靶向藥物制劑研究進展*

安琪,李爽,楊德智,呂揚,杜冠華

(北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所1.晶型藥物研究北京市重點實驗室;2.藥物靶點研究與新藥篩選北京市重點實驗室,北京 100050)

靶向藥物制劑的概念源于1906年德國病理和免疫學(xué)家Paul Ehrlich提出的“魔術(shù)子彈”構(gòu)想[1],其設(shè)想可以將抗體和具有細胞毒性的化學(xué)治療(化療)藥物結(jié)合在一起,從而創(chuàng)造出一種具有高治療窗口、高選擇性和高細胞毒性的癌癥治療方法。靶向藥物制劑又稱為靶向給藥系統(tǒng)(targeted drug delivery system,TDDS),系指采用載體將藥物通過循環(huán)系統(tǒng)濃集于靶器官、靶組織、靶細胞和細胞內(nèi)特定結(jié)構(gòu)的一類新制劑[2]。它由藥物、導(dǎo)向部分和藥物載體三部分組成,三部分相互協(xié)調(diào)。小分子(抗體、基因、肽等)和納米載體(脂質(zhì)體、膠束、聚合物納米顆粒等)的摻入可以選擇性地“靶向”病原體而不傷害宿主生物體[3]。近年來,隨著分子生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科以及納米技術(shù)的發(fā)展,靶向藥物制劑的概念越來越完善,基于納米顆粒的靶向給藥也越來越受到人們的關(guān)注,并逐漸成為靶向治療的焦點。筆者在本文總結(jié)靶向藥物制劑相比于普通制劑的優(yōu)勢,分類介紹靶向藥物制劑的特點以及在治療中的應(yīng)用,并進一步探討其在臨床應(yīng)用中面臨的機遇與挑戰(zhàn),以期為靶向藥物制劑的研究提供參考。

1 普通藥物制劑與靶向藥物制劑比較

藥物在體內(nèi)吸收、分布、代謝和排泄過程中,首先必須跨越多層生物膜,進行多次轉(zhuǎn)運,才能在體內(nèi)發(fā)揮作用,相關(guān)轉(zhuǎn)運蛋白在一定程度上決定了藥物的血漿和組織濃度[4]。根據(jù)生物藥劑學(xué)分類系統(tǒng)(biopharmaceutics classification system,BCS),外排轉(zhuǎn)運蛋白和攝取轉(zhuǎn)運蛋白會影響B(tài)CS Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類藥物的遞送和藥物相互作用[5]。

據(jù)統(tǒng)計,最新研發(fā)的藥物中有60%～70%屬于BCS Ⅱ類和Ⅳ類[6],因此多數(shù)藥物存在水中溶解度低、滲透性差、體內(nèi)半衰期短、易被轉(zhuǎn)運蛋白外排等問題。普通藥物制劑經(jīng)過溶出或釋放過程后,進入體循環(huán)的藥物會在全身組織器官進行分布,只有少量可以到達靶組織,而要提高藥物在靶部位的濃度,就必須提高給藥劑量,從而導(dǎo)致藥物在體內(nèi)的過度積聚,產(chǎn)生不良反應(yīng)。

靶向藥物的基本原理是將高濃度藥物輸送到目標(biāo)部位,同時盡量減少其在非靶向區(qū)域濃度。這一方式有助于優(yōu)化藥物治療效果,減少由于多靶點相互作用、高藥物劑量和非靶點作用所致不良反應(yīng)[6]。此外,靶向藥物制劑使用的納米材料進行表面修飾的可能性巨大,從而為選擇不同靶標(biāo)進行特異性靶向鋪平了道路。靶向藥物制劑一般常用的載體有脂質(zhì)體、微囊、微球、納米囊、納米球等,為保證體內(nèi)安全性,載體通常都是由生物相容、無毒和可生物降解的納米材料組成[7]。在工業(yè)化生產(chǎn)方面,靶向藥物制劑的設(shè)計考慮到了可能的臨床轉(zhuǎn)化,其制備易于規(guī)?；a(chǎn),理化性質(zhì)易于控制[8]。

總體來講,靶向藥物制劑具有特異性、靶向性、藥物作用時間長、副作用小、載藥范圍廣等特點。與普通制劑相比,還具有增加難溶性藥物溶解度、延長半衰期、提高生物利用度、增強藥物在體內(nèi)穩(wěn)定性等優(yōu)勢。

