金屬有機框架及其載運抗腫瘤藥物的研究進展

朱仔巍，代英輝，王東凱*

（1. 沈陽藥科大學 藥學院，遼寧 沈陽 110016；2. 沈陽藥科大學 中藥學院，遼寧 沈陽 110016）

金屬有機框架材料（Metal-organic frameworks, MOFs）是一種由無機金屬離子和有機配體構成的雜化材料。MOFs 作為一種新型多孔晶體材料，在儲能、吸附與分離、光學、生物醫(yī)學和藥學等領域都備受關注。由于 MOFs 具有孔隙率較高、比表面積較大、結構和孔徑可調和結構易于修飾等優(yōu)點，特別適用于具有廣譜物理化學性質的各種藥物的包封[1-2]。同時 MOFs 在提高藥物載藥量[3]、控制藥物釋放[4]等方面顯示出一定的優(yōu)勢。本文對金屬有機框架材料的種類、MOFs 作為抗腫瘤藥物載體的優(yōu)勢，MOFs 載藥的制備方法，以及 MOFs 抗腫瘤藥物載體的質量評價方面進行總結歸納。

1 金屬有機框架的材料

近些年來隨著國內外研究者對金屬有機框架材料的不斷探索，金屬有機結構材料的種類和數(shù)量不斷豐富。就裝載藥物方面將其分為以下幾個類別。

1.1 MIL 系列材料

拉瓦希爾骨架（Materials of institute Lavoisier frameworks, MIL）系列材料，作為金屬有機框架系列中的一種，具有耐高溫、耐溶劑等優(yōu)良特性，通常由過渡金屬如 Cr3+、Fe2+等與二羧酸配體制備而成的。楊寶春等[5]通過水熱法合成 MIL-53（Fe）后裝載 5-氟尿嘧啶（5-FU），實現(xiàn)了半衰期短的5-FU 的緩釋釋放。Horcajada 等[6]考察了兩種 MIL 材料均裝載布洛芬，比較兩種材料 MIL-100 和 MIL-101 的載藥量和釋藥性。結果表明，由于孔隙結構和 MIL 與藥物間作用力不同，MIL-101 的載藥量為 MIL-100 的 4 倍，并且其釋藥也更為緩慢。Rosaria 等[7]采用浸漬法，將細胞毒性藥物拓撲替康（TPT）包裹在可生物降解的 MIL-100 中，TPT 單體以“瓶裝”的方式聚集，填入 MIL-100的孔隙。并考察了光照射對于藥物釋放的影響，結果表明負載 TPT 的 MIL-10 懸浮液在 20 min 內，光傳遞 TPT 高達 27 wt%，而在沒有光刺激的情況下，只有 19 wt% 的藥物被釋放。Song 等[8]比較了負載多柔比星（DOX）的 MOF 納米粒（MIL125-Ti@DOX）和用透明質酸（HA）修飾后的納米粒 MIL125-Ti-HA@DOX 的載藥量和療效。結果表明，MIL125-Ti-HA@DOX 具有更高的多柔比星載藥量，載藥量高達 25.0～35.0%，并且由于 MIL125-Ti-HA@DOX 可以增加藥物在腫瘤細胞中的蓄積，改善溶酶體在腫瘤細胞中的逃逸，而在腫瘤靶向治療上表現(xiàn)出更好的療效。

