王裕,袁巍丹,李開菊,張健夫,耿佳
(四川大學(xué)華西醫(yī)院實驗醫(yī)學(xué)科 生物治療國家重點實驗室,四川 成都 610041)
藥物在機體內(nèi)需通過細(xì)胞膜才能發(fā)揮作用,其跨膜轉(zhuǎn)運受多種因素影響,如藥物親水/脂性等自身理化性質(zhì),靶標(biāo)部位的生理特征等。藥物的跨膜轉(zhuǎn)運方式可分為主動運輸和被動運輸。主動運輸是指藥物逆電化學(xué)梯度的跨膜轉(zhuǎn)運,特異性蛋白選擇性識別藥物并允許藥物通過,且需要消耗能量。主動運輸可分原發(fā)性和繼發(fā)性2種。原發(fā)性主動運輸直接將能量用于物質(zhì)的跨膜運輸,一般ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運體介導(dǎo)的外排轉(zhuǎn)運屬于原發(fā)性主動運輸,如普伐他?。╬ravastatin)[1]。繼發(fā)性主動運輸并不直接消耗能量,而是通過由原發(fā)性主動運輸產(chǎn)生的化學(xué)梯度來達(dá)到轉(zhuǎn)移物質(zhì)的目的,一般溶質(zhì)轉(zhuǎn)運體介導(dǎo)的攝入轉(zhuǎn)運屬于繼發(fā)性主動運輸,如二甲雙胍(metformin)[2]。被動運輸是基于細(xì)胞膜的半透性而不消耗能量的一種順濃度梯度轉(zhuǎn)運。被動運輸又分為水溶性擴散、簡單擴散和易化擴散。水溶性擴散是藥物分子借助于流體靜壓或滲透壓隨體液通過細(xì)胞膜的水性通道而進行的跨膜轉(zhuǎn)運,如維生素C鈉[3];簡單擴散是指脂溶性藥物溶解于細(xì)胞膜的脂質(zhì)層,順濃度差通過細(xì)胞膜,如脂肪酸(fatty acid)[4];易化擴散不需要能量,不能逆電化學(xué)差轉(zhuǎn)運,但其需要載體,如硫胺素(thiamine)通過細(xì)菌吡啶核苷酸攝取(pyridine nucleotide uptake,Pnu)家族的PnuT轉(zhuǎn)運蛋白而吸收[5]。除了被動運輸和主動運輸,還存在膜動轉(zhuǎn)運,某些液態(tài)蛋白質(zhì)或大分子物質(zhì),可通過生物膜的內(nèi)陷形成小胞吞噬進入胞內(nèi),如腦垂體后葉粉(powdered posterior pituitary)。
藥物在生物體內(nèi)運輸過程中,不可避免地會涉及諸如穩(wěn)定性差、半衰期短和難溶于水或難溶于脂質(zhì)等問題[6]。藥物載體作為能將藥物裝載后作用于靶細(xì)胞/組織的工具,能夠解決上述部分問題。理想的藥物載體應(yīng)具有以下特點:1)沒有毒性,對人體無副作用;2)能降解、排泄,不會殘留于人體中;3)對靶細(xì)胞/組織具有高親和性和特異性;4)在轉(zhuǎn)運過程中不致藥物失活,能將藥物轉(zhuǎn)運到作用部位以產(chǎn)生藥理作用。但傳統(tǒng)藥物載體都是藥物分子被動地裝載在載體中,因此大部分藥物載體存在藥物包裹率低、易滲漏的問題[7]。自組裝結(jié)構(gòu)作為一種簡單、自發(fā)、可擴展和多功能的納米材料,具有彌補傳統(tǒng)藥物載體缺點的潛力。自組裝是指分子的無序?qū)嶓w自發(fā)地排列成有序結(jié)構(gòu)[8],能否實現(xiàn)自組裝一方面取決于基本結(jié)構(gòu)單元的特性,另一方面取決于非共價鍵的弱相互作用力的協(xié)同作用[9]。自組裝藥物跨膜轉(zhuǎn)運的設(shè)計策略有2種方式,其一是自組裝的材料在水性環(huán)境下,自組裝成囊泡、納米顆粒、膠束和納米海綿等,并負(fù)載藥物通過胞吞或轉(zhuǎn)運蛋白協(xié)助轉(zhuǎn)運等方式進入細(xì)胞,然后釋放藥物發(fā)揮作用;其二是自組裝材料在細(xì)胞膜上自組裝成一個納米管道,用于藥物的輸送(見圖1)。自組裝藥物載體除了理論上的低滲漏和高載藥率的優(yōu)點,也能保護藥物避開惡劣的人體內(nèi)環(huán)境和免疫系統(tǒng)的攻擊,并在適當(dāng)條件下,將藥物釋放于靶組織或器官中。