2 靶向藥物制劑的分類

科學(xué)家通過對疾病組織處的結(jié)構(gòu)和功能以及人體在疾病狀態(tài)下各種功能的響應(yīng)進行研究,制定和設(shè)計各種靶向制劑。

根據(jù)靶向制劑在體內(nèi)的作用靶標(biāo)不同,可將靶向制劑分為一、二、三級靶向制劑。一級靶向制劑以特定的組織和器官為靶標(biāo)輸送藥物,例如將碘帕醇裝載在納米球中修飾獲得的抗5-羥色胺受體3(5-hydro-xytryptamine receptor 3,5-HT3R)抗體-殼聚糖-納米球,可以與胃腸道黏膜上高表達的5-HT3R結(jié)合,增強造影劑的腸道靶向能力[9];二級靶向制劑是以特定細胞為靶標(biāo)輸送藥物的制劑,如LI等[10]將透明質(zhì)酸納米膠束作為載體,可以將水飛薊賓靶向遞送至肝纖維化的大鼠肝星狀細胞;三級靶向制劑以細胞內(nèi)特定部位或細胞器為靶標(biāo)輸送藥物,例如線粒體靶向治療的復(fù)合修飾金納米棒[11],實現(xiàn)了靶向線粒體的細胞內(nèi)輸送。

靶向藥物制劑更為常用的分類方法是按作用方法分類,包括被動靶向制劑、主動靶向制劑和物理化學(xué)靶向制劑3類。

2.1被動靶向制劑 被動靶向制劑是指由于載體的粒徑、表面性質(zhì)等特殊性使得藥物在體內(nèi)特定靶點或部位富集的制劑,這種稱為“被動”的靶向依賴于載體特性和毛細血管通透性,但不具有與特定組織或器官結(jié)合的特異性配體[12]。被動靶向制劑主要包括脂質(zhì)體、納米粒、微球或微囊以及乳劑等。

2.1.1脂質(zhì)體 自從BANGHAM等[13]首次發(fā)明脂質(zhì)體以來,此納米系統(tǒng)領(lǐng)域的研究取得了巨大的進展,被認為是迄今為止最成功的藥物載體系統(tǒng)。

脂質(zhì)體是將藥物包封于脂質(zhì)雙分子薄膜中所形成的超微球形制劑,粒徑80～200 nm[14],一般由磷脂和膽固醇構(gòu)成,結(jié)構(gòu)類似于生物膜[7]。膽固醇通常在組裝過程中添加到脂質(zhì)體,其本身不形成脂質(zhì)雙分子層,但能以高濃度方式摻入磷脂膜,改變膜的流動性[15]。脂質(zhì)體主要靶向在肝、脾、腎等富含網(wǎng)狀內(nèi)皮細胞的組織和器官。

MATSUMURA等[16]在1986年提出,在脂質(zhì)體包裹藥物的情況下,可以減少藥物在腎臟的排泄,延長血液半衰期。此外,載藥脂質(zhì)體可以通過滲透與滯留增強效應(yīng)(enhanced permeability and retention effect,ERP),實現(xiàn)相對更有效和更具選擇性的靶向。由于脂質(zhì)體具有細胞樣膜結(jié)構(gòu)、生物相容性優(yōu)、免疫原性低、保護活性基團多、半衰期長、安全性和有效性好等優(yōu)勢,科研工作者研究開發(fā)了許多脂質(zhì)體靶向制劑。調(diào)理素蛋白通常會將脂質(zhì)體識別為外來顆粒,導(dǎo)致巨噬細胞的攝取。新型聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)樹突磷脂使用β-谷氨酸樹狀分子,將PEG鏈與二硬脂酰磷酸乙醇胺脂質(zhì)連接,這種超隱形脂質(zhì)體不僅具有良好的穩(wěn)定性,還可以增加血液循環(huán)的時間,增強療效[17]。LI等[18]開發(fā)了由葉酸修飾的負載姜黃素的脂質(zhì)體,顯示出更強的細胞毒性作用,能夠滲透組織并被葉酸受體特異性識別,從而具有更強的體外抗腫瘤活性。

