金属有机框架及其载运抗肿瘤药物的研究进展

2022-04-02朱仔巍代英辉王东凯

中国药剂学杂志(网络版) 2022年2期

朱仔巍，代英辉，王东凯*

（1. 沈阳药科大学药学院，辽宁沈阳 110016；2. 沈阳药科大学中药学院，辽宁沈阳 110016）

金属有机框架材料（Metal-organic frameworks, MOFs）是一种由无机金属离子和有机配体构成的杂化材料。MOFs 作为一种新型多孔晶体材料，在储能、吸附与分离、光学、生物医学和药学等领域都备受关注。由于 MOFs 具有孔隙率较高、比表面积较大、结构和孔径可调和结构易于修饰等优点，特别适用于具有广谱物理化学性质的各种药物的包封[1-2]。同时 MOFs 在提高药物载药量[3]、控制药物释放[4]等方面显示出一定的优势。本文对金属有机框架材料的种类、MOFs 作为抗肿瘤药物载体的优势，MOFs 载药的制备方法，以及 MOFs 抗肿瘤药物载体的质量评价方面进行总结归纳。

1 金属有机框架的材料

近些年来随着国内外研究者对金属有机框架材料的不断探索，金属有机结构材料的种类和数量不断丰富。就装载药物方面将其分为以下几个类别。

1.1 MIL 系列材料

拉瓦希尔骨架（Materials of institute Lavoisier frameworks, MIL）系列材料，作为金属有机框架系列中的一种，具有耐高温、耐溶剂等优良特性，通常由过渡金属如 Cr3+、Fe2+等与二羧酸配体制备而成的。杨宝春等[5]通过水热法合成 MIL-53（Fe）后装载 5-氟尿嘧啶（5-FU），实现了半衰期短的5-FU 的缓释释放。Horcajada 等[6]考察了两种 MIL 材料均装载布洛芬，比较两种材料 MIL-100 和 MIL-101 的载药量和释药性。结果表明，由于孔隙结构和 MIL 与药物间作用力不同，MIL-101 的载药量为 MIL-100 的 4 倍，并且其释药也更为缓慢。Rosaria 等[7]采用浸渍法，将细胞毒性药物拓扑替康（TPT）包裹在可生物降解的 MIL-100 中，TPT 单体以“瓶装”的方式聚集，填入 MIL-100的孔隙。并考察了光照射对于药物释放的影响，结果表明负载 TPT 的 MIL-10 悬浮液在 20 min 内，光传递 TPT 高达 27 wt%，而在没有光刺激的情况下，只有 19 wt% 的药物被释放。Song 等[8]比较了负载多柔比星（DOX）的 MOF 纳米粒（MIL125-Ti@DOX）和用透明质酸（HA）修饰后的纳米粒 MIL125-Ti-HA@DOX 的载药量和疗效。结果表明，MIL125-Ti-HA@DOX 具有更高的多柔比星载药量，载药量高达 25.0～35.0%，并且由于 MIL125-Ti-HA@DOX 可以增加药物在肿瘤细胞中的蓄积，改善溶酶体在肿瘤细胞中的逃逸，而在肿瘤靶向治疗上表现出更好的疗效。

1.2 ZIFs 系列材料

类沸石咪唑酯骨架（zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs）系列材料，不仅有金属有机骨架的作用还具有无机沸石的筛分功能[9]，是一种由 2 价金属离子 Zn2+、Co2+等和咪唑类配体之间的配位产生的一种材料。ZIFs 骨架材料能在不同 pH 环境下发生变化，其在中性环境中较稳定，在酸性环境中会因金属离子与配体间配位键的断裂而分解，使药物在酸性环境中有机会释放[10-11]。而肿瘤微环境的 pH 5.7～7.2，低于正常组织，因此 ZIFs 广泛应用于抗肿瘤药物的递送。首个发现应用于载药的 ZIF 材料是 ZIFs-8。Ettlinger 等[12]以沸石咪唑骨架-8 为载体，利用其孔隙装载亚砷酸盐，制成 pH 敏感纳米颗粒，用于治疗非典型畸胎样横纹肌样肿瘤。结果表明，ZIF-8 纳米颗粒在中性 pH 值下仅释放少量砷，而在更酸性的 pH 值下则完全释放砷。Zhou 等[4]将抗癌药多柔比星负载到 ZIF-8 上，制成 pH 响应的纳米复合物（P@ZIF-8），实现低 pH 下药物的释放，具有良好的选择性。

