骨靶向基團(tuán)在骨靶向藥物遞送系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

解強(qiáng)，蔡林秀，張曦，高俊，孔泳

(1.南京中醫(yī)藥大學(xué)，南京 210023； 2.常州市中醫(yī)醫(yī)院骨科，江蘇 常州 213003； 3.張曦省名中醫(yī)工作室，江蘇 常州 213003； 4.常州大學(xué)石油化工學(xué)院，江蘇 常州 213164)

成年期人體骨骼代謝維持動(dòng)態(tài)平衡，該平衡被打破則會(huì)影響骨骼正常代謝，導(dǎo)致骨質(zhì)疏松、轉(zhuǎn)移性骨腫瘤等疾病。由于骨骼結(jié)構(gòu)無(wú)血管及軟骨區(qū)，因此常規(guī)給藥方式難以理想遞送藥物?！肮前邢颉备拍畹奶岢鲋荚谔岣甙屑?xì)胞或靶器官對(duì)藥物的利用度，從而減少給藥次數(shù)、降低非靶器官的藥物濃度以及全身不良反應(yīng)發(fā)生率[1]。藥物遞送系統(tǒng)(drug delivery system，DDS)是一種綜合臨床醫(yī)學(xué)、藥學(xué)及化工材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的給藥方式，通過(guò)搭建載藥平臺(tái)將藥物精準(zhǔn)遞送至靶點(diǎn)位置。DDS的優(yōu)勢(shì)在于：①增加藥物的利用效率，提高疏水化合物的溶解度[1]；②克服半衰期短的藥物的治療局限[2]；③限制藥物對(duì)非特定組織或細(xì)胞的不良反應(yīng)[3]；④納米級(jí)DDS粒徑小可輕易穿透生物屏障(如血-骨髓屏障等)，甚至可以利用腫瘤組織高滲性形成滯留效應(yīng)[4]。而DDS的缺陷在于缺乏靶向特異性[5]。因此，在構(gòu)建穩(wěn)定、有效DDS的研究過(guò)程中，針對(duì)骨相關(guān)疾病的特異性主動(dòng)靶向DDS的開(kāi)發(fā)顯得尤為重要?，F(xiàn)就骨靶向基團(tuán)在骨靶向DDS中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 骨中潛在的靶點(diǎn)

骨由有機(jī)基質(zhì)、無(wú)機(jī)基質(zhì)和骨細(xì)胞組成，有機(jī)基質(zhì)約占干骨總質(zhì)量的30%，其中90%為膠原纖維，其余為糖蛋白、蛋白聚糖和其他蛋白質(zhì)[6]。無(wú)機(jī)基質(zhì)占干骨總質(zhì)量的65%～70%，由羥基磷灰石構(gòu)成[7]。而骨細(xì)胞、成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞僅占干骨總質(zhì)量的1%～2%[8]。部分化合物分子可通過(guò)結(jié)合羥基磷灰石中的鈣而沉積于骨，因此對(duì)羥基磷灰石具有特異親和力的化合物均可作為骨靶向基團(tuán)。

膠原是骨中的主要有機(jī)大分子，可作為骨靶向DDS的作用靶點(diǎn)[9]。但膠原蛋白也是骨中最豐富的成分，大量存在于軟骨和結(jié)締組織[10]，因此，可與膠原蛋白特異結(jié)合的DDS對(duì)骨組織均不具有靶向特異性。有機(jī)基質(zhì)蛋白(如骨鈣素[11]、骨連接蛋白和骨橋蛋白[9])均具有較高的靶向特異性，但由于其含量較低，骨靶向基團(tuán)功能化效率隨之降低[12]。有學(xué)者選擇唑來(lái)膦酸作為骨靶向基團(tuán)并負(fù)載白花丹素制成納米顆粒，成功通過(guò)調(diào)控pH實(shí)現(xiàn)靶向骨細(xì)胞釋放白花丹素，從而抑制成骨細(xì)胞生長(zhǎng)、誘導(dǎo)破骨細(xì)胞活化及骨溶解，進(jìn)而抑制腫瘤骨轉(zhuǎn)移[13]。但由于骨細(xì)胞嵌入致密的無(wú)機(jī)基質(zhì)，骨靶向基團(tuán)無(wú)法與骨細(xì)胞結(jié)合，因此很難被DDS利用。無(wú)機(jī)基質(zhì)主要由羥基磷灰石組成，是骨組織的主要成分，因此羥基磷灰石可作為骨靶向基團(tuán)功能化DDS的理想靶點(diǎn)。

