聚合物纳米药物载体的研究进展

赵 宇,曹琬晴,2,刘 阳,2

(1.南开大学化学学院,功能高分子材料教育部重点实验室;2.化学国家级教学示范中心(南开大学),天津 300071)

纳米材料是指尺寸界于 1～1000 nm之间的材料,其组分多样,形貌各异.因其特殊的尺寸和表面特性,纳米材料展现出众多传统材料所不具备的理化性质.近年来,越来越多的纳米材料开始逐渐进入公众的日常生活.在生物医学领域,纳米技术引起了人们极大的关注,并被认为是21世纪最有前景的材料之一.这是由于纳米技术有望解决常规治疗制剂在给药过程中面临的水溶性差、 靶向能力不足、 非特异性分布、 全身毒性高和治疗指数低等问题[1].在过去几十年中,纳米技术和新型纳米材料研究取得了长足的进步和发展,为多种疾病的有效治疗提供了新的选择,更为社会的公共健康事业做出了重大贡献.目前,科学家们已研发出多种纳米载药体系,如纳米脂质体、 纳米胶束、 纳米凝胶、 纳米囊泡及无机纳米颗粒等.为了进一步提高纳米药物载体的药代动力学,增强靶向释药和减少有毒药物在健康组织滞留带来的毒副作用,针对不同疾病的病理特征而开发的刺激响应型纳米药物载体应运而生.经过精确设计的靶向控释纳米药物载体有望为生物医学和纳米医学注入新鲜活力[2].

高分子聚合物因制备方法简单且易于修饰而被广泛应用于纳米药物载体的构建及制备.本文详细介绍并论述了聚合物纳米药物载体的种类和结构,包括脂质体、 聚合物胶囊、 聚合物胶束、 聚合物纳米球、 树枝状聚合物和纳米凝胶等; 系统介绍了基于纳米药物载体的几种内源性刺激响应体系和外源性刺激响应体系; 并通过具体介绍一些有代表性实例来阐明其在癌症靶向治疗、 蛋白质代谢类疾病及抗菌方面的应用.

1 聚合物纳米药物载体

高分子均聚物、 共聚物(如两亲性嵌段聚合物)和天然聚合物已广泛应用于各类聚合物纳米药物载体的设计与制备,以期将药物安全高效地递送至病灶部位.下面将对几类常见的聚合物纳米药物载体做详细介绍.

1.1 脂质体

Fig.1 Schematic illustration of liposome and PEGylated liposomes structure

脂质体是研究最多的纳米药物载体之一,是一类具有双分子层结构的球状载体,直径在25～1000 nm范围内.这类递送体系可保护所负载的药物免于被血液中的生物降解或化学降解,并以合适的方式使药物在病患部位释放(图1).目前,在小鼠和人体的临床试验中,脂质体载药系统已被应用至包括疏水性药物和生物大分子药物在内的多种抗癌药物的靶向递送[3].例如,脂质体阿霉素(Doxil®)和脂质体紫杉醇(LEP-ETU,EndoTAG®-1,Lipusu®)已获得美国食品药品管理局(FDA)的批准,并广泛应用于治疗转移性乳腺癌、 卵巢癌、 黑色素瘤和卡波西氏肉瘤等,同时也极大地降低了药物对患者心脏产生的毒性[4].生物大分子类药物,如L-天冬酰胺酶,可被有效包载在脂质体的亲水空腔中.与游离酶相比,经过脂质体载药体系包载的酶具有更长的循环时间和较弱的体内急性毒性.近年来,新一代聚乙二醇(PEG)脂质体在防止蛋白非特异性表面黏附及延长体内循环时间等方面表现出更加优越的性能.此外,肽及单克隆抗体等靶向配体的引入赋予脂质体载药体系主动靶向功能,使其高效富集于肿瘤组织及脑内等病灶部位.2012年,Zhu等[5]报道了一种具有“智能”表面多功能的脂质体载药递送系统,该脂质体载药系统可对肿瘤微环境中高表达的基质金属蛋白酶2(MMP2)实现响应性解体,从而高效地将药物靶向递送至癌细胞中.该脂质体载药系统的优点包括: (1) 亲水性和柔性PEG链延长了脂质体的血液循环时间; (2) PEG末端修饰的靶向抗体mAb 2C5可特异性识别肿瘤细胞; (3) PEG链和脂质体之间的MMP 2敏感肽键可在肿瘤组织中断裂,以脱去PEG; (4) 在PEG脱去后,细胞穿膜肽(TAT)暴露并增强癌细胞对药物的摄取.2019年,Shi等[6]开发了一种能够跨越血脑屏障实现温敏靶向释药的双重功能脂质体载药系统,其脂质体内负载超顺磁氧化铁纳米颗粒,可通过交变磁场将电磁能转化为热能,继而引发热敏脂质体释放药物分子阿霉素(DOX).

1.2 聚合物胶囊

聚合物纳米胶囊由核-壳结构组成.壳通常为线状或网状高分子聚合物,多用于递送生物大分子类药物(图2).纳米胶囊具有如下优点: (1) 聚合物外壳可增加所负载的蛋白质和核酸的稳定性,使其免受蛋白酶和核酸酶的降解; (2) 可通过筛选不同的功能单体或交联剂来调控纳米胶囊的性质,如表面电荷、 长循环性和可降解性; (3) 直径约为30 nm的纳米胶囊有利于延长血液循环时间[7].