圖 1 自組裝結(jié)構(gòu)協(xié)助藥物進入靶細(xì)胞的2種途徑Figure 1 Two pathways of self-assembly structure assisting drugs to transfer into target cells
金屬有機框架(metal-organic frameworks,MOFs)自組裝材料是由含金屬的節(jié)點(如金屬離子或簇合物)和有機配體(如羧酸配體或其他帶負(fù)電配體)在溫和條件下自組裝形成的一類新型多孔晶體材料,已廣泛用作遞送載體[10]。與傳統(tǒng)的多孔納米材料相比,MOFs具有以下優(yōu)異的特性:1)憑借其親和性改善藥物代謝性質(zhì),利用細(xì)胞的主動攝取,提高藥物的生物利用率;2)通過包埋疏水藥物,提高藥物的溶解性及穩(wěn)定性;3)可有效透過機體屏障,提高藥效并實現(xiàn)靶向遞送。
Horcajada等[11-12]將MOFs用作布洛芬(ibuprofen,IBU)藥物載體并控制釋放,隨后又研究了幾種羧酸鐵(Ⅲ)MOFs中的藥物釋放。MOFs材料近年來也成功應(yīng)用于胰島素的跨膜運輸,Duan等[13]開發(fā)了基于葡萄糖反應(yīng)的MOFs胰島素輸送納米系統(tǒng),該系統(tǒng)依賴于MOFs對葡萄糖的刺激反應(yīng),可促進胰島素的輸送。MOFs應(yīng)用最廣泛的是癌癥治療。癌癥治療往往需要面對復(fù)雜的腫瘤微環(huán)境,與正常組織相比癌癥組織呈酸性,因此構(gòu)建pH響應(yīng)性的載體可實現(xiàn)腫瘤部位的定點藥物釋放,從而提高藥物有效濃度。對此Abazari等[14]合成了涂有殼聚糖(chitosan,CS)單分散層的生物金屬有機框架(CS/Bio-MOF),并將其用作pH響應(yīng)和靶標(biāo)選擇性系統(tǒng)以輸送阿霉素(doxorubicin,DOX)治療乳腺癌。CS是一種多功能的天然多糖,由β-(1,4)-連接的葡糖胺和N-乙?;咸前穯卧M成。該聚合物具有高度的生物降解性、生物利用性且無毒性。但在藥物遞送應(yīng)用中,其存在不可控的藥物釋放曲線以及藥物在其基質(zhì)中分散不均勻的缺陷。該研究合成的CS/Bio-MOF可充當(dāng)pH響應(yīng)的可生物降解且無毒的載體,其提供了大表面積和許多表面官能團,從而使得載藥量大大提高。作者在不同的pH條件下評估了CS/Bio-MOF負(fù)載和釋放DOX的效率。實驗表明,該釋藥系統(tǒng)在pH 6.8時幾乎完全釋放,而在pH 7.4時無響應(yīng)。
DNA的堿基互補配對特性使之形成雙螺旋結(jié)構(gòu),具有可預(yù)測、可編程和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的優(yōu)勢,并且與其他生物分子相容,自組裝特性強,可用于構(gòu)建功能復(fù)雜的生物材料。裸露的DNA分子幾乎只有在轉(zhuǎn)染試劑的幫助下才能穿透細(xì)胞膜,而最近的研究表明,許多DNA納米結(jié)構(gòu)可以很容易地進入細(xì)胞,且具有很高的細(xì)胞吸收效率[15]。因此開發(fā)自組裝DNA納米結(jié)構(gòu)用于智能和靶向藥物的遞送具有光明的應(yīng)用前景。Arnott等[16]利用DNA可預(yù)測的自組裝特性開發(fā)了一個可以感知溫度,用于控制通道開啟和可調(diào)傳輸?shù)募{米閥來控制小分子轉(zhuǎn)運。