纳米药物的研究进展

赵 爽，张少芳，穆晓宇

（天津大学理学院，天津市低维功能材料物理与制备技术重点实验室，天津 300350）

纳米材料是指空间尺寸在1～100 nm的材料，由于其在空间尺寸上的特殊性，纳米材料拥有着不同于宏观材料的特性，如表面效应、小尺寸效应等。在纳米科技得到了迅速的发展之后，研究者逐渐意识到纳米技术可以设计出药代动力学和药效动力学等优于传统药物的新型药物［1］。如今纳米材料基于独特的物理化学性质和颗粒大小在医学成像、药物传递和新药物合成等方面具有巨大的发展潜力，已引发了人们广泛而深入的研究。纳米药物是指可以在疾病的治疗、防控、诊断等领域起作用的各类纳米材料，是纳米科技与医学相结合所生成的新兴产物。纳米药物的研究领域可分成对已经存在的药物进行纳米化改造，研发新型纳米药物和拓展脂质体、微乳、纳米中空球、金纳米粒子等纳米药物载体三个方向。纳米药物的发展历史如图1所示，从1964年脂质体结构首次被报道以来，纳米药物就成为医药学领域的热门研究方向，随着纳米技术的成熟以及相关研究的进一步深入，在近几十年中纳米药物也取得了相当大的研究进展。特别是近几年不少纳米药物已进入临床试验，而2018年首个纳米抗体药物Cabilivi的成功上市标志着纳米药物的发展进入一个新的阶段。本文就纳米药物的研究现状和发展做一综述。

1 纳米药物的特点

纳米材料的特性，给纳米药物带来了常规药物所不具有的优势。首先，纳米材料在药物传输中发挥了巨大的作用。一方面，从Noyes-Whitney公式可得出，物体的比表面积越大，其溶解性能就越强，则难溶性药物的水溶性可以通过将其与纳米材料结合、封装在纳米载体中或将药物本身直接制成纳米混悬剂提升，从而有利于对药物的递送与吸收。而用于封装的纳米载体也可以保护药物，使其在释放之前不受到周围环境和相关酶的影响，进而提高药物的稳定性和疗效。当递送的药物对如胃黏膜等部位有刺激作用时，纳米载体反过来也可以保护人体免受药物副作用的影响。因此，纳米技术在给药中的应用可以降低药物引发的不良反应和毒副作用，并显著提高治疗效果［2，3］。另一方面，由于表面效应、量子尺寸效应等特性，纳米材料不仅有着高效的催化活性，而且更容易和其他原子结合或者吸附于其他物质上。这一特性使得口服类药物在人体消化系统中的停留时间大幅度延长，增强了药物的生物利用度。此外，纳米药物还具有优秀的靶向性，例如在癌症的治疗和诊断中，由于实体瘤组织的高通透性和滞留（EPR）效应的作用，纳米粒子有着在肿瘤中聚集的能力。如果将纳米药物同磁性粒子结合，那么可以通过外部的磁场将特定的药物引向相应的部位，实现磁靶向定位。对药物来说，良好的靶向性和吸附性往往意味着比以往更少的用药量就可以得到相同的药效［4］。

图1 纳米药物的发展历史

总之，无论是将纳米材料作为载体同药物结合，还是研制新的药物，成功的纳米药物普遍能实现高效递送的靶向性［5］，药物毒副作用的最小化，并延长药物血液半衰期。而纳米载体良好的保护作用和穿透性，能保护药物使其免受酶的降解，并有利于药物吸收，实现新的给药途径［6］。

