刺激響應(yīng)型聚合物納米藥物載體遞藥的進(jìn)展與思考.docx

功能高分子期末論文 刺激響應(yīng)型聚合物納米藥物載體遞藥的進(jìn)展與思考【摘要】 二十世紀(jì)70年代時，化學(xué)家提出，可將高分子材料應(yīng)用于生物藥物領(lǐng)域，使之成為一種改善藥物適用性的有效途徑 Yatvin, M. B., Weinstein, J. N., Dennis, W. H. & Blumenthal, R. Design of liposomes for enhanced local release of drugs by hyperthermia. Science 202, 12901293 (1978).。近幾十年來，隨著納米科學(xué)的極大發(fā)展，聚合物納米材料在生物醫(yī)用方向如藥物傳遞、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域備受關(guān)注。其中，刺激響應(yīng)型聚合物納米材料是一種可在外界信號刺激下（如pH、磁場、溫度、超聲、光等）發(fā)生形狀、結(jié)構(gòu)以及性能等改變的“智能”材料，可利用這種刺激響應(yīng)的特點來調(diào)節(jié)其的性狀 李永勇，董海青，王康，刺激響應(yīng)型生物醫(yī)用聚合物納米粒子研究進(jìn)展，中國科學(xué)：化學(xué)，2010,40，第3期：197209。因其特有的“智能性”，刺激響應(yīng)型聚合物納米材料已成為當(dāng)代生物材料領(lǐng)域的研究熱點之一。本文綜述了幾種不同刺激響應(yīng)類型聚合物材料在藥物載體方面的應(yīng)用，側(cè)重介紹幾種外生型刺激響應(yīng)體系作為藥物載體的原理及應(yīng)用前景?！娟P(guān)鍵詞】 藥物載體 刺激響應(yīng) 功能高分子 外生型刺激響應(yīng)1. 引言由于聚合物納米材料比血紅細(xì)胞（7-8m）要小得多，故其能夠在血液中自由運行。阿霉素(DOX)與紫杉醇(PTX)是廣泛使用的抗癌藥，可通過物理包埋或化學(xué)鍵合等途徑將阿霉素或紫杉醇等藥物結(jié)合到其上進(jìn)行藥物傳遞與釋放，而這也是目前聚合物納米材料在生物醫(yī)用領(lǐng)域最重要的應(yīng)用之一。目前用于載藥的高分子納米材料通常在10-1000nm間，而且具有多種形態(tài)結(jié)構(gòu)如膠束、脂質(zhì)體、樹枝狀高分子與聚合物納米粒子等，由于較小的尺寸,使得其可以較為方便的將藥物帶入細(xì)胞,而藥物的釋放可通過其在聚合物中的擴(kuò)散或聚合物自身降解來實現(xiàn)控制,聚合物對藥物的包封能夠起到保護(hù)藥物不會提前被代謝掉的作用,而藥物釋放后,載體材料便可通過聚合物的降解排出體外。最關(guān)鍵的是,聚合物比較容易被化學(xué)基團(tuán)修飾,因此可以把一些具有靶向性、生物活性以及刺激響應(yīng)性的組分結(jié)合到聚合物材料上，而這也是科學(xué)家一直致力研究的關(guān)鍵領(lǐng)域。在設(shè)計聚合物納米材料用于載藥時，我們希望它同時具有靶向性、生物活性以及刺激響應(yīng)性，從而相應(yīng)使藥物能最大限度釋放在病灶部位，提高載體的生物相容性，并且能在相應(yīng)刺激下精確響應(yīng)。刺激響應(yīng)型納米材料在外界信號刺激下會產(chǎn)生物理或化學(xué)的變化，如分子鏈結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)、溶脹、溶解性以及解離等行為。這些刺激信號主要包括一些化學(xué)信號，如pH、離子強(qiáng)度、化學(xué)物質(zhì)等，還有一些物理信號，包括溫度、磁場、電場與超聲等。汪長春教授課題組多年來也一直致力于刺激響應(yīng)型納米靶向藥物載體的研究并取得了階段性的成果，如制得了磁性溫敏微囊裝載阿霉素并進(jìn)行體外釋放試驗 Li-Bo Chen, Feng Zhang, and Chang-Chun Wang*，Rational Synthesis of Magnetic Thermosensitive Microcontainers as Targeting Drug Carriers，Small，2009, 5, No. 5, 621628，溫度與pH雙重刺激響應(yīng)型聚合物包覆磁性介孔SiO2微球用于阿霉素緩釋 Baisong Chang, Xianyi