鍵的二聚體(PTX2-SS1)對(duì)還原刺激最敏感，而兩側(cè)分別帶有一個(gè)亞甲基的單硫鍵的二聚體(PTX2-S)則對(duì)氧化刺激最敏感。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)氧化還原刺激的敏感性不僅與鍵的類(lèi)型有關(guān)，而且與碳鏈的長(zhǎng)度有關(guān)。PTX2-SS1具有最快的藥物釋放速度和最佳的腫瘤抑制能力。在相同劑量下，它比Taxol顯示出更高的抑瘤率。XIA等還開(kāi)發(fā)了基于Te鍵的PTX二聚體，這種二聚體顯示出獨(dú)特的藥物釋放機(jī)制，其只能在ROS和GSH的協(xié)同刺激下發(fā)揮作用，表現(xiàn)出氧化還原雙重響應(yīng)能力[24]。

此外，二聚體由于與載體更好的相容性，還可以促進(jìn)光敏劑的組裝。PEI等利用了這一優(yōu)勢(shì)，基于氧化還原響應(yīng)性的單硫橋連基團(tuán)，將PTX修飾為二聚體(PTX2-S)，與光敏劑IR780碘化物共同組裝[25]。IR780碘化物水溶性差，用高分子載體單獨(dú)包裹IR780載藥量過(guò)低。而在這篇文章中，通過(guò)將IR780碘化物與PTX二聚體共封裝，由于PTX二聚體與載體(人血清白蛋白)的強(qiáng)相互作用，可以給IR780碘化物提供更強(qiáng)的組裝驅(qū)動(dòng)力，促進(jìn)它的封裝。同時(shí)，IR780碘化物與PTX二聚體的π-π堆積作用，進(jìn)一步促進(jìn)IR780碘化物的封裝，從而實(shí)現(xiàn)了化療和光熱治療的聯(lián)合療法。

圖1 (a) 四種具有不同橋連基團(tuán)的前藥納米粒的組裝機(jī)理和 (b) 抗腫瘤過(guò)程的示意圖以及在腫瘤細(xì)胞中不同的氧化還原響應(yīng)情況Fig.1 (a) Assembly mechanism of four prodrug nanoparticles with different bridging units and (b) schematic diagram of the anti-tumor process and different redox responses in tumor cells

2 光刺激響應(yīng)型PTX二聚體前藥

內(nèi)源刺激型前藥可以基于腫瘤微環(huán)境的異質(zhì)性，響應(yīng)釋放出活性紫杉醇。但是，內(nèi)源刺激不足往往會(huì)導(dǎo)致藥物釋放率極低，最終使抗腫瘤效果不夠理想。此外，由于多藥耐藥性和腫瘤增長(zhǎng)的異質(zhì)性，單一的化療也很難徹底消除腫瘤[26-27]。而多種不同治療手段的協(xié)同治療可以顯著改善這一情況。光療由于較低的侵入性以及對(duì)周?chē)＝M織較少的損傷，已經(jīng)吸引了很多研究者的注意[28-29]。將化療與光療結(jié)合，可能是目前解決單一化療效果不足的一種有用手段[30]。研究發(fā)現(xiàn)，光敏劑在光照條件下產(chǎn)生的ROS以及這個(gè)過(guò)程消耗氧氣造成的細(xì)胞內(nèi)乏氧環(huán)境可能是兩個(gè)有效的與二聚體的結(jié)合點(diǎn)。

