沸石咪唑酯骨架材料載藥策略的研究及藥物遞送應(yīng)用

劉珊珊，馮藝

(1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院健康學(xué)院，江蘇省食品安全工程技術(shù)研發(fā)中心，南京 211168；2.南京林業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，南京 210037)

對(duì)大多數(shù)藥物而言，存在水溶性差、化學(xué)穩(wěn)定性差以及靶向性差等問(wèn)題。因此，為提高藥物的療效，通常需用載體將藥物包裹，進(jìn)行保護(hù)和遞送[1]。金屬有機(jī)骨架(metal organic framework，MOFs)是一類由金屬離子中心和有機(jī)配體通過(guò)配位作用形成的多孔材料[2-3]，具有高比表面積和豐富的孔道結(jié)構(gòu)，加之其結(jié)構(gòu)和組成多樣性以及其孔道和物理化學(xué)性能易于調(diào)控等特性，備受科研工作者的關(guān)注。沸石咪唑酯骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs)是MOFs中的一類材料，主要是由鈷離子和鋅離子與咪唑配體結(jié)合而形成的一類多孔材料[4-7]。ZIFs不僅具有MOFs的優(yōu)勢(shì)，如豐富的孔道結(jié)構(gòu)、高比表面積、結(jié)構(gòu)多樣性、易于改性調(diào)控等，還具有獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。ZIFs具有良好的生物相容性和低毒性。以ZIF-8為例，主要由鋅離子和2-甲基咪唑組成，鋅離子對(duì)生物體的危害小，毒性低[8]。ZIFs的合成簡(jiǎn)單，可在室溫下金屬離子溶液與配體溶液攪拌混勻即可合成。因此，利用該特性，可在合成過(guò)程中的前驅(qū)體溶液中引入藥物，實(shí)現(xiàn)一步法藥物負(fù)載。ZIFs還具有較好的穩(wěn)定性，可耐高溫，因此ZIFs包裹藥物后可保護(hù)藥物不受到高溫環(huán)境的破壞。此外，ZIFs具有 pH響應(yīng)性，即在生理?xiàng)l件下穩(wěn)定，但在酸性環(huán)境下解體。在大多數(shù)以ZIFs作為藥物載體的研究中，就是利用ZIFs可在酸性環(huán)境中破壞而緩慢釋放孔道內(nèi)部藥物的特性，作為抗腫瘤藥物的靶向治療。ZIFs解體后所釋放的鋅離子(Zn2+)本身具有抗菌殺菌的效果，具有某些特定形貌的ZIFs，如ZIF-L，其尖的棱角可物理破壞細(xì)菌的細(xì)胞壁，也可起到一定的殺菌作用[9]。FENG等[5]綜述了ZIF-8顆粒的合成方法以及在藥物傳輸中的應(yīng)用，WANG等[6]總結(jié)了ZIF-8的合成、改性以及在腫瘤防治中的應(yīng)用，以及胡強(qiáng)強(qiáng)等[7]綜述ZIF-8顆粒尺寸的調(diào)控方法以及在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。然而，這些綜述主要側(cè)重于ZIF-8的合成與應(yīng)用，對(duì)其他ZIFs并未進(jìn)行討論。此外，對(duì)于材料合成而言，關(guān)鍵的一步在于ZIFs對(duì)藥物包裹的合成策略。基于此，本綜述主要討論ZIFs作為藥物載體的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)ZIFs包裹藥物的合成方法進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)各種合成手段的優(yōu)缺點(diǎn)及在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)歸納。

1 ZIF-8的合成與載藥的策略

1.1ZIF-8的合成 目前，ZIF-8的合成主要有溶劑合成法、水熱合成法、微波法、對(duì)流合成法、機(jī)械混合法等。溶劑合成法是將金屬離子和咪唑配體溶解在水或有機(jī)溶劑中，在室溫或加熱條件下合成；水熱合成法是將前驅(qū)液置于反應(yīng)釜中加熱，在一定壓力、溫度下合成；微波法是基于電磁波與富電荷材料的相互作用，為反應(yīng)提供能量，從而促進(jìn)ZIFs的形成；機(jī)械混合法通過(guò)研磨或球磨前驅(qū)體的方式得到最終產(chǎn)物；對(duì)流合成法是合成ZIFs膜常用的方法，是將金屬離子溶液和咪唑配體分別置于多孔膜的兩側(cè)，通過(guò)對(duì)流形成晶核，進(jìn)而得到ZIFs顆粒的方法。除上述方法外，ZIFs還可通過(guò)金屬氧化物做模板劑和前驅(qū)體，與配體反應(yīng)形成產(chǎn)物，例如以氧化鋅做鋅源和模板劑，與2-甲基咪唑配體結(jié)合可得到ZIF-8顆粒[10]。

