磁性金屬-有機框架復合材料作為抗癌藥物載體的研究進展

付巧芳 , 吳 瑛

(1. 新疆生產建設兵團塔里木盆地生物資源保護與利用重點實驗室 , 新疆 阿拉爾 843300 ; 2. 塔里木大學生命科學與技術學院 , 新疆 阿拉爾 843300 ; 3. 塔里木大學化學化工學院 , 新疆 阿拉爾 843300)

在現代社會中,癌癥的發病率和致死率不斷提高,手術、放療和化療是治療癌癥最普遍的方式。但手術治療局限于實體瘤而無法針對轉移性惡性腫瘤; 放療利用電磁輻射進行局部治療,但對于晚期惡性腫瘤沒有效果; 化療是通過化學藥物有效抑制腫瘤的增長,但因為化療是全身給藥,藥物不具有識別性,會給全身的重要器官造成不可修復的損傷,除此之外,化療還具有復合抗藥性,會導致人體對多種藥物產生抗藥性。因此尋找新的治療癌癥的方式迫在眉睫。

磁性納米粒子主要包括高飽和磁化的純金屬(Fe、Co、Ni等)及其氧化物(Fe3O4、γ-Fe2O3、NiO、Co3O4等)和鐵氧體MFe2O4(M= Mn、Co、Ni)等。1996年,磁性粒子首次作為磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)的負性造影劑用于臨床,此后,美國食品和藥物管理局(Food and Drug Administration,FDA)批準g-Fe2O3和Fe3O4用于診斷和治療,Fe3O4納米粒子制備過程簡便、產物純度較高、且進入人體內參與代謝最終會被排出體外,因此其在生物醫學領域,包括固定化酶、細胞分離、免疫測定、磁控栓塞環境和食品生物檢測以及靶向藥物方面具有廣闊的應用前景[1]。

金屬-有機框架(Metal-organic frameworks,MOFs)是一種新型多孔晶體材料。MOFs的高孔隙率和高比表面積使其具有較大的載藥空間[2-4],還能調節材料中孔徑的大小,最重要的是其具有較好的生物相容性,且易分解,從而可以快速排出體外,降低體內毒性,因此被認為是一種極具潛力的藥物遞送載體[5-6]。但是,由于MOFs不能有效識別癌細胞,對正常細胞具有較大毒性,因此大量研究者將目光聚集于磁性框架復合材料(Magnetic framework composites,MFCs),該復合材料通過一定的方法將MOFs與磁性粒子組裝在一起,兩者協同作用,既保留了MOFs的結構和性能特征,允許存儲和釋放藥物;又為復合材料增添了強磁性能,提供了靶向效果,在生物醫藥領域具有廣泛的應用價值。將MFCs視為微型“機器人”,通過病灶外部施加強磁場,成千上萬個裝載治療藥物的微型“機器人”組成治療“大軍”,直達患者的病灶部位,識別并攻擊癌細胞,從而減少藥物在循環中的擴散,由于腫瘤部位體液環境的pH(5.6)不同于正常體液環境的pH(7.4),且外界交變磁場使腫瘤部位溫度升高,因此MFCs中MOFs結構在腫瘤部位崩塌而釋放抗癌藥物,可實現高效且無毒副作用的治療。本文對MFCs的制備方法、種類、作為抗腫瘤藥物載體的特點及其作用方式進行總結與歸納,以期為MFCs的臨床應用提供理論依據。

1 MFCs的制備方法

MFCs是指將各種MOFs與磁性粒子組裝在一起,使MOFs具備磁性性能,使其能夠磁靶向到病灶區域,其制備方法包括嵌入法、疊層法、封裝法和混合法(圖1)[7]。

圖1 MFCs的不同制備方法[7]

1.1 嵌入法 如圖1A所示,嵌入法是將磁性粒子嵌入MOFs材料的表面,通常在MOFs的成核和生長混合物中加入磁性粒子,然后通過超聲或水熱條件將磁性粒子包埋在MOFs中。根據主要溶劑的不同,可以通過溶劑熱法或水熱法合成MFCs。溶劑熱法使用高沸點極性非質子溶劑,例如N,N-二甲基甲酰胺(N,N-Dimethylformamide,DMF)、N,N-二乙基甲酰胺(N,N-Diethylformamide,DEF)、N,N-二甲基乙酰胺(N,N-Dimethylacetamide,DMA)或二甲亞砜(Dimethyl sulfoxide,DMSO),也可以添加助溶劑,例如甲醇、乙醇或水;水熱法則使用水或以水為主要成分的溶劑混合物。嵌入法制備方法簡單,適用于大多數MFCs的合成,通過嵌入法合成的MFCs材料結構通常類似于MOFs結構,但在合成過程中,一部分磁性粒子會嵌入MOFs的孔徑中,致使MFCs的比表面積降低,因此MFCs作為藥物載體時一般不會采用嵌入法進行制備,因為磁性粒子占用了MOFs的孔徑,會使載藥率降低。

