Protocells藥物遞送系統的模塊化設計與應用

牟家慧，李桂玲

·綜述·

Protocells藥物遞送系統的模塊化設計與應用

牟家慧，李桂玲

100050 北京，中國醫學科學院北京協和醫學院醫藥生物技術研究所制劑室

隨著多種新型納米載體的出現，藥物遞送已實現復雜的功能性遞送形式。通常認為，理想的功能性納米載體應具有以下特征：高水平的藥物攜帶能力、抵抗免疫或排泄系統消除的體內長循環能力、與靶細胞或靶器官的高度特異性結合能力、控制藥物釋放或細胞內轉運途徑的能力以及低免疫原性和毒性等。此外，由于納米載體的體內分布和生物相互作用等可以在不同個體環境中變化，因此理想的納米載體還應該具有可調節的性質，即能夠針對特定應用對象進行調整的物理、化學以及生物學等性質。Protocells 是近年來出現的一種將介孔二氧化硅納米粒子（mesoporous silica nanoparticles，MSNP）與脂質雙分子層（lipid bilayer，LB）融合所形成的納米藥物遞送系統[1]，其在特異性靶向藥物遞送或多種性質藥物共遞送等方面表現出優勢與應用潛力。

1 Protocells 藥物遞送系統概述

脂質體是一種具有良好的生物相容性、細胞親和性以及低免疫原性的納米載體，并且具有高度的表面修飾潛力，廣泛應用于抗腫瘤藥物治療以及靶向藥物遞送等方面[2]。然而脂質體作為藥物載體的明顯缺陷在于大分子載體包覆所導致的低載藥量以及血液環境中難以控制的穩定性問題。因此，如何防止其負載的藥物在體內循環過程中過早泄漏，依然是脂質體給藥系統開發過程中的重要挑戰之一[3]。與脂質體類似，許多基于高分子聚合物的納米載體可自發組裝且具有生物友好性，但是它們的體內穩定性和劑量依賴的毒性成為限制因素[4]。此外，脂質體和聚合物納米顆粒通常具有不可變的尺寸和形狀、不可控的藥物釋放曲線以及遞送載體各種性質之間的高度相互依賴問題，因此改變一種性質，例如負載效率，會不可避免地影響許多其他性質，如尺寸、電荷、穩定性等[1]。

脂質體遞送系統的上述種種局限性問題，恰是 MSNP 作為藥物載體的優勢所在。與脂質體相反，MSNP 具有相對可控的尺寸、形狀和極高的比表面積，從而表現出藥物的高負載量以及廣泛而靈活的負載能力。通過調節粒子內部孔徑尺寸與表面化學性質，可以包載不同類型的藥物[5]。然而，MSNP 用作納米載體也存在弊端，如注射后引發機體免疫系統吞噬和受到排泄系統快速清除顆粒的限制等[1, 6]。如果在 MSNP 表面包裹類似脂質體的膜結構，則能夠使遞送系統有效避免上述不良作用。

綜上所述，MSNP 納米粒給藥系統與脂質體靶向遞送系統各有局限性，又能夠優勢互補。基于此，研究者們將脂質體固有的低毒性、低免疫原性和生物友好性的優點，與MSNP 納米粒子尺寸和孔徑可調、穩定性好以及廣泛的藥物負載能力相結合，開發了一種靈活的模塊化納米載體，稱之為“Protocells”，可同時解決納米藥物遞送的特異性、穩定性以及載藥效率等問題[7-8]。除了綜合 MSNP 和脂質體系統的各自優勢，MSNP 和 LB 之間的融合能夠在一定條件下改變二者的存在形式，產生新的性能。例如，MSNP 內核的支撐能抑制脂質體大規模脂質雙層的波動所造成的不穩定性，阻止藥物泄漏；而脂質雙層的包覆將可溶性藥物更好地截留在載藥粒子內部等。