1.2ZIF-8載藥的策略 ZIFs載藥策略可分為在線包裹/一步合成法、后處理負(fù)載法、相轉(zhuǎn)化法以及表面活性劑協(xié)助負(fù)載法等，如圖1所示。一步合成法是通過(guò)在ZIFs形成過(guò)程中對(duì)藥物進(jìn)行包裹；后處理負(fù)載法是先合成ZIFs材料通過(guò)浸漬的方式對(duì)藥物進(jìn)行包裹負(fù)載；相轉(zhuǎn)化法是通過(guò)ZIFs之間的轉(zhuǎn)化以及表面活性劑協(xié)助法是基于一步合成法，在負(fù)載過(guò)程中加入表面活性劑對(duì)載體的孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行調(diào)控，以促進(jìn)藥物負(fù)載過(guò)程。

圖1 常見(jiàn)的ZIF-8載藥策略示意圖 Fig.1 Schematic illustration of common strategies to encapsulate drugs into ZIFs-8

1.2.1一步合成法 由于ZIFs的形成是通過(guò)金屬離子(主要是鈷離子和鋅離子)和咪唑配體配位形成，因此在配位過(guò)程中可引入藥物，從而在ZIFs生長(zhǎng)過(guò)程中形成對(duì)藥物的包裹。在液相體系中，金屬離子溶液與咪唑配體溶液混合，通過(guò)配位形成晶核后生長(zhǎng)，最終得到ZIFs顆粒。在合成ZIFs過(guò)程中，藥物可先分散或溶解在金屬離子溶液或配體溶液中，從而在金屬離子簇與配體結(jié)合形成骨架結(jié)構(gòu)的過(guò)程中形成對(duì)藥物的包裹。例如ALSAIARI等[11]將CRISPR/Cas9藥物與二甲基咪唑溶液混合，隨后加入鋅源，成功將藥物包裹在ZIF-8孔道內(nèi)，其載藥率可達(dá)17%。ZHENG等[12]將抗腫瘤藥物多柔比星(DOX)與硝酸鋅溶液混合，兩者可通過(guò)配位作用力形成配位聚合物。隨后，將二甲基咪唑加入到該溶液中，通過(guò)鋅離子與二甲基咪唑的配位，達(dá)到ZIF-8包裹DOX(負(fù)載量達(dá)14%～20%)的目的。CHEN等[13]先將自噬抑制劑3-甲基腺嘌呤(3-MA)與鋅離子溶液混合，隨后加入咪唑配體溶液，得到ZIF-8@3-MA[圖2(a)]。除上述加入順序外，也可先將鋅離子溶液與配體溶液混合，隨后加入藥物。如WANG等[14]通過(guò)這種加入順序，將吲哚菁綠引入到ZIF-8的孔道內(nèi)。體外藥物試驗(yàn)表明，該方法得到的ZIF-8包裹藥物具有較好的光熱治療療效。在固相體系合成ZIFs過(guò)程中加入藥物同樣可達(dá)到ZIFs包裹藥物的目的。例如在球磨ZIFs前驅(qū)體過(guò)程中加入藥物，可在線合成ZIFs包裹藥物的復(fù)合物[圖2(b)]。該方法的海藻酸鈉載藥效率高達(dá)83.5%，負(fù)載量可達(dá)6.68%。84%的藥物可在pH8的磷酸鹽緩沖液中8 h內(nèi)緩慢釋放，展現(xiàn)出較好的藥物緩釋性能[15]。

圖2 (a)液相體系[13]和(b)固相體系[15]一步法ZIF包裹藥物的合成示意圖 Fig.2 One-pot synthesis of ZIF@drug in liquid solution (a)[13] and solid system (b)[15]

