戈 偉,歐昌金,司偉麗,董曉臣,

(1.南京工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)材料研究院 江蘇省柔性電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210009; 2.南京信息工程大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院,江蘇 南京 210044)

近年來,腫瘤的發(fā)病率日益增高,嚴(yán)重威脅著人類的生命健康,并已成為我國主要的致死疾病之一[1-2]。目前,臨床上治療腫瘤的主要手段為手術(shù)、放療與化療[3]。手術(shù)通常是早期患者的首選治療方式,但對中晚期患者的治療效果有限[4];化療是一種全身性治療,但通常伴隨較大的毒副作用,如惡心、嘔吐、脫發(fā)、肝腎功能損傷等[5];放療是一種高效的局部療法,但其產(chǎn)生的輻射不可避免地會(huì)對腫瘤周圍的正常組織或造血功能產(chǎn)生損傷[3,6]。3種療法各有所長,在臨床治療中相互補(bǔ)充,但都無法根治腫瘤且無法保證患者的生存質(zhì)量。鑒于傳統(tǒng)療法的局限性,許多新興的微創(chuàng)療法被研究并用于腫瘤治療,如光動(dòng)力療法(PDT)[7]、光熱療法(PTT)[8]、化學(xué)動(dòng)力療法[9]、基因療法[10]和免疫療法[11]等。光動(dòng)力療法與光熱療法可統(tǒng)稱為光治療,分別通過光敏劑(PS)或光熱試劑吸收光能并產(chǎn)生有毒的活性氧物質(zhì)(ROS)或高熱來殺傷腫瘤細(xì)胞[12-14]?；瘜W(xué)動(dòng)力療法通過芬頓試劑在腫瘤區(qū)域發(fā)生芬頓反應(yīng),原位催化H2O2生成ROS進(jìn)而殺死腫瘤細(xì)胞[15]。這些新興療法具有微創(chuàng)、毒副作用小、治療效果好等優(yōu)點(diǎn),與傳統(tǒng)治療方式相互補(bǔ)充,在腫瘤治療領(lǐng)域有著獨(dú)特的地位。但不論是傳統(tǒng)的化療、放療試劑,還是新興療法的光敏劑、光熱試劑和芬頓試劑,它們在以分子形式給藥時(shí),由于缺乏靶向性,會(huì)通過血液循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)入全身組織和器官;另外,這些試劑通常存在水溶性差、生物相容性差、穩(wěn)定性差、血液清除率高和多藥耐藥性等缺點(diǎn),限制了它們的使用[16-17]。

納米技術(shù)的出現(xiàn)為這些問題的解決帶來了曙光。在生物醫(yī)療領(lǐng)域中,診療試劑納米化能夠提高它們的水溶性、穩(wěn)定性和靶向性[17-19]。由于腫瘤組織的異常增生等原因,與正常組織的血管相比,腫瘤區(qū)域的血管具有形狀不規(guī)則、彎曲、有漏洞等特點(diǎn)。尺寸為20～200 nm的納米藥物能有效地穿透腫瘤畸變血管,通過高通透性和長滯留效應(yīng)(EPR效應(yīng))進(jìn)入并累積在腫瘤區(qū)域[20]。與傳統(tǒng)的以自由分子形式存在的藥物相比,納米藥物在體內(nèi)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),如被動(dòng)靶向性、克服多藥耐藥性、更好的生物相容性和藥代動(dòng)力學(xué)參數(shù)等[21-24]。其中,自組裝技術(shù)制備的新型有效的抗腫瘤納米粒子更引起了科研人員的興趣[25-28]。自組裝指的是有機(jī)分子通過非共價(jià)的超分子作用力(親疏水作用、氫鍵、靜電作用、主客體作用、π-π堆積和范德華力)自發(fā)地聚集,形成穩(wěn)定聚集體。自組裝技術(shù)在制備抗腫瘤藥物方面顯示出極大的優(yōu)勢:① 由于驅(qū)動(dòng)力的非共價(jià)特性,自組裝制備納米粒子的合成通常方便快捷和綠色環(huán)保,有利于大規(guī)模的合成制備;② 非共價(jià)鍵較弱的相互作用力,使得多功能納米藥物容易在獨(dú)特的腫瘤微環(huán)境中發(fā)生解聚,展現(xiàn)出智能響應(yīng)性與靶向性等特征;③ 納米粒子功能多樣可調(diào),可以實(shí)現(xiàn)功能導(dǎo)向的納米材料的設(shè)計(jì),如多模式成像、腫瘤靶向、藥物可控釋放、協(xié)同治療等;④ 用于構(gòu)建納米粒子的基礎(chǔ)單元成分一般包括天然產(chǎn)物、內(nèi)源性的生物分子或金屬元素以及一些通過美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的藥物,這些組成對人體的生物相容性好、安全性高,有利于實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室成果進(jìn)入臨床再到工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)化。筆者介紹了用于腫瘤治療領(lǐng)域的單組分、雙組分與多組分自組裝納米顆粒的最新研究進(jìn)展,并對自組裝技術(shù)在納米藥物中的研究進(jìn)行展望。

