智能響應型納米載體用于核酸類藥物遞送的研究進展

李慧 張金榜 李佳欣 李志平

中圖分類號 R943 文獻標志碼 A 文章編號 1001-0408（2022）09-1147-06

DOI 10.6039/j.issn.1001-0408.2022.09.21

摘 要 核酸類藥物可以直接對特定蛋白表達相關基因進行調控，同時因其序列設計簡單、合成修飾方便、作用機制明確，已受到越來越多的關注，且有望成為腫瘤治療等領域最有前景的藥物之一。然而，核酸類藥物必須依賴有效載體才能克服自身局限性以及各種跨膜障礙進而發揮療效。目前，非病毒核酸類遞送載體多存在轉染效率較低的缺點，為此，研究者們設計了一系列針對體內病理環境和體外物理刺激的智能響應型納米載體，該類載體可通過響應體內pH、氧化還原條件等特定變化或者溫度、光照、超聲波、磁場等外部刺激，來實現核酸類藥物的精準調控釋放，并提高其在靶細胞內的轉染效率，降低其對正常組織和細胞的毒副作用。本文綜述了當前智能響應型納米載體在核酸類藥物遞送領域的研究進展，對智能響應型核酸類藥物載體的功能設計及作用特點進行了介紹，以期為核酸類藥物及其遞送系統的研究提供參考。

關鍵詞 核酸類藥物;納米載體;遞送系統;智能響應;內源性刺激;物理刺激

Research progress of smart responsive nanocarriers for nucleic acid drug delivery

LI Hui1，2，ZHANG Jinbang1，2，LI Jiaxin1，2，LI Zhiping2（1. School of Pharmacy， Henan University， Henan Kaifeng 475004， China; 2. Institute of Poisons and Drugs， Academy of Military Medical Sciences， Academy of Military Sciences， Beijing 100850， China）

ABSTRACT ? Nucleic acid drugs have received increasing attention and are considered to be potential for the therapy of many diseases such as tumor therapy. This is due to their selective regulation of specific protein expression， simple sequence design， easy synthesis and modification， and clear mechanism of action. However， nucleic acid drugs have to be delivered by carriers to produce therapeutic effects， because nucleotides must rely on effective carriers to overcome their limitations and various transmembrane barriers. Currently， most non-viral nucleic acid delivery carriers have the disadvantage of poor transfection efficiency. The researchers design a series of smart responsive nanocarriers that respond to the pathological environments in vivo or physical stimulations in vitro. By responding to internal special changes such as pH values and redox conditions or to external stimuli such as temperature， ultrasound， magnetic field and light， the smart responsive nanocarriers can achieve precise regulation of drug release， enhance the transfection efficiency of nucleotides in target cells and reduce the toxic side effects on normal tissues and cells. This review summarizes the progress of smart responsive nanocarriers in the field of nucleic acid drugs delivery and introduces the functional design and features of smart responsive nanocarriers. The intent is to provide a reference for the development of nucleic acid drugs and their delivery systems.

KEYWORDS ? nucleic acid drugs; nanocarriers; delivery system; smart responsive; endogenous stimulus; physical stimulus

核酸類藥物又稱核苷酸類藥物，主要指各種具有不同功能的寡聚RNA或寡聚DNA，在基因水平發揮疾病治療作用。一般認為，核酸類藥物包括適配體（apta- mer）、反義核酸（antisense nucleic acid）、核酶（ribozyme）以及RNA干擾劑等，該類藥物具有特定的作用機制和作用靶點，能特異性地實現治療作用，有望成為腫瘤治療等領域最有前景的藥物之一[1]。然而，核酸類藥物分子量大，不易被細胞攝取，自身穩定性差，同時必須進入細胞才能發揮作用[2]。因此，核酸類藥物必須依賴有效的細胞內遞送載體才能發揮療效[3]。

