环境敏感型纳米抗肿瘤药物传递系统的研究应用.doc

环境敏感型纳米抗肿瘤药物传递系统研究专业：药物化学 姓名： 学号：22267摘要：目；综述环境敏感型纳米抗肿瘤药物传播系统研究进展。办法；参照近年来国内外有关文献，对环境敏感型纳米抗肿瘤药物传播系统分类以及研究进展进行综述。成果；基于聚合物纳米给药系统具备可多功能化特点，增长了化疗药物给药方式，其分子质量大小可调，延长了药物在肿瘤部位停留时间等。结论 ；环境敏感型药物传播系统在将来抗肿瘤领域具备巨大潜在应用价值。核心词：纳米粒子；环境敏感；抗肿瘤药物；药物传递系统 针对临床肿瘤治疗迫切需要，以生物材料为基本药物可控释放系统应运而生，可望克服临床小分子药物毒副作用大、抗肿瘤效率低以及多疗程使用导致多药耐药性(multiple drug resistance，MDR)等局限性。随着近几十年来纳米技术飞速发展，纳米技术已被广泛地应用于抗肿瘤药物载体研究1。纳米药物控释系统具备被动靶向特点，能有效改进化疗药物给药途径，提高抗肿瘤效率。前期研究表白，纳米药物传递系统普通在5250 nm，适中尺寸有效协助克服体内各种生物学屏障，能明显提高药物吸取和运用度。此外，纳米粒子高度分散，大大延长了药物在体内循环时间，提高抗肿瘤药物在肿瘤细胞/ 组织高富集，增长了治疗效果，减少药物毒副作用2。迄今为止，在众多纳米给药系统中，基于聚合物纳米给药系统体现出了可观应用前景。聚合物具备可多功能化特点，增长了化疗药物给药方式，其分子质量大小可调，延长了药物在肿瘤部位停留时间。药物可以通过物理包埋或化学键合两种方式结合或键合到聚合物纳米粒子中。载有药物聚合物纳米粒子到达肿瘤部位后，药物能通过扩散、聚合物自身降解或从聚合物上断裂来达到缓释效果。尽管聚合物纳米粒子为肿瘤药物治疗开辟了新办法和途径，人们依然在临床实验中发现，给药系统中负载药物面临着缺少抱负可控性，缺少足够肿瘤部位药物累积等问题。前期研究表白，大多数聚合物纳米粒子给药系统被注射进入体内后，大某些药物在到达肿瘤部位之前就已经在体内循环过程中释放，只有少某些药物通过给药系统高通透性和滞留效应(enhanced permeabilityand retention effect，EPR)在肿瘤部位富集。整个释放过程不可控，对体内正常组织和器官导致毒副作用，对小分子抗肿瘤药物药代动力学行为影响不大，极大地限制了此类给药系统在临床上应用。因而，长期以来，人们渴望可以将抗肿瘤药物在体内有选取性地传递到肿瘤部位并迅速释放，从而最大限度地提高治疗也许性和减少毒副作用。在一种抱负给药系统中，给药系统能对外界环境细微刺激做出响应，并产生相应物理构造或化学性质变化来达到控释目3。环境敏感型聚合物纳米粒子给药系统正具备这种在特定环境刺激下，在特定部位释放特点。普通状况下，环境敏感型聚合物纳米粒子负载药物在血液等循环系统中处在稳定状态，当感受到癌症信号后，其因载体构造或性能发生变化而被控制释放出来，保证了药物在肿瘤部位或胞内高浓度，达到抱负肿瘤细胞毒性效应，提高了生物运用度。本文针对环境响应性聚合物纳米粒子抗肿瘤药物给药系统设计原理、特点与最新研究进展进行综述，并分析其发展趋势。 1 环境响应性聚合物纳米粒子抗肿瘤药物给药系统 为了研究环境响应性抗肿瘤药物给药系统，一方面必要理解设计产生环境敏感型抗肿瘤药物载体系统肿瘤生理学机制。恶性肿瘤相比较于正常组织，除了细胞失控性生长外，重要特点有：a。新陈代谢旺盛导致酸液过多，促成肿瘤部位偏酸性；b。由细胞缺氧和缺少营养物质而导致低氧环境；c。细胞表面某些蛋白特异性高表达；d。胞吞率高；e。某些抗原特异性表达；f。血管再生等。显然，抱负抗肿瘤药物给药系统可依照肿瘤细胞/组织微环境变化，被赋予修饰或改性，使其能随外界环境刺激而产生响应，发生构造或性能变化，从而使所载药物顺利通过体内各种屏障而在特定组织或细胞释放，实现高效给药，提高药物在病变组织浓度，减少药物对正常组织毒副作用。