1.3 其他 MOFs 材料

UIO 系列材料是由锆（Zr）和对苯二甲酸（BDC）相连形成的三维微孔结构。Xue 等[13]将二维材料石墨炔（GDY）与金属有机骨架的杂交成 Fe3O4@UIO-66-NH2/GDY（FUGY），并将抗癌药多柔比星负载到 FUGY 上。实验结果表明，与游离 DOX 相比，负载 FUGY 的 DOX 复合纳米粒在肿瘤组织中的释放度更好，疗效更高。Gupta 等[14]采用溶剂热法合成 UIO-66 材料后负载了抗癌药物紫杉醇，并在表面包裹聚乙二醇，制成纳米颗粒 PEG@DTX@UiO-66。结果表明，紫杉醇的释放时间得到了延长。

网状金属-有机骨架（Isoreticular metal-organic frameworks, IRMOFs）系列材料是由[Zn4O]6+和芳香羧酸配体构成的微孔材料。杨春宝等[15]用溶剂热法制备纳米级金属框架 IRMOF-3，并通过酰胺反应得到叶酸偶联的 IRMOF-3，即 Folic acid-IRMOF-3（FIR），并负载 5-FU。结果表明，FIR 作为抗癌药物的载体，具有高载药量高、缓释释放、靶向给药等优点。

2 MOFs 载药的制备

目前 MOFs 装载药物的方式主要有三种。第一种是两步包封法，第二种是一步包封法（一锅法），以及第三种将药物分子做成前药与金属离子配位的活性分子配位法。

2.1 两步包封法

两步包封法是指先合成 MOFs，从孔中去除溶剂后再通过物理吸附或化学键键合的方式载药，此法不仅昂贵而且会因 MOF 的孔小而限制大分子的载药。Resmi 等[16]先制备了 MIL-100（Fe），室温下通过与 DOX 混合搅拌制成 DOX@MIL-100（Fe），其载药量为 9 wt%。杨宝春等[17]用三乙胺加入法制备 MOF-5 后，利用孔径大小分别装载抗肿瘤药物辣椒素和 5-FU，发现载药 7 d 时载药量均达到最高，分别为 0.592 g/g 和 0.315 g/g。

2.2 一步包封法

由于两步包封法中，MOFs 的载药量低于其他无机载体，为了克服这个缺点，我们可以将 MOF的合成和分子的封装结合到一锅法工艺中进行。Zheng 等[18]采用一锅法制备过程中，金属离子和目标有机分子自组装形成配位聚合物，实现多柔比星装载于 ZIF-8 上，制成纳米粒 DOX@ZIF-8，其载药量可达 20 wt%。张会苑[19]通过一锅法实现盐酸多柔比星和盐酸维拉帕米（VER）两种药物负载于 ZIF-8 的药物共递送纳米粒，并用乙二醇-叶酸（PEG-FA）对其表面进行修饰，得到纳米粒 PEG-FA/（DOX+VER）@ZIF-8。

2.3 活性分子配位法

活性分子配位法，是一种无需溶剂的简单、快速的药物装载方法。该方法是将具有多个官能团的药物分子与金属离子配位制备出装有药物分子的金属配合物，这种方法不仅包封率较高，而且可以通过一种药物与 MOFs 配位形成装载药物的复合材料载体，而装载第二种药物来实现联合用药。这一点指示我们 MOFs 不仅可以作为载体，还可以作为活性成分。这种方法是目前较为理想的MOFs 载药方式。

Huxford 等[20]以具有抗癌功效的氨甲喋呤（MTXO）为桥联配体，Gd3+为金属连接点，在 80℃下加热，以 85% 的产率合成了 Gd-MTX NCP。结果表明，Gd-MTX NCP 纳米粒对于白血病癌细胞表现出一定的靶向性。Su 等[21]以活性药物成分姜黄素与锌盐配位反应生成稳定的多孔骨架化合物 Medi-MOF-1，再装载布洛芬实现双抗癌药联用。并考察了释药性，结果表明，在 80 h 内布洛芬的释放率达 97%。

3 MOFs 抗肿瘤药物载体的质量评价

随着 MOFs 载药的不断发展，目前常用 X 射线衍射、红外光谱、电子显微镜、动态光散射、热重分析仪、氮气吸附等对 MOFs 载体和 MOFs 载药后的复合物进行表征，考察粒径、形态等理化性质、是否包载以及包封率和载药量等指标。

