徐玉怡，王東凱

（沈陽藥科大學(xué) 藥學(xué)院，遼寧 沈陽 110016）

隨著人們對腫瘤病理特征的不斷了解，對于抗腫瘤藥物的研究已從傳統(tǒng)的靶向到腫瘤細(xì)胞的單一受體發(fā)展到根據(jù)腫瘤組織微環(huán)境的特點(diǎn)進(jìn)行藥物的設(shè)計(jì)[1]。前藥作為一個(gè)經(jīng)典的藥物化學(xué)理論，于 1958 年由 Albert 提出[2]。抗腫瘤前藥是指對母藥分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，修飾后的藥物進(jìn)入體內(nèi)到達(dá)腫瘤部位后，由于腫瘤組織的特殊微環(huán)境會使藥物發(fā)生裂解，釋放出母藥，殺死腫瘤細(xì)胞[3]。與傳統(tǒng)靶向藥物相比，前藥能夠提高生物利用度，使母藥具有更好的靶向性，減少對正常組織或細(xì)胞的不良反應(yīng)。因此，近年來被廣泛用于抗腫瘤藥物的研究。

高分子前藥與傳統(tǒng)的小分子前藥的設(shè)計(jì)理念不同。高分子前藥策略是通過特異性連接臂將高分子載體和活性藥物偶聯(lián)，并通過調(diào)控其組裝行為和靶部位藥物釋放性能來構(gòu)建納米級前藥[4]。高分子前藥不僅可以通過響應(yīng)腫瘤部位的微環(huán)境釋藥，還可以通過腫瘤部位的高通透性和強(qiáng)滯留效應(yīng)（EPR 效應(yīng)）提高藥物在腫瘤組織的富集能力[5]，避免了小分子藥物選擇性差、多藥耐藥等問題[6-7]，可顯著提高臨床治療效果。

1 基于腫瘤微環(huán)境的高分子前藥

腫瘤微環(huán)境是腫瘤發(fā)生、腫瘤細(xì)胞繁殖的地方，主要由腫瘤細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、免疫細(xì)胞、血管淋巴管及其代謝產(chǎn)物組成[8]。腫瘤微環(huán)境有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：pH 值低、缺氧、谷胱甘肽（GSH）濃度高、活性氧（ROS）水平高、酶活性獨(dú)特、三磷酸腺苷（ATP）含量高等[9-10]。因此，可以通過腫瘤組織特殊的微環(huán)境來設(shè)計(jì)靶向抗腫瘤藥物。

1.1 酸敏感性高分子前藥

由于腫瘤組織的增殖和代謝異?？焖?，腫瘤細(xì)胞會通過糖酵解途徑產(chǎn)生大量乳酸，使得乳酸水平顯著提高，使環(huán)境酸化，pH 值一般保持在 6.2～6.9 之間[11]。因此，可以根據(jù)腫瘤組織和正常組織 pH 的差異設(shè)計(jì) pH 敏感性不同的前藥。除此之外，還可以根據(jù)腫瘤細(xì)胞溶酶體的特殊酸化環(huán)境（pH=4.5～6.0）進(jìn)行 pH 響應(yīng)型載體的設(shè)計(jì)[12]。

酰胺、酯鍵等結(jié)構(gòu)在酸性條件下易水解。因此，這些結(jié)構(gòu)常用于 pH 敏感性藥物的設(shè)計(jì)。5-氟尿嘧啶（5-FU）及其衍生物是一種廣譜的抗腫瘤藥物，在臨床上被廣泛使用。其可通過多種途徑干擾腫瘤細(xì)胞的核酸代謝、抑制脫氧胸苷酸合成酶的作用、抑制 DNA 的合成，對各期腫瘤細(xì)胞都可以發(fā)揮作用。但由于存在首過效應(yīng)、臨床不良反應(yīng)等，使其抗腫瘤效果受到限制。李大鵬[13]通過酰胺反應(yīng)將 5-氟尿嘧啶衍生物（5-FUA）和高分子聚合物聚原酸酯相連，制成 P-FUA 聚合物前藥（見圖 1），并和阿霉素連用制成前藥膠束。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，pH 為 6.5 的條件下，酸敏感的酰胺斷裂造成粒子體積增加，在很大程度上增加了藥物在腫瘤處的富集能力；而 pH 在 5.5時(shí)可快速崩解，有利于藥物快速釋放達(dá)到有效濃度殺死腫瘤細(xì)胞。