2.1光動(dòng)力響應(yīng)型PTX二聚體前藥

內(nèi)源性ROS刺激響應(yīng)的前藥用于腫瘤治療已經(jīng)被廣泛研究[31-32]。然而，不同類(lèi)型的腫瘤細(xì)胞，其ROS水平存在較大差異。而且，這種ROS通常具有較短的壽命，這可能使前藥中活性藥物釋放效率大打折扣，進(jìn)而限制了內(nèi)源性ROS響應(yīng)型前藥的抑瘤效果[33]。光動(dòng)力療法作為臨床治療的一種非侵入性手段已經(jīng)被廣泛研究。通常，在光照條件下，某些具有高的單線態(tài)氧產(chǎn)率的光敏劑會(huì)生成活性氧自由基，尤其是單線態(tài)氧(1O2)，這種ROS可以直接殺傷腫瘤細(xì)胞[34]。重要的是，這種爆發(fā)性增長(zhǎng)的ROS可以短時(shí)間內(nèi)提高細(xì)胞中ROS水平，而這種高的ROS水平則可以有效地促使ROS響應(yīng)性的PTX二聚體前藥釋放藥物，放大化療的治療效果，從而實(shí)現(xiàn)光動(dòng)力療法和化學(xué)療法的協(xié)同治療。

PEI等人通過(guò)對(duì)一系列ROS響應(yīng)的PTX二聚體研究，篩選出了一種由縮硫酮鍵連接的PTX二聚體，再選用一種臨床報(bào)道的光敏劑二氫卟吩與其組裝[35]。通過(guò)引入一種兩親性嵌段聚合物進(jìn)行包裹，得到了一種由二聚體與光敏劑共組裝的納米粒。由于二聚體與光敏劑之間強(qiáng)的共軛作用導(dǎo)致的堆積效應(yīng)，他們可以輕易而且高效地被載入聚合物中。進(jìn)一步，他們使用紅細(xì)胞膜對(duì)納米粒進(jìn)行包裹，得益于紅細(xì)胞膜良好的生物相容性和非免疫原性特點(diǎn)，所合成的納米?？梢栽谘褐虚L(zhǎng)循環(huán)且不易被清除，這使得納米粒能夠更有效地被腫瘤細(xì)胞攝取。在沒(méi)有光照條件下，細(xì)胞內(nèi)源性ROS不足以使二聚體氧化并釋放活性藥物，顯示出低毒性。而由于二氫卟吩高效的ROS產(chǎn)生效率，在低功率激光照射下，細(xì)胞內(nèi)ROS水平快速上升使細(xì)胞凋亡，同時(shí)PTX二聚體被快速氧化，進(jìn)而水解釋放活性藥物殺傷腫瘤細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)了光動(dòng)力療法和化學(xué)療法的協(xié)同治療。

圖2 紅細(xì)胞膜包裹的二聚體前藥的制備、光控藥物釋放以及光動(dòng)力和化療的協(xié)同治療示意圖Fig.2 Schematic illustration of RBC membrane-camouflaged dimeric prodrug NPs, light triggered drug release and synergistic photodynamic/chemotherapy

2.2 乏氧響應(yīng)型PTX二聚體前藥

乏氧是腫瘤微環(huán)境的標(biāo)志之一，在腫瘤組織中，氧氣供應(yīng)和消耗之間的平衡被打破，導(dǎo)致組織氧氣張力的水平降低[36]。氧氣供應(yīng)減少是由于腫瘤中的異常血液供應(yīng)所致。異常的新血管和不良的血液流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致氧氣在腫瘤區(qū)域中不適當(dāng)?shù)財(cái)U(kuò)散，從而導(dǎo)致腫瘤缺氧。另外，腫瘤細(xì)胞比正常細(xì)胞增殖更快，需要消耗更多的能量和氧氣，進(jìn)一步導(dǎo)致了乏氧的腫瘤微環(huán)境[37]。乏氧的腫瘤微環(huán)境對(duì)腫瘤的增殖和藥物治療都有很大的影響。一方面，乏氧通過(guò)調(diào)節(jié)多個(gè)基因，如乏氧誘導(dǎo)因子-1，促進(jìn)腫瘤的增殖和侵襲性轉(zhuǎn)移；另一方面，乏氧還與多種療法的耐藥性相關(guān)[38]。例如，光動(dòng)力療法主要依賴(lài)于光敏劑在光照下產(chǎn)生活性氧，這與氧氣密切相關(guān)。盡管光動(dòng)力療法的無(wú)創(chuàng)性已被臨床批準(zhǔn)用于治療多種疾病[39-40]，但腫瘤缺氧嚴(yán)重阻礙了其治療效果。此外，由光動(dòng)力治療介導(dǎo)的持續(xù)耗氧量和局部微環(huán)境中的血管損傷，將導(dǎo)致更為嚴(yán)重的缺氧，這進(jìn)一步削弱了它的治療效果。