1.2 疊層法 由于官能團的修飾可以有效控制晶體的生長,疊層法一般先用一定官能團修飾磁性粒子表面,再將MOFs通過液相外延法在修飾后的磁性粒子表面逐層生長,最終形成具有核殼結構的MFCs材料(圖1B)[8]。一般需要—COOH或—NH2等官能團進行修飾,形成以磁性顆粒為核,MOFs為殼的核殼結構,因此所得到的MFCs晶體可以保持原始磁性粒子的形狀。這種方法適用于合成復雜的MFCs復合材料,可以精確控制 MOFs 外殼的厚度,制備過程簡單,在室溫下即可進行,但該方法制備時間過長,可以滿足要求的 MOFs 配體種類也很有限。Ashtiani等[9]提出了一條簡易的合成路線來制備新的雜化材料Fe3O4-UiO-66-NH2,制備過程如圖2所示,以—NH2進行修飾,控制Zr-MOFs在Fe3O4納米粒子表面的生長。

圖2 Fe3O4-UiO-66-NH2的制備過程

1.3 封裝法 封裝法利用磁性粒子和MOFs之間的緩沖界面,促進了磁性粒子周圍MOFs的增長,磁性粒子需要預先嵌入聚合物層中,然后添加到 MOFs 的成核和生長混合物中,即可形成MFCs(圖1C)。該方法通常用于合成以磁性粒子為核心、以MOFs為殼層的復合材料,合成步驟較簡單、可調控性強,缺點是需要對磁性粒子提前進行修飾,且MOFs生長的均勻性難以控制。Lu等[10]報道了一種控制封裝法,使不同尺寸、形狀和組成的表面活

性劑覆蓋的磁性粒子被沸石咪唑酸鹽框架(Zeolite imidazolate framework,ZIF)-8包裹,加入的納米粒子可以很好地分散并完全限制在ZIF-8晶體中,且每個ZIF-8晶體中可以有控制地摻入多個磁性納米粒子。該方法所制備的納米顆粒/ZIF-8復合材料有催化、磁性和光學特性。

1.4 混合法 混合法首先要分別制備磁性顆粒和MOFs,然后將提前制備好的磁性顆粒與MOFs直接混合在一起,在超聲或高溫聚合條件下制備MFCs材料(圖1D)[7]。該方法中控制 MOFs 與磁性材料之間粘合性能的持久度是關鍵問題之一,其中靜電相互作用是重要條件。混合法是制備MFCs復合材料最簡單的方法之一,幾乎適用于任何 MOFs。但是磁性納米粒子與MOFs的結合并不是特別牢靠,容易分離,混合法制備的MFCs的不穩定結構限制了其在藥物遞送領域的應用,而且在制備過程中兩者的量不能很好的控制,因此,要從MFCs中清除未完全反應的MOFs需要利用磁分離的方法,而去除未完全反應的磁性顆粒則需要依賴MFCs和磁性粒子不同的沉降速率的原理來完成,操作較復雜。

2 MFCs的種類

近年來,隨著國內外研究者對MFCs材料的不斷探索,MFCs的種類和數量不斷豐富,根據MOFs常見基底種類的不同可將其分為以下幾個類別(圖3),并對其相應的載體結構進行舉例。

