絲素蛋白載藥納米粒的研究進展

張子凡, 李鵬飛, 王建南, 許建梅

(1.蘇州大學 紡織與服裝工程學院, 江蘇 蘇州 215021; 2.蘇州大學 紡織行業醫療健康用蠶絲制品重點實驗室, 江蘇 蘇州 215127)

藥物遞送系統是將活性藥物以物理吸附或化學共價結合等方式分散包埋在載體材料中輸送到病灶部位,實現緩慢釋放或可控釋放。這種方式特別適用于那些在體內生理環境下易失活而導致生物利用率降低的藥物,還適用于副反應較大,易引起全身性免疫刺激的化療類藥物。藥物遞送系統可以是納米粒、微球、微膠囊和乳劑等。其中,納米載藥粒子因其尺寸效應而顯示出獨特的性能,納米粒子保護藥物不被肝脾清除,突破人體生理屏障,直接作用于細胞、組織,提供局部組織持續的高血液濃度,增強細胞內滲透并降低患者正常細胞的毒性風險[1]。

可用作納米粒載體材料的物質有:合成的生物可降解聚合物,如聚乳酸、聚己內酯和聚乙醇酸等;天然聚合物,如纖維素、殼聚糖、透明質酸、海藻酸鹽等,以及蛋白質類高聚物,如膠原、明膠、絲素蛋白等[2]。由于絲素蛋白既有通過β折疊生成的晶體結構而形成的疏水鏈段,也有相對較短且非重復的親水鏈段,從而導致絲素蛋白具有獨特的雙親特性。此外,絲素蛋白還擁有良好的生物相容性和高免疫原性,它作為一種生物材料可被制成薄膜、三維支架、水凝膠、靜電紡纖維和微球等而廣泛應用于生物醫學領域。特別是,其生物可降解性、良好的生物相容性、改善細胞黏附和增殖的特性、化學修飾潛力使其成為一種很有前途的藥物載體材料[3]。此外,絲素蛋白具有不同功能的基團,可以對其進行多種途徑的化學修飾或表面改性提高藥物的負載率,通過與靶向配體的共價連接來觸發對細胞的生物反應,實現靶向釋藥,提高治療效率[4]。

本文分析了絲素蛋白的結構和性能,綜述了絲素蛋白制備載藥納米粒子的研究進展,討論了其不同條件下的緩控釋效果,最后總結了多種方法來提高納米粒子的制備效率,期望未來載藥納米粒子向可控釋放、多功能化、人體無害化、高治療效率方向發展。

1 絲素蛋白的結構和性能

絲素蛋白由蠶絲纖維經脫膠處理而制得,由Gly-Ala-Gly-Ala-Ser重復多肽序列組成[5]。絲素蛋白含有3個結構蛋白亞基,分別為重鏈(約390 ku)、 輕鏈(約26 ku)和小糖蛋白P25(約30 ku)。 二硫鍵將輕鏈和重鏈連接在一起,P25通過非共價疏水鍵連接到纖維上。絲素蛋白的重鏈具有兩親性,包含疏水和親水鏈段。疏水鏈段具有重復的結構,通過β折疊來生成晶體結構,親水性區域是相對較短且非重復的片段,因此,絲素蛋白被認為是一種疏水性糖蛋白,不溶于水[6],但在某些中性鹽的濃溶液中可被溶解,經過透析處理去除鹽即可獲得再生絲素蛋白水溶液。

絲素蛋白有Silk Ⅰ和Silk Ⅱ 2種不同的二級結構形式。Silk Ⅰ以α螺旋結構為主,混合有β折疊和無規卷曲結構,呈現出亞穩定的水溶性構象。相反,Silk Ⅱ主要是反平行的β折疊構象,表現出更高的穩定性和疏水性[7]。通過乙醇等溶劑處理或在高熱高剪切力的作用下,Silk Ⅰ向Silk Ⅱ轉變,導致絲素產生自組裝,從而形成微納米球、微納米顆粒和微細纖維等。

