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腫瘤靶向性生物膜納米載藥系統(tǒng)的研究進展

2017-03-14 15:41:01黃潔章真何小芳楊覓胡靜李麗劉寶瑞錢曉萍
關鍵詞:載藥細胞膜生物膜

黃潔,章真,何小芳,楊覓,胡靜,李麗,劉寶瑞,錢曉萍

(1.東南大學 醫(yī)學院, 江蘇 南京 210009;2.南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008;3.南京中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結合鼓樓臨床醫(yī)學院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008;4.南京醫(yī)科大學鼓樓臨床醫(yī)學院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008)

·綜述·

腫瘤靶向性生物膜納米載藥系統(tǒng)的研究進展

黃潔1,2,章真3,何小芳4,楊覓2,胡靜2,李麗2,劉寶瑞2,錢曉萍1,2

(1.東南大學 醫(yī)學院, 江蘇 南京 210009;2.南京大學醫(yī)學院附屬鼓樓醫(yī)院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008;3.南京中醫(yī)藥大學中西醫(yī)結合鼓樓臨床醫(yī)學院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008;4.南京醫(yī)科大學鼓樓臨床醫(yī)學院 腫瘤中心,江蘇 南京 210008)

納米載藥系統(tǒng)的應用一定程度上解決了腫瘤藥物治療時所面臨的藥物毒副作用大、藥物體內選擇性差等問題。隨著對靶向納米藥物遞送系統(tǒng)的不斷深入研究和探索,將具有良好生物相容性的天然生物材料與人工合成高分子材料相結合,構建新型復合仿生物納米載體系統(tǒng),該系統(tǒng)包含性質不同的兩種材料能夠相互優(yōu)化各自的藥物投遞功能,弱化各自應用上的不足。作者以生物膜納米靶向藥物遞送系統(tǒng)為主題,總結了近年來相關文獻,旨在為納米藥物載體系統(tǒng)的進一步研究及臨床運用提供思路。

生物膜; 納米粒子; 藥物載體; 綜述

傳統(tǒng)的惡性腫瘤化療是通過不同給藥方式讓抗腫瘤藥物在人體內分布并達到有效的血藥濃度,從而起到殺傷癌細胞的作用。但這種治療方法選擇性較差,會導致藥物體內分布不均、毒副反應大等多種問題。因此,藥物遞送系統(tǒng)(drug delivery system,DDS)的研究成為熱點,DDS可通過多學科手段將藥物有效地遞送到靶組織、靶器官、靶細胞內, 從而調節(jié)藥物的代謝動力學、藥效、毒副作用、免疫原性和生物識別能力。

目前所熟知的藥物載體可以被分為人工合成型和天然生物型兩大類。人工合成的納米藥物遞送系統(tǒng)以載藥率高、控釋能力好、靶向性強等優(yōu)勢獲得很多關注[1]。但在應用過程中仍存在一些缺陷,比如載藥納米粒子易被網(wǎng)狀內皮系統(tǒng)攝取并清除,生物相容性和長期的安全性也有待考查。天然細胞作為藥物遞送載體也有多年的研究探索基礎,隨著生物科技和納米技術的不斷發(fā)展,研究者將具有安全性、生物可降解性及生物相容性好等優(yōu)勢的天然細胞膜與納米載藥系統(tǒng)相結合,制備出適應個體化醫(yī)療趨勢的新型DDS[2]。本文中作者就不同類型生物膜納米載藥系統(tǒng)的特點、優(yōu)勢及其應用進行綜述。

1 生物膜納米載藥系統(tǒng)

生物膜是細胞的重要組成部分,它不僅為細胞活動提供相對穩(wěn)定的內環(huán)境,而且承擔細胞間物質交換、信息傳遞等重任。生物膜在形態(tài)上多呈雙分子層結構,厚度5~10 nm。其組成成分主要是脂質和蛋白質,另有少量糖類通過共價鍵結合。隨著對生物膜認識的不斷深入,研究者已經(jīng)成功利用生物膜制備出不同類型的生物膜納米藥物載體[3]。

