纳米粒子治疗心肌梗死的研究进展

刘云翠，刘肖莹，李明慧，彭海生

(哈尔滨医科大学大庆校区药学院，黑龙江 大庆 163319)

心肌梗死是缺血和低氧状态引起的心脏损伤[1-2]。长期和反复缺血引起的大量心肌细胞丢失会形成难以恢复的损伤和疤痕组织。心肌细胞丢失后剩余的心肌细胞负担就会加重，从而引起心排血量降低、心室重塑以及心肌肥大，严重时可导致心力衰竭和死亡[3-5]。常见的治疗方法有药物治疗、抗血栓治疗以及冠状动脉旁路移植手术治疗等。药物治疗可通过扩张血管降低血压，从而降低心排血量[6-7]。冠状动脉移植常用于严重的心肌梗死患者。因缺血性心脏病通常会导致终末期心力衰竭，以上措施只是暂时性改善心肌梗死症状。心脏移植可用来治疗心肌梗死，但因供体器官短缺以及器官移植后的免疫并发症而并未得到广泛应用[8]。因此需要新的治疗策略来保护缺血心肌，防止心肌细胞死亡，减少心肌梗死面积，改善左心室功能，预防心力衰竭的发生。

纳米粒子(nanoparticles,NPs)是一种用于传递化学和生物制剂的载体[9]，可根据不同的需要，合成不同材料、形状、大小、物理和化学性质以及生物特性的NPs。NPs可以包裹化学和生物制剂，也可通过非特异性吸附或表面修饰特异性结合到NPs表面，然后通过被动或主动靶向途径将装载的药物递送到心肌梗死部位。到达梗死部位后，药物释放到梗死组织，从而保护缺血心肌组织，减少梗死面积。

1 NPs靶向心肌策略

NPs可通过全身给药或局部给药的方式进入机体，进入机体的NPs可通过被动或主动靶向到达梗死的心肌组织。被动靶向是基于心肌梗死后心脏病理区的增强通透性和滞留效应(enhanced permeability and retention effect,EPR)，而在主动靶向策略是基于NPs表面修饰生物标志物[10]。在受损心脏组织和正常心脏组织中，寻找显著上调的生物标志物，如心肌肌钙蛋白、心房钠尿肽以及基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)-9等，是研究具有临床应用价值纳米药物递送系统的必要条件[11-13]。目前，用于将显像剂或药物输送到心脏组织的生物标志物大多在正常组织与受损组织之间并未表现出显著的上调差异。成像技术的进步可能会弥补显像剂的低选择性，但基于配体的NPs药物的递送更依赖于合适的生物标志物。目前尚不清楚现有的临床干预是否能够通过上调生物标志物的方式“敏化”心脏组织，然后设计基于配体载体的靶向生物标志物。值得一提的是，在血液中，NPs表面吸附一层或多层蛋白，从而形成蛋白冠。蛋白冠可能会影响NPs的生物学效应、药物释放和免疫原性，但目前尚不清楚其具体的作用机制[10]。

1.1NPs给药方式 NPs的给药方式有全身给药和局部给药两种方式。全身给药相较于局部给药具有较小的侵袭性，但往往因部分药物不能聚集在受损区域而产生不良反应。静脉注射NPs时，由于NPs的粒径较小而更易被细胞吸收，在血流中发生堵塞的可能性也较小[14-15]。局部注射是将治疗剂直接注射到梗死或梗死周围心肌。由于治疗药物直接到达梗死的心脏区域(目标区域)，因此可减少用药量并降低不良反应发生率。局部递送也可通过基于经皮导管的技术进行，这将有利于NPs在临床实践中实施[16]。

1.2NPs被动靶向到心肌 研究人员正在致力于通过各种靶向策略和方法，最大限度地将NPs药物通过被动靶向输送到心脏。Dvir等[17]观察大鼠模型中所有器官(包括肺、肝、脾、肾和心脏)中积累的NPs总量，成功实现心脏NPs的高累积量。Dvir所设计的系统是基于联合应用的策略，第一种策略是在梗死后心脏中主动靶向上调血管紧张素Ⅱ型受体；另一种是通过EPR实现被动靶向。EPR是一种在癌症模型中常见的现象，能够促进NPs在肿瘤组织的选择性分布，并增加病理区的药物浓度。最近的研究表明，心肌梗死后，心肌也存在这种EPR，其中供应左心室血液的血管系统的高通透性和滞留性增加[18]。