Li等[17]開發(fā)了一種自組裝的多價DNA納米結(jié)構(gòu)作為藥物載體,其結(jié)構(gòu)類似蜈蚣,軀干是通過雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的自組裝DNA支架,該支架由2個生物素化的發(fā)卡單體在目標(biāo)物誘導(dǎo)下形成,長軀干上裝載DOX;腿為生物素化的適配體通過鏈霉親和素-生物素親和相互作用與軀干結(jié)合,腿為細(xì)胞結(jié)合適配體,充當(dāng)靶向部分,牢固并選擇性地抓住靶細(xì)胞,可通過內(nèi)吞作用進入細(xì)胞,實現(xiàn)高效、靶向給藥(見圖2)。DNA納米結(jié)構(gòu)作為載體將藥物攜帶進入細(xì)胞的跨膜動力學(xué)的研究也非常重要,Chen等[18]采用原子力顯微鏡技術(shù),實時監(jiān)測了單個四面體DNA納米結(jié)構(gòu)(tetrahedral DNA nanostructures,TDNs)的動態(tài)遷移過程,結(jié)果表明動態(tài)參數(shù)與TDNs的大小無關(guān),而較大的TDNs在傳輸過程中略有旋轉(zhuǎn),不同大小的TDNs跨膜傳輸依賴于小泡蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞作用。
兩親化合物是通過共價鍵作用將親水端與疏水端連接起來的一類分子,自組裝兩親化合物(selfassembled amphiphiles,SAAs)可由小分子或聚合物等類型的構(gòu)件通過超分子作用力(如主體-客體相互作用)、氫鍵、靜電相互作用、電荷轉(zhuǎn)移相互作用和π-π相互作用,在水溶液中自組裝形成囊泡、納米顆粒、膠束和納米海綿等[19]。SAAs憑借著更便捷的合成過程以及更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)克服了傳統(tǒng)兩親化合物制備耗時耗力、難以降解且利用率低的缺點。因此在藥物遞送領(lǐng)域中,SAAs逐漸取代了傳統(tǒng)兩親化合物。Salih等[20]以β-環(huán)糊精和末端帶有氨基的長碳鏈合成了一種新型糖基陽離子兩親性衍生物,并將其應(yīng)用于抗生素緩釋制劑。Wu等[21]通過自組裝兩親化合物的改造將吉西他濱(gemcitabine,GEM)更好地遞送于胰腺導(dǎo)管腺癌(pancreatic ductal adenocarcinoma,PDAC)細(xì)胞中,具體方法是將亞油酸(linoleic acid,LA)通過酰胺鍵共價連接到GEM的氨基上,該GEM前藥能夠在溶液中自發(fā)地形成納米顆粒,納米顆粒被PDAC靶向肽配體進一步修飾,構(gòu)建成靶向性超分子納米粒子,適合于靜脈注射。該方法解決了GEM血液循環(huán)半衰期短、傳送效率低、產(chǎn)生抗藥性以及潛在嚴(yán)重副作用等問題。
肽自組裝是肽自發(fā)形成有序聚集體的過程[22]。自組裝肽包含組裝形成納米結(jié)構(gòu)的短氨基酸序列或重復(fù)氨基酸序列的單體,其是具有獨特結(jié)構(gòu)的生物醫(yī)學(xué)材料,可響應(yīng)各種環(huán)境條件而形成。通過調(diào)控其理化特性,這些肽可以形成反應(yīng)性高于常規(guī)非生物材料的各種結(jié)構(gòu)。組裝后,可用作藥物輸送的載體。肽自組裝納米結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢,如良好的生物相容性、低成本、可調(diào)節(jié)的生物活性、高載藥量、化學(xué)多樣性等[23]。
