智能型聚合物纳米药物载体设计的研究进展*

李峰 袁哲凡

(武汉大学化学与分子科学学院生物医用高分子教育部重点实验室 湖北武汉430072)

肿瘤组织的结构与微环境同正常组织细胞的差异性是智能型药物载体的设计基础。固相肿瘤血管生成迅速，导致肿瘤管脉的分布错综复杂，血管架构存在缺陷，淋巴流向反馈机制受损。因此大尺寸的粒子或者高相对分子质量的聚合物易穿过血管壁，在肿瘤组织内累积，并且不易被排出，造成肿瘤特异性的生理分布。这种现象被称为“增强渗透和滞留”效应(EPR effect)，也就是通常所说的“被动靶向”［1］。此外，肿瘤细胞的分裂周期较正常细胞更短，代谢速率更快，细胞间的信号传递、与细胞外环境的物质交换、细胞运动和迁移等细胞群体的“社会行为”也更为频繁。这些生命活动与细胞膜的结构及功能密切相关。在肿瘤的细胞膜上，存在着某些过度表达的特异性抗原和受体，比如人类内皮生长因子受体，叶酸受体，血管活性肠肽受体等。这些特异性的受体与抗原成为了药物传输的重要靶点。将与之对应的抗体或者配体修饰到载体的表面，可以有效地提高载体穿越细胞膜障碍的能力，这种方式被称为“主动”靶向药物传递［2］。

除了组织、细胞结构的不同，肿瘤细胞的微环境也表现出与正常细胞不同的特别性质。例如，肿瘤细胞的糖酵解(glycolysis)与质膜的“质子泵”(plasma membrane proton-pump)活性强于正常细胞，因此产生了更多的乳酸分布在细胞间质中，这使得肿瘤组织的细胞外环境呈弱酸性［3］;由于大量谷胱甘肽(GSH)和还原性生物酶(比如硫氧还蛋白)的存在，导致肿瘤细胞质与细胞核空间中出现了高浓度的还原环境［4］;肿瘤细胞基于增殖、扩散的需要，往往还过度表达了许多生物酶，其中以基质金属蛋白酶(MMP)最为常见。MMP对于肿瘤的血管生成和转移、扩散非常重要，因此MMP也成为肿瘤特异性的刺激信号，并被应用到药物载体的设计中［5］。另外，应用远程控制信号，如光、磁场和超声波等，将外部刺激直接聚焦肿瘤部位，或者转化成其他信号作用于肿瘤组织，目前也成为肿瘤治疗研究中的一种新思路。

根据肿瘤细胞、组织同正常细胞、组织的差别，设计肿瘤特异型药物传递是药物载体设计研究的主要方向。其中的设计思路主要由两个方面组成:靶向传递的行为控制与药物释放的行为控制。靶向传递的行为控制是指调控载体在释放药物前生理分布，达到肿瘤部位的特异性累积，避免对正常组织的伤害。药物释放的行为控制是在调控药物离开载体、作用于目标部位的方式和速率。以下将从这两个方面对智能型药物载体设计的研究现状进行介绍。

1 靶向传递行为控制

靶向药物传递可以根据目标部位的不同分为以下3个方面:组织器官层面的靶向传递;细胞层面的靶向传递(细胞膜靶向);亚细胞结构的靶向传递(靶向细胞器)。

组织器官层面的靶向传递可以通过EPR效应来实现。设计控制载体尺寸，使之介于10～500nm，可以实现在肿瘤组织间隙处累积。Chilkoti教授课题组调控了弹性蛋白基的聚合物多肽(ELP)的最低临界转变温度(LCST)，使其在正常体温37℃时处于单分子游离状态，在接近42℃时实现分子间聚集，形成符合EPR效应尺寸的纳米聚集体，实现组织层面的载体累积［6］。