1 單組分自組裝納米粒子

部分有機(jī)藥物分子同時(shí)具有疏水端與親水端,這類兩親性藥物在水中通過親疏水作用等超分子作用,傾向于將疏水端埋在內(nèi)部,當(dāng)親水性與疏水性達(dá)到平衡時(shí),形成有序、穩(wěn)定的納米粒子[29]。此外,有少部分非兩親性藥物由于本身獨(dú)特的結(jié)構(gòu),如大的共軛平面等,其自身可以通過π-π堆積、疏水作用等形成水溶性納米聚集體。由于大部分診療試劑是疏水的,將疏水藥物通過共價(jià)修飾親水官能結(jié)構(gòu)端變?yōu)閮捎H性藥物,因此單組分自組裝納米粒子可以分為本身具有治療性能的藥物自組裝制得的納米粒子和需要通過共價(jià)修飾將藥物變?yōu)閮捎H性分子再自組裝形成的納米粒子。由于大部分藥物具有疏水性,將需共價(jià)修飾的藥物細(xì)分為藥物-非藥物、藥物-藥物共價(jià)連接的單組分自組裝納米粒子。

1.1 藥物本身自組裝納米粒子

使用已有的或商業(yè)化的臨床藥物自組裝制備的納米粒子極具吸引力,這樣可以避免冗繁的有機(jī)合成且藥物的安全性等有相對完善的評估驗(yàn)證。有些藥物由于自身具有大的共軛結(jié)構(gòu),可以在特定條件下生成H-聚集體或J-聚集體等有序自組裝結(jié)構(gòu),如喜樹堿(CPT)、吲哚菁綠(ICG)、IR825等[30-31]。ICG作為臨床上診斷肝功能相關(guān)疾病的造影劑,因具有大的共軛體系、較好的近紅外吸收和光熱特性,常用于光熱治療研究。據(jù)報(bào)道,通過熱處理可以獲得ICG的J-聚集體[32]。Liu等[33]通過簡單綠色的方法得到了ICG的單組分納米J-聚集體,被細(xì)胞攝取之后又可以重新分解成ICG,與自由分子形式的ICG相比,獲得的納米粒子在水相中更穩(wěn)定、生物利用度高、生物相容性和治療效果更好?；瘜W(xué)合成中常見的改善疏水物質(zhì)親水性的方法有引入親水的官能團(tuán),如羧基、羥基、氨基等。如圖1所示,Li等[34]將氨基引入鋅酞菁(PcA)染料中以提高該染料水溶性,此外,由于氨基的孤對電子與酞菁大環(huán)之間容易發(fā)生光致電子轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致ROS猝滅,因此在氨基與酞菁共軛大環(huán)間引入亞甲基進(jìn)行隔離,有效地抑制了光致電子轉(zhuǎn)移,獲得了Ⅰ型光動(dòng)力納米材料,通過電子轉(zhuǎn)移生成ROS,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)光動(dòng)力療法因乏氧而影響治療效果等缺陷。

ISC—intersestem crossing process;R—various substrates could react with PS to form ROS;type Ⅰ—eleclron transfer or hydrogen atom abstraction;type Ⅱ—direct energy transfer圖1 氨基-酞菁分子結(jié)構(gòu)及其自組裝納米粒子Ⅰ型光動(dòng)力療法原理示意圖 [34]Fig.1 Molecular structure of PcA and self-assembled nanoPcA, and the schematic diagram of type Ⅰ PDT mechanism [34]

此外,在聚乙二醇(PEG)、聚(乳酸-乙醇酸)共聚物(PLGA)等表面活性劑的輔助下,疏水分子能夠自組裝獲得水分散性好的納米粒子[35]。筆者所在課題組基于氟硼二甲基吡咯(BODIPY)和吡咯并吡咯二酮(DPP)母核結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)并開發(fā)了系列光治療試劑,通過光動(dòng)力療法和光熱療法的協(xié)同作用,展現(xiàn)出優(yōu)異的抗腫瘤性能[7,36]。將血管生成抑制劑與BODIPY結(jié)合得到小分子氟硼二甲基吡咯衍生物(BDPVDA)以及將二異丙基氨基(PPDA)引入PEG得到了聚合物mPEG-PPDA,通過mPEG-PPDA與BDPVDA相互作用自組裝制得納米粒子PBV NPs。一方面,由于核殼間的電子轉(zhuǎn)移,在近紅外光照的情況下,PBV NPs可以有效地發(fā)生Ⅰ型光動(dòng)力過程,產(chǎn)生超氧陰離子,殺傷腫瘤細(xì)胞;另一方面,酯鍵水解釋放出血管生成抑制劑破壞血管,從而進(jìn)一步抑制腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散。細(xì)胞與活體實(shí)驗(yàn)研究表明,不論在乏氧還是常氧環(huán)境下,該納米材料都能有效地殺傷腫瘤細(xì)胞和抑制血管生成[36]。

