骨靶向基团在骨靶向药物递送系统中的研究进展

解强，蔡林秀，张曦，高俊，孔泳

(1.南京中医药大学，南京 210023； 2.常州市中医医院骨科，江苏 常州 213003； 3.张曦省名中医工作室，江苏 常州 213003； 4.常州大学石油化工学院，江苏 常州 213164)

成年期人体骨骼代谢维持动态平衡，该平衡被打破则会影响骨骼正常代谢，导致骨质疏松、转移性骨肿瘤等疾病。由于骨骼结构无血管及软骨区，因此常规给药方式难以理想递送药物。“骨靶向”概念的提出旨在提高靶细胞或靶器官对药物的利用度，从而减少给药次数、降低非靶器官的药物浓度以及全身不良反应发生率[1]。药物递送系统(drug delivery system，DDS)是一种综合临床医学、药学及化工材料科学等多学科领域的给药方式，通过搭建载药平台将药物精准递送至靶点位置。DDS的优势在于：①增加药物的利用效率，提高疏水化合物的溶解度[1]；②克服半衰期短的药物的治疗局限[2]；③限制药物对非特定组织或细胞的不良反应[3]；④纳米级DDS粒径小可轻易穿透生物屏障(如血-骨髓屏障等)，甚至可以利用肿瘤组织高渗性形成滞留效应[4]。而DDS的缺陷在于缺乏靶向特异性[5]。因此，在构建稳定、有效DDS的研究过程中，针对骨相关疾病的特异性主动靶向DDS的开发显得尤为重要。现就骨靶向基团在骨靶向DDS中的研究进展予以综述。

1 骨中潜在的靶点

骨由有机基质、无机基质和骨细胞组成，有机基质约占干骨总质量的30%，其中90%为胶原纤维，其余为糖蛋白、蛋白聚糖和其他蛋白质[6]。无机基质占干骨总质量的65%～70%，由羟基磷灰石构成[7]。而骨细胞、成骨细胞和破骨细胞仅占干骨总质量的1%～2%[8]。部分化合物分子可通过结合羟基磷灰石中的钙而沉积于骨，因此对羟基磷灰石具有特异亲和力的化合物均可作为骨靶向基团。

胶原是骨中的主要有机大分子，可作为骨靶向DDS的作用靶点[9]。但胶原蛋白也是骨中最丰富的成分，大量存在于软骨和结缔组织[10]，因此，可与胶原蛋白特异结合的DDS对骨组织均不具有靶向特异性。有机基质蛋白(如骨钙素[11]、骨连接蛋白和骨桥蛋白[9])均具有较高的靶向特异性，但由于其含量较低，骨靶向基团功能化效率随之降低[12]。有学者选择唑来膦酸作为骨靶向基团并负载白花丹素制成纳米颗粒，成功通过调控pH实现靶向骨细胞释放白花丹素，从而抑制成骨细胞生长、诱导破骨细胞活化及骨溶解，进而抑制肿瘤骨转移[13]。但由于骨细胞嵌入致密的无机基质，骨靶向基团无法与骨细胞结合，因此很难被DDS利用。无机基质主要由羟基磷灰石组成，是骨组织的主要成分，因此羟基磷灰石可作为骨靶向基团功能化DDS的理想靶点。

2 骨靶向基团的趋骨性

用骨靶向基团修饰DDS达到骨靶向特异性需具备以下因素：①骨靶向基团对骨矿物质的亲和力较强，且骨靶向基团与DDS的结合过程并不影响骨靶向基团与羟基磷灰石的相互作用；②骨靶向基团-DDS复合物应具有生物低毒性及良好的生物相容性，不影响骨的代谢平衡；③骨靶向基团-DDS复合物不影响所负载药物的稳定性和疗效[12]。骨靶向基团有许多不同类型，不同骨靶向基团的主要优缺点见表1[13]。

表1 骨靶向基团的主要类型及其优缺点

目前关于不同类型骨靶向基团趋骨性的研究较少。有研究者合成了平均粒径为10～15 nm的金纳米粒子，并用L-谷氨酸、2-氨基乙基膦酸(或阿仑膦酸)进行表面修饰，这些修饰剂均含有与金纳米粒子结合的伯胺基团，可分别与对应的羧酸盐、膦酸盐或双膦酸盐基团结合，用于合成具有骨靶向性的DDS；