癌症化疗的治疗效果在很大程度上取决于药物在病灶部位的累积量，通过EPR效应累积于肿瘤组织间隙的载药粒子需要实现细胞内的传递来发挥疗效。影响“被动”靶向能力的主要因素是载体粒子尺寸，使用纳米技术传递药物即可获得“被动”靶向的功能。而亚细胞结构传递的前提是成功地跨越细胞膜的障碍，所以在靶向传递的行为控制中，最为关键的就是从组织到细胞的传递过程，下面将主要对这方面的研究进行介绍。

1.1 电荷转换型靶向传递体系

Kataoka课题组在2007年首先提出了电荷转换型聚合物的概念。他们将富含伯胺基团的阳离子聚合物通过化学修饰马来酸酐衍生物转化成负电性的阴离子聚合物，并以此包载正电性的蛋白制剂。由于静电排斥作用，阴离子聚合物能减小与血清的相互作用，增加了包载物的血清稳定性。但当马来酸酐衍生物受到弱酸刺激水解离去时，阴离子聚合物还原成正电性，释放出同样带正电荷的蛋白药物［7］。王均课题组通过调整马来酸酐衍生物的结构，将电荷转换的响应能力扩展到肿瘤细胞间质的pH范围，并最终通过电荷转变后的正电性载体与负电性细胞膜的静电相互作用，实现了对靶向传递的智能调控［8］。

1.2 应用光笼(photo-caging)技术的靶向传递

光笼技术的主要思路是将光可离去基团修饰在功能分子的某些反应位点上，以此实现对分子功能的抑制，而后又通过光刺激恢复原有的功能。光笼技术的应用非常广泛，但直到2009年，这一技术才被运用到调控细胞外靶向行为上来。

Kohane等人利用光笼技术制备了光控靶向的纳米粒子。他们将具有靶向功能的细胞黏附肽——YIGSR修饰到聚苯乙烯纳米球的表面，并在多肽链中的酪氨酸上化学结合了4，5-二甲氧基-2-硝基苯基衍生物，从而抑制了YIGSR的细胞黏附能力。当修饰后的聚苯乙烯纳米球受到紫外光照射时，DMNB基团离去，YIGSR的靶向功能重新恢复，介导纳米球进入目标细胞内［9］。此外，Yeh等人也分别利用光可离去基团修饰了叶酸和最短链长的细胞穿膜肽——RRMKWKK来制备光驱动的靶向药物传递系统［10］。

1.3 基于聚合物保护层脱离的靶向抑制与活化

这一类载体具有亲水长链聚合物外层，以空间位阻隔断配体与受体间的接触，达到抑制靶向功能的目的;并能在外加刺激下剥离亲水聚合物，恢复靶向功能。张先正课题组将聚乙二醇链通过苯甲基亚胺键修饰在胶束载体的表面，屏蔽了多肽序列RGD的靶向功能。苯甲基亚胺键能在pH＜6.8的条件下水解，使得载体在肿瘤细胞外露出RGD序列，完成肿瘤识别的细胞内吞［11］。此外，他们还利用可被基质金属蛋白酶(MMP)降解的多肽序列将聚天冬氨酸链修饰在载药多孔硅球的表面，以抑制硅球表面RGD序列的细胞靶向能力。由于肿瘤组织过度表达MMP，连接聚天冬氨酸保护层的多肽序列在酶的催化下水解脱离，实现了酶敏感的肿瘤靶向药物传递［12］。

1.4 其他类型的智能肿瘤靶向传递体统

Chilkoti等人设计了一种温度控制的智能肿瘤靶向传递体统。高精氨酸密度的细胞穿膜肽(CPPs)能有效介导细胞内吞，反之则不然。他们利用弹性蛋白基的聚合物多肽胶束在不同温度下可逆的自组装与解离，调控链端的短链(CPPs)中精氨酸的聚集密度，以此实现温度响应的肿瘤靶向传递［13］。