这些外界刺激重要是物理和化学信号4。物理信号普通涉及：热、电场、磁场、超声波；化学信号普通涉及pH、还原电势、酶、离子强度。1.1 温度敏感纳米给药系统 研究发现，在肿瘤或炎症组织区域经常随着有高热。这是由于体内正常组织在普通状况下，血流量大、流速快、在体温升高时血管扩张，散热较快，减少了对组织损伤，促成自我修复。而肿瘤内细胞增殖迅速、密度很高、积压新生血管形态异常，导致血液淤滞，易形成血栓或栓塞，使得散热困难。肿瘤组织在受热后失去自我调节作用，血流量明显减少，致使肿瘤细胞代谢产生热量和其她代谢产物不能迅速排出。同样将外加温度升高至40，瘤体内温度可形成与正常组织510温差，导致肿瘤细胞凋亡，而正常组织却不受损害。这就催生了热疗，作为一种新肿瘤治疗办法，正引起医学界注重。更值得注意是，温度敏感型药物传递系统若与热疗结合起来能起到协同作用，能增强对肿瘤细胞毒性5。温度敏感型聚合物纳米给药系统在溶液中存在随温度变化相转变点，此温度称作临界溶解温度，它普通分为低临界溶解温度(LCST)和高临界溶解温度(UCST)。温度敏感型聚合物重要是指聚合物链上或其侧链存在具有LCST 或UCST 链段，并具备一定比例亲疏水基团，温度变化会影响这些基团亲疏水作用以及分子间氢键作用，通过构造变化引起相变。最典型温度敏感型聚合物是侧链同步具有疏水基团(异丙基)和亲水基团(酰胺键)聚N- 异丙基丙烯酰胺(PNIPAAM)，它在水中相转变温度大概32。室温下(2532)，由于酰胺键氢键作用，它在水中可以溶解，当升高温度至3235，疏水基团之间作用得到加强，而氢键遭到破坏6，抗肿瘤药物被释放出来。此外，尚有一类重要温度敏感型药物传播系统，聚环氧乙烷(PEO)和聚环氧丙烷(PPO)惯用来制备某些嵌段共聚物，它们LCST 接近于人体体温，被广泛地应用于制备溶胶- 凝胶相转化体系控释药物传播系统。例如Hyuk Sang Yoo 课题组7还制备了包括PEO- PPO-PEO(普朗尼克)温度敏感载药系统，并研究其抗癌效果。成果证明，应用该聚合物包裹阿霉素，可明显增长肿瘤组织药物蓄积量，增强抑瘤活性，并且与老式药物化疗办法相比，极大地减小了药物对正常组织毒性。1.2 pH 敏感型给药系统 在环境响应型药物载体中，pH 敏感型载药系统研究最为广泛，这是由于体内器官、组织、亚细胞环境有不同pH 值域。人体正常组织pH 值普通为7.4，但是当机体发生异常时，例如发热、感染或癌变，组织往往呈现出更低pH值。由于肿瘤生长和转移十分迅速，肿瘤中血管往往无法提供足够养料和氧气来供应肿瘤细胞繁殖，肿瘤内部缺氧状态使肿瘤细胞无氧糖酵解产生乳酸，而肿瘤内部血管系统缺少使得产生乳酸不能充分排出，导致肿瘤内呈酸性。需要指出是，肿瘤部位为微酸性环境，pH 值大概在6.75，肿瘤内部存在pH 值更低酸性环境。肿瘤细胞中初期内涵体pH 值在6.0 左右，甚至低于5.48，晚期内涵体pH 值普通在5.0 左右。溶酶体pH 值更低，为4.05.0。药物进入体内就会晤临这种复杂pH 环境，例如口服制剂需要经历胃强酸性到肠道中性和弱碱性；而抗肿瘤药物需要面对环境是肿瘤细胞内外pH 梯度差，它也是多耐药性因素之一。绝大多数抗肿瘤药物(如阿霉素、柔红霉素和长春新碱)为弱碱性电解质，使得它们在pH 值较低环境中较易离子化，因而不易通过细胞膜脂质层，从而减少了其对肿瘤细胞毒性。因而，通过肿瘤部位和正常组织pH 差别来设计抗肿瘤药物给药系统，可实现药物在肿瘤组织/ 细胞高富集和最大限度地提高抗癌药物运用度。pH 敏感纳米药物载体分为两类，一类是在纳米粒子中具有质子供体基团，例如L- 组氨酸、吡啶、三级氨基等。质子供体基团具备其一定pKa值，在不不大于pKapH 条件下聚合物自组装成为纳米粒子，带有质子供体基团链段不带电。当pH 低于pKa时，带有质子供体基团链段质子化，使链段带正电，聚合物构型发生了变化，将负载药物释放出来。而在整个过程中，聚合物构造是没有变化。