Fig.1 The structure of polymer prodrug P-FUA圖1 高分子前藥 P-FUA

因亞胺結(jié)構(gòu)在酸性條件下也能夠水解，所以，近年來也被應(yīng)用于抗腫瘤藥物的研究。阿霉素（Doxorubicin,DOX）是一種蒽環(huán)類抗腫瘤藥物，具有強(qiáng)大的抗腫瘤活性。但因有嚴(yán)重的心臟毒性、腎毒性[14]等不良反應(yīng)，使其在臨床上僅被用作二線藥物[8]。Kalva 等[15]通過亞胺鍵將 DOX 和聚合物 TPEPC-g-PEG 相連得到聚合物前藥 TPEPC-g-PEG/DOX（見圖 2），其中 DOX 與pH響應(yīng)的亞胺鍵共價(jià)連接。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在酸性 pH 5.0 條件下，高分子前藥通過酸裂解希夫堿鍵釋放 DOX 的速度比生理 pH 7.4 條件下快。此外，發(fā)現(xiàn)其能有效抑制癌細(xì)胞的生長，對癌癥治療有效。Li 等[16]通過酸性不穩(wěn)定亞胺鍵將 DOX 連接到聯(lián)氨功能化交聯(lián)碳量子點(diǎn)（CQD）、聚乙二醇雙丙烯酸酯（PEGBA）和肼（N2H4）形成的高分子（C-CQDPEGBA-Hy）上，從而設(shè)計(jì)出了一種新型的抗腫瘤納米藥物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在體外藥物釋放過程中，pH 值觸發(fā)的藥物釋放效果良好，有望用于通過 pH 觸發(fā)的 DOX 釋放的癌癥治療中。

此外，因脲、原酸酯等結(jié)構(gòu)在酸性條件下會發(fā)生斷裂，所以，也可用于 pH 響應(yīng)前藥的設(shè)計(jì)。

1.2 還原響應(yīng)性高分子前藥

谷胱甘肽（Glutathione,GSH）是一種由L-谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成的含硫三肽[8]，其在腫瘤細(xì)胞中的濃度高于血漿和細(xì)胞外基質(zhì)中的濃度[17-19]。因此，可以通過腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞GSH 濃度的不同進(jìn)行前藥的設(shè)計(jì)。

Fig.2 The structure of polymer prodrug TPEPC-g-PEG/DOX圖2 高分子前藥 TPEPC-g-PEG/DOX

因二硫鍵易被 GSH 還原，所以常被用于前藥的設(shè)計(jì)。順鉑是目前應(yīng)用最廣泛的鉑基抗癌化療藥物之一。然而，因其低溶解度、嚴(yán)重的副作用和漸趨嚴(yán)重的耐藥性限制了其在臨床的進(jìn)一步應(yīng)用。Jia 等[20]通過二硫鍵將順鉑（Pt）和高分子支化聚乙烯亞胺（BPEI）偶聯(lián)，形成了 BPEISS-Pt 聚合物，并用透明質(zhì)酸（HA）通過靜電吸附作用對其表面進(jìn)行修飾，構(gòu)成了一種納米靶向系統(tǒng)，可增強(qiáng)對腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的 CD44 受體的靶向作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，體外實(shí)驗(yàn)中該給藥系統(tǒng)具有實(shí)現(xiàn)腫瘤特異性靶向和快速細(xì)胞內(nèi)藥物釋放的潛力，可提高治療效果、減少副作用。通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明陽性腫瘤細(xì)胞明顯增加，該給藥系統(tǒng)能有效誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。除了通過二硫鍵將活性藥物和聚合物直接相連外，其還可將含有二硫鍵的化合物和活性藥物、聚合物相連。Lei 等[21]通過可逆加成-斷裂（RAFT）聚合法合成了阿霉素高分子前藥。先將含有二硫鍵的功能化的三醋酸纖維素（Cellulose triacetate,CTA）CTA-SS-CTA 與聚馬來酸（HPMA）反應(yīng)，生成polyHPMA-SS-polyHPMA 聚合物，再將該聚合物同合成的功能化單體（MA-SS-DOX）反應(yīng)，最終制備了一種二硫鍵橋聯(lián)的聚合物前藥 polyDOX-block-(polyHPMA-SS-polyHPMA)-blockpolyDOX（見圖 3)。該前藥可自組裝成刺激響應(yīng)性納米顆粒，并用于封裝卟啉家族的 NPs (Ce6)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該藥物可以抑制 4T1 小鼠乳腺癌細(xì)胞的生長，在攜帶 4T1 小鼠乳腺腫瘤的BALB/c 小鼠體內(nèi)具有顯著的抗腫瘤效果，該聚合物前藥可以作為治療乳腺癌的高效納米藥物。

Fig.3 The structure of polymer prodrug polyDOX-block-(polyHPMA-SS-polyHPMA)-block-polyDOX圖3 高分子前藥 polyDOX-block-(polyHPMA-SS-polyHPMA)-block-polyDOX

