PLGA纳米药物在肿瘤治疗中的应用

刘梓昕，陈 恒，周 红，闫晓莹，王 东

(江汉大学医学院，湖北 武汉 430056)

肿瘤是一种古老的疾病，早在3 500多年以前便有历史记载，它也是一种顽固的疾病，完全治愈肿瘤还面临着巨大的挑战。目前，肿瘤的治疗手段包括化学药物治疗、放射性治疗、手术治疗和生物治疗等四种手段[1]。其中化学药物治疗成本低、实施方便，是被人们普遍接受的治疗方法。然而，化疗药物的不良反应使其应用受到限制[2]。纳米技术起初以改变小分子化疗药物的药代动力学属性和生物分布为目的，从而期望提高治疗指数和降低系统毒性[3-4]。自美国FDA批准第一种抗肿瘤纳米药物-盐酸阿霉素脂质体(Doxil)[5]以来，纳米药物的研究领域迅速扩展到其他肿瘤治疗手段中，比如递送蛋白质和核酸等生物大分子药物、制备纳米疫苗、递送成像分子以指导手术切除等。

纳米药物依赖于特定的无机和有机材料以及特定的结构模式在肿瘤治疗中呈现出多方面的优越性，包括尺寸可调性、增加药物稳定性、缓释控释性、靶向性和易修饰性等[6]。材料和药物结构模式的创新为肿瘤治疗带来更多选择和更加个性化的治疗方案的同时，也面临着向临床转化的困境。纳米材料的品种不断更新，品质也有显著的提升，但是被批准用于临床的材料却寥寥无几，其原因在于纳米材料体内安全性评价体系是一项复杂的任务[5]。规模化生产结构日趋复杂的纳米制剂和完善的质量标准评价体系的建立也使得纳米药物的临床转化举步维艰。因此，使用已被批准的药用辅料进行研究可以提高临床转化速度，降低开发风险。聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]是被美国FDA批准的高分子材料，由乳酸和羟基乙酸单体按所需比例聚合而成，具有可降解、无毒和生物相容性优良等特点。以PLGA为材料制备纳米粒的方法简单，便于实现大批量生产；纳米粒尺寸均一，便于质量控制；PLGA纳米粒刺激性小、无免疫原性[7]，安全性高。

近年来，PLGA已被广泛用于制备纳米药物，其应用范围也不再局限于输送小分子化疗药物。递送核酸和构建抗肿瘤疫苗正在成为PLGA应用的新领域。多药共载体系的构建不仅可以一定程度上克服肿瘤耐药性，而且可以发挥药物间的协同作用，是PLGA纳米药物研究上的一个重要进步。本文主要介绍PLGA递送小分子化疗药物、核酸、疫苗和多药共载的研究进展。

1 PLGA纳米药物递送小分子化疗药物

小分子化疗药物作用于肿瘤细胞增殖、生长的不同阶段，可抑制或杀死癌细胞，是目前肿瘤治疗的主要手段之一。肿瘤是体内生长旺盛的组织，小分子化疗药物在杀伤肿瘤细胞的同时也会损伤正常组织细胞，尤其是快速增殖生长的细胞。小分子化疗药物的毒副作用给肿瘤治疗带来诸多不便，使其临床应用受到限制。另一方面，肿瘤细胞在与药物相互作用的同时发展出耐药性，也使得肿瘤治疗更加复杂。

纳米技术将药物分子包载于特定材料中，形成直径1～1 000 nm的纳米药物[8]，明显改变药物分子药动学属性，减少与正常组织的接触从而降低毒副作用。PLGA纳米粒在体内分解为乳酸和羟基乙酸，最终以CO2和水的方式排出体外，是一种无毒的纳米材料[9]，被广泛采用。随着研究的进展，各种以PLGA为基础的纳米药物被报道，其应用可被概括为改善药动学属性和克服耐药性等方面。前者主要通过被动靶向、主动靶向、控制释放等手段实现，而后者则通常以添加抗耐药性材料或共载药物的方式实现。