Fig.2 Synthesis of the nanocapsule

为了使蛋白质递送效率最大化,通过自由基聚合构筑的可降解纳米胶囊可快速将目的蛋白递送至胞内,并在胞内信号的刺激下响应释放.2013年,Gu等[8]采用正电性单体和谷胱甘肽响应(二硫键)的可降解交联剂.通过原位聚合方法制备了重组麦芽糖结合蛋白融合凋亡蛋白(MBP-APO)纳米胶囊.当纳米胶囊暴露于肿瘤细胞的还原性环境中时,聚合物外壳降解,释放被包载的治疗蛋白.随后,Gu等[9]又开发出一系列环境响应型降解的蛋白质纳米胶囊,以实现有效的细胞内蛋白质递送.此外,核酸类药物也可包载在纳米胶囊中.2015年,Liu等[10]报道了一种负载小干扰RNA(miRNA)的纳米胶囊,该纳米胶囊可显著增强miRNA(AS-miR-21)的稳定性并实现高效的胞内递送,最终抑制荷瘤小鼠肿瘤部位血管的生成并抑制肿瘤生长.此外,纳米胶囊还可通过设计独特的聚合物外壳,在不影响蛋白药物活性的前提下,提高被包载蛋白在血液中的长循环能力.Liang等[11]报道了一类磷酰胆碱聚合物(Phosphorylcholine polymer)包载的蛋白纳米胶囊,这种外壳可降低血液中调理素介导的单核细胞清除作用,进而显著延长被包载蛋白的血液循环时间,为有效治疗代谢类疾病提供了可行途径.

1.3 聚合物胶束

聚合物胶束是一类由两亲性表面活性剂分子构成的球形聚集体.在水溶液中分散时,其亲水性“头部”位于表面,疏水性“尾部”位于内核.聚合物胶束具有很好的稳定性和较高的载药率,且可实现药物的可控释放.聚合物胶束最重要的特性之一是能够增加难溶性药物的溶解度和生物利用率,水溶性差的药物可被包载在胶束的疏水核中.聚合物胶束多为由两亲性的嵌段共聚物组成的自组装颗粒,如聚乙二醇-b-聚乳酸(PEG-b-PLA)、 聚乙二醇-b-聚(ε-己内酯)(PEG-b-PCL)等(图3)[12].Li等[13]报道了一种粒径小于200 nm的聚合物胶束,该胶束由胆固醇与PEG偶联构成,PEG末端修饰细胞穿膜肽(TAT,YGRKKRRQRRR).实验结果表明,此聚合物胶束可在大鼠模型中靶向星形胶质细胞和神经元,并能够在5～6 h内持续释放药物.Saw等[14]报道了一种高细胞渗透性胶束.他们在制备过程中引入4%～10%PEG修饰的磷脂分子,得到了均一的超小球形胶束(直径12 nm).该胶束具有较长的血液循环性,而且能够被细胞快速吞噬并进行药物释放.通过负载抗癌药物多西他赛(DTX)对该体系进行评估,该胶束的半抑制率(IC50)仅为PEG修饰的脂质体的1/5,显示出更有效的载药和释药效果.Shi等[15]报道了一种由聚(β-氨基酯)-b-聚(ε-己内酯)和聚乙二醇-b-聚(ε-己内酯)构成的表面微相分离复合胶束,针对肿瘤微环境与正常组织中pH的差异,β-氨基酯在酸性环境中质子化,完成胶束表面电荷由负向正的转变,进而高效地实现肿瘤组织的滞留和肿瘤细胞的摄取.实验表明,负载抗癌药物DOX的胶束可将DOX安全递送至肿瘤细胞内,实现对肿瘤的有效抑制.Lu等[16]报道了一类负载姜黄素且活性氧(ROS)响应释药的聚合物胶束来缓解老年痴呆(AD)患者脑内的炎症病变.此胶束通过表面接枝靶向脑上皮细胞表面晚期糖基化终产物受体(RAGE)的短肽而高效越过血脑屏障.进入脑组织后,由于老年痴呆患者脑内ROS水平的升高,胶束响应性解体,将姜黄素靶向释放至脑内.此策略可有效缓解脑组织中早期AD的症状,改善记忆损伤.

Fig.3 Selected examples of PEG-containing block polymers which can be self-assembled to form polymeric micelles for drug delivery(A) and the representative structure of polymeric micelles(B)[12] Copyright 2018,The Royal Society of Chemistry.

1.4 聚合物纳米球

聚合物纳米球由致密的聚合物基质组成,能够有效负载(包埋、 吸附或化学偶联)各类药物.由于在载药方面的潜力,这些纳米颗粒目前已被广泛应用于疾病的诊断及治疗.壳聚糖、 聚乳酸-co-聚乙醇酸(PLGA)、 聚乳酸(PLA)和聚氰基丙烯酸丁酯(PBCA)是生物医学应用中最常用于构筑纳米球的聚合物.

壳聚糖是通过几丁质的碱性脱乙酰作用获得的天然线性多糖,由无规分布的β-(1,4)位连接的D-氨基葡萄糖和N-乙酰基-D-氨基葡萄糖组成(图4).壳聚糖是一种具有高度生物相容性和生物降解性的聚合物,可以独立作为纳米载药体系发挥作用[17].载有神经活性药物的壳聚糖纳米颗粒在经过表面靶向修饰后,静脉内给药能够有效穿越血脑屏障并在目标部位发挥治疗作用[18].细胞凋亡蛋白酶-3(Caspase-3)是一种蛋白酶,在介导神经元细胞死亡过程中发挥着重要作用.2012年,Yemici等[18]报道了一种载有Caspase-3抑制剂的PEG-壳聚糖纳米颗粒.他们将anti-脑上皮细胞表面转铁蛋白受体(anti-TfR)单克隆抗体结合在PEG链的末端以增强穿过血脑屏障(BBB)的效率.体内实验结果表明,与未修饰anti-TfR的纳米颗粒相比,anti-TfR单克隆抗体修饰的PEG-壳聚糖纳米颗粒能够更大程度地靶向脑部.动物实验结果表明,在使用负载高剂量Caspase-3抑制剂的PEG-壳聚糖纳米颗粒治疗小鼠后,Caspase-3的活性被显著抑制,呈现出良好的神经保护作用.