2 药物释放行为控制

根据包载药物的方式，我们从化学键合型药物载体与物理包封型药物载体两大方面介绍“智能型”药物释放行为控制。

2.1 释放化学键合型药物

化学键合型药物载体通常由通过可降解的基团相连的载药基质与药物共同组成。载药基质可为高度生物相容的惰性材料，如聚乙二醇、聚羟丙基甲基丙烯酰胺、二氧化硅、金纳米粒子等;也可为生物可降解的材料，如聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚氨基酸等。与之键合的药物因此获得了更佳的溶解性和生理稳定性，并在载体的保护下避免了体内的快速清除。链接基团的选择是决定药物最终效能的关键因素。智能型的药物释放行为控制即为选择合适的链接基团，使之在特定的条件下快速降解，释放出药物，并且不会对药物的结构和功能产生任何影响。表1中例举了部分化学键合型药物载体的链接基团及响应的刺激信号。

表1 部分刺激敏感性基团

2.2 释放物理包封型药物

物理包封型的药物没有经过化学反应处理，完全保持药物原本的结构和效用。但是，正因为如此，传统的物理包封型药物载体仅能通过其自身结构与药物的相互作用力影响药物在水相中的扩散速度。药物的释放行为控制是被动的，也是低效的。在肿瘤的化疗中，往往要求药物在病灶部位集中并快速释放。因此载体需要依据刺激信号发生结构变化，以此调控药物的释放行为。比如含缩醛、缩酮结构的交联位点的载药微凝胶可以在内涵体的酸环境下解离释放药物［20］;以二硫键连接亲憎水嵌段的载药胶束响应于细胞内还原环境快速降解，释放药物［21］。近年来，还新出现以下几种物理包封型“智能”药物释放系统。

2.2.1 层层自组装聚合物胶囊

近些年，研究者采用具有生物相容性和生物可降解的大分子为组装单元，通过层层自组装技术，制备出聚合物微胶囊。由于其结构的中空性，聚合物微胶囊作为药物载体有着特殊的优势，既可对药物起保护作用，也能通过囊壁对外界环境和物质的响应调控药物的释放［22-23］。在此基础上，进而发展出名为“爆破胶囊”的药物载体。交联的凝胶内核被紧紧地包裹在聚合物多层膜内，经刺激降解的凝胶内核由于受到外层膜的阻滞而无法释放增长的渗透压，当压力突破临界值，整个胶囊爆破，内容物在短时间内喷射而出［24］。张先正课题组将爆破胶囊的应用拓展到生理环境，实现了对于大分子材料与小分子药物在肿瘤弱酸环境［25］或者细胞内还原环境［26］的定点爆破释放。

2.2.2 “自切除”聚合物纳米粒子

Shabat等发明了基于醌甲基化合物的“自切除”树形分子。对“自切除”树形分子施以单点刺激，整个分子就会以“多米诺”效应完全分解［27］。Almutairi等人用“自切除”聚合物制备了载药纳米粒子，并以DMNB结构作为受激位点，实现了单光子紫外刺激、双光子近红外刺激的快速药物释放［28］。

2.2.3 介孔硅球药物储存器

通过香豆素分子间的光控可逆反应，Tanaka等首次构建了基于介孔硅球的“智能”药物释放系统［29］。此后，科学家对介孔硅球药物储存器的构建进行了广泛的研究。封堵介孔硅球孔道的材料除了可逆交联的香豆素，还包括CdSe、Fe3O4、Au等无机纳米粒子，胰岛素、抗体等生物大分子以及聚乙二醇、聚烯丙基胺-聚苯乙烯磺酸钠多层膜等合成高分子材料;解封手段包括pH、还原环境、酶、光等刺激来实现封堵材料降解与脱离［30］。

3 结语

近年来对于癌症化疗的基础研究主要集中在应用纳米尺寸的药物载体替代传统的给药方式。为保证纳米载药粒子安全、稳定地传送药物到肿瘤部位，并能以精确的方式实现药物在目标部位的定点、定量的累积与释放，就需要药物载体可以根据病灶部位特别的刺激信号相应地调整药物传输方式与释放的剂量，并同肿瘤建立耦合-反馈的机制。虽然目前的相关研究主要为基础研究，但是我们相信，随着人们对肿瘤组织、细胞的结构与环境进一步深入认识，终将设计出能广泛应用于人类重大疾病治疗、诊断与预防的智能型纳米药物载体。

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