一氧化氮缓释载体在生物医学领域中应用的研究进展

罗文峰，黄晨，郭惠庄，叶裕丰，李莉，陈汉威

(广州市番禺区中心医院，广州511400)

一氧化氮(NO)参与了一系列生理功能的调控过程，具有促进伤口愈合、预防血管再狭窄和抗菌等作用[1, 2]。多种疾病的发生发展都与NO密切相关，如心血管病变、肿瘤、神经病变等。临床上利用NO供体药物调控机体内NO水平，从而达到预防和治疗疾病的目的[3]。但现有的NO供体存在半衰期短、生物利用度低、不良反应大和靶向性差等不足。近年来，NO缓释载体由于具有可靶向修饰、长效缓释、精准控释等优点，被越来越多的研究者关注，已经成为该领域研究热点。NO缓释载体可将外源性的NO导入有机体中，在机体内发挥NO的生物学作用，在心血管疾病、肿瘤、创伤等疾病防治的研究方面取得了一系列成果，为NO缓释载体进入临床奠定了基础。本文对NO缓释载体在生物医学领域的最新研究进展进行综述。

1 NO的生物合成以及生理学作用

NO具有较强的极性，常温下呈气态，易溶于脂，容易通过细胞膜扩散，易被氧化成NO2。体内NO的来源主要有生物体内合成、空气中吸入和NO供体药物。根据来源的不同，体内的NO可以分为内源性和外源性两种。内源性NO的合成途径主要是鸟氨酸循环的一氧化氮合酶(NOS)支路，在鸟氨酸循环过程中，NOS将L-精氨酸直接氧化成瓜氨酸并产生NO，内源性NO在生物体内的半衰期极短，浓度很低，不易被检测；外源性NO主要由具有存储和释放NO的供体提供，NO供体的理化性质直接影响NO传递方式和传递效率[4]。

生物体内游离状态的NO极少且其半衰期极短。尽管如此，NO在生物体内仍然参与很多生理活动的调控，在生物体内发挥着至关重要的作用。在分子水平的研究揭示NO的调控作用与多条信号通路相关，其中促进细胞存活的通路有PI3K/AKT、ERK、NF-κB和STAT3 等，诱导细胞凋亡的通路包括BCL-2、BCL-xL和MCL-1等[5, 6]。不同生理功能对NO的需求量都有差异，在不同组织中，NO在特定浓度下才能发挥功能，过高或者过低浓度都会对组织造成损伤，导致疾病的发生[7]。所以如何合理利用NO预防与治疗疾病，已成为近10年来的研究热点。

2 NO缓释载体的构建

近年研究发现，通过引进外源性NO干预病变组织的生理功能，可达到预防或者治疗疾病的目的，例如促进伤口愈合、预防血管硬化和抗血管再狭窄、抗肿瘤、抗菌等[1,2]。但是单纯的NO供体不良反应大，NO生物利用度低，无法靶向控制释放。三硝酸甘油是最常见的NO供体之一，已被作为心血管疾病治疗药物在临床上广泛应用，但是它会引起头痛、内皮功能紊乱和药物耐受等不良反应[8]。为了克服NO供体的这些不足，改善NO的生物利用度，并且实现精准靶向缓释，研究者们构建了多种功能的NO缓释载体。选择合适的NO供体，构建NO缓释体系，对克服NO在体内半衰期短和快速失去生物活性的不足起到至关重要的作用。

目前多种载体材料都可以用于构建NO缓释载体，根据NO触发释放机制的不同，可以分为酶促/非酶促释放型NO缓释载体、光控释放NO缓释载体、多功能NO缓释载体等[1]。还可以根据不同组织对NO的特殊需求，设计靶向性可控释放的NO缓释载体。随着纳米药物载体的快速发展，纳米NO缓释载体具有穿透性强、可控释放、易修饰靶向基团、在靶组织区域释放有效浓度NO等作用，从而实现精准治疗的目的。

3 NO缓释载体在生物医学领域的研究与应用

3.1 NO缓释载体在心血管疾病研究中的应用 NO是维持心血管系统内环境稳定的重要信使分子，具有扩张血管平滑肌、舒张血管、使血压下降的作用。研究发现，当血管内皮细胞损伤或者功能紊乱时，NO释放减少，极易造成心血管功能紊乱，从而引发一系列心脑血管疾病，如高血压、动脉粥样硬化、心肌梗死、脑梗死等严重疾病[9]。所以临床上采用NO供体药物将心血管系统的NO浓度维持在适当的水平，以达到预防和治疗心血管病变的作用。

三硝酸甘油、硝普钠等NO供体药物已经成为临床上常用的心血管疾病治疗手段，但是单纯NO供体存在药效短、生物利用度低、浓度不可控的缺点。NO缓释材料能很好地克服这些不足，实现可控释放NO，为心血管疾病的防治提供新的方案。Katsumi等[10]设计出一种能够缓释NO的亚硝基硫醇-BSA聚合物，该聚合物能够将亚硝基硫醇的NO释放时间提升2～4倍，在小鼠模型中证实了其降血压的效果远比亚硝基硫醇理想。Chen等[11]将NO供体与姜黄素分子共混，制备出超分子水凝胶，这种水凝胶能够持续释放一定浓度的NO，具有良好的生物相容性，并且能够上调细胞表达基质金属蛋白酶、转化生长因子和沉默信息调节因子，将这种水凝胶用于心肌梗死小鼠的治疗，结果表明NO的缓释能够显著减少胶原沉积，提升坏死心肌层的重构，抑制心肌细胞凋亡和心肌肥大，改善心血管功能，表明NO缓释有望成为心血管疾病治疗的新方法。