Sha, Jia Guo, Yunfeng Jiao, Changchun Wang and Wuli Yang*，Thermo and pH dual responsive, polymer shell coated, magnetic mesoporous silica nanoparticles for controlled drug release，J. Mater. Chem., 2011, 21, 92399247 | 9239，pH與氧化還原雙重響應(yīng)型聚合物膠束用于藥物緩釋 Chuan Wei, Jia Guo, Changchun Wang，Dual Stimuli-Responsive Polymeric Micelles Exhibiting “AND” Logic Gate for Controlled Release of Adriamycina，Macromol. Rapid Commun. 2011, 32, 451455，以及利用磁性MSPs/Ni-LDH核殼結(jié)構(gòu)微球裝載阿霉素用于癌癥治療及熒光成像 Dian Li ,Yu-Ting Zhang, Meng Yu, Jia Guo, Deeptangshu Chaudhary,Chang-Chun Wang，Cancer therapy and fluorescence imaging using the active release of doxorubicin from MSPs/Ni-LDH folate targeting nanoparticles，Biomaterials，34 (2013) 7913-7922等，這些納米藥物載體的微觀設(shè)計基于不同的刺激響應(yīng)信號，在分子水平上通過改變聚合物分子鏈之間或其與溶劑間的相互作用從而實現(xiàn)藥物的釋放。因此，結(jié)合自己閱讀的關(guān)于刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子的文獻(xiàn)以及對這類藥物載體的認(rèn)識，我會對其進(jìn)行一個簡單的梳理，并談?wù)勎覍@類藥物載體應(yīng)用前景的一些理解與看法。2. 作用機(jī)理刺激響應(yīng)型聚合物納米粒子通過設(shè)計成能夠識別體內(nèi)微環(huán)境或能對刺激進(jìn)行動態(tài)反應(yīng)的刺激響應(yīng)系統(tǒng)，來實現(xiàn)On-demand或Switch on/off的藥物緩釋效果。根據(jù)刺激信號的不同來源，可將這些刺激信號分為內(nèi)生型刺激（endogenous stimuli）與外生型刺激（exogenous stimuli） Simona Mura, Julien Nicolas and Patrick Couvreur，Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery，Nature Materials, VOL 12,November 2013，其中內(nèi)生型刺激主要有體內(nèi)pH梯度、氧化還原反應(yīng)、酶促反應(yīng)以及針對某種物質(zhì)（如胰島素）進(jìn)行自身調(diào)節(jié)的系統(tǒng)等，而針對外生性刺激的體系可分為磁響應(yīng)、超聲響應(yīng)、溫度響應(yīng)以及光響應(yīng)型等。我將從中選擇幾種具有代表性的刺激響應(yīng)體系對其機(jī)理做一個簡要概括:2.1 內(nèi)生型刺激響應(yīng)體系pH觸發(fā)型響應(yīng)體系是其中研究最廣泛的領(lǐng)域之一。pH響應(yīng)體系是利用了體內(nèi)不同組織以及細(xì)胞內(nèi)微環(huán)境的pH不相同這一特點，以此來設(shè)計聚合物藥物載體結(jié)構(gòu)的體系。人體各組織環(huán)境的pH各有差異，如人體胃呈酸性 Lee ES, Gao ZG, Bae YH. Recent progress in tumor pH targeting nanotechnology. J Control Release, 2008, 132(3): 164170，血液、腫瘤組織以及腫瘤細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的pH分別為7.4、6.8與5.06.3。pH敏感聚合物的顯著特點是含有可作為質(zhì)子給體或受體的可電離部分，而pH敏感的聚合物納米藥物載體即通過在載體中引入pH敏感單元來達(dá)到pH響應(yīng)的目的。