天然膜仿生递药系统在肿瘤治疗中的应用进展*

田然 王智勇 牛瑞芳

作者单位：天津医科大学肿瘤医院公共实验室，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心（天津市300060）

恶性肿瘤严重威胁人类健康，据统计全球每年新增确诊病例超过1 800 万[1]。目前，早期癌症患者的治疗通常以手术切除为主，术后行辅助化疗和放疗[2]，中晚期患者一般采用化疗、放疗和免疫治疗等联合疗法[3-4]。其中，化疗作为全身性治疗手段，在杀伤癌细胞的同时产生不良反应，患者长期应用会引发耐药，影响治疗效果。因此，开发与生理微环境相适应、肿瘤亚类型相匹配的药物递送载体，实现药物在肿瘤部位的靶向递送，降低不良反应，克服常规治疗的局限性，并结合新型诊疗手段，是提高肿瘤治疗效果的关键。

纳米药物递送载体在肿瘤治疗方面的应用研究已经相当深入，主要是利用高渗透和长滞留效应（enhanced permeability and retention effect，EPR）的被动靶向和配体，识别肿瘤表面抗原所介导的主动靶向实现药物载体对肿瘤组织的高效递送。研究提示，纳米药物载体及配体作为外源性物质进入机体后，会引发免疫系统的防御和清除[5-6]，阻碍药物的长效递送。目前，聚乙二醇（polyethylene glycol，PEG）修饰是应用于药物载体体内长循环递送最成功的策略，已被美国食品药物管理局批准作为临床的长循环制剂，多种PEG 类修饰药物已获批上市，如pegfilgrastim、lipegfilgrastim 等。但在临床应用中发现，PEG 有加速血液清除的现象，即在第1 次注射后，体内逐渐产生能够识别PEG 的IgM，在第2 次注射后，PEG 修饰的纳米粒会快速与IgM 相互作用，加速巨噬细胞对PEG 的识别与代谢[7]。

随着天然仿生技术的发展，利用机体内源性细胞膜（如红细胞、免疫细胞、干细胞、肿瘤细胞和外泌体）对功能性纳米材料进行仿生修饰，获得天然膜仿生递药系统，降低人体排异响应成为研究热点。仿生载药系统有效地将细胞膜的天然属性与纳米载体的高载药性能相结合，具有优异的生物相容性，极大程度地降低了免疫原性，有利于躲避巨噬细胞和网状内皮细胞的捕获，从而提高了血液循环时间；同时由于膜结构的包裹，也可以减少递送过程中的药物渗漏，一定程度上降低药物毒性，提高了治疗的有效性[8-11]。本文根据天然膜的来源不同，分类介绍仿生递药系统在肿瘤治疗方面取得的阶段性进展。

1 红细胞膜仿生纳米递药系统

红细胞是血液中含量最多、寿命最长的细胞，易于获得，体循环时间为100～120 天；其膜表面高表达CD47 分子，可减少网状内皮系统的吞噬；且成熟的红细胞遗传背景简单、细胞内容物少，易于实现膜分离，因此被视为最有开发前景的天然运输载体之一。基于红细胞生物相容性好、免疫原性低、体循环时间长和易于实现膜分离等特点，以红细胞为膜材料的仿生递药载体在肿瘤治疗上展现了广阔的应用潜力。

