阿霉素在纳米递送系统中联合用药的研究进展

李江,史雄喜,刘佳慧,陈建明,武鑫,2

(1.福建中医药大学药学院,福建 福州 350122;2.上海维洱实验室,上海 201712)

阿霉素(doxorubicin,DOX),又称多柔比星,属于蒽环类抗生素药物,对多种癌细胞均具有较强毒性作用,是一种使用最广泛的一线或二线化疗药物,其抗肿瘤机制主要是通过嵌入癌细胞DNA碱基对之间阻断DNA的复制与RNA的转录而发挥作用[1]。然而,DOX的心脏毒性一直是限制其使用的主要原因,过量的DOX会引起患者心脏组织的过氧化、心肌功能障碍,使用时通常不能超过550 mg·m-2。此外,口腔溃疡、胃肠道反应、骨髓抑制、药物的耐药性也是在化疗过程中常见的问题[2]。因此,DOX在实际使用过程中,通常与其他化疗药物联合使用,尽管与单药治疗相比,DOX的联合化疗显示了更好的治疗效果,但也带来了新的问题,如不同药物半衰期的不同、药物在体内的不协调分布、药物在肿瘤积累量的不一致、药物的重叠毒性等[3]。因此,国内外研究者开发出多种纳米递送系统用于共递送两种药物,以解决传统联合用药的不足。本文就DOX在纳米制剂中联合用药的最新研究进行综述,主要包括:无机纳米粒、脂质纳米粒和聚合物纳米粒。

1 无机纳米粒

1.1 介孔二氧化硅纳米粒介孔二氧化硅纳米粒是一种新型无机纳米递送系统,它有着比普通纳米粒子更大的表面积,因此可以运载更多的药物,而且其表面可修饰与孔径可调性可以满足不同递送需求,这些递送优点引起了研究者的关注[4]。

DOX与紫杉醇(PTX)的联合化疗是治疗转移性乳腺癌的常用手段,临床研究证实了它们组合的治疗效果[5]。Yan等[6]将DOX封装在介孔二氧化硅纳米粒的孔道内,再使PTX通过化学反应共价连接在纳米粒的表面,最后通过微流控技术将聚苯乙烯磺酸盐(PSS)覆盖于粒子表面,同时控制纳米粒大小、形状和表面性质。该纳米粒具有pH/还原双响应药物释放的特点,细胞实验显示其可以选择性地在癌细胞中释放DOX与PTX以发挥两者的协同效应。然而,该介孔二氧化硅纳米粒在PTX负载过程中需要经过三步化学反应,这导致了生产制备过程工作量的增加以及药物装载效率的下降。为了更有效率地将DOX和PTX载入,Qiu等[7]首先通过吸附作用将DOX载于中空介孔二氧化硅纳米粒内,然后将磷脂与PTX以物理形式混合,将其涂层在纳米粒的表面,最后生成尺寸大小为200 nm左右的稳定纳米球,此方法在药物负载过程相对简便高效且保持了较高的包封率。

DOX与核酸药物的联合用药是近年来的研究趋势,鉴于DOX的耐药性是导致化疗失败的主要原因之一,张梦玮等[8]将DOX与小干扰RNA负载于脂质介孔二氧化硅纳米粒中,其中小干扰RNA通过下调P-gp糖蛋白的表达来逆转肿瘤细胞对DOX的耐药性,从而提高抗肿瘤疗效。该纳米粒粒径为(197.63±3.75)nm,Zeta电位为(20.64±0.98)mV,并表现出良好的理化性质。在MCF-7/ADR细胞凋亡实验中,与对照组相比,纳米粒的凋亡率显著升高(40.90%±0.78% vs.10.19%±0.56%,P<0.05)。作者还对细胞中P-gp糖蛋白的表达进行考察,发现载有小干扰RNA的纳米粒P-gp糖蛋白表达最低,这有利于逆转DOX的耐药性。

1.2 磁性纳米粒磁性纳米粒由于具有(超)顺磁性而被广泛用于生物医学领域,如磁性药物递送、核磁共振成像(MRI)、磁热疗、磁感染等。磁性纳米粒作为药物递送载体时,它可以通过使用局部刺激(如pH、温度等)和外部刺激(即外部磁场)控制药物的特定聚集与释放,因此常被开发成刺激性响应纳米载体用于药物递送。然而,研究发现裸磁性纳米粒在血浆中不稳定,且易聚集成簇,研究人员通常对它表面进行涂层或者表面修饰来提高稳定性、分散性和生物相容性[9]。

