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纳米级靶向化疗药物的研究现状和应用前景

2015-01-25李胜英天津医科大学第二医院药剂科天津3002

中国老年学杂志 2015年20期
关键词:靶向粒子纳米

龚 锐 李胜英(天津医科大学第二医院药剂科,天津 3002)



纳米级靶向化疗药物的研究现状和应用前景

龚锐李胜英1(天津医科大学第二医院药剂科,天津300211)

〔关键词〕纳米级靶向化疗; 3D筛选体外模型

1天津儿童医院检验科

第一作者:龚锐(1975-),女,硕士,主管药师,主要从事药物分析方面的研究。

化疗药物的副作用使其应用范围很小在过去的十几年中,纳米医学将纳米尺寸和纳米结构的材料应用于药物的开发,其独特性能克服了很多传统化疗药物的限制,成为一个有发展前途的抗癌手段〔1,2〕。目前纳米颗粒-化疗药物制剂已被批准临床使用,最知名的是阿霉素(盐酸多柔比星脂质体)和商品名为Abraxane的紫杉醇(白蛋白纳米颗粒),尚有一些其他药物目前在临床试验阶段〔3〕。纳米颗粒可以防止化疗药物降解以提高其在体内的生物分布,使其直接作用于肿瘤组织并减少对健康组织的影响。

1 肿瘤的靶向给药方式和机制

在临床前期和临床研究中,已证明实体肿瘤的靶向给药主要通过两种方式:被动积累和主动靶向给药〔2〕。被动积累利用了肿瘤组织的病理生理特性:即肿瘤血管丰富、血管壁间隙较宽、结构完整性差,淋巴回流缺失,能够允许尺寸为几百纳米的纳米载体通过。正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整,纳米颗粒不易透过血管壁〔2~4〕。而被动积累依赖于纳米载体药物可使循环时间延长特性,从而可以在肿瘤部位聚集,也被称为滞留效应(EPR)。循环时间取决于纳米粒子的物理化学性质(大小,电荷,生物降解性,溶解度,形状,刚度等),这些特性在不同的给药系统中都可以轻易调节〔4〕。

最常见的修饰是通过在纳米颗粒表面添加聚乙二醇(PEG)和/或其衍生物增加亲水性,从而逃避巨噬细胞捕捉与增加循环时间〔2,4〕。多糖与PEG的作用类似,可通过提供空间位阻防止非特异性蛋白吸附,以延长循环中纳米粒子的稳定性。例如,Goncalves等〔5〕证实十六酯糊精乙烯基聚合物胶束在血循环中的稳定性和滞留时间延长。同样,半乳糖基化壳聚糖5-氟尿嘧啶纳米粒子〔6〕与聚乙烯亚胺/DNA侧链的半乳糖化壳聚糖〔7〕在体内表现出相同的稳定性和循环时间的提高。此外,多糖具有可结合生物活性分子(如多肽、抗体或蛋白质)的官能集团,纳米粒子复合药物比单一的药物生理功能活性极大增强〔5~7〕。大多数的纳米药物制剂的临床应用和发展主要依靠被动积累作用于肿瘤,因此,通过亲水性聚合物和生物聚合物来赋予其“隐身”特性以增加循环时间是其成功的关键。

主动靶向制剂实现了纳米颗粒对靶细胞的识别。其利用靶细胞特异表达或过表达的多肽或抗体作为配体。因此,主动靶向制剂实际上并没有提高在纳米粒子在肿瘤部位的积累,而是提高了由于肿瘤部位脉管系统被动外渗的后,细胞对纳米粒子的摄取〔2,8〕。肿瘤纳米药物制剂中,铁和叶酸是主动靶向制剂配体中最常见的基团〔9〕。临床获批的唯一的用于治疗白血病和淋巴瘤主动靶向制剂的纳米药物是抗体耦联药物〔2,10〕。目前,还没有主动靶向制剂纳米粒子制剂被批准用于临床使用,只有少数几个尚在在临床试验阶段。

2 靶向给药存在的问题

尽管有充分的证据和广泛的研究工作证明被动和主动靶向纳米药物癌症治疗的有效性,但在临床它们仅取得了有限的成功。因为肿瘤微环境具有复杂性(肿瘤的异质性,血管,肿瘤位置),会对纳米粒子的外渗,积累,及渗透到肿瘤产生影响。肿瘤的微环境是高度异质性的,超过半数为非癌细胞和细胞外基质(ECM)构成的致密组织〔2〕。此外,肿瘤血管的高渗透特性使得纳米粒子和体液可轻易进入肿瘤组织环境,从而造成肿瘤间质压力非常高〔2〕。随着肿瘤间质压力增加体积增大,而肿瘤的最外层区域压力较低,导致恶性细胞在固体肿瘤内往往是高度压缩和高异质性的〔2〕。因此,虽然肿瘤血管的高渗透特性可以促进纳米粒子的进入和积累,但也构成一些壁垒阻碍靶向给药系统有效地到达肿瘤细胞而实现“魔术子弹”的抗癌疗效。