2011年有研究[12]首次完成了红细胞膜仿生载体的构建，其利用梯度离心法获得红细胞，并通过低渗溶血法去除血红蛋白，获得纯净的红细胞膜；利用多孔膜挤压的方法将完整的红细胞膜包裹至纳米载体表面，获得红细胞仿生递药系统。上述研究结果表明，该系统兼具了红细胞膜的长循环性能和纳米载体的高载药能力，红细胞仿生载体在血液中的半衰期是PEG 表面修饰载体的2.5 倍。此方法开辟了利用生物膜提高药物载体生物相容性的新思路。在此基础上，Xuan等[13]利用红细胞膜对具有诊疗一体化功能的磁性介孔硅纳米载体进行修饰，增强了载体的生物相容性，延长了其在体内循环时间，由于磁靶向的共同作用，药物载体在肿瘤部位的滞留时间延长了1.5 倍，治疗组肿瘤体积缩小60%，该药物载体对乳腺癌的实验性治疗效果明显。Li 等[14]利用红细胞膜修饰含硫化银（Ag2S）的量子点，构建了具有超声相应特性的红细胞递药系统，结果发现，红细胞膜的修饰使治疗型声动力载体的半衰期延长至5.4 h，经过声动力治疗后，肿瘤体积缩小75%，小鼠生存期从15 天延长至40 天，该系统对结肠癌有明显的实验性治疗效果。总之，红细胞膜仿生递药系统开辟了肿瘤药物递送的新范畴，用自上而下的制备方法解决了传统药物递送系统所面临的生物相容性差、表面修饰难的问题，这将为临床药物转化提供技术支持。但在进一步的发展和转化中也面临新的挑战，如红细胞的离体保存，在整个保存过程中均需防止污染，及红细胞的应用要充分考虑血型匹配原则。

2 白细胞膜仿生纳米递药系统

肿瘤的发生过程可以理解为一种组织炎症反应，肿瘤微环境中会出现相当数量的免疫细胞，白细胞就是其中的一类。白细胞在血液中大量存在，具有识别外来细菌、病毒的能力，参与机体的特异性免疫应答。白细胞细分为淋巴细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、嗜碱性粒细胞和巨噬细胞。其中淋巴细胞又可以分为NK 细胞、T 细胞和B 细胞。各类白细胞均对肿瘤细胞有免疫应答响应，因此可以考虑利用二者表面抗原-抗体的相互识别作用，构建白细胞膜仿生递药系统用于抗肿瘤药物的靶向递送[15]。

中性粒细胞表面具有多种受体，对肿瘤炎症组织具有趋化作用。Zhang 等[16]构建中性粒细胞仿生递药系统，以中性粒细胞膜作为修饰，同时负载葡萄糖氧化酶和氯过氧化酶。中性粒细胞膜与肿瘤微环境中趋化因子和黏附因子相互作用，使得药物在肿瘤部位富集，葡萄糖氧化酶消耗肿瘤组织的营养和氧气，氯过氧化酶释放次氯酸从而杀伤肿瘤，通过一系列级联反应，杀伤肿瘤，缓解肿瘤微环境中的炎症反应。

巨噬细胞是非特异性免疫细胞，对肿瘤细胞有吞噬作用，对肿瘤炎症微环境具有趋化特性，可以与肿瘤表面抗原特异性结合。Xuan 等[17]利用巨噬细胞膜的这一特性，获得具有肿瘤靶向性的巨噬细胞囊泡，将囊泡与负载光敏剂的金颗粒组装，使递药系统具有肿瘤靶向性、光热效应和近红外成像能力。该研究结果表明，巨噬细胞膜的仿生修饰，降低了药物载体的体内清除速率，延长体循环时间，使药物在肿瘤部位富集，显著抑制了肿瘤生长，提高治疗效果。Zhao 等[18]采用巨噬细胞膜包裹负载槲皮苷的硒化铋用于抑制乳腺癌的肺转移。在乳腺癌所分泌的趋化因子招募下，巨噬细胞仿生载体靶向至肿瘤组织，在近红外光的照射下，实现肿瘤局部的光热治疗，同时槲皮苷抑制了热休克蛋白的活性，对光热治疗协同增效，有效抑制了乳腺癌的肺转移。

