腫瘤酸度響應高分子藥物載體研究進展

孫春陽綜述，于春水審校

（天津醫科大學總醫院醫學影像科，天津市功能影像重點實驗室，天津300052）

高分子納米藥物載體系統具有獨特的尺寸，可以通過鍵合、包載或囊封方式負載并保護化療藥物分子，提高藥物的體內穩定性，避免藥物在血液中被快速清除；此外，高分子納米載體可以借助腫瘤血管的增強通透性和滯留效應（Enhanced Permeability and Retention effect，EPR effect） 改變藥物的體內分布、被動地增強藥物病灶富集、降低給藥劑量和毒副作用[1-3]。由于在腫瘤治療中體現出的巨大潛力，納米載藥系統長期以來一直是研究領域的熱點，以DOXIL?、力樸素為代表的納米藥物已經進入臨床，并獲得了相當的市場份額[4-6]。

盡管藥物載體系統經過近十幾年的發展，取得了長足進步，但大量的基礎研究結果表明，現有納米載體還存在很多缺陷：如腫瘤細胞攝取量低、腫瘤滲透性差和藥物釋放速度不足等，嚴重制約載體療效的提升[7-9]。

近年來，研究人員逐漸發現，腫瘤組織由于更加旺盛的生理活動，存在與正常組織完全不同的微環境[10]。這其中，弱酸性環境是腫瘤組織和腫瘤細胞都具有的特異性環境。腫瘤細胞的能量需求高，會以更高的效率吸收葡萄糖促進自身快速生長，而葡萄糖的利用方式主要是產能效率低下的糖酵解作用。與此同時，細胞會產生并外排大量乳酸，造成腫瘤組織基質呈現弱酸性，一般認為，腫瘤組織基質的pH值為6.5～7.2[11]。另一方面，為了維持酸性水解酶活性，腫瘤細胞內內涵體或溶酶體表面會表達特殊的轉運蛋白，以泵入氫離子，從而將pH環境維持在 5.0～5.5 范圍[12]。

綜上所述，腫瘤細胞普遍性的生理活動造成了腫瘤組織基質和細胞內的弱酸性環境。這種生理基礎十分穩定，在多種腫瘤細胞系中均有所報道。因此，基于其設計構建pH敏感高分子載藥系統，有望解決藥物體內輸送的多重屏障，實現更好的治療效果。近年來，該研究領域已有較大進展，本文將這些工作進行綜述。

1 腫瘤基質酸度促進納米載體組織滲透

當納米顆粒經EPR效應進入腫瘤組織后，其尺寸大小是影響腫瘤滲透和組織深部給藥的決定性因素。大尺寸顆粒（100～400 nm）的體內循環時間長，EPR效應受益性好，但無法進入腫瘤深層組織；小顆粒的腫瘤滲透性更好，但在系統給藥后易被迅速清除，缺乏長血液循環和腫瘤富集性能。已有研究證明，腫瘤酸度可調控納米顆粒尺寸，在正常生理環境下，其尺寸約為100 nm；而當外部刺激源出現，顆粒收縮或崩解，產生小尺度顆粒，完成腫瘤滲透。例如，Wang等[13]將聚酰胺胺（PAMAM）樹枝狀分子鍵合于100 nm尺度的納米顆粒表面，在腫瘤組織pH條件，橋聯化學鍵CDM發生降解，PAMAM從大顆粒表面釋放。激光共聚焦顯微鏡觀察發現，攜載鉑類藥物的PAMAM分子可以在BxPC-3腫瘤模型中具有更優越的滲透能力，從而更好地抑制腫瘤生長（圖 1）。

進而，他們還設計了超敏聚乙二醇-聚甲基丙烯酸2-（六甲撐亞胺）乙酯-聚酰胺胺嵌段聚合物（PEG-PAEMA-PAMAM/Pt），在 pH 7.4 環境下，聚合物可組裝形成80 nm的納米顆粒，在PEG殼層保護下實現體內長循環；在進入腫瘤組織后，疏水的PAEMA嵌段迅速轉變為親水性，納米顆粒解離，小尺寸的親水高分子鏈攜載藥物滲透至腫瘤組織深部（圖2）[14]。組織分布及瘤內擴散實驗證實，該納米載體不僅具有較好的EPR效應，而且具有較好的瘤內深部滲透作用。Ge等[15]利用2，3-二甲基馬來酸酐對聚乙二醇-聚天冬氨酸進行修飾，得到PEG-PAsp（EDA-DM）；再將負電性 PEG-PAsp（EDA-DM）與正電性PAMAM-Pt（IV）前藥分子進行自組裝，形成～140 nm的大尺寸納米顆粒。在pH 6.8條件刺激下，聚合物的側基發生降解，使聚合物鏈由負電性轉變為正電性，破壞其與PAMAM-Pt（IV）之間的相互作用，釋放 PAMAM-Pt（IV），增強對 A549R 耐藥細胞的增殖抑制作用。

