藥用高分子材料——納米藥物載體技術(shù)

1、納米藥物載體技術(shù)用納米粒子作為藥物載體可實現(xiàn)靶向輸送、緩釋給藥的目的, 這是由于小粒子可以進(jìn)入很多大粒子難以進(jìn)入的人體器官組織, 如小于 50nm 的粒子就能穿過肝臟內(nèi)皮或通過淋巴傳送到脾和骨髓, 也可能到達(dá)腫瘤組織。另外納米粒子能越過許多生物屏障到達(dá)病灶部位, 如透過血腦屏障( BBB) 把藥物送到腦部, 通過口服給藥可使藥物在淋巴結(jié)中富集等。具有生物活性的大分子藥物( 如多肽、蛋白類藥物) 很難越過生物屏障, 用納米粒子作為載體可克服這一困難, 并提高其在體內(nèi)輸送過程中的穩(wěn)定性。用納米粒子實現(xiàn)基因非病毒轉(zhuǎn)染, 是輸送基因藥物的有效途徑。藥物既可以通過物理包埋也可以通過化學(xué)鍵合的方式結(jié)合到聚

2、合物納米粒子中。載有藥物的聚合物納米粒子通常以膠體分散體的形式通過口服、經(jīng)皮、皮下及肌肉注射、動脈注射、靜脈點滴和體腔黏膜吸附等給藥方式進(jìn)入人體。制備聚合物納米粒子的方法主要有以下幾種: ( 1) 單體聚合形成聚合物納米粒子; ( 2) 聚合物后分散形成納米粒子; ( 3) 結(jié)構(gòu)規(guī)整的兩親性聚合物在水介質(zhì)中自組裝形成納米粒子。1 單體聚合制備的聚合物納米粒子聚氰基丙烯酸烷基酯( PACA) 在人體內(nèi)極易生物降解, 且對許多組織具有生物相容性。制備聚氰基丙烯酸烷基酯納米粒子采用的是陰離子引發(fā)的乳液聚合方法, 通常以 OH-為引發(fā)劑, 反應(yīng)一般在酸性水介質(zhì)中進(jìn)行, 常用的乳化劑有葡聚糖、乙二醇與丙

3、二醇的嵌段共聚物和聚山梨酸酯等, 具體制備過程見圖 1。當(dāng)反應(yīng)介質(zhì) pH 值偏高時, OH-濃度大, 反應(yīng)速度快, 形成的 PACA 分子量低, 以此作為給藥載體材料進(jìn)入人體后, 降解速度太快, 不利于藥物緩釋。因此聚合反應(yīng)介質(zhì)的 pH 值通?？刂圃?1.0 3.5 范圍內(nèi)。圖 1 聚氰基丙烯酸烷基酯納米粒子的制備過程PACA 納米粒子載藥的方式有兩種: 一是藥物與單體一起加入, 藥物在聚合反應(yīng)過程中被包埋在粒子內(nèi); 二是聚合反應(yīng)完成后, 藥物通過吸附進(jìn)入粒子內(nèi)部。有人報道用 Tween-80 作乳化劑合成聚氰基丙烯酸丁酯納米粒子, 用于腦部靶向給藥, 可以透過人體血腦屏障, 進(jìn)入大腦中樞神經(jīng)

4、系統(tǒng), 對治療老年性癡呆、腦腫瘤等腦部疾病有明顯效果。2 聚合物后分散形成的納米粒子 脂肪族聚酯類聚合物, 如聚乳酸( PLA) 、聚乙交酯( PLG) 、聚乙交酯丙交酯共聚( PLGA) 、聚己內(nèi)酯( PCL) 等, 還有一些天然高分子, 如白蛋白、殼聚糖、海藻酸鹽等, 它們具有良好的可生物降解性, 現(xiàn)已被廣泛用于給藥載體。要把這些聚合物制成納米粒子, 通常采用后分散法。以下列舉文獻(xiàn)報道的具體方法：（1） 溶劑蒸發(fā)法(solvent evaporation method) 聚合物和藥物一起溶于二氯甲烷、氯仿或醋酸乙酯等有機溶劑中, 再加到含有乳化劑的水體系中進(jìn)行乳化, 形成 O/W 型乳液,