2 骨靶向基團(tuán)的趨骨性

用骨靶向基團(tuán)修飾DDS達(dá)到骨靶向特異性需具備以下因素：①骨靶向基團(tuán)對(duì)骨礦物質(zhì)的親和力較強(qiáng)，且骨靶向基團(tuán)與DDS的結(jié)合過(guò)程并不影響骨靶向基團(tuán)與羥基磷灰石的相互作用；②骨靶向基團(tuán)-DDS復(fù)合物應(yīng)具有生物低毒性及良好的生物相容性，不影響骨的代謝平衡；③骨靶向基團(tuán)-DDS復(fù)合物不影響所負(fù)載藥物的穩(wěn)定性和療效[12]。骨靶向基團(tuán)有許多不同類型，不同骨靶向基團(tuán)的主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1[13]。

表1 骨靶向基團(tuán)的主要類型及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前關(guān)于不同類型骨靶向基團(tuán)趨骨性的研究較少。有研究者合成了平均粒徑為10～15 nm的金納米粒子，并用L-谷氨酸、2-氨基乙基膦酸(或阿侖膦酸)進(jìn)行表面修飾，這些修飾劑均含有與金納米粒子結(jié)合的伯胺基團(tuán)，可分別與對(duì)應(yīng)的羧酸鹽、膦酸鹽或雙膦酸鹽基團(tuán)結(jié)合，用于合成具有骨靶向性的DDS；

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，雙膦酸鹽修飾的金納米粒子與羥基磷灰石的結(jié)合能力最強(qiáng)，其次是谷氨酸和膦酸[14]。

2.1雙膦酸鹽 目前雙膦酸鹽已廣泛應(yīng)用于骨質(zhì)疏松癥[15]、溶骨性骨腫瘤引起的疼痛以及高鈣血癥、代謝性骨病等疾病的治療[16-17]。雙膦酸鹽又可細(xì)分為含氮和非含氮兩類，均具有與天然焦磷酸相似的結(jié)構(gòu)，焦磷酸鹽的結(jié)構(gòu)以P-O-P鍵為特征，由于P-O-P鍵不穩(wěn)定，因此不適合作為骨靶向基團(tuán)。而雙膦酸鹽分子中含有兩個(gè)緊密相連的磷酸根基團(tuán)(P-C-P)，這兩個(gè)膦酸酯基團(tuán)中的羥基去質(zhì)子化后螯合羥基磷灰石上的二價(jià)鈣離子(Ca2+)形成雙齒結(jié)構(gòu)并與羥基磷灰石牢固結(jié)合，因此雙膦酸鹽具有較強(qiáng)的趨骨性[18]。Wang等[19]以雙磷酸鹽鏈接硼酸鹽脂構(gòu)建的DDS可特異性靶向骨表面，表明雙膦酸鹽-硼酸鹽結(jié)合骨片更持久且療效更好。此外，雙磷酸鹽的P-C-P結(jié)構(gòu)與骨結(jié)合更穩(wěn)定，且雙膦酸鹽在骨組織中的停留時(shí)間延長(zhǎng)[20]。而增加雙膦酸鹽中兩個(gè)去質(zhì)子化羥基之間的距離(如用P-N-P鍵或P-C-C-P鍵取代P-C-P鍵)，可降低其對(duì)羥基磷灰石的親和力[21]。此外，也可通過(guò)修飾P-C-P碳原子上的剩余基團(tuán)R1和R2調(diào)節(jié)雙膦酸鹽對(duì)羥基磷灰石的親和力。有報(bào)道顯示，R1處存在羥基或氨基的雙膦酸鹽對(duì)羥基磷灰石的親和力更強(qiáng)[22-23]。另有研究通過(guò)改變雙膦酸鹽的R2基團(tuán)發(fā)現(xiàn)，雙膦酸鹽不僅可作為DDS的骨靶向基團(tuán)，還可作為有效的抗骨質(zhì)疏松藥[23-24]。臨床常用的6種雙膦酸鹽的趨骨性排名依次為：氯膦酸鹽<依替膦酸鹽<利塞膦酸鹽<伊班膦酸鹽<阿侖膦酸鹽<唑來(lái)膦酸鹽[23,25]。

關(guān)于雙膦酸鹽作為骨靶向基團(tuán)的研究較多。Ryu等[26]研究發(fā)現(xiàn)，由于阿侖膦酸鹽的存在，阿侖膦酸鹽結(jié)合納米金剛石(alendronate-conjugated nanodiamonds，Alen-NDs)對(duì)羥基磷灰石的親和力顯著增加；與對(duì)照組(成骨培養(yǎng)基)相比，NDs可增加MC3T3-E1細(xì)胞的堿性磷酸酶活性，而Alen-NDs增強(qiáng)堿性磷酸酶活性的能力更顯著；體內(nèi)研究表明，給大鼠尾靜脈注射Alen-NDs后，Alen-NDs在骨組織中的積聚顯著增加。Santhosh等[27]用利塞膦酸修飾殼聚糖制備納米顆粒，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該納米顆?？娠@著改善骨密度和骨小梁微結(jié)構(gòu)。Chen等[28]通過(guò)制備阿倫膦酸修飾的脂質(zhì)體納米顆粒發(fā)現(xiàn)，阿倫膦酸的加入可顯著提高脂質(zhì)體的礦物親和力。