二氧化硅是一种常见的磁性纳米粒涂层材料,Ghazimoradi等[10]制备了一种以二氧化硅涂层的核壳结构磁性纳米粒,用于递送DOX与甲氨蝶呤(MTX)以发挥协同抗肿瘤作用。该纳米粒稳定性高、分散性好,其直径仅35 nm,且具有pH响应性药物释放的特点,通过与外界磁场的配合,可以控制药物的定点聚集与释放。研究显示,与游离药物相比,负载双药的磁性纳米粒对MCF-7细胞显示出更强的细胞吸收和细胞毒性,这与另一项研究中将DOX和MTX装载在谷氨酸涂层磁性纳米粒中的实验结果相吻合[11],这些结果表明了磁性纳米粒在DOX联合用药中的巨大潜力。

2 脂质纳米粒

2.1 脂质体脂质体是由磷脂在水介质中自组装形成的双分子层囊泡,由于良好的生物相容性与药物递送特性,如今大多数上市的纳米制剂产品为脂质体制剂,如阿霉素脂质体(Doxil)、硫酸长春新碱脂质体(Marqibo)、伊立替康脂质体(Onivyde)等[12]。脂质体可以同时携带亲水性药物和疏水性药物,通常亲水性药物被包封在脂质体内水腔中,疏水性药物可以嵌入在脂质双层内。Celator 制药公司开发的共包封阿糖胞苷和柔红霉素复方脂质体(Vyxeos)于2017年经FDA批准用于治疗相关的急性髓细胞性白血病(t-AML),它是第一款上市的共递送纳米制剂产品[13]。此外,伊立替康和氟脲苷复方脂质体(CPX-1)目前正处于Ⅱ期临床试验,是一个很有潜力的复方脂质体制剂[14]。

脂质体作为共递送载体系统时,它可以同时包封亲水与疏水性药物以开发高载药量制剂,从而实现药物联合作用的最大化。黄芪甲苷是中药黄芪中的一种苷类成分,研究显示其可以有效地清除体内氧自由基,当与DOX联合用药时能降低心脏毒性抑制作用,同时还能逆转DOX的化疗耐药性。但黄芪甲苷的疏水性与低生物利用度限制了其与DOX的联合用药,为了解决此问题,王成祥等[15]制备了阿霉素-黄芪甲苷脂质体,水溶性的DOX包封于脂质体内水相,而难溶于水的黄芪甲苷包封于脂质双层内,两种药物的包封率高达98.57%±0.49%和99.37%±0.08%,载药量分别为4.62%±0.02%和14.45%±0.04%。脂质体高效地包封这两种不同性质的药物,解决了联合用药缺陷的同时提高了抗肿瘤效应。

脂质体能够延长药物的半衰期,增强肿瘤组织的吸收以更好地发挥抗肿瘤作用。Wang等[16]制备了一种共递送DOX和PTX前药的复方脂质体,体内药代动力学研究显示,脂质体包裹的DOX和前药PTX,半衰期分别从3.04、4.36 h 延长至7.52、15.54 h,曲线下面积(AUC)分别是游离药物的470.30倍和57.91倍,且DOX和PTX在24 h内维持5∶1的协同作用比例,在4T1乳腺癌模型中也证实了复方脂质体的协同治疗效果。另一项研究中制备的DOX与五味子甲素长循环复方脂质体,药物在大鼠体内半衰期分别是游离药物的7.16倍和2.05倍,DOX的平均驻留时间(MRT)从13.6 h增至14.68 h,五味子甲素从11.71 h增至15.89 h[17]。这些结果表明,经过脂质体的包封,可以延长药物在体内循环的时间,以提高药物的生物利用度、减少其副作用,从而更好地发挥药物的联合用药。

2.2 固体脂质纳米粒与纳米结构脂质载体固体脂质纳米粒(SLNs)是一种胶体载体,由生理脂质(如甘油三酯、甘油单酯、脂肪酸)、表面活性剂和助表面活性剂(或磷脂单层涂层)形成。它在生产过程中不需要有机溶剂,且易于消毒和扩大生产[18]。在二十世纪末SLNs被提出作为药物递送系统后不久,Cavalli等[19]就采用微乳分散法对DOX和伊达比星进行了共包裹的尝试,这为两种药物的联合化疗开发新型递送系统提供了新方向。然而,SLNs在制备过程中,固体脂质的规则晶体排列导致药物的载药量低,甚至在储存过程中发生药物泄露现象。因此,第二代脂质纳米粒——纳米结构脂质载体 (NLCs)被开发用于克服这些局限。与SLNs稍有不同,NLCs是由液体脂质和固体脂质混合而成的,液体脂质的存在会使固体脂质在纳米粒内形成不规则晶体,从而提高载药量并防止药物的泄漏[20]。