肽的自組裝形式有多種。2006年,Jayawarna等[24]將N-芴基甲氧羰基二苯丙氨酸(Fmoc-FF)確定為能夠在生理條件下形成具有纖維納米結(jié)構(gòu)水凝膠的首批二肽之一。肽的納米顆粒和囊泡,在藥物輸送領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[25],如Fan等[26]將His-Ala-Val(HAV)與經(jīng)典的靶向腫瘤的Arg-Gly-Asp(RGD)基序和Asn-Gly-Arg(NGR)基序融合到凋亡誘導(dǎo)肽序列AVPIAQK中,并進一步加工成納米級載體,多西他賽以包裹疏水性藥物紫杉萜(docetaxel)。此外,肽自組裝體也可構(gòu)建成納米管用于藥物遞送[27]。例如,Chen等[28]通過在脂質(zhì)雙層中自組裝環(huán)肽([Gln-(D-Leu-Trp)4-D-Leu],CP)納米管(CPNTs)形成人工跨膜納米通道,實現(xiàn)了尺寸小于1.0 nm的抗癌藥物的跨膜遞送,如5-氟尿嘧啶(5-fluorouracil,5-FU)、阿糖胞苷(cytarabine)等。其中基本的CP單元由偶數(shù)個交替的D-和L-氨基酸殘基組成,并采用低能量的扁平環(huán)狀構(gòu)象。CP的所有主鏈酰胺部分幾乎垂直于環(huán)結(jié)構(gòu)的平面,從而允許CP環(huán)通過分子間氫鍵廣泛堆疊以形成管狀結(jié)構(gòu)(見圖3)。該通道的隧道效應(yīng)破壞了生物膜離子勢能,造成正常細(xì)胞生理平衡的“短路”,從而提供了外源物質(zhì)進入的通道。
圖 2 自組裝多價DNA納米結(jié)構(gòu)裝載藥物原理圖[17]Figure 2 Schematic diagram of self-assembly multivalent DNA nanostructures loaded with drugs[17]
圖 3 自組裝環(huán)肽納米管的構(gòu)建及其促進跨膜給藥的示意圖[28]Figure 3 Schematic representation of the construction of self-assembly CPNTs and their facilitation oftransmembrane drug delivery[28]
天然或合成聚合物在藥物遞送領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。天然聚合物具有大量可通過化學(xué)或生化途徑修飾的官能團,研究者利用這一特點合成了許多基于生物聚合物的材料[29-30]。
在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,多糖是天然聚合物的重要組成部分,其具有高穩(wěn)定性、高安全性、可降解性和生物相容性的優(yōu)點。應(yīng)用最廣泛的自組裝聚合物多糖包括藻酸鹽、殼聚糖和葡聚糖等。Li等[31]于2012年證明自組裝的藻酸鹽聚合物衍生物是增強陽離子肽和蛋白質(zhì)藥物口服吸收的潛在工具。除了作為DOX的遞送載體,海藻酸鈉自組裝納米顆粒也被用于抗原的遞送[32]以及遞送紫杉醇(paclitaxel,PTX)用于結(jié)腸癌的治療[33]。殼聚糖對于親水或親脂性藥物都具有良好的封裝效果[34],Chen等[35]基于殼聚糖涂層的納米粒子和藻酸鹽涂層的納米粒子自組裝開發(fā)了一種用于胰島素口服的pH敏感型聚電解質(zhì)復(fù)合物。Mu等[36]也相繼開發(fā)了一種基于殼聚糖的新型pH響應(yīng)納米膠束用于封裝DOX靶向腫瘤細(xì)胞。葡聚糖是以葡萄糖為單糖組成的聚合物,Wang等[37]通過自組裝輔助方法將聚丙烯酸與葡聚糖耦合自組裝成具有pH和氧化還原反應(yīng)雙重響應(yīng)的納米水凝膠用于裝載DOX。Zhang等[38]進一步利用多糖(葡聚糖、藻酸和透明質(zhì)酸)與DOX共價耦合成pH敏感的前藥納米顆粒治療腫瘤。
合成聚合物在自組裝藥物遞送領(lǐng)域中也扮演著重要的角色,樹枝狀聚合物是其中較大一類,其每個重復(fù)單元上帶有樹枝化基元的線狀聚合物,將疏水單元摻入樹枝狀聚合物中即可用作自組裝藥物載體[39]。Dong等[40]通過在聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)和PTX之間引入芐基硼酸酯連接物,開發(fā)了一種新型的可自組裝成膠束的活性氧響應(yīng)型前藥PEG-B-PTX,在活性氧氧化后,膠束在腫瘤部位迅速釋放PTX,這一策略也可用于輸送其他化療藥物、生物活性肽和蛋白質(zhì)。