2.1.2納米粒 納米粒是粒徑1～100 nm的固體膠體。根據(jù)其骨架形態(tài),可將其分為納米球和納米囊。納米粒作為新型藥物載體的代表,一直是顆粒給藥系統(tǒng)的研究熱點。藥物制成納米粒后,可隱藏藥物的理化特性,其體內(nèi)過程依賴于載體的理化性質(zhì),而載體的理化性質(zhì)又可以通過調(diào)整組分分子或制備方法改變。不僅如此,納米粒還可以實現(xiàn)藥物的控制釋放,在某些情況下,定制藥物對特定刺激(如pH值、光、熱或酶)作出反應(yīng),能極大改善患者的治療效果。

納米粒的一個主要限制也是免疫系統(tǒng)的快速和非特異性清除,導(dǎo)致其保留時間縮短,從而限制了生物利用度[19]。PEG是最常用的隱藏材料,PEG共聚物包覆氧化鐵納米粒可以避免網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的攝取[20]。然而,PEG修飾的納米粒在體內(nèi)吸收和逃逸的不良作用使其在應(yīng)用過程中受到限制。因此有更多的材料被開發(fā)出來代替PEG,如殼聚糖、葡聚糖、玻璃酸等。

CAHALANE等[21]開發(fā)了2種基于納米粒的載體:聚乳酸-羥基乙酸-酪氨酸聚磷酸酯和l-酪氨酸聚磷酸酯,用于包裹磁共振成像造影劑釓-二乙烯三胺五乙酸及抗炎藥羅利普蘭。這為研究開發(fā)納米粒作為載體、將顯像劑和藥物輸送到神經(jīng)炎癥部位奠定了基礎(chǔ)。GAO等[22]研究表明,含硒納米?？赏ㄟ^全身給藥將化療藥物多柔比星特異性遞送至靶部位。同時,輻射可以將含有二硒化物的納米粒氧化為亞硒酸,發(fā)揮協(xié)同作用和免疫調(diào)節(jié)活性。

基于納米技術(shù)的納米晶體在增加難溶性藥物溶解度以及提高治療效果等方面發(fā)揮著重要的作用。納米晶體屬于亞微米膠體分散體系,具有納米級的粒度分布,平均粒徑<1 μm,通常為200～500 nm[23],其大比表面積使得藥物飽和溶解度增加,擴散途徑減少,從而提高了生物利用度。CHOI[24]制備的西洛他唑(cilostazol,CLT)納米晶,與CLT在不同介質(zhì)(純化水、pH值1.2和pH值6.8緩沖液)中的溶解度相比,CLT納米晶溶解度24 h內(nèi)分別顯著增加10.7、7.6和10.0倍。STAHR等[25]制備了不同大小的橙皮素納米晶體,結(jié)果表明,隨著粒徑的減小,表觀溶解度不斷增加,并在粒徑<200 nm時尤其明顯,表明橙皮素納米晶體可有效改善橙皮素較差的水溶性,提高生物利用度。目前發(fā)展的智能多功能納米晶,可以將診斷、治療和實時監(jiān)測整合到具有多種功能的單一遞送系統(tǒng)中,有助于在個體患者的藥物治療過程中獲得即時反饋,對于探索智能和個性化醫(yī)療具有重大意義[26]。

2.1.3微球 微球是直徑1～100 μm的小球形顆粒,由蛋白質(zhì)或合成聚合物組成,在自然界中可生物降解。其骨架材料常用明膠、海藻酸鈉、殼聚糖和聚乳酸-羥基乙酸共聚物等[27]。微球?qū)λ幬锏倪m應(yīng)性強于脂質(zhì)體,微粉狀態(tài)的藥物可以直接分散在微球材料中,在制備工藝以及材料選擇方面,也比脂質(zhì)體簡單得多[28]。ATHAMNEH等[29]使用無毒、可生物降解的海藻酸鹽和透明質(zhì)酸,制備了具有良好空氣動力學(xué)特征的氣凝膠微球。ZHENG等[30]在不使用有機溶劑、表面活性劑和交聯(lián)劑的情況下,在水性兩相體系中通過提高溫度進行物理交聯(lián),制備了直徑10～100 μm羧甲基甲殼素微球,在受控局部給藥系統(tǒng)中負載不同藥物和緩釋藥物方面表現(xiàn)出巨大的潛力。