1.2 藥物-非藥物共價(jià)連接的自組裝納米粒子

非藥物指的是不具備治療和藥理性能的成分,這類成分常是一些親水的、生物相容性好的寡聚物、聚合物、生物分子或親水的官能團(tuán)等,它們在人體內(nèi)容易降解且不會(huì)引起激烈的免疫反應(yīng)及產(chǎn)生毒副作用。常見的非藥物材料主要有三甘醇、聚乙二醇及其衍生物、聚丙烯酸及其衍生物、各種多糖、糖苷等[37-42]。Chen等[42]將三甘醇引入熒光染料Aza-BODIPY,得到具有兩種聚集態(tài)的兩親性Aza-BODIPY光熱分子,該分子可以在溶液中自組裝形成亞穩(wěn)態(tài)納米纖維,延長了Aza-BODIPY在血液中的循環(huán)時(shí)間。而在光照條件下,隨著溫度的升高,納米纖維逐漸轉(zhuǎn)變成熱力學(xué)更穩(wěn)定的納米球,實(shí)驗(yàn)證明納米球比納米纖維具有更強(qiáng)的穿透能力,從而深層腫瘤得以治療。這兩種納米形態(tài)的樣品具有不同的光譜吸收和光聲信號(hào),可以通過監(jiān)測光聲信號(hào)的變化來檢測形態(tài)的轉(zhuǎn)換。

此外,將多肽、核酸、蛋白質(zhì)等生物分子作為親水段連接到疏水藥物上的研究也層出不窮,有大量關(guān)于各種基于生物分子的多功能自組裝納米粒子的報(bào)道[43-46]。Tan等[45]設(shè)計(jì)合成了DNA與CPT連接的可以自組裝形成納米粒子的兩親性分子,在光照條件下,該DNA-CPT納米粒子可以脫落DNA外殼,釋放出小分子藥物,且驗(yàn)證了重新釋放的CPT藥物具有和自由藥物分子同樣的治療效果。為解決光動(dòng)力療法中光敏劑的光漂白和全身毒性問題,Jia等[47]將酞菁光敏劑與多肽共價(jià)連接的兩親物在生理鹽水中自組裝,得到聚集態(tài)納米粒子,該納米粒子可以抑制光敏劑的熒光與ROS的生成。而在腫瘤特殊的微環(huán)境條件下,納米粒子又重新分解為多個(gè)單體酞菁光敏劑,恢復(fù)了熒光與ROS生成能力,從而減少了光敏劑脫靶和光漂白等問題的產(chǎn)生。生物分子除了本身具有親水性,進(jìn)入體內(nèi)也可履行特定的生物功能,如透明質(zhì)酸(HA)可以特異性地結(jié)合腫瘤細(xì)胞表面過表達(dá)的CD44受體用于靶向[48]。類似的,親水環(huán)多肽RGD可以與腫瘤細(xì)胞膜上過表達(dá)的整合蛋白αvβ3結(jié)合,實(shí)現(xiàn)主動(dòng)靶向的功能,Ji等[49]將疏水化療藥CPT、光敏劑吲哚菁染料Icy5和具有靶向性的親水環(huán)多肽RGD三者共價(jià)結(jié)合,獲得了具有增強(qiáng)光動(dòng)力、化療、活體成像、深層腫瘤治療的多功能一體化自組裝納米藥物。由于聚集導(dǎo)致的更高的系間竄越率,納米粒子具有更高的單線態(tài)氧量子產(chǎn)率,產(chǎn)生的ROS可以有效地將納米粒子變小,用于深層治療,且經(jīng)過酯酶水解酯鍵釋放出CPT進(jìn)行化療,達(dá)到協(xié)同治療的目的(圖2)。

圖2 Icy5-CPT-RGD的分子結(jié)構(gòu)式及其自組裝形成的光療納米藥物(PTN)在光照條件下的藥物釋放示意圖[49]Fig.2 Molecular structure of Icy5-CPT-RGD and schematic diagram of drug release of self-assembled PTN under light condition [49]