PLGA是用于制备聚合物纳米球的常见的聚合物之一.PLGA是一种具有高生物相容性及生物降解性的共聚物[17],可以通过改变乳酸和乙醇酸之间的摩尔比及聚合物分子量来调节PLGA纳米粒子的释药特性.在疾病治疗方面,PLGA纳米颗粒的释放动力学优于脂质体和聚合物胶束.PLGA纳米颗粒的缺点主要是蛋白质对聚合物的不可逆吸附(称为“蛋白质电晕”).修饰后的PLGA纳米颗粒可降低蛋白质的非特异性吸附,进而显著增强其血液长循环能力[19].通常通过添加PEG、 聚乙烯醇(PVA)和人血清白蛋白(HSA)等稳定剂和包被泊洛沙188[20]和聚山梨酯80(PS 80)[21]等表面活性剂可延长PLGA纳米颗粒的血液循环时间.此外,由于PLGA纳米颗粒具有较高的生物降解性和生物相容性,因此其细胞毒性或炎症作用可忽略不计[22].

Fig.4 Preparation and chemical structure of chitosan

Fig.5 Chemical structure of the generation 1 cationic PAMAM dendrime

1.5 树枝形聚合物

树枝状聚合物是具有重复单元的分支状聚合物,在水溶液中呈球状对称形态(图5).作为治疗疾病的纳米药物载体,研究最多的树状大分子有聚酰胺基胺(PAMAM)、 聚醚-共聚酯(PEPE)、 聚醚亚胺(PETIM)、 基于赖氨酸的(PLL)、 聚丙烯亚胺(PPI)、 没食子酸-三甘醇(GATG)、 碳硅烷和磷树枝状聚合物等.

这些树枝状大分子具有独特的结构和理化性质: (1) 球形、 高支化结构、 载药方式多样; (2) 单分散性、 低黏度、 负载能力高; (3) 纳米尺寸可控; (4) 末端氨基便于功能化修饰[17],因此具有介导不同药物向病灶组织递送的特性.树枝状聚合物独特的分子结构导致颗粒外围较致密,而内核较疏松,可用于包载小分子药物、 核酸、 治疗性蛋白及诊断制剂等各类药物; 树枝状分子表面富含氨基,也可以通过化学偶联实现对药物的负载[23].例如,2008年Ke等[24]将PEG化的PAMAM和DNA通过静电作用力进行组装,制备了PAMAM-PEG/DNA纳米颗粒,其在静脉注射后,可经血液循环有效将药物递送至目标组织.此外,还可通过在树枝状大分子表面修饰各类生物靶向多肽或抗体来增强主动靶向效果[25].同样运用PAMAM树枝形聚合物,Wu等[26]设计了一种放疗与化疗结合的刺激响应性载药系统.他们在PAMAM聚合物表面修饰L-半胱氨酸(L-Cys),一方面,L-Cys的巯基可以清除自由基以充当放疗保护剂; 另一方面,巯基结合成的二硫键能够用于引发抗癌药物的释放.低剂量的γ射线(5 Gy)引发生成ROS,使二硫键断裂,从而释放抗癌药物DOX.

1.6 聚合物纳米凝胶

纳米凝胶是具有三维(3D)结构的交联聚合物纳米颗粒.纳米凝胶通常具有高水含量、 高比表面积和良好的生物相容性等特点,在各类药物的递送方面表现出大小可控、 易于构建多价界面、 便于功能性生物修饰、 可负载生物分子的网状结构、 在血液循环中结构稳定及可生物降解等独特优势,可持续释放药物[27].可首先利用共价键、 氢键、 范德华相互作用或物理缠结等化学和物理诱导的交联合成不含药物的聚合物纳米凝胶,然后使凝胶在水中溶胀,进而负载药物.Azadia等[28]使用壳聚糖和三聚磷酸钠(TPP)通过离子凝胶化工艺制备了负载甲氨蝶呤(MTX)的纳米凝胶.载有MTX的纳米凝胶表面涂有表面活性剂PS 80,以增强其血液循环能力.体外累积释放曲线符合non-Fickian扩散动力学方程,表明这种释放行为受纳米凝胶中聚合物网络的膨胀和分解影响.静脉内给药后,与游离药物相比,纳米凝胶可显著提高病患部位的MTX浓度.2018年,Gu等[29]设计了一种治疗性的纳米水凝胶,当原位注射至肿瘤内后,被包载的吉西他滨(GEM)及免疫检查点抑制剂抗PD-L1抗体(aPDL1)响应释放,实现了化疗免疫协同抑瘤.此凝胶可实现ROS响应性降解,在富含ROS的肿瘤微环境内程序化释放治疗药物.实验结果表明,含aPDL1-GEM的纳米凝胶在荷瘤小鼠中显著促进了免疫介导的肿瘤杀伤,从而极大地预防了肿瘤切除后的复发.2019年,Zha等[30]通过在制备过程中精准调控pH,诱导明胶蛋白纳米粒子表面由负电性转为正电性,并与带负电的类黑色素聚多巴胺颗粒发生静电吸引,制备出一种新型可注射水凝胶.此水凝胶对肿瘤弱酸性微环境和肿瘤高表达的基质金属蛋白酶(MMP-2/9)高度敏感.包载化疗药物阿霉素的水凝胶在注射至肿瘤组织后,可实现肿瘤局部长效的药物释放.此外,凝胶中类黑色素聚多巴胺粒子的存在使该材料可同时实现近红外光诱导的热促药物释放及肿瘤的热化疗协同治疗,最终提高肿瘤治疗效率.