圖3 MFCs的種類

2.1 磁性拉瓦希爾骨架系列MOFs材料 磁性拉瓦希爾骨架(Magnetic materials of institute Lavoisier,M-MIL)系列MOFs材料具有耐高溫、耐溶劑等優良特性,通常由過渡金屬(如Cr3+、Fe2+等)與二羧酸配體制備而成[11],由于Cr3+具有一定毒性,因此通常藥物載體不會選擇Cr-MOF,而選擇生物安全性好的Fe-MOF。Yang等[11]所制備的Fe3O4@Fe-MOF為明顯的核殼結構(圖3),該復合材料載體本身的生物相容性較高,通過負載HAp而具有pH響應性能,因此在腫瘤酸性環境下可以有效殺死腫瘤細胞,減少對正常組織的毒副作用。但傳統的M-MIL通常采用水熱法合成,不僅需要使用高壓反應釜,在水熱溫度高于100 ℃的條件下反應12 h,還需控制反應體系的pH<1。水熱法能耗非常高但產率較低,同時還需要添加氫氟酸(Hydrofluoric acid,HF)用作礦化劑以促進晶體生長并改善結晶度;嚴苛的合成條件和使用HF所帶來的環境風險,嚴重限制了M-MIL的規模化生產和應用。

2.2 磁性ZIF系列MOFs材料 磁性ZIF(Magnetic zeolitic imidazolate frameworks,M-ZIFs)系列MOFs材料是由2價金屬離子Zn2+、Co2+等與咪唑類配體配位產生的一種材料,是目前使用最為廣泛的MOFs型藥物載體。M-ZIFs的合成方法簡單,在室溫條件下即可合成。ZIFs具有較好的穩定性,耐受高溫,因此,復合材料M-ZIFs包裹藥物后可保護藥物不受高溫環境的破壞。此外,M-ZIFs不僅具有M-MOFs的基本特性,還具有中性條件穩定、酸性條件降解的獨特優勢,是一種良好的pH響應性藥物傳輸載體材料[12]。在酸性條件下,ZIF-8中的2-甲基咪唑發生質子化,導致 Zn2+與咪唑環之間的配位鍵斷裂,ZIF-8的結構逐漸降解。

2.3 磁性UiO系列MOFs材料 磁性UiO(Magnetic university of Oslo,M-UiO)系列MOFs材料是由Zr(IV)與線性配體形成一個立方剛性三維多孔結構,Zhao等[13]通過簡易的原位合成法合成Fe3O4@UiO-66,由于UiO-66有大量的開放腔、金屬位點和兩親性,使Fe3O4@UiO-66利于捕獲和釋放阿霉素(Adriamycin,DOX)等抗癌藥物;形成的Fe3O4@UiO-66復合材料同時具備Fe3O4核心的T2-磁共振(T2-magnetic resonance,T2-MR)特性和MOF外殼的藥物輸送能力。因此,Fe3O4@UiO-66復合材料顯示了優秀的穩定性、較高的藥物裝載能力、較低的細胞毒性和明顯的MR信號,此外,該復合材料可持續性的釋放藥物,表現出長期持久且有效的抗癌治療效果。

2.4 磁性Mg基MOFs材料 雖然磁性Mg基MOFs(M-Mg-MOFs)目前尚未用于載藥,但單純的Mg-MOFs已經用作藥物載體,Lawson等[14]制備了具有快速藥代動力學特性的Mg-MOF-74,首次證明Mg-MOF-74可以對布洛芬和姜黃素進行聯合遞送,因此在未來的研究中應擴大M-Mg-MOFs在藥物輸送方面的應用。

2.5 磁性Cu基MOFs材料 磁性Cu基MOFs也具有作為藥物載體的優良特性,Ke等[15]將Fe3O4納米棒與Cu3(BTC)2(HKUST-1)納米晶體相結合制備磁性MOFs納米復合材料,該復合材料是一個具有三維通道系統的MOFs,具有磁性特性和高孔隙率,可裝載尼美舒利用于治療胰腺癌。這些MOFs基磁性納米復合材料吸附量達到0.2 g/g,且在37 ℃生理鹽水中完成藥物釋放需要長達11 d。盡管基于羧酸銅的受控藥物遞送材料由于其可能的生理毒性而不能應用于實際中,但這項研究表明存在潛在的磁性MOFs納米復合材料,為后期研究提供了一定的研究思路。

3 MFCs作為抗腫瘤藥物載體的特點

磁性框架復合材料在生物醫學領域具有極大的意義,其可以在生物系統中攜帶和傳遞特殊的藥物,這些功能是由MFCs中的MOFs和磁性粒子之間協同作用實現的。事實上,MOFs的高比表面積用來存儲和釋放藥物,磁性粒子提供靶向效果,兩者協同作用后有如下幾個特點。