1.3 藥物-藥物共價(jià)連接的自組裝納米粒子

將親水藥物作為親水端引入疏水藥物中得到兩親性藥物,展現(xiàn)出藥物的協(xié)同作用[50-52]。新獲得的多功能分子具有獨(dú)特的性能,且連接兩個(gè)藥物的通常是在腫瘤微環(huán)境中易于斷裂重新變成兩種藥物的鍵,如酯鍵、二硫鍵等,多功能一體化納米藥物能夠解決多藥耐藥性和生物相容性差等問題,且藥物進(jìn)入體內(nèi)后可以重新分解成兩個(gè)具有抗腫瘤活性的藥物分子并各自發(fā)揮治療作用,獲得較單體藥物更好的治療效果[53-56]。

目前,常見的自組裝方法是將疏水藥與親水抗腫瘤藥物通過酯鍵或二硫鍵等連接,獲得在水溶液中可以自組裝且具有兩親性的新型前藥分子。在自組裝納米粒子研究中疏水端常使用的藥物有CPT、苯丁酸氮芥(Cb)、苯達(dá)莫司汀(BdM)、紫杉醇(PTX)等,親水端常用的藥物有吉西他濱(Gem)、伊立替康(Ir)、氟脲嘧啶(FUDR)、氨甲葉酸(MTX)、阿糖胞苷(Ara-C)等,圖3中列出了幾種有代表性的用于自組裝制備納米粒子的藥物-藥物偶聯(lián)分子[57-61]。Sun等[59]通過可生物降解的酯鍵將親水化療藥FUDR和疏水的天然中藥土荊皮乙酸(PAB)結(jié)合,一步合成出能在水中自組裝成納米粒子的FUDR-PAB前藥分子。PAB作為天然的中草藥成分,具有抑制血管生成的作用,可以阻斷對腫瘤細(xì)胞供給O2和營養(yǎng)物質(zhì),對腫瘤細(xì)胞有顯著的毒性并能抑制其轉(zhuǎn)移。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,FUDR-PAB納米粒子具有化療和抑制血管生成的作用,且對耐藥細(xì)胞具有較高的抗腫瘤效果。

2 雙組分與多組分自組裝納米粒子

雙組分和多組分自組裝納米粒子為納米復(fù)合物,即由兩種或多種不同分子或離子通過氫鍵、π-π堆積、疏水作用等超分子作用力,按特定的幾何結(jié)構(gòu)形成的多功能納米顆粒。這類自組裝納米粒子的構(gòu)建成分豐富多樣,理論上這類自組裝納米粒子有無限的組合方式,可靈活設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)以及功能導(dǎo)向的多功能納米藥物,如,將化療藥物與光療試劑(光敏劑或光熱試劑)相結(jié)合構(gòu)筑的納米診療平臺(tái),可以實(shí)現(xiàn)成像介導(dǎo)的化療-光療協(xié)同腫瘤治療。這種多功能納米粒子的制備無需化學(xué)合成,因此藥物篩選方便快捷。根據(jù)不同納米粒子常見組成成分的突出特點(diǎn),可以將雙組分與多組分自組裝納米粒子分為四大類,分別為共軛體系復(fù)合物自組裝納米粒子、有機(jī)金屬復(fù)合物自組裝納米粒子、大環(huán)主客體復(fù)合物自組裝納米粒子和生物分子相關(guān)復(fù)合物自組裝納米粒子。

圖3 已報(bào)道的部分自組裝制備納米粒子的疏水藥物-親水藥物偶聯(lián)分子結(jié)構(gòu)式[57-61]Fig.3 Molecular structures of hydrophobic drug-hydrophilic drug coupling that have been reported for preparing nanoparticles via self-assembly[57-61]

2.1 共軛體系復(fù)合物自組裝納米粒子

該體系自組裝納米粒子的顯著特點(diǎn)是組成成分具有芳香環(huán)和大共軛結(jié)構(gòu),主要以氫鍵、π-π堆積、疏水作用和靜電作用等超分子作用力自組裝形成納米粒子。目前,臨床常用的有機(jī)藥物分子常含有親水基團(tuán),如羧基、氨基、羥基、氨基和(雜)芳香環(huán)共軛體系,不同的藥物之間可以通過超分子弱作用形成納米復(fù)合物,而且藥物間不是通過共價(jià)鍵連接,不影響藥物在體內(nèi)的生理活性,將不同功能的藥物組合到一起,獲得多功能的自組裝藥物[62-64]。此外,化療藥除了能有效地殺傷增殖過快的腫瘤細(xì)胞,還可以作為增敏劑使細(xì)胞對其他藥物更敏感,聯(lián)合不同治療的藥物達(dá)到協(xié)同治療的目的[65-67]。

