納米級靶向化療藥物的研究現狀和應用前景

龔　銳　李勝英(天津醫科大學第二醫院藥劑科，天津　3002)

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納米級靶向化療藥物的研究現狀和應用前景

龔銳李勝英1(天津醫科大學第二醫院藥劑科，天津300211)

〔關鍵詞〕納米級靶向化療; 3D篩選體外模型

1天津兒童醫院檢驗科

第一作者:龔銳(1975-)，女，碩士，主管藥師，主要從事藥物分析方面的研究。

化療藥物的副作用使其應用范圍很小在過去的十幾年中，納米醫學將納米尺寸和納米結構的材料應用于藥物的開發，其獨特性能克服了很多傳統化療藥物的限制，成為一個有發展前途的抗癌手段〔1，2〕。目前納米顆粒-化療藥物制劑已被批準臨床使用，最知名的是阿霉素(鹽酸多柔比星脂質體)和商品名為Abraxane的紫杉醇(白蛋白納米顆粒)，尚有一些其他藥物目前在臨床試驗階段〔3〕。納米顆粒可以防止化療藥物降解以提高其在體內的生物分布，使其直接作用于腫瘤組織并減少對健康組織的影響。

1　腫瘤的靶向給藥方式和機制

在臨床前期和臨床研究中，已證明實體腫瘤的靶向給藥主要通過兩種方式:被動積累和主動靶向給藥〔2〕。被動積累利用了腫瘤組織的病理生理特性:即腫瘤血管豐富、血管壁間隙較寬、結構完整性差，淋巴回流缺失，能夠允許尺寸為幾百納米的納米載體通過。正常組織中的微血管內皮間隙致密、結構完整，納米顆粒不易透過血管壁〔2～4〕。而被動積累依賴于納米載體藥物可使循環時間延長特性，從而可以在腫瘤部位聚集，也被稱為滯留效應(EPR)。循環時間取決于納米粒子的物理化學性質(大小，電荷，生物降解性，溶解度，形狀，剛度等)，這些特性在不同的給藥系統中都可以輕易調節〔4〕。

最常見的修飾是通過在納米顆粒表面添加聚乙二醇(PEG)和/或其衍生物增加親水性，從而逃避巨噬細胞捕捉與增加循環時間〔2，4〕。多糖與PEG的作用類似，可通過提供空間位阻防止非特異性蛋白吸附，以延長循環中納米粒子的穩定性。例如，Goncalves等〔5〕證實十六酯糊精乙烯基聚合物膠束在血循環中的穩定性和滯留時間延長。同樣，半乳糖基化殼聚糖5-氟尿嘧啶納米粒子〔6〕與聚乙烯亞胺/DNA側鏈的半乳糖化殼聚糖〔7〕在體內表現出相同的穩定性和循環時間的提高。此外，多糖具有可結合生物活性分子(如多肽、抗體或蛋白質)的官能集團，納米粒子復合藥物比單一的藥物生理功能活性極大增強〔5～7〕。大多數的納米藥物制劑的臨床應用和發展主要依靠被動積累作用于腫瘤，因此，通過親水性聚合物和生物聚合物來賦予其“隱身”特性以增加循環時間是其成功的關鍵。

主動靶向制劑實現了納米顆粒對靶細胞的識別。其利用靶細胞特異表達或過表達的多肽或抗體作為配體。因此，主動靶向制劑實際上并沒有提高在納米粒子在腫瘤部位的積累，而是提高了由于腫瘤部位脈管系統被動外滲的后，細胞對納米粒子的攝取〔2，8〕。腫瘤納米藥物制劑中，鐵和葉酸是主動靶向制劑配體中最常見的基團〔9〕。臨床獲批的唯一的用于治療白血病和淋巴瘤主動靶向制劑的納米藥物是抗體耦聯藥物〔2，10〕。目前，還沒有主動靶向制劑納米粒子制劑被批準用于臨床使用，只有少數幾個尚在在臨床試驗階段。

2　靶向給藥存在的問題

盡管有充分的證據和廣泛的研究工作證明被動和主動靶向納米藥物癌癥治療的有效性，但在臨床它們僅取得了有限的成功。因為腫瘤微環境具有復雜性(腫瘤的異質性，血管，腫瘤位置)，會對納米粒子的外滲，積累，及滲透到腫瘤產生影響。腫瘤的微環境是高度異質性的，超過半數為非癌細胞和細胞外基質(ECM)構成的致密組織〔2〕。此外，腫瘤血管的高滲透特性使得納米粒子和體液可輕易進入腫瘤組織環境，從而造成腫瘤間質壓力非常高〔2〕。隨著腫瘤間質壓力增加體積增大，而腫瘤的最外層區域壓力較低，導致惡性細胞在固體腫瘤內往往是高度壓縮和高異質性的〔2〕。因此，雖然腫瘤血管的高滲透特性可以促進納米粒子的進入和積累，但也構成一些壁壘阻礙靶向給藥系統有效地到達腫瘤細胞而實現“魔術子彈”的抗癌療效。

