金屬有機(jī)框架在藥物傳遞刺激響應(yīng)系統(tǒng)中的研究進(jìn)展*

徐偉航，李 寧，曾德福，丁飄飄，舒 婷

(湖北科技學(xué)院醫(yī)學(xué)部藥學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

有機(jī)金屬框架(metal-organic frameworks)，簡稱MOFs，是由有機(jī)配體和金屬離子或團(tuán)簇通過配位鍵組裝形成的具有分子內(nèi)孔隙的有機(jī)-無機(jī)雜化材料[1]。MOFs材料具有合成方法簡單多樣、孔隙率高、比表面積大、形狀規(guī)則、生物降解性好、低細(xì)胞毒性和多功能性等特點(diǎn)，為藥物傳遞宿主提供了理想的候選材料，因此，MOFs材料被成功地用作于藥物傳遞載體，具有高生物安全性、高載藥量、強(qiáng)靶標(biāo)轉(zhuǎn)運(yùn)和易于控釋等優(yōu)點(diǎn)[2]。

近年來，利用刺激響應(yīng)系統(tǒng)控制載體進(jìn)行藥物的按需釋放在世界范圍內(nèi)得到了諸多研究者的重視，尤其是對納米載體的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究，刺激響應(yīng)性納米金屬有機(jī)框架(NMOFs)是一類新型的刺激響應(yīng)材料，克服了傳統(tǒng)藥物傳遞系統(tǒng)不能精準(zhǔn)捕捉靶向細(xì)胞的局限性和缺陷，在實(shí)現(xiàn)可控的藥物按需釋放方面具有巨大的潛力[3]。刺激響應(yīng)模式分為內(nèi)源性刺激(包括pH、谷胱甘肽、離子、酶等)和外源性刺激(包括光、溫度、壓力、磁、超聲等)[4]，生理水平的pH值和溫度等人體特征條件是藥物釋放所涉及的環(huán)境變量。刺激響應(yīng)條件下給藥可以在時(shí)間和空間上控制藥物釋放，提高藥物在靶向部位濃度的積累[5]，在藥物傳遞的研究中運(yùn)用單一刺激響應(yīng)和多重刺激響應(yīng)來影響藥物釋放，通過設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)系統(tǒng)來識(shí)別微環(huán)境，并模仿生物的反應(yīng)特點(diǎn)來控制時(shí)間、劑量釋放藥物[6]。所以研究將不同的功能分子與不同的MOF結(jié)合，制備多功能化刺激響應(yīng)型MOFs的方法是可行的，能夠更好地為治療疾病提供優(yōu)質(zhì)的保障[7]。本文將從pH、離子、溫度、光、氧化還原單一刺激響應(yīng)與多重刺激響應(yīng)系統(tǒng)幾個(gè)方面，介紹金屬有機(jī)框架材料在藥物負(fù)載中的研究進(jìn)展。

1 pH刺激響應(yīng)系統(tǒng)

用于藥物傳遞的pH響應(yīng)性一般是指在人體不同pH梯度的環(huán)境下進(jìn)行，例如，消化系統(tǒng)的pH值遠(yuǎn)低于其他器官[8]。pH刺激響應(yīng)系統(tǒng)是利用靶向器官 (如胃腸道或陰道)pH的不同或在細(xì)胞器(如核內(nèi)體或溶酶體)的誘導(dǎo)下，以及pH環(huán)境發(fā)生變化時(shí)觸發(fā)藥物釋放來實(shí)現(xiàn)，具有釋放速度可控、載藥量高的特點(diǎn)[3]。