3.1 較高的安全性 生物安全性是藥物最重要的一個特點,良好的生物可降解性能夠保障載體在較短時間內分解成小分子物質,進而排出體外,減輕機體代謝負擔。已知Fe3O4納米粒子安全性較高,可被排出體外,因此應用于臨床。Baati等[16]制備了MIL-100(Fe)等多種MOFs,將三種不同的多孔羧酸鐵(Ⅲ)金屬-有機框架納米顆粒高劑量靜脈注射大鼠,進行體內急性毒性研究,評估它們在大鼠體內的分布、代謝和排泄情況,結果所有研究參數(血清、酶、組織學等)都表明納米MOF被生物降解,直接通過尿液或糞便排出體外,不會產生大量毒性。

3.2 較高的載藥率 當前的有機納米藥物普遍存在載藥量過低的問題,如脂質體的載藥量通常難以超過1wt%,聚合物納米粒的載藥量只有約6wt%[17],這樣患者會攝入大量輔料,導致身體負擔加重[18]。因此,提高載藥率一直是研究抗癌藥物的一個巨大挑戰,表1列舉了9種MFCs對不同藥物的載藥能力,表2列舉了9種常見藥物載體的載藥能力,通過表1和表2對比可知,MFCs載體的載藥量較高,說明MFCs繼承了MOFs高比表面積和高孔隙率的特點,有很大的載藥潛力。

表1 MFCs載藥能力統計

表2 常見藥物載體載藥能力統計

3.3 藥物釋放精準 藥物遞送系統(Drug delivery system,DDS)是指將治療藥物與納米載體材料復合形成的納米藥物載體復合物,載體將化療藥物、多肽、基因和蛋白質等通過局部給藥或全身循環累積在特定的病灶部位。近年來,DDS在腫瘤治療中受到極大關注,宿主MOFs可通過DDS在pH、磁場、離子、溫度、光和壓力等多種刺激下將客體藥物靶向傳遞到細胞或組織并精確釋放,達到靶向治療效果[32]。腫瘤微環境是一個pH<7的弱酸性環境,因此,MFCs中的磁性粒子將載體與封裝在載體中的藥物通過外界磁場靶向到腫瘤組織,進而通過MFCs中MOFs的pH響應將藥物從載體中釋放出來,這使MFCs在DDS中更具有發展前景。王曉丹等[21]以磁性Fe3O4納米粒子為基底,制備的Fe3O4@ZIF-8@PA具有pH響應,其負載DOX后在pH為7.4的條件下相對穩定,24 h持續累積釋放量達到39.8%,當pH為5.0時,由于載體表面物理吸附的藥物分子和載體本身殼層結構發生降解,孔道內的藥物分子釋放速率明顯加快,24 h后最終累積釋放量可高達82.8%,表明通過合成pH響應控制釋放載藥載體有利于藥物在腫瘤部位的加速釋放,提高局部藥物濃度。

3.4 腫瘤靶向效果 Fe3O4磁性納米粒子的超順磁性,使其可以被外界磁場所調控,進而為癌細胞的標記、分離和對腫瘤組織的靶向給藥提供了可能[33]。MOFs 用作控釋載體一般是與磁性粒子結合達到可控釋放的目的,具體做法是將負載藥物載體MOFs 包覆在磁性粒子表面,制成磁性藥物釋放系統,在外加交變磁場的作用下,實現磁性顆粒與藥物分子的定向運送,在醫藥領域有巨大潛力[34]。Lohe等[35]制備了磁功能化的HKUST-1負載布洛芬,發現不論外部靜磁場的表面功能化程度如何,都能使藥物分子在特定的組織細胞中定向積累,而且外部交變磁場的磁誘導加熱明顯加快了布洛芬的釋放速率,實現了藥物分子的可控釋放。

3.5 腫瘤熱療 熱療是通過對腫瘤組織選擇性地加熱至39～45 ℃,產生對腫瘤的抑制和殺傷作用,這種治療方法對正常細胞的損害小,具有安全性高的特點,在腫瘤的治療方面已經有了極大的進步[36]。然而,傳統加熱方法的效率和精度不足導致其發展緩慢,療效有限。磁熱療法是通過外界磁場將磁納米載體靶向到病灶區,隨后通過外界交變磁場的干預直接產生熱能,對深層腫瘤具有殺傷能力。Xiang等[37]制備了MOFs衍生的新型多孔Fe3O4@C納米復合材料,結果顯示,磁性熱療和化療協同治療后,Fe3O4@C-PVP@DOX顯著降低了腫瘤的體積和重量,為癌癥治療提供了一體化平臺。