另外納米給藥系統忽略了體外和體內研究的差異性。在體內納米粒子與活細胞接觸時，蛋白質會立即覆蓋納米物質表面，形成"蛋白質冠冕"，在生物介質上產生一個新的生物體。蛋白質冠冕對細胞的攝取、炎性反應、納米粒子的積累及降解和清除均有影響。此外，所吸附蛋白質的組成和構象也可以影響納米顆粒的整體生物活性〔10〕。納米顆粒的理化特性如化學構成、疏水性、PH、官能基團、大小和形狀都影響表面蛋白質吸附。這些理化性質對蛋白質冠冕的成分以及對生物相互作用的影響已在其他領域進行了廣泛研究〔10〕。

3　腫瘤靶向藥物的展望

基于對腫瘤微環境的認識，為了使納米粒子突破這些障礙達到目標腫瘤細胞，目前的研究工作主要致力于利用納米粒子作為藥物運送的載體，以此克服以往納米粒子主動和被動靶向給藥的一些限制。

3. 1靶向納米粒子作用于腫瘤的不同部位已有的方法之一是規避靶向納米粒子從腫瘤血管外滲到腫瘤脈管系統的多種阻礙〔2〕。腫瘤血管傾向于表達或過表達細胞表面和ECM的蛋白質，而在正常的血管組織是不表達或較低水平表達，這一特性使他們成為理想的靶向給藥目標。腫瘤血管腔內表面細胞與循環的納米粒子直接接觸，避免了納米粒子穿透管內皮細胞和腫瘤之間的多個細胞將其攜帶藥物滲透到腫瘤組織，同時也解決了納米粒子在腫瘤組織的高細胞密度、細胞外基質和高細胞間隙壓力下滲透的難題。腫瘤血管靶向是在納米粒子上添加了與腫瘤血管結合的ECM抗體片段和多肽，如纖連蛋白額外結構域B(EDB)和纖維蛋白-纖連蛋白復合物，以及可與腫瘤內皮細胞高表達的受體或分子特異性結合的多肽，如某些整合素受體，氨肽酶-N(CD13)和核仁素〔2〕。雖然這一策略具有明顯優勢，但不適合無血管或血管密度低的腫瘤。此外，化療藥物納米粒子的靶向給藥在腫瘤血管微環境仍然分布貧乏。研究表明，化療藥物通常只能滲透三到五層細胞直徑的血管壁，幾乎沒有藥物能到達遠端的腫瘤細胞，導致耐藥性的發生〔10〕。

納米粒子攜帶藥物深入腫瘤組織的能力可極大提高化療藥物的療效，某些活躍的腫瘤血管靶向肽已建議用于增加腫瘤的穿透。Sugahara等〔11〕證明了在納米粒子表面加入循環iRGD肽序列可通過RGD集團與腫瘤血管整合素受體結合。結合的序列經過蛋白水解裂解的肽暴露一種新的集團可特異性與neutrophilin-1結合，從而滲透如腫瘤深部組織。進一步的研究表明，iRGD結合CendR(R/KXXR/K肽序)與腫瘤歸巢肽(NGR)可以極大提升腫瘤歸巢和滲透性〔12〕。這些具有腫瘤歸巢/滲透特性的多肽已通過噬菌體實驗展示出極大的優勢，可被用于研發先進的納米給藥系統。

3. 2改變靶向納米粒子特性提高藥物有效性研究表明，納米粒子的特性如大小、形狀和表面性質等對腫瘤歸巢/滲透特性有一定影響。研究證實只有非常小的納米顆粒(20 nm直徑或者以下)可以滲透到腫瘤內〔2，13〕。不幸的是，在這個尺寸范圍內的納米顆粒會迅速通過腎臟清除，因此無法有效地在腫瘤中積累。這導致了“納米顆粒尺寸悖論”，即大顆粒可增加循環時間而小顆粒則增加了滲透性。Wong等〔14〕曾試圖解決這個悖論，他們制備了100 nm的“多級”明膠量子點(QD)納米顆粒，在外滲到腫瘤后經腫瘤相關蛋白酶降解成10 nm的小顆粒，從而可以有效滲透到腫瘤組織。這些顆粒核心為氨基聚乙二醇明膠量子點，化學耦合1 -乙基-3 -(3二甲基氨基丙基)碳二亞胺(EDC)/N-羥基硫代琥珀酰亞胺化合物。較大的納米顆粒在外滲如腫瘤后，由于腫瘤微環境存在豐富的基質金屬蛋白酶而裂解為小的納米顆粒。