例如，Na 和Bae9将磺酰胺接到普鲁蓝衍生物上制备了pH 敏感聚合物，在水溶液中自组装形成pH 敏感纳米粒子，将阿霉素载入，形成载药纳米粒子。当环境pH 不大于6.8 时，载药纳米粒子将阿霉素迅速释放。另一类pH 敏感纳米给药系统是具有pH 敏感键系统，即具有对酸易水解化学键，在溶液pH 发生变化时敏感化学键被打断，致使药物载体性能发生变化。在这个过程中，聚合物与药物偶联连接体(linker)构造被破坏，从而具备对pH敏感响应性能。当前广泛应用于pH 敏感型药物载体化学键有腙键、亚胺、原酸酯、乙烯醚等，其中以腙键作为pH 敏感键报道最多。腙键是一种易在酸性条件下水解敏感键，通过具有腙键酸敏感药物载体，抗肿瘤药物可经细胞内吞进入细胞，克服多耐药性，可以通过内涵体/ 溶酶体，提高药物进入细胞效率。 随着对pH 敏感型聚合物纳米粒子药物载体进一步研究，研究者也设计出某些pH 双敏感型药物载体来提高药物传播效率。只对细胞外pH(pHe)敏感给药系统往往在细胞外就释放出药物，因而局限性以杀死某些耐药性细胞，而只对细胞内pH(pHi)响应给药系统，不可以提高药物内吞。因而，Jun Wang 课题组10设计出运用酰胺基和腙键对细胞外和细胞内pH 环境双敏感聚合物纳米载体。从体外细胞吞噬和细胞毒性成果来看，该种聚合物载体系统对肿瘤治疗显示出了巨大潜力。 1.3 氧化还原敏感型 细胞内氧化还原环境往往决定了细胞自我平衡，关系着细胞代谢和能量分布，氧化还原敏感型聚合物纳米给药系统设计重要就是运用了细胞外薄弱氧化环境和细胞内还原环境之间存在差别，而存在这种差别重要因素就是细胞内某些巯基物质，涉及烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH/NADP+)、硫氧还蛋(TRXred/TRXox)和谷胱甘肽(GSH/GSSH)等。在细胞内，谷胱甘肽对细胞氧化还原环境起着决定性作用，由于其浓度是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和硫氧还蛋白5001000 倍。细胞内外谷胱甘肽浓度相差十分悬殊， 细胞质中谷胱甘肽浓度高达110 mmol/L，而细胞外谷胱甘肽浓度只有110 mol/L11。由于肿瘤组织内严重缺氧，并且某些肿瘤甚至具有比正常组织高达7 倍谷胱甘肽(GSH)，因而其呈现为还原环境。谷胱甘肽浓度差别导致细胞内外氧化环境不同，因而氧化还原电势作为刺激响应型信号应用于药物传播中。当此类载体在细胞外递送时，可在低谷胱甘肽浓度下保持稳定，而当进入肿瘤细胞后，谷胱甘肽浓度差别引起载体降解，从而使药物释放出来，达到释放目。 氧化还原敏感型药物传播系统中应用最广就是运用二硫键可逆断裂性能制备智能纳米药物载体12。二硫键是生物体系普遍存在一种动态共价键，由于二硫键键能高达252 kJmol1，它在体内循环中能保持稳定，而在细胞胞浆还原环境中容易发生断裂，因而它引入为氧化还原敏感型纳米给药系统设计与合成提供了一条重要途径13。 Lee 等引入二硫键连接亲水外壳PEG 和疏水内核聚(D,L- 乳酸)形成自组装胶束包裹药物阿霉素，并在小鼠M109 肿瘤模型上研究其抗肿瘤效果。二硫键极大地增大了载药系统在体内循环中稳定性和循环时间，相比之下，未引入二硫键载药胶束，几乎在进入体内同步就开始释放药物。更值得注意是，引入和未引入二硫键载药胶束在体外细胞摄取实验中几乎没有体现出明显药物细胞内传递差别。然而在体内抗肿瘤实验中，二硫键引入大大提高了胶束系统抗肿瘤效果。在提取载药胶束系统注射12 h 后，对小鼠肿瘤细胞进行染色，用共聚焦显微镜进行观测发现，注射引入二硫键载药胶束12 h 后，在血液和肿瘤细胞中还可看到药物阿霉素荧光信号，更重要是，药物集中于细胞核，而胶束均集中于细胞质中。这些成果都表白二硫键引入可以在很大限度上提高抗肿瘤药物在体内细胞内靶向，从而提高系统药物运用率。