1.2 ZIFs 系列材料

類沸石咪唑酯骨架（zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs）系列材料，不僅有金屬有機骨架的作用還具有無機沸石的篩分功能[9]，是一種由 2 價金屬離子 Zn2+、Co2+等和咪唑類配體之間的配位產生的一種材料。ZIFs 骨架材料能在不同 pH 環(huán)境下發(fā)生變化，其在中性環(huán)境中較穩(wěn)定，在酸性環(huán)境中會因金屬離子與配體間配位鍵的斷裂而分解，使藥物在酸性環(huán)境中有機會釋放[10-11]。而腫瘤微環(huán)境的 pH 5.7～7.2，低于正常組織，因此 ZIFs 廣泛應用于抗腫瘤藥物的遞送。首個發(fā)現(xiàn)應用于載藥的 ZIF 材料是 ZIFs-8。Ettlinger 等[12]以沸石咪唑骨架-8 為載體，利用其孔隙裝載亞砷酸鹽，制成 pH 敏感納米顆粒，用于治療非典型畸胎樣橫紋肌樣腫瘤。結果表明，ZIF-8 納米顆粒在中性 pH 值下僅釋放少量砷，而在更酸性的 pH 值下則完全釋放砷。Zhou 等[4]將抗癌藥多柔比星負載到 ZIF-8 上，制成 pH 響應的納米復合物（P@ZIF-8），實現(xiàn)低 pH 下藥物的釋放，具有良好的選擇性。

1.3 其他 MOFs 材料

UIO 系列材料是由鋯（Zr）和對苯二甲酸（BDC）相連形成的三維微孔結構。Xue 等[13]將二維材料石墨炔（GDY）與金屬有機骨架的雜交成 Fe3O4@UIO-66-NH2/GDY（FUGY），并將抗癌藥多柔比星負載到 FUGY 上。實驗結果表明，與游離 DOX 相比，負載 FUGY 的 DOX 復合納米粒在腫瘤組織中的釋放度更好，療效更高。Gupta 等[14]采用溶劑熱法合成 UIO-66 材料后負載了抗癌藥物紫杉醇，并在表面包裹聚乙二醇，制成納米顆粒 PEG@DTX@UiO-66。結果表明，紫杉醇的釋放時間得到了延長。

網狀金屬-有機骨架（Isoreticular metal-organic frameworks, IRMOFs）系列材料是由[Zn4O]6+和芳香羧酸配體構成的微孔材料。楊春寶等[15]用溶劑熱法制備納米級金屬框架 IRMOF-3，并通過酰胺反應得到葉酸偶聯(lián)的 IRMOF-3，即 Folic acid-IRMOF-3（FIR），并負載 5-FU。結果表明，F(xiàn)IR 作為抗癌藥物的載體，具有高載藥量高、緩釋釋放、靶向給藥等優(yōu)點。

2 MOFs 載藥的制備

目前 MOFs 裝載藥物的方式主要有三種。第一種是兩步包封法，第二種是一步包封法（一鍋法），以及第三種將藥物分子做成前藥與金屬離子配位的活性分子配位法。

2.1 兩步包封法

兩步包封法是指先合成 MOFs，從孔中去除溶劑后再通過物理吸附或化學鍵鍵合的方式載藥，此法不僅昂貴而且會因 MOF 的孔小而限制大分子的載藥。Resmi 等[16]先制備了 MIL-100（Fe），室溫下通過與 DOX 混合攪拌制成 DOX@MIL-100（Fe），其載藥量為 9 wt%。楊寶春等[17]用三乙胺加入法制備 MOF-5 后，利用孔徑大小分別裝載抗腫瘤藥物辣椒素和 5-FU，發(fā)現(xiàn)載藥 7 d 時載藥量均達到最高，分別為 0.592 g/g 和 0.315 g/g。

2.2 一步包封法

由于兩步包封法中，MOFs 的載藥量低于其他無機載體，為了克服這個缺點，我們可以將 MOF的合成和分子的封裝結合到一鍋法工藝中進行。Zheng 等[18]采用一鍋法制備過程中，金屬離子和目標有機分子自組裝形成配位聚合物，實現(xiàn)多柔比星裝載于 ZIF-8 上，制成納米粒 DOX@ZIF-8，其載藥量可達 20 wt%。張會苑[19]通過一鍋法實現(xiàn)鹽酸多柔比星和鹽酸維拉帕米（VER）兩種藥物負載于 ZIF-8 的藥物共遞送納米粒，并用乙二醇-葉酸（PEG-FA）對其表面進行修飾，得到納米粒 PEG-FA/（DOX+VER）@ZIF-8。