除了大小和形狀外，表面電荷也影響腫瘤滲透性。研究表明，粒子縱橫比對腫瘤滲透性也產生影響(即圓柱形優于球形)〔15〕。同樣，粒子表面的負電荷已被證明可提高滲透性〔2〕。然而，納米顆粒的形狀和大小對腫瘤穿透性改變的機制目前仍然知之甚少，這些不同的特性如何最大限度提高腫瘤滲透性仍有待研究。

3. 3外部環境干預提高靶向納米粒子藥物療效用藥物、酶或炎癥介質預處理腫瘤組織，或將這些分子與納米粒子連接可有效地提高納米粒子突破ECM屏障和/或增加細胞間隙的能力。納米粒子結合基質降解酶如膠原酶，明膠酶，和透明質酸酶有被證明可顯著提高納米顆粒向腫瘤內滲透，從而大大提高其療效〔2〕。松弛激素預處理腫瘤可導致膠原結構產生變化，能提高大分子外滲作用2～3倍〔2〕。低劑量化療藥物紫杉醇和阿霉素預處理腫瘤也可成功用于擴大細胞間隙和增強較大的納米粒子5～200 nm的滲透性〔16〕。Chauhan等〔15〕發現，服用血管緊張素抑制劑氯沙坦降低腫瘤間質的ECM密度，減少透明質酸的生產，從而降低了表達纖維化的信號和腫瘤血管的壓迫〔17〕，這些因素提高了腫瘤的氧含量，增強了藥物傳遞到腫瘤。改善了乳腺癌和胰腺癌的小鼠模型中的缺氧增強了化療藥物的療效。由于血管緊張素抑制劑廉價且已應用于臨床，因而其用于調節腫瘤微環境，改進納米粒子給藥系統對腫瘤細胞的療效在不久的將來可能成為現實。

最新研究證明，通過外部刺激如光、熱、磁或超聲觸發以釋放納米顆粒的內容物可以增強腫瘤的靶向給藥進而提高療效〔18〕，而通過將外部刺激限制在特定區域內，可以使藥物的釋放限定在該區域內。此外，這些外部刺激已被證明能提高較大的納米顆粒有效地分布于整個腫瘤。此類藥物具有代表性的如Thermodox，溫度敏感的多柔比星類脂質體靶向給藥納米粒子，目前也已處于第三階段臨床試驗〔2〕。雖然這一策略展示了許多優勢，但這一系統的穩定性和如何產生有效的局部刺激都使得其在臨床有效應用成疑。

3. 4建立可靠有效的體外三維(3D)實驗模型絕大多數的納米粒子研究是建立在二維(2D)基礎上的，即在單層細胞實驗中，納米載體粒子顯示了極大地有效性。然而只有在動物實驗甚至臨床試驗進行后，才可以觀察到其進入腫瘤細胞的有效性。腫瘤微環境十分復雜，體外體內實驗的相關性研究及其缺乏，而且體內模型不僅昂貴、復雜、耗時，而且在倫理方面缺乏可行性，所以需要采用更先進的體外模型來篩選納米粒子給藥系統。腫瘤球體(多種腫瘤細胞系細胞體外培養形成的球體)是目前采用的最簡便且最先進的納米顆粒3D篩選體外模型〔19〕。更復雜的系統可包含基質和其他支持細胞，而這些基質和支持細胞通常存在于腫瘤微環境和/或天然的及人工合成的ECM支架結構中〔20〕。這些3D的腫瘤球體系統可以用來研究納米粒子的滲透性及療效。靶向納米粒子2D模型與復雜的3D腫瘤球體模型之間轉換的相關研究亦有文章詳述〔21〕。

靶向納米顆粒，其獨特性能克服了很多傳統化療藥物的限制，既可以防止化療藥物降解以提高其在體內的生物分布，同時直接作用于組織，提高化療藥物的有效性，減少毒副作用和對正常組織的影響，這對提高化療藥物的有效性和病人的生活質量具有重要的意義。

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〔2015-05-09修回〕

(編輯袁左鳴)

〔文章編號〕1005-9202(2015)20-5990-03;

doi:10. 3969/j. issn. 1005-9202. 2015. 20. 152

〔文獻標識碼〕A

〔中圖分類號〕R98