3.2 NO缓释载体在抗肿瘤研究中的应用 大量研究表明，NO与大多数肿瘤的发生、发展和转移等过程均有密切的关系，研究也发现NO具有抗肿瘤的作用，这两种决然不同的效应主要取决于肿瘤的类型、肿瘤部位、肿瘤发展时间和NO局部水平等因素[12]。现有研究表明，NO主要通过影响细胞凋亡、细胞周期、细胞迁移和侵袭、组织代谢和组织血管生成等与肿瘤相关的因素，来发挥其致癌/抑癌作用。

基于NO与肿瘤的密切关联，研究者们希望通过干预组织内NO的水平与代谢过程来预防和治疗肿瘤疾病，尤其是引入NO缓释材料对肿瘤进行防治方面，开展了大量的基础与临床研究。张潇等[13]设计制备了一种近红外光可控释放NO缓释材料，将其应用于肿瘤治疗中，发现控制NO水平可以与多种肿瘤治疗策略发生协同效应，甚至可以直接诱导肿瘤细胞凋亡坏死，该纳米材料在近红外激光的驱动下，能够实现在生物体内较深部位可控释放NO分子，具有反应灵敏、NO产率高、可控性好等特点，非常适合运用于肿瘤治疗领域。Guo等[14]合成了一种新型的线粒体靶向NO缓释荧光分子，该分子可以在808 nm的光照下释放一定水平的NO，体外和体内试验证明了当NO缓释分子到达肿瘤细胞线粒体部位后，在光驱动下可释放一定水平的NO，引起线粒体自噬，进而诱导细胞凋亡，达到杀伤肿瘤细胞的效果，从而实现对肿瘤的靶向精准治疗，克服以往肿瘤放疗、化疗对患者带来的不良反应。

3.3 NO缓释载体在创伤愈合研究中的应用 创伤经久不愈或者愈合后形成病理性瘢痕是一直困扰外科临床的难题。研究发现，NO在创伤愈合过程中不仅能起到抗菌的作用，而且影响着创伤愈合过程的每一个生理过程，能有效缩短创伤愈合的时间和有效抑制瘢痕的形成[15, 16]。因此，NO作为促进创伤愈合的信使分子引起了研究热潮。

NO缓释材料能够提供长效、浓度可控的游离NO，可以满足创伤愈合对NO的长期需求，保证创伤愈合过程在NO的作用下进行。Lee等[17]采用3D打印技术制造出一种具有NO缓释功能的硅橡胶垫片，利用电化学还原的方式可以将储存在硅橡胶中的NO释放出来，NO缓释时效超过4 d，该垫片释放的NO不仅具有很好的杀菌性能，还能够促进创伤愈合，能够满足创伤愈合对NO的长期需求，为褥疮、糖尿病足等难愈性创口提供经济、长效、安全的治疗方法。Zhou等[18]采用静电纺丝技术制备了聚己内酯/壳聚糖-NO缓释贴片，该贴片在伤口愈合过程中可持续稳定释放NO，通过调控炎症反应、血管新生、表皮重构等生理过程，促进创口愈合以及减少瘢痕增生，能很好地保护创口并改善创口愈合情况，有望成为新型的创口辅料，用于难愈性创口的治疗。

3.4 NO缓释载体在干细胞治疗研究中的应用 近年来，大量研究表明，干细胞治疗能够改善或者治愈多种临床上难以治愈的疾病，例如心血管疾病、糖尿病、神经系统损伤、恶性肿瘤等[19～22]。研究表明，NO对干细胞的活性、迁移、增殖、分化和凋亡等生理功能都起着重要的调控作用，能够强化干细胞治疗的效果。

Nie等[23]制备了壳聚糖-NO缓释水凝胶，将胚胎干细胞放在含有壳聚糖-NO缓释水凝胶的培养基中培养，表现出良好的生物相容性。在半乳糖苷酶的催化下可释放出适量水平的NO，在NO环境下，胚胎干细胞选择性地上调Flk-1和VE-钙黏素，并增强向内皮细胞分化的能力，表明NO缓释材料能够影响干细胞的生理功能，增强干细胞治疗心血管疾病的效果。Du等[24]设计了梳形壳聚糖-NO缓释聚合物，并将其与骨髓间充质干细胞共培养，通过分析骨髓间充质干细胞外泌体中生长因子和microRNA的表达差异，表明NO缓释聚合物释放的NO可通过刺激干细胞分泌VEGF和miR-126到外泌体中，进而促进内皮祖细胞增殖产生内皮细胞，增强血管修复和新生能力。这就意味这NO不仅能够影响干细胞本身的功能，还能通过干细胞的旁分泌作用对自体细胞产生影响，重新激活其功能，达到治疗疾病的目的。

综上所述，大量研究已经寻找到了一些NO缓释载体用于疾病的防治，例如水凝胶、聚合物、微球、蛋白质等载体，并在心血管疾病、肿瘤、创伤愈合等疾病的应用研究方面取得了积极的研究成果。但生物医学领域对能够大量储存且长效稳定释放NO载体的需求越来越迫切，今后的研究方向将集中于如何延长NO缓释时间和控制NO缓释浓度，进而揭示NO浓度与持续时间对疾病预防和治疗的影响机制，从而能更好地促进NO缓释治疗疾病的成果向临床转化，对疾病防治提供有益的手段。