2 Protocells 藥物遞送系統的模塊化設計思路

最早的 Protocells 納米載體由氣溶膠輔助蒸發誘導的二氧化硅與表面活性劑自組裝形成的親水性球型內核，與兩性離子/陽離子（DOPC/DOTAP）或兩性離子/陰離子（DOPC/DOPS）脂質雙分子層融合而成[9]。其中，脂質囊泡同時發揮負載和包封 MSNP 中帶負電荷的藥物，并且使其具有遞送穿過細胞膜的作用。在此基礎上，隨著 Protocells 在藥物遞送方面應用研究的深入，模塊化設計的多功能 Protocells 載藥納米粒相繼出現，實現了多種給藥思路與模式。包括①利用脂質單層包封疏水 MSNP 內核[9]；②通過脂質與二硫化物的共價連接，實現藥物在還原條件下的化學觸發釋放[10]；③脂質雙層或單層表面的高分子修飾以實現多種遞送功能[11]；④利用天然細胞膜如紅細胞膜代替磷脂分子包封的無機納米顆粒[12]等不同的藥物遞送模式。Protocells 的雙載體復合結構賦予其介孔硅納米顆粒與磷脂雙分子層的組合屬性，同時又各自獨立的藥物遞送特點。因此，可以利用模塊化設計的思路，將 Protocells 的外膜與核心分別構建合成、定向修飾以及功能性改造，然后融合形成完整的藥物載體，使其兼具二者優化的遞送性質，以得到最佳給藥系統。

3 Protocells 藥物遞送系統的模塊化設計與應用

3.1 Protocells 內核 MSNP 的設計與功能應用

3.1.1 通過調節 MSNP 粒子的大小、形狀得到不同性質的 Protocells 內核 常見的制備膠體二氧化硅顆粒的方法，可以合成大小均一的球形、棱柱形、環形、棒狀或中空形狀的 MSNP 粒子群，尺寸范圍從 25 ~ 250 nm，在多數情況下能夠使其多分散指數 PDI < 0.1。其形狀可以通過物理、化學及生物學等多種手段進行設計與改造，不同的形狀適應承載不同類型的藥物以及不同的遞藥途徑。

研究表明，載藥納米粒與細胞間的相互作用也受粒子形狀的影響。有研究設計了長寬比（AR）分別為1.5（短桿）、5（長桿）的兩種不同形狀熒光 MSNP，考察顆粒形狀對其在小鼠體內生物分布、清除率和生物相容性的影響。結果表明，靜脈內施用的 MSNP 主要存在于肝、脾和肺中（> 80%），其中短桿 MSNP 容易聚集在肝臟中，而長桿 MSNP 則更多分布在脾臟中。而且 MSNP 的清除率也與顆粒形狀有關，尿液和糞便兩種排泄途徑中，短桿 MSNP 的清除率均比長桿 MSNP 更快[13]。

有研究通過構建 MSNP 庫來考察其生物學性質與粒子形態的關系。該庫覆蓋一定范圍的不同尺寸 MSNP。結果證明桿狀粒子的長寬比決定了細胞對納米粒子攝取的速率和豐度。負載紫杉醇或喜樹堿 MSNP 的體內輸送過程中，AR 為 2.1 ~ 2.5 范圍的 MSNP 被細胞大量攝取，即該棒狀 MSNP 能夠更有效地遞送抗腫瘤藥物到 HeLa 細胞和 A549細胞中產生殺傷細胞的作用。基于 HeLa 細胞和 A549 細胞能夠感知不同 AR 值 MSNP 的差異，可以利用加速的胞飲作用構建一種被動靶向攝取機制的遞藥系統以提高藥物的攝取[14]。