2 聚合物纳米药物载体的响应性释药

尽管聚合物纳米载体已成功应用于临床前研究,但存在药代动力学差、 药物过早释放进入全身循环、 在健康组织中导致非靶向的药物积累及病灶组织的药物渗透受限等局限性.为了解决这些问题,近年来,科研工作者们陆续研发出刺激响应型纳米材料来构建纳米颗粒,以增强纳米递送体系的局部响应性[31,32].

2.1 pH响应

肿瘤胞外和胞内的酸性被认为是调控药物释放的重要内源性触发因素.肿瘤胞外和胞内的pH范围为6.0～7.2[33].细胞在胞吞作用之后,通过胞外质子涌入开始快速酸化,导致细胞内细胞器的pH值降至5.0～6.0,而溶酶体的pH值则降低至4.0～5.0[34,35].

Fig.6 Cleavable linkers used for pH-responsive drug release[32] Copyright 2014,Wiley Online Library.

通过将缩醛[36,37]、 顺酰胺基、 原酸酯[38,39]、β-羧酸酰胺[40]和甘油酯基团等[7]pH不稳定的化学键引入至聚合物中或聚合物-药物络合物中可实现对pH敏感的药物释放体系的有效构筑(图6).这些化学键在中性或碱性条件下稳定存在,但往往在酸性下水解,从而通过破坏纳米载体结构或降解键合聚合物与药物的共价键而释放被负载药物.

2013年,Kataoka等[40]报道了一种智能的小干扰RNA(siRNA)聚合物纳米递送体系,此体系包含在内涵体酸性环境中可断裂的马来酰亚胺(MAA),用以增强siRNA的胞内释放.这种siRNA聚合物体系可实现高效的细胞内溶酶体逃逸,通过MAA的酸响应键断裂释放siRNA,抑制癌细胞的生长.2014年,Gu等[41]报道了一种新颖的茧状DNA纳米团簇,此体系将含有脱氧核糖核酸酶(DNase Ⅰ)的酸敏感纳米胶囊整合在纳米团簇中,进而控制阿霉素(DOX)的细胞内释放.这种纳米胶囊由长链单链DNA合成,其中包含许多重复的GC对序列,具有很高的DOX负载能力[图7(A)].在溶酶体内,DNase Ⅰ的聚合物外壳酸响应降解并激活其切断DNA的能力,从而使纳米团簇立即自降解并迅速释放DOX,实现对癌细胞的有效杀伤.2016年,Xu等[42]报道了一种肿瘤pH响应的桥连聚(乙二醇)与聚(乳酸-co-乙醇酰胺)嵌段共聚物(PEG-b-PLGA),发现其可实现肿瘤内siRNA的高效递送[图7(B)].包载siRNA的PEG-b-PLGA聚合物纳米颗粒经PEG修饰后,能有效延长血液循环,并在肿瘤部位有效富集.此外,由于肿瘤酸性微环境的作用,PEG链段在到达肿瘤组织后酸解离,以促进癌细胞对纳米颗粒的摄取.由于PLGA的酸降解性,实现了siRNA在肿瘤细胞内的迅速释放,最终实现高效抑瘤.2018年,Tao等[43]利用席夫碱反应偶联醛基化的PEG和四(3-巯基丙酸)季戊四醇-丙烯基脲(PETMP-AU)制备了酸响应释药体系.一部分DOX负载于交联网状结构中,另一部分通过可逆亚胺键与PEG连接.此载药系统可在正常生理条件下稳定存在,而在弱酸性环境中响应断裂亚胺键,从而快速释放DOX(2 h内释放50%～80%DOX).

Fig.7 Cocoon-like DNA nanoclew integrated with an acid-sensitive nanocapsule encapsulating DNase Ⅰ for controlled intracellular release of DOX[41](A) and scheme illustration showing the preparation of the tumor pH-labile linkage-bridged block copolymer PEG5K-Dlinkm-PLGA11K(B)[42] (A) Copyright 2014,American Chemical Society; (B) Copyright 2016,Elsevier.

2.2 酶响应

在大多数代谢过程中,酶作为大分子生物催化剂发挥着重要作用.包括癌症在内的许多疾病的病理学都与酶的功能失常或酶表达失调有关.为了按需释放药物,目前已开发了多种基于酶响应的纳米载药体系,这类体系可被肿瘤细胞外或细胞内过表达的酶识别和降解,进而靶向释药.与癌症相关的常见响应性酶包括基质金属蛋白酶(MMP)[44]、 透明质酸酶(HAase)[45]和组织蛋白酶B[46].

2014年,Jiang等[47]开发了核-壳凝胶-脂质体复合物(Gelipo),用于程序和定点递送肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体(TRAIL)和小分子抗癌药DOX.Gelipo具有核壳结构,其内核用于负载DOX,外壳由包载TRAIL的交联透明质酸HA组成.外壳通过HAase介导的HA壳降解逐渐地细胞外释放TRAIL,并响应细胞内酸性进而精准释放DOX.与DOX溶液和单独载有DOX的Gelipo相比,负载两种药物的Gelipo可显著抑制MDA-MB231肿瘤的生长.2019年,Han等[48]报道了一类基质金属蛋白酶响应的蛋白质纳米胶囊,用于高效颅内递送脑胶质瘤治疗性抗体.此纳米胶囊的交联剂由MMP底物多肽构成,可实现酶响应断键,从而释放被包载抗体.与单纯抗体给药相比,此纳米胶囊因表面富含磷酰胆碱类聚合物,可通过脑上皮细胞丰富的烟碱样乙酰胆碱受体(nAChRs)高效入脑,极大提高肿瘤的治疗效果.