1.1被动靶向输送小分子化疗药物 利用实体肿瘤血管的高通透性和滞留效应(EPR)[10]可实现被动靶向，使纳米药物在肿瘤部位富集，以改善组织分布来降低毒性、提高疗效。岳武恒等[11]制备了胡桃醌PLGA纳米粒，并以荷载黑色素瘤的裸鼠验证其靶向效果。小动物活体成像实验证明PLGA纳米粒具有良好的穿透性和靶向性。杨联军等[12]使用PLGA包载阿霉素制备成粒径(319.5±11.17)nm的纳米粒，验证了纳米粒良好的缓释特性和对骨肉瘤MG63细胞良好的抑制作用。尽管实验结果表明了PLGA纳米粒的优越性，但是它易被网状内皮系统吞噬[7]，导致体内停留时间短，肿瘤聚集未达到预期。聚乙二醇(Polyethylene glycol,PEG)化修饰是延长纳米粒血液循环时间的常用手段。经PEG化修饰的纳米粒具备长循环特征，也被称作长循环纳米粒。王志清等[13]对包载三氧化二砷(As2O3)的PLGA纳米粒进行PEG化修饰以研究其药动学特征，结果表明该纳米粒在家兔体内的分布相半衰期和消除相半衰期分别为As2O3注射剂的3.86与3.09倍，循环时间显著延长。谢晓田等[14]使用红细胞膜包被的仿生系统实现紫杉醇-PLGA纳米粒的长循环。

1.2主动靶向输送小分子化疗药物 被动靶向基于实体瘤的EPR效应，而实体瘤的一个显著特点是高度异质性，这导致被动靶向效率不高[15]。此外，被动靶向还存在稳定性差、肿瘤组织内药物分布不均一的问题[16]。主动靶向主要通过纳米粒表面修饰来识别肿瘤微环境中过度表达的受体，使药物分子在肿瘤组织高度富集[15]。肿瘤细胞过表达多种蛋白分子，比如叶酸受体、CD44、整联蛋白和转铁蛋白受体等。根据这些蛋白的表达，叶酸(folic acid, FA)、透明质酸、RGD短肽[15]和转铁蛋白[16]等分子常被修饰在纳米粒表面，以实现主动靶向递送化疗药物。马桂蕾等[17]构建了叶酸修饰的PEG-PLGA胶束，叶酸修饰提高了胶束的摄取率及对HeLa细胞的杀伤率。除了利用配体受体相互作用外，磁靶向技术在纳米药物研究中也被广泛使用。该技术将磁性四氧化三铁(Fe3O4)包载于纳米载体内，利用磁场实现肿瘤靶向。Gülistan Tanslk等制备了包载阿霉素的超顺磁性Fe3O4-PLGA纳米粒(DOX-PLGA-MNP)，并在MCF-7细胞中验证了磁靶向效率和肿瘤细胞毒性。结果指出，DOX-PLGA-MNP的靶向效率高达63%，其对MCF-7的杀伤性高于PLGA-MNP[18]。王岩等[19]研究了包载吴茱萸碱的Fe3O4-PLGA纳米粒得出类似结果。为了增强药物靶向性，某些具备双重靶向性的纳米粒也被构建，如高秀军等[20]使用生物素、乳糖酸双重配体修饰包载槲皮素的纳米粒，用于肝肿瘤研究。

1.3小分子化疗药物的控制释放 肿瘤微环境特殊的理化性质不同于正常组织，这一特点可被用来设计环境响应性释放的纳米药物。当前已经发展出的环境响应性纳米药物包括物理响应(温度、光、磁、超声波等)、化学响应(pH、还原)和生物响应(酶、葡萄糖)三类[21]，以化学响应性应用最为广泛。PLGA材料本身通常不具备上述敏感性，但通过材料改性或者与其他材料共用可实现控制释放。

肿瘤组织增殖旺盛，需要摄取大量葡萄糖，同时肿瘤深部血管缺失，呈乏氧环境，肿瘤细胞的糖代谢以无氧氧化为主。即使在氧供应充足的情况下，为了满足能量需求，肿瘤细胞仍以无氧呼吸为主要途径利用葡萄糖。这最终导致乳酸积累，从而使肿瘤组织pH(5.7～6.8)较正常组织(pH 7.4)偏低[21-22]。肿瘤细胞内还有另一酸性区室，即溶酶体。溶酶体酸性进一步降低可达到pH 4.5～5.5[23]。很多抗肿瘤纳米药物都被肿瘤细胞以内吞的方式摄入内体最后形成溶酶体。因此，抗肿瘤药物必须从溶酶体逃逸才能在细胞内发挥作用。Chhabra等[24]使用DOPE和PLGA构建了杂化纳米粒。DOPE为一种pH敏感磷脂，在低pH条件下促进内体-溶酶体膜的去稳定化，实现溶酶体逃逸。通过研究不同浓度的添加效果，最终确定DOPE添加量为3%溶酶体逃逸效果最佳。