1.1 紅細胞膜納米載藥系統(tǒng)

紅細胞是人體血液中數(shù)量最多的細胞,成熟的紅細胞呈雙凹圓盤形,無細胞核及細胞器,這種特殊的形態(tài)結構利于紅細胞最大程度地與外界進行物質交換。紅細胞膜作為紅細胞的基礎屏障,不僅維持了紅細胞的基本形態(tài),也保障了紅細胞的生理功能[4]。紅細胞膜還可以在不同濃度梯度滲透壓下實現(xiàn)可逆的膨脹和回縮,研究者利用該特性制備出相應的紅細胞藥物載體,具有如下優(yōu)勢[5]:(1)生物相容性好,安全可降解;(2)提高藥物安全性和機體耐受性;(3)延長藥物體內循環(huán)時間,發(fā)揮藥物緩釋作用,維持血液內藥物濃度。

基于對紅細胞藥物載體的不斷認識,研究者發(fā)現(xiàn)紅細胞膜表面存在的CD47分子可作為一種自識標記,避免紅細胞被巨噬系統(tǒng)內吞,延長紅細胞載體在人體內循環(huán)時間[6]。自2011年起,張良方團隊嘗試將紅細胞膜包裹在聚乳酸- 羥基乙酸共聚物(PLGA)納米粒表面制備出了一種新型紅細胞膜藥物輸送系統(tǒng)(RBC- NPs)[7]。低滲環(huán)境下紅細胞膜孔打開將內容的血紅蛋白釋出,得到的紅細胞膜經(jīng)過納米級大小孔隙的膜擠壓形成納米紅細胞小體,納米紅細胞小體和聚合物納米粒子再共同經(jīng)反復擠壓形成直徑約為80 nm的RBC- NPs。該RBC- NPs載體不僅保留了高分子納米材料良好的穩(wěn)定性和高效載藥能力,其外層覆蓋的紅細胞膜具有較好的生物相容性,可逃避自體免疫的識別攻擊,達到延長納米載體體內循環(huán)時間的目的。該團隊將抗腫瘤藥物多柔比星[8]分別負載入RBC- NPs以及用聚乙二醇(PEG)修飾的NPs內,與單純的多柔比星裸藥相比,無論是在藥物釋放率還是藥效方面,RBC- NPs載體較PEG- NPs及裸藥都顯示出其優(yōu)越性。傳統(tǒng)的PEG修飾納米粒能提高載體的親水性以及在體液內的穩(wěn)定性,卻會在二次給藥時出現(xiàn)加速血流清除現(xiàn)象(accelerated blood clearance,ABC)[9],該現(xiàn)象考慮與體內免疫系統(tǒng)在初次接觸PEG后產(chǎn)生了相應抗體有關,而RBC- NPs能很好規(guī)避這一問題。

基于腫瘤組織血管異常和易滲漏的特點,納米藥物載體通??赏ㄟ^被動靶向,即增強滲透和滯留效應(enhanced permeability and retention,EPR)到達腫瘤組織。為進一步提高藥物載體的靶向效率,主動靶向遞藥系統(tǒng)的研究受到關注。Fang等[10]在RBC- NPs模型的基礎上利用脂質嵌插的原理,在其表面連接能與腫瘤表面受體特異性結合的配體,包括短鏈的葉酸和長鏈的核仁素,以獲得更好的腫瘤靶向性。

1.2 單核- 巨噬細胞膜納米載藥系統(tǒng)

白細胞作為免疫細胞,包括單核細胞、淋巴細胞、嗜中性粒細胞、嗜酸粒細胞、嗜堿粒細胞。它們從造血干細胞分化后具備不同的能力,可向特定組織趨化并與炎癥部位發(fā)生反應。研究者利用白細胞的這些特點將其作為藥物載體運用到腫瘤、內分泌疾病、心血管疾病等多種疾病的治療中。

