介孔二氧化硅在藥物遞送系統及其體內外研究進展

張文君 吳夢婷 呂春艷 王晴 陳泳霖

（哈爾濱商業大學藥學院，哈爾濱150076）

隨著納米醫學的迅速發展，納米粒子在藥物遞送系統（Drug delivery system，DDS）的應用引起了人們的廣泛關注。傳統的納米載體常以有機物為基礎，如乳劑［1-2］、脂質體［3-4］、聚合物膠束［5-6］等，雖已展現出良好的載藥性能，但同時存在穩定性差以及藥物易泄露等缺陷，藥物釋放不能達到理想的目的［7］。相比之下，無機介孔二氧化硅納米粒子（Mesoporous silica nanoparticles，MSNs）因介孔結構可調、框架結構穩定、比表面積較高、生物相容性良好以及易于功能化［8-10］等優點在藥物遞送系統研究中備受關注。然而，介孔二氧化硅穩定的框架結構造成其在體內難降解、難排泄，長時間在體內重要器官積蓄，從而造成損傷。有研究表明，介孔二氧化硅在模擬體液中降解速度非常緩慢，大約15 d才能完全降解［11］。因此，為保證這些納米材料能夠安全應用于臨床，需明確它們在體內吸收、分布、代謝、排泄及生物相容性和毒性。本文介紹了近年來關于介孔二氧化硅在藥物遞送系統中及基因治療方面的應用，及對MSNs 的藥物代謝動力學、生物相容性和毒性進行了綜述，旨為后續在生物醫學的臨床研究提供借鑒。

1 MSNs 在藥物遞送系統中的應用

MSNs 作為一種具有高比表面積、大孔隙率及表面易功能化的載體材料，在藥物遞送系統中獲得了廣泛的應用，如被用于改善水難溶性藥物的溶解度，或作為控制藥物、靶向及基因遞送的載體。

1.1 改善藥物溶解度

隨著創新藥物的不斷開發，大部分候選新藥表現出低溶解度［12］。研究發現納米技術可明顯改善水難溶性藥物的溶解度，即將藥物制成納米粒或是將藥物載入納米材料中。在各種納米材料中，無機介孔二氧化硅因高孔隙率、大比表面積等優點，可作為一種理想的載體材料。介孔二氧化硅的硅醇基可與藥物分子形成氫鍵，提高藥物粉末的潤濕性和分散性，使其從晶態轉變為非晶態，與晶態相比，非晶態具有更高的自由能和更大的分子遷移率，且介孔內的空間位阻可以減緩或阻止非晶態藥物的再結晶［13-14］，從而改善藥物的溶解度和提高藥物的溶出速率。He 等［15］發現紫杉醇的溶解度在裝入MSNs后顯著提高，MTT 實驗表明，與紫杉醇原料藥相比，經介孔二氧化硅納米粒裝載的紫杉醇對HepG2細胞具有明顯的細胞毒性。Tzankov 等［16］以MCM-41 型介孔二氧化硅和中空型介孔二氧化硅（Hollow mesoporous silica，HMS）為載體，裝載難溶性藥物格列美脲（Glimepiride，GLI，BCS，II 類）。XRD 結果顯示，在MCM-GLI 和HMS-GLI 上，結晶度分別為38%和20%，純格列美脲樣品的結晶度為88%，表明格列美脲的某些結晶轉變為非晶態存在于載體的孔隙中。體外釋放試驗表明，兩種載體在2 h 內幾乎完全釋放，而純格列美脲的溶出率僅為30%。研究表明，經修飾后的MSNs 可進一步提高藥物的溶解度，Meka 等［17］將伏立諾他（Vorinosta，VOR）分別裝載入MSN（MCM-41）、經氨基修飾的MSN（MCM-41-NH2）和經磷酸酯修飾的MSN（MCM-41-PO3），經修飾后的MSNs 溶解度明顯增加（圖1），與游離藥物相比，在MCM-41-VOR、MCM-41-NH2-VOR 和MCM-41-PO3-VOR 中的VOR 溶解度分別提高了2.6 倍、3.9 倍和4.3 倍，且對Caco-2 人結腸癌細胞的滲透性也明顯增強，特別是經氨基修飾的MSN（MCM-41-NH2-VOR），其通透性提高了4 倍。

