基于響應性納米粒用于抗癌藥物的選擇性釋放

許以琛

研究背景

手術、放射治療和化學治療是現今最普遍的癌癥治療方案，但這些方案都會對正常組織造成損害。藥品雖然能治愈癌癥，但治療過程卻同時會引起副作用，故隨著納米科技的進步，研究如何使用納米藥品以降低不必要的傷害，也變得越來越重要。

本次研究使用了一種納米粒子，其由4-羥基苯硼酸頻哪醇酯與1-金剛烷羧酸（BA-ADA）合成，是一種具自由基（ROS）響應性的藥品傳遞系統，使藥物多柔比星（Doxorubicin，DOX）僅可于自由基過度產生的區域內釋放，即存在癌細胞或發炎細胞的區域內釋放，不但能夠達到治療效果，還可保障正常細胞免受藥物侵害，從而減少副作用。于是，我進行了一系列實驗，以證明粒子的特性。

研究設計

設計思路

本研究主要目的是構建一種具有ROS響應性的載藥納米粒子，設計可歸納為3個主要部分：

合成納米粒子，并將治療藥物與其結合，研究將以2個實驗確認粒子的形成。

進行2個實驗以測試粒子的穩定性。

檢查粒子的ROS響應性，本次研究會進行一系列實驗以證明其ROS響應性。

假設

ROS響應性BA-ADA載藥納米粒子（包括納米粒子-BA-ADA和藥品-DOX）可以通過細胞吞噬作用而進入細胞，由于粒子具ROS響應性，故在高ROS微環境的癌細胞其藥物釋放量會較正常細胞多。

目標受益者

藥物傳遞系統對所有階段的癌癥患者都是有益的，因為納米粒子能將藥物直接輸送到癌細胞，減少藥品于正常組織中的釋放，從而減少副作用。

材料

本次研究的納米粒子由4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）和1-金剛烷羧酸（ADA）合成，并以多柔比星（DOX）為治療藥品。4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）是粒子具有選擇性釋放藥物的關鍵材料；1-金剛烷羧酸（ADA）能讓粒子連接其他材料，由于其是疏水性的，故能透過疏水作用令其連接4-羥基苯基硼酸頻哪醇酯（BA）；治療藥物多柔比星（DOX）通過阻斷一種叫作“第二型拓撲異構酶”的酶減緩或阻止癌細胞的生長，第二型拓撲異構酶是癌細胞分裂及生長所必要的酶。而聚山梨醇酯80（吐溫80）則用作表面活性反應物，用以穩定粒子。

載藥納米粒子的合成與實驗結果

研究共分為3個主要部分，每個部分各具不同的目標，粒子合成的方法及材料、每部分的實驗方法與使用的各項材料及設備、實驗結果等簡述如下。

載藥粒子的形成

形成載藥粒子的主要程序：？化學反應：BA-ADA的形成。？添加藥品：形成載藥BAADA。

移除溶劑、催化劑、表面活性反應物。

取得納米粒子。

檢查粒子的穩定性

穩定的粒子須具備2個條件：一是一致的粒子寬度，二是呈球形。本次研究能合成并挑選符合上述條件的粒子，以確保一致性。

檢測納米粒子的響應性

過氧化氫（H2O2）是ROS的關鍵成員，所有細胞都會有一定量的H2O2，但在癌細胞中，其水平要高得多。實驗中以H2O2模擬細胞內的ROS，并由此檢測本次研究合成的納米粒子是否具ROS響應性。

討論與結論

此項目對社會的貢獻

在上述實驗結果中，ROS響應性的BA-ADA納米粒子傳遞系統是安全、有效的，并且治療過程中病人的痛楚相信會更少，患者在接受輸送系統時并不會有劇痛，而且納米藥物較不會傷害健康的組織和器官，也能在癌細胞形成腫瘤前檢測和消除。ROS響應性的BA-ADA納米粒子傳遞系統還能提高癌癥患者的生活質量，不會導致脫發。

ROS響應性BA-ADA納米粒子傳遞系統仍處于早期階段

雖然許多文獻已證明藥品傳遞系統的設計，顯示其能有效地將治療藥品傳送到疾病的部位，而且它將在生物醫學領域上變得越來越普遍，但是此項目距離人類臨床試驗還有漫漫長路。因此，需要進行更多的體外和體內試驗完善。