絲素蛋白作為一種天然聚合物,擁有優異的力學性能、良好的生物相容性和生物可降解性等優點。與其它合成的或天然的聚合物相比,絲素蛋白作為藥物載體的制備條件溫和[8],并且可通過引入不同的官能團來改變絲素分子的官能化程度,使各種不同的藥物可在不同的動力學條件下被加載和釋放,從而提供了廣泛的可調節的藥物釋放系統[9]。此外,絲素具有響應pH值變化的內在能力[10],由于絲素的組成部分是各種氨基酸,因此絲素整體呈酸性,在低pH值下,絲素低于其等電點,從而顯示出正電荷。由于阿霉素具有弱堿性,可通過靜電作用吸附在絲素納米粒子上,因此在中性條件下,絲素與阿霉素有較高的結合能力。而處于低pH值環境時,絲素和阿霉素直接的靜電作用發生改變,從而實現藥物釋放且無需任何化學修飾,避免有機溶劑的使用對人體產生副作用。絲素作為一種蛋白質,其生物降解主要是通過蛋白水解酶進行的,降解產物主要為各種氨基酸,無毒無害,在體內代謝也不會產生任何副作用[11]。Min等[12]制備了一種絲素蛋白和納米銀的復合材料并用兔模型評價了絲素納米銀粒子的生物相容性,證實納米銀促進了絲素蛋白的降解且具有顯著的抗菌活性,在24 h內對金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌和大腸桿菌的抑菌率均為100%。此外,在創面愈合方面,與臨床使用的豬脫細胞真皮基質相比,絲素納米銀粒子具有良好的生物相容性。

2 絲素蛋白納米粒的制備

絲素蛋白納米粒的制備方法主要有沉淀法、鹽析法、乳液法和脫溶劑法等。表1列出了絲素載藥納米粒子的制備方法、裝載藥物和緩釋性能等。可以看出,不同制備方法所得納米粒子的性能差別較大。與其它制備方法相比,使用鹽析法和電噴霧法在制備過程中不會引入有機溶劑且對藥物有較高的載藥率。不同制備方法所得納米粒子也具有不同的載藥方式,導致藥物的釋放效果也有不同。通過包覆方式載藥的納米粒子釋放效率要低于吸附載藥的納米粒子。此外,由于裝載的藥物不同,其載藥率和釋放效率以及粒子的形貌大小都會受到影響。使用不同方法制備的納米粒子都可在制備過程中通過改變絲素蛋白溶液的濃度來控制其尺寸和產量。綜上,選擇合適的方法來制備絲素納米粒子用于藥物輸送是非常重要的。目前絲素納米粒子的制備仍然是一個具有挑戰性的領域,需要進一步探索。絲素的高相對分子質量和蛋白質的性質使得納米顆粒的制備難以控制。此外,當絲素暴露于熱、鹽、pH值變化和高剪切條件下時傾向于自組裝成纖維或凝膠,從而影響納米粒子的制備,降低制備效率[13]。圖1示出幾種常見的絲素納米粒子制備方法。

圖1 幾種常見的絲素納米粒子制備方法Fig.1 Several common preparation methods of silk fibroin nanoparticles.(a) Precipitation method; (b) Salting-out method; (c) Electrospray method; (d) Emulsion method; (e) Desolvent method

表1 絲素納米粒子的制備方法Tab.1 Preparation method of silk fibroin nanoparticles

2.1 沉淀法

納米沉淀過程分為3個主要階段:成核、生長和聚集[29]。在納米沉淀過程的初始階段,絲素結構的兩親性誘導絲素鏈局部過飽和,從而使絲素鏈形成多個核且不聚集。通過丙酮溶液的添加,可獲得更高的結晶度誘導絲素鏈重新排列,從而形成新的絲素鏈,使初始核開始以相似的速度增長,新的鏈加成可通過溶劑在丙酮相中的擴散來維持。在擴散過程中,水分子可運輸溶劑化的絲素分子,使這些分子到達初始核并黏附在核表面。初始階段內沒有聚集,直到最后階段才會發生聚集從而產生納米粒子。在生長步驟之后,納米粒子通過聚集體積逐漸增大,迫使納米粒之間相互作用并分散,這可能是因為在相同體積內納米粒子尺寸增大導致的。這一機制可解釋為什么絲素含量越高,就會產生更多的納米顆粒。