多藥耐藥性、腫瘤組織的乏氧環(huán)境、氧化-還原環(huán)境等諸多因素限制了藥物的化療作用的發(fā)揮。因此,可以針對單一藥物存在的問題,通過自組裝方式制備功能互補(bǔ)的多功能納米藥物,實(shí)現(xiàn)協(xié)同治療的目的。例如,多藥耐藥性與細(xì)胞內(nèi)P糖蛋白表達(dá)升高有關(guān),因而將P糖蛋白抑制劑與化療藥組合制備多功能納米粒子,可以有效提高藥物的濃度和攝取,改善化療效果。此外,不同化療藥自組裝制得的納米粒子也可降低對單化療藥的多藥耐藥性,Zhao等[68]以10-羥基喜樹堿(HCPT)和阿霉素(DOX)為構(gòu)建模塊,通過π-π堆積制得水溶性的納米粒子HD NPs,與自由分子HCPT相比,其溶解性提高了50倍,延長了藥物在體內(nèi)的循環(huán)時(shí)間,且細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明HD NPs可以減少耐藥細(xì)胞MCF-7R的P糖蛋白引起的DOX泵出,使DOX在耐藥細(xì)胞中的滯留量提高了兩倍,對耐藥細(xì)胞MCF-7R也具有殺傷作用。

對于光動(dòng)力治療,限制其對腫瘤治療作用發(fā)揮的主要原因是瘤內(nèi)的乏氧問題,該問題可以通過增大O2含量、減少O2消耗和使用乏氧響應(yīng)藥物來解決,其中增大局部O2含量的途徑有直接輸運(yùn)O2到腫瘤區(qū)域和原位催化生成O2等,減少O2消耗有從細(xì)胞線粒體呼吸鏈出發(fā)抑制代謝等。Fan等[69]利用自組裝技術(shù)將維替泊芬(VER,二代卟啉光敏劑,能選擇性進(jìn)入不正常血管)和阿托伐醌(ATO,線粒體呼吸抑制劑,能降低耗氧量，緩解乏氧,無細(xì)胞毒性)結(jié)合到一起,制得具有靶向選擇性的增強(qiáng)光動(dòng)力治療試劑。該納米粒子與細(xì)胞共同孵育后,細(xì)胞的乏氧環(huán)境得到改善,在光照條件下對腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出顯著的光毒性,且活體實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了完全的腫瘤消除(圖4)。替拉扎明(TPZ)是一種乏氧響應(yīng)性化療前藥且可用作化療增敏劑,因此,針對腫瘤微環(huán)境的乏氧特征,Song等[70]利用PEG修飾的光敏劑Ce6(Ce6-PEG)自組裝包裹TPZ,制得納米粒子(圖5);又由于低密度脂蛋白(LDLR)在乏氧細(xì)胞上過表達(dá),可作為乏氧腫瘤細(xì)胞的靶點(diǎn)與anti-LDLR特異性結(jié)合,將anti-LDLR進(jìn)一步修飾到前一步自組裝制得的納米粒子上得到乏氧響應(yīng)的多功能納米粒子,并命名為CPTA,CPTA既具有Ce6的光熱與光動(dòng)力性能,又具有TPZ的乏氧響應(yīng)性、化療與放療增敏的作用以及anti-LDLR的乏氧靶向等能力。有趣的是,在進(jìn)行光動(dòng)力治療的同時(shí)會(huì)進(jìn)一步惡化乏氧情況,并同時(shí)提高了TPZ的乏氧化療能力。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)都表明CPTA具有光動(dòng)力、光熱、化療和放療的協(xié)同治療能力,有臨床治療的價(jià)值。

圖4 VER、ATO和其自組裝納米粒子的結(jié)構(gòu)簡圖以及ATO緩解乏氧的機(jī)制[69]Fig.4 Structure diagram of VER, ATO and self-assembly nanoparticles and the mechanism of relieving ATO hypoxia[69]

圖5 Ce6-PEG自組裝包覆TPZ后修飾anti-LDLR制得的納米粒子CPTA及其相關(guān)測試和治療示意圖[70]Fig.5 Self-assembly of Ce6-PEG then co-assembly of anti-LDLR to obtain CPTA and schematic diagram of the application of CPTA in therapy[70]