脂質(zhì)體最初稱為小球,是具有由磷脂組成的雙層結(jié)構(gòu)的球形脂質(zhì)囊泡[41]。脂質(zhì)體在藥物遞送方面表現(xiàn)頗佳。各種研究已經(jīng)證實,脂質(zhì)體與特定藥物制劑聯(lián)合使用可治療多種疾病。Rajora等[42]將過表達(dá)的低密度脂蛋白受體(low density lipoprotein receptor,LDLR)與 載 脂 蛋 白E3(apolipoprotein E3,ApoE3)結(jié)合用于開發(fā)膠質(zhì)母細(xì)胞瘤靶向的卟啉-脂質(zhì)ApoE3脂質(zhì)納米顆粒(porphyrin-lipid apoE3 lipid nanoparticles,PyE-LNs);通過優(yōu)化,PyE-LNs組合物可同時賦予納米顆粒膠質(zhì)母細(xì)胞瘤靶向性和可激活的近紅外熒光成像功能,這些顆粒經(jīng)歷了LDLR介導(dǎo)的內(nèi)吞作用,以選擇性地將卟啉從體外遞送至過表達(dá)LDLR的膠質(zhì)瘤細(xì)胞;同時可以對PyE-LNs組合物進行定制,以生成尺寸控制的盤狀和球形/橢圓形膽固醇油酸酯(cholesteryl oleate,CO)負(fù)載顆粒,并穩(wěn)定負(fù)載卟啉-脂質(zhì)。目前缺乏可用于膠質(zhì)母細(xì)胞瘤的治療性干預(yù)措施,因此需要開發(fā)可以穿越血腦屏障并特異性靶向惡性細(xì)胞的遞送系統(tǒng)。PyE-LNs代表了新型的治療診斷工具,具有滿足這些需求的潛力。
自組裝技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中有著廣闊的應(yīng)用前景,其主要將臨床相關(guān)成分的非共價結(jié)合誘導(dǎo)成有序的超分子。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)使自組裝技術(shù)在構(gòu)建新型多功能生物制品方面的應(yīng)用日趨成熟,臨床應(yīng)用越來越多,并具有潛在的治療效益,如延長半衰期、靶向給藥等[43]。
在自組裝藥物領(lǐng)域,白蛋白PTX自組裝藥物是一個經(jīng)典的例子。紫杉類藥物難溶于水,因此需使用特殊的溶劑,溶解PTX常用的是聚氧乙烯蓖麻油(CrEL),該溶劑本身在體內(nèi)會引起嚴(yán)重的過敏反應(yīng),臨床應(yīng)用受限。研究發(fā)現(xiàn)使用白蛋白裝載PTX進入體內(nèi),不但能解決過敏問題,而且PTX的療效也得到提高。白蛋白是體內(nèi)疏水分子的天然載體,也是脂肪酸、激素和脂溶性維生素的運輸載體。內(nèi)皮細(xì)胞上糖蛋白受體gp60與白蛋白的結(jié)合刺激了小窩蛋白1(caveolin 1)的活化以及完整的納米顆粒跨細(xì)胞膜的胞吞作用。利用白蛋白的天然特性,與PTX可逆地結(jié)合,可使PTX轉(zhuǎn)運通過腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞,并集中在腫瘤區(qū)域(見圖4)[44]。2005年,基于納米顆粒結(jié)合白蛋白的PTX制劑(Abraxane?)正式被美國FDA批準(zhǔn)用于轉(zhuǎn)移性乳腺癌的治療。
圖 4 白蛋白負(fù)載紫杉醇轉(zhuǎn)運進入腫瘤細(xì)胞的作用機制[44]Figure 4 The mechanism of albumin-loaded paclitaxel transportation into tumor cells[44]