目前，用于核酸類藥物的遞送載體包括病毒載體和非病毒載體，通常病毒類載體具有較高的轉染效率，但由于該類載體存在免疫原性強、制備流程復雜、腫瘤蓄積性差以及恢復毒力概率高等問題，極大地限制了其在核酸類藥物遞送方面的應用。為此，相關研究者開始探索生物相容性好、體內免疫原性低、設計靈活并且具有大規模生產潛力的非病毒載體，如納米粒、脂質體以及碳納米管等[1，4]。但是，相比于病毒載體，非病毒載體基因轉染效率較低，限制了其在臨床治療中的進一步應用。因此，研究者們又嘗試利用藥物遞送過程中遇到的各種環境變化來觸發藥物釋放，進而提高核酸類藥物的轉染效率——智能響應型納米載體應運而生。該類載體可通過響應體內pH、氧化還原條件等體內特定變化或者超聲波、光照、磁場和電場等外部刺激，來實現核酸類藥物的精準調控釋放，并提高其在靶細胞內的轉染效率，降低其對正常組織和細胞的毒副作用[3]。

本文主要針對智能響應型納米載體在核酸類藥物遞送中的研究進展進行綜述，以期為核酸類藥物及其遞送系統的研究提供參考。

1 內源性刺激響應型納米載體

內源性刺激主要是指由人體內部因素產生或引起的生理/病理條件變化。針對靶器官/靶組織/靶細胞的酸堿度、氧化還原性以及關鍵過表達酶等的變化而產生的響應是目前內源性刺激響應型納米載體研究的熱點。基于此，筆者從納米載體響應體內pH、氧化還原條件和酶促活化等體內特定變化方面進行綜述。

1.1 pH響應型納米載體

為維持快速生長和增殖，腫瘤細胞中存在著較高水平的新陳代謝，具體表現為葡萄糖攝取的增加、糖酵解產物（乳酸）的大量積聚以及尿酸和嘌呤等分解代謝產物釋放量的激增;同時，谷氨酰胺分解、碳酸氫鹽的消耗以及二氧化碳的產生增加，可導致實體腫瘤組織細胞外環境的pH顯著降低，可降低至6.0[5]。此外，腫瘤細胞的溶酶體pH為4.5～5.0、內涵體pH為5.5～6.0，腫瘤組織和正常組織微環境之間的pH差異為pH響應型納米載體的高效定點釋放和核酸的精準遞送提供了理論依據[6]。

研究人員已經報道了多種利用病變組織內外pH差異精準遞送核酸類藥物的策略，包括利用酸不穩定的化學鍵（如亞胺鍵、酰胺鍵、腙鍵和酯鍵等）或者pH敏感官能團（如羧基、氨基、氮雜環和磺胺等）實現響應。Li等[4]利用酰胺鍵將殼聚糖連接到胍丁胺上，合成了具有pH響應功能的殼聚糖-胍丁胺偶聯物（CS-DM-AGM），然后制成納米粒，用于改善血管內皮生長因子-siRNA（VEGF-siRNA）的遞送效率。結果顯示，在腫瘤細胞的弱酸性環境中，CS-DM-AGM的酰胺鍵斷裂，電荷發生反轉，促進腫瘤細胞內吞，進而顯著增加體內外的基因沉默效率和腫瘤細胞凋亡。Dong等[7]將阿霉素（DOX）與聚乙烯亞胺（PEI）偶聯的化合物（PEI-HZ-DOX）及以聚乙二醇（PEG）連接的葉酸修飾的PEI（PEI-PEG-Folate）與siRNA自組裝形成納米復合物，該遞送系統綜合利用PEG和葉酸介導的長循環靶向作用、PEI的質子海綿效應以及腙鍵的pH響應性等實現了藥物的靶部位觸發釋放，極大地提高了DOX和siRNA在癌細胞的蓄積，顯著增強了抑瘤效果。此外，Kumar等[8]報道了一種pH響應型脂質體，該脂質體由二油酰磷脂酰乙醇胺（DOPE）、（2，3-二油氧基丙基）三甲基氯化銨（DOTAP） 、卵磷脂和膽固醇組成，主要利用DOPE在酸性條件下的倒六方晶相轉變特性，實現了腫瘤細胞內部質粒DNA（pDNA）的大量釋放，獲得了比市售Lipofectamine? 2000更高效的體內轉染效率。