Mercedes等[14]通過采用物理吸附和共沉淀 2種方法合成了粒徑為155～170 nm的載姜黃素的絲素納米粒子,其對癌細胞有明顯的細胞毒性且不會降低健康細胞的活性,具有良好的生物相容性和可降解性。Radu等[16]采用沉淀法制備了不同絲素濃度的納米粒子用以表征納米粒子的載藥和釋放藥物的性能,結果發現納米粒的藥物釋放性能與絲素濃度高度相關,但藥物釋放速度均較快,在1.5 h內基本完全釋放。通過共沉淀法制備的絲素納米粒子在生長階段將藥物包裹在里面,因而納米粒子呈現不規則的球形。此外,沉淀法受到絲素和藥品濃度的限制,隨著絲素濃度提高,其產量增大的同時粒子的粒徑也增加,導致納米粒子粒徑的不可控性,后續還需采用如離心、過濾等其它步驟控制粒徑的大小。

2.2 鹽析法

鹽析是生產絲素納米粒子的有效方法,使用鹽析法制備的絲素納米粒子具有更高的尺寸范圍(500～2 000 nm)。 這一過程首先以磷酸鉀鹽(通常為K2HPO4-KH2PO4)為基礎制備鹽浴。由于絲素蛋白同時存在親水和疏水鏈段,疏水部分可與水分子相互作用,使蛋白質與周圍的水分子形成氫鍵。隨著鹽濃度的增加,鹽離子會吸引部分水分子,從而消除蛋白質分子間的水屏障,增強蛋白質與蛋白質之間的相互作用,因此,蛋白質分子通過疏水相互作用而聚集在一起,并從溶液中沉淀出來[30]。

Tian等[17]開發了一種通過在阿霉素(DOX)和磁性納米粒子存在下鹽析絲素的方法來制備載藥納米粒子,通過調節磁性納米粒子濃度來調節載藥納米粒子的生成和DOX的包封率。Song等[18]用磷酸鈉與磁性納米粒子采用鹽析法制備了姜黃素磁性絲素核殼納米粒子,用磷酸鈉制備的納米粒子其粒徑(90～350 nm)明顯小于用磷酸二氫鉀制備的粒徑(500～1 200 nm)。 使用鹽析法制備的絲素納米粒子大都是核殼結構,表面帶有負電荷的磁性納米粒子將帶有正電荷的藥物吸附在表面作為核被包裹在絲素外殼內,并且隨著磁性納米粒子的增加,載藥量也得到提高。然而,采用鹽析法所得納米粒子的二級結構可能會影響藥物釋放,并且在制備過程中使用了大量的鹽,這在正常的透析周期中很難完全去除。

2.3 電噴霧法

電噴霧法是通過電場來啟動絲素溶液的霧化,通過對絲素溶液施加高壓,絲素溶液呈納米顆粒狀從注射器中噴出。由于沒有使用有機溶劑或鹽溶液,獲得的絲素納米粒子純度很高[31]。使用電噴霧法制備絲素納米粒子合成穩定且具有高封裝效率,此外還具備成本低,可重復等優點[32]。制備過程中絲素溶液的濃度和剪切黏度對納米粒子的幾何形狀影響很大,較短的溶解時間和高濃度的絲素溶液可獲得更規則的顆粒[33]。

為保持藥物的抗腫瘤活性,同時避免其細胞毒性和對正常組織的負面影響,Jing等[21]通過電噴霧法成功制備了粒徑為 59～75 nm 的負載順鉑(CDDP)的絲素蛋白納米顆粒,并且制備過程中不添加任何有機溶劑。Niu等[22]使用電噴霧法制備了干態粒徑為40～62 nm的絲素納米粒子,并將CdSe/ZnS 量子點耦合到納米粒子表面。Cao等[23]利用載體聚合物的特性,將絲素、聚乙烯醇(PVA) 和治療藥物結合在一起,無需乳化過程,藥物包封率達到92.3%。使用電噴霧法通過調節電壓直接從噴頭噴出小于100 nm的納米粒子,利用配位鍵或共價鍵的結合方式,將藥物負載在納米粒子表面,然而電噴霧法制備納米粒子速度慢,效率低,并且由于操作參數中涉及的應力(如干燥中的熱應力、噴嘴中的剪切應力)可能會導致一些大分子降解,從而影響納米粒子的成形。