NK 细胞是先天免疫细胞，对肿瘤细胞的识别是非特异性的，自身分泌TNF-α 等细胞因子，具有活化T 细胞、调节免疫反应的功能[19]。Deng 等[20]利用蛋白质组学分析，确定了NK 细胞表面膜蛋白组成，发现NK 细胞膜具有肿瘤靶向性和诱导巨噬细胞向M1型极化的功能，随后开发了细胞膜免疫治疗策略，即利用NK 细胞膜对具有光动力治疗功能的纳米颗粒进行仿生修饰，通过光动力疗法激活细胞凋亡通路，消除原位肿瘤并抑制远处肿瘤生长。Wu 等[21]构建了NK细胞膜修饰的磁纳米药物载体，在体内外结果显示，该系统对人非小细胞肺癌有显著杀伤效果。Liu 等[22]利用NK 细胞构建了具有光热/光动力/荧光成像功能于一体的诊疗一体化递药系统。由于NK 细胞膜的修饰，该系统主动进攻肿瘤部位，并通过对肿瘤酸性微环境的响应，释放光敏剂Ce6。在近红外光的照射下，Ce6 发生能级跃迁，实现对肿瘤的光热/光动力协同治疗。同时NK 细胞膜还有免疫激活功能，最终获得对肺癌的实验性治疗。鉴于肿瘤部位伴随着炎症，这为白细胞通过趋化作用聚集到肿瘤处提供了可能。在现有研究基础上，可改进仿生递药体系的构建方法，更加简易、高效地获得白细胞膜仿生递药系统。

3 干细胞膜仿生纳米递药系统

干细胞是多潜能细胞，具有自我复制能力，在特定条件下，可以分化为多种功能性细胞。目前，研究较多的是间充质干细胞和神经干细胞，二者被证实具有明显的肿瘤靶向功能，且间充质干细胞还具有免疫调节功能和跨血脑屏障的能力，因此有成为新型脑肿瘤靶向载体的潜质。间充质干细胞易于获取，可在体外大量培养和纯化，组学研究表明其表面存在与肿瘤细胞相互识别的重要位点[23]。Gao 等[24]将干细胞膜直接伪装在负载上转换粒子的介孔硅球表面，将相应光敏剂载入介孔硅的孔道中，获得注射型的光动力抗肿瘤模型，体内结果显示，该仿生系统拥有特异性肿瘤靶向能力，在肿瘤组织中富集明显，同时有明显的抑瘤效果。Cao 等[25]设计了干细胞膜纳米递药系统用于乳腺癌的治疗，结果发现，经过干细胞膜修饰的硅颗粒具有良好的稳定性和肿瘤靶向性，且在肿瘤组织的保留时间长达7 天。干细胞膜由于具有跨血脑屏障的特性，因此在脑肿瘤的治疗过程中具有很好的应用前景。Roger 等[26]证实了间充质干细胞可通过血脑屏障，预见其可被开发为治疗相关脑肿瘤的药物载体的可能性，随后以MCS 细胞囊泡为外膜，包裹负载含香豆素-6的聚乳酸脂质体。构建脑胶质瘤模型，实验结果表明该颗粒确实可以跨过血脑屏障，对药物高效递送。尽管干细胞膜修饰的纳米载体展现了良好的应用前景，但需要考虑干细胞载体是否存在促进肿瘤生长甚至转移的危险，因此其临床应用仍需要进一步探索。

4 肿瘤细胞膜仿生纳米递药系统

随着对细胞膜仿生递药系统研究的不断深入，基于肿瘤细胞膜的仿生递药系统有了进一步发展。肿瘤细胞可体外传代培养，具有无限的复制潜能，易于获得大量肿瘤细胞膜；膜上存在N-钙黏素、TF-抗原等独特的自我靶向识别分子，有同源聚集功能，产生归巢效应，因此肿瘤细胞膜修饰的药物载体获得良好的同源靶向性，可实现对肿瘤的精准治疗。Sun 等[27]设计了以4T1 肿瘤细胞膜包裹的递药系统用于乳腺癌的治疗，结果发现同源4T1 细胞对于仿生颗粒的摄取效率是WML2 和RAW264.7 的5.1 倍，这表明经肿瘤细胞膜仿生的纳米颗粒具有强烈的同源归巢效应。与上述研究一致的结果在多种肿瘤膜上得以验证，Chen等[28]利用MCF-7 的细胞膜包裹吲哚菁绿（indocyanine green，ICG），也发现MCF-7 细胞对其摄取率明显高于其他肿瘤细胞和免疫细胞。之后又将肿瘤细胞膜引入肿瘤的诊疗一体化研究方向，以肿瘤膜囊泡携带具有成像和治疗功能的纳米颗粒，得到兼具近红外成像功能又有光热/光动力治疗效果的纳米颗粒，由于外膜的同源靶向性能，颗粒在体内外实验中表现了良好的治疗效果。除去作为递送载体，肿瘤膜还具有进一步发展为治疗性肿瘤疫苗的可能性。