血液以及腫瘤部位對于載體帶電情況傾向也不同，因此pH敏感的聚合物藥物載體在經(jīng)由血液流至腫瘤組織再進(jìn)入腫瘤細(xì)胞需經(jīng)過電荷反轉(zhuǎn)才能被細(xì)胞所吞入。pH敏感聚合物納米粒子的一個重要應(yīng)用就是利用腫瘤組織及細(xì)胞內(nèi)涵體、溶酶體的弱酸性將抗癌藥物運送到達(dá)腫瘤部位。因此，根據(jù)pH的變化設(shè)計出pH敏感的體系，如腙會在pH=5.05.5（pH范圍與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)體相配）斷鏈：，Kataoka和Park Bae Y, Fukushima S, Harada A, Kataoka K. Design of environment-sensitive supramolecular assemblies for intracellular drug delivery: Polymeric micelles that are responsive to intracellular pH change. Angew Chem Int Ed, 2003, 42(38): 46404643 Lee Y, Park SY, Mok H, Park TG. Synthesis, characterization, antitumor activity of pluronic mimicking copolymer micelles conjugated with doxorubicin via acid-cleavable linkage. Bioconjugate Chem, 2008, 19(2): 525531等將阿霉素通過pH 敏感的腙鍵連接于聚合物制得了一系列的pH敏感納米粒子；縮酮型甲基酯在pH=5.66.3（pH范圍與早期內(nèi)涵體相近）斷鏈：；二甲基酰胺酸在pH=6.06.8（pH范圍與細(xì)胞內(nèi)脂質(zhì)體相配）會發(fā)生解體：等。絕大部分的pH刺激響應(yīng)聚合物納米粒子隨pH的變化, 粒子的粒徑發(fā)生變化或粒子開始形成或瓦解。而在氧化還原作用響應(yīng)體系中，二硫鍵（S-S）會在谷胱甘肽（GSH）的氧化還原作用下斷裂，從而獲得氧化還原刺激響應(yīng)。由于谷胱甘肽在腫瘤細(xì)胞外濃度（2-10M）遠(yuǎn)低于腫瘤細(xì)胞內(nèi)濃度（2-10mM），故可以利用這一濃度梯度來設(shè)計S-S鍵連接的聚合物納米載體實現(xiàn)藥物緩釋，常見的載體設(shè)計是在兩親性分子自組裝共聚物（疏水基團(tuán)含S-S鍵）形成的膠束 Sun, Y. et al. Disassemblable micelles based on reduction-degradable amphiphilic graft copolymers for intracellular delivery of doxorubicin. Biomaterials 31, 71247131 (2010).，或是以S-S鍵作為連接位點的嵌段共聚物 Wang,Y-C.,Wang,F.，Sun,T-M.& Wang,J. Redox-responsive nanoparticlesfrom the single disulfide bond-bridged block copolymer as drug carriersfor overcoming multidrug resistance in cancer cells. Bioconjugate Chem.22, 19391945 (2011).，如Li Jing等 Li, J. et al. Redox-sensitive micelles self-assembled from amphiphilic hyaluronic acid-deoxycholic acid conjugates for targeted intracellular deliveryof paclitaxel. Biomaterials 33, 23102320 (2012)用二硫鍵作為連接位點連接了透明質(zhì)酸（HA）與脫氧膽酸（DOCA），包裹阿霉素自組裝成膠束，經(jīng)EPR效應(yīng)進(jìn)入腫瘤細(xì)胞內(nèi)而使得S-S鍵破壞，進(jìn)而達(dá)到釋藥的目的，如Figure1所示。