3.1 粒径

药物载体的粒径，为抗肿瘤药物载体的质量评价的重要指标之一。一些研究发现，粒径的不同会影响药物在组织部位的积累和保留能力[22-23]。Wu 等[24]采用原位生长法，以 Fe3O4颗粒为核心，高负载量的 UIO-66 为壳层，然后表面包覆以柱芳烃为基础的拟轮烷作为紧密性可调的纳米阀门 Fe3O4@UiO-66@WP6，装载 5-FU，实现多刺激响应性药物的释放。考察了纳米颗粒的粒径，SEM 图谱显示，负载 5-FU 的 Fe3O4@UIO-66@WP6 的直径约为 40～60 nm。动态光散射（DLS）显示，纳米颗粒的平均流体力学直径为 89 nm。张会苑[19]将 DOX 和 VER 两种药物负载于 MOFs 上，制成 PEG-FA/（DOX+VER）@ZIF-8。并对纳米粒的晶型、形态、粒径及其分布等进行表征，对体外释放和体内外抗肿瘤进行评价。用 DLS 法表征纳米粒的粒径分布，结果表明其平均粒径为 185.0 nm（PDI = 0.005），粒径很均一。

3.2 形态

药物的载体形态也会影响药物的释放和吸收。Ahmad 等[25]用共沉淀法合成磁性 CoFe2O4纳米粒子后采用逐层法利用巯基乙酸与锰离子的配位制备了超顺磁性 CoFe2O4NPs@Mn-MOF 纳米复合材料，并装载药物柔红霉素。考察了复合纳米颗粒的结构、释药性、生物相容性等。图 1 中显示了用扫描电镜观察到的含柔红霉素的 CoFe2O4NPs@Mn-MOF 的形态呈球形，粒径为 140 nm 左右。蔡紫薇[26]合成的 UiO-66-NH2复合材料，表面均匀，呈正八面体结构，属于较稳定的结构。

Fig. 1 SEM images of Daunorubicin-loaded magnetic CoFe2O4NPs@Mn-MOF,original magnification 40.000×[25] 图1 负载柔红霉素的超顺磁性CoFe2O4NPs@Mn-MOF纳米粒的扫描电镜图像（放大40.000倍）[25]

3.3 验证是否包载

Zhang 等[27]通过 DOX 和 ZIF-90 的咪唑-2-甲醛（ICA）配位反应，将 DOX 共价在纳米 ZIF-90 表面，然后装载 5-FU，实现抗癌药物的联合给药，5-FU 和 DOX 的载药量分别高达 36.35 wt% 和 11～13.5wt %。比较了 ZIF-90 和 ZIF-90-DOX 的 FI-IR 谱、X 射线衍射峰、NMR 谱，表明 DOX 上氨基和 ZIF-90 的 ICA 配体上醛基发生席夫碱反应，以 C=N 键键合的形式成功包载于ZIFs 上。

3.4 包封率和载药量

包封率是指负载的药物占药物总量的百分比；载药量是指负载的药物占药物载体总重量的百分比[28]。Ashraf A 等[29]用 ZIF-8 骨架包裹 DOX，以实现 DOX 的高载药量和 pH 敏感释放特性。对DOX@ZIF-8 纳米颗粒进行基础表征、体外释放、体外抗氧化活性和体外细胞毒性，采用紫外可见分光光度仪，根据 480 nm 处的吸光度与 DOX 标准曲线，计算 DOX 的包封率为 50% 左右，载药量可达 20%。

4 MOFs 作为抗肿瘤药物载体材料的优势

MOFs 作为一种纳米载体，负载某些毒副作用大的抗肿瘤药物如白消安、多柔比星和喜树碱等，可降低给药过程对身体的伤害。MOFs 作为抗肿瘤药物的载体材料与其他载体材料相比，具有高比表面积、高孔隙率、结构和孔径可调和结构易于修饰和功能化等优点，因而其在缓控释放，高载药量，肿瘤靶向性以及良好的生物相容性等方面表现出显著的优势。