1.2 控制藥物釋放

介孔二氧化硅表面存在大量的硅烷醇基團，可通過各種有機官能團、聚合物和靶向基團對其進行修飾改性，使其具備控制藥物的吸附、釋放或靶向功能。其中，靶向型和刺激響應型MSNs 是控制藥物釋放的常用方法。

1.2.1 靶向型 靶向MSNs 是通過使用葉酸、多肽、蛋白/抗體、透明質酸等［18-20］不同配體對介孔二氧化硅載體表面進行修飾，使修飾后的載體與腫瘤細胞上的特異性受體結合，達到靶向治療的目的［21］。Zhang 等［22］通過二硫鍵將透明質酸（Hyaluronic acid，HA）修飾到MSNs 表面，制備了CD44 靶向的藥物遞送系統。因腫瘤細胞含有過度表達的CD44 受體，這些受體可特異性識別HA，從而促進HA 功能化的MSNs 內吞作用，使藥物在腫瘤組織中內化，提高藥物的抗腫瘤效果。Wei 等［23］制備了一種經聚多巴胺（Polydopamine，PDA）和導向肽CSNRDARRC（PEP）修飾的MSNs，并負載阿霉素（Doxorubicin，DOX），與未經修飾的MSNs相比，DOX-loaded MSNs@PDA-PEP 能夠特異性識別膀胱癌HT-1376 細胞，表現出良好的體外治療效果。Mandal 等［24］通過酰胺反應將琥珀酸酐和具有靶向作用的抗-B220 抗體修飾到MSNs 表面，并負載蒽環類柔紅霉素，可有效地與小鼠B220 陽性急性髓系白血病干細胞（AML LSCs）特異性結合，抑制病變細胞。此外，還可以將兩種靶向劑（雙靶向）修飾到同一納米載體上，從而進一步提高其選擇性［25］。López 等［26］制備了Janus 型介孔二氧化硅粒（J-MSNs），其可以不對稱地攜帶兩個靶向分子，即葉酸（Folic acid，FA）和三苯基膦（Triphenylphosphine，TPP），其中FA 可以靶向到葉酸受體，TPP 能夠靶向到線粒體，FA 會增加J-MSNs 在腫瘤細胞內的積累，隨后會在TPP 分子的引導作用下靠近線粒體（圖2），從而實現雙靶向的目的，雙靶點策略可用于提高MSNs 抗腫瘤的治療效果。

圖1 伏立諾他及負載其MSNs 的溶解度和滲透性［17］

圖2 雙靶向MSN 的作用機制［26］

1.2.2 刺激響應型 刺激響應型是將MSNs 和響應成分相結合形成一種復合載體材料，以實現光響應、磁響應、溫度響應、氧化還原響應、pH 響應、酶響應和多重響應等控制藥物遞送，達到“智能”釋放的效果［27-30］。