ZHOU等根據(jù)腫瘤微環(huán)境的乏氧特性，構(gòu)建了由乏氧敏感的偶氮苯鍵連接的自我毀滅性的紫杉醇二聚體前藥，并將該二聚體前藥與光敏劑Ce6聯(lián)用[41]。如圖3所示，當(dāng)藥物到達(dá)腫瘤部位時(shí)，在腫瘤部位乏氧的條件下，前藥將在過(guò)表達(dá)的硝基還原酶和偶氮還原酶作用下發(fā)生生物還原，釋放出活性的PTX發(fā)揮化療效果。同時(shí)，在光照下，光敏劑將產(chǎn)生1O2進(jìn)一步殺傷腫瘤細(xì)胞。這一過(guò)程需要消耗氧氣，導(dǎo)致腫瘤微環(huán)境乏氧程度進(jìn)一步加重，促進(jìn)了二聚體前藥釋放，實(shí)現(xiàn)了化療和光動(dòng)力療法協(xié)同，達(dá)到了更好的抗腫瘤效果。

圖3 乏氧激活的紫杉醇二聚體前藥的化學(xué)療法與光動(dòng)力療法的協(xié)同治療Fig.3 Synergistic treatment of photodynamic therapy and chemotherapy of hypoxia activated paclitaxel dimer prodrug

3 總結(jié)與展望

二聚體前藥策略，增加了紫杉醇的載藥量，解決了紫杉醇載藥量低這一關(guān)鍵問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)控中間的橋連基團(tuán)合成紫杉醇二聚體，可以實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞內(nèi)源性刺激釋放活性藥物，選擇性殺傷腫瘤細(xì)胞，有效降低化療的毒副作用。進(jìn)一步與光療結(jié)合，利用光療過(guò)程中產(chǎn)生的ROS以及腫瘤細(xì)胞的乏氧環(huán)境，制備了光動(dòng)力響應(yīng)以及乏氧響應(yīng)的二聚體前藥，實(shí)現(xiàn)了光控的藥物釋放，達(dá)到了光療和化學(xué)療法的高效協(xié)同治療。綜上所述，自組裝的紫杉醇二聚體納米前藥作為新一代納米醫(yī)學(xué)技術(shù)展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在臨床癌癥治療中具有巨大的潛力。然而，在未來(lái)可能進(jìn)行臨床轉(zhuǎn)化之前，仍需要考慮幾個(gè)重要問(wèn)題。首先，單一化療效果往往不盡人意，難以完全消除腫瘤；結(jié)合光療雖能獲得很好的抗腫瘤效果，但是需要引入外源刺激，為臨床轉(zhuǎn)化增加了難度。其次，需要進(jìn)一步研究二聚體與載體的相容性問(wèn)題。目前的研究雖已報(bào)道二聚體的自組裝性能能夠減少載體的使用，但是針對(duì)不同載體，其具體的作用效果尚不可知。最后，在二聚體活化過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生化學(xué)中間體，藥物具體的體內(nèi)代謝行為以及這些副產(chǎn)物的潛在毒性都需要進(jìn)一步研究。因此，仍需要付出更多的努力對(duì)其進(jìn)行探究，為紫杉醇二聚體納米前藥在臨床中的成功應(yīng)用鋪平道路。