一氧化氮供体型药物传输系统在抗肿瘤领域的研究进展

关 旸 王 博

浙江中医药大学实验室与设备管理处 浙江省杭州市 310053

一氧化氮供体型药物传输系统在抗肿瘤领域的研究进展

关 旸 王 博

浙江中医药大学实验室与设备管理处 浙江省杭州市 310053

一氧化氮供体型药物具有优越的抗肿瘤作用，但多数小分子NO供体稳定性不高、适用范围窄、靶向性不强，而NO供体型药物传输系统能够避免这些问题的发生。本文综述了当前NO供体型药物传输系统的研究进展，概括了NO和抗癌药物协同治疗肿瘤的成果和特点，展望了NO供体型药物传输系统在抗肿瘤领域的未来发展前景。

一氧化氮供体；药物传输系统；抗肿瘤；协同效应

1 背景

一氧化氮（NO）是一种重要的内源性气体信号分子，参与机体的各种生理和病理过程，和心血管内环境的稳定、免疫系统反应、神经传递、细胞增殖与凋亡等生命活动密切相关[1]。研究证实，NO不仅在治疗心血管类疾病、肝脏疾病、白血病、性功能勃起障碍、妊高症等方面具有显著效果[2]，而且可以抑制肿瘤细胞的增殖和转移，加速肿瘤细胞凋亡，表现出多机制、多方面的抗肿瘤作用[3]。此外，NO还具有抑制和逆转肿瘤细胞的多药耐药效应（MDR），是一种颇具潜力的抗癌剂[4]。但NO的生物半衰期极短、稳定性差，且有些慢性病会造成血管内皮细胞损伤，减少体内的NO生成，因此，外源性NO的补充是一种有效的治疗措施，NO供体则是为了满足该医疗手段而开发的。NO供体（nitric oxide donor）是指能够在体内释放NO的化合物。不同结构的NO供体其转化NO的速度与程度不同，理想的NO供体是自发稳定地释放NO，无需复杂反应和细胞代谢[2]。而在肿瘤治疗领域，对NO供体材料的要求更加苛刻，因为NO对肿瘤具有双重作用，只有高浓度的NO（μmol/L级）才能用于肿瘤治疗，而低浓度的NO（pmol/L至nmol/L级）反而会促进肿瘤细胞的生长[5]。因此，如何将NO供体输送到肿瘤细胞并释放出高浓度的NO，是提高疗效的关键。

单一地利用NO治疗肿瘤存在一定的风险，虽然前期高浓度的NO可以起到治疗作用，但后期残留的低浓度NO很有可能会促进肿瘤的生长而使得治疗失败，将NO与有抗肿瘤效果的药物相结合则可以避免这一问题[6]。要实现这一想法，其中一种方案是将抗肿瘤药物制备成NO供体（即NO供体药物），如：非甾体抗炎类药物NO供体NO-阿司匹林（NCX-4016）在临床研究中表现出很好的肿瘤抑制效果[7,8]，NO-5-氟尿嘧啶也有增强的抗肿瘤功效[9]。但该方法的适用范围仅限于化学结构适合制备成NO供体的药物，且大多数小分子NO供体型药物稳定性不高，易在血液循环过程中分解，靶向性和定位能力不强。而另外一种方案是用NO供体型药物传输系统将抗肿瘤药物负载并直接输送到肿瘤组织，该方法普适性较强，合成出NO供体型纳米材料后，可传递多种抗肿瘤药物。本文将着重介绍NO供体型药物传输系统在抗肿瘤领域的研究进展。

2 NO供体型药物传输系统及其应用

Duong等[10]通过可逆加成断裂链转移法（ATRP），以低聚乙二醇（OEG）和2-乙烯基-4,4-二甲基-5-恶唑酮（VDM）为单体，合成了疏水段含有巯基的嵌段共聚物，然后用S-亚硝基硫醇对共聚物中的硫醇基团进行修饰，得到包含硫醇和NO的NO供体。在水溶液中，嵌段共聚物自组装形成胶束，将S-亚硝基硫醇基团包裹在疏水内核中。该聚合物胶束能够释放出NO，且释放行为具有氧化还原响应性。虽然胶束的NO释放量不足以发挥显著的细胞毒性，但和神经母细胞瘤BE(2)-C细胞中游离的顺铂相比，胶束的预处理可将顺铂的IC50值降低5倍。另一方面，该胶束释放的NO对非癌性细胞（MRC-5）中IC50值的影响微乎其微。该研究对NO和药物递送系统的组合抗肿瘤治疗有重要价值。在他们的启发下，Lee团队[11]采用了类似的策略来开发含有NO供体的无机粒子改性的纳米粒来提高多柔比星（DOX）的治疗效果。他们合成出S-亚硝基谷胱甘肽（GSNO）负载的碳酸钙（CaCO3）