5、 然后通過加溫、減壓或連續(xù)攪拌等方式把有機溶劑蒸發(fā)除去, 最后形成聚合物納米粒子的水分散體系。(2) 自發(fā)乳化/溶劑擴散法(spontaneous emulsion / solvent diffusion method)用親水性有機溶劑( 如丙酮、甲醇等) 和疏水性有機溶劑( 如二氯甲烷、氯仿等) 形成的混合溶劑溶解聚合物和藥物作為油相, 分散在水中, 由于親水性有機溶劑會自動從油相擴散到水相, 兩相之間的界面會產(chǎn)生湍流, 從而形成納米粒子。動物試驗證明, 與直接用胰島素水溶液給藥相比, 聚合物納米粒子給藥具有明顯的降血糖效果, 且持續(xù)時間長。一、藥用生物降解性合成高分子材料一般來說，藥物載體

6、是由高分子材料來充當(dāng)?shù)?，包括天然高分子材料和合成高分子材料，由于天然高分子載體材料不能完全適合應(yīng)用要求，所以生物降解性合成高分子材料愈來愈受重視，近年來國內(nèi)外生物降解性合成高分子材料主要是聚乳酸和聚己內(nèi)酯，作為藥物緩釋載體。1 聚乳酸(PLA)聚乳酸是一種具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解的聚合物，是目前研究最多的聚酯類生物降解材料之一。聚乳酸無毒、無刺激性、無免疫原性并且生物相容性好，可安全用于體內(nèi)，因此，被用作可生物降解的藥物緩釋載體，已經(jīng)得到美國FDA的認(rèn)可。2 聚己內(nèi)酯酸(PCL)聚己內(nèi)酯(PCL)是具有良好藥物通透性能的高分子材料，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。Pitt和Schindle

7、r早在20世紀(jì)70年代就提出PCL可用作藥物控釋載體，并對其藥物通過性和生物降解性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。宋存先等研究了PCL在大鼠體內(nèi)的降解情況，發(fā)現(xiàn)PCL的降解分兩個階段進(jìn)行：第一個階段為分子量不斷下降但不發(fā)生形變和失重，起始分子量6.6萬的PCL在體內(nèi)可以完整保存2年；第二階段是低分子量的PCL開始變?yōu)樗槠l(fā)生失重，最終降解物逐漸被有機體吸收和排泄而不蓄積于體內(nèi)，因此可以用作體內(nèi)的藥物控制釋放材料。二、兩個生物可降解納米藥物載體報道 1. 南京醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物技術(shù)系姚俊博士，利用味精的原料谷氨酸，為抗癌藥物打造了一輛“好車”。這輛車既能運藥，又能精確打擊癌細(xì)胞，降低藥物的毒副作用。該發(fā)明

8、叫作“聚谷氨酸納米藥物載體”，能讓藥物更易在病灶組織滯留、富集，慢慢發(fā)揮效應(yīng)；“車內(nèi)空間”也大，能裝載更多藥物。從而增加藥物療效，降低毒副作用,目前已獲國家專利。在癌細(xì)胞的表面，有特定的抗體受體，可以用作藥物靶點。找到相應(yīng)的抗體，安裝在“車”上，可以自動“定位”癌細(xì)胞，并運藥至癌細(xì)胞，避免對正常細(xì)胞的“誤傷”. 利用微生物發(fā)酵法,采用特定的微生物將味精的主要成分谷氨酸轉(zhuǎn)化為一種生物高分子-聚谷氨酸。他說，由于原料易于獲得，工藝綠色，可通過微生物發(fā)酵的大規(guī)模制備。而且，由于載體材料由谷氨酸單體組成，能被機體吸收、代謝和排泄，不易產(chǎn)生積蓄和毒副作用。這輛“車”很智能，能對“路況”作出響應(yīng)。例如，人

9、體內(nèi)各組織的環(huán)境pH值各有差別，特別是腫瘤組織的pH值一般低于正常組織。“設(shè)定遇到特定pH值環(huán)境時，再釋放藥物，從而可設(shè)計針對某器官或腫瘤的給藥機制。在這輛“車”的制造過程中，還可設(shè)置多種“開關(guān)”和“觸發(fā)按鈕”，除了上述的pH，還可讓它對溫度、酶等因素也有不同響應(yīng)。姚俊介紹說：“例如肝臟有一種特有的酶GGT，它具有切開車廂卸載藥物的本領(lǐng)，那么我們可由此設(shè)計針對肝臟組織的給藥系統(tǒng)?！?. 湖南大學(xué)化學(xué)生物傳感與計量學(xué)國家重點實驗室主任譚蔚泓帶領(lǐng)課題組，研發(fā)出一種能向腫瘤細(xì)胞靶向輸送大量抗癌藥物的DNA“納米火車”。其不僅可提高抗癌藥物的靶向性，減少藥物的毒副作用，還可大大增加藥物的攜帶量。相關(guān)成