光熱治療通過光熱試劑產(chǎn)生高熱來殺傷腫瘤細(xì)胞,不同試劑產(chǎn)生熱的機(jī)制不同,如一些金屬納米粒子通過表面等離子體共振產(chǎn)生熱[71],而有機(jī)分子則通過非輻射躍遷的振動(dòng)弛豫釋放熱能,且激發(fā)態(tài)分子還可以通過發(fā)射熒光和系間竄越到三線態(tài)激發(fā)態(tài)等方式釋放過多的能量,因此,提高光熱治療效率的策略之一為抑制熒光等釋放能量,使更多的能量通過熱輻射的方式釋放[72]。Li等[73]報(bào)道了兩種酞菁染料衍生物(PcS4和PcN4)的超分子自組裝,制得的PcS4-PcN4納米粒子具有完全的熒光猝滅、減少ROS產(chǎn)率和極好的光熱等性能,且其產(chǎn)生的光聲信號(hào)能用于腫瘤區(qū)域的可視化等檢測。此外,合理構(gòu)建給體-受體超分子體系，調(diào)控其整體光譜吸收也可以獲得高性能的光熱材料。Xiang等[74]報(bào)道了二苯并四硫富瓦烯(DBTTF)作為電子給體,四氰苯(TCB)作為電子受體自組裝制備了共晶,并命名為DTC,由于給體和受體之間存在強(qiáng)烈的電荷轉(zhuǎn)移作用,相較于DBTTF和TCB,DTC光譜吸收會(huì)紅移至近紅外區(qū)域,表現(xiàn)出優(yōu)異的近紅外光熱性能。

除了以上增強(qiáng)單一療法的自組裝納米粒子,將不同療法的藥物自組裝制成具有協(xié)同治療作用的納米粒子也是研究熱點(diǎn),如結(jié)合傳統(tǒng)化療與新興的光治療等[75-76]。Chen等[76]將線粒體靶向的化療藥AIE-Mito-TPP和溶酶體靶向的光敏劑AlPcSNa4通過靜電作用自組裝獲得亞細(xì)胞器雙靶向的納米粒子。該納米粒子被細(xì)胞攝取后解離并分別聚集到線粒體和溶酶體上,并各自發(fā)揮功能,損傷線粒體和溶酶體,造成細(xì)胞死亡。有趣的是,自組裝制得的納米粒子熒光發(fā)生猝滅,在細(xì)胞內(nèi)解離之后又可以恢復(fù)熒光用于輔助診療成像。Wei等[77]報(bào)道了將抗血管生成藥物索拉菲尼(sorafenib)與Ce6結(jié)合制得了多功能協(xié)同治療的納米粒子SC NPs,SC NPs具有抗血管生成、阻斷營養(yǎng)供給、光動(dòng)力、光熱治療以及熒光成像等性能。在治療過程中,Ce6會(huì)進(jìn)一步消耗O2,放大饑餓療法。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)表明SC NPs具有很好的生物相容性且能有效殺傷腫瘤細(xì)胞,有望用于臨床治療。

2.2 有機(jī)金屬復(fù)合物自組裝納米粒子

由于N、O、S等元素在藥物分子或氨基酸中廣泛存在,并且它們與大部分金屬陽離子具有優(yōu)良的配位能力,已有許多有機(jī)金屬復(fù)合物藥物通過FDA審批用于臨床治療腫瘤,如順鉑、奧沙利鉑等,用自組裝技術(shù)將其制成納米粒子并研究金屬復(fù)合物納米粒子在抗腫瘤中的應(yīng)用也廣受關(guān)注[78-80]。有機(jī)金屬復(fù)合物自組裝納米粒子主要通過金屬配位鍵作用而成,其通常由中心金屬元素與配體組成。在人體內(nèi)具有生物活性或生物相容性好、無免疫反應(yīng)的常見金屬元素有Fe、Mn、Cu、Pt和Au等[81-82]。除了具備生物活性的金屬中心離子,配體本身的成像或抗腫瘤特性也可能使得整個(gè)納米粒子具有成像或抗腫瘤性能。此外,形成的金屬復(fù)合物由于配體與金屬離子間的電荷轉(zhuǎn)移,其整體光譜吸收一般會(huì)發(fā)生紅移,有利于用于近紅外區(qū)域的光治療研究。

作為人體必需的微量元素,Fe元素在人體內(nèi)具有獨(dú)特的生物活性,它還可以作為芬頓試劑催化H2O2生成ROS,氧化損傷細(xì)胞,因此關(guān)于Fe3+的金屬復(fù)合物自組裝納米粒子一直是研究熱點(diǎn)[83-85]。筆者所在課題組利用羥基修飾的BODIPY染料(BDP-4OH)與Fe3+配位形成的納米粒子(BDP-Fe NPs),具有催化芬頓反應(yīng)生成ROS的能力、高的光熱轉(zhuǎn)換效率和二區(qū)光聲成像等性質(zhì)。體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)表明,BDP-Fe NPs具有協(xié)同光熱和化學(xué)動(dòng)力治療的性質(zhì),能有效地殺傷腫瘤細(xì)胞(圖6)[9]。