因為腫瘤組織代謝環(huán)境中脈管系統(tǒng)錯雜、間質高壓、組織缺氧、酸中毒[11]等情況,這在一定程度上阻礙了化療藥物的有效滲入和擴散,降低了藥物殺傷腫瘤細胞的效能。而白細胞載體可以通過識別腫瘤脈管系統(tǒng)中相關炎性分子標記物克服上述障礙將藥物靶向投遞到腫瘤部位[12]。單核- 巨噬細胞系統(tǒng)包括血液中的單核細胞和組織中固定或游走的巨噬細胞,是目前研究最多的白細胞藥物載體。通過單核- 巨噬細胞細胞膜上的α整聯(lián)蛋白和腫瘤細胞上的血管細胞黏附分子1(VCAM- 1)連接,實現(xiàn)了巨噬細胞作為運輸藥物“特洛伊木馬”與腫瘤細胞的高效結合[13]。Choi等[14]制備出巨噬細胞攜帶脂質體多柔比星載藥系統(tǒng)(macrophage- LP- Dox),該系統(tǒng)同時保留了巨噬細胞活性以及多柔比星的化學毒性,在裸鼠肺癌皮下瘤模型中有效抑制腫瘤的生長。近年來開發(fā)出的各類抗腫瘤療法包括化療、放療、靶向藥物治療、免疫療法等,其最終的效應大多是通過腫瘤相關巨噬細胞(tumor associated macrophages,TAM)功能實現(xiàn)的[15]。因此TAM也可成為載藥納米粒子的遞送載體,并對耐藥的腫瘤干細胞發(fā)揮重要治療作用[16]。

癌癥患者出現(xiàn)腫瘤遠處轉移往往意味其預后差、生存率低。目前針對晚期病人的治療仍以全身化療為主,那是否可以利用藥物遞送系統(tǒng)將治療藥物靶向至擴散位點,以期達到更好的抗腫瘤效果。中科院的研究者從能高表達α4和β1整聯(lián)蛋白的小鼠巨噬細胞系(RAW264.7)中分離出細胞膜,將其包覆在已裝載了抗腫瘤藥物的PH敏感性脂質體納米粒子外,構建出巨噬細胞膜包覆的曲妥珠單抗脂質體(MEL)[17- 18]。并在裸鼠乳腺癌肺轉移模型中證實MEL能對肺轉移灶特異性靶向,且顯示出較好的抑瘤能力,為腫瘤晚期轉移灶藥物治療載體的研究提供了新思路。

類比巨噬細胞,腫瘤反應性T細胞同樣有較好的靶向腫瘤能力,可檢測并攻擊轉移的腫瘤細胞??膳c負載的化療藥物協(xié)同發(fā)揮細胞抑制、抗血管生成等作用。此外T細胞作為載體輸入體內后可以形成自主工作系統(tǒng),并且有助于長期記憶T細胞的生成[19]。

1.3 干細胞載藥系統(tǒng)

干細胞是一類具有自我復制能力的多潛能細胞,其中間充質干細胞以及神經(jīng)干細胞是研究較多的兩種干細胞藥物載體[20- 21]。間充質干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)具有多向分化潛能,它易于體外獲取、分離、擴增。有研究表明,腫瘤組織可以誘導MSCs向其遷移[22- 23],這種趨化性考慮與腫瘤分泌的細胞因子和趨化因子相關。并且MSCs可以穿透血腦屏障,已被應用于腦部腫瘤治療[24]。因此,研究者嘗試用MSCs攝取納米粒子,幫助其逃脫免疫攻擊并實現(xiàn)對腫瘤部位的靶向遞送[20]。來自霍普金斯大學的研究者采用了一種基于化療藥物毒胡蘿卜內酯(thapsigargin)設計出的可被前列腺特異抗原(PSA)激活的大分子藥物前體G114,將其包裹在PLGA里,形成直徑約950 nm 的微球,將微球與間充質干細胞體外共孵育后納米粒子被吞噬形成間充質干細胞包裹的納米載藥系統(tǒng)(G114 MP- loaded MSCs)[25],并在CWR22腫瘤異體移植動物模型中證實其具有良好腫瘤靶向性和抗腫瘤效果。