3.6 核磁共振成像 通過使用具有成像功能的材料構成DDS,可實現在遞送藥物的同時,輔助腫瘤病情的診斷,具有診療一體化的功能。MFCs很有前途成為磁共振成像(Magnetic resonance imaging,MRI)的造影劑,與臨床小分子造影劑相比,MFCs的框架結構特點確保了其不僅具有大量的順磁性金屬中心,而且表現出增強的單金屬基弛豫性。Rigter等[38]展示了Gd-MOFs作為MRI造影劑的潛力,但游離Gd3+浸出導致腎源性系統性纖維化,限制了其臨床應用。Mn2+和Fe3+也是強順磁性金屬離子,其毒性遠低于Gd3+,因此低毒性的Mn2+-MOFs和無毒的Fe3+-MOFs已被開發應用。Mn/Fe-MOFs作為MRI造影劑的生物相容性得到了改善,但其中等弛豫性限制了成像靈敏度,阻礙了其實際應用。氧化鐵納米顆粒能夠顯著縮短橫向弛豫時間且具有良好的生物相容性,在MRI成像中普遍使用[39]。因此,利用Fe3O4作為磁性納米顆粒設計弛豫性高、有效載荷大、生物相容性好的多功能MOFs基復合材料是切實可行的。最近,2個研究小組分別開發了多功能Fe3O4@PAA/AuNCs/ZIF-8NPs[40]和RITCFe3O4@IRMOF-3/FANPs[41],用2種不同的基于鋅的MOFs進行成像和給藥,證明了MOFs復合材料在生物醫學中的實用性。

4 MFCs的作用方式

腫瘤細胞具有無限增殖的特點,分裂速度極快,需要高效的新陳代謝作用才能獲取必需的腺嘌呤核苷三磷酸(Adenosine 5′-triphosphate,ATP);氧氣和能量底物的不足會迫使腫瘤細胞改變呼吸作用方式,轉變為無需氧的糖酵解途徑。代謝途徑的改變導致細胞內產生大量乳酸,腫瘤微環境表現為微酸性[42]。腫瘤酸性微環境可促進腫瘤細胞的增殖,并使其向正常細胞侵襲,這也是腫瘤發生惡性轉移的重要原因之一。靶向制劑-MFCs在外界磁場作用下向病灶區域富集,如圖4所示,未添加外界交變磁場時,病灶區域的溫度為37 ℃,在腫瘤酸性環境中MFCs中的MOFs成分使其中一部分載體結構崩塌,致使負載在MFCs載體中的抗癌藥物釋放,進而達到抗癌效果;當添加外界交變磁場后,磁誘導加熱使病灶區域溫度迅速升高至39～42 ℃,過高的溫度可以加速癌細胞的死亡。因此,MFCs載體可以通過pH響應和熱響應2種方式促進抗癌藥物的釋放,進而使癌細胞凋亡,將抗腫瘤與磁熱療更好的應用于癌癥治療中。

圖4 以MFCs為抗癌藥物載體的作用機制

5 小結與展望

針對不同藥物載體的不足之處,MOFs結合了有機載體安全性高的特點和無機載體載藥率高的特點,而以磁性粒子為核生長MOFs所得到的MFCs不僅繼承了MOFs載藥率高、生物相容性好、孔徑率高和比表面積高的優點,同時還具有磁靶向和磁熱療性能,在未來的生物載藥方面具有巨大的發展意義。

MFCs作為抗癌藥物的載體,國內外研究的時日較短,目前仍處于理論和發展時期,因此還存在一定弊端:(1)作為藥物載體,不僅要求載藥率高,重要的是生物安全性要高,但大多數MOFs合成時所應用到的有機溶劑具有一定毒性且較難清除,因此對有機配體的清除和選擇具有極大的挑戰;(2)MFCs的制備方法單一,傳統的4種方法都有利有弊,因此需要探索尋求更可控、簡單和環保的MFCs的制備方法。(3)MFCs中可以利用的MOFs種類較少且制備出的MFCs的結構不夠穩定,未到病灶區就崩塌,從而導致藥物遞送效率降低,因此對MFCs結構的穩定性具有一定的挑戰。

總之,MFCs作為抗癌藥物的載體具有巨大的發展空間,優化MFCs使其真正應用于醫療,還有待于不斷的挖掘和研究。