10、果發(fā)表于美國國家科學(xué)院院刊。據(jù)了解，這種“納米火車”的“車體”由多條DNA短單鏈通過分子自組裝而成，寬約3至5納米，長度可視需要增減。其整體結(jié)構(gòu)十分簡單，三維結(jié)構(gòu)形似火車。它的“火車頭”由核酸適配體構(gòu)成，可與某種特定癌細(xì)胞的膜蛋白結(jié)合，為給藥系統(tǒng)提供“方向”和“動力”；通過分子自組裝形成的DNA結(jié)構(gòu)則構(gòu)成了一節(jié)一節(jié)的高容量“車廂”，用于裝載抗癌藥物分子或其他生物試劑，比如可裝載熒光成像試劑，對整個過程進(jìn)行實時監(jiān)測。該“納米火車”可大幅提高抗癌藥物的攜帶量。由于傳統(tǒng)給藥系統(tǒng)是“一個蘿卜一個坑”，一次往往只能攜帶一個藥物分子，不足以殺死癌細(xì)胞。采用“火車”式設(shè)計，則可一次性攜帶約300至1000個

11、藥物分子。這有助于縮短病人的治療周期，降低治療成本。同時，由于核酸適配體可與目標(biāo)物質(zhì)或細(xì)胞高特異性地結(jié)合，由它構(gòu)成的“火車頭”可精準(zhǔn)地將藥物輸送至癌變區(qū)域，從而避免對正常細(xì)胞的“誤傷”，精準(zhǔn)性大大高于傳統(tǒng)的化學(xué)抗癌藥物。此外，由于整列“火車”由生物分子組成，不存在傳統(tǒng)的無機或高分子材料在生物體內(nèi)難降解的問題，從而減少了對人體潛在的毒副作用。譚蔚泓透露說，該團隊已針對白血病、肺癌、乳腺癌、胰腺癌和肝癌等癌細(xì)胞的特有生物標(biāo)志物，篩選出不同的核酸適配體。這意味著運用“納米火車”成果，將來還有望開發(fā)出一次靶向不同類型癌癥的“多彈頭”藥物。三、高分子納米藥物載體系統(tǒng) 目前, 人們已經(jīng)成功研制尺寸在 1

12、1000nm 的多種形態(tài)的高分子納米藥物如高分子納米微球、高分子納米凝膠、高分子蛋白復(fù)合物、高分子納米囊泡、樹枝狀大分子載體等。如圖 2 所示。 Figure 2 Polymeric nanomedicine carrier 與其它膠體載體相比，聚合物納米顆粒在與生物體液接觸時穩(wěn)定性更高，它們的聚合物性質(zhì)可控，可實現(xiàn)持續(xù)的藥物釋放。他們有非常好的理化性質(zhì)如大小，表面電位，親水-疏水平衡，等等，基于這個原因，聚合物納米顆?？勺鳛闈撛诘乃幬镙d體用于生物活性成分如抗腫瘤藥物、疫苗、寡核苷酸、肽等。 生物可降解聚合物納米載體（例如膠束和囊泡）在藥物和蛋白質(zhì)的控制和釋放上展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。理想的納米

13、靶向藥物釋放系統(tǒng)應(yīng)該能夠在血液中保持穩(wěn)定，具有較長的循環(huán)時間，其通過主動或被動靶向方式富集到腫瘤組織后，可被腫瘤細(xì)胞高效內(nèi)吞，在腫瘤細(xì)胞內(nèi)載體會快速分解，快速釋放藥物，實現(xiàn)腫瘤特異性高效治療，同時降低藥物的毒副作用。以下是癌癥/腫瘤的靶向治療（含納米載體技術(shù)）：Fig. 2. Targeting strategies for cancer therapy. (1) Passive targeting can be achieved by enhanced permeation and retention (EPR) effect mediated by leaky vascular struc

14、tures. Accumulation of macromolecular drugs or nanoparticles increases local drug concentration by degradation of drug carriers at the extracellular space or inside cells after endocytosis. (2) Active targeting mediated by targeting ligands specifically localizes drug carriers at desired cells or ti

15、ssues. Due to the ligands, primary action mechanism is drug release inside cells after endocytosis. (3) Smart polymer systems loading therapeutic drugs also can be localized by EPR effect. Depending on disease,disintegration or degradation of drug carrier to release drugs can occur. (4) Combination