2.2主動靶向制劑 與被動靶向相比,主動靶向依賴于表面配體與靶細胞之間的生物相互作用。此類生物配體通常與靶細胞表面的特定受體結(jié)合,并以這種方式增加細胞對藥物的攝取,同時提高治療效果[31]。與單一配體相比,配體密度的增加有利于通過多價效應(yīng)促進細胞攝取,為此可以使用蛋白質(zhì)、多糖、核酸、肽和小分子等各種類型的配體[32]。

2.2.1抗體介導(dǎo)的主動TDDS 該系統(tǒng)又稱抗體-藥物耦聯(lián)物(antibody-drug conjugate,ADC),其包含一種單克隆抗體,可通過化學(xué)方式與相關(guān)抗原特異性結(jié)合,將有效細胞毒劑導(dǎo)入特定的靶組織或器官。這種給藥系統(tǒng)旨在限制正常組織暴露于活性細胞毒性成分的范圍,以減少患者的非靶向毒性[33]。

2.2.2受體介導(dǎo)的主動TDDS 受體介導(dǎo)的靶向系統(tǒng)利用載體表面的靶向配體與疾病部位表達的特異性受體之間的相互作用來提高靶向特異性[34],可以根據(jù)靶細胞/器官上特定受體/蛋白質(zhì)的功能表達譜來選擇各種配體(例如抗體、肽、葉酸和透明質(zhì)酸等)。

2.2.3表面修飾的微粒給藥系統(tǒng) 生物材料-細胞界面的表面相互作用對于多種細胞功能(如粘附、增殖和分化)至關(guān)重要,它能夠觸發(fā)特定的細胞信號傳導(dǎo)并導(dǎo)致不同的細胞反應(yīng)。在細胞水平上,表面修飾能夠降低免疫原性,減少蛋白質(zhì)的非特異性粘附,改善藥物在載體上的負載[35]。此外,表面修飾有助于提高生物相容性、電生理穩(wěn)定性、收縮性和機械性能,增強滲透性[36]。

2.3物理化學(xué)靶向制劑 物理化學(xué)靶向制劑也稱物理或化學(xué)條件響應(yīng)型制劑,即通過設(shè)計特定的載體材料和結(jié)構(gòu),使其能夠響應(yīng)于某些物理化學(xué)條件,如pH值、酶活性、氧化還原反應(yīng);或者給予外力,如光照、超聲、磁場等來影響載藥微粒的位置,進而實現(xiàn)藥物的靶向釋放。它們的一個基本特征是修飾的可逆性,一旦去除修飾物理化學(xué)性質(zhì)的刺激物,它們就能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2.3.1磁性靶向制劑 磁性靶向制劑由藥物、磁性物質(zhì)和載體材料組成,利用體外局部磁場,引導(dǎo)進入體內(nèi)的磁性載藥微粒到達靶部位。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中載體上的磁性物質(zhì)主要有四氧化三鐵(Fe3O4)磁粉、鐵磁流體、磁性合金材料、鐵氧體磁性材料、羧基鐵等,它們具有良好的磁取向、小尺寸效應(yīng)、生物降解性和可附加活性官能團等優(yōu)點[37]。

2.3.2熱敏靶向制劑 熱響應(yīng)性聚合物靶向制劑通過改變納米材料的相變溫度來實現(xiàn)藥物釋放,但其在靶向性、穩(wěn)定性和包封效率方面存在不足。聚丙烯酰胺有一個可控的溶脹溫度,可以在一定溫度以上快速釋放藥物。D'AMORA等[38]將葉酸進行功能化,合成聚丙烯酰胺-葉酸納米球,數(shù)據(jù)表明納米顆粒的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變溫度為41 ℃,可有效實現(xiàn)藥物在癌癥部位的釋放。

2.3.3pH敏感靶向制劑 pH敏感靶向制劑通過結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化,例如表面活性、鏈結(jié)構(gòu)、構(gòu)象、溶解度和構(gòu)型,對環(huán)境pH變化作出響應(yīng)[39]。一般pH敏感聚合物包含酸性或堿性基團,可接受或提供質(zhì)子以響應(yīng)環(huán)境pH的波動,變化的性質(zhì)取決于pH敏感材料[40]。此外將pH敏感脂質(zhì)體與PEG連接,合成長循環(huán)pH敏感脂質(zhì)體,該方法既保留了pH敏感脂質(zhì)體的特性,又解決了其在體內(nèi)停留時間短的問題。

