在藥物輸送系統中,不同納米藥物載體的物理化學特征
隨著納米技術的發展,納米材料因其小尺寸效應､體積效應､表面效應和量子效應的獨特優勢被廣泛應用于藥物遞送體系｡由于EPR效應,納米材料能夠大量聚集在腫瘤部位從而提高腫瘤的治療效果,降低毒副作用｡同時,納米材料由于其自身的聲､電､光､磁､熱等理化性質,能夠通過功能化實現藥物靶向運輸和腫瘤聯合治療等,對提高腫瘤治療效率具有重要的意義｡
圖 在藥物輸送系統中,不同納米藥物載體的物理化學特征
其中,使用功能性納米載體進行治療劑靶向遞送的系統,我們稱之為納米藥物遞送系統(nano-drug delivery system,NDDS)｡納米載藥系統的出現和發展,將極大的促進化療藥物在腫瘤治療中的應用｡相較于傳統抗癌藥物,納米藥物遞送體系主要有以下幾大優勢:
(1) 納米藥物載體可增加藥物的可溶性,提高藥物穩定性,從而減少藥物用量,提高藥物療效｡
納米載體具有尺寸小,比表面積大,形貌可控,易于修飾等優點,能有效包埋､吸附或共價交聯親/疏水藥物分子,使化療藥物在載體中形成較高的局部濃度｡此外,納米材藥物載體能夠為藥物分子提供一個穩定和隱蔽的儲存空間,在藥物傳輸過程中能有效避免藥物在人體生理環境的作用下發生降解和失活等現象,從而維持藥物的活性｡這有利于提高抗癌藥物在病灶部位的濃度､減少給藥次數,降低細胞產生“耐藥性”的幾率進而提高腫瘤治療效果｡同時,同一個納米藥物載體可以裝載兩種或多種藥物,達到協同高效治療的目的｡
(2) 納米藥物載體通過主動/被動靶向可實現精準治療｡
納米藥物遞送體系本身具有獨特的尺寸效應,還可以對其功能化修飾,從而實現對病灶部位的靶向聚集,提高藥物治療效果,減小對正常組織和細胞的毒副作用｡納米藥物遞送體系的靶向性傳遞包括被動靶向和主動靶向兩種方式,被動靶向即納米遞送體系通過腫瘤組織EPR效應優先富集到腫瘤組織的過程;主動靶向即納米輸送體系通過偶聯特異性配體或抗體成分,與細胞表面特異受體結合,從而實現在靶向組織的積累｡腫瘤細胞可以無限增殖與一些基因､細胞因子及蛋白質的過表達密切相關,這些信息為設計含有智能識別位點的靶向藥物提供了依據,目前常用的靶向分子包括抗體片段及分子,腫瘤細胞高表達的與受體相對應的配體如葉酸(FA)､蛋白質(轉鐵蛋白等)､多肽分子RGD､TAT、核酸適配體(Aptamer)､多糖(半乳糖､甘露糖)等｡近年來,新發展起來的包覆了細胞膜的仿生納米載體能很好地保留外層細胞膜的天然特性與生物學功能,是一種有效的腫瘤靶向治療策略例如,癌細胞膜表面的黏附分子(如黏著斑蛋白､整合素等)賦予其同源識別和歸巢特性,故癌細胞膜常被用作殼層包裹在納米顆粒表面,以增強納米載體的靶向及內吞能力｡
（3）降低生理屏障對藥物的阻礙作用,提高藥物在體內的血液循環時間｡藥物分子在到達其作用位點前需經歷血液屏障､組織屏障､細胞屏障以及胞內轉運屏障等一系列生理屏障｡例如,納米藥物遞送系統通過靜脈給藥進入血液循環后,肝､脾等臟器的網狀細胞和血管的內皮細胞能夠借助偽足吞噬體內的異物｡這些吞噬能力極強的細胞統稱為單核吞噬細胞系統(Mononuclear phagocyte system,MPS)又稱網狀內皮系統((Reticuloendothelial system,RES)｡大量研宄表明,對納米粒子的表面特征進行改性,如聚乙二醇修飾,構建仿生遞送系統,活細胞作為藥物載體等,可制成“隱形”納米顆粒,阻礙RES系統吞噬,克服此屏障｡而當藥物進入組織后,需要穿越質膜,到達細胞內的作用位點,而在這一過程中,生物大分子藥物一般不能通過滲透作用穿過細胞膜｡納米藥物載體的尺寸一般在10-1000nm之間,其尺寸與蛋白質､核酸等生物大分子相近,同時又遠遠小于細胞和各種細胞器的尺寸,因此更容易攜帶各種生物大分子或藥物進入細胞或細胞器｡當納米藥物載體經過內吞途徑進入病變組織細胞后,內涵體/溶酶體是細胞內遞送的最主要屏障｡對于作用靶點在細胞核的藥物而言,內涵體/溶酶體中的酸性環境和多種酶的存在易使藥物降解或失活｡而對納米載體進行功能化修飾,通過質子海綿效應等使溶酶體膜破壞､去穩定化或膜融合,可以實現載體和藥物的內涵體/溶酶體逃逸