此外，Tan等[19]观察到，随着剪切速率的增加，NPs对血管壁的聚集能力增强。心肌梗死时，由于血管畸形或部分闭塞，闭塞处血管口径减小会增加局部血管壁的剪切速率，从而导致NPs向血管壁的聚集增加。这种流变现象，再加上左心室梗死血管的EPR，可使NPs的被动靶向策略获得更高的效率。NPs的物理特性，如形状和大小，可能会影响其对血管壁的聚集能力，如金NPs可以制备成棒状、球形和水滴状等[20]。Sharma等[21]发现，NPs的形状影响巨噬细胞对其的吸收，如棒状的NPs比球形NPs效果更好。NPs的延展性为设计靶向心脏的药物输送系统提供了思路。

1.3NPs主动靶向到心肌 为提高药物在体内的疗效，研究人员的研究主要集中在如何增加NPs在体内的循环时间和实现与靶点结合的特异性主动靶向上，其中降低巨噬细胞对NPs的吸收也是研究的热点。Ahad等[22]将血管紧张素Ⅱ中的一个氨基酸序列与聚乙二醇脂质体共价结合，血管紧张素Ⅱ序列与体内的血管紧张素Ⅱ受体结合，实现对血管紧张素Ⅱ型受体的主动靶向。

机体发生炎症时，内皮细胞表达的E-选择素可作为潜在靶向剂[23]。Kiely等[24]制备了小鼠单克隆抗体(mAb)H18/7修饰的脂质体，H18/7是一种E-选择素特异性抗体。Li等[25]用重组人白细胞介素-1β处理人脐静脉内皮细胞后，内皮细胞活化。单克隆抗体(mAb)H18/7修饰后的脂质体对活化内皮细胞的靶向作用较未活化高，且具有较高的特异性。修饰后脂质体的摄取主要通过细胞内吞或溶酶体途径。虽然E-选择素被证实是一种可行的靶向给药NPs的选择，但这种糖蛋白在所有暴露于炎症刺激的内皮细胞中都有所表达。这意味着在患有多种或全身感染的心肌梗死患者中，体内脱靶可能成为E-选择素作为靶分子的一个主要问题。E-选择素可与其他心肌靶向分子(如血管紧张素Ⅱ)协同使用，增强心肌的靶向性。因此，许多靶向方法可以协同使用以提高靶向特异性和靶向效率。

2 NPs在心肌梗死治疗中的应用

为了减少给药后的药物降解和损失，防止不良反应的发生，提高药物的生物利用度和在病变区的药物浓度，目前正在开发各种药物递送和药物靶向系统。在药物载体中，现在广泛应用的是生物可降解纳米颗粒、微球、纳米粒、脂质体以及胶束等。这些载体在体内可被缓慢降解，并且可以与特定的抗原结合，靶向目的组织或细胞。在缺血心肌，NPs能够靶向巨噬细胞和血管。

载体的设计和开发一直是研究人员关注的热点。NPs载体将药物输送到心脏组织领域是心脏组织再生的一个重要组成部分。为了开发成功的纳米系统，研究人员必须克服循环与靶细胞通路上的两个主要障碍。首先，NPs穿过正常血管内皮。只有在血管系统功能异常的情况下，NPs才能更容易地穿过内皮细胞。第二，需要活性靶向分子，这种靶向分子需要在目的组织中的表达与其他组织中的表达存在明显差异，以及能与该靶向分子结合的配体[26-27]。

2.2脂质体 脂质体是常见的纳米载体之一，其具有与细胞膜相似的结构，可以将药物输送到梗死区域，并且可以包裹亲脂性和亲水性药物。脂质体可长期释放药物，且只影响损伤或梗死的细胞，不影响健康的细胞。脂质体可将纳米粒或药物包裹，使其免受生物分子的吸附。脂质体释放药物在很大程度上取决于磷脂脂质双层的性质、脂膜裂解的速度以及药物分子的大小[32]。药物的包封效率取决于药物本身分配系数和与水亲和的能力。如果药物是极性的，可能位于内水相核心或邻近水-脂界面。在慢性心肌梗死的猪模型中，单独注射载有环孢菌素A的脂质体或联合在心肌局部注射干细胞发现，载有环孢菌素A的脂质体能降低心肌细胞的凋亡，并且联合治疗能够明显改善左心室功能，促进新血管形成，减少梗死面积[33]。顾一珠等[34]制备了载有葛根素的RGD肽(H-甘氨酰-精氨酰-甘氨酰-天冬氨酰-天冬酰胺酰-脯氨酸-OH)修饰并聚乙二醇化的NPs。在大鼠慢性心肌梗死模型中，与未修饰的脂质NPs相比，RGD肽修饰的NPs心脏中葛根素的水平升高，心肌梗死面积减少。Gabrielska等[35]将黄芩苷包裹在聚乙二醇化的脂质NPs中也观察到了类似的结果，黄芩苷具有抗氧化作用和清除活性自由基的作用，是具有心肌缺血保护功能的小分子。