1.4 酶敏感型 酶敏感型纳米给药系统是一类新型智能药物载体材料，其原理是在具一定选取性催化酶存在条件下，运用生物酶独特水解蛋白质分子酰胺键特性，从载体材料中释放出药物。普通状况下，没有蛋白酶存在，蛋白质水解速率是相称缓慢。然而，肿瘤细胞与正常细胞相比，由于控制酶活性机制浮现问题，酶表达无法被控制，这就导致肿瘤细胞和正常细胞在诸多酶表达上有明显差别。当前学者所研究酶敏感药物载体中，运用较多就是通过酯酶断裂酯键或者是蛋白酶断裂某些短肽14。Torchilin 课题组15制备了一种新型智能型多功能化载药系统在肿瘤微环境中对MMP2 响应，通过MMP-2 可剪切肽链( 序列： Gly-Pro-Leu-Gly-Ile-Ala-Gly-Gln)，连接长链PEG 和靶向基团在纳米粒子表面，这样构造保证了载体系统在血液中长循环，当到达肿瘤细胞时，由于肽链被肿瘤细胞表面过度表达MMP-2 所剪切，避免了长链PEG 阻碍肿瘤细胞对载体内吞，从而极大提高了药物在肿瘤细胞累积量。 组织蛋白酶B (cathepsin B) 也是一种在肿瘤细胞中高表达酶，它可以水解各种多肽(例如Leu，Arg-Arg， Ala-Leu， Phe-Arg， Phe-Lys， Ala-Phe-Lys，Gly-Leu-Phe-Gly， Gly-Phe-Leu-Gly 和Ala-Leu-Ala-Leu)16，在抗肿瘤载药系统中研究最多cathepsin B 可剪切肽链是Gly-Phe-Leu-Gly(GFLG)，这个四肽被作为药物和载体材料连接物，可以被溶酶体中组织蛋白酶B 切割断裂，使得具有Gly-Phe-Leu-Gly 序列载体可以在肿瘤部位有效地释放出抗癌药物，从而减少了在正常细胞释放量，减小了药物毒副作用。最典型包括GFLG 酶敏感载药系统是阿霉素前药与HPMA 以GFLG 作为linker 连接在一起，当到达肿瘤细胞时，GFLG 断裂，释放出自由阿霉素。当前，它已在英国成功通过了临床期实验，其最大耐受剂量为320 mg/m2，同步也显示了抗癌活性。临床期实验针对非小细胞性肺癌和乳腺癌。1.5 其她响应型 其她重要环境响应型聚合物纳米粒子给药系统，尚有光敏感型、磁敏感型、电解质(离子强度)型等。光敏感型给药系统指聚合物中具有一定感光基团，在外加光刺激下会发生构型变化来控制药物负载和释放，它不需要任何外界化学环境变化17。近些年来，磁纳米粒子作为抗肿瘤药物载体也成为研究热点。用作药物载体磁纳米粒子普通在肿瘤部位施加磁场，纳米粒子进入体内后，磁场敏感特性使其汇集至肿瘤部位，药物释放后被肿瘤细胞摄取。影响磁场敏感型载富集因素涉及磁场强度、血流速度、载体表面理化性质等。最常用有将Fe3O4纳米颗粒，通过外加磁场作用，将负载药物集中于肿瘤部位。电解质(离子强度)型给药系统指聚合物载体普通具备两亲性或两性离子，在溶液状态和电解质条件下，聚合物分子内离子键受到破坏，或电解质离子中和了聚合物分子，导致聚合物链段构象发生转变，促成聚合物性能变化，达到药物可控释放目。2 总结 如何可控、高效、副作用小地将药物传播到特定治疗部位依然是聚合物纳米粒子给药系统面临巨大挑战。而环境响应型药物给药系统受到来自于环境化学或物理性质刺激时，其自身构造或性能会发生相应变化，如聚合物构型、连接物断裂、材料表面能和反映速率急剧变化等，可以实现药物定点、定期、定量释放。环境响应型药物传播系统研究内容十分丰富，在生物医学领域具备辽阔应用前景。 此外，将各种环境敏感型整合于同一种给药系统中也是将来环境敏感型聚合物纳米粒子给药系统重点研究方向，虽然诸多研究还在摸索阶段，但各种环境响应聚合物纳米给药系统必将为肿瘤诊断与治疗带来进展。参照文献：1 Jabr-Milane L S，Vlerken L E V，Yadav S，et al. 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