1.2.2后處理負(fù)載法 主要通過(guò)毛細(xì)作用力、靜電相互作用、范德華力或配位作用力將藥物與ZIFs進(jìn)行結(jié)合。SHEARIER等[16]通過(guò)將合成好的ZIF-8顆粒經(jīng)過(guò)球磨后分散到磷酸鹽緩沖液中并加入羥基脲，從而通過(guò)范德華力與ZIFs結(jié)合實(shí)現(xiàn)ZIFs對(duì)羥基脲的包裹。SOLTANI等[17]將慶大霉素溶解在甲醇溶液中，隨后加入預(yù)先合成的ZIF-8顆粒浸漬5 d，離心洗滌干燥即可得到ZIF-8包裹慶大霉素復(fù)合物(ZIF-8@GEN)。慶大霉素在ZIFs上的負(fù)載主要通過(guò)氫鍵和靜電吸附作用力來(lái)結(jié)合。WANG等[18]將ZIF-67顆粒浸漬在DOX和氧化鐵的前驅(qū)液中，得到ZIF-67包裹DOX和氧化鐵顆粒的復(fù)合材料。GOMAR 等[19]通過(guò)吸附，在ZIF-6、ZIF-3以及ZIF-1上負(fù)載氟尿嘧啶和硫鳥(niǎo)嘌呤分子，并通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)這兩類藥物分子會(huì)優(yōu)先吸附在ZIF-6和ZIF-1骨架上的Zn-咪唑配體的四元環(huán)上。與一步合成法相比，后處理負(fù)載法的優(yōu)勢(shì)在于可控制ZIFs的顆粒尺寸和形貌，即根據(jù)需要先合成具有一定顆粒尺寸和形貌的ZIFs進(jìn)行藥物負(fù)載。而一步合成法是在線生長(zhǎng)ZIFs顆粒，其生長(zhǎng)速度不易控制，從而導(dǎo)致顆粒大小不均一以及顆粒尺寸難調(diào)控等缺點(diǎn)。雖然后處理法具有上述優(yōu)勢(shì)，但也存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)，比如長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)在一定程度上損壞ZIF的晶型，預(yù)先合成的ZIF由于其較小的孔道窗口，大分子無(wú)法進(jìn)入孔道內(nèi)部進(jìn)行負(fù)載以及一般需較長(zhǎng)的合成時(shí)間等。

1.2.3相轉(zhuǎn)變法 具有葉片狀的ZIF-L被認(rèn)為是ZIF-8的中間態(tài)，是SOD結(jié)構(gòu)的一部分[圖3(a-c)]。ZIF-L的二維SOD層與層之間通過(guò)氫鍵連接。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，ZIF-L可在有機(jī)溶劑中加熱轉(zhuǎn)化成ZIF-8[20]。利用這種特性，GUAN等[21]首先將藥物與ZIF-L混合，藥物進(jìn)入二維SOD層間空隙，在ZIF-L轉(zhuǎn)化成ZIF-8的同時(shí)，咪唑配體連接相鄰的二維SOD片層，從而將藥物“關(guān)”在層間空隙中，形成包裹，如圖3(d) 所示。該工作為ZIFs包裹藥物提供了新的思路。

圖3 (a)ZIF-L的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；(b)ZIF-8與ZIF-L的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(綠色為ZIF-8拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，紅色顯示的為ZIF-L的層狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))；(c) ZIF-L的SEM形貌[22]；(d)相轉(zhuǎn)化法包裹分子示意圖 Fig.3 (a) Topological structure of ZIF-L；(b) Topological structure of ZIF-8 and ZIF-L (green is ZIF-8 topology，red is ZIF-L layered topology)；(c) SEM image of ZIF-L；(d) encapsulation of molecules into ZIFs via phase transformation method

除上述方法外，還可通過(guò)改性等方法對(duì)藥物進(jìn)行包裹，如在ZIFs上引入官能團(tuán)促進(jìn)ZIFs與藥物之間的結(jié)合或通過(guò)模板劑協(xié)助包裹等。ABDELHAMID等[23]通過(guò)一步法合成ZIFs包裹藥物的同時(shí)加入三甲胺，可對(duì)ZIF的孔道結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，如圖4所示。三甲胺的加入不僅可促進(jìn)ZIFs的形成，還可形成介孔，而所得到的ZIFs可有效保護(hù)包裹在內(nèi)的染料分子(羅丹明B和亞甲基藍(lán))以及蛋白質(zhì)分子(牛血清白蛋白)，提高其分子穩(wěn)定性和存活時(shí)間。綜上，表1所示一步合成法，后處理負(fù)載法以及相轉(zhuǎn)化負(fù)載法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

圖4 三甲胺為表面活性劑得到的具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)ZIF-8包裹羅丹明B復(fù)合物 Fig.4 ZIF-8 encapsulated rhodamine B complex with hierarchical pore structure obtained by trimethylamine as surfactant

表1 不同ZIF-8包裹藥物的合成策略的比較 Tab.1 Comparison of different strategies to encapsulate drugs into ZIFs