圖 納米藥物遞送系統在人體內會遇到一系列的生物屏障
（4）納米藥物載體為發展剌激響應型的智能納米給藥系統提供了契機｡
由于納米材料自身結構和組成的多樣性,且容易功能化修飾等優點,因此我們可以根據病變部位一些特殊的物理化學特征,設計刺激響應型的納米材料來實現藥物的響應性靶向釋放｡具有剌激響應性的納米藥物載體的設計主要有兩種方式:一種是納米載體本身具有刺激響應性,例如具有pH響應性的聚合物納米顆粒､骨架中摻雜易被GSH還原的二硫鍵/二硒鍵的納米顆粒､蛋白酶可降解的納米凝膠等,它們在外界信號刺激下會產生物理或化學變化,如分子鏈結構､溶脹､溶解性以及解離等行為,從而釋放藥物｡另外一種是將刺激響應性基團或分子修飾在納米顆粒的內外表面,利用修飾基團與藥物間的可逆性結合或者對顆粒設立“門控”分子,賦予藥物在不同刺激下的可控釋放｡這些刺激信號主要包括內源性刺激,如pH､GSH､酶和其他生物內源性物質等化學信號,以及外源性刺激,如溫度､光照､磁場､電場等物理信號｡通過構建剌激響應性的智能納米藥物載體,可以有效避免藥物過早釋放,大大降低了藥物在運輸過程中提前泄露而帶來的毒副作用｡
(5) 納米藥物載體可實現多功能化以及診療一體化｡納米粒子的量子效應､小尺寸效應和表面效應等基本物理效應一方面賦予了納米載體獨特的光熱磁等特性,這使納米載體本身可以作為疾病診斷探針｡另一方面,納米材料高的表面能和表面反應活性,使其可以作為藥物控制釋放載體的同時,又能夠集多種功能性于一體,如下圖所示｡多功能性納米粒子為癌癥的治療提供了新途徑,同時實現對腫瘤組織的靶向､治療､成像和不蹤等作用,大大提尚了治療的效率。
圖 用于藥物遞送的多功能納米顆粒
納米藥物載體種類
納米技術的進步使納米粒子成為靶向藥物遞送系統的有力候選者｡納米粒子通常是指直徑約為10-1000nm的粒子,當被用作納米藥物載體時,可增加藥物半衰期,提高對疏水性藥物的溶解度并以受控或持續方式釋放藥物來改善藥物的功效｡刺激響應型納米顆粒還可以幫助降低生物毒性并實現藥物的可控釋放｡1964年,脂質體被用作藥物和蛋白質的載體,是最早開發的納米藥物輸送系統｡自此之后,越來越多的材料被制成納米顆粒并用作納米藥物遞送系統｡根據Bobo調查,在2016年,FDA批準了51種納米顆粒,還有77種納米產品正在臨床試驗中。
圖 癌癥納米醫學領域主要的發展歷史
納米藥物載體的種類相當廣泛,按照納米材料的屬性可分為無機納米載體,如介孔二氧化硅納米材料､碳納米材料等;有機納米載體,如脂質體､聚乳酸､殼聚糖,樹狀高分子等和金屬納米載體,如金納米顆粒､銀納米顆粒等｡下圖列出了幾種最為常見的納米藥物載體,現分別介紹如下
圖 用于藥物遞送的納米材料及其功能化修飾
(1) 脂質體納米藥物載體:利用磷脂雙分子層膜所形成的納米級囊泡包裹藥物分子而形成的藥物載體｡由于磷脂分子具有一個親水的頭部和一個疏水的尾部,在形成脂質體時,親水的頭部位于雙分子層的外面,而疏水的尾部則朝向雙分子層的中間｡這種特殊的結構可同時負載脂溶性藥物和水溶性藥物,其中脂溶性藥物可負載于脂雙層中,而水溶性藥物則負載在顆粒內部｡由于其脂雙層結構類似生物膜且磷脂細胞自身具有較好的親和性,所以脂質體有良好的生物相容性,生物體免疫反應較小｡同時脂質體膜表面修飾方法眾多,可根據需要在脂質體表面接枝理想的幫向性分子或者調節脂質體的表面帶電情況,從而提高藥物遞送效率｡相比普通脂質體,納米脂質體在包封率､穩定性､靶向性､藥物控制釋放性以及減少網狀內皮系統的吞噬方面有明顯的提高｡關于脂質體的研宄技術已經日趨成熟,現今己有多種脂質體載藥體系被批準臨床使用｡塞奎斯制藥公司(Sequus Pharmaceuticals)研制了一種納米脂質體包裹鹽酸阿霉素(Doxil),實驗結果表明該載體可提髙藥物的穩定性,延長藥物釋放時間,己于1995年首次獲得美國食品藥品監督管理局(FDA)批準上市｡