2.4 乳液法

乳液法是將絲素水溶液在機械攪拌或超聲波處理等作用下分散到油相中以形成穩定的乳液體系,然后通過去除溶劑/非溶劑而形成納米顆粒;也可采用復乳法在W/O/W(水包油包水)雙乳液法中,使用穩定乳液的表面活性劑將初級W/O(水包油)乳液分散在第二水相中形成乳液系統, 并去除有機溶劑, 以將納米粒子保存在水性緩沖溶液中[34]。納米粒子雙重乳液的合成是一種快速且節約成本的方法。乳化過程通常是不穩定的,并且會發生顆粒結合以最小化系統的自由能[35];因此,需要表面活性劑和穩定劑來穩定乳液顆粒,然而表面活性劑可能會影響藥物基質相互作用和藥物在生理環境中的釋放速率。

Srisuwan等[36]將絲素蛋白溶液加入到石蠟中加熱,采用油包水乳液溶劑蒸發法制備了絲素蛋白顆粒,水相和油相分別為絲素水溶液和石蠟,經甲醇處理后,絲素的構象由無規卷曲變為β折疊。采用該方法制備的納米粒子尺寸較大,但表面光滑、球形圓整,藥物通過非共價吸附的形式被負載到納米粒子表面。然而,該方法通常存在溶劑殘留的問題,影響其生物相容性,因此,在制備過程中要盡量避免使用有機溶劑,降低溶劑在納米粒子中的殘留率。

2.5 脫溶劑法

脫溶劑法是向含有藥物的絲素溶液中添加有機溶劑(如乙醇和丙酮)來合成納米顆粒。有機溶劑會改變絲素蛋白的結構并降低其溶解度,從而形成絲素納米顆粒。當顆粒尺寸增大到一定程度時會通過相同尺寸顆粒的數量逐漸增加來形成所需要的納米粒子[30]。通過脫溶劑法制造的絲素納米粒子可根據條件調整粒徑[37]。絲素濃度、溶劑添加速度、pH值和溫度是影響粒徑的主要因素。在高pH值和低蛋白質濃度的環境下可產生更小的納米顆粒。

Wu等[24]將紫杉醇(PTX)/乙醇溶液滴加到絲素水溶液中,不添加任何有毒的有機溶劑且避免使用表面活性劑,制備出負載PTX的絲素納米粒子,平均粒徑為130 nm,它們被胃癌細胞攝取,顯示出比全身注射游離PTX更高的抗腫瘤效果。Seib等[25]通過使用丙酮制備了負載阿霉素(DOX)的絲素納米粒子用于乳腺癌的治療,它們可對不同pH值做出響應,在酸性條件下治療效果突出。采用脫溶劑法在制備之前將藥物與絲素蛋白結合,通過添加乙醇或者丙酮使其自組裝,可將藥物包覆在絲素納米粒子中,生成大小均勻的納米粒子。然而使用該方法制備的納米粒子產量較低,且過量的丙酮添加會導致絲素大量凝膠化,影響納米粒子的制備效率。

3 藥物的裝載與可控釋放

3.1 藥物的裝載

通常,藥物以2種方式裝載到納米顆粒上:一是在制備納米顆粒時使載體材料與藥物結合,并同時裝載它們;二是將納米顆粒浸泡在濃縮的藥物溶液中完成藥物負載。后一種方式適用于在操作過程中易失活變性的藥物,但是載藥率與緩釋效果不理想。納米顆粒的載藥率與緩釋效果還受藥物溶解度、納米顆粒大小、介質材料和聚合物等因素影響。聚合物的溶解性與聚合物的組成、分子質量和藥物與聚合物的相互作用有關,裝載的藥物通常具有消炎、抗菌、抗腫瘤等功能。常見的納米顆粒裝載藥物有阿霉素、紫杉醇和姜黃素等。Sun等[38]在絲素蛋白顆粒的制備過程中將阿霉素包裹在里面(見圖2),制備出了負載阿霉素的絲素蛋白顆粒,顆粒表面粗糙且有明顯的空隙,由于阿霉素被包裹在里面導致顆粒形狀不規則。顆粒表面還有細小的顆粒,這是由于葉酸被共價接枝到絲素顆粒表面作為腫瘤細胞葉酸受體的靶基團。合成的絲素顆粒具有良好的生物相容性,絲素顆粒與葉酸受體的特異性結合使這些顆粒與腫瘤細胞具有靶向功能。Chen等[39]將紫杉醇溶解到乙醇溶液中然后混合到制備好的絲素納米粒子中,制備了載藥量為6.9%的納米粒子,整個制備過程簡單溫和,在臨床化療中具有巨大的應用潛力。Mercedes等[14]使用物理吸附和共沉淀2種方法合成了載姜黃素的絲素納米顆粒,2種方法制備的姜黃素絲素納米顆粒對癌細胞具有細胞毒性,同時不會降低健康細胞的活力。