2.3PLGA NPs载体的可用辅料很多，其中聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]是生物安全性、生物相容性和生物降解性俱佳的高分子材料，是美国食品药品管理局授权的药用高分子辅料。对PLGA进行处方优化(加入带正电脂材、聚酸酐及无机盐)可克服PLGA的载药和释放问题。研究证明，PLGA-NPs通过静脉注射可以递送小分子生物活性物质到缺血区域[36-37]。环孢菌素A、厄贝沙坦和洛伐他汀具有保护心脏作用，聚合物NPs包裹后可以维持生物活性。厄贝沙坦阻断血管紧张素Ⅱ受体并激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ，降低血压和促炎细胞因子的表达；洛伐他汀激活磷脂酰肌醇-3-激酶通路，并降低炎症的发生[38]。在缺血再灌注猪模型中，注射载有保护缺血心肌小分子药物的PLGA-NPs降低了炎症和氧化应激的发生[39]。

2.4生物可降解纳米颗粒 生物可降解聚合物如聚己酸内脂、聚羟基脂肪酸酯、多聚赖氨酸等制备成的药物载体可以携带比单克隆抗体多几个数量级的药物，并可设计出具体药物释放率的载体结构。基于这些特性，生物可降解药物载体补充并扩大了其他载体(如脂质体和聚合物胶束等)靶向递送药物的可能性。可生物降解颗粒的靶向主要途径包括单克隆药物抗体杂交、免疫脂质体、细胞载体和抗体/受体连接[40]。纳米颗粒的粒径和表面电荷是决定体内清除率最重要的因素。研究表明，表面电荷在纳米颗粒的稳定性中起着最重要作用，一般来说，中性或负电荷的纳米颗粒较正电荷的纳米颗粒引起的炎症反应要少[41]。纳米材料的生物相容性取决于材料的结构、粒径和配方等[42]。Torchilin[43]制备了载有碱性成纤维细胞生长因子的可生物降解纳米颗粒发现，生物可降解纳米颗粒可改善慢性心肌梗死动物的左心室功能，抑制左心室重构，促进血管生成，使不易破碎的小血管重建，并增加冠状动脉搭桥手术时远端的径流量，从而起到治疗作用。

2.5聚合物纳米胶束 聚合物纳米胶束是由亲水和疏水单体组成的嵌段聚合物通过自组装形成，使胶束能够特定地或至少优先地聚集在所需的病理区域(即制造靶向胶束)，可进一步提高胶束胶囊药物(药物和诊断剂)的治疗效果[44-45]。由于血管系统(肿瘤和梗死)处的EPR，载药的胶束可在“渗漏”区域优先积累。Wang等[46]设计了由MMP靶向肽修饰的脂质纳米胶束MMP-TP，并在动物水平对其进行了评价，证明MMP-TP胶束可通过静脉输送到特定的心脏梗死部位。聚合物纳米胶束通过提供重新编程的因子，进行基因修饰巨噬细胞和优化组织重塑，对心脏再生治疗有重要意义。

2.6MMP-9作为触发条件的纳米给药系统 药物载体可根据正常组织与缺血心肌之间生化参数的显著差异进行设计，达到将药物输送到所需位置的目的。如在细胞水平，缺血4 h后，受影响的心肌细胞对氧供减少的初始反应开始是凋亡，随后是心脏细胞大量丢失和微环境恶化[47];缺血12 h后，心肌细胞开始坏死。MMP-9是一种分解细胞外基质的蛋白酶，心肌梗死后在梗死区的表达增加，并参与心肌组织重构[48]。MMP-9可以酶解类似胶原蛋白序列结构的底物，将底物修饰到NPs的表面可用作触发条件破坏NPs的表面结构，达到快速释放所载药物的目的[49-50]。此外，在NPs表面双修饰心肌靶向分子和MMP-9酶解的胶原蛋白序列结构的底物能够增强心肌的靶向性。快速提高心肌坏死区域的药物浓度。

3 小 结

NPs的发展对心血管疾病的诊断、治疗和成像有重要意义，其能够有效地将药物递送到梗死心肌组织，是解锁纳米治疗策略的关键，也能增强常规治疗的效果。成功的心脏药物输送系统是基于研究人员了解各种心脏疾病的发病机制、载体的靶向特性和活性、载体的靶向配体，并确保载体与靶细胞表面分子之间的相互作用等。目前，研究人员正在积极开发和设计新的靶向心肌的纳米策略，以增加药物在缺血区的聚集，从而发挥治疗作用。