脂質體藥物載體在高壓微射流均質技術推廣之前，因為粒徑控制問題也存在一些缺點:1.靜脈注射脂質體載體,容易被網狀內皮系統清除;2.脂質體在血流中很不穩定,會發生解組裝,造成藥物的提前釋放｡目前上市的產品大多經過磷脂修飾+高壓微射流技術制備獲得，粒徑控制更精致，安全性已獲得廣泛驗證。
(2) 聚合物膠束藥物載體:是一些天然的聚合物如殼聚糖葡聚糖等,或者是人工合成的聚合物如聚乳酸(PLA)､聚乳酸一羥基乙酸共聚物(PLGA)等,它們通過團聚成微納尺寸的顆粒來負載藥物分子｡聚合物納米顆粒一般由兩親性聚合物構成,通過自組裝形成膠束作為納米藥物載體｡主要由具有親水性頭部及疏水性尾部的雙親性分子在水溶液中自組裝形成“核-殼”結構｡聚合物納米顆粒可以將疏水性藥物非共價包埋在膠束的疏水內核中或是將藥物共價連接在聚合物上,在受到一定外界信號刺激的況下,聚合物骨架構型的變化使得膠束解體或是誘導切斷聚合物上連接藥物分子的連接臂實現藥物的釋放｡聚合物膠束的大小､形貌可以通過調節親水/疏水片段的長度及比例進行調控聚合物膠束的疏水內核可以增大疏水藥物的溶解性,親水外殼可以和溶液中的水分子形成大量氫鍵,在膠束外部形成緊致的保護性外殼,減少蛋白質吸附和細胞粘附,增強膠束在血液中的循還時間｡
(3) 樹枝狀分子載體:樹枝狀分子是由己知形狀､大小及保留有納米粒子物理化學性質的蛋白質通過化學合成的一種具有多厚級結構的有機大分子｡它的內核有一些亞納米級的孔洞可用來負載藥物分子,它的表面像樹枝一樣伸出多種功能基團,如胺基､羧基等,既保證了樹枝狀分子在水中的穩定性,又可用于修飾多種靶向性分子和顯影分子,甚至是藥物分子｡樹枝狀大分子可以由多肽､脂質､多糖及其他合成物質制成用樹枝狀大分子進行藥物運輸可以提高藥物的藥物動力學,并能夠瞄準標記組織控制藥物釋放｡同時由于樹枝狀分子極小的尺寸(<5nm),可經由血管,從腎臟排出體外,具有極低的生理毒性｡但是,復雜的設計與合成工藝,以及高昂的成本是樹枝狀分子難以在臨床應用的主要原因
綜上,有機藥物載體是一些有機分子通過自組裝過程形成的脂質體､多聚體膠束顆粒,或者是設計制備的樹枝狀分子､聚合物顆粒｡這些有機載體設計原理簡單,通過自身的形變或降解實現對負載藥物的控制釋放｡但是有機納米粒子在生物體內穩定性較差,且易被網狀內皮系統清除,自身有機分子成分產生的毒副作用大,有機體分子量､尺寸不易控制,藥物釋放動力學不穩定等缺點大大限制了其應用范圍｡
與有機納米粒子相比較,無機納米粒子由于其尺寸均一可控､穩定性好､比表面積大､易于表面功能化,同時無機納米粒子自身具有的獨特光熱､電磁等性質,可賦予其潛在的協同治療和靶向示蹤成像等功能｡因此,無機材料如二氧化硅､碳材料､金納米顆粒等在納米載藥系統中的應用得到廣泛的關注和重視但是對于無機載體,一方面是載體自身的降解性能有待改善,進一步降低生物毒性｡另一方面,需進行載體表面的修飾以實現良好的生物相容性也很重要,例如,修飾PEG可以提高無機納米粒子在血液中的分散度､穩定性,延長粒子血液循環時間,促進其通過EPR效應進入腫瘤組織;或者修飾靶向分子促進無機納米粒子特異性､高效地進入腫瘤細胞等｡
有機納米藥物遞送系統的制備目前國際上使用最多的是微射流高壓均質設備，更多相關詳情請參考