Mahoutforoush等[21]以硬脂酸和单硬脂酸甘油酯两种固体脂质和辛酸/癸酸甘油三酯液体脂质为原辅料,首次使用热均质技术制备的NLCs用于DOX、多西他赛(DTX)和MTX的共递送,其中MTX与叶酸结构类似,它能与肿瘤细胞中过表达的叶酸受体特异性结合,从而提高NLCs的肿瘤靶向性。实验结果表明:用药物处理MCF-7细胞后,游离DOX、游离DTX和游离MTX的IC50值分别为1.02、0.011 2和25.46 μmol·L-1,而单药负载的DOX-NLCs、DTX-NLCs和MTX-NLCs的IC50值分别为0.99、0.008 79和18.29 μmol·L-1,这表明了药物经过NLCs的包封后,有效地增强了化疗药物对癌细胞的毒性作用,多药负载的DTX/DOX-NLCs和DTX/DOX/MTX-NLCs的IC50值分别为0.005 43和0.004 18 μmol·L-1,这显示出NLCs在药物的联合用药中的优越性。此外,作者发现NLCs表面连接的MTX分子不仅可以通过叶酸受体介导的内吞作用内化到细胞以提高制剂的肿瘤靶向性,其还会额外促进DOX的细胞摄取,最终达到了DOX与MTX、DTX三药联合作用的目的。

3 聚合物纳米粒

3.1 聚合物胶束聚合物胶束是由不同的亲水性和疏水性嵌段的两亲性共聚物在水介质中自组装形成的。与传统的低分子量表面活性剂形成的胶束相比,聚合物胶束有更强的载药能力、更低的临界胶束浓度(即高的热力学稳定性)和无毒性,使其在药物递送中得到广泛研究[22]。Zeng等[23]构建了载有PI3K/mTORC1的双重抑制剂PF04691502(PF)和DOX的共载胶束用于改善胰腺癌的耐药性和抑制癌细胞的转移扩散,其中PF有效地增强了DOX对癌细胞的敏感性。共载聚合物胶束对细胞毒性展现出剂量依赖性,并通过增强BxPC-3细胞摄取而发挥毒性作用,有效抑制肿瘤生长和转移。

用聚合物胶束负载DOX与光热剂吲哚菁绿来实现DOX的化疗-光热联合治疗,二者的包封率分别为97.03%±0.72%和91.01%±2.61%,粒径为(76.70±1.28)nm。体内药效研究中分为空白组、DOX组、DOX胶束组、DOX-吲哚菁绿共载胶束组、DOX-吲哚菁绿共载胶束-近红外光照射组,经小鼠尾静脉给药后,各组瘤质量分别为(0.71±0.10)、(0.43±0.04)、(0.40±0.06)、(0.39±0.10)和(0.10±0.07)g,DOX-吲哚菁绿共载胶束-近红外光照射组瘤重显著低于其他各组,表明DOX的化疗-光热联合治疗的可行性,这也是未来DOX在联合化疗中的应用方向之一[24]。

将DOX和中药活性成分进行联合用药也显示出很好的抗肿瘤效果,它们可以通过多种不同的作用机制联合治疗肿瘤。李芳婵等[25]将DOX与传统中药活性成分姜黄素共载于三嵌段ABA聚合物(聚己内酯-聚乙二醇-聚己内酯)形成的聚合物胶束内,相比于游离药物和单载药胶束,共载药胶束组表现出最高的细胞抑制率。宋佳等[26]制备了一种三嵌段ABC聚合物形成的聚合物胶束用于对DOX和天然黄酮类化合物槲皮素的递送,该聚合物胶束具有pH和温度双重敏感特性,它能通过改变外界环境来控制药物的先后释放。释药行为研究显示,随着pH值的降低和温度的升高,聚合物胶束释药速率和释药量明显增加。这些研究表明了DOX与中药的中西联合用药治疗肿瘤有很大的应用前景。