由于光具有無創、分辨率高等特性［31］，光響應是一種很有前途的外刺激觸發控制藥物釋放策略。Chen 等［32］用螺吡喃與氟化硅烷修飾MSNs，并負載抗癌藥物喜樹堿（Camptothecin，CPT），在365 nm紫外光照射下，螺吡喃由封閉態向開放態的構象轉換導致表面潤濕，使CPT 從孔隙中釋放出來。Li 等［33］制備了一種集光熱治療于一體化的介孔二氧化硅包覆金納米棒（AuNR@MSN）系統，該系統由磺化杯［4］芳烴（SC［4］A）作為控制開關，在近紅外光照射下，可激發AuNR 核等離子體加熱，從而降低環柄結合親和力，導致SC［4］A 環與莖分離，使納米閥呈現打開的狀態，釋放出產物。腫瘤組織（pH 6.8）以及細胞內體/溶酶體（pH 5.5）表現為比正常組織（pH 7.4）更強的酸性，Chang 等［34］利用體內pH 間的差異制備了一種由PDA 修飾的MSNs 載藥系統，并負載藥物地昔帕明（Desipramine，DES），在pH 6.0、pH 5.0 的弱酸性條件下，DES 在24 h 的釋放量大致為45%和70%。具有還原敏感性質的二硫鍵也可以用來構建化學刺激響應型MSNs。Wang 等［35］將聚乙二醇（Polyethylene glycol，PEG）與MSNs 通過二硫鍵連接，PEG 起到封堵藥物的作用，當加入谷胱甘肽（Glutathione，GSH）后，PEG 失活且二硫鍵斷裂，藥物從載體內釋放出來。Rijt 等［36］報道了一種以抗生物素蛋白分子作為封閉開關的MMP9 酶響應控釋系統，由于基質金屬蛋白酶（尤其是MMP2和MMP9）幾乎在各種類型腫瘤細胞中都過度表達，因此，MSNs-MMP9 能夠在高度表達的MMP9 腫瘤區域內被切割，從而釋放出化療藥物。此外，還可將不同單響應組分結合在一起形成雙響應或多重響應，Paris 等［37］制備了超聲-熱雙響應體系（圖3），即將熱響應聚合物p（MEO2MA）-co-THPMA 接枝到MSNs 上，此聚合物具有超聲可裂解的疏水四氫吡喃基，熱響應聚合物在低溫下可以實現藥物的裝載，當達到生理溫度時，聚合物收縮關閉孔隙入口，藥物被保留在載體中，在超聲作用下聚合物發生裂解且疏水性發生改變，其構象呈線狀打開釋放藥物，從而實現控釋藥物的目的。

圖3 雙響應釋放系統在水中的行為示意圖［37］

1.3 基因治療

介孔二氧化硅除了可以作為傳統的藥物載體外，還可作為基因轉染的載體，從而達到基因治療的目的。有效的基因傳遞在基因治療中起著重要的作用，因為裸核酸幾乎沒有穿透細胞膜的能力，所以載體在基因傳遞中起著重要的作用［7，38］。MSN因表面可功能化、生物相容性良好、物理化學穩定性等優點，可作為基因傳遞載體，從而提高細胞的吸收和轉染效率。基因治療主要包括小干擾RNA（siRNA）、質粒DNA（pDNA）和反義寡核苷酸（Antisense oligonucleotides，ASOs）［39］。MSNs 表面通常帶有負電荷，這使得帶相同負電荷的核酸負載率低。因此，通常通過氨基化和陽離子聚合物功能化等方法修飾MSNs，使其攜帶正電荷，再通過靜電引力作用促進基因的負載。Li 等［40］制備了一種雙響應型基因遞送系統CMSN-A，將二硫鍵和酰胺鍵同時修飾到氨基化的MSNs 上，細胞攝取研究表明，CMSN-A 可以同時將pDNA 和siRNA 轉染到不同類型的腫瘤細胞中。陽離子聚合物如聚乙烯亞胺（Polyethyleneimine，PEI）［41］、聚氨基胺（Poly amino amine，PAMAM）［42］、聚L-賴氨酸（Poly-L-lysine，PLL）［43］、殼聚糖（Chitosan，CS）［44］等常用于修飾MSNs，因陽離子聚合物所提供正電荷，不僅可以與核酸高度結合，保護DNA 不被酶降解，還能與帶負電荷的細胞膜之間存在較強的靜電引力作用，從而促進細胞對MSNs 的吸收。Zarei［45］制備了PEI 包覆的磷脂化介孔二氧化硅（Phospholipids mesoporous silica，PMSN）用于遞送DNA，轉染研究結果表明，PMSN-PEI 是一種具有低細胞毒性的基因轉染載體。

2 MSNs 的藥物代謝動力學

MSNs 是一種很有前途的生物醫學無機納米材料。然而，MSNs 在體內的安全性還未明確。因此，了解MSNs 在體內的吸收、分布、代謝、排泄是生物醫學應用MSNs 的首要前提。