2.3.4光敏靶向制劑 光敏靶向制劑的原理是使用對光敏感的納米載體裝載藥物,待藥物到達靶部位時給予適當(dāng)波長的光照射,使光敏感鍵發(fā)生斷裂或者光敏聚合物載體迅速發(fā)生相變,從而釋放藥物[41]。常用的遞送系統(tǒng)有聚合物、脂質(zhì)體、油乳劑、某些金屬、一些蛋白質(zhì)和碳基納米粒子。MEEROVICH等[42]用磷脂酰-l-絲氨酸制備脂質(zhì)體,負載鈣黃綠素和多柔比星。研究發(fā)現(xiàn)用12～15 mW·(cm2)-1的遠紅外光照射此二元系統(tǒng),可以使脂質(zhì)體釋放的有效藥量增加5～15倍。

2.3.5超聲定位靶向釋藥微囊 超聲定位靶向釋藥微囊是一種利用超聲波進行定位和釋藥的靶向藥物制劑[43-44]。其最大特點是可以通過超聲成像直觀地確定微囊運行到靶部位的情況。利用超聲空化效應(yīng)可使微囊破裂、釋放藥物,從而達到靶向給藥的目的。例如林鳳云等[45]制備的更昔洛韋超聲定位靶向釋藥微囊,未加超聲影響時微囊具有良好的緩釋作用,在超聲影響下微囊可在25 min內(nèi)將藥物釋放完畢,具有潛在的應(yīng)用價值。

3 靶向藥物制劑在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用與展望

靶向藥物制劑在穩(wěn)定性、靶向性、緩釋性和長周期性等方面具有獨特的特點,為基于轉(zhuǎn)運機制的藥物開發(fā)提供了突破點,廣泛用作抗腫瘤藥、蛋白質(zhì)和多肽、抗菌藥物等的有效遞送途徑。納米晶在提高藥物生物利用度、溶出速率和溶解度方面表現(xiàn)優(yōu)越,具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc廣闊的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)的快速發(fā)展,設(shè)計合適尺寸和表面性質(zhì)的納米載體可以有效改善治療藥物的藥動學(xué)和生物分布。目前開發(fā)的許多其他使納米載體在靶部位聚集的新方法,以某種方式減少納米藥物的外排,不僅可以克服多藥耐藥性,還可以延長納米載體的保留時間。

當(dāng)然,靶向藥物制劑目前的研究與應(yīng)用也存在一些問題,例如在體內(nèi)的分布不理想,靶向性較差,容易殺傷正常組織或細胞;一些磁性靶向制劑中的磁性物質(zhì)存在潛在的毒性;形成的制劑本身穩(wěn)定性、載藥量、包封率較差等,使得它們在臨床轉(zhuǎn)化中存在挑戰(zhàn)。此外,由于體內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性,TDDS從實驗室到臨床的轉(zhuǎn)化仍然需要大量的時間和精力。在工業(yè)化生產(chǎn)方面,建立制備可控、使用安全和有效的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也是面臨的又一挑戰(zhàn)。

因此,今后靶向制劑將朝著合成和發(fā)現(xiàn)新的無毒、生物相容性好、可生物降解的高分子納米載體材料;根據(jù)藥物的不同性質(zhì),不斷探索和優(yōu)化制備工藝,設(shè)計多重靶向的新劑型;充分利用病變組織微環(huán)境的特點,進行新型、高效靶向制劑的研究等方向發(fā)展[46]。基因治療是近年發(fā)展起來的一種補充人體缺失基因或關(guān)閉異?；虻男炉煼?對于惡性腫瘤、先天性遺傳病、艾滋病、糖尿病等疾病的治療具有重大價值。研究攜帶治療基因片段或雜合體重組DNA質(zhì)粒,保持其不被核酸酶降解,順利地轉(zhuǎn)導(dǎo)入人體靶位的載體也將是靶向藥物制劑研究領(lǐng)域的重要課題。

毫無疑問,靶向藥物治療是一種很有前途的治療策略。相信在不久的將來,經(jīng)過科研人員的不斷努力探索,新材料與新技術(shù)的不斷開發(fā)與應(yīng)用,靶向藥物制劑將會發(fā)揮更為重要的作用,造福于更多患者。