5 外泌体仿生纳米递药系统

外泌体是细胞所分泌的具有膜结构特征，直径为30~200 nm 的细胞外囊泡，其与细胞具有类似的拓扑结构，富含蛋白质、脂类和核酸等物质。外泌体膜结构上拥有与母体相关的一系列特征性膜蛋白，显示出明显的分子异质性。由于外泌体的组成和机构特征，参与重塑细胞外基质和传递信号分子等多种生物学行为，有长距离通信能力和出色的生物相容性。基于这些特征，有关外泌体的研究已经大量展开，有被发展为药物递送载体的潜能[29]。

随着外泌体研究的深入，外泌体在肿瘤诊断和治疗中的应用范围日益扩大。在肿瘤治疗过程中，外泌体作为天然内源性载体具有独特优势，是细胞分泌的纳米级囊泡，其良好的结构和成分均类似于细胞膜，在机体内广泛分布，免疫原性低具有较好的包载能力，并且可以穿越血脑屏障，这些提示了作为肿瘤治疗载体的潜在价值[30]。Wei 等[31]分离了来源于间充质干细胞的外泌体，分离所得到的外泌体大小为100～300 nm，该外泌体在分离后的96 h 形态稳定，之后逐步被降解。利用共孵育的方法完成外泌体对化疗药物阿霉素的包封，经过包封后的药物载体和纯品阿霉素相比，细胞毒性减低，有助于减少治疗过程中的不良反应。肿瘤细胞外泌体还具有良好的归巢效应，可在肿瘤微环境中与同源性肿瘤细胞形成聚集体。肿瘤外泌体已引发研究人员的广泛关注。Yong 等[32]利用自噬的方法，收获了肿瘤外泌体包载的纳米颗粒，该治疗性颗粒具有近红外成像性能并携带化疗药物阿霉素（DOX）。与传统方法相比，此方法的包封率提升了5 倍，并且保证了颗粒外膜的完整性。体内外实验结果显示，该递药系统对于肿瘤干细胞团具有良好的杀伤作用，对体内实体瘤有明显的抑瘤效果。Tian 等[33]分离了肿瘤细胞4T1 的外泌体，并获得具有化疗-光热治疗的药物递送系统，该系统对同源肿瘤有明显的体内抑瘤效果，并且发现该外泌体膜的应用不会增加肿瘤转移的风险。外泌体作为药物载体在生物医学领域的应用，但临床转化仍面临一定的挑战，其缺少标准化和量产的外泌体提取方案，且外泌体的产生和作用机制研究有待进一步深入，这将有助于提高对外泌体尤其是肿瘤外泌体的生物安全性评价。

6 结语

目前，基于生物细胞的仿生药物递送体系的出现为癌症的治疗带来了极大的便利，其有机结合了人工合成纳米粒子和天然生物体系两者的优势，形成了具有核壳结构的新型药物递送系统。其中“壳结构”天然膜，使得递药系统具有更好的生物相容性、血液循环时间长及肿瘤靶向的特性；“核结构”纳米颗粒，不仅可提高抗肿瘤药物的在药效率，同时可兼具多种功能，有望实现诊疗一体化。上述已经开展了大量的实验性探索工作，相信随着研究的进一步深入，天然膜仿生药物递送系统必将推动肿瘤治疗迈入新的发展阶段。