紫杉醇二聚体纳米前药研究进展

王 健，裴 晴，谢志刚 *

(1.中国科学院长春应用化学研究所，高分子物理与化学国家重点实验室，吉林 长春 130022； 2.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026)

多年来，人们已经开发了各种方法用来尝试攻克癌症，包括放疗[1-3]、化疗[4-6]、光热治疗[7]、光动力治疗[8-9]、免疫治疗[10-11]等。化疗由于其广谱高效的特点，成为癌症治疗的一种主要方式。PTX作为代表性的化疗药物，在临床上已被广泛被用于乳腺癌[12]、卵巢癌[13]、肺癌[14]以及部分头颈癌的治疗[15]。但是，由于PTX的水溶性差，其商业注射剂型(Taxol)是通过将PTX溶解在乙醇和聚氧乙烯蓖麻油(Cremophor EL，一种非离子表面活性剂)中来制备，赋形剂的使用导致了严重的副作用和有限的治疗效果[16]。为解决这些问题，前药和纳米药物递送系统应运而生。

“前药策略”通常是指将母体药物修饰成具有特殊理化性质的无活性形式，其可以很容易地在体内转化为具有活性的母体药物。前药的合理设计可以有效地应对母体药物的不良特性，例如稳定性差、溶解度低和严重的毒性等等，已被广泛用于提高PTX的递送效率。例如，ZHONG等开发出了新型的以透明质酸为壳的酸激活的PTX前药胶束(HA-dOG-PTX-PM)，用于在体外和体内有效靶向和治疗异种移植人乳腺癌[17]。由于内膜/溶酶体中的乙缩醛裂解，PTX在肿瘤细胞内迅速释放，该前药胶束治疗的带有MCF-7人乳腺癌异种移植物的裸鼠存活率可达100%。

此外，在过去的几十年中，纳米药物递送系统也经历了巨大的发展，其显著优势包括延长体内循环时间、改善肿瘤蓄积和促进细胞摄取等[18]。基于二聚体前药的自组装纳米技术已成为高效的化疗药物递送平台。二聚体前药是通过桥连基团将两个药物分子连接，实现药物-药物的偶联。PTX分子本身非常容易形成针状晶体，而引入具有柔性链结构的桥连基团，相当于给分子提供了一个更加灵活的“结构缺陷”，使分子旋转更加自如，促进了二聚体的自组装，即使在无助剂的条件下，也可在水中自组装为纳米聚集体。与PTX相比，二聚体分子本身的自组装性能使其与载体具有更好的相容性，从而实现了药物的超高担载，降低了载体相关的副作用。我们课题组对PTX二聚体与载体聚乙二醇-聚乳酸嵌段共聚物(PEG-PDLLA)的相容性进行了探究[19], 结果如表1所示，通过引入柔性碳链，将PTX修饰为二聚体(PTX2-C8)后，与直接担载PTX相比，其载药量明显升高。

表1 担载PTX或PTX2纳米粒的表征

此外，通过调控可裂解的桥连基团，可以使前药在特定的生理环境下发生化学转化，释放出具有活性的母体药物。因此，刺激响应型紫杉醇二聚体纳米前药引起了许多研究人员的关注。

1 内源刺激响应型PTX二聚体前药

与正常组织相比，肿瘤微环境具有异质性，包括酸性低的pH值、乏氧、高氧化还原水平以及某些特异酶的高表达[20]等特性。因此，可以基于该异质性，开发肿瘤微环境响应性PTX二聚体前药，在提高载药量的同时，又增加了药物的选择性。

由于更旺盛的新陈代谢，与正常细胞相比，大多数肿瘤细胞表现出更高的细胞内谷胱甘肽(GSH)和活性氧(ROS)水平[21]。据报道，肿瘤细胞中高的ROS的水平是由于细胞的致癌性转化导致了作为有氧代谢副产物ROS的不断产生。而肿瘤细胞的还原环境主要由NADPH/NADP+和谷胱甘肽的还原和氧化态(GSH，GSH/GSSG)决定，两者都有不同的还原电位和还原能力。在还原性环境中，GSH的浓度高于NADPH的浓度，在这种情况下，GSH在微环境的调节中起主要作用。在分子水平上，GSH主要通过二硫键的形成和断裂以及与过量ROS的反应来控制细胞的还原环境。据报道，肿瘤组织中谷胱甘肽的浓度至少比正常组织高4倍，在某些具有多种耐药性的肿瘤中尤其高。基于这些机制，正常细胞和肿瘤细胞的微环境差异为氧化还原响应性的靶向治疗提供了一种潜在可行的策略。