另外纳米给药系统忽略了体外和体内研究的差异性。在体内纳米粒子与活细胞接触时,蛋白质会立即覆盖纳米物质表面,形成"蛋白质冠冕",在生物介质上产生一个新的生物体。蛋白质冠冕对细胞的摄取、炎性反应、纳米粒子的积累及降解和清除均有影响。此外,所吸附蛋白质的组成和构象也可以影响纳米颗粒的整体生物活性〔10〕。纳米颗粒的理化特性如化学构成、疏水性、PH、官能基团、大小和形状都影响表面蛋白质吸附。这些理化性质对蛋白质冠冕的成分以及对生物相互作用的影响已在其他领域进行了广泛研究〔10〕。

3 肿瘤靶向药物的展望

基于对肿瘤微环境的认识,为了使纳米粒子突破这些障碍达到目标肿瘤细胞,目前的研究工作主要致力于利用纳米粒子作为药物运送的载体,以此克服以往纳米粒子主动和被动靶向给药的一些限制。

3. 1靶向纳米粒子作用于肿瘤的不同部位已有的方法之一是规避靶向纳米粒子从肿瘤血管外渗到肿瘤脉管系统的多种阻碍〔2〕。肿瘤血管倾向于表达或过表达细胞表面和ECM的蛋白质,而在正常的血管组织是不表达或较低水平表达,这一特性使他们成为理想的靶向给药目标。肿瘤血管腔内表面细胞与循环的纳米粒子直接接触,避免了纳米粒子穿透管内皮细胞和肿瘤之间的多个细胞将其携带药物渗透到肿瘤组织,同时也解决了纳米粒子在肿瘤组织的高细胞密度、细胞外基质和高细胞间隙压力下渗透的难题。肿瘤血管靶向是在纳米粒子上添加了与肿瘤血管结合的ECM抗体片段和多肽,如纤连蛋白额外结构域B(EDB)和纤维蛋白-纤连蛋白复合物,以及可与肿瘤内皮细胞高表达的受体或分子特异性结合的多肽,如某些整合素受体,氨肽酶-N(CD13)和核仁素〔2〕。虽然这一策略具有明显优势,但不适合无血管或血管密度低的肿瘤。此外,化疗药物纳米粒子的靶向给药在肿瘤血管微环境仍然分布贫乏。研究表明,化疗药物通常只能渗透三到五层细胞直径的血管壁,几乎没有药物能到达远端的肿瘤细胞,导致耐药性的发生〔10〕。

纳米粒子携带药物深入肿瘤组织的能力可极大提高化疗药物的疗效,某些活跃的肿瘤血管靶向肽已建议用于增加肿瘤的穿透。Sugahara等〔11〕证明了在纳米粒子表面加入循环iRGD肽序列可通过RGD集团与肿瘤血管整合素受体结合。结合的序列经过蛋白水解裂解的肽暴露一种新的集团可特异性与neutrophilin-1结合,从而渗透如肿瘤深部组织。进一步的研究表明,iRGD结合CendR(R/KXXR/K肽序)与肿瘤归巢肽(NGR)可以极大提升肿瘤归巢和渗透性〔12〕。这些具有肿瘤归巢/渗透特性的多肽已通过噬菌体实验展示出极大的优势,可被用于研发先进的纳米给药系统。

3. 2改变靶向纳米粒子特性提高药物有效性研究表明,纳米粒子的特性如大小、形状和表面性质等对肿瘤归巢/渗透特性有一定影响。研究证实只有非常小的纳米颗粒(20 nm直径或者以下)可以渗透到肿瘤内〔2,13〕。不幸的是,在这个尺寸范围内的纳米颗粒会迅速通过肾脏清除,因此无法有效地在肿瘤中积累。这导致了“纳米颗粒尺寸悖论”,即大颗粒可增加循环时间而小颗粒则增加了渗透性。Wong等〔14〕曾试图解决这个悖论,他们制备了100 nm的“多级”明胶量子点(QD)纳米颗粒,在外渗到肿瘤后经肿瘤相关蛋白酶降解成10 nm的小颗粒,从而可以有效渗透到肿瘤组织。这些颗粒核心为氨基聚乙二醇明胶量子点,化学耦合1 -乙基-3 -(3二甲基氨基丙基)碳二亚胺(EDC)/N-羟基硫代琥珀酰亚胺化合物。较大的纳米颗粒在外渗如肿瘤后,由于肿瘤微环境存在丰富的基质金属蛋白酶而裂解为小的纳米颗粒。