長春新堿(vincristine,VCR)是一種從長春花植物中提取的生物堿,也是血液腫瘤中使用最廣泛的細(xì)胞毒性化合物之一。VCR的作用機制與抑制有絲分裂紡錘體中的微管形成有關(guān),導(dǎo)致分裂細(xì)胞停滯在中期,同時其誘導(dǎo)的異常微管形成會抑制細(xì)胞復(fù)制,最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡[45]。然而,次優(yōu)的藥動學(xué)特性和劑量相關(guān)的神經(jīng)毒性阻礙了該化合物全部潛力的實現(xiàn)。硫酸長春新堿脂質(zhì)體注射液(vincristine sulfate liposomes injection,VSLI)是VCR的一種新型制劑,其將藥物包裹在鞘磷脂和膽固醇納米顆粒中,旨在克服標(biāo)準(zhǔn)VCR的劑量和藥動學(xué)限制,即增加循環(huán)時間,優(yōu)化向靶組織的輸送,從而在促進靶組織劑量增加的同時不增加藥物毒性。臨床前研究表明,VSLI制劑可通過增強藥物輸送和組織靶向作用來改善抗腫瘤藥物的暴露。藥動學(xué)研究數(shù)據(jù)表明,脂質(zhì)體包裹的VCR的清除速度比游離VCR的清除速度慢,并在更長時間內(nèi)觀察到脂質(zhì)體VCR的較高血漿濃度。2012年8月,美國FDA批準(zhǔn)VSLI用于治療2次及2次以上復(fù)發(fā)的成人費城染色體陰性-急性淋巴細(xì)胞白血病[46]。更多已上市及臨床試驗階段的自組裝藥物見表1。
表 1 FDA批準(zhǔn)上市及進入臨床試驗的自組裝藥物[47-50]Table 1 FDA approved self-assembly drugs and those already in clinical trials[47-50]
細(xì)胞膜作為細(xì)胞的天然屏障是阻礙藥物進入細(xì)胞的主要因素,而膜轉(zhuǎn)運蛋白的外排作用使藥物進入細(xì)胞變得更加困難。在過去20年中,包括金屬有機框架自組裝材料、DNA自組裝納米材料、兩親化合物自組裝材料、肽自組裝材料、聚合物自組裝材料和脂質(zhì)體自組裝材料在內(nèi)的藥物載體在藥劑領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)良的特性,這也主要表現(xiàn)在抗癌藥物的遞送方面,其作為治療性給藥系統(tǒng)在藥物跨膜轉(zhuǎn)運方面具有以下優(yōu)勢:1)自組裝結(jié)構(gòu)的粒徑和表面特性可被操縱,以實現(xiàn)藥物的靶向性;2)自組裝結(jié)構(gòu)具有較大的表面質(zhì)量比,從而可以結(jié)合、吸收和攜帶大量的藥物分子;3)納米粒子可以很容易地控制藥物在吸收和內(nèi)化過程中以及在預(yù)定部位的釋放,從而有助于減少藥物的副作用及毒性;4)藥物的釋放速率以及載體的降解可以通過選擇適當(dāng)?shù)幕|(zhì)成分來控制。
自組裝結(jié)構(gòu)可以通過不同的途徑,如腸外、眼內(nèi)、靜脈、口服、鼻腔等途徑輸送,但受制于化學(xué)結(jié)構(gòu)不確定、配方復(fù)雜、代謝相對困難、生產(chǎn)質(zhì)控成本高和毒理、藥代難以定量測定等缺點,較難實現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化。因此,設(shè)計出同時具備明確化學(xué)結(jié)構(gòu)、增強滲透滯留效應(yīng)、長血漿半衰期和智能響應(yīng)等特點的新型自組裝結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。具備小分子及納米材料特性的智能自組裝材料具有分子結(jié)構(gòu)確定、代謝研究相對容易和生產(chǎn)質(zhì)量控制簡單的優(yōu)點,研究和制備該類藥物載體為納米藥物的臨床傳化提供了一種工具。