2 ZIFs載藥系統(tǒng)在醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用

目前，抗腫瘤治療的途徑有化學(xué)藥物治療、光熱治療、光動(dòng)力治療等手段[24]。以ZIF為載體，負(fù)載相應(yīng)的藥物或其他功能性材料如具有光響應(yīng)、磁響應(yīng)的材料，達(dá)到相應(yīng)的治療的目的。最常見(jiàn)的手段是結(jié)合ZIFs的pH響應(yīng)特性，即在酸性環(huán)境中ZIFs可解體，這一特性是其他MOFs如UiOs和MILs等不具有的。其主要原因是因?yàn)樵谒嵝原h(huán)境中，ZIFs的有機(jī)配體會(huì)被質(zhì)子化，從而導(dǎo)致金屬離子簇與咪唑配體之間的配位鍵解離，導(dǎo)致骨架的破壞[25]。一般情況下，腫瘤細(xì)胞處在弱酸環(huán)境中，ZIFs到達(dá)靶向部位后在弱酸環(huán)境中解體，緩慢地釋放藥物。例如在ZHUANG等[26]的研究中，當(dāng)pH值在7.4時(shí)，ZIF-8在24 h后藥物釋放小于10%，而在pH值為6的環(huán)境下1 h后藥物釋放可達(dá)50%，12 h后接近100% 。此外，ZIF解體所產(chǎn)生的金屬離子，尤其是Zn2+，本身具有一定的殺菌抗菌作用，也會(huì)對(duì)治療起到一定的貢獻(xiàn)。

ZIFs還可通過(guò)特定的化學(xué)試劑使其解體達(dá)到釋放藥物的目的。例如通過(guò)ZIF-90可在三磷酸腺苷(ATP)中解體的特性，可得到ATP響應(yīng)的ZIF-90包裹蛋白質(zhì)分子的復(fù)合物，并通過(guò)ATP使ZIF骨架發(fā)生分解，從而達(dá)到在目標(biāo)區(qū)域釋放蛋白質(zhì)分子的目的[27]。在該研究中，ZIF-90包裹蛋白質(zhì)分子的復(fù)合物主要通過(guò)一步合成法得到，即將蛋白質(zhì)分子分散在ZIF-90的前驅(qū)液中，通過(guò)金屬離子和咪唑配位形成骨架結(jié)構(gòu)的同時(shí)，包裹蛋白質(zhì)分子。上述兩種方法主要是通過(guò)ZIF的特性在特定環(huán)境中(pH變化或化學(xué)試劑刺激)響應(yīng)，發(fā)生解體而使藥物釋放。除此之外，在合成過(guò)程中包裹具有功能化特性的材料，可使得ZIFs在其他刺激下如光、熱、磁性等發(fā)生響應(yīng)，達(dá)到藥物釋放的效果：WU等[28]將Fe2O3顆粒包裹在ZIF-8中，使ZIF-8載體具有磁響應(yīng)；SILVA等[29]報(bào)道了一種以金顆粒做內(nèi)核以及ZIF-8做外殼的核殼結(jié)構(gòu)，并通過(guò)引入Eu3+和Tb3+離子，使該材料具有熱響應(yīng)，用于運(yùn)輸和釋放氟尿嘧啶和咖啡因等藥物； SHARSHEEVA等[30]將光催化劑TiO2與ZIF-8結(jié)合，利用TiO2的光催化特性，使載體具有光響應(yīng)特性。對(duì)光、熱、磁響應(yīng)釋放藥物的途徑，通常不需要破壞ZIF的結(jié)構(gòu)，而且由于其功能化材料的特性，會(huì)附帶其他功能，例如光照下光催化劑會(huì)產(chǎn)生光生電子和空穴，具有一定的氧化還原特性，而具有磁響應(yīng)的載體可通過(guò)磁力為ZIFs傳輸產(chǎn)生動(dòng)力。值得注意的是，上述提到的藥物釋放響應(yīng)機(jī)制可組合使用(如pH-光響應(yīng)等)，利用多種響應(yīng)激發(fā)或促進(jìn)ZIFs在靶向部位的藥物釋放。