2.3 活性分子配位法

活性分子配位法，是一種無需溶劑的簡單、快速的藥物裝載方法。該方法是將具有多個官能團的藥物分子與金屬離子配位制備出裝有藥物分子的金屬配合物，這種方法不僅包封率較高，而且可以通過一種藥物與 MOFs 配位形成裝載藥物的復合材料載體，而裝載第二種藥物來實現(xiàn)聯(lián)合用藥。這一點指示我們 MOFs 不僅可以作為載體，還可以作為活性成分。這種方法是目前較為理想的MOFs 載藥方式。

Huxford 等[20]以具有抗癌功效的氨甲喋呤（MTXO）為橋聯(lián)配體，Gd3+為金屬連接點，在 80℃下加熱，以 85% 的產率合成了 Gd-MTX NCP。結果表明，Gd-MTX NCP 納米粒對于白血病癌細胞表現(xiàn)出一定的靶向性。Su 等[21]以活性藥物成分姜黃素與鋅鹽配位反應生成穩(wěn)定的多孔骨架化合物 Medi-MOF-1，再裝載布洛芬實現(xiàn)雙抗癌藥聯(lián)用。并考察了釋藥性，結果表明，在 80 h 內布洛芬的釋放率達 97%。

3 MOFs 抗腫瘤藥物載體的質量評價

隨著 MOFs 載藥的不斷發(fā)展，目前常用 X 射線衍射、紅外光譜、電子顯微鏡、動態(tài)光散射、熱重分析儀、氮氣吸附等對 MOFs 載體和 MOFs 載藥后的復合物進行表征，考察粒徑、形態(tài)等理化性質、是否包載以及包封率和載藥量等指標。

3.1 粒徑

藥物載體的粒徑，為抗腫瘤藥物載體的質量評價的重要指標之一。一些研究發(fā)現(xiàn)，粒徑的不同會影響藥物在組織部位的積累和保留能力[22-23]。Wu 等[24]采用原位生長法，以 Fe3O4顆粒為核心，高負載量的 UIO-66 為殼層，然后表面包覆以柱芳烴為基礎的擬輪烷作為緊密性可調的納米閥門 Fe3O4@UiO-66@WP6，裝載 5-FU，實現(xiàn)多刺激響應性藥物的釋放?？疾炝思{米顆粒的粒徑，SEM 圖譜顯示，負載 5-FU 的 Fe3O4@UIO-66@WP6 的直徑約為 40～60 nm。動態(tài)光散射（DLS）顯示，納米顆粒的平均流體力學直徑為 89 nm。張會苑[19]將 DOX 和 VER 兩種藥物負載于 MOFs 上，制成 PEG-FA/（DOX+VER）@ZIF-8。并對納米粒的晶型、形態(tài)、粒徑及其分布等進行表征，對體外釋放和體內外抗腫瘤進行評價。用 DLS 法表征納米粒的粒徑分布，結果表明其平均粒徑為 185.0 nm（PDI = 0.005），粒徑很均一。

3.2 形態(tài)

藥物的載體形態(tài)也會影響藥物的釋放和吸收。Ahmad 等[25]用共沉淀法合成磁性 CoFe2O4納米粒子后采用逐層法利用巰基乙酸與錳離子的配位制備了超順磁性 CoFe2O4NPs@Mn-MOF 納米復合材料，并裝載藥物柔紅霉素。考察了復合納米顆粒的結構、釋藥性、生物相容性等。圖 1 中顯示了用掃描電鏡觀察到的含柔紅霉素的 CoFe2O4NPs@Mn-MOF 的形態(tài)呈球形，粒徑為 140 nm 左右。蔡紫薇[26]合成的 UiO-66-NH2復合材料，表面均勻，呈正八面體結構，屬于較穩(wěn)定的結構。

Fig. 1 SEM images of Daunorubicin-loaded magnetic CoFe2O4NPs@Mn-MOF,original magnification 40.000×[25] 圖1 負載柔紅霉素的超順磁性CoFe2O4NPs@Mn-MOF納米粒的掃描電鏡圖像 （放大40.000倍）[25]