2.3 谷胱甘肽响应

谷胱甘肽(GSH)是一种谷氨酸-半胱氨酸-甘氨酸三肽,是哺乳动物细胞中最丰富的硫醇,在多种生命过程中起着重要作用.在细胞内还原性的环境下,GSH的浓度高达0.5～10 mmol/L.与之形成鲜明对比的是,GSH在血液或细胞外基质中的浓度极低,仅为2～20 μmol/L.从细胞外环境到细胞内胞质,这种显著的还原性梯度可用于设计纳米载药体系的细胞内释放[49].与健康组织相比,肿瘤组织还原性水平明显提升且乏氧,细胞内GSH浓度至少比正常细胞高出4倍左右[50].

2010年,Thayumanavan等[51]通过二硫键交联合成了由吡啶基二硫醚(PDS)接枝低聚乙二醇(OEG)构成的聚合物纳米凝胶,这种聚合物凝胶对细胞内的还原环境具有高度的响应性,从而确保了有效释放疏水药物DOX以实现针对癌细胞的有效杀伤(图8).2014年,Tang等[52]开发了一种靶向肿瘤还原性环境的蛋白质纳米胶囊,用于细胞内重组p53蛋白的运输.与肿瘤靶向配体(一种促黄体生成素的激素释放肽)共价偶联的纳米胶囊可在相应受体过表达的肿瘤细胞中特异性累积,并诱导p53蛋白介导的细胞凋亡.2016年,Wang等[53]将键能更低的二碲键引入聚醚与聚氨酯的共聚物中,该键可在肿瘤部位被GSH还原断裂,进而实现高效快速释药.

Fig.8 Dox release from the polymer nanogels treated with GSH[51] Copyright 2010,American Chemical Society.

2.4 ROS响应

研究表明,与正常细胞相比,癌细胞不断产生高水平的ROS,这些ROS是由致癌性转化而产生的有氧代谢副产物,如过氧化氢、 羟基自由基和超氧化物等.对于靶向部位的药物释放,可利用ROS响应性化学键构筑智能药物载体,这些药物载体主要包含硼酸酯[54]、 硫代缩酮[55]、 硫化物[56]、 硒[57]和二茂铁基团等[58]特征性基团.

2013年,Xia等[59]合成了可ROS裂解的含硫缩酮键的阳离子聚合物PATK,用于介导细胞内基因的递送(图9).内吞后形成的DNA/PATK多聚体通过PATK中硫代缩酮键的断裂及DNA的释放而解离,从而实现前列腺(PC3)癌细胞的高效基因转染.2019年,Zheng等[60]报道了一类通过氢键、 静电和疏水的三重作用力形成的ROS响应的聚合物纳米胶束.该胶束粒径可压缩至40 nm以下,为越过血脑屏障治疗脑瘤提供了结构基础.此胶束高效负载siRNA,并在血液循环中稳定存在,入脑后由于肿瘤组织中高水平的ROS含量,可被肿瘤细胞高效摄取并响应解体,释放siRNA,实现高效抑瘤.2017年,Xu等[61]开发了一种ROS刺激响应性的高分子药物前体(Polyprodrug),其能够自组装成稳定的纳米颗粒并具有较高的载药率.该药物前体以缩硫酮键连接抗癌药物米托蒽醌(MTO),在肿瘤部位高浓度ROS下断裂释药; 其外壳为PEG,保证了纳米颗粒在血液中的长循环; 在外壳PEG端基修饰的RGD多肽(iRGD)可加强肿瘤的靶向性与组织渗透.

Fig.9 Cationic polyplex containing thioketal linkages for ROS-activated intracellular DNA release(A)[59] and illustration of the formation of “triple-interaction”-stabilized siRNA nanomedicine and ROS responsiveness,active targeting,and combinational RNAi therapy in glioblastoma(B)[60] (A) Copyright 2013,Wiley Online Library; (B) Copyright 2019,Wiley Online Library.

2.5 温度响应

温度响应释放是研究最广泛的响应型药物递送策略之一,它主要利用病灶部位(如肿瘤、 炎症或感染)发生的局部温度升高实现靶向释药.温度响应型释放依赖于热敏材料物理性能的急剧变化,在载体周围局部温度发生变化的情况下,这种剧烈反应会触发药物释放.激活药物输送系统的温度范围一般在37～42 ℃之间,因为温度超过此范围会导致蛋白质变性或功能破坏.温度响应型药物递送体系通常基于脂质体或由热敏聚合物组成的纳米颗粒.对于脂质体,温度响应性通常是由于与组成脂质相关的构象/结构变化引起的,从而引起脂质双层渗透性的变化[62].载有阿霉素的TSL(ThermoDox,阿霉素温敏脂质体)正处于治疗乳腺癌和结肠直肠癌肝转移的Ⅱ期试验,且已经进入治疗肝癌的Ⅲ期临床试验.