肿瘤细胞内谷胱甘肽(GSH)含量显著高于胞外环境，其浓度是胞外的100～1 000倍[25]。在纳米材料中引入二硫键(S-S)或双硒键(Se-Se)，可以实现抗肿瘤药物在肿瘤细胞内的释放。Birhan等[26]制备了包载阿霉素的Bi(mPEG-PLGA)-Se2胶束控制药物在细胞内释放。研究表明，在细胞内GSH的刺激下阿霉素在细胞质和细胞核内释放，引起HeLa细胞大量凋亡。

1.4包载小分子化疗药物的PLGA纳米药物在克服耐药性中的应用 作为药物载体材料的PLGA没有克服肿瘤耐药的特性，文献报道的研究多是通过改性PLGA或双药共载的方式克服肿瘤耐药。Wang等[27]用低分子量鱼精蛋白修饰PLGA来包载阿霉素克服乳腺癌细胞多药耐药性。鱼精蛋白增加了纳米粒细胞内和细胞核内的分布，并避免药泵外排作用，药物在荷耐药性乳腺癌的小鼠肿瘤部位聚集，提高了治疗效果，证明了设计的合理性。王慧欣等[28]还通过泊洛沙姆-188改性PLGA，研究了纳米药物的抗耐药作用，研究指出纳米粒在耐药肿瘤细胞有较高摄取率和细胞毒性。泊洛沙姆-188修饰的PLGA纳米粒能够增强耐药细胞对化疗药物的敏感程度，逆转肿瘤细胞多药耐药性。

曹晓静等[29]报道了槲皮素与阿霉素联载的方式克服乳腺癌多药耐药性。Ahmadi等[30]报道了阿霉素和维拉帕米共载的PLGA纳米粒克服P-gp介导的药耐药性研究。维拉帕米是常用的P-gp抑制剂，因此在肿瘤耐药研究中应用较广泛。Zhao等[31]以白芦藜醇和阿霉素共载克服多药耐药，研究表明两药共载有效降低多药耐药蛋白P-gp、MRP-1 and BCRP的表达，减少药物外排从而逆转耐药，抑制小鼠肿瘤生长。

此外，Bowerman等[32]使用PRINT技术构建了载紫杉醇的棒状PLGA纳米粒，以治疗耐泰素的三阴性乳腺癌。结果表明，PLGA纳米粒增加了紫杉醇血浆曲线下面积和半衰期，使药物聚集在肿瘤组织，最终使存活时间从对照组的20 d延长到45 d。

2 PLGA纳米药物递送肿瘤疫苗

近年来，肿瘤免疫治疗进展迅速，如预防宫颈癌的人乳头瘤病毒(human papillomavirus,HPV)疫苗已经上市[33]。纳米载体将免疫佐剂和抗原共同递送可达到传统疫苗没有的效果。PLGA除具备良好的生物相容性和可降解特性外还具备一定的免疫佐剂作用[34]，在纳米疫苗领域备受关注。

Da Silva等[35]制备了共包载3种免疫佐剂[poly (I:C), R848 and CCL20]的PLGA纳米粒以便探讨纳米疫苗在肿瘤治疗中的应用。3种免疫佐剂可将抑制性肿瘤微环境逆转为炎性微环境，为免疫细胞对抗肿瘤提供有力支持。实验在恶性肿瘤模型中得到了良好结果，长期存活时间提高了75%～100%，无进展生存期延长了两倍。

Jahan等[36]以卵清蛋白(OV)为抗原、单磷脂酰脂质A(MPLA)为免疫刺激剂，展开了探讨PLGA纳米疫苗平台有效性的研究，在PLGA纳米疫苗中连接抗-CD205抗体直接靶向DC细胞实现了抗原和刺激剂的有效递呈。结果显示，共递送比单独递送引起更强的免疫效应，比如特异性IgG抗体、细胞因子和记忆性T细胞产量增加。体内实验表明，两药共载的PLGA纳米疫苗引发了最强的效应T细胞增殖和更多的细胞因子分泌，揭示PLGA递送系统是一种成功的纳米疫苗。

3 PLGA纳米药物递送核酸分子

核酸药物是一类具备药理活性的DNA或RNA分子，易受核酸酶降解[37]。因此，核酸药物通常依赖于载体输送到靶细胞。与病毒载体相比，非病毒载体安全性更高，可实现核酸药物的靶向释放、缓释和控制释放，是目前核酸药物递送研究的热门领域。非病毒载体借助纳米技术，依靠材料本身的正电荷通过静电引力与核酸分子形成纳米复合体而被递送。PLGA是一类高分子疏水材料，不带电荷，无法直接递送核酸药物。PLGA与阳离子聚合物制备杂化纳米粒是目前被科学研究普遍采用的方法。