2 纳米药物载体和药物纳米化

2.1 纳米药物载体 纳米药物载体中常见的载体有胶束、脂质体和微乳等。载体内包含的通常是药理已经明确的药物，因此通过纳米药物载体来改善药效一般不具有高风险性。

纳米药物载体的主要用途是将药物靶向运输至特定部位或增强药效。例如，吉西他滨（GEM）是一种对多种肿瘤有效的嘧啶类抗肿瘤药物，但其化疗敏感性一直不尽如人意。Zhao等［7］发现影响GEM化疗敏感性的关键因素，是人类核苷酸平衡转运体-1（hENT1，GEM的主要转运体）和重组人核糖核苷酸还原酶M2（RRM2，可以降低GEM的细胞毒性）的表达水平。而研究者合成了一种基于纳米药物的阳离子脂质体制剂，与具有RRM2靶向性的siRNA结合，用于GEM的共给药。由于阳离子脂质体本身的特性，这种纳米药物制剂显著地提高实验中细胞肿瘤模型的GEM化疗敏感性。此外，Zhang 等［8］证明了含有 CREKA（Cys-Arg-Glu-Lys-Ala）的脂质体纳米颗粒能够将血小板抑制剂替卡格雷靶向传递到肿瘤组织中并特异性抑制和肿瘤相关的血小板的表达。在实验中载药纳米粒（CREKALipo-T）能有效地抑制血小板与肿瘤细胞的相互作用和肿瘤转移，其药效远远超出普通的替卡格雷。

除了常见的载药系统之外，近年来，智能型纳米载体和细胞载体也是纳米药物领域的热点。细胞载体一般是以红细胞［9-11］、大肠杆菌［12］等为载体，将药物和细胞的细胞膜结合，当药物和红细胞等人体内的细胞结合时，可以避免药物被人体免疫系统所清除［10］，当以巨噬细胞作为载体时，不仅可以获得对某些特定疾病的靶向性，还能避免药物引起人体免疫反应后被清除或引发其他问题［13］。细胞载体在拥有细胞的功能的同时，还能通过一般纳米药物难以通过的血脑屏障。智能型纳米载体通过pH、光强、氧化还原电位变化等信号来控制药物的释放。相比于传统载体，智能型纳米载体的释放机制更加可控，这使得药物的递送效率和靶向性大幅度上升。如国家纳米中心［14］研发出的DNA纳米机器人，该纳米机器人为矩形DNA折纸板（origami sheet）制成，并将凝血酶分子包裹在由DNA折成的空心管内部，机器人自身携带的核酸适配体可以与在肿瘤细胞上特异表达的核仁素结合，这使得机器人能够靶向定位至肿瘤血管后打开管状结构的两端并释放机器内部装有的凝血酶，而凝血酶可切断肿瘤血管，达到阻断肿瘤营养和氧气运输的作用。由于实体瘤的血管是基本一致的，因此这项技术可以适用于多种类型的癌症。并且在小鼠模型内的评估显示，只有肿瘤血管中有血栓出现而正常器官未受影响，这表明纳米机器人有着比传统载体更强的特异性。相关研究发现Nogo-B受体（NgBR）在调节肿瘤细胞的血管生成中发挥着重要作用。为了稳定地将NgBR-siRNA传递到肿瘤组织中来探究NgBR的作用，Wang等［15］制备了一种对微环境敏感的表面电荷可切换的聚合物纳米载体。这一设计的纳米载体带负电，但在肿瘤的激活下，纳米载体可转变为带正电的颗粒。电荷转换促进了siRNAs的细胞摄取，进而有效地抑制了NgBR在肿瘤组织中的表达。又如，Yuan等［16］利用了一种具有双层笼状结构的天然蛋白质GroEL作为疏水性药物容器，与其他纳米载体相比，GroEL具有更加可控的药物释放机制。首先ATP分子可以激发GroEL释放折叠的底物，这表明其负载的治疗肿瘤的药物分子可以用同样的方式从笼中释放出来。其次GroEL对某种在肿瘤细胞膜上的表达水平异常升高的结构蛋白具有特异亲和力。这一发现与GroEL对ATP敏感性相结合，使GroEL成为一种优越的天然肿瘤靶向纳米载体。当GroEL装载疏水性抗肿瘤药物阿霉素（Dox）时，GroEL能够将药物从血液水相中屏蔽，选择性地将疏水性药物输送到肿瘤中，不会像Dox，对其余的器官造成不良影响。此外，尽管单一刺激反应材料制成的载体在临床上已有广泛的应用，但传统材料目前仍然面临着两个问题，一是多数的组合疗法需要将不同的药物在要求的部位按顺序进行释放，二是由于大量的物质在病变组织和正常的生物组织中都有表达，且表达水平会随着疾病的发展而产生变化。而单一刺激反应材料构成的载体很难对这两个问题进行精确的处理，这将导致脱靶效应并降低药物的治疗效果。因此，需要发展拥有生物计算功能的材料，通过逻辑操作解决上述的问题［17］。Hou 等［18］在研究中首次报道了高阶布尔逻辑前药纳米粒（BLPNs），通过将酶降解肽序列GALGLPG、二硫键和2-（二异丙胺基）甲基丙烯酸乙酯各自的功能组合成不同的逻辑门，并将这些逻辑门功能结合到聚合物链中，构建了高阶布尔逻辑纳米平台。根据布尔逻辑规则，BLPNs可以合并更多的环境信号，通过不同环境输入信号的组合，可以建立更精确的逻辑操作。利用功能性纳米材料进行光热联合治疗，在根除恶性肿瘤和提高药物敏感性方面也显示出巨大的潜力。在组合治疗中，组合药物是否有疗效和不良反应还依赖于精确控制药物的释放。Ding等［19］设计了一种聚合物多巴胺纳米复合物，用于精确释放药物和防止药物失控泄漏。载药纳米粒表面涂有聚多巴胺，使纳米制剂具有光热活性，并保护药物不会突然释放。在对肿瘤局部激光照射下，聚多巴胺产生足够的热量，导致纳米颗粒在肿瘤内被破坏并瞬间释放药物，从而大大提升了药物释放的精确度。