圖6 BDP-Fe NPs的合成路線及其通過CDT、PTT協(xié)同作用殺傷細(xì)胞的機(jī)制示意圖[9]Fig.6 Synthetic route and schematic diagram of BDP-Fe NPs by synergy with PTT and CDT to kill cells [9]

此外,Cu2+、Mn2+也可以催化H2O2進(jìn)行類芬頓反應(yīng)用于化學(xué)動(dòng)力治療[86-87]。Ma等[86]報(bào)道了Cu2+與半胱氨酸(Cys)配位自組裝制備得到了納米粒子Cu-Cys NPs,該納米粒子被細(xì)胞攝取后Cu2+能被腫瘤細(xì)胞內(nèi)過高的谷胱甘肽(GSH)還原為Cu+,生成的Cu+可以進(jìn)行高效的類芬頓反應(yīng)生成ROS,又由于消耗了還原性的GSH,放大了氧化應(yīng)激,Cu-Cys NPs能有效地造成細(xì)胞的氧化損傷,且體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明該納米粒子能有效地抑制耐藥乳腺腫瘤細(xì)胞且無明顯的全身毒性。與Cu2+類似,Mn2+也具有類芬頓性能,且可以作為造影劑用于核磁共振成像(MRI),Zhang等[87]利用氨基酸(Fmoc-L-亮氨酸)和Mn2+較好的配位能力,將光敏劑Ce6封裝到和Mn2+自組裝的超分子體系內(nèi),獲得水溶性納米粒子。該納米粒子被腫瘤細(xì)胞攝取后,可以對細(xì)胞內(nèi)過高水平的GSH響應(yīng)性解離并釋放Mn2+,催化芬頓反應(yīng),殺傷腫瘤細(xì)胞,同時(shí)用于MRI診療成像(圖7)。

圖7 Mn2+與氨基酸自組裝包封Ce6制得納米粒子及其治療與成像示意圖[87]Fig.7 Schematic diagram of therapy and imaging of nanoparticles prepared by self-assembly of manganese ions and amino acids in Ce6[87]

2.3 大環(huán)主客體復(fù)合物自組裝納米粒子

主客體復(fù)合物是指滿足鎖與鑰匙原理的主體與客體通過超分子作用力結(jié)合起來的超分子復(fù)合物,研究主客體復(fù)合物在生命科學(xué)領(lǐng)域有著重要的意義。隨著冠醚、瓜環(huán)、環(huán)糊精等親水大環(huán)化合物的快速發(fā)展,出現(xiàn)了大量關(guān)于大環(huán)主客體自組裝復(fù)合物的研究[27]。與大環(huán)主客體復(fù)合相關(guān)的因素有主客體的大小及形狀等。大環(huán)化合物一般具有疏水性的空腔,客體的選擇多樣,可以是金屬離子、苯環(huán)、烷基鏈、多糖或氨基酸等。大環(huán)主客體復(fù)合物納米粒子在腫瘤治療方面具有許多優(yōu)勢,如提高疏水藥物的穩(wěn)定性、水溶性與延長體內(nèi)循環(huán)時(shí)間等,此外,促進(jìn)主客體自發(fā)復(fù)合的作用力(如pH、氧化還原條件等)在腫瘤獨(dú)特的微環(huán)境中易于被擾亂,可以在腫瘤區(qū)域有選擇性地釋放出藥物[88-91]。圖8中列出了幾種常見的大環(huán)分子(葫蘆脲、環(huán)糊精、杯芳烴)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和模型示意圖。大環(huán)分子杯芳烴與藥物自組裝形成大環(huán)主客體納米復(fù)合物用于腫瘤治療，具有提高藥物穩(wěn)定性、水溶性、選擇性等性能(圖9)[27,89]。Zhao等[88]通過大環(huán)主客體復(fù)合物共負(fù)載光敏劑BODIPY與ROS的響應(yīng)性化療前藥PTX,且負(fù)載的比例可以調(diào)控,在近紅外光照下可以有效地生成ROS,并且活化前藥釋放PTX,進(jìn)行光動(dòng)力與化療協(xié)同治療(圖10)。

2.4 生物分子相關(guān)復(fù)合物自組裝納米粒子

圖8 大環(huán)分子葫蘆脲、環(huán)糊精、杯芳烴的分子結(jié)構(gòu)和模型示意圖[27]Fig.8 Molecular structure and model diagram of cucurbit[n]urils, cyclodextrins and calix[n]arenes[27]