惡性神經(jīng)膠質瘤有浸潤性高、生長位置特殊、對放化療不敏感等特點,患者的預后差,復發(fā)率較高。神經(jīng)干細胞(neural stem cell,NSC)對膠質瘤的親向性遷移這一現(xiàn)象為膠質瘤治療提供了思路。NSC與腦組織同源,其多向分化潛能可修復、替代因腫瘤而損傷或死亡的神經(jīng)組織,以NSC作為藥物載體的研究所涉及的治療藥物主要包括細胞因子、病毒顆粒、基質金屬蛋白酶和抗體等等。以NSC裝載腫瘤壞死因子相關凋亡誘導配體(tumor necrosis factor- related apoptosis- inducing ligand,TRAIL),在其他化療藥物或蛋白酶抑制劑的協(xié)同作用下,可以提高對膠質瘤細胞的抑制作用[26- 27]。

雖然圍繞干細胞藥物載體的研究得到廣大科學家的關注并取得一些突破,但若要將其應用到臨床腫瘤治療中,還面臨著許多問題。比如將抗腫瘤藥物負載入干細胞內是否會影響其固有特性,注射入體內的干細胞藥物載體會否促進腫瘤的轉移或者在一定條件下向腫瘤方向分化,這些難題亟待進一步探索解答。

1.4 其他類型生物膜載體

張良方教授團隊在提出紅細胞膜包裹PLGA納米載藥系統(tǒng)后又制備出血小板膜包裹PLGA納米顆粒新型載藥系統(tǒng)[28]。研究者先從血液中分離出血小板,由于血小板外側膜帶負電,PLGA納米粒子也帶負電,二者混合后因為靜電排斥得到“right- side- out”的結構,血小板上的各種蛋白質得以保留并朝向外側,使最終的體系同時具備納米粒子的載體特性以及血小板的活性[29]。血小板膜上存在高表達的P選擇素,它能與腫瘤細胞表面的CD44分子特異性結合。因此,利用血小板膜制備出的藥物載體具有較好的腫瘤靶向性[30]。

同樣,分布于血管內壁上的內皮細胞,因其良好的血液相容性,可以作為一種天然生物載體材料[31]。研究者用細胞松弛素B(cytochalasin B)處理收集到的內皮細胞能可逆地改變其細胞膜和細胞骨架的相互作用。熒光顯微鏡下觀察,處理后的內皮細胞細胞質發(fā)生萎縮,并于細胞周圍形成了多個圓形囊泡結構,經(jīng)過多次離心洗滌可獲得直徑約930 nm的細胞膜囊泡。1個內皮細胞可制備出50個左右的細胞膜囊泡,其表面帶負電荷,保留了內皮細胞膜上原有的蛋白質、脂質等結構。同時可將具有腫瘤親和力的核酸適配體AS1411連接于膜上,強化該載體的腫瘤靶向性。

許多腫瘤細胞表面的抗原具有同源或異源黏附性物質,如同源黏附的癌胚抗原和半乳糖凝集素3在腫瘤形成過程中發(fā)揮著聚集細胞的作用,而對微血管內皮的異源黏附和隨后的同源聚集是血源性腫瘤轉移的關鍵步驟。采用腫瘤細胞膜包裹納米粒制成新型腫瘤靶向載體(CC- NPs),通過細胞- 細胞之間的相互作用,CC- NPs 在腫瘤細胞的攝取量可達單純PLGA 納米粒的20 倍[32]。還有研究顯示由腫瘤細胞產(chǎn)生的微囊泡也可作為藥物運輸載體應用在腫瘤治療中[33]。