2.1 MSNs在體內的吸收和分布

MSNs 的吸收和分布因給藥途徑的不同而存在很大的差異。Zheng 等［46］制備了不同縱橫比的介孔二氧化硅納米球（MSNSs）和介孔二氧化硅納米棒（MSNRs），細胞研究結果表明，MSNRs 比MSNSs 具有更高的細胞攝取能力。Fu 等［47］通過靜脈注射、皮下注射、肌肉注射和口服4 種不同的給藥途徑，系統研究了平均粒徑為110 nm 的二氧化硅納米粒的體內分布。結果表明，肌肉注射和皮下注射的部分MSNs 能通過不同的生物屏障進入肝臟，但吸收率較低，并且引起注射部位周圍的炎癥反應；經口服給藥后，MSNs 被腸道吸收并滯留在肝臟；靜脈注射的MSNs 主要存在于肝臟和脾臟。此外，體內分布情況還取決于MSNs 的形狀、尺寸、孔隙率、表面功能化等［48-49］。如短棒MSNs 易被肝臟捕獲，而長棒MSNs 分布于脾臟，經PEG 修飾后，兩種形狀的MSNs 在肺中的含量都有所提高［50］。此外，蛋白質電暈的形成也會影響納米粒子在體內的分布，還會產生溶血活性［51-52］。但經PEG 修飾的MSNs，既能阻止蛋白質電暈的形成，還能增加體內血液循環時間［53］，或可以通過帶有功能化基團（通常是堿性-NH2或酸性-COOH 基團）與MSNs 硅烷化來調節表面電荷，從而降低蛋白質電暈的形成［54］。

2.2 MSNs在體內的排泄

納米材料在體內的排泄途徑也是一項重要的研究。經不同途徑給藥后，MSNs 主要通過尿液和糞便排出。Li 等［55］發現口服MSNs 大部分可通過胃腸道從糞便中迅速排出，但部分完整的MSNs 或其降解產物可通過腸粘膜吸收，進入系統循環，最終通過腎從體內排出，且縱橫比越小的MSNs腎排泄率越高。靜脈注射后，尿液中可檢測出MSNs［56］。腎排泄已被確定為大多數類型的MSNs 的主要排泄途徑［57］，且排泄速率與MSNs 的降解性有關，隨著MSNs 縱橫比［55］或粒徑［58］的減小，降解能力越高，排泄速度越快。

3 MSNs 的生物相容性和毒性研究

MSNs 的粒徑、形狀、表面性質等不同以及活性氧的產生、給藥劑量和給藥途徑的不同，其生物效應也不同，因此了解MSNs 的生物相容性和毒性對其臨床應用的有效性和安全性至關重要。

3.1 粒徑和形狀的影響

MSNs 的粒徑大小對二氧化硅顆粒的毒性有很大的影響，且與其粒徑大小呈負相關。與較大粒徑的MSNs（200 nm）相比，粒徑較小的MSNs（50 nm）可通過血管內的縫隙滲透，因此可能更頻繁地干擾血流，從而產生毒性［59］。Ye 等［60］采用MTT還原法測定了粒徑為21 nm 和48 nm 的二氧化硅納米粒子對心肌細胞的毒性，結果顯示，二氧化硅納米粒子（21 nm 和48 nm）的CC50 分別為0.32 mg/mL 和1.29 mg/mL 左右，這說明粒徑較小的二氧化硅納米顆粒具有較高的細胞毒性。MSNs 的形狀會影響溶血活性，Yu 等［61］發現MSNs 的縱橫比越低，溶血活性越高，然而，磁性介孔二氧化硅納米粒子（M-MSNPs）或通過表面功能化的MSNs 可以降低甚至完全避免這種溶血活性。Shao 等［62］制備了3 種不同縱橫比（AR=1、2 和4）的M-MSNPs，由于細胞內吞途徑的不同，長棒M-MSNP 在癌細胞和正常細胞內的內化程度明顯高于短桿M-MSNP 和球狀M-MSNP，但3 種形狀的M-MSNPs 都具有良好的生物相容性，以及較低的細胞毒性和溶血活性。Zhao等［57］合成了3 種不同形狀的MSNs，長桿MSNs 納米粒（NLR）、短桿MSNs 納米粒（NSR）和球形MSNs 納米顆（NS），發現NLR 具有很強的克服網狀內皮系統（Reticuloendothelial system，RES）快速清除的能力，在血液循環中表現出比NSR 和NS 更長的時間。