3.1.2 利用 MSNP 的孔徑調節藥物的包載與釋放 通過自組裝的方法，MSNP 的內孔徑亦可以在 2 ~ 20 nm 范圍內進行調控，并且通過改變孔隙表面化學性質可以使載體適應不同濃度的不同治療劑。例如，通過孔內表面和外表面的硅烷醇基團（≡Si-OH）與烷氧基或氯硅烷衍生物反應，可以引入多種有機官能團。進行化學修飾的過程中調節內孔和外部顆粒表面的電荷、極性以及疏水親水特性，藥物和其他成分可以通過吸附或毛細管填充作用來加載，并且結合孔徑大小和孔表面化學性質來調整釋放曲線，為藥物遞送提供更多的選擇與策略[15]。

目前已有用于將藥物密封在載體內，并能夠在光、pH、或氧化還原等條件刺激下觸發釋放的介孔二氧化硅材料，用刺激響應部分進行修飾，這些部分可以作為孔阻斷劑并在特定刺激下介導藥物釋放[16]。有研究開發了一種結合了光敏性材料二硫化鉬（MoS2）納米片的近紅外（NIR）反應性 PEG 化介孔有機二氧化硅納米顆粒（MSNs），用于乳腺癌的化學光熱療法[17]。將藥物阿霉素（DOX）包封在納米顆粒中，其擴散被 MoS2/PEG 涂層阻止。觀察到，MoS2/PEG MSNs在 NIR 激光輻照下（808 nm，1 W/cm2持續 5 min），溫度升高至 50 ℃，內部藥物釋放。數據結果顯示，在沒有 NIR 激光照射的情況下，1 h 內只有不到 1%的 DOX 釋放；而在 NIR 照射下藥物釋放率增加到 16%。其原因是 MoS2的發熱和隨之產生的振動在 MSNs 的表面形成一層薄層，減少了藥物/納米顆粒的相互作用，并增加了 DOX 分子的運動。

3.1.3 通過介孔硅分子結構的設計調節藥物的體內過程 MSNP 內核合成過程中硅氧烷縮合的程度，可以在一定程度上決定二氧化硅的溶解速率，從而控制其中所包載藥物的釋放，并通過改變 MSNP 的入胞和出胞途徑控制藥物的細胞內攝取與分布[18]。

對介孔二氧化硅納米顆粒進行癌細胞的攝取研究以及細胞內分布與入胞出胞的過程考察。結果表明，該納米體系通過能量依賴性內吞作用攝取入胞，其中大部分分布到癌細胞溶酶體區室。現有研究提出了 MSNP 胞吐作用的可能機制，即被內吞的納米顆粒定位于溶酶體，隨后進入高爾基體進行排泄，或經歷溶酶體的胞吐作用。通過追蹤具有表面修飾的 MSNP 的路徑發現，Protocells 主要通過溶酶體胞吐作用離開細胞，且通過胞吞作用進入到細胞中的載藥 Protocells，在從細胞中排泄出來后仍可以恢復原狀，此過程是通過溶酶體與質膜融合而介導的，因此，其出胞過程可以通過影響溶酶體胞吐作用來調節[19]。由于 Protocells 中藥物的釋放過程是通過擴散作用實現的，所以載體在細胞內的停留時間會直接影響藥物的釋放量。通過降低載有喜樹堿的 Protocells 的胞吐速率，發現遞送藥物的細胞作用有所提高，進一步證實了這一判斷。此外對通過胞吐作用離開細胞的 Protocells 進行收集分析，發現顆粒的形狀和外觀與細胞攝取前相似，利用依諾霉素誘導提高溶酶體胞吐率會加速載藥 Protocells 離開 A549 細胞。這些結果提示，在設計抗腫瘤藥物等遞送系統時，可以通過一定的修飾調節納米粒子的出胞速率以控制藥物的定位或定量釋放[14]。

3.2 Protocells 外層脂質雙分子的功能化修飾與應用

Protocells 的脂質雙分子層是由脂質分子自發組裝而成，具有密封性和保護性，且由于其在酸性條件下穩定性降低以及細胞膜融合等特性，可實現 pH 值觸發的內部藥物釋放以及藥物的細胞攝取效率提高等。此外，通過對脂雙層表面進行特異性分子修飾，使其與細胞表面復雜的生物分子相互作用，可實現包括靶向、免疫細胞逃避、內涵體逃逸等多種功能遞送[20-21]。