圖9 大環(huán)主客體復(fù)合物自組裝制備納米粒子的過程示意圖及其優(yōu)點(diǎn)[89]Fig.9 Schematic diagram of self-assembly nanoparticles prepared by macrocyclic host guest complexes and its advantages[89]

圖10 聚合物、BODIPY、前藥的分子結(jié)構(gòu)式以及自組裝形成納米粒子的過程示意圖[88]Fig.10 Molecular structures of the polymer, BODIPY,the resulted prodrug,and schematic diagram for self-assembly process of the nanoparticles [88]

生物分子(如蛋白質(zhì)、核酸等)是一類存在于生物體內(nèi)的可以用于構(gòu)建納米粒子的特殊天然材料,將它們作為構(gòu)建模塊一般具備極佳的生物相容性和低的免疫反應(yīng)性。超分子自組裝在生物體內(nèi)也隨處可見,生物分子可以通過氫鍵或其他超分子作用力輕易地自組裝形成復(fù)合物。目前已有許多關(guān)于蛋白質(zhì)、核酸自組裝納米材料的報(bào)道[92-94]。作為體內(nèi)重要的遺傳物質(zhì),DNA由4種含氮堿基的脫氧核苷酸組成,兩條互補(bǔ)的DNA鏈可以通過堿基識(shí)別以氫鍵的方式形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。Mou等[95]設(shè)計(jì)并合成了特定序列的載藥DNA互補(bǔ)鏈并通過DNA堿基配對自組裝獲得不同結(jié)構(gòu)的納米藥物,并且獲得的納米藥物載藥比例與形貌可控,體內(nèi)體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該“特洛伊木馬”納米載藥體系能比自由藥物分子形式的氟脲苷具有更好的治療效果,且在所有形貌中,巴基球形貌的自組裝藥物比其他結(jié)構(gòu)(如四面體等)具有更好的抗腫瘤作用(圖11)。作為人血清內(nèi)含量最多的蛋白質(zhì),人血清白蛋白相關(guān)的載藥研究層出不窮。Chen等[96]報(bào)道了一種pH響應(yīng)的近紅外染料能夠促進(jìn)人血清白蛋白自組裝形成納米粒子HSA-Croc NPs。隨著pH的減小,該納米粒子在810 nm處的光吸收增強(qiáng),同時(shí)在680 nm處的光吸收減弱,可產(chǎn)生兩種光聲信號(hào)并用于腫瘤pH檢測的探針中。此外,將其作為pH響應(yīng)的光熱試劑也能有效地殺傷腫瘤。

3 總結(jié)與展望

超分子自組裝,尤其是雙組分或多組分自組裝,展現(xiàn)出靈活且便捷的優(yōu)勢,自組裝技術(shù)制備納米粒子為腫瘤治療提供了新的策略。筆者總結(jié)了用于腫瘤治療的自組裝納米顆粒領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展,包括它們的分類、應(yīng)用以及設(shè)計(jì)思路等。目前,治療腫瘤的手段和藥物有很多，然而單一的療法常有其局限性,因此,需要根據(jù)藥物的作用機(jī)制和腫瘤微環(huán)境,將不同功能的藥物自組裝形成多功能納米粒子,通過多模式協(xié)同抗腫瘤作用,提高腫瘤治療效率。盡管自組裝納米顆粒在腫瘤治療方面具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)且已經(jīng)有大量的相關(guān)研究,但目前仍存在許多挑戰(zhàn)。首先,仍需研發(fā)更智能、更安全、更高效的多功能一體化腫瘤診療試劑,在已有藥物基礎(chǔ)上應(yīng)用自組裝技術(shù)制得易于推進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化的高效藥物將十分有意義。此外,仍應(yīng)開發(fā)新的高性能診療藥物,自組裝納米粒子的構(gòu)建模塊會(huì)影響整體的性能,即所使用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元越優(yōu)異,獲得的納米顆粒性能就越好,并可能出現(xiàn)更多的自組裝組合。如今,關(guān)于治療腫瘤藥物的研究越來越多,許多藥物具有大的共軛體系、富含羥基和羧基等有利于超分子自組裝的構(gòu)型或基團(tuán),自組裝技術(shù)在納米藥物中的應(yīng)用必將為腫瘤的治療做出巨大的貢獻(xiàn)。

圖11 氟脲苷-磷酰胺的合成路線以及載氟脲苷的特定序列的DNA通過堿基配對自組裝形成納米粒子[95]Fig.11 Synthesis route of fluorourea glycoside-phosphoramide and the process of self-assembly fluorourea glycoside containing DNA by base pairing[95]