3.2 表面性質的影響

除粒徑外，MSNs 的表面性質也被認為是影響其生物相容性的最重要因素。帶正電荷的納米粒子比帶中性和負離子的納米粒子能誘導更多的免疫反應和細胞毒性。在未進行表面修飾的情況下，帶負電荷的MSNs 會迅速與血清蛋白結合，進入血流后被RES 中的巨噬細胞清除，而且大量的硅醇基還會使MSNs 的潤濕性增加，引起嚴重的溶血［63］。然而，MSNs 的表面修飾在改變表面反應活性、提高生物相容性、延長體內循環時間等方面起著關鍵作用。Pisani 等［64］比較了磁性MSNs（M-MSNs）、PEG 修飾以及脂質體修飾的M-MSNs 發現，這3 種納米粒均未對肝細胞產生毒性，經PEG 修飾的M-MSNs 細胞攝取速度較慢，可使血液循環壽命延長，排泄率降低。

3.3 給藥劑量的影響

不同的給藥劑量也會對MSNs 的生物相容性和毒性產生影響。Kim 等［65］用MTT 法評價二氧化硅納米粒子的細胞毒性，分別對A549（圖4-A 和4-B）、HepG2 上皮細胞（圖4-C 和4-D）和NIH/3T3 纖維母細胞（圖4-E 和4-F）給予10-500 μg/mL 的劑量24 h 和72 h 后，結果表明，對于60 nm 的二氧化硅納米粒子，大劑量（200 μg/mL 和500 μg/mL）與其他劑量和尺寸相比，細胞存活率顯著降低（圖4），該結果表明60 nm 的二氧化硅納米粒子在高劑量下有著明顯的毒性作用。此外，二氧化硅納米粒子的毒性還依賴于細胞類型，與A549 和NIH/3T3 纖維母細胞相比，納米粒子暴露72 h 后HepG2 細胞的存活率與24 h 相比沒有明顯下降（圖4-E 和4-F）。

3.4 給藥途徑的影響

圖4 不同粒徑和劑量的MSN 在不同細胞暴露24 h（左）和72 h（右）的存活率［65］

納米材料靜脈注射是一種常用的給藥途徑，但血液相容性是其應用的關鍵問題。采取靜脈注射MSNs 時，其在血液循環中具有較長的停留時間，且MSNs 與血液成分的相互作用，可能產生嚴重的毒性，如紅細胞溶血、血栓形成或血蛋白吸附［66］。研究表明，表面修飾化可以明顯改善MSNs 的血液相容性［67］。He 等［68］采用不同分子量（x=4、6、10和20）和鏈密度（0.05 wt%-3.75 wt%）的PEG 修飾MSNs，結果發現，MSNs 經過分子量為10 k、鏈密度為0.75 wt%的PEG 修飾后，THP-1 吞噬率為0.1%，HRBCs 溶血率為0.9%，遠遠低于MSN（8.6%和14.2%）。Li 等［63］研究動物口服MSNs 后的體重、臨床癥狀和組織病理學，以檢測經口服后其體內的潛在毒性，結果表明，MSNs 對體重增加無明顯抑制作用。與對照組動物相比，處理組動物的心、肝、脾、肺、腎、腦等各項系數指標均在正常范圍內，無明顯差異。此外，心臟、肝臟、脾臟、肺及腎等主要器官與對照組相比也無結構變化或異常。