3.2.1 脂質包覆提高 Protocells 的穩定性，減少非特異性吸附 MSNP 在生理環境（或緩沖鹽溶液）中易發生聚集現象，以及在血清（或含蛋白質的溶液）中的非特異性結合所導致的應用限制，可通過磷脂包覆加以解決[6, 22]。

Wang 等[6]開發了一項技術，將多種大分子鏈嵌段修飾的磷脂包覆到 MSNP 表面，選擇葉酸作為目標配體，比較裸露 MSNs（bareMSNs）、磷脂包覆的 MSNs（LipoMSNs）、葉酸修飾的磷脂包覆 MSNs（folate-LipoMSNs）在 HeLa 細胞中的攝取情況。結果表明，bareMSNs 的攝取主要通過非特異性結合或吸附發生；LipoMSNs 能夠抵抗非特異性吸附，使內化顆粒減少；而 folate-LipoMSNs 能夠穿越細胞膜實現細胞內化，且細胞吞噬的納米顆粒數量增加。上述結果表明，脂質膜的存在能夠避免納米粒子的非特異性吸附，而靶向肽與配體的特異性結合提高了 Protocells 的靶向遞送水平。此外，以細胞膜表面葉酸受體陰性表達的 A549 細胞作為對照發現，folate-LipoMSNs 在 A549 細胞中的吸收（40%）明顯低于在 HeLa 細胞中的吸收（99.06%）。綜上，相對于裸露的介孔二氧化硅材料，脂質膜包覆的納米顆粒在水性緩沖溶液中表現出更好的懸浮性，減少聚集與吸附作用，從而降低了與細胞的非特異性結合，提供更好的抗調理作用，具有潛在的臨床應用價值。

Protocells 在生理條件下孵育過程中表現出優越的穩定性，可以作為核酸藥物遞送載體，保護 siRNA 免受血漿核酸酶降解，使其在體內實現長循環，并且能夠在病變部位沉積，選擇性與靶細胞相互作用，通過內化的方式釋放到胞質溶膠中，并通過RNA 誘導沉默復合物（RISC）途徑發揮治療作用[9, 23-24]。

3.2.2 SP 94 靶向肽修飾 DOPC Protocells 實現藥物的定位釋放 對 DOPC Protocells、DOPC 脂質體、納米多孔硅三種不同納米載體，分別在 pH 5.0 和 pH 7.0 的 1 mmol/L KCl 條件下進行 zeta 電位測量。結果顯示，在 pH 7.0 緩沖液中，三種納米載體的 zeta 電位值隨時間無明顯波動，較為穩定；而在模擬體內酸性環境的 pH 5.0 緩沖液中，Protocells 的界面電位值隨時間呈明顯下降趨勢，證明酸性條件會破壞 Protocells 脂質層的穩定性[25]。使用 SP 94 靶向肽修飾的 DOPC Protocells 將藥物遞送至人肝癌細胞（HCC）過程中，內涵體的酸化環境使其內部包封的藥物由納米多孔核心擴散出來，實現了目標藥物的細胞器定位釋放[9, 26]。

3.2.3 TPGS 脂質分子包覆疏水MSNP 實現耐藥細胞的藥物遞送 多藥耐藥性（MDR）是化療藥物臨床治療失敗的主要原因之一。有研究報道，通過設計一種多組分混合脂質包封的 Protocells 實現藥物的可控性釋放以規避 MDR 效應。采用疏水鏈進行表面修飾的 MSNP 作為 Protocells 的內核，將d-α-生育酚聚乙二醇1000 琥珀酸酯（TPGS）脂質分子通過疏水作用自組裝，形成包圍在內核表面的脂質雙分子層，利用內核和脂質層之間的相互作用封堵內核的孔道，并充當智能閥以實現環境響應性釋放。利用上述 Protocells 載體包載阿霉素（DOX），得到粒徑為 190 nm、可穩定分散于體液中的納米粒子。該載藥納米遞送系統在體內具有較長的循環時間以及理想的 EPR 效應，并可以實現氧化還原和 pH 值觸發的 DOX 釋放。由于其表面含有 TPGS 脂質層，因此與 DOX 溶液相比，Protocells – DOX 遞送系統在耐藥 MCF-7 細胞和 Adr 細胞中表現出更高的攝取效率、更強的細胞毒性和更高的細胞內蓄積量，并能實現藥物的長循環與特異性胞內釋放[9]。