在本次研究過程中，面臨的主要挑戰是材料的選擇。我耗費了大量時間進行文獻回顧和納米粒子合成，我曾經想使用囊泡進行實驗，并進行了大量實驗測試囊泡的穩定性，但由于囊泡的效果不佳，只能另作他選，最后才選用BA-ADA納米粒子，并曾經多次改良增加及確保其純度。另外，選擇治療藥品的實驗也費時不少，這些藥品除已被證明能有效治療癌癥外，也須能配合實驗的測試條件，如能產生共聚焦研究所需的熒光等。

項目未來發展

納米粒子的性質是決定它們能否進入血液循環系統的關鍵，在未來的研究中，我計劃將粒子與聚乙二醇（PEG，Polyethylene Glycol）結合，PEG是親水性聚合物分子，可以阻礙血漿蛋白的結合，故通常被稱為“隱形”納米粒子，它們不易被單核吞噬細胞系統找到，并能抵抗血清蛋白的吸附，因此PEG就像為粒子形成了另一層保護，以增加其穩定性，同時可防止藥物流失及降低其在健康組織內釋放藥品的風險。

此外，在未來研究中也會檢視BA-ADA粒子的pH響應性和GSH響應性。據Karimi等（2016）的研究，腫瘤細胞內外之間存在pH值差異，這是由于腫瘤細胞的快速增殖和生長速度遠超過血液運輸，會導致營養和氧氣供應不足，因糖解而產生乳酸無法代謝，而具有pH響應性的納米粒子便會在酸性的腫瘤微環境下瓦解，將其裝載的藥物釋放到細胞質中，消滅腫瘤細胞。至于榖胱甘肽（GSH），癌細胞內的GSH水平在0.5？10×10-3M的范圍內，是正常組織中GSH水平的4倍，這更使得腫瘤組織對化療更具抵抗力。然而，由于GSH水平在癌組織及正常組織間的差異，也有利于具GSH響應性的納米粒子建構及使用。

我下一階段將測試BA-ADA納米粒子是否可用作多刺激響應性納米藥品傳遞系統，使得BA-ADA能成為多刺激—反應性藥物運輸系統，可以進一步探測病灶并控制藥物釋放。希望能使系統具高載荷、避免過早滲漏，并能更快速、更精確地靶向病患部位。

總結

本研究中的納米粒子能把藥物直接遞送至ROS高的病變部位，而不傷害附近的健康細胞。這樣的治療方式不但可增強治療效果，還可減少藥物的副作用。因此，刺激—反應藥物傳遞系統于現今的治療方案中顯得十分重要，因系統具有與某些疾病癥狀相關的響應性，故能設計選擇性地于病患部位釋放藥物，從而能消滅目的細胞。其中一個最引起關注的生物刺激來源就是ROS，因為其過量產生與很多病患均有關系，故發展具ROS響應性的醫學物料具有巨大潛力。

本次研究成功地合成了一種納米粒子，即BA-ADA納米粒子，其可以“裝載”藥品，即DOX，能有效地阻礙癌細胞的生長或復發。BA-ADA納米粒子可說是一種優良的藥品傳遞系統，因為在其結構中，BA具有ROS響應性，而ADA則具有酸堿（pH）響應性和谷胱甘肽（GSH）響應性，這使納米粒子具有多重標靶病患區域的可能性。但在現時的研究階段中，我主要通過一系列實驗確認粒子的ROS響應性。

本次研究除成功合成具ROS響應性的載藥納米粒子外，還通過實驗作出了以下證明：①納米粒子本身對細胞并無毒性；②納米粒子可于高濃度的H2O2區域內釋放其載體，H2O2是ROS存在的重要信號之一；③時間越長，累積釋放的載體藥物越多；④載藥納米粒子可以選擇性地在發炎的小鼠巨噬細胞內釋放裝載的DOX藥品，即載藥納米粒子屬具有藥物釋放選擇性的系統；⑤載藥納米粒子的藥物釋放能選擇性對癌細胞有效，藥品釋放于癌細胞明顯較多。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組生物醫學一等獎。

專家評語

該項目合成了BA-ADA載藥粒子，驗證了載藥粒子的穩定性和響應性，評價了載藥效果，具有創新性和實用價值，可為癌癥化療提供參考依據。但該研究尚處于早期階段，有待深入研究。