2.6 光响应

光响应是一种依赖于外部刺激且无需任何微环境变化的释药方式,具有洁净、 高效、 时空和剂量可控等优点.光响应载药体系的构建主要是通过在载体结构中引入偶氮苯、 芘、 硝基苯、 肉桂酰和螺苯吡喃等光敏感官能团来实现,这类官能团可在适当波长的光照射下改变其构象或聚集态结构,最终实现载药体系的药物控释[63].在紫外光(300～380nm)照射下,偶氮苯基团及其衍生物从反式构型转变为顺式构型,而在可见光照射下从顺式构型变为反式构型,通过这种可逆的构型翻转可高效实现外源性光刺激的药物控释[64].2011年Kang等[65]将偶氮苯结构引入至DNA交联剂,设计并构建了一种具有可逆紫外/可见光控制特性的功能纳米水凝胶.在紫外-可见光照射下,偶氮苯基团在顺、 反构型之间发生转化,使得DNA纳米凝胶解体,从而完成药物控释.除涉及构象/结构变化的释药系统之外,大量相关报道证实紫外光也可通过破坏化学键来触发各类药物(如螺苯吡喃、 二芳系化合物)的释放[66].例如,2017年,Pang等[67]制备了一种具有抗菌性能的紫外响应性伤口敷料.他们首先将左氧氟沙星(LF)通过光敏感的邻硝基苄基交联剂与氨基修饰的聚乙二醇(PEG)偶联,得到一种可光解的多聚药物(LHP),然后将LHP装入由聚乙烯醇/海藻酸钠(PVA/SA)构成的伤口敷料中.结果表明,LF在365 nm的紫外光照射下能从LHP中解离并逐渐释放.人工改变紫外光照射时间可进一步调节抗生素的释放曲线,展现出精准的可控释放特性和有效的抗菌活性(图10).但软组织的强散射性质导致的有限穿透深度(<200 mm)大大限制了紫外光控释体系在生物体内的应用.即便是体外应用,紫外线也可能对细胞造成不可逆损害.与紫外光和可见光相比,近红外光(NIR,700～900纳米)能更深入地穿透软组织,且不会对所照射区域造成明显损伤.基于此,可高效吸收近红外光并转化为热量的有机传感类分子引起了人们的广泛关注.其中,吲哚菁绿(ICG)是食品药品监督管理局(FDA)批准的临床近红外荧光染料,广泛应用于肿瘤成像诊断和光热联合疗法等相关领域.2013年,Zheng等[68]制备了基于PLGA的新型纳米复合物,其可同时将阿霉素(DOX)和ICG输送到肿瘤区域,用于化学光热联合治疗.在NIR激光照射下,ICG能够高效地吸收光能并将其转化为热能,由于被包覆的ICG展现出较强的自身稳定性,使纳米颗粒产生了比游离ICG更高的局部温度,有效促进了细胞对DOX和ICG的摄取,最终达到理想抑瘤效果.

Fig.10 Schematic design of the photo-cleavable polyprodrug(LHP)-loaded polyvinyl alcohol/sodium alginate(PVA/SA) wound dressing and its UV-responsive antibacterial property[67]Copyright 2017,the Royal Society of Chemistry.

表1总结了部分聚合物纳米载体的响应性释药方式及应用.

Table 1 Recent advances in polymeric nano-sized carrier systems

Continued

DrugMaterialStimuli-responsive conditionApplicationRef.Doxorubicin/indocyanine greenPLGANIRCancer[68]LevofloxacinPVA/SAUVAntibiosis[67]CurcuminPEG-pLysROSAlzheimer’s disease[16]DNAPoly(amino thioketal)ROSCancer[59]Gemcitabine and anti-PD-L1PVA-TSPBAROSCancer[29]siRNAPEG-b-P(Gu/Hb)/Ang-PEG-b-PGuROSCancer[60]MTOPEG-PolyMTOROSCancer[61]Doxorubicinpoly(ether-urethane)GSHCancer[53]LiraPCGA-PEG-PCGAHeatDiabetes[70]DoxorubicinPAMAMRadiationCancer[26]Monoclonal Antibodies2-methacryloyloxyethyl phosphorylcholineEnzymeCancer[48]VancomycinPEG-b-PP and PEG-b-PCEnzymeAntibiosis[71]InsulinChitosan/alginate and m-dextranGlucoseDiabetes[36]InsulinPEG-b-(PAA-co-PAAPBA)GlucoseDiabetes[72]InsulinP(NIPAM-Dex-PBA)GlucoseDiabetes[73]KLVFFPCL-b-PAE,PCL-b-PEGAlzheimer’s disease[74]KLVFF and Beclin-1PEGAlzheimer’s disease[75]DocetaxelPEG-DMPE, DMPC,DHPCCancer[14]RivastigminePoly(n-butylcyanoacrylate)Alzheimer’s disease[76]p53 proteinAAm and N-azidodeca(ethylene glycol)ethylacrylamideCancer[52]CiprofloxacinPEG-b-cholesterolAntibiosis[13]CiprofloxacinPLGAAntibiosis[77]

3 聚合物纳米药物载体的应用

纳米载药体系的概念可追溯到20世纪50年代,之后在科研人员的不断发展下,各种类型的纳米药物载体大量涌现.在这一部分,我们选取具有代表性的实例,重点介绍聚合物纳米药物载体在治疗癌症和代谢类疾病及抗菌等方面的应用[78].

3.1 癌症治疗

癌症是威胁人类健康的主要原因之一.当前,阿霉素、 紫杉醇、 铂等传统化疗药物和肽、 酶、 抗体、 核酸等生物大分子药物由于溶解性差、 循环半衰期短、 缺乏靶向能力(低于5%)[79]及对健康组织具有严重副作用而受到限制.纳米技术有望解决上述问题.与游离治疗药物相比,具有合适尺寸(50～200 nm)和表面特性的纳米颗粒可以通过被动或主动靶向将药物选择性地递送至肿瘤组织,从而增强肿瘤细胞的摄取并减少副作用.