圖1 激光共聚焦顯微鏡觀察并分析響應性載體（紅色熒光，RhB）在腫瘤內釋放PAMAM分子（綠色熒光，Flu）的行為[13]

圖2 超敏pH響應納米顆粒將在進入腫瘤組織后，迅速解離為單分子鏈，增加進入腫瘤深層組織的能力[14]

2 腫瘤基質酸度增強納米載體細胞攝取

已有研究表明，納米載體表面“PEG化”會極大限制腫瘤細胞對其的攝取；同時，納米顆粒的表面性質對其細胞攝取有重要影響。因此，可基于腫瘤組織pH環境設計響應性納米載體，調控顆粒表面性質實現提高細胞攝取的目的。Bae課題組[16]利用聚丙交酯-聚乙二醇-聚組氨酸-生物素和聚乙二醇-聚組氨酸構建了混合膠束。在正常生理環境，聚組氨酸為疏水嵌段，使生物素靶向分子貼近膠束內核；而在腫瘤基質pH環境，咪唑環質子化，聚組氨酸轉變為親水性，生物素分子移動至膠束外層，發揮靶向功能，提高膠束進入腫瘤細胞的含量（圖3）。

圖3 腫瘤酸度觸發靶向基團（biotin）發揮功能的示意圖[16]

Wang等[17-20]構建了一系列響應性“電荷反轉”納米顆粒，在系統給藥后，顆粒表面負電荷會降低蛋白吸附，延長顆粒的循環時間，提高被動靶向性能；而當顆粒富集于腫瘤組織后，聚合物側基的DMMA基團發生降解，負電性納米顆粒轉變為正電性，增強顆粒與蛋白的結合作用。與非響應性載體相比，“電荷反轉”顆粒能夠兼顧長循環和細胞攝取兩方面優勢，將更多的藥物輸送至腫瘤細胞內，改善藥物治療效果。在此基礎之上，Wang等[21-23]進一步對DMMA基團進行改進，合成了多種聚乙二醇化響應性橋聯聚合物，通過“PEG脫殼”策略，進行siRNA和化療藥物體內遞送。當載體被動進入腫瘤組織后，Dlinkm化學鍵降解，使PEG殼層從納米顆粒表面脫落，提高腫瘤細胞對載體的識別能力。在給藥后對腫瘤細胞進行分析，可發現胞內藥物濃度顯著提高（圖4）。

圖4 高分子納米載體借助PEG殼層的保護，延長藥物的血液循環；在富集于腫瘤組織后，通過“電荷反轉”/“PEG脫殼”等策略，提高腫瘤細胞的識別攝取[21]

使用細胞穿膜肽對聚乙二醇化載體進行修飾，可以在體外水平顯著性增強細胞攝取；但修飾后的納米顆粒后會在體內循環過程中被加速清除，降低載體系統的療效[24-25]。Yang等[26]將穿膜肽Transcriptional Activator Protein（TAT）中的賴氨酸側基用2,3-二甲基馬來酸酐修飾，藥代動力學和分布實驗結果顯示，當賴氨酸氨基被屏蔽后，TAT功能被顯著抑制，載體的循環性能與未修飾TAT的顆粒相近；只有在pH 6.5條件下，DMMA基團降解，TAT才能在腫瘤組織發揮功能，增強顆粒的細胞攝取能力，在體內腫瘤抑制實驗中，這種載體系統體現出了自身的優越性。Zhou等[27]采用類似方法，結合腫瘤細胞胞內谷胱甘肽響應性藥物釋放，同時解決細胞攝取和胞內藥物釋放屏障，實現了級聯響應性藥物遞送。