2.2 药物纳米化 将已经有着确切药效的药物进行纳米化，可以改善药物溶解度，从而使人体能够更好地吸收药物。尽管如微射流反应技术、非润湿性粒子复制技术等可以较为严格地把控药物大小、形态，且技术已逐渐成熟。但由于工艺较为复杂等原因，目前的上市药物一般由介质研磨法所制备，在采用介质研磨法粉碎药物时，由于纳米化之后药物的颗粒尺寸减小，比表面积增加，某些药物的结构将变为不定型，药物的溶解度将大幅提高。由于生产成本低并且重现性好，这一技术目前已得到了广泛的应用，如美国iCeutica公司的SoluMatrix技术平台改进的双氯酚酸钾胶囊等药物在保证药效的同时，做到了减少药物使用剂量。此外，纳米混悬技术是将药物和明胶等分散剂或保护剂进行混合的技术，目前已有阿瑞匹坦、非诺贝特等药物通过纳米混悬技术成功上市。在国内，纳米混悬技术和中药的结合也有了初步的进展。通过纳米混悬技术，李艳红等［20］制备了蓝萼甲素的纳米混悬剂，武娜等［21］制备了金丝桃苷固体纳米晶体，相比原料药，纳米药物的生物利用度和药效均大幅度提高。

3 新纳米药物

由于纳米材料在生物体内的长期遗传效应的研究尚且不够彻底，因此目前将纳米材料制成新纳米药物的目的是利用纳米药物的靶向性来取代药效不佳的药物或增强已有方法的疗效。近年来较为广泛地应用于纳米药物的两种新策略为光热疗法（PTT）和光动力疗法（PDT）。PTT基于纳米药物的靶向性，当有外部光源照射时，在肿瘤组织附近聚集的高光热转换效率的材料将把光源的光能化为热能，进而通过高温杀死细胞。虽然PTT本身是一种具有很高特异性的肿瘤治疗方法，但目前PTT中使用的光热剂仍普遍存在光热转化效率较低的问题，因此其治疗效果受到现有光热制剂的限制较为严重。为了解决上述问题，Zhang等［22］基于铁基纳米材料，设计了一种易于剥离的液态FePS3纳米片，不同于石墨烯、磷烯、锑烯等已被广泛应用的NIR-Ⅰ光热剂，FePS3纳米片是一种高效的NIR-Ⅱ型光热制剂，在体外和体内的研究均显示，在NIR-Ⅱ光照射后，肿瘤组织能被有效地杀死，并且FePS3纳米片的光热转换效率达到了43.3%，表现出了更高水平的光热转换效率。除了光热转化效率之外，目前如二维碳化钒MXene等新兴的光热剂的使用还受到合成条件苛刻的影响。Zada等［23］从藻类提取物中得到了启发，因为藻类提取物具有生物活性，并且提取物中的有机酸等物质可以加速分层和解理等过程。因此，研究中使用了藻类提取物对V2ALC粉末进行剥离，以此降低V2C的合成条件和合成成本，在得到了V2C的二维纳米材料之后，研究发现所得的V2C-NSs显示出良好的结构完整性和键合性，并且在近红外区域具有高吸收性，其光热转化效率高达48%，超过之前研制的其他MXene材料，这为制备光热剂材料提供了经济而高效的方法。