3.3 驗證是否包載

Zhang 等[27]通過 DOX 和 ZIF-90 的咪唑-2-甲醛（ICA）配位反應，將 DOX 共價在納米 ZIF-90 表面，然后裝載 5-FU，實現(xiàn)抗癌藥物的聯(lián)合給藥，5-FU 和 DOX 的載藥量分別高達 36.35 wt% 和 11～13.5wt %。比較了 ZIF-90 和 ZIF-90-DOX 的 FI-IR 譜、X 射線衍射峰、NMR 譜，表明 DOX 上氨基和 ZIF-90 的 ICA 配體上醛基發(fā)生席夫堿反應，以 C=N 鍵鍵合的形式成功包載于ZIFs 上。

3.4 包封率和載藥量

包封率是指負載的藥物占藥物總量的百分比；載藥量是指負載的藥物占藥物載體總重量的百分比[28]。Ashraf A 等[29]用 ZIF-8 骨架包裹 DOX，以實現(xiàn) DOX 的高載藥量和 pH 敏感釋放特性。對DOX@ZIF-8 納米顆粒進行基礎表征、體外釋放、體外抗氧化活性和體外細胞毒性，采用紫外可見分光光度儀，根據(jù) 480 nm 處的吸光度與 DOX 標準曲線，計算 DOX 的包封率為 50% 左右，載藥量可達 20%。

4 MOFs 作為抗腫瘤藥物載體材料的優(yōu)勢

MOFs 作為一種納米載體，負載某些毒副作用大的抗腫瘤藥物如白消安、多柔比星和喜樹堿等，可降低給藥過程對身體的傷害。MOFs 作為抗腫瘤藥物的載體材料與其他載體材料相比，具有高比表面積、高孔隙率、結構和孔徑可調和結構易于修飾和功能化等優(yōu)點，因而其在緩控釋放，高載藥量，腫瘤靶向性以及良好的生物相容性等方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢。

4.1 緩釋釋放和控制釋放

MOFs 載藥可改善半衰期低的藥物的釋放度。楊寶春[5]等將 5-FU 負載于 MIL-53（Fe）上，并考察了體外釋藥特性，5-FU 在 84 h 內，釋放量達 69.70%，表現(xiàn)出明顯的緩釋效果。MOFs 載藥還可實現(xiàn)智能響應釋放，在磁場、pH、溫度等因素的刺激下，使藥物在腫瘤環(huán)境下控釋釋放。Ahmad 等[25]采用層層法制備了超順磁性 CoFe2O4NPs@Mn-有機骨架核殼納米復合材料，通過攪拌將柔紅霉素加載到 MOF 中，實現(xiàn)了外加磁場后納米粒的定向遷移和藥物遞送。并考察了體外釋放情況，藥物先迅速釋放，在 220 min 內釋放 38%，后緩慢釋放，17% 在大于 1 000 min 內釋放。因此，與游離藥物相比，CoFe2O4NPs@Mn-MOF 具有控釋作用。陳雪瑞[30]將單取代表沒食子兒茶素沒食子酸酯棕櫚酸酯負載于 MOFs 上，制成 PEGCG@ZIF-8，通過 PEG 連接葉酸和 ZIF-8，得到 PEG-FA/PEGCG@ZIF-8。PEGCG 的釋放特性考察結果表明，在中性環(huán)境中，在 48 h 內釋藥量低于 15%；在 pH = 5.0 環(huán)境中，10 h 內釋藥量高于 90%?？蓪崿F(xiàn)在腫瘤環(huán)境的控釋釋放。Tain 等[31]制備 UiO-66-NH-A，然后用羧基柱[5]芳烴修飾并負載 5-FU，制成多刺激響應型超分子主客體“門控支架”，實現(xiàn)了熱療與化學（pH）和生化（Ca2+）觸發(fā)相結合，在骨腫瘤環(huán)境中達到控釋釋放。