1.2 氧化還原響應型納米載體

谷胱甘肽（glutathione，GSH）是維持細胞中含巰基的關鍵蛋白活性、阻止血紅蛋白及其他金屬輔助因子氧化的主要還原性物質[9]。正常組織細胞內外GSH的濃度為2～10 mmol/L或2～20 mmol/L;然而，由于異常的增殖速度以及活躍的代謝能力，腫瘤細胞中GSH濃度為正常細胞的7～10倍[10]。基于此，研究者們設計出多種氧化還原響應型聚合物，使其可以在高濃度還原物質作用下發生結構/構象變化，實現藥物的智能釋放[11]。

Son等[12]合成了腫瘤靶向肽（cNGR）連接的含有二硫鍵的支鏈聚乙烯亞胺聚合物（BPEI-SS-PEG-cNGR），該材料進一步與pDNA形成的納米復合載體展現出cNGR介導的腫瘤靶向作用和二硫鍵氧化還原響應的協同效應，實現了pDNA在腫瘤組織中的靶向遞送和有效釋放。Mutlu Agardan等[13]報道了一種基于PEG、PEI和磷脂酰乙醇胺（PE）的氧化還原響應型納米膠束，該膠束能夠高效濃縮siRNA，并響應細胞內還原條件，定位釋放siRNA，進而觸發RNA干擾（RNAi）機制。

1.3 酶響應型納米載體

酶是一種對其底物具有高度特異性和高度催化效能的生物催化劑，主要參與體內各種關鍵性生理、病理活動，同時具有疾病相關性強的特點，因此被廣泛應用于響應型載體材料的設計中。酶響應型載體材料可以因化學結構對酶敏感而發生催化裂解，改變載體結構，也可以在酶催化作用下發生配體暴露或電荷反轉等物理變化，實現納米載體的酶響應[14-15]。

Li等[16]構建了一種由腫瘤微環境敏感性多肽（TMSP）修飾的兩親性樹狀聚合物納米載體，其中TMSP是由細胞穿透肽（CPP）、屏蔽肽（該肽氨基酸序列為EGGEGGEGGEGG）以及金屬蛋白酶2/9可裂解的連接肽組成。TMSP在腫瘤組織中經金屬蛋白酶催化裂解，暴露出CPP，有效提高了納米載體的入胞效率，實現了VEGF-siRNA和紫杉醇在靶細胞內的有效遞送。

1.4 其他生物刺激響應型納米載體

與正常組織相比，腫瘤等病變組織微環境還有許多其他獨有的特征，如高代謝導致腫瘤對葡萄糖等營養成分的攝取顯著增加[17]。這些特征亦成為智能響應型納米載體設計的理論基礎。Kim等[18]報道了一種由苯硼酸（PBA）、糖修飾PEI 和PEG組成的陽離子聚合物 PBA-PEG-Cross-PEI用于遞送DNA。結果顯示，在腫瘤細胞內，PBA和PEI結合被內涵體中的酸性環境或細胞內腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）破壞，以此實現DNA的有效釋放，從而達到高轉染效率和低細胞毒性的目的。

2 外源性刺激響應型納米載體

盡管體內病變組織微環境的特異性變化為核酸類藥物的智能調控釋放提供了發揮空間，但個體差異的存在給其進一步開發應用帶來了不確定因素。相對而言，外源性刺激如溫度、光照、超聲、磁場等更易于施加和控制，可根據不同個體的需求進行有效調控，因而具有廣闊的應用前景。基于此，筆者從溫度、光照、超聲、磁場這幾個刺激因素方面綜述了熱響應、光響應、超聲響應、磁響應型納米載體的研究進展。