沸石咪唑酯骨架(ZIF)是新型的多孔MOFs材料，Chen等[9]用一鍋法合成了自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)封裝的ZIF-8納米粒子(ZIF-8 NPs)，將3-MA@ZIF-8 NPs在不同pH值的緩沖液(PBS)中研究其釋放程度，一定時(shí)間內(nèi)，納米粒子在pH值為5.0和6.0的條件下，與pH值為7.4相比，藥物釋放更完全，顯示出這種基于ZIF-8的腫瘤靶向給藥系統(tǒng)具有pH響應(yīng)特性。Shi等[10]采用一鍋法制備了包埋二磷酸氯喹(CQ)的ZIF-8納米顆粒，用腫瘤細(xì)胞的特殊標(biāo)識(shí)物聚甲氧基葉酸(FA-PEG)修飾形成FA-PEG/CQ@ZIF-8NPs的新型給藥系統(tǒng)。研究體外釋藥時(shí)發(fā)現(xiàn)在pH為7.4的條件下持續(xù)24h，載藥CQ僅釋放出9.9%，在pH 6.0和pH 5.0條件下，累積CQ量分別達(dá)到68.6%和96.5%，表明酸性條件加速了ZIF-8結(jié)構(gòu)的解離，有利于藥物CQ的釋放，同時(shí)可用于pH響應(yīng)釋放和特異性靶向鑒定。Gupta等[11]在150℃用溶劑熱法合成了鐵(Fe)基金屬有機(jī)框架MIL-101-Fe，通過將氨基(-NH2)整合到框架中實(shí)現(xiàn)表面功能化進(jìn)一步提高穩(wěn)定性，最后涂上聚乙二醇(PEG)外殼， 在MOF粒子上裝載布洛芬消炎藥，對包覆和未包覆PEG的MOFs進(jìn)行了pH響應(yīng)性釋藥。pH為7.4時(shí)，NH2-MIL-101-Fe和PEG@ NH2-MIL-101-Fe顆粒在20 h后分別釋放57.52%和46.05%的布洛芬，在pH值為6的條件下釋放至為69.09%和42.31%，在pH值為5的條件下，釋放率分別為74.25%和52.00%，結(jié)果顯示這種pH刺激響應(yīng)給藥系統(tǒng)在酸性介質(zhì)中對藥物釋放速率有明顯提高。這類pH刺激響應(yīng)模式控制藥物在病理部位特殊環(huán)境中按需釋放，降低藥物的毒副作用并減少對正常組織的損害，增強(qiáng)了藥物的治療效果。

2 離子刺激響應(yīng)系統(tǒng)

離子響應(yīng)型MOFs是一種新的藥物傳遞途徑，在這種藥物載體中，藥物的釋放是通過離子交換發(fā)生的化學(xué)刺激反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

Oh等[12]將生物有機(jī)框架(Bio-MOFs，bMOFs)浸泡在鹽酸乙替弗林乙醇溶液中完成載藥，考察了四種不同陰離子腺嘌呤基bMOFs的載藥和釋藥性能，分別為bMOF-1、bMOF-4、bMOF-100和bMOF-102，bMOF-1的藥物完全釋放時(shí)間為80d，bMOF-4為49d，bMOF-100為69d，bMOF-102為54d，bMOFs在溶出介質(zhì)中以不同的速率釋放藥物，提示陽離子交換可能有助于陽離子藥物的釋放。Hu等[13]制備了新的陽離子多孔藥物載體MOF-74-Fe(Ⅲ)，并裝載布洛芬藥物，通過離子交換和鹽滲透程序，載藥量高達(dá)15.9wt%，同時(shí)根據(jù)藥物陰離子與骨架相互之間的作用，使藥物釋放的速度更加靈活，為離子刺激響應(yīng)型金屬有機(jī)框架材料在藥物傳遞中的研究提供了理論依據(jù)。

3 溫度刺激響應(yīng)系統(tǒng)

溫度刺激響應(yīng)型體系可以由體外溫度的高低或人體生理水平自身的溫度來控制藥物釋放速度。

Gao等[14]在溶劑熱條件下首次成功制得中空ZIF-8，負(fù)載5-氟尿嘧啶(5-FU)并包覆三種聚合物層(FA-CHI-5-FAM):殼聚糖(CHI)骨架，顯像劑5-羧基熒光素(5-FAM)和靶向試劑葉酸(FA)，進(jìn)一步通過簡單的合成制備了一種基于多功能中空MOF的靶向系統(tǒng)ZIF-8/5-FU@FA-CHI-5-FAM。對其進(jìn)行釋藥實(shí)驗(yàn)的研究，發(fā)現(xiàn)中空ZIF-8的骨架在溫度超過600℃時(shí)開始分解，而ZIF-8/5-FU@FA-CHI-5-FAM在大約250℃時(shí)由于負(fù)載的5-FU和FA-CHI-5-FAM涂層的分解而開始失重，研究得出該系統(tǒng)在溫度影響下分解，可用于抑制腫瘤細(xì)胞的生長。Tan等[15]以單分散的鋯(Zr)金屬有機(jī)框架為藥物載體，與羧基柱[3]芳烴(CP5)配體為基礎(chǔ)構(gòu)建了一種藥物靶向釋放系統(tǒng)，負(fù)載5-FU藥物，當(dāng)溫度升高時(shí)，CP5環(huán)與帶正電的季銨鹽超分子相互作用，釋放的5-FU逐漸增加，研究得出外加熱作為一種物理治療方法調(diào)節(jié)了納米載體的藥物釋放。