2 腫瘤靶向性生物膜納米載藥系統(tǒng)的應用

目前腫瘤的治療多圍繞“綜合模式”開展,運用多種治療手段對癌細胞實施打擊,縮小瘤體,控制轉移、復發(fā),改善患者的生存質量,延長生命時間。這類綜合治療方式包括化放療、熱療、光動力學治療、動脈灌注化療、射頻治療、生物免疫治療等。因此對新型藥物載體功能的開發(fā)也不應局限于單純遞送化療藥物,制備出多功能響應的藥物遞送載體才能為后期投入臨床應用打開局面。

光動力學治療是聯(lián)合應用光敏劑及相應光源通過光動力學反應選擇性破壞靶組織的一種治療方法。負載了過渡金屬用超高靈敏分光光度試劑(TPPS)的納米粒用干細胞膜包裹后遞送到骨肉瘤組織,在特定波長激發(fā)光的作用下可對局部病灶進行治療[34]。光熱治療方面,金納米粒子因其優(yōu)異的光熱轉換效應,利用紅細胞膜包裹的金納米粒子載藥系統(tǒng),在近紅外激光照射下,隨著溫度升高紅細胞膜表面孔隙打開,一方面可以直接消融腫瘤細胞,另一方面可以實現(xiàn)藥物在特定空間和時間的可控藥物釋放[35]。

納米級的磁性材料具有優(yōu)越的性能,在腫瘤的診斷、治療過程中發(fā)揮了重要的作用。間充質干細胞修飾的磁性氧化鐵納米顆粒具有低免疫原性、高度穩(wěn)定性、高腫瘤靶向性,在磁共振顯像技術的作用下可對腫瘤轉移進行示蹤研究[36]。

此外,還有 pH、溫度、氧化還原相關等多種多功能響應的載體可用于腫瘤治療。通過生物膜將各種組分整合到同一遞藥系統(tǒng)中的策略有利于克服腫瘤治療過程中面臨的障礙,并實現(xiàn)對腫瘤的早診斷、早治療。

3 結語與展望

隨著對生物膜納米載藥系統(tǒng)的深入研究,目前已成功實現(xiàn)納米給藥系統(tǒng)的體內長循環(huán)、腫瘤組織內大量聚集以及對腫瘤微環(huán)境刺激響應的釋放,這在一定程度上提高了抗腫瘤治療的有效性,減輕治療伴隨的毒副作用。但是這樣的載藥系統(tǒng)的制備多數(shù)還停留在實驗室階段,存在著材料以及生產(chǎn)工藝不成熟的問題。此外這些藥物載體是否能安全無害地應用于人體還有待進一步臨床試驗的探究。但是隨著生命科技不斷的進步,人類對腫瘤相關病理特征和特異性的生物標記物有更深入的認識,一定可以制備出完善可用的腫瘤靶向藥物遞送系統(tǒng),為腫瘤的預防、診斷和治療提供便利。

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2016- 11- 21

2017- 06- 22

南京市科技發(fā)展計劃項目(201503013);南京市衛(wèi)生局重點項目(zkx13022);江蘇省自然科學基金資助項目(BK20161107)

黃潔(1991-),女,江蘇常州人,在讀碩士研究生。E- mail:huangjie_1005@163.com

錢曉萍 E- mail:qianxiaoping211@hotmail.com

黃潔,章真,何小芳,等.腫瘤靶向性生物膜納米載藥系統(tǒng)的研究進展[J].東南大學學報:醫(yī)學版,2017,36(5):864- 868.

R914;TB383.1

A

1671- 6264(2017)05- 0864- 05

10.3969/j.issn.1671- 6264.2017.05.037

(本文編輯:何彥梅)

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