雙膦酸鹽作為骨靶向基團(tuán)修飾抗骨質(zhì)疏松藥制備的絡(luò)合物，在一定程度上可糾正原藥特異性差、不良反應(yīng)大等缺陷。Bhandari等[29]以雙膦酸類化合物為骨靶向基團(tuán)、以合成鮭魚降鈣素作為模型藥物，合成具有骨靶向能力的鮭魚降鈣素化合物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未經(jīng)雙膦酸修飾的降鈣素相比，雙膦酸鹽-降鈣素的趨骨性和特異性未均顯著增強(qiáng)，且降鈣素與雙膦酸鹽結(jié)合后仍具有較強(qiáng)的生物活性。Hirabayashi等[30]構(gòu)建氨基雙膦酸鍵連雌二醇化合物，并靜脈注射給卵巢切除的骨質(zhì)疏松大鼠(每周1次)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大鼠的骨密度增加，而子宮的重量未見(jiàn)增加；藥動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，小鼠骨中雌二醇水平顯著增加。然而，雙膦酸鹽本身即存在潛在的不良反應(yīng)，如頜骨骨壞死、不典型的股骨轉(zhuǎn)子下骨折和食管癌等[31]，同時(shí)其還可能增加患者心房顫動(dòng)的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[32]，這可能與長(zhǎng)期(>5年)使用雙膦酸鹽類藥物治療有關(guān)[33]。

2.2其他含膦酸鹽分子 雙膦酸鹽并不是唯一與羥基磷灰石有親和力的膦酸鹽類分子。乙二胺四(亞甲基膦酸)和四氮環(huán)十四烷-1，4，8，11-四亞甲基膦酸也可與Ca2+離子螯合，將放射性藥物和蛋白質(zhì)遞送至骨組織[34]。為了增加可螯合Ca2+離子的膦酸基團(tuán)的數(shù)量，還可將多個(gè)雙膦酸鹽結(jié)合在一起形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用雙膦酸鹽的R2基團(tuán)與間隔基團(tuán)創(chuàng)建前藥分支結(jié)構(gòu)[35]。含有多個(gè)膦酸鹽的分子一般作為DDS的骨靶向基團(tuán)，而不作為獨(dú)立的藥物，這點(diǎn)與雙膦酸鹽化合物不同。

2.3四環(huán)素 廣譜抗生素四環(huán)素是常見(jiàn)的抗革蘭陽(yáng)性與革蘭陰性細(xì)菌類藥物[36]。由于四環(huán)素對(duì)非骨組織特異性較低，其沉積于骨組織可提高藥物在骨組織局部的濃度，從而提高藥物利用度，減少非靶向組織不良反應(yīng)的發(fā)生。四環(huán)素分子結(jié)構(gòu)中的β二酮、烯醇及甲酰胺基團(tuán)均可與羥基磷灰石上的Ca2+螯合[37]。除四環(huán)素與羥基磷灰石的螯合作用外，四環(huán)素分子中的羥基與羥基磷灰石間存在的范德華力和氫鍵也可提供額外的親和作用[38]。Xie等[39]以四環(huán)素作為骨靶向基團(tuán)修飾聚乳酸-乙醇酸-聚乙二醇(poly lactic-co-glycolic acid-poly ethylene glycol，PLGA-PEG)合成高分子膠束并負(fù)載辛伐他汀，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該載藥膠束在體內(nèi)循環(huán)時(shí)間顯著延長(zhǎng)，且優(yōu)先積聚于骨，可顯著改善骨密度、骨礦含量和骨力學(xué)強(qiáng)度。有學(xué)者通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)多西環(huán)素(四環(huán)素家族之一)對(duì)骨質(zhì)疏松的作用，結(jié)果顯示，多西環(huán)素對(duì)雙側(cè)卵巢切除骨質(zhì)疏松大鼠的骨組織有積極作用，大鼠骨質(zhì)丟顯著減少[40]。