除了大小和形状外,表面电荷也影响肿瘤渗透性。研究表明,粒子纵横比对肿瘤渗透性也产生影响(即圆柱形优于球形)〔15〕。同样,粒子表面的负电荷已被证明可提高渗透性〔2〕。然而,纳米颗粒的形状和大小对肿瘤穿透性改变的机制目前仍然知之甚少,这些不同的特性如何最大限度提高肿瘤渗透性仍有待研究。

3. 3外部环境干预提高靶向纳米粒子药物疗效用药物、酶或炎症介质预处理肿瘤组织,或将这些分子与纳米粒子连接可有效地提高纳米粒子突破ECM屏障和/或增加细胞间隙的能力。纳米粒子结合基质降解酶如胶原酶,明胶酶,和透明质酸酶有被证明可显著提高纳米颗粒向肿瘤内渗透,从而大大提高其疗效〔2〕。松弛激素预处理肿瘤可导致胶原结构产生变化,能提高大分子外渗作用2~3倍〔2〕。低剂量化疗药物紫杉醇和阿霉素预处理肿瘤也可成功用于扩大细胞间隙和增强较大的纳米粒子5~200 nm的渗透性〔16〕。Chauhan等〔15〕发现,服用血管紧张素抑制剂氯沙坦降低肿瘤间质的ECM密度,减少透明质酸的生产,从而降低了表达纤维化的信号和肿瘤血管的压迫〔17〕,这些因素提高了肿瘤的氧含量,增强了药物传递到肿瘤。改善了乳腺癌和胰腺癌的小鼠模型中的缺氧增强了化疗药物的疗效。由于血管紧张素抑制剂廉价且已应用于临床,因而其用于调节肿瘤微环境,改进纳米粒子给药系统对肿瘤细胞的疗效在不久的将来可能成为现实。

最新研究证明,通过外部刺激如光、热、磁或超声触发以释放纳米颗粒的内容物可以增强肿瘤的靶向给药进而提高疗效〔18〕,而通过将外部刺激限制在特定区域内,可以使药物的释放限定在该区域内。此外,这些外部刺激已被证明能提高较大的纳米颗粒有效地分布于整个肿瘤。此类药物具有代表性的如Thermodox,温度敏感的多柔比星类脂质体靶向给药纳米粒子,目前也已处于第三阶段临床试验〔2〕。虽然这一策略展示了许多优势,但这一系统的稳定性和如何产生有效的局部刺激都使得其在临床有效应用成疑。

3. 4建立可靠有效的体外三维(3D)实验模型绝大多数的纳米粒子研究是建立在二维(2D)基础上的,即在单层细胞实验中,纳米载体粒子显示了极大地有效性。然而只有在动物实验甚至临床试验进行后,才可以观察到其进入肿瘤细胞的有效性。肿瘤微环境十分复杂,体外体内实验的相关性研究及其缺乏,而且体内模型不仅昂贵、复杂、耗时,而且在伦理方面缺乏可行性,所以需要采用更先进的体外模型来筛选纳米粒子给药系统。肿瘤球体(多种肿瘤细胞系细胞体外培养形成的球体)是目前采用的最简便且最先进的纳米颗粒3D筛选体外模型〔19〕。更复杂的系统可包含基质和其他支持细胞,而这些基质和支持细胞通常存在于肿瘤微环境和/或天然的及人工合成的ECM支架结构中〔20〕。这些3D的肿瘤球体系统可以用来研究纳米粒子的渗透性及疗效。靶向纳米粒子2D模型与复杂的3D肿瘤球体模型之间转换的相关研究亦有文章详述〔21〕。

靶向纳米颗粒,其独特性能克服了很多传统化疗药物的限制,既可以防止化疗药物降解以提高其在体内的生物分布,同时直接作用于组织,提高化疗药物的有效性,减少毒副作用和对正常组织的影响,这对提高化疗药物的有效性和病人的生活质量具有重要的意义。

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〔2015-05-09修回〕

(编辑袁左鸣)

〔文章编号〕1005-9202(2015)20-5990-03;

doi:10. 3969/j. issn. 1005-9202. 2015. 20. 152

〔文献标识码〕A

〔中图分类号〕R98

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