2.1 熱響應型納米載體

熱是最簡單的刺激之一，其不僅可以人為施加，而且可以對施加熱的程度、時間和空間進行精確控制，是一種頗具應用前景的外源性刺激。鑒于很多聚合物在達到臨界相變溫度或臨界溶解溫度時會發生相變或構象變化[19]，因此，很多研究者將這些具有熱響應性能的載體材料用于核酸類藥物的遞送研究中。

Kurisawa等[20]合成了以N-異丙基丙烯酰胺（IPAAm）-甲基丙烯酸二甲氨乙酯（DMAEMA）-甲基丙烯酸丁酯（BMA）為結構單元的共聚物——一種含有8%DMAEMA和11%BMA的共聚物P（IP-8DA-11BM），其最低臨界相容溫度（lower critical solution temperature，LCST）為21 ℃;以其為載體材料遞送DNA，當降低溫度至LCST以下時，聚合物水溶性增加、結構松散，從而導致DNA外泄，反之DNA則可以保留在載體內。體外轉染結果亦顯示，該聚合物在37 ℃條件下孵育48 h后，DNA的轉染效率明顯優于在20 ℃條件下孵育3 h，也優于在37 ℃條件下繼續孵育45 h。

Wang等[19]合成了溫敏型聚合物材料N-異丙基丙烯酰胺-共-N，N-二甲基丙基丙烯酰胺[P（NIPAAm-co- DMAAm）]，其在水中的LCST約為40 ℃，并使用該材料修飾脂質體，獲得了用于遞送siRNA的溫敏型脂質體。結果表明，該溫敏型脂質體在37 ℃條件下與市售轉染試劑Lipofectamine RNAiMAX、未經修飾的脂質體和PEG化的脂質體相比，基因沉默效率更高且細胞毒性更低。

2.2 超聲響應型納米載體

超聲是臨床診療的一種常規手段，具有較強的能量聚焦能力和良好的穿透能力，這為其拓展應用提供了可能。相關研究發現，可以將超聲與攜載造影氣體的藥物遞送載體聯合應用，待載體達到目標組織后，通過施加高強度超聲實現空化，誘導細胞膜形成暫時性氣孔，從而釋放藥物[21-22]。因此，超聲與藥物載體聯合應用，不僅可以實現病灶可視化，同時也可以實現藥物的定時、定位精準釋放。有研究者將這種超聲響應型遞送載體應用于核酸類藥物的遞送研究中，并取得了良好的治療效果[23-24]。

Endo-Takahashi等[25]構建了一種同時負載全氟丙烷和siRNA的PEG化脂質氣泡，在超聲介導下，該載體不僅可以實現病灶部位的超聲顯影，而且可以實現病灶部位細胞內siRNA的有效遞送，使得基因沉默效果得到顯著提升。Fan等[26]構建了一種包載DNA的葉酸修飾微泡，在超聲條件下，血腦屏障暫時性打開，微泡在超聲作用下轉變為納米粒子進入腦實質，并在葉酸介導下實現腫瘤細胞的選擇性內吞，完成靶細胞內的DNA遞送。結果顯示，該載體與超聲聯合應用后，顯著提高了DNA在大腦腫瘤組織內的基因轉染效率。

2.3 磁響應型納米載體

由于磁場的施加幾乎不需要與患者身體直接接觸，且磁響應具有實時特點，因此，磁力被認為是精準觸發藥物釋放的最佳外部物理刺激之一。目前，磁性納米顆粒（magnetic nanoparticles，MNPs）已廣泛應用于磁共振成像、磁介體熱療以及藥物遞送等生物醫學領域[27-29]。MNPs的物理靶向性和可選擇性激活等特點使其在核酸類藥物遞送領域同樣具有獨特優勢。