进一步研究发现，双膦酸盐修饰的金纳米粒子与羟基磷灰石的结合能力最强，其次是谷氨酸和膦酸[14]。

2.1双膦酸盐 目前双膦酸盐已广泛应用于骨质疏松症[15]、溶骨性骨肿瘤引起的疼痛以及高钙血症、代谢性骨病等疾病的治疗[16-17]。双膦酸盐又可细分为含氮和非含氮两类，均具有与天然焦磷酸相似的结构，焦磷酸盐的结构以P-O-P键为特征，由于P-O-P键不稳定，因此不适合作为骨靶向基团。而双膦酸盐分子中含有两个紧密相连的磷酸根基团(P-C-P)，这两个膦酸酯基团中的羟基去质子化后螯合羟基磷灰石上的二价钙离子(Ca2+)形成双齿结构并与羟基磷灰石牢固结合，因此双膦酸盐具有较强的趋骨性[18]。Wang等[19]以双磷酸盐链接硼酸盐脂构建的DDS可特异性靶向骨表面，表明双膦酸盐-硼酸盐结合骨片更持久且疗效更好。此外，双磷酸盐的P-C-P结构与骨结合更稳定，且双膦酸盐在骨组织中的停留时间延长[20]。而增加双膦酸盐中两个去质子化羟基之间的距离(如用P-N-P键或P-C-C-P键取代P-C-P键)，可降低其对羟基磷灰石的亲和力[21]。此外，也可通过修饰P-C-P碳原子上的剩余基团R1和R2调节双膦酸盐对羟基磷灰石的亲和力。有报道显示，R1处存在羟基或氨基的双膦酸盐对羟基磷灰石的亲和力更强[22-23]。另有研究通过改变双膦酸盐的R2基团发现，双膦酸盐不仅可作为DDS的骨靶向基团，还可作为有效的抗骨质疏松药[23-24]。临床常用的6种双膦酸盐的趋骨性排名依次为：氯膦酸盐<依替膦酸盐<利塞膦酸盐<伊班膦酸盐<阿仑膦酸盐<唑来膦酸盐[23,25]。

关于双膦酸盐作为骨靶向基团的研究较多。Ryu等[26]研究发现，由于阿仑膦酸盐的存在，阿仑膦酸盐结合纳米金刚石(alendronate-conjugated nanodiamonds，Alen-NDs)对羟基磷灰石的亲和力显著增加；与对照组(成骨培养基)相比，NDs可增加MC3T3-E1细胞的碱性磷酸酶活性，而Alen-NDs增强碱性磷酸酶活性的能力更显著；体内研究表明，给大鼠尾静脉注射Alen-NDs后，Alen-NDs在骨组织中的积聚显著增加。Santhosh等[27]用利塞膦酸修饰壳聚糖制备纳米颗粒，结果发现，该纳米颗粒可显著改善骨密度和骨小梁微结构。Chen等[28]通过制备阿伦膦酸修饰的脂质体纳米颗粒发现，阿伦膦酸的加入可显著提高脂质体的矿物亲和力。

双膦酸盐作为骨靶向基团修饰抗骨质疏松药制备的络合物，在一定程度上可纠正原药特异性差、不良反应大等缺陷。Bhandari等[29]以双膦酸类化合物为骨靶向基团、以合成鲑鱼降钙素作为模型药物，合成具有骨靶向能力的鲑鱼降钙素化合物，结果发现，与未经双膦酸修饰的降钙素相比，双膦酸盐-降钙素的趋骨性和特异性未均显著增强，且降钙素与双膦酸盐结合后仍具有较强的生物活性。Hirabayashi等[30]构建氨基双膦酸键连雌二醇化合物，并静脉注射给卵巢切除的骨质疏松大鼠(每周1次)，结果发现大鼠的骨密度增加，而子宫的重量未见增加；药动学实验结果显示，小鼠骨中雌二醇水平显著增加。然而，双膦酸盐本身即存在潜在的不良反应，如颌骨骨坏死、不典型的股骨转子下骨折和食管癌等[31]，同时其还可能增加患者心房颤动的发生风险[32]，这可能与长期(>5年)使用双膦酸盐类药物治疗有关[33]。

2.2其他含膦酸盐分子 双膦酸盐并不是唯一与羟基磷灰石有亲和力的膦酸盐类分子。乙二胺四(亚甲基膦酸)和四氮环十四烷-1，4，8，11-四亚甲基膦酸也可与Ca2+离子螯合，将放射性药物和蛋白质递送至骨组织[34]。为了增加可螯合Ca2+离子的膦酸基团的数量，还可将多个双膦酸盐结合在一起形成树枝状结构，应用双膦酸盐的R2基团与间隔基团创建前药分支结构[35]。含有多个膦酸盐的分子一般作为DDS的骨靶向基团，而不作为独立的药物，这点与双膦酸盐化合物不同。

2.3四环素 广谱抗生素四环素是常见的抗革兰阳性与革兰阴性细菌类药物[36]。由于四环素对非骨组织特异性较低，其沉积于骨组织可提高药物在骨组织局部的浓度，从而提高药物利用度，减少非靶向组织不良反应的发生。四环素分子结构中的β二酮、烯醇及甲酰胺基团均可与羟基磷灰石上的Ca2+螯合[37]。除四环素与羟基磷灰石的螯合作用外，四环素分子中的羟基与羟基磷灰石间存在的范德华力和氢键也可提供额外的亲和作用[38]。Xie等[39]以四环素作为骨靶向基团修饰聚乳酸-乙醇酸-聚乙二醇(poly lactic-co-glycolic acid-poly ethylene glycol，PLGA-PEG)合成高分子胶束并负载辛伐他汀，结果发现，该载药胶束在体内循环时间显著延长，且优先积聚于骨，可显著改善骨密度、骨矿含量和骨力学强度。有学者通过动物实验评价多西环素(四环素家族之一)对骨质疏松的作用，结果显示，多西环素对双侧卵巢切除骨质疏松大鼠的骨组织有积极作用，大鼠骨质丢显著减少[40]。