2013年,Gao等[80]基于聚阳离子和聚阴离子链段之间的静电相互作用及氢键相互作用,开发了一种智能的自组装聚离子复合胶束(MSM),通过改善所负载药物的组织分布显著减少了肝和脾的积累并延长了药物的血液循环能力.他们通过改变嵌段共聚物不同片段的长度比例,制备了一系列具有不同亲水/疏水比的复合胶束,并通过追踪体内125I标记的MSM,系统评价了胶束的生物分布情况.动物实验结果表明,静脉注射1 h后MSM在肝脏和脾脏中的积累量明显低于PEG胶束,在血液中的浓度约为PEG胶束的7倍.Ping等[81]设计了一种新型的多级pH响应脂质体(HHG2C18-L)用于抗癌药物的递送.在生理pH(7.2～8.0)下,HHG2C18-L表面呈明显的负电性,从而降低了调理素作用并延长了脂质体的血液循环时间.在进入肿瘤组织后,由于pH值降至约6.5,其表面电位迅速变正,有利于癌细胞摄取.当细胞内吞后,脂质体进入酸性更强的内涵体和溶酶体,进而发生第二阶段的pH响应.Ping等将CCI-779(一种细胞增殖抑制剂)封装在HHG2C18-L的内核中,并进行了体内和体外测试.与pH=7.4时相比,CCI-779/HHG2C18-L在pH=6.5时显示出更强的抑制A498细胞活性的能力.当将其静脉注射到接种肾腺癌肿瘤的大鼠体内时,CCI-779/HHG2C18-L对肿瘤的生长具有显著的抑制作用.2019年,Cui等[82]报道了一种新型聚合物纳米药物,利用光动力治疗与化疗无缝衔接协同治疗癌症.此纳米药物不但能在近红外光刺激下产生单线态氧(1O2),而且能在乏氧的肿瘤微环境下靶向释放化疗药物.此纳米体系主要由光响应的聚合物纳米药物前体内核(SPNpd)、 化疗药物IPM-Br及连接内核与化疗药物且可在乏氧环境下断裂的小分子基团三部分组成.在波长808 nm的光照射下,SPNpd能够产生1O2来进行光动力治疗,同时,光辐射导致氧的消耗进而加剧肿瘤乏氧,引发硝基还原酶催化的IPM-Br的响应释放,最终导致细胞死亡.

3.2 代谢类疾病治疗

在过去的几十年中,大量的研究集中于各类慢性代谢性疾病的治疗,这些疾病严重威胁着人类的生存和健康.糖尿病是一种慢性代谢类疾病,其特征表现为因胰岛素分泌异常或胰岛素功能缺乏引起的高血糖症.现有的糖尿病药物治疗仍依赖于患者自我注射,既不能精确控制血糖,又会因频繁注射而导致患者的依从性[83].2009年,Wang等[72]报道了一种由嵌段共聚物聚乙二醇-b-聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺基苯基硼酸)[PEG-b-P(AA-co-AAPBA)]自组装形成的核-壳状聚合物胶束,其在中性pH条件下即可完成对高浓度葡萄糖的响应性解离.其中,胰岛素在自组装过程中通过疏水相互作用负载,并可在葡萄糖浓度较高的溶液中以较快的速率释放.Peppas等[84]利用pH敏感性聚合物水凝胶进行葡萄糖响应的胰岛素递送.通过水凝胶随pH值变化而发生的凝胶溶胀/塌缩效应,实现对胰岛素释放速率的有效控制.2012年,Wu等[73]以马来酸-葡聚糖为交联剂,用PNIPAM和聚(3-丙烯酰胺苯硼酸)制备了单分散可注射纳米凝胶.葡聚糖小分子通过参与葡聚糖与PBA多价二醇基团的竞争作用,实现纳米凝胶的葡萄糖响应功能.体外研究表明,葡萄糖浓度的升高会导致纳米凝胶膨胀到原来尺寸的2倍,通过重新降低葡萄糖浓度,纳米凝胶的体积又会发生可逆收缩.基于此,当纳米凝胶在高葡萄糖浓度下膨胀时,被包载的胰岛素可从纳米凝胶中迅速扩散释放.2016年,Chen等[70]以促胰岛素激素Lira为模型药物,以聚己内酯-羟基乙酸-聚乙二醇-聚己内酯-羟基乙酸(PCGA-PEG-PCGA)为原料制备了载药温敏聚合物凝胶.当该载药凝胶在室温下注射时,立即在原位发生凝胶化.在体内和体外试验中,载药的PCGA-PEG-PCGA温敏凝胶均表现出超长的缓释效果(释放周期长达7 d),有望为新型2型糖尿病长效降糖药的研发提供新的思路.

阿尔茨海默氏病(AD)被认为是一种不可逆的神经退行性疾病.根据淀粉样蛋白假说,由于β淀粉样蛋白(Aβ)产生与清除之间的不平衡导致的脑内Aβ错误折叠及沉积是AD发病的主要因素[85].研究表明,KLVFF序列(Aβ的16-20残基)与Aβ之间有强亲合力[86],可在体内特异性捕获全长Aβ单体及聚集体,并将纤维降解成蛋白碎片[87].2017年,Qu等[74]报道了一个高效的聚合物胶束平台来实现Aβ纤维的安全降解和减轻Aβ介导的神经毒性.胶束由聚(ε-己内酯)-b-聚(β-氨基酯)(PCL-b-PAE)和聚(ε-己内酯)-co-聚环氧乙烷组成(PCL-b-PEG)构成,因聚合物固有的功能性片段使胶束表面形成微相分离结构,KLVFF多肽修饰在表面微相分离的胶束外层.这样的复合功能表面可确保与疏水性Aβ发生强相互作用.胶束外层KLVFF多肽将Aβ纤维分解成碎片后,表面微相分离的胶束可立即将碎片结合在疏水微相中,从而减轻了Aβ纤维解聚过程中造成的二次毒性.2018年,Luo等[75]报道了一类以壳聚糖为骨架的聚合物纳米球,通过表面分别接枝PEG化的Aβ捕捉肽(GKLVFF)和自噬激活肽(Beclin-1)实现对APP/PS1转基因老鼠脑内Aβ蛋白的高效清除.这种聚合物纳米球可在血液循环中稳定存在,入脑后高效捕捉并干扰Aβ聚集.在被神经元细胞内在化后,可显著提升细胞自身的自噬活动,从而彻底降解毒性Aβ聚集体,恢复脑内异常的蛋白代谢,最终延缓老年痴呆进程.2019年,Zhao等[88]报道了一种新型的纳米复合材料,其可以有效清除早期AD小鼠脑内的毒性Aβ聚集体,从而减轻Aβ神经毒性.该复合纳米颗粒可通过原位聚合手段在模式蛋白表面实现Aβ结合肽KLVFF的引入.纳米复合材料的存在导致Aβ由毒性低聚物转变为Aβ-纳米复合物团簇.随着毒性Aβ低聚物的减少,Aβ诱导的神经元损伤逐渐减轻,由低聚物引起的神经炎症也有效缓解,颅内小胶质细胞清除Aβ的能力得以恢复,最终实现对海马神经元的保护.