4 光刺激響應(yīng)系統(tǒng)

光觸發(fā)藥物傳遞系統(tǒng)(DDS)具有無污染、操作簡便、時(shí)間可控、能耗零的特點(diǎn)，愈發(fā)受到研究者的重視，光控藥物釋放的主要機(jī)制是通過分子材料在光照下的構(gòu)象變化、化學(xué)鍵斷裂或光熱轉(zhuǎn)換來控制藥物的釋放。

Stefaniak等[16]使用光響應(yīng)連接劑偶氮苯二甲酸酯(AZB)作為一個(gè)UIO型MOF的支柱(UIO-AZB)，在納米材料表面包覆氨基化聚乙二醇(PEG-NH2)涂層，裝載藥物5-FU，制備出PEGNH2@5-FUUIO- AZB NPs，對其進(jìn)行藥物控釋研究，發(fā)現(xiàn)在紫外光照射下，NP體系降解，而在黑暗中，隨著時(shí)間的推移沒有降解，表明該系統(tǒng)在體外光照刺激下能夠控制藥物釋放，在體內(nèi)黑暗的環(huán)境中藥物釋放速率比較穩(wěn)定。李陽等[17]報(bào)道了卟啉基金屬有機(jī)框架材料PCN-224負(fù)載抗腫瘤藥物Monomethyl auristatin E(MMAE)構(gòu)建金屬有機(jī)框架載藥平臺(tái)，通過對比單獨(dú)PCN-224 材料與載藥材料PCN@MMAE 在相同光照條件下的細(xì)胞毒性，結(jié)果表明PCN@MMAE組相對于單獨(dú)PCN-224組治療效果更強(qiáng)，顯示出PCN@MMAE 納米載藥平臺(tái)能有效結(jié)合化療與光動(dòng)力治療，作為納米光敏劑具有消融乳腺癌細(xì)胞的作用，進(jìn)一步證實(shí)光刺激響應(yīng)模式可根據(jù)體內(nèi)外不同光照或光熱強(qiáng)度影響藥物釋放效果。

5 氧化還原刺激響應(yīng)系統(tǒng)

在正常和病理狀態(tài)下，細(xì)胞外環(huán)境與各種亞細(xì)胞細(xì)胞器之間存在氧化還原電位梯度，谷胱甘肽(GSH)可以調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)，促進(jìn)藥物在癌細(xì)胞中的釋放，在人體內(nèi)，二硫鍵容易被谷胱甘肽快速裂解，在到達(dá)病理部位后實(shí)現(xiàn)藥物的快速釋放，從而增強(qiáng)治療效果[18]。

Lei等[19]研究了以鐵、鋁或鋯為金屬節(jié)點(diǎn)，以4，4'-二硫代二苯甲酸(4，4'-DTBA)為有機(jī)配體，建立了一種新型的氧化還原響應(yīng)型MOFs載體MOF-M(DTBA)(M=Fe、Al或Zr)，將疏水抗癌藥物姜黃素(CCM)加載到MOF-Zr(DTBA)中，研究發(fā)現(xiàn)，小尺寸的CCM@MOF-Zr(DTBA)通過癌細(xì)胞內(nèi)吞作用被大量攝取，這種氧化還原型MOFs載體在藥物傳遞中有著很大應(yīng)用。Liu等[20]設(shè)計(jì)在UiO-66-NH2的孔隙部位加入二氯乙酸(DCA)，構(gòu)建了一種具有高載藥能力的MOF，在MOFs表面用二硫鍵脫水修飾，在谷胱甘肽的作用下，二硫鍵被裂解，以抗癌藥物5-FU為模型藥物，在與癌癥相關(guān)微環(huán)境中，藥物表現(xiàn)出氧化還原反應(yīng)性釋放特性。這類藥物載體中引用具有氧化還原刺激響應(yīng)的表面活性劑，可促使病理細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，達(dá)到提高藥物治療作用的目的。

6 其他單一刺激響應(yīng)系統(tǒng)

刺激響應(yīng)因素在藥物傳遞與釋放中有著很大影響，形式也多種多樣，除了以上介紹的因素外還有磁刺激系統(tǒng)[21]、超聲波刺激系統(tǒng)[22]、酶刺激系統(tǒng)[23]、壓力刺激系統(tǒng)[24]等。因其可以利用自身載藥率高、毒性小、安全有效等反應(yīng)特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)在生物靶上的藥物釋放，在藥物釋放研發(fā)、疾病治療等方面提供巨大幫助。

7 多重刺激響應(yīng)系統(tǒng)