當前以MNPs作為高效的核酸類藥物遞送系統的策略主要有2種。一種是以增加治療性納米顆粒在腫瘤部位蓄積為目的的磁性靶向策略。如Dalmina等[27]開發了一種遞送siRNA的超順磁性氧化鐵納米顆粒，為提高其生物相容性，該研究者以磷酸鈣和聚乙二醇-聚陰離子共聚物對載體表面進行了包覆。結果顯示，該載體可以攜帶siRNA向磁源方向移動，同時基因沉默效率的顯著提升在基因水平和蛋白水平均得到證實，且未發現相關毒性。有報道以氧化鐵納米顆粒為磁性介質，通過產熱刺激啟動子（如熱響應型啟動子）誘導基因表達，這種方式所生成的基因產物可以直接殺死細胞或者協同增加熱療的抗腫瘤效果[28]。Yin等[29]報道了一種摻雜鋅的高磁性氧化鐵納米粒，該載體不僅可以靶向遞送miRNA，而且可以誘發磁熱效應發揮協同作用，從而顯著提高抗腫瘤效果。

2.4 光響應型納米載體

與其他外源性物理刺激相似，光刺激同樣具有非入侵性，且可靈活把控施加強度、曝光時間和作用位置，因此得到了快速發展，并逐漸形成獨特的診療方法，如光動力學療法、光熱療法和放射動力療法等[30]。

在施加光刺激后，載體中光敏材料的生色團或活性染料接受輻照能量后會產生可逆/不可逆的結構變化或者將輻射轉換為熱能提升局部溫度，導致納米載體的滲透性發生改變進而釋放出荷載藥物[31]。Diguet等[32]將帶有正電荷的光敏材料偶氮苯三甲基溴化銨與帶有負電荷的陰離子烷基表面活性劑混合，通過自組裝獲得了粒徑為50～200 nm的光響應型囊泡。該囊泡可經紫外光照射破裂，釋放出包裹的DNA，并顯著提高其在細胞中的轉染效率。此外，基于光化學內化的光激活效應可通過局部產生活性氧而破壞內吞體膜，進而提高基因的胞內轉運效率。Jayakumar等[33]構建了一種具有核殼結構的近紅外-紫外-可見光轉換納米粒子，該載體表面覆有雙鏈嗎啉基寡核苷酸和一種用于光化學內化（photochemical internalization，PCI）的光敏劑TPPS2a，當施加近紅外光照射時可產生TPPS2a，誘發PCI效應，同時導致雙鏈嗎啉基寡核苷酸裂解，產生RNAi作用所需的紫外光和可見光，從而達到以近紅外光照射促進內涵體逃逸和控制體內基因沉默效應的目的。

3 聯合觸發響應型納米載體

人體環境復雜，相對于單一刺激響應型載體材料，聯合應用多種觸發機制可以更為有效地控制藥物在體內的分布、蓄積以及在靶部位的釋放，進而提高藥物的治療效果，降低毒副作用。在核酸類藥物遞送領域，為達到最佳遞送效果，通常會同時應用幾種不同的觸發響應策略，比如可以結合不同的內源性刺激觸發載體響應，也可以將內源性刺激與外部刺激結合起來共同觸發載體響應[18，34]。

An等[35]合成了一種具有pH和GSH雙響應特性的4臂-聚乙二醇-b-聚二硫代組胺共聚物（4-arm PEG- ?SSPHIS），可與DNA形成表面近中性的納米復合物。該載體可同時響應pH和GSH（還原環境）刺激，快速釋放DNA，且在降低細胞毒性的同時顯著提高了基因的轉染效率。Mok等[36]則構建了一種新型超順磁性氧化鐵納米載體，該載體表面由3種功能分子即檸康酐修飾的PEI、PEG修飾的siRNA以及PEG修飾的氯霉素（CTX）包覆。給藥后，該載體在磁場以及腫瘤靶向配體CTX的引導下靶向于腫瘤組織，在腫瘤微環境的酸性條件下，PEI的氨基暴露，電荷反轉，產生細胞毒性作用，同時發揮質子海綿效應實現內涵體逃逸，將PEG修飾的siRNA遞送至細胞質內，而PEG修飾的siRNA則可利用腫瘤細胞內的GSH實現二硫鍵的斷裂，發揮基因沉默效應。該載體被認為是一種兼具靶向治療作用的腫瘤核磁共振造影劑。