PDT则通过使用激光照射已被肿瘤组织吸收的光敏剂，受到特定波长激光照射的光敏剂将变为激发态，并把能量传递给纳米材料周围的氧，这将生成活性单态氧，单态氧会和相邻的肿瘤组织发生氧化反应，从而有效加速癌细胞的死亡。Gao等［24］证明了PDT可通过引起吲哚胺2,3-双加氧酶1（IDO-1）的失活而激活免疫抵抗。通过制备整合了聚乙二醇光敏剂（PS）和IDO-1抑制剂的前体药物，实现了荧光成像引导的PDT。同样是通过光动力疗法，Feng等［25］在研究中报道了一种以吲哚青绿（ICG）为模板制备双载药二合一纳米药物的方法。双载药的另一部分为紫杉醇（PTX）纳米颗粒（ISPN）。在激光照射下，ISPN的ICG组分激活抗肿瘤免疫反应。同时，组分中的PTX可以调节性T淋巴细胞，这使得该纳米药物对肿瘤消退、转移抑制和复发预防具有协同作用。尽管PDT具有可控性高和毒副作用低等优点，但目前在PDT中，应用于临床治疗的光敏剂需要通过可见光激发，而可见光在人体组织中穿透能力较低，并且在乏氧肿瘤的治疗中，基于分子氧光化学反应的PDT的治疗效果会被严重制约，这限制了光动力疗法进一步的应用。针对这些问题，Liu等［26］利用了上转换发光材料被低频率光激发之后可发射出高频率光的特性。提出了“时-空”可控生物检测的概念性方法和生物标志物的“时-空”可控精准检测及信号放大。在此方法的基础上，Shao等［27］设计了一种上转换金属有机框架异质结构（UCSs），不同于需要通过可见光激发的传统光敏剂，UCSs是通过近红外光触发的，该方法实现了光动力治疗、缺氧激活型化疗等结合的联合治疗。UCNP可以在近红外光激发下通过共振能量转移，将捕获光子的能量传递给结构中的PSs，相比于将PSs附着到UCNPs表面的方法，Li设计的方案可以实现更加高效的光动力治疗。通过进一步把引起细胞损伤的缺氧活性前药替拉扎明（TPZ）装载在UCSs的结构中，Li制备出了TPZ/UCSs，以此实现有效的协同治疗。TPZ在低氧环境中，可以通过还原反应产生氧化自由基并以此杀伤细胞，在PDT耗氧作用和乏氧肿瘤细胞的缺氧环境下，TPZ/UCSs可以实现对乏氧肿瘤细胞的特异性杀伤。此外，还有通过引发免疫原性细胞死亡（ICD），并以此激活T细胞后引发针对肿瘤的免疫反应来治疗患者的化学免疫疗法。Zhou等［28］将奥沙利铂（OXA）前药和PS整合到单个前药囊泡中。结果表明，OXA前药与PS共输可触发肿瘤细胞的ICD。当前药囊泡诱导的ICD与CD47阻滞剂结合后，可以进一步促进树突状细胞（DC）成熟，促进DC递呈抗原，从而有效抑制原发性和癌旁肿瘤的生长。在胰腺癌中，因KRAS突变引起的胰腺癌是最常见的类型。KRAS突变本身难以抑制，因此通常针对KRAS的下游信号来治疗该种类胰腺癌。LY3009120即是KRAS突变肿瘤治疗中针对KRAS的下游信号的药物。Zhao等［29]制备了使用YAP抑制剂和LY3009120治疗胰腺癌的联合药物，显著增强了LY3009120的抗肿瘤作用。结果表明，YAP抑制基因或药理学可以提高胰腺癌对LY3009120的敏感性，从而得出了一种治疗KRAS突变胰腺癌的组合方法。