ZHANG等制备了基于二硒键(-SeSe-)的PTX二聚体，二聚体自组装后可以形成粒径稳定且大小均一的纳米粒，内吞进入肿瘤细胞后在GSH的作用下二硒键断裂进而水解释放出活性的PTX[22]。WANG等设计了四种具有不同桥连基团的PTX二聚体前药[23]。这四种二聚体前药显示出对癌细胞氧化还原环境不同的敏感性，这使得它们具有不同的药物释放速率、细胞毒性和抗肿瘤能力。通过比较，发现两侧带有一个亚甲基二硫键的二聚体(PTX2-SS1)对还原刺激最敏感，而两侧分别带有一个亚甲基的单硫键的二聚体(PTX2-S)则对氧化刺激最敏感。进一步研究发现，对氧化还原刺激的敏感性不仅与键的类型有关，而且与碳链的长度有关。PTX2-SS1具有最快的药物释放速度和最佳的肿瘤抑制能力。在相同剂量下，它比Taxol显示出更高的抑瘤率。XIA等还开发了基于Te键的PTX二聚体，这种二聚体显示出独特的药物释放机制，其只能在ROS和GSH的协同刺激下发挥作用，表现出氧化还原双重响应能力[24]。

此外，二聚体由于与载体更好的相容性，还可以促进光敏剂的组装。PEI等利用了这一优势，基于氧化还原响应性的单硫桥连基团，将PTX修饰为二聚体(PTX2-S)，与光敏剂IR780碘化物共同组装[25]。IR780碘化物水溶性差，用高分子载体单独包裹IR780载药量过低。而在这篇文章中，通过将IR780碘化物与PTX二聚体共封装，由于PTX二聚体与载体(人血清白蛋白)的强相互作用，可以给IR780碘化物提供更强的组装驱动力，促进它的封装。同时，IR780碘化物与PTX二聚体的π-π堆积作用，进一步促进IR780碘化物的封装，从而实现了化疗和光热治疗的联合疗法。

图1 (a) 四种具有不同桥连基团的前药纳米粒的组装机理和 (b) 抗肿瘤过程的示意图以及在肿瘤细胞中不同的氧化还原响应情况Fig.1 (a) Assembly mechanism of four prodrug nanoparticles with different bridging units and (b) schematic diagram of the anti-tumor process and different redox responses in tumor cells

2 光刺激响应型PTX二聚体前药

内源刺激型前药可以基于肿瘤微环境的异质性，响应释放出活性紫杉醇。但是，内源刺激不足往往会导致药物释放率极低，最终使抗肿瘤效果不够理想。此外，由于多药耐药性和肿瘤增长的异质性，单一的化疗也很难彻底消除肿瘤[26-27]。而多种不同治疗手段的协同治疗可以显著改善这一情况。光疗由于较低的侵入性以及对周围正常组织较少的损伤，已经吸引了很多研究者的注意[28-29]。将化疗与光疗结合，可能是目前解决单一化疗效果不足的一种有用手段[30]。研究发现，光敏剂在光照条件下产生的ROS以及这个过程消耗氧气造成的细胞内乏氧环境可能是两个有效的与二聚体的结合点。

2.1光动力响应型PTX二聚体前药

内源性ROS刺激响应的前药用于肿瘤治疗已经被广泛研究[31-32]。然而，不同类型的肿瘤细胞，其ROS水平存在较大差异。而且，这种ROS通常具有较短的寿命，这可能使前药中活性药物释放效率大打折扣，进而限制了内源性ROS响应型前药的抑瘤效果[33]。光动力疗法作为临床治疗的一种非侵入性手段已经被广泛研究。通常，在光照条件下，某些具有高的单线态氧产率的光敏剂会生成活性氧自由基，尤其是单线态氧(1O2)，这种ROS可以直接杀伤肿瘤细胞[34]。重要的是，这种爆发性增长的ROS可以短时间内提高细胞中ROS水平，而这种高的ROS水平则可以有效地促使ROS响应性的PTX二聚体前药释放药物，放大化疗的治疗效果，从而实现光动力疗法和化学疗法的协同治疗。