4 總結與展望

核酸類藥物在常規藥物難以治愈的遺傳性疾病、病毒感染、心血管疾病和癌癥等疾病中的治療潛力巨大。盡管目前已有多種核酸類藥物成功上市，但由于智能響應型納米載體對病灶內部環境變化或外部施加的刺激因素高度敏感，進而實現對藥物釋放的精準調控，因此，理想的智能響應型核酸類藥物納米載體仍然是科學家們研究的重點之一。生理條件下，疾病發生的病變部位與正常組織有明顯差異，在病變部位存在多種刺激因素信號，設計和開發能夠對多種信號組合響應的聯合觸發響應型納米載體有望進一步改善核酸類藥物的釋放性能。這些系統所具備的獨有性能，包括高細胞攝取、低細胞毒性和特異性細胞內基因釋放等能夠解決單一刺激型響應系統存在的響應靈敏度不高、響應速度遲緩、刺激性大、免疫原性大等問題。如果該類載體能夠實現從實驗室到臨床的轉化，并在臨床診斷和疾病治療方面得以應用，將推動醫藥行業和制藥行業的重大變革。

隨著研究的不斷深入，各種新型組分（如量子點）不斷涌現，并已被加入到智能響應型核酸類藥物載體行列以改善其可控性[37-39]。智能響應型載體的運載目標已經從單一的核酸類藥物或化療藥物逐步轉變為多組分共載，釋放功能也將從單一緩釋到兼具靶向性、長循環、定時定點釋放等多重功能。目前用于遞送核酸的智能響應型納米載體構建的材料有脂質體、樹枝狀聚合物、納米乳劑、膠束、無機納米顆粒等。常用的核酸遞送納米載體中，無機納米材料及其復合材料具有不同于宏觀材料的獨特物理性質，如量子點的熒光性質、三氧化二鐵納米顆粒的磁熱效應、金納米顆粒的光熱轉化特性等，因此可以將無機納米顆粒作為外部光、熱、磁、氧等刺激響應的載體材料。基于以上納米材料所構建的核酸類藥物遞送載體具有其他類型載體無法比擬的優勢。首先，納米載體主要通過表面吸附藥物或內部包裹藥物來實現藥物的運載，合成的納米顆粒具有巨大的比表面積，可實現核酸類藥物的高效負載;其次，研究人員可篩選性能不同的納米材料，合成不同形狀、大小、化學組成、多孔結構的納米顆粒，并對其進行表面修飾，可使納米載體針對不同的荷載藥物，表現出不同的藥代動力學性質和藥效動力學性質。利用不同納米材料構建的刺激響應型核酸類藥物遞送載體已經克服了非病毒載體核酸遞送過程中的大部分障礙，但相較于臨床應用的實際需求，許多非病毒核酸類藥物遞送載體在轉染效率、生物安全性等方面仍有巨大的提升空間，載體的潛在毒性和全身清除效率的研究還有待進一步展開。

研究者若想要構建高效、低毒且精準靶向的智能響應型核酸類藥物納米載體，需要考慮到核酸藥物的化學修飾、納米材料的功能化、載體的制備技術以及給藥途徑的選擇，同時需要結合具有可預測藥代動力學和藥效學特性的聯合策略，以及明確的作用機制等。在許多情況下研究人員在構建載體時不可能對這些條件進行直接的排列組合比較，這些策略的正確性均會決定納米載體是否能夠構建成功。另外，目前蓬勃發展的人工智能和計算機建模的應用為解決這些問題也提供了一個新方向。

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（收稿日期：2021-11-18 修回日期：2022-02-28）

（編輯：唐曉蓮）