圖2 負載阿霉素的絲素蛋白顆粒Fig.2 Doxorubicin loaded silk fibroin particles

3.2 藥物的控釋

藥物的釋放與藥物分子質量大小、藥物可溶性程度、載體材料的生物可降解性有關。此外,給藥方法也會影響釋放模式。如果藥物擴散速率快于基質的分解速率,則釋藥的主要機制為藥物擴散,否則依賴于封裝基質的降解[40]。絲素蛋白納米粒子的藥物釋放主要為蛋白質侵蝕或降解、藥物通過孔擴散、從表面釋放或通過帶電磁場傳輸。通過包覆形式負載在納米顆粒(如沉淀法、鹽析法和脫溶劑法制備的納米顆粒)中的藥物主要依靠絲素蛋白的降解從孔隙中釋放。而通過吸附或化學鍵結合的方法負載的納米顆粒(如電噴霧法和乳液法)釋放主要依靠表面藥物的擴散。藥物的可控釋放包含2個方面:一是藥物的釋放曲線與速度可以進行調控;二是藥物的釋放位置可進行調控,實現靶向釋放。前者可通過人為干預控制絲素中2種結晶結構的含量,從而改變絲素的降解速度,實現藥物的可控釋放;后者通過絲素蛋白與其它不同降解速度的高聚物按特定比例復合制備納米粒以實現釋放曲線與速度的可調控。靶向釋藥則適用于一些毒副作用較大易引起全身免疫受損的化療類藥物。一方面靶向釋藥可明顯降低體內副作用,降低對正常細胞的損傷;另一方面在病灶局部釋放,形成局部高濃度,可提高藥物利用率,獲得更優的療效。目前對藥物的靶向控釋主要為pH值響應和磁響應,藥物在體內通過磁場或者pH值的變化可到達特定部位進行靶向釋放,從而實現納米粒子的控釋。

3.2.1 pH值響應

pH值響應型納米載體因其具有特殊的酸敏或堿敏釋藥性能成為當前一種重要的納米載體,特別是酸敏性納米載體,可用于腫瘤弱酸環境的藥物控釋。由于正常血液的pH值為7.4左右,腫瘤組織的pH值比正常組織和血液的更低,其pH值在6.6左右,因此酸敏性納米載體為藥物的定點釋放和靶向治療提供了一個積極的方法[41]。此外, 對于腫瘤的治療, 一般是希望納米載體在生理pH值下保持藥物零泄漏, 在腫瘤位置進行酸敏性釋藥。而對于口服給藥, 則希望納米載體能在腸道的堿性環境中智能釋藥。為達到這些目的, 需對納米載體進行分子設計, 以便獲得不同釋放機制的pH值響應型納米藥物載體。一般來說,pH值響應型納米載體的釋藥主要是由共價鍵引發的。通過將納米材料載體表面功能化,使其與藥物分子以共價鍵方式結合,通過這種結合方式可增加納米藥物載體的穩定性,有效防止藥物在體內的提前釋放[42]。Sun等[38]將葉酸共價接枝到絲素納米粒子表面作為腫瘤細胞葉酸受體的靶基,通過調節磷酸鹽緩沖溶液(PBS)的pH值來模擬人體內腫瘤的環境,當PBS的pH值為7.4時,藥物釋放速率最慢,釋放7 h后達到平衡狀態,累積釋放率為25.85%。當PBS的pH值為5時, 藥物釋放速度最快,釋放14 h后達到平衡,藥物總釋放量為68.21%。實驗表明,絲素納米粒子與葉酸受體的特異性結合在酸性條件下有利于藥物的釋放,這為絲素載藥納米粒子提供了靶向腫瘤細胞的功能,通過調節不同pH值可實現載體藥物的控制釋放,從而降低藥物對正常細胞的傷害。