3.3 抗菌

病原微生物感染一直是人类健康的巨大威胁.近年来,β-内酰胺、 氨苄青霉素、 青霉素、 克林霉素和四环素等大量的抗菌药物已被应用于杀死微生物或抑制微生物的生长,以降低微生物感染的发病率和死亡率[89].然而,由于多数抗菌药的低水溶性、 非特异细胞毒性和易失活的特性,使其在临床使用中受到了极大限制[90].2016年,Liu等[91]制备了负载三氯生(Triclosan)的表面适应性聚合物胶束(MSPM),该胶束的壳层由亲水性聚乙二醇(PEG)和对pH敏感的聚(β-氨基酯)共同构成,在生理pH条件下带负电荷,而在pH=5.0时带正电荷.由于细菌细胞壁呈明显负电性,在酸性生物被膜中,胶束表面因氨基质子化带正电,这种新型结构展示出显著的生物被膜渗透和积累的效果.这种方法提供了一种有效的策略来协助抗菌剂渗透及高效杀菌进而对抗顽固的生物被膜.Li等[71]报道了一种酶响应纳米胶束[青霉素G酰胺酶(PGA)和β-内酰胺酶(Bla)响应].此胶束具有菌株选择性,可杀伤强耐药型病原体.胶束由两亲性嵌段共聚物自组装而成,该嵌段共聚物由PEG片段和含有酶可切割的疏水片段组成.负载抗菌剂的胶束通过疏水片段上侧链的酶降解而发生结构重排和形态学转变,从而持续释放药物.2018年,Liu等设计了一种负载抗生素环丙沙星(CIP)的电纺疏水聚乳酸-乙醇酸(PLGA)纤维垫作为伤口敷料.利用亲水性海藻酸钠(ALG)对纤维垫进行修饰,改善了PLGA纤维毡的润湿性和吸水性,有效提高了环丙沙星的释放速率.此外,ALG的加入降低了PLGA纤维垫的刚度,可更好地保护损伤区域.

4 总结与展望

在过去几十年中,大量的药物被研发出来,但药物自身的不稳定性和严重的毒副作用限制了其应用.行之有效的策略是确保药物高效地富集于病灶部位,同时降低正常组织和器官中的药物积累.聚合物纳米载体的快速发展为解决这些问题提供了可行途径,该技术以一种时空可控的方式为疾病的治疗提供便利的药物递送平台.这主要得益于科研工作者对病灶和健康组织生理环境差异的不断了解,也为纳米系统引入靶向释药功能提供了生物基础.目前,尽管聚合物纳米载体取得了显著进展,但只有少部分在临床前的动物体内模型中进行了检测,尚未实现临床应用.这主要因为缺乏足够的手段对新型聚合物材料的安全性、 生物相容性和可降解性进行深入的评估.在投入临床使用前,必须对材料本身和纳米载体的药物动力学、 生物分布、 释药行为、 代谢、 排泄和长期毒性等进行全方面验证.商业化PEG尽管已被广泛用于蛋白类药物药代动力学的改善,但越来越多的证据表明长期使用PEG可使机体自身产生抗体,大大降低治疗效果.对于聚合物纳米载体本身,其结构设计的复杂性和材料合成的繁琐性也使这些“智能”纳米载体的工业规模生产受到了极大限制.这无疑激励着化学工作者们不断地去研发和完善理想的生物医用高分子材料,去探索更加易于临床转化的载体结构设计.

此外,关于药物递送还有一些不容忽视的难题亟待解决.肿瘤微环境高度复杂,纳米颗粒的靶向性和治疗效果受到很大限制.此外,由于肿瘤细胞外或细胞内的内源性信号难以控制,且在不同个体中均有所不同,导致在临床实践中治疗效果往往参差不齐.为解决上述问题,可设计含多重靶向机制的纳米载药体系.不同于针对单一靶点,纳米载体可同时携带两种或两种以上“制导”信号,从而提高识别病患组织的概率和准确性.开发可有效评估聚合物纳米载体性能的仿生体外测试平台与临床前模型也具有重大意义.通过微流控芯片技术可构建3D微型化的脑、 心脏、 肝、 肺、 肾脏和血管等体外人体组织或器官,并通过合理串联形成一个多器官模拟的集成化测试平台.利用这种“芯片上的器官”平台,可实现对纳米药物载体更充分、 有效的评估,从而准确地预测其体内行为.鉴于近年来纳米技术的迅速发展和相关经验的积累,我们相信聚合物纳米载体将在药物研发中发挥愈发重要的作用.我们也希望在不久的将来,能够看到以聚合物纳米药物载体为基础的个性化治疗手段的不断完善,为各类疾病的治愈带来新的希望.