PEI等人通过对一系列ROS响应的PTX二聚体研究，筛选出了一种由缩硫酮键连接的PTX二聚体，再选用一种临床报道的光敏剂二氢卟吩与其组装[35]。通过引入一种两亲性嵌段聚合物进行包裹，得到了一种由二聚体与光敏剂共组装的纳米粒。由于二聚体与光敏剂之间强的共轭作用导致的堆积效应，他们可以轻易而且高效地被载入聚合物中。进一步，他们使用红细胞膜对纳米粒进行包裹，得益于红细胞膜良好的生物相容性和非免疫原性特点，所合成的纳米粒可以在血液中长循环且不易被清除，这使得纳米粒能够更有效地被肿瘤细胞摄取。在没有光照条件下，细胞内源性ROS不足以使二聚体氧化并释放活性药物，显示出低毒性。而由于二氢卟吩高效的ROS产生效率，在低功率激光照射下，细胞内ROS水平快速上升使细胞凋亡，同时PTX二聚体被快速氧化，进而水解释放活性药物杀伤肿瘤细胞，从而实现了光动力疗法和化学疗法的协同治疗。

图2 红细胞膜包裹的二聚体前药的制备、光控药物释放以及光动力和化疗的协同治疗示意图Fig.2 Schematic illustration of RBC membrane-camouflaged dimeric prodrug NPs, light triggered drug release and synergistic photodynamic/chemotherapy

2.2 乏氧响应型PTX二聚体前药

乏氧是肿瘤微环境的标志之一，在肿瘤组织中，氧气供应和消耗之间的平衡被打破，导致组织氧气张力的水平降低[36]。氧气供应减少是由于肿瘤中的异常血液供应所致。异常的新血管和不良的血液流动会导致氧气在肿瘤区域中不适当地扩散，从而导致肿瘤缺氧。另外，肿瘤细胞比正常细胞增殖更快，需要消耗更多的能量和氧气，进一步导致了乏氧的肿瘤微环境[37]。乏氧的肿瘤微环境对肿瘤的增殖和药物治疗都有很大的影响。一方面，乏氧通过调节多个基因，如乏氧诱导因子-1，促进肿瘤的增殖和侵袭性转移；另一方面，乏氧还与多种疗法的耐药性相关[38]。例如，光动力疗法主要依赖于光敏剂在光照下产生活性氧，这与氧气密切相关。尽管光动力疗法的无创性已被临床批准用于治疗多种疾病[39-40]，但肿瘤缺氧严重阻碍了其治疗效果。此外，由光动力治疗介导的持续耗氧量和局部微环境中的血管损伤，将导致更为严重的缺氧，这进一步削弱了它的治疗效果。

ZHOU等根据肿瘤微环境的乏氧特性，构建了由乏氧敏感的偶氮苯键连接的自我毁灭性的紫杉醇二聚体前药，并将该二聚体前药与光敏剂Ce6联用[41]。如图3所示，当药物到达肿瘤部位时，在肿瘤部位乏氧的条件下，前药将在过表达的硝基还原酶和偶氮还原酶作用下发生生物还原，释放出活性的PTX发挥化疗效果。同时，在光照下，光敏剂将产生1O2进一步杀伤肿瘤细胞。这一过程需要消耗氧气，导致肿瘤微环境乏氧程度进一步加重，促进了二聚体前药释放，实现了化疗和光动力疗法协同，达到了更好的抗肿瘤效果。

图3 乏氧激活的紫杉醇二聚体前药的化学疗法与光动力疗法的协同治疗Fig.3 Synergistic treatment of photodynamic therapy and chemotherapy of hypoxia activated paclitaxel dimer prodrug

3 总结与展望

二聚体前药策略，增加了紫杉醇的载药量，解决了紫杉醇载药量低这一关键问题。在此基础上，通过调控中间的桥连基团合成紫杉醇二聚体，可以实现肿瘤细胞内源性刺激释放活性药物，选择性杀伤肿瘤细胞，有效降低化疗的毒副作用。进一步与光疗结合，利用光疗过程中产生的ROS以及肿瘤细胞的乏氧环境，制备了光动力响应以及乏氧响应的二聚体前药，实现了光控的药物释放，达到了光疗和化学疗法的高效协同治疗。综上所述，自组装的紫杉醇二聚体纳米前药作为新一代纳米医学技术展现出明显的优势，在临床癌症治疗中具有巨大的潜力。然而，在未来可能进行临床转化之前，仍需要考虑几个重要问题。首先，单一化疗效果往往不尽人意，难以完全消除肿瘤；结合光疗虽能获得很好的抗肿瘤效果，但是需要引入外源刺激，为临床转化增加了难度。其次，需要进一步研究二聚体与载体的相容性问题。目前的研究虽已报道二聚体的自组装性能能够减少载体的使用，但是针对不同载体，其具体的作用效果尚不可知。最后，在二聚体活化过程中，会产生化学中间体，药物具体的体内代谢行为以及这些副产物的潜在毒性都需要进一步研究。因此，仍需要付出更多的努力对其进行探究，为紫杉醇二聚体纳米前药在临床中的成功应用铺平道路。