4 纳米药物研究现存问题

纳米药物载体和成熟药物纳米化虽然已经在研究和应用上取得了较为出色的成绩，但仍然有着许多不足。首先，纳米药物作为靶向运输的载体，尽管近年来研究者设计出了叶酸、单精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸、环状精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸等可以与肿瘤表面异常表达的受体发生特异性结合的靶头，并在大量的研究中将高效靶头与其他结构结合制备出了大量的主动靶向纳米载体，但至今还仍未有主动靶向的纳米药物上市，这导致目前市场上的纳米药物只能通过如EPR效应等被动靶向提高药物的富集程度，而没有实现与靶标分子结合的特异性靶向。这使得大多数纳米药物存在递送效率过低的问题，递送效率通常只有不到1%，并且近年来，递送效率始终没有大的提高。其次，纳米药物本身的理论也存在缺陷，被公认为纳米粒子在肿瘤细胞中富集主要因素的EPR效应，近年来常常因为肿瘤微环境参数的可变性，不同物种、肿瘤血管系统的异质性等遭到质疑。有研究者认为转胞吞作用才是纳米药物在肿瘤细胞中富集的主要机制，内皮细胞间的间隙不能充分解释纳米药物在肿瘤细胞中的富集。最后，因为纳米药物自身不同于传统药物的特性，使得纳米药物的安全性难以使用传统药物的方案进行评估。纳米金、纳米银等多种金属纳米材料在某些文献中被报道具有遗传毒性，其中纳米金可能会导致DNA断裂或是抑制其复制，但在另一些文献中纳米金又被认为具有生物惰性。除了遗传毒性之外，人体免疫系统的复杂也使得特定的纳米药物的免疫毒性难以被研究。而纳米药物的给药方式、纳米材料本身修饰状况、人体内部细胞类型的多样性等都是纳米药物生物安全性研究难度高的原因。

纳米药物将纳米材料和药物结合起来，在保证传统药物药效的情况下充分利用了纳米材料具有的优势。纳米材料本身的多样性，使得研究者可以根据自身的需求进行药物的改进或者研发出新纳米药物。由于纳米药物对肿瘤、炎症等具有优异的靶向性，在研究中纳米药物主要被用于肿瘤、免疫性疾病的治疗，其中目前已经成熟的纳米药物主要为如阿霉素脂质体、柔红霉素脂质体等用于靶向运输药物、抗体的脂质体。为了解决靶向效率过低等问题，有研究者利用环境特异性来提高运输效率、通过控制药物粒径和表面电荷来增强载体扩散能力或是将较为成熟的分子靶向和载体靶向相结合构成逐级靶向。目前上述方法均得到了较多的成果和经验。此外，关于纳米药物的生物安全，以及毒理学的研究目前也取得了突破性的进展，如碳纳米管等明星材料的安全性研究已经取得了重大进步。期望随着科研人员研究的深入，将来会有更加智能化和更多类型的纳米载体和新纳米药物的出现，以弥补目前研究的短板。