3.2 纳米凝胶纳米凝胶是水凝胶以纳米尺寸(小于1 μm)形式存在的三维聚合物结构颗粒,其作为药物递送系统有许多优点,如制备方便,可生物降解,相比于其他纳米粒更具有柔性,使之更易穿透肿瘤脉管系统,它在水中的高溶胀能力大大提高了其载药能力,多种不稳定且难以递送的疏水性药物可以嵌入纳米凝胶多孔网络中。由于对各种物理化学刺激都异常敏感,纳米凝胶常被设计为智能响应载体对药物进行时间与空间上的控释[27]。

DOX与奥拉帕尼联合载于二硫键交联多肽纳米凝胶上,用于治疗乳腺癌。在癌细胞内高谷胱甘肽(GSH)环境的刺激下,药物快速从纳米凝胶中释放出来以作用于癌细胞。相比于较低GSH环境的正常细胞,癌细胞中的DOX从纳米凝胶中的释放率从29.16%增至76.43%,奥拉帕尼从33.81%增至67.46%。纳米凝胶使两种药物在癌细胞中定点释放,从而有效联合作用于肿瘤[28]。用纳米凝胶递送DOX和PTX这对常用临床药物组合,能有效降低毒副作用。荷瘤小鼠经肿瘤内注射给药后,游离PTX/DOX溶液组中的小鼠体重逐渐减少,载药纳米凝胶组小鼠的重量缓慢增加。血液分析结果显示,除游离PTX/DOX溶液组的谷丙转氨酶和谷草转氨酶含量异常增高外,其他载药纳米凝胶组血液指标均正常,这些结果也证明了纳米凝胶的安全性[29]。

4 其他递送系统

除了以上递送系统外,研究人员还开发了更多类型的多功能递送载体用于DOX的联合用药,如非离子表面活性剂囊泡、聚合物囊泡、纳米胶囊等。此外,多种纳米材料结合所形成的复合材料是共递送系统的一个新方向,如磁性-树状大分子、石墨烯-量子点、石墨烯-树状大分子等。多种性质的复合材料可以同时用于肿瘤的监测、成像、治疗与诊断,它们在DOX联合用药方面也取得了一定进展,表1总结了DOX在其他递送系统中联合用药的应用。

表1 DOX在其他递送系统中联合用药的应用

5 结语与展望

化疗一直是癌症治疗的主要手段之一,尽管单药化疗给许多患者带来了希望,但它也带来了难以忍受的毒副作用。另一方面,由于癌症的复杂性与异质性,大部分癌症患者的生存率仍然较低。化疗药物的联合治疗在临床上是一种被认可的治疗模式,因为不同药物对癌细胞的作用机制不同,这使得药物以多种作用机制消灭癌细胞,同时药物的副作用可以随着药物剂量的下降而减少,从而改善患者的顺从性。

DOX是典型的用于联合化疗的药物,它与其他药物的联合用药在临床上显示出很好的疗效,但传统的“鸡尾酒”式联合用药也有许多不足之处。因此,研究者开发出多种新型纳米递送系统用于DOX的联合化疗,以便更好地服务于临床治疗。本文主要介绍了6种药物递送系统,这些递送载体都有各自的递送特性。介孔二氧化硅纳米粒和磁性纳米粒属于无机纳米材料,它们有独特的生物学、热学、传感和磁性等物理性质,这为药物在时间与空间上的精准控释提供了可能;脂质体、SLNs和NLCs主要以脂质为辅料所制备,相比于其他载体,它们的制备技术发展更成熟,工艺体系更明确,且有更好的生物相容性与安全性;聚合物胶束与纳米凝胶是由多个单体组成的聚合物,它们能显著改善药物的溶解度、稳定性、渗透性和生物分布。总而言之,这些纳米递送系统的运用,有效地提高了药物联合的疗效、降低了药物的毒副作用、减少甚至逆转药物的耐药性,为DOX的联合用药提供了新的选择。然而,联合用药在纳米递送系统中的运用还处于初步研究阶段,因此许多问题还有待解决,如纳米载体在进入体内后产生的某些未知毒性,即纳米载体与生物体之间的相互作用,尤其是无机纳米材料,对于它们的毒性研究相对较少。随着研究的不断深入与纳米技术的不断发展,我们相信DOX的联合用药在纳米递送中的运用能实现从实验室走向临床运用的转化,以达到改善患者生活质量的最终目的。