3.2.4 靶向肽和內溶肽修飾脂質雙層實現細胞的特異性結合和內化 催化活性蓖麻毒素 A 鏈（RTA）作為一種腫瘤特異性免疫毒素，可以抑制多種生長模式的癌細胞而展現出抗腫瘤的應用潛力。然而，體內環境中針對抗體或毒素的免疫反應，常導致患者體內毒素濃度不足以達到成功清除癌細胞之所需[27]。Epler 等[8]構建了靶向肽修飾的高容量負載RTA 的 Protocells，特異性地殺傷 HCC 靶細胞。其中球形多孔二氧化硅納米粒核心包載藥物——蛋白毒素 RTA。聚乙二醇化脂質膜融合到載藥核心外層，可防止藥物過早釋放，改善膠體穩定性，并減少免疫細胞的清除作用。同時，在脂質雙層表面進行靶向肽和內溶肽的修飾，實現細胞的特異性結合和內化，以及包封的藥物順利遞送至胞質區。

3.3 利用 Protocells 中核殼間的相互作用調節其擴散性

Protocells 結構中脂質雙層的流動性賦予其靈活可控的生物學功能，MSNP 的支撐使得這種流動性受到與內核相互作用的影響而產生特殊的運動性質[28]。

在 Protocells 的核-膜復合結構中，由于存在底物-膜黏附能，多孔粒子核心 MSNP 能夠抑制 LB 進行大范圍的雙層波動，比無支撐的脂質體具有更好的穩定性。但同時，與在無孔納米顆粒表面形成的脂質體或單一結構的 LB 相比，Protocells 中 MSNP 支撐的 LB 具有獨特的長程流動性，這種脂質雙層流動性的增強，可能是磷脂雙分子層和二氧化硅多孔載體二者界面處存在獨特的相互作用的結果[29]。

Protocells 脂質層的橫向擴散性質，使膜表面修飾的靶向配體與細胞表面受體之間具有低配體密度條件下的高親合力，并能夠降低免疫原性，實現非特異性結合。Ashley等[7]將脂質囊膜與高比表面積的 MSNP 核心融合，得到 MSNP 支撐的脂質雙層，并在 LB 上修飾人肝細胞癌（HCC）靶向肽、融合肽和 PEG 長鏈，得到一種新結構的靶向載體。由于外側 LB 橫向流動與擴散的增強，DOPC 與 DPPC Protocells 在低目標肽（配體）密度下均表現出特異性靶向 HCC 細胞的性質。這種增強的外側脂質雙層的流動與擴散，使得利用較少數量靶向肽修飾的 Protocells 就能夠選擇性地結合靶細胞并被靶細胞內化，對于降低劑量和減輕免疫原性至關重要，解決了同時實現高靶向特異性，對靶細胞（癌細胞）的高細胞毒性和對非靶細胞（正常細胞）的低附帶損傷問題。

3.4 Protocells 藥物遞送系統的應用實例

3.4.1 霍亂毒素-B 修飾的 Protocell 靶向運動神經元 神經肌肉疾病目前常采用神經營養蛋白作為治療劑，但受到生物利用度與脫靶作用等的阻礙。有學者構建了一種霍亂毒素-B（CTB）修飾的 Protocells 用于靶向神經-肌肉接頭（NMJ）的藥物遞送，結合了介孔二氧化硅的高水平藥物負載能力以及 CTB 靶向 NMJ 細胞的能力，提供了一種針對運動神經元的新型納米顆粒遞送平臺[14, 30]。