除腫瘤治療外，ZIFs作為載體還在生物成像和生物大分子保護(hù)等展現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值。例如通過(guò)ZIFs包裹磁性的Fe3O4、熒光碳量子點(diǎn)等功能性材料使其具有一定的檢測(cè)能力，可實(shí)現(xiàn)診斷治療一體化：以ZIF-8為載體，同時(shí)包裹具有熒光效應(yīng)的量子點(diǎn)和氟尿嘧啶，其中熒光量子點(diǎn)可在腫瘤部位顯影成像，而抗腫瘤藥物氟尿嘧啶在腫瘤部位的可控釋放又可達(dá)到治療的目的，如圖5所示[31]。氟尿嘧啶的釋放，通過(guò)pH響應(yīng)，充分利用ZIF-8在酸性中結(jié)構(gòu)緩慢破壞的特點(diǎn)，達(dá)到藥物在靶向目標(biāo)中的可控釋放。在該研究中，熒光碳量子的負(fù)載通過(guò)一步合成法，即在ZIF-8的合成前驅(qū)液中，分散碳量子點(diǎn)，得到包裹碳量子點(diǎn)的ZIF-8材料。隨后，通過(guò)后處理負(fù)載的方式，將氟尿嘧啶負(fù)載在已成型的ZIF-8顆粒之上，從而達(dá)到ZIF-8負(fù)載包裹碳量子點(diǎn)和氟尿嘧啶的目的。FENG等[32]通過(guò)ZIF-8包裹抗體分子、免疫球蛋白等蛋白質(zhì)分子，對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ZIF-8包裹的蛋白質(zhì)分子在3周后仍具有很高的活性，從而突顯ZIF-8的保護(hù)作用 。

圖5 (a，f)ZIF-8，(b，g)ZIF-8包裹量子點(diǎn)，(c，h)ZIF-8與量子點(diǎn)混合，(d，i)甲醇洗滌后的ZIF-8包裹量子點(diǎn)以及(e，j)甲醇洗滌后的ZIF-8與量子點(diǎn)混合分別在(a-e)自然光和(f-j)365 nm紫外光下的表觀圖像和(k)ZIF-8包裹熒光量子點(diǎn)和藥物分子的示意圖 [31] Fig.5 Powder photographs of ZIF-8 (a，f)，ZIF-8@carbon dots(b，g)，ZIF-8 mixed with carbon dots(c，h)，ZIF-8@carbon dots after methanol washing (d，i) and ZIF-8 mixed with carbon dots after methanol washing (e，j)；schematic diagram of ZIF-8 encapsulating fluorescent carbon dots and drug molecules (k) [31]

3 結(jié)語(yǔ)與展望

ZIF-8具有高比表面積、豐富的孔道結(jié)構(gòu)以及pH響應(yīng)等特性，使其成為藥物負(fù)載的良好載體，目前，ZIF-8作為藥物載體，可負(fù)載化療藥物等用于腫瘤治療、光熱治療等領(lǐng)域，且在生物成像、生物大分子存儲(chǔ)與保護(hù)中也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值。雖然目前ZIFs載藥系統(tǒng)已有很多研究并取得一定的成績(jī)，但在以后的相關(guān)研究應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：①ZIF-8以微孔為主，孔道窗口較小，對(duì)一些生物大分子的包裹依然存在挑戰(zhàn)，因此需要合成具有多級(jí)孔結(jié)構(gòu)或刻蝕ZIF-8對(duì)大分子藥物分子進(jìn)行有效包裹。此外，ZIF-8多以顆粒為主，具有其他形貌如二維片層或一維結(jié)構(gòu)的ZIF-8包裹藥物的研究尚未報(bào)道；②對(duì)藥物的負(fù)載要區(qū)分孔道內(nèi)負(fù)載與表面負(fù)載，對(duì)某些藥物，可通過(guò)吸附作用吸附在ZIF表面，并未進(jìn)入孔道內(nèi)部。此外，藥物負(fù)載后應(yīng)充分的洗滌，將表面游離態(tài)的藥物脫除；③藥物負(fù)載或改性處理后的ZIF-8，其抗酸穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化，因此，負(fù)載藥物的ZIFs在酸性環(huán)境中解體釋放需與純ZIFs的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；④IF-8在解體后分解為鋅離子和咪唑配體。雖有研究表明，Zn2+具有低毒性，但對(duì)咪唑配體的毒性研究較少，因此，ZIF-8在分解后的安全性還需進(jìn)一步的研究；⑤相關(guān)文章不僅需要對(duì)合成后樣品的性能進(jìn)行測(cè)試，還需對(duì)合成機(jī)理研究進(jìn)行探討以及合成條件優(yōu)化。綜上，ZIFs是一種具有前景的藥物載體，未來(lái)期待有更多的研究推動(dòng)ZIFs在藥物遞送系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。