2.2 外生型刺激響應(yīng)體系在外生型刺激響應(yīng)體系中，首先介紹磁性響應(yīng)型體系：利用磁場的優(yōu)勢是借助不同磁響應(yīng)的機(jī)理，如在永久磁場下作磁“向?qū)А?Yang, H. W. et al. Self-protecting coreshell magnetic nanoparticles for targeted, traceable, long half-life delivery of BCNU to gliomas. Biomaterials 32, 65236532 (2011).，或在交變磁場下因磁滯損耗原理產(chǎn)生熱量 Shi DL, Cho HS, Chen Y, Xu H, Gu HC, Lian J, Wang W, Liu GK, Huth C, Wang LM, Ewing RC, Budko S, Pauletti GM, Dong ZY. Fluorescent polystyrene-Fe3O4 composite nanospheres for in vivo imaging and hyperthermia. Adv Mater, 2009, 21(21): 21702173，或二者兼有。一般的設(shè)計是將氧化鐵包封到聚合物載體內(nèi)部，對藥物進(jìn)行示蹤，在磁場引導(dǎo)下到達(dá)病灶部位，通過聚合物降解或藥物擴(kuò)散作用實現(xiàn)藥物緩釋，同時還可以施以一定頻率交變磁場提高磁納米粒子溫度，以此來加熱腫瘤組織達(dá)到殺死癌細(xì)胞的目的。其次，光刺激響應(yīng)型納米粒子的研究目前也處于開發(fā)階段。其制備通常是在聚合物主鏈中引入光敏基團(tuán)，如偶氮苯、二苯乙烯等，在光照條件下，光敏基團(tuán)會發(fā)生結(jié)構(gòu)、極性等變化進(jìn)而引起納米粒子的形態(tài)變化，從而引發(fā)藥物釋放。舉例來說，偶氮苯及其衍生物在紫外可見光照射下會發(fā)生可逆光致異構(gòu)化，300-380nm時從反式變?yōu)轫樖剑诳梢姽夥秶鷥?nèi)又從順式變?yōu)榉词?Lu, J., Choi, E., Tamanoi, F. & Zink, J. I. Light-activated nano impellercontrolled drug release in cancer cells. Small 4, 421426 (2008)。如Desponds Desponds A, Freitag R. Synthesis and characterization of photoresponsive N-isopropylacrylamide cotelomers. Langmuir, 2003, 19(15): 62616270等合成了NIPAM和丙烯酰氧基琥珀酰亞胺共聚物, 并在丙烯酰氧基琥珀酰亞胺的側(cè)基上鍵合生色團(tuán)3-氨基丙氧基偶氮苯, 通過此方法使共聚物具備了光敏性。最具有代表性的是溫度響應(yīng)型體系，它是目前研究最多的刺激響應(yīng)載藥體系，已廣泛應(yīng)用于腫瘤學(xué)研究。溫度敏感藥物載體主要是由溫敏型聚合物如脂質(zhì)體、聚合物膠束以及納米粒子等制備而成，這類聚合物一般都有一個臨界溶解溫度（CST）,在此CST上下，其在溶液中會經(jīng)歷相轉(zhuǎn)變的過程，而這種轉(zhuǎn)變分兩種類型，在低于某溫度時聚合物是水溶性的，而高于此溫度時又變成不溶于水，這類現(xiàn)象成為具有較低臨界轉(zhuǎn)變溫度LCST,反之則為較高臨界轉(zhuǎn)變溫度UCST。如Figure 2 Al-Ahmady, Z. S. et al. Lipidpeptide vesicle nanoscale hybrids for triggered drug release by mild hyperthermia in vitro and in vivo. ACS Nano，6, 93359346 (2012).，脂質(zhì)體上的亮氨酸拉鏈在43時因局部過熱由折疊狀轉(zhuǎn)變?yōu)檎归_狀，從而釋放出阿霉素。目前最常見的是聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）,其LCST約為32，在溶液中有明顯相變過程，PNIPAM的響應(yīng)溫度可以通過共聚的方式調(diào)節(jié)，當(dāng)加入疏水共聚物時，LCST下降；當(dāng)加入親水共聚物時，所得聚合物L(fēng)CST上升。