除二硫鍵外，還可通過 GSH 的加成或取代反應(yīng)[22-23]進(jìn)行前藥的設(shè)計(jì)。Wang 等[24]利用酸和谷胱甘肽（GSH）與碳碳雙鍵之間的 Michael 加成反應(yīng)，設(shè)計(jì)了 GSH 雙響應(yīng)的高分子前藥。通過逆向增強(qiáng)-原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（DE-ATRP）[25]將酸響應(yīng)的單體二 (2-丙烯酰氧基乙氧基)-(4-甲氧基苯基) 甲烷（ACD）接到大分子引發(fā)劑——溴代聚乙二醇單甲醚（PEG2KBr）上，合成了兩親性聚合物 PEG-b-PACDs。其中 ACD 兩端都是雙鍵，可以與 GSH 發(fā)生加成反應(yīng)，進(jìn)而釋放藥物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)該聚合物負(fù)載光敏劑二氫卟吩 e6 自組裝成膠束進(jìn)入腫瘤細(xì)胞后，可通過 GSH 和酸響應(yīng)釋放藥物，有助于光動力治療，為腫瘤治療提供了新思路，具有廣闊的應(yīng)用前景。

此外，2,4-二硝基苯磺?；€基等基團(tuán)也可以與 GSH 發(fā)生反應(yīng)，也可用于 GSH 響應(yīng)型抗腫瘤藥物的研究。

1.3 ROS 激活性高分子前藥

活性氧（Reactive oxygen species,ROS）是一系列具有化學(xué)活性的含氧分子，如過氧化氫（H2O2）、超氧（O2-）、羥基自由基（·OH）等，在細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起著不可或缺的生理作用[26]。腫瘤細(xì)胞中的活性氧（ROS）水平遠(yuǎn)高于正常細(xì)胞，且 ROS 觸發(fā)的藥物釋放已證明是有效的癌癥治療方法[27-30]。因此，可以利用這一特點(diǎn)來設(shè)計(jì)前藥，選擇性的靶向到腫瘤細(xì)胞。

硼酸鹽，包括硼酸酯和硼酸，可以與 H2O2反應(yīng)，是用于設(shè)計(jì) ROS 反應(yīng)的重要化學(xué)官能團(tuán)[31-34]。Dong 等[35]通過芐基硼酯將 PEG 與紫杉醇（Paclitaxel,PTX）連接，開發(fā)了一種新型 ROS響應(yīng)性前藥 PEG-B-PTX（見圖 4）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PEG-B-PTX 前藥載藥量高，經(jīng) ROS 氧化后會在腫瘤部位快速釋放 PTX，比無反應(yīng)的 PEG-H-PTX 前藥和未經(jīng)修飾的 PTX 表現(xiàn)出更強(qiáng)的靶向性和抗腫瘤活性。此外，與 PTX 相比，PEG-B-PTX 前藥表現(xiàn)出更低的全身毒性。

Fig.4 The structure of polymer prodrug PEG-B-PTX圖4 高分子前藥 PEG-B-PTX

硫縮酮（Thioketal,TK）也能與 ROS 反應(yīng)，當(dāng) TK 暴露于 ROS 時(shí)，TK 會被裂解成含有硫醇的基團(tuán)[36]。馬法蘭（MelpHalan,MpH）是臨床上一款對惡性膠質(zhì)瘤有很好治療作用的藥物，但其較差的水溶性和選擇性是其在臨床應(yīng)用中存在的問題。Oddone 等[37]通過 TK 基團(tuán)將MpH 和甲氧基聚乙二醇（Methoxy Polyethylene Glycol,mPEG）相連，合成了一種 ROS 響應(yīng)性前藥mPEG-TK-MpH（見圖 5）。其既有親水部分 mPEG，又有疏水部分 MpH，前藥可以進(jìn)行自組裝，同時(shí)改善了 MpH 水溶性差的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TK 基團(tuán)在 ROS 高水平時(shí)斷裂，相比于非 ROS 響應(yīng)的前藥，表現(xiàn)出更高的抗癌活性和細(xì)胞毒性，實(shí)現(xiàn)了 MpH 的精確釋放。不僅能夠改善藥物的溶解度和介導(dǎo)選擇性 ROS 觸發(fā)的藥物釋放，還可以改善細(xì)胞滲透性差的高細(xì)胞毒性藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)。

Fig.5 The structure of polymer prodrug mPEG-TK-MpH圖5 高分子前藥 mPEG-TK-MpH

2 總結(jié)

盡管從前藥原理提出至今已有幾十年，但隨著人們對腫瘤機(jī)制的不斷研究，設(shè)計(jì)前藥的原理也隨之完善。母藥在腫瘤部位的釋放從依靠腫瘤組織的水解酶，發(fā)展到可以依靠腫瘤部位特殊的微環(huán)境或特異性酶。這為設(shè)計(jì)抗腫瘤前藥提供了新思路。高分子前藥相比于傳統(tǒng)小分子前藥，具有更強(qiáng)的滯留能力。同時(shí)，還可以改善小分子前藥選擇性差、易被清除的問題。因此，在腫瘤治療中有著較廣泛的應(yīng)用。此外，近幾年還有高分子前藥聯(lián)合其他治療，如光動力療法等，也取得了很大的進(jìn)步。相信隨著科研工作者的不斷努力與探索，未來會有更多更好的抗腫瘤前藥上市，造?；颊摺⒃旄Ｈ祟?。