4.1 缓释释放和控制释放

MOFs 载药可改善半衰期低的药物的释放度。杨宝春[5]等将 5-FU 负载于 MIL-53（Fe）上，并考察了体外释药特性，5-FU 在 84 h 内，释放量达 69.70%，表现出明显的缓释效果。MOFs 载药还可实现智能响应释放，在磁场、pH、温度等因素的刺激下，使药物在肿瘤环境下控释释放。Ahmad 等[25]采用层层法制备了超顺磁性 CoFe2O4NPs@Mn-有机骨架核壳纳米复合材料，通过搅拌将柔红霉素加载到 MOF 中，实现了外加磁场后纳米粒的定向迁移和药物递送。并考察了体外释放情况，药物先迅速释放，在 220 min 内释放 38%，后缓慢释放，17% 在大于 1 000 min 内释放。因此，与游离药物相比，CoFe2O4NPs@Mn-MOF 具有控释作用。陈雪瑞[30]将单取代表没食子儿茶素没食子酸酯棕榈酸酯负载于 MOFs 上，制成 PEGCG@ZIF-8，通过 PEG 连接叶酸和 ZIF-8，得到 PEG-FA/PEGCG@ZIF-8。PEGCG 的释放特性考察结果表明，在中性环境中，在 48 h 内释药量低于 15%；在 pH = 5.0 环境中，10 h 内释药量高于 90%。可实现在肿瘤环境的控释释放。Tain 等[31]制备 UiO-66-NH-A，然后用羧基柱[5]芳烃修饰并负载 5-FU，制成多刺激响应型超分子主客体“门控支架”，实现了热疗与化学（pH）和生化（Ca2+）触发相结合，在骨肿瘤环境中达到控释释放。

4.2 高载药量

MOFs 的高比表面积和孔隙率，使其可获得较高的载药量[32]。Wu[33]等采用双模板法制备介孔的铁—金属—有机骨架纳米颗粒（mesoMOFs），并装载 DOX，其负载量高达 55 wt%。Huxford 等[20]采用活性分子配位法制成 Gd-MTX NCP，发现与常规纳米颗粒相比 Gd-MTX NCP 中的甲氨蝶呤载药量更高，可达到 79.1 wt%。Miller 等[34]以 Fe 为金属离子中心，生物活性物质烟酸为配体制备了生物可降解的 BioMIL-1，并研究了其载药性能，结果显示，其负载的烟酸质量分数达到 75%。

4.3 肿瘤靶向性

通过用叶酸、透明质酸等能够识别肿瘤的功能因子对 MOFs 表面进行修饰的策略，装载抗肿瘤药可实现靶向给药。叶酸可特异性的与细胞表面的叶酸受体（FR）结合，且结合力强，对肿瘤有高度选择性，广泛应用于 MOFs 载药的靶向递送[15,19,30]。Bi[35]等将 DOX 装载于 ZIF-8 中，并用叶酸修饰，得到纳米粒 DOX@ZIF-8-FA，DOX 负载量为 15.7 wt%。考察其在肝癌细胞系的治疗效果，结果表明，DOX 浓度为 7.5 μg/mL 作用 24 h 时，DOX@ZIF-8-FA 纳米颗粒比单独使用 DOX@ZIF 纳米颗粒具有更好的抑制作用。其疗效归因于粒子表面的靶向配体（叶酸）增强了细胞对纳米粒子的摄取，从而产生了更高的治疗效果。

透明质酸钠主要通过受体介导作用实现肿瘤靶向。与正常细胞比，HA 的四种特定受体 CD44、RHAMM、IVd4 及 LEC 在肿瘤细胞表面会过量表达。Li[36]等将具有抗癌作用的姜黄素（CCM）负载于 ZIF-8 上，HA 通过络合作用包覆在 CCM@ZIF-8 表面，得到纳米粒CCM@ZIF-8/HA。基于 HA 包埋的核-壳结构，CCM@ZIF-8/HA 显示出长时间的 pH 依赖性药物释放控制。与CCM@ZIF-8 相比，CCM@ZIF-8/HA 细胞摄取更强，对 HeLa 细胞的生长抑制作用更强。Song[8]等用 HA 修饰后得到 MIL125-Ti-HA@DOX，表现出更高的疗效。

4.4 较好的生物相容性

与无机载体相比，MOFs 材料在一些装载抗肿瘤药物的研究中表现出较好的生物相容性[37-39]。Zhang 等[40]制成 Ag/H-ZIF-8 纳米复合材料，结果显示了，Ag/H-ZIF-8 纳米复合材料与单一的ZIF-8 或 Ag 纳米颗粒相比表现出更强的抗菌活性。并且在肝上皮细胞上未观察到明显的毒性，该复合物具有生物相容性。