人體環(huán)境的復(fù)雜性需要結(jié)合多種單一刺激響應(yīng)的優(yōu)勢進(jìn)行更精準(zhǔn)的藥物傳遞。多重刺激響應(yīng)系統(tǒng)因其具有多層修飾而比單一刺激響應(yīng)給藥系統(tǒng)具有更多的功能，可以更好的提高藥物負(fù)載能力和釋放效率，因此，開發(fā)多重刺激響應(yīng)給藥系統(tǒng)已成為未來的發(fā)展趨勢[4，25]。

在金屬有機(jī)框架材料設(shè)計(jì)中會(huì)運(yùn)用多重刺激響應(yīng)系統(tǒng)影響材料性質(zhì)與功能。Li等[26]利用苯二甲酸酯作為有機(jī)連接劑，嵌入有機(jī)鋱(Ⅲ)框架，組裝了一種新型Tb-MOF材料。研究在陽光或紫外線照射下，Tb-MOF可以觀察到從亮黃色到深綠色的光致變色變化，再將Tb-MOF的粉末樣品放在pH為2～7的HCl水溶液中研究pH值對發(fā)光主鏈熒光的影響，結(jié)果顯示從pH 2～7呈線性響應(yīng)(R2=0.9917)，在pH=7溶液中達(dá)到最高值，表明樣品的發(fā)射強(qiáng)度在酸性條件下逐漸降低。同時(shí)又進(jìn)行了離子色譜分析，表明Cl-和NO3-離子作為陰離子平衡陽離子骨架的電荷，影響了框架的熒光發(fā)射能力，此項(xiàng)研究證明該MOF材料對光、pH、離子刺激響應(yīng)系統(tǒng)都產(chǎn)生了相應(yīng)變化。 Liu等[27]將功能化聚合物包覆在MOF納米顆粒上，開發(fā)了一種新型的MOF納米顆粒表面原位聚合方法，利用該方法制備了負(fù)載順鉑并包覆聚合氯化鋁(PAC)的ZrMOF-PAC。對其進(jìn)行細(xì)胞內(nèi)給藥研究，加入GSH觸發(fā)器后，ZrMOF-PAC納米顆粒釋放出50%的順鉑，在無GSH的情況下，順鉑隨時(shí)間逐漸釋放，與有GSH觸發(fā)器的ZrMOF-PAC相比，近30%的順鉑被嵌在ZrMOF-PAC納米顆粒中，原因是癌細(xì)胞內(nèi)高水平的谷胱甘肽分解了ZrMOF表面交聯(lián)的PAC聚合物，藥物順鉑隨之從MOF中被釋放，并且細(xì)胞內(nèi)的磷酸鹽離子腐蝕ZrMOF，加速藥物釋放，MOF納米顆粒表面的聚合不僅增加了它們在緩沖液和介質(zhì)中的穩(wěn)定性，而且還提供了氧化還原、離子刺激反應(yīng)性藥物傳遞等功能。多重刺激響應(yīng)模式在藥物傳遞中優(yōu)勢更多元化，能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜的人體環(huán)境，有望在藥物傳遞系統(tǒng)的研究中提供更理想化的載體材料。

8 展 望

金屬有機(jī)框架作為新型材料，有著高載藥量、功能化強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)?；贛OFs的刺激響應(yīng)藥物傳遞系統(tǒng)有很大的發(fā)展空間，每種刺激響應(yīng)模式都有著各自不同的特點(diǎn)，多重刺激響應(yīng)模式可以融合單一刺激響應(yīng)的多種優(yōu)勢，使藥物能夠準(zhǔn)確的在靶向細(xì)胞內(nèi)釋放，更能有效地運(yùn)用到藥物傳遞中，目前更多的是基于MOFs多重刺激響應(yīng)的探索。將具有刺激響應(yīng)系統(tǒng)的MOFs材料應(yīng)用于藥物遞送中是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要多學(xué)科知識(shí)(藥劑學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、材料等)的聯(lián)合研究，并對其毒性、生物相容性、穩(wěn)定性進(jìn)行更深入的探索，這些因素仍然是限制其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的主要問題。未來研究方向應(yīng)是選擇更優(yōu)異的合成路線降低毒性，通過功能分子的表面修飾改善穩(wěn)定性，建立跨學(xué)科合作，進(jìn)行更多的體內(nèi)臨床前研究，盡快實(shí)現(xiàn)DDS的臨床應(yīng)用，從而推進(jìn)研發(fā)出低毒性、療效高的刺激響應(yīng)給藥系統(tǒng)，這將是一個(gè)很有前途的研究方向。