16、of targeting ligands and smart polymer systems provides more effective release of encapsulated drugs. By environmental signals, drugs can be liberated at the extracellular space or inside target cells according to predetermined program.3.1納米聚合物膠束載體1. 聚合物納米藥物載體的應(yīng)用基于聚合物的藥物傳遞系統(tǒng)自從 20世紀(jì) 90年代以來就被作為治療人類重大疾

17、病的有效手段開始研究, 包括聚合物膠束, 脂質(zhì)體, 納米球, 納米囊等, 統(tǒng)稱為納米藥物。其粒徑可能超過 100 nm, 但通常應(yīng)小于 500 nm。作為一種新型的載體, 聚合物膠束具有載藥范圍廣、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、優(yōu)良的組織滲透性、體內(nèi)滯留時間長、能使藥物有效地到達(dá)靶點等特點, 是很有發(fā)展前景的藥物載體。（1） 自聚集膠束把兩親性聚合物溶解到水中, 當(dāng)濃度高于臨界膠束濃度 ( critical m icelle concentration, CMC)和臨界膠束溫度 ( critical m icelle temperature, CMT ) 時, 可自聚集形成納米聚集體, 即自聚集聚合物膠束。憎水鏈

18、段之間由于憎水相互作用而聚集形成粒子的內(nèi)核, 外殼則由親水鏈段形成刷狀結(jié)構(gòu), 這些親水鏈段通常具有生物相容性并對粒子分散在水中起立體穩(wěn)定作用, 在親水鏈段末端還可引入具有靶向功能的組分。在水中溶解度低的兩親性聚合物也可以先溶解在有機溶劑中, 然后在水性緩沖液中透析。兩親性二嵌段 (親水 - 疏水 )或三嵌段 (親水- 疏水 - 親水 ) 共聚物最常用于制備自聚集聚合物膠束用于藥物的傳輸, 也有應(yīng)用接枝聚合物的報道。親水性嵌段通常由 PEG （聚乙二醇）或 PEO（聚氧乙烯 ）組成,疏水性嵌段的選擇主要取決于藥物與疏水核的相容性和膠束的動力學(xué)穩(wěn)定性，組成二嵌段共聚物疏水嵌段如: 聚- L - 氨

19、基酸; L-生物可降解聚酯, 包括聚乙醇酸, 聚 - D - 乳酸, 聚 - D, L- 乳酸, 乳酸 /乙醇酸共聚物, 和聚 - 己內(nèi)酯; 磷脂/長鏈脂肪酸；組成三嵌段共聚物的疏水嵌段如聚氧丙烯。當(dāng)嵌段共聚物膠束化形成的納米粒子用于給藥載體時, 其特點是內(nèi)核載藥量大, 在人體內(nèi)分布主要由粒子大小和粒子表面性質(zhì)決定, 與內(nèi)核包裹的藥物無關(guān)。與小分子表面活性劑相比, 聚合物的臨界膠束濃度( CMC) 很低, 在水溶液中離解速度慢, 因此藥物可在載體內(nèi)停留較長時間, 保證有足夠量的藥物到達(dá)人體病灶部位。圖 3 兩親性嵌段共聚物自組裝形成納米粒子 Kataoka 等人為了把抗癌藥物阿霉素用聚合物納米

20、粒子作為載體輸送到腫瘤細(xì)胞, 他們首先合成出聚乙二醇( PEG) 與聚天冬氨酸( PAsp) 的嵌段共聚物( PEGPAsp) , 然后利用PAsp鏈段上的羧基與阿霉素( DOX) 分子上的伯氨基發(fā)生縮合反應(yīng), 就可以通過化學(xué)結(jié)合的方式把 DOX 連接到 PAsp鏈段的側(cè)鏈上( 見圖 4) 。圖 4 接有阿霉素的聚乙二醇-聚天冬氨酸嵌段共聚物的結(jié)構(gòu) 為獲得具有靶向功能的聚合物納米粒子, 在合成兩親性嵌段共聚物時常在親水鏈段端基引入可反應(yīng)性基團, 如縮醛基。類似的，還可以把糖基固定在聚合物粒子表面, 作為具有特異性識別功能的組分。如果接枝共聚物是由疏水的骨架鏈和親水的支鏈構(gòu)成, 該接枝共聚物分散