4.2 高載藥量

MOFs 的高比表面積和孔隙率，使其可獲得較高的載藥量[32]。Wu[33]等采用雙模板法制備介孔的鐵—金屬—有機骨架納米顆粒（mesoMOFs），并裝載 DOX，其負載量高達 55 wt%。Huxford 等[20]采用活性分子配位法制成 Gd-MTX NCP，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)納米顆粒相比 Gd-MTX NCP 中的甲氨蝶呤載藥量更高，可達到 79.1 wt%。Miller 等[34]以 Fe 為金屬離子中心，生物活性物質煙酸為配體制備了生物可降解的 BioMIL-1，并研究了其載藥性能，結果顯示，其負載的煙酸質量分數(shù)達到 75%。

4.3 腫瘤靶向性

通過用葉酸、透明質酸等能夠識別腫瘤的功能因子對 MOFs 表面進行修飾的策略，裝載抗腫瘤藥可實現(xiàn)靶向給藥。葉酸可特異性的與細胞表面的葉酸受體（FR）結合，且結合力強，對腫瘤有高度選擇性，廣泛應用于 MOFs 載藥的靶向遞送[15,19,30]。Bi[35]等將 DOX 裝載于 ZIF-8 中，并用葉酸修飾，得到納米粒 DOX@ZIF-8-FA，DOX 負載量為 15.7 wt%?？疾炱湓诟伟┘毎档闹委熜Ч?，結果表明，DOX 濃度為 7.5 μg/mL 作用 24 h 時，DOX@ZIF-8-FA 納米顆粒比單獨使用 DOX@ZIF 納米顆粒具有更好的抑制作用。其療效歸因于粒子表面的靶向配體（葉酸）增強了細胞對納米粒子的攝取，從而產生了更高的治療效果。

透明質酸鈉主要通過受體介導作用實現(xiàn)腫瘤靶向。與正常細胞比，HA 的四種特定受體 CD44、RHAMM、IVd4 及 LEC 在腫瘤細胞表面會過量表達。Li[36]等將具有抗癌作用的姜黃素（CCM）負載于 ZIF-8 上，HA 通過絡合作用包覆在 CCM@ZIF-8 表面，得到納米 粒CCM@ZIF-8/HA。基于 HA 包埋的核-殼結構，CCM@ZIF-8/HA 顯示出長時間的 pH 依賴性藥物釋放控制。與CCM@ZIF-8 相比，CCM@ZIF-8/HA 細胞攝取更強，對 HeLa 細胞的生長抑制作用更強。Song[8]等用 HA 修飾后得到 MIL125-Ti-HA@DOX，表現(xiàn)出更高的療效。

4.4 較好的生物相容性

與無機載體相比，MOFs 材料在一些裝載抗腫瘤藥物的研究中表現(xiàn)出較好的生物相容性[37-39]。Zhang 等[40]制成 Ag/H-ZIF-8 納米復合材料，結果顯示了，Ag/H-ZIF-8 納米復合材料與單一的ZIF-8 或 Ag 納米顆粒相比表現(xiàn)出更強的抗菌活性。并且在肝上皮細胞上未觀察到明顯的毒性，該復合物具有生物相容性。

5 總結

與傳統(tǒng)多孔材料如樹枝狀大分子、介孔二氧化硅納米顆粒等相比 MOFs 具有高比表面積、高孔隙率、熱穩(wěn)定性強等明顯優(yōu)勢。并且 MOFs 結構易于修飾，可通過無機簇和或有機配體修飾 MOF 的物理和化學性質，達到控制藥物釋放、腫瘤靶向治療的目的。

近些年來，隨著國內外研究者對 MOFs 的深入研究，MOFs 材料在藥物遞送方面取得了很大進展，但與其他成熟的載體材料相比，仍處于初級階段，還有很多地方值得我們去探索，如材料的長期毒性，生物穩(wěn)定性，材料與不同藥物的作用機制等。

在腫瘤治療方面，MOFs 不僅可以作為載體遞送抗腫瘤藥物，還可在光動力學治療、化學動力學治療等方面發(fā)揮重要作用。MOFs 被認為是藥物輸送和腫瘤治療的最佳候選者之一，MOFs 作為抗腫瘤藥物遞送系統(tǒng)載體在癌癥的治療中具有重要的臨床意義和發(fā)展前景。