3.5 活性氧

二氧化硅表面的自由基可以與水反應產生活性氧（Reactive oxygen species，ROS），降低細胞內GSH 水平，引起氧化應激［69］。氧化應激可以損傷細胞成分，通過凋亡導致細胞死亡［70］。Passagne 等［71］合成了不同粒徑（20 nm 和100 nm）的二氧化硅納米粒子發現，20 nm 二氧化硅納米粒子具有明顯的細胞毒性，而100 nm 二氧化硅納米粒子的毒性較小，通過對活性氧的產生評估分析氧化應激，結果表明氧化應激參與了粒徑為20 nm 的二氧化硅的毒性作用，而粒徑為100 nm 的二氧化硅低毒性的原因可能是由于抗氧化酶誘導細胞解毒的過程。Morishige等［72］發現粒徑為100 nm 的二氧化硅（mSP 1000）誘導白細胞介素-1β（IL-1β）的產生依賴于ROS 的產生，IL-1β 可激活炎癥復合物NLRP3，從而導致急慢性炎癥疾病。此外，還比較了用不同官能團（-COOH，-NH2，-SO3H，-CHO）修 飾 的mSP 1000處理的THP-1 細胞中IL-1β 的產生水平，結果顯示，經過表面修飾的mSP 1000 降低了ROS 的生成，從而抑制了IL-1β 的產生。除了通過破壞細胞膜和細胞器，ROS 還能通過破壞單鏈或雙鏈DNA，影響其斷裂和交聯反應，誘導DNA 損傷，導致基因毒性。

3.6 基因毒性

MSNs 產生的基因毒性也是臨床安全使用需要考慮的重要因素，已有研究發現，粒徑為25 nm 和100 nm 的MSNs 在暴露24 h 后對人結腸癌HT-29 細胞產生有限的基因毒性效應［73］。當MSNs 的粒徑小于8 nm 時，可以通過核孔復合體，在核內積聚，并在有絲分裂過程中與DNA 相互作用，產生基因毒性。微陣列分析顯示，MSNs 顯著改變了基因表達，與對照組人胚腎細胞（HEK293）相比，經濃度為120 μg/mL 的MSNs 處理后，579 個基因表達上調，1 263個基因表達下調，結果表明，MSNs 對正常人類細胞具有基因毒性，使某些基因的表達發生變化，導致細胞損傷或產生癌變細胞［74-75］。MSNs 的基因毒性還依賴于給藥劑量。以50 mg/kg 的劑量連續三次靜脈注射粒徑為15 nm 的MSNs 給雄性大鼠，與單次注射25 mg/kg 的劑量相比，肝組織、肺組織和白細胞的DNA 損傷百分比隨劑量增加而增加［76］。此外，MSNs 還可以跨越胎盤屏障，毒性潛伏在早期胚胎階段。Pinto 等［77］發現磁性介孔二氧化硅納米粒（粒徑58 nm）能夠通過胎盤屏障，且能夠進入胎兒的血液中，可以被正在生長的器官代謝，并在胎兒的大腦、胃、胸腺、肝臟和肺吸收較高。表面功能化及電荷性對MSNs 基因毒性的影響還尚不明確，仍需要進一步的研究。

4 總結及展望

介孔二氧化硅現已被廣泛用作藥物載體，并在改善難溶性藥物的溶解度、實現控制藥物釋放以及遞送基因方面表現出了巨大的應用潛力。盡管MSNs已經得到了迅速的發展，但這些無機材料的生物學效應及安全性仍然不確定。第一，目前針對體內MSNs 及修飾后的MSNs 所引起的急性和慢性毒性的研究還不透徹，在進入臨床應用之前，應掌握MSNs及功能化MSNs 的血液循環特性、體內清除時間、可能的免疫原性和組織內積累情況等必要信息。然而相關的毒性研究存在太多的變量，無法得出關于生物相容性的明確結論，還需要在以動物實驗安全的基礎上，增設人體內實驗，密切關注MSNs 與體內細胞之間的生理作用，為MSNs 在生物醫學領域的應用提供保障。第二，不同給藥途徑對MSNs 的藥物代謝動力學和生物相容性有一定的影響。因此，除了靜脈注射、皮下注射、肌肉注射、口服給藥外，應探索更多的給藥途徑，如經皮給藥、鼻腔給藥等。此外，MSNs 的修飾、表面電荷性質、粒徑大小、形狀等對其藥物代謝動力學、生物相容性和表面蛋白質電暈形成的影響也值得更加系統深入地研究。第三，MSNs 作為藥物載體，可實現較高的載藥量，但大規模生產是目前的一大難題。相信隨著研究的不斷深入和細化，這些問題都將會被解決，介孔二氧化硅材料真正用于藥物遞送系統和臨床中指日可待。