21、在水中就會自組裝形成具有核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子, 如圖 6 所示, 粒子內(nèi)核由疏水骨架鏈組成, 而外殼則是親水的支鏈。圖 6 兩親性接枝共聚物自組裝形成的納米粒子一般來說, 像多肽、蛋白類親水性較強的生物大分子藥物很難通過口服而被胃腸道吸收, 一方面是由于生物大分子藥物易被胃腸道中的酶分解, 穩(wěn)定性差, 另一方面是由于腸道表面粘膜是親脂性的, 水溶性好和極性高的藥物很難透過。如果采用上述接枝共聚物形成的納米粒子作為給藥載體, 由于粒子表面存在大量離子基團或親水基團, 親水性藥物通過靜電相互作用或氫鍵作用結(jié)合在粒子表面, 載有藥物的粒子可以吸附在腸道黏膜上, 釋放藥物進(jìn)入上皮細(xì)胞, 并最終到達(dá)毛細(xì)血

22、管, 見圖 8。圖 8 包裹在聚合物納米粒子內(nèi)的降血鈣素被腸道黏膜吸收的機理（2）單分子膠束單分子膠束從形貌上類似于自聚集膠束, 但由單一的聚合物分子組成, 該聚合物分子通過共價鍵和兩親鏈鏈接。例如, 取決于它們的結(jié)構(gòu)和組成, 共聚物可能具有星狀或樹枝狀結(jié)構(gòu),這些共聚物可能會聚集形成多分子, 或以單分子膠束形式存在。樹枝狀大分子被廣泛用作制備單分子膠束的嵌段, 因為它們高度支化, 具有明確的球狀形態(tài)而且表面功能可控。樹枝狀的核可包載各種藥物分子。但是, 由于在樹枝狀聚合物合成過程中的結(jié)構(gòu)限制, 以及樹枝狀聚合物的相對緊湊的結(jié)構(gòu), 這種膠束的載藥能力是有限的。為增加載藥量, 可用疏水嵌段修飾樹枝

23、狀的內(nèi)核, 然后再附加上 PEO鏈。例如, 有人合成了一個兩親性的含有聚氨基胺樹枝狀內(nèi)核的星形聚合物,分支的內(nèi)部為親脂的聚己內(nèi)酯嵌段, 外部為 PEO嵌段。研究表明, 這些單分子膠束可以包封疏水性藥物依托泊苷, 而且載藥量較高。四、聚合物復(fù)合物作為抗癌納米藥物一個例子：2 高分子偶聯(lián)藥物作用機制Figure 2 | Current understanding of the mechanism of action of polymerdrug conjugates. A | Hydrophilic polymerdrug conjugates administered intravenously

24、 can be designed to remain in the circulation their clearance rate depends on conjugate molecular weight, which governs the rate of renal elimination. a | Drug that is covalently bound by a linker that is stable in the circulation is largely prevented fom accessing normal tissues (including sites of

25、 potential toxicity), and biodistribution is initially limited to the blood pool. b | The blood concentration of drug conjugate drives tumour targeting due to the increased permeability of angiogenic tumour vasculature (compared with normal vessels), providing the opportunity for passive targeting d

26、ue to the enhanced permeability and retention effect (EPR effect). c | Through the incorporation of cell-specific recognition ligands it is possible to bring about the added benefit of receptor-mediated targeting of tumour cells. d | It has also been suggested that circulating low levels of conjugat

27、e (slow drug release) might additonally lead to immunostimulation. e | If the polymerdrug linker is stable in the circulation, for example, N-(2-hydroxypropyl)methacrylamide (HPMA) copolymerGly-Phe-Leu-Glydoxorubicin, the relatively high level of renal elimination(whole body t1/2 clearance >50% i

28、n 24 h) compared with free drug (t 1/2clearance 50% in 4 days) can increase the elimination rate. B | On arrival in the tumour interstitium, polymer-conjugated drug is internalized by tumour cellsthrough either fluid-phase pinocytosis (in solution), receptor-mediated pinocytosis following non-specif

29、ic membrane binding (due to hydrophobic or charge interactions) or ligandreceptor docking. Depending on the linkers used, the drug will usually be released intracellularly on exposure to lysosomal enzymes (for example, Gly-Phe-Leu-Gly and polyglutamic acid (PGA) are cleaved by cathepsin B) or lower

30、pH (for example, a hydrazone linker degrades in endosomesand lysosomes (pH 6.5<4.0). The active or passive transport of drugs such as doxorubicin and paciltaxel out of these vesicular compartments ensures exposure to their pharmacological targets. Intracellular delivery can bypass mechanisms of resistance associated with membrane efflux pump