2.4骨靶向肽 多肽具有空間分子量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、滲透力強(qiáng)、特異性高、不易被酶類識(shí)別和降解、免疫原性低等特點(diǎn)。骨基質(zhì)蛋白，如骨鈣素、骨橋蛋白、牙本質(zhì)基質(zhì)蛋白、胎球蛋白等均具有較強(qiáng)的骨礦表面Ca2+螯合性能[41]。寡肽中的天冬氨酸或谷氨酸對(duì)羥基磷灰石均具有較高的親和力[42]。Sun等[43]制備成骨細(xì)胞靶向肽修飾聚氨酯納米膠束遞送干擾小RNA/微RNA，成功靶向成骨細(xì)胞，增加去卵巢骨質(zhì)疏松癥模型小鼠骨量，并通過(guò)標(biāo)記干擾小RNA行熒光實(shí)驗(yàn)證實(shí)成骨細(xì)胞靶向肽修飾的DDS具有靶向性。Yamashita等[44]將聚酰胺型胺主鏈與多種羧酸(天冬氨酸、谷氨酸、琥珀酸或?yàn)躅^酸)共軛獲得不同類型的羧酸改性聚酰胺型胺，再以PEG共價(jià)的方式結(jié)合到聚酰胺型胺上，得到PEG化羧酸修飾的聚酰胺型胺，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該化合物的骨清除率與其對(duì)羥基磷灰石和Ca2+的親和力成正比，其中PEG(5)-天冬氨酸-聚酰胺型胺骨靶向效果最佳。Fu等[45]利用天冬氨酸作為骨靶向基團(tuán)修飾PLGA-PEG合成靶向骨組織的納米粒子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PLGA-PEG-天冬氨酸3-納米粒子的樹(shù)突狀天冬氨酸部分具有羥基磷灰石結(jié)合能力，其骨靶向效率也較缺乏樹(shù)突狀天冬氨酸的PLGA-PEG-納米粒子更高。Zhao等[46]以新型樹(shù)突狀天冬氨酸衍生物作為脂質(zhì)體配體，得到天冬氨酸衍生物修飾的DDS，結(jié)果顯示，該天冬氨酸衍生物修飾的DDS對(duì)羥基磷灰石有良好的親和力。此外，部分特殊序列多肽對(duì)羥基磷灰石和骨樣材料也具有強(qiáng)烈且特異的親和力，如VTKHLNQISQSY、STLPIPHEFSRE和APWHLSSQYSRT等[47]。

2.5其他骨靶向基團(tuán) 除上述幾種骨靶向基團(tuán)外，還有些分子也可作為骨靶向基團(tuán)修飾DDS，如25-35堿基長(zhǎng)類單鏈RNA或DNA的核苷酸序列(核酸適體)也均具有高親和力，且可特異性識(shí)別并結(jié)合其靶標(biāo)[48]。Liang等[49]通過(guò)構(gòu)建人體成骨細(xì)胞適體修飾的脂質(zhì)納米顆粒發(fā)現(xiàn)，人體成骨細(xì)胞適體主要通過(guò)大胞飲作用促進(jìn)體外成骨細(xì)胞選擇性攝取PLEKHO1(pleckstrin homology domain containing,family O member 1)干擾小RNA，并通過(guò)促進(jìn)體內(nèi)成骨細(xì)胞特異性PLEKHO1基因沉默，改善骨微結(jié)構(gòu)、增加骨質(zhì)量，從而增強(qiáng)骨質(zhì)疏松鼠和健康鼠骨的力學(xué)性能。

此外，骨細(xì)胞中含一些生長(zhǎng)因子受體，導(dǎo)致成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子1、骨形態(tài)發(fā)生蛋白等具有趨骨性[50]。利用成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子1構(gòu)建的骨靶向DDS可靶向遞送藥物、增加骨質(zhì)疏松癥小鼠的骨量[51]。Haider等[52]將骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2化學(xué)移植到L-谷氨酸修飾的羥基磷灰石表面，并將其與PLGA納米纖維基質(zhì)結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2/L-谷氨酸/PLGA復(fù)合納米纖維支架可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞的生長(zhǎng)，因此，骨形態(tài)發(fā)生蛋白-2/L-谷氨酸/PLGA復(fù)合納米纖維支架可作為靶向給藥的納米藥物載體。

3 小 結(jié)

骨靶向基團(tuán)是一類強(qiáng)大的分子工具，其功能化的化合物可與骨中的羥基磷灰石特異性結(jié)合并遞送治療性藥物至靶點(diǎn)。雙膦酸鹽、四環(huán)素、多肽序列及核酸適體均是常用的骨靶向基團(tuán)[53]。靶向非特異性的DDS被骨靶向基團(tuán)修飾后具有顯著的骨靶向特異性，為骨靶向治療提供了理想的遞藥系統(tǒng)。骨靶向DDS的優(yōu)勢(shì)使其具有臨床應(yīng)用潛力，但也存在許多問(wèn)題，因此目前仍無(wú)骨靶向DDS臨床應(yīng)用的報(bào)道。未來(lái)，選擇合適的骨靶向基團(tuán)并增強(qiáng)其靶向特異性、構(gòu)建控制遞送藥物質(zhì)量與緩釋功能的骨靶向DDS，對(duì)于治療骨骼相關(guān)疾病均具有重要的研究意義及臨床價(jià)值。