3.4.2 負載血紅蛋白的 Protocells 模擬紅細胞功能 利用大孔徑（10 nm）的 MSNP 作為剛性核，將血紅蛋白（Hb）封裝于孔內，然后將脂質膜融合到載 Hb 的 MSNP 外表面上，堵塞其孔隙，可有效防止 Hb 過早釋放[突釋率從（25.50 ± 0.33）% 降低到（6.73 ± 0.83）%]，并增加了 Hb-MSN 的膠體穩定性（粒徑 250 nm，一周內保持不變），同時 Hb-protocells 表現出與來源 Hb 相似的活性。以斑馬魚胚胎作為體內實驗模型，將熒光標記的 Hb-protocells 注射入血液，發現納米顆粒高速流動，并迅速分布在全身血液循環中。因此，這種負載有 Hb 的 Protocells 可以被視為人造紅細胞模擬物[4, 19]。

3.4.3 Protocells 作為蛋白質的選擇性高效遞送平臺 有研究人員構建了一種可以高效遞送蛋白質的介孔二氧化硅納米粒子和脂質融合物結構[26, 31]。通過對 MSNP 的表面修飾，帶正電的 MSN（MSN+）和帶負電的 MSN（MSN–），可以選擇性并高效地裝載不同的蛋白質，脂質融合顯著提高納米系統在生理條件下的穩定性。這種 MSNP-LB 結構可以有效地將 15 種不同的蛋白質如熒光蛋白、光敏蛋白（KillerRed）、超氧化物歧化酶（SOD）等遞送到細胞中釋放。進一步的實驗結果表明，蛋白質在遞送到細胞后可以維持其功能，熒光蛋白細胞中可顯示熒光，KillerRed可以在細胞中產生活性氧（ROS），而 SOD 可以消除細胞中的 ROS，由該系統遞送的蛋白質在細胞中保持其結構和功能。

4 Protocells 藥物遞送系統的發展前景

Protocells 遞藥系統的模塊化設計與多功能聯合作用使其在藥物遞送方面得到快速發展。對MSNP 核心、外部脂質雙層以及靶向化學物質或包載藥物進行特定的修飾改造，可構建出應用于特定靶點與治療目的載藥納米粒子，極大地提高了 Protocells 特異性功能性藥物遞送的潛力。然而其應用依然存在許多限制與弊端，與基于高分子化合物的聚合物或脂質體等相似，Protocells 作為抗腫瘤藥物載體實現靶向遞送過程中，同時依賴于 EPR 效應介導的被動靶向以及受體配體相互作用介導的主動靶向，然而大分子靶向肽等表面修飾可能改變納米粒子在體內循環過程中的大小或形貌從而削弱其 EPR 效應[32]，并且，許多實驗數據停留在體外階段。因此，Protocells 結構為納米藥物遞送提供了一個新的思路與平臺，其優勢與限制并存，還需進一步的探索與驗證。

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·協會之窗·

2019 年 11 月，中國醫藥生物技術協會與諾華中國、南京傳奇生物科技有限公司共同開展啟動了醫療機構 CAR-T 上市產品臨床應用規范制訂項目。協會組織相關領域專家，多次召開研討會，就 CAR-T 上市產品進入臨床應用的相關問題進行專項討論，起草了《開展嵌合抗原受體修飾 T 細胞上市產品臨床應用醫療機構的標準》，對開展 CAR-T 上市產品臨床應用的醫療機構應當具備的條件提出要求。近期，協會將組織專家對其進行修改完善，力爭將此規范作為協會團體標準發布并提交有關政府管理部門參考。

10.3969/j.issn.1673-713X.2020.04.016

李桂玲，Email：liguiling1999@163.com

2020-03-02