3 腫瘤細胞酸度加速藥物胞內釋放

藥物釋放是納米載體體內給藥的最后一步，只有在細胞內將原藥分子迅速釋放，才能發揮殺傷腫瘤細胞的功能。納米載體在細胞攝取后，會在較長時間內處于內涵體/溶酶體。因此，可以設計響應性的納米藥物載體，針對細胞器內弱酸性環境（pH 5.0～5.5）解離或降解，快速釋放藥物。目前，具備胞內敏感藥物釋放性質的載體的設計手段，主要有兩種：一種是將反應基團修飾在聚合物側基，當納米顆粒接收到刺激源后，其側基會發生響應性的降解或質子化，使得疏水嵌段轉變為親水嵌段，顆粒在無法獲得疏水-疏水相互作用的支持后會快速解離為高分子鏈，同時釋放包載藥物。Yu等[28]報道了聚乙二醇-b-聚（二異丙基氨基甲基丙烯酸酯），在pH 7.4條件下，兩親性聚合物可自組裝形成蠕蟲狀的納米膠束。當納米顆粒被A549肺癌細胞攝取后，由于二異丙基氨基基團的質子化，顆粒會迅速解離，恢復光敏劑Ce6功能，對腫瘤細胞進行高效的光動力學治療（圖5）。Zhong等[29]利用聚乙二醇-聚甲基丙烯酸（三甲氧基苯甲縮醛-三羥甲基乙烷酯）-聚丙烯酸（PEG-PTTMA-PAA）制備了攜載阿霉素（DOX）的納米囊泡，在pH 5.0條件下，縮醛鍵降解，使兩親性聚合物的親疏水比例變化，調控納米顆粒組裝狀態，DOX得以釋放并殺傷Hela細胞。Wooley等[30]將紫杉醇（PTX）分子經β-硫代丙酸酯鍵鍵合于聚乙二醇-聚磷酸酯側基，制備得到的PEO-PPEPTX在進入OVCAR-3細胞后，β-硫代丙酸酯鍵降解，PTX與聚合物骨架分離，使疏水嵌段轉變為親水嵌段，PTX快速釋放。

圖5 在中性條件，兩親性聚合物自組裝為蠕蟲狀納米膠束；腫瘤細胞酸性條件刺激聚合物轉變為全親水性，膠束解離[28]

另一種實施方案是將化學鍵作為納米顆粒親疏水組分的橋聯部分，當橋聯化學鍵遭遇刺激源后，會迅速降解，從而將親疏水組分分離，最終改變納米顆粒的組裝結構，進一步促進藥物釋放。Wagner研究組[31]曾利用腙鍵將PEG與疏水性膽固醇“橋聯”，并與DNA復合，組裝成納米顆粒。在生理條件下顆粒可穩定存在，而被細胞攝取并進入內涵體后，在偏低的pH環境（pH=5.4）下腙鍵迅速降解斷裂，使納米顆粒表面脫去PEG保護層，去PEG化的納米顆粒在響應性釋放DNA的同時可以顯著促進基因藥物從內涵體的逃逸。上述載體系統在體外水平與非“橋聯”的體系相比，基因藥物的轉染效果增強約40倍（圖6）。

圖6 橋聯高分子的化學鍵被弱酸性環境降解，納米載體崩解，釋放攜載DNA[31]

4 展望

腫瘤酸度響應納米藥物載體巧妙利用了腫瘤組織和腫瘤細胞內獨特的微環境，有效解決了納米載體在系統給藥后面臨的腫瘤滲透、高效攝取、快速釋放藥物等難以，改善了原有化療藥物的療效，降低了毒副作用，受到納米醫學科研工作者的廣泛關注。除了腫瘤酸度，腫瘤組織還存在還原物質、特異性表達酶等內在微環境；同時，超聲、激光等也是很好的外部刺激因子。在未來抗腫瘤藥物遞送研究中，多重級聯響應性載體將成為研究熱點。這種載體集成了不同微環境下的協同效應，不僅能夠更好地克服各個給藥屏障，還可以協調各個屏障間的關系，實現高效藥物遞送。然而，多重響應性載體的材料合成步驟復雜，質量不容易控制，只有聯合推動材料學和相關學科共同發展，才能有效解決該問題，使納米藥物載體的給藥向更加精準化方向發展。