在LCST 以下,親水的外殼可阻止內(nèi)核與生物實體如蛋白質(zhì)、細(xì)胞以及其他膠束的相互作用。而當(dāng)溫度超過LCST時, 外殼會突然變得疏水, 導(dǎo)致膠束聚集甚至沉淀, 從而起到藥物釋放的“開關(guān)”作用。所以PNIPAM作為溫敏材料，組裝有PNIPAM鏈段的兩親嵌段聚合物膠束也因此具有溫度敏感性。而對溫敏型納米藥物載體，理想狀態(tài)下希望能在人正常體溫（37）下穩(wěn)定保持載藥，而在溫度升高至40-43后能迅速釋放藥物，因此對于微小溫度變化能快速做出響應(yīng)的溫敏材料一直是研究的熱門。值得注意的是，溫敏型脂質(zhì)體（Thermosensitive liposomes，TSLs）是目前最先進(jìn)、最有潛力應(yīng)用于臨床的刺激響應(yīng)型藥物載體。1997年美國杜克大學(xué)研發(fā)出ThermoDox，這是一種熱敏感的微小脂質(zhì)體，微小球體內(nèi)部是抗癌藥物阿霉素，外殼是由特殊溫敏型脂質(zhì)分子組成的。當(dāng)脂質(zhì)球體加熱到某特定溫度（39-42）時，其外殼的物理結(jié)構(gòu)會迅速改變形成多個小開口，抗癌藥物會從中快速釋放出來。1999年Celsion公司 Celsion Company：/docs/technology_thermodox獲得杜克大學(xué)授權(quán)，繼續(xù)開發(fā)這一技術(shù)，認(rèn)為這種方法能夠?qū)⒏邉┝康陌⒚顾剌斔偷桨┌Y組織，并有潛力改變傳統(tǒng)化療方案中相關(guān)的耐受性的問題。ThermoDox治療方案已在人體臨床第II階段進(jìn)行乳腺癌與結(jié)腸癌的研究，并進(jìn)入肝癌研究的臨床III階段 人體臨床實驗劃分為四個階段（Phase I、II、III、及IV）：Phase I為藥物完成動物試驗后，首次以人體為試驗對象以確定人體忍受范圍；Phase II為選擇少數(shù)病患（約100名）初步觀察該藥物可能療效；Phase III為大規(guī)模的收納病患（數(shù)百人或數(shù)千人）客觀的確認(rèn)藥物療效、適應(yīng)癥、交互作用等；Phase IV是經(jīng)由藥物上市后的監(jiān)視，對藥物產(chǎn)生之不良反應(yīng)事件，進(jìn)行長期的追蹤。3.結(jié)語臨床試驗：根據(jù)Scifinder的統(tǒng)計，僅2013年關(guān)于載藥的文章就4000多篇，而這一研究領(lǐng)域也是包括汪長春教授課題組在內(nèi)的多個研究機(jī)構(gòu)多年致力研究的領(lǐng)域。對于各種載藥體系，終極目標(biāo)都是希望能用于人體實現(xiàn)載藥釋藥過程，這一點是無可置疑的。而如Table1所示，目前進(jìn)入人體臨床試驗的主要是溫度響應(yīng)型體系以及磁響應(yīng)型，主要是在臨床試驗I、II階段，其中溫度敏感的ThermoDox與磁敏感的MTC-DOX已進(jìn)入了臨床試驗III階段，雖然仍未能商業(yè)化，但已是載藥體系發(fā)展的極大突破。載藥研究的漫長道路：值得注意的是，進(jìn)入臨床試驗的都是外生型刺激響應(yīng)型體系，如溫度響應(yīng)以及磁響應(yīng)，而研究很多的內(nèi)生型刺激響應(yīng)型體系如pH響應(yīng)、氧化還原響應(yīng)與酶響應(yīng)體系甚至沒能進(jìn)入臨床試驗I階段。究其原因，我認(rèn)為由于載藥體系設(shè)計的復(fù)雜性，使得其制備過程、重現(xiàn)性以及質(zhì)量保證都異常困難。尤其對于內(nèi)生型刺激而言，其控制更為復(fù)雜，因為病人的身體狀況因人而異（如腫瘤組織中pH的差異，血液中還原物質(zhì)如谷胱甘肽的多寡等）。從這個角度而言，外生型刺激響應(yīng)體系更有應(yīng)用前景，目前主要的研究落在了如何提高磁、溫度以及光對組織滲透的深度與精確度（以免損害正常組織）等。刺激響應(yīng)的聚合物納米載體除修飾相關(guān)基團(tuán)增加其生物相容性外，還要修飾一些特殊配體來實現(xiàn)靶向效果。然而，目前對大多數(shù)靶向載藥體系而言，受到靶向部位的異質(zhì)性與靶向組織細(xì)胞受限的易通過性等因素影響，只有不到5%的藥物劑量能有效到達(dá)腫瘤病灶部位或炎癥部位，此外，試藥階段的EPR效應(yīng)（實體瘤的高通性與滯留效應(yīng)）在臨床應(yīng)用中并不明顯。之前提到的開發(fā)The