3.2.2 磁響應

磁性納米粒子的體積在小于其臨界體積時產生的熱運動能夠抵抗外界施加磁場的干擾,從而顯現出一種超順磁的特性且能夠懸浮在液體中。在外界施加磁場的作用下,磁性納米粒子會被磁化并隨磁場發生定向移動,當外界施加的磁場消失,磁性納米粒子又重新分散在液體中。磁性納米粒子因其特異的磁響應性能夠實現藥物的定點遞送,提高藥物在病灶處的濃度,降低對正常細胞的損傷,提高治療效果。通過將Fe3O4納米粒子復合在絲素納米粒子上,制備具有磁性的絲素載藥納米粒子使其具備超順磁性及高飽和磁化強度[43]。載藥納米粒子通過動脈注射給藥,在外界磁場作用下定位至病灶部位,通過磁性載藥納米粒子聚集所產生的栓塞作用和藥物的緩慢釋放來達到治療目的。Tian等[17]制備了負載阿霉素的磁性絲素納米粒子,通過對大鼠腫瘤處施加磁場可以觀察到,納米粒子在附加磁場的腫瘤處聚集,而肝臟部位只有少量的藥物,因此,磁靶向可抑制肝臟對藥物的吸收,使其只大量存在于腫瘤部位。Song等[18]制備了一種姜黃素磁性絲素核殼納米系統用于姜黃素在乳腺癌細胞中的緩釋,粒子內部的磁芯提供了使用外部磁鐵進行癌癥靶向的可能性。

雖然pH值響應和磁響應都能對病灶進行靶向定位,然而僅靠一種內部刺激的藥物控釋系統無法達到理想的治療效果。pH值響應型納米粒子由于在輸送到病灶的過程中發生緩釋,會對正常細胞造成一定損傷,而磁響應型納米粒子在病灶處的釋放速度無法控制,這2種方法都存在一定的局限性。通過將2種方法結合(見圖3),利用載藥納米粒子的磁響應性將藥物定位到病灶處,再通過pH值的改變提高其控釋性能,從而提高藥物的治療效果,減少藥物的副作用,實現智能給藥[44]。

圖3 智能響應型納米粒子治療腫瘤細胞的機制Fig.3 Mechanism of intelligent responsive nanoparticles in treatment of tumor cells

4 結束語

隨著納米技術的發展,載藥納米顆粒在各種疾病的治療上扮演著重要的角色。與其它蛋白質納米載體相比,絲素蛋白提取簡單且成本低,具有制備條件溫和、有機溶劑使用較少、良好的生物相容性的優點,其制備出的納米粒子力學強度和穩定性較好,使其在遺傳物質、抗癌藥物、肽類激素、生長因子、脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)等材料的遞送中具有明顯的優勢,且對低分子藥物表現出較高的負載效率。絲素蛋白的兩親特性使其可通過自組裝的方式形成納米粒子,避免了交聯劑的使用,有望在體內獲得更高的利用率。同時在絲素納米粒子在制備過程中要避免絲素暴露在熱、鹽、pH值變化和高剪切力的環境下,防止絲素產生自組裝形成纖維或凝膠,從而降低生產效率。

蛋白納米粒未來研究中應關注的重點是如何實現更高的載藥效率和藥物釋放曲線與速度的可控。通過控制納米粒尺寸、形狀和表面電荷、與藥物的化學鍵結合等來提高藥物利用效率。通過改變絲素Silk Ⅰ和Silk Ⅱ 2種結晶結構的含量來改變絲素的降解速度,從而實現藥物的可控釋放;或者通過絲素蛋白與其它不同降解速度的高聚物復合制備納米粒來實現藥物的可控緩釋。此外靶向釋藥也將成為未來研究的熱點,對藥物的靶向控釋主要為pH值響應和磁響應,藥物在體內通過磁場或者pH值的變化可到達特定部位進行靶向釋放,從而實現納米粒子的控釋,實現智能的納米粒子給藥系統,減少病人的痛苦,降低藥物的副作用。也可通過多種響應相結合的方式來進一步提高藥物利用率,實現精準醫療。納米粒在醫學方面的應用會更加廣泛,對不同部位的疾病治療效果也會不斷提高。