2.4骨靶向肽 多肽具有空间分子量小、结构简单、渗透力强、特异性高、不易被酶类识别和降解、免疫原性低等特点。骨基质蛋白，如骨钙素、骨桥蛋白、牙本质基质蛋白、胎球蛋白等均具有较强的骨矿表面Ca2+螯合性能[41]。寡肽中的天冬氨酸或谷氨酸对羟基磷灰石均具有较高的亲和力[42]。Sun等[43]制备成骨细胞靶向肽修饰聚氨酯纳米胶束递送干扰小RNA/微RNA，成功靶向成骨细胞，增加去卵巢骨质疏松症模型小鼠骨量，并通过标记干扰小RNA行荧光实验证实成骨细胞靶向肽修饰的DDS具有靶向性。Yamashita等[44]将聚酰胺型胺主链与多种羧酸(天冬氨酸、谷氨酸、琥珀酸或乌头酸)共轭获得不同类型的羧酸改性聚酰胺型胺，再以PEG共价的方式结合到聚酰胺型胺上，得到PEG化羧酸修饰的聚酰胺型胺，结果发现，该化合物的骨清除率与其对羟基磷灰石和Ca2+的亲和力成正比，其中PEG(5)-天冬氨酸-聚酰胺型胺骨靶向效果最佳。Fu等[45]利用天冬氨酸作为骨靶向基团修饰PLGA-PEG合成靶向骨组织的纳米粒子，结果发现，PLGA-PEG-天冬氨酸3-纳米粒子的树突状天冬氨酸部分具有羟基磷灰石结合能力，其骨靶向效率也较缺乏树突状天冬氨酸的PLGA-PEG-纳米粒子更高。Zhao等[46]以新型树突状天冬氨酸衍生物作为脂质体配体，得到天冬氨酸衍生物修饰的DDS，结果显示，该天冬氨酸衍生物修饰的DDS对羟基磷灰石有良好的亲和力。此外，部分特殊序列多肽对羟基磷灰石和骨样材料也具有强烈且特异的亲和力，如VTKHLNQISQSY、STLPIPHEFSRE和APWHLSSQYSRT等[47]。

2.5其他骨靶向基团 除上述几种骨靶向基团外，还有些分子也可作为骨靶向基团修饰DDS，如25-35碱基长类单链RNA或DNA的核苷酸序列(核酸适体)也均具有高亲和力，且可特异性识别并结合其靶标[48]。Liang等[49]通过构建人体成骨细胞适体修饰的脂质纳米颗粒发现，人体成骨细胞适体主要通过大胞饮作用促进体外成骨细胞选择性摄取PLEKHO1(pleckstrin homology domain containing,family O member 1)干扰小RNA，并通过促进体内成骨细胞特异性PLEKHO1基因沉默，改善骨微结构、增加骨质量，从而增强骨质疏松鼠和健康鼠骨的力学性能。

此外，骨细胞中含一些生长因子受体，导致成纤维细胞生长因子1、骨形态发生蛋白等具有趋骨性[50]。利用成纤维细胞生长因子1构建的骨靶向DDS可靶向递送药物、增加骨质疏松症小鼠的骨量[51]。Haider等[52]将骨形态发生蛋白-2化学移植到L-谷氨酸修饰的羟基磷灰石表面，并将其与PLGA纳米纤维基质结合，结果发现，骨形态发生蛋白-2/L-谷氨酸/PLGA复合纳米纤维支架可显著促进成骨细胞的生长，因此，骨形态发生蛋白-2/L-谷氨酸/PLGA复合纳米纤维支架可作为靶向给药的纳米药物载体。

3 小 结

骨靶向基团是一类强大的分子工具，其功能化的化合物可与骨中的羟基磷灰石特异性结合并递送治疗性药物至靶点。双膦酸盐、四环素、多肽序列及核酸适体均是常用的骨靶向基团[53]。靶向非特异性的DDS被骨靶向基团修饰后具有显著的骨靶向特异性，为骨靶向治疗提供了理想的递药系统。骨靶向DDS的优势使其具有临床应用潜力，但也存在许多问题，因此目前仍无骨靶向DDS临床应用的报道。未来，选择合适的骨靶向基团并增强其靶向特异性、构建控制递送药物质量与缓释功能的骨靶向DDS，对于治疗骨骼相关疾病均具有重要的研究意义及临床价值。