Zhu等[38]使用PEI-cet、HA和PLGA 3种材料制备了复合纳米粒PCPH NPs。其中，PEI-cet是阳离子材料有吸附核酸的作用，PLGA形成纳米粒核心，HA在纳米粒的最外层，可以靶向过表达CD44分子的肿瘤细胞实现靶向递送。制备的PCPH NPs具备良好的压缩DNA的能力，纳米粒粒径小，带正电荷，易被白细胞吞噬。实验证明，PCPH NPs对HepG2细胞的转染效果优于PEI和商用转染试剂。为了验证PCPH NPs递送体系的有效性，anti-miR-221被成功递送到HepG2细胞内，并沉默了miR-221。miR-221是一种抑制p27Kip1和PTEN等基因表达的微RNA，p27Kip1是细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子家族基因，其产物p27Kip1蛋白将细胞周期阻滞在G1/S期，从而抑制肿瘤细胞增殖，PTEN编码的蛋白质具有磷脂酶活性，通过拮抗蛋白酪氨酸激酶活性抑制肿瘤发生发展。在anti-miR-221被PCPH NPs导入细胞后，p27Kip1和PTEN蛋白的表达上调，肿瘤细胞HepG2的生长也因此被抑制。

Nagapoosanam等[39]以PLGA为核心，壳聚糖为阳离子材料递送SiRNA，以沉默人端粒酶逆转录酶(hTERT)mRNA来抑制宫颈癌细胞系增殖，并取得预期进展。

4 PLGA纳米药物多药递送系统

经过多年的发展，纳米药物已经成为多药共载的优良输送系统。多药载药系统将2种或2种以上药物共包载于同一纳米载体，可实现多种协同作用，比如化疗药物之间、化疗与核酸药物、化疗与免疫治疗及化疗与光热疗法等。肿瘤异质性和多药耐药性的特点决定单一输送药物的方法治疗效果不佳，使得多药共载逐渐成为当前发展趋势。

Devulapally等[6]以PEG-PLGA为材料通过双乳化法制备了吉西他滨(GEM)和antisense-miRNA-21共包载的纳米粒，研究其在肝癌治疗中的作用。在用药物处理人肝癌细胞(Hep3B and HepG2)后，Bcl2和PTEN蛋白表达上调，肿瘤细胞被显著地阻滞在S期，与单独包载的纳米粒相比，两药联用对肿瘤细胞的抑制效果最突出，说明纳米递送体系可发挥不同药物间的协同作用。

据文献报道，二甲双胍和姜黄素都有抑制hTERT表达的作用，但作用机制不同，若将两种药物联用可发挥协同的抑制作用。Farajzadeh等[40]以PEG-PLGA为纳米材料制备了二甲双胍和姜黄素共包载的纳米粒Met-Cur-PLGA/PEG NPs，探究了两种药物的协同抗肿瘤作用。研究表明，Met-Cur-PLGA/PEG NPs比单独使用两种药物能够更有效地抑制hTERT的表达，从而显示出协同抑制乳腺癌细胞T47D 增殖和增强的细胞周期阻滞作用。

5 结论和展望

最初，纳米药物以递送单个化疗药物、改善其溶解性和药动学特征为目的，实现药物被动靶向。经过几十年的发展，纳米药物已经发展成一种多功能载药平台，主要体现在以下几方面：①递送货物的种类扩展到了蛋白、核酸等生物药物；②释放方式由单一的缓释发展为环境响应性释放；③靶向的方式由被动变为主动，或双重靶向；④从单药递送发展为多药递送，发挥药物协同作用；⑤可整合多种治疗方法，如免疫与化疗联用；⑥发展出了诊疗一体化平台。

PLGA作为构建纳米载体的材料具备非常多的优点，尤其生物相容性和可降解性使其能够更方便地向临床转化。但是，结构简单、功能单一的PLGA已经不再满足科学发展的需要。PLGA的结构修饰，如PEG化的PLGA，扩展了它的应用范围，改善了纳米药物的性质。制备PLGA杂化纳米药物也成为强化其功能的常用方法。值得指出的是，无论化学修饰还是杂化都会使得新载体陷入安全性评价和质量评价困难的双重窘境。研究者在构建PLGA纳米药物的时候需要多多考虑材料的安全性和质量控制的可行性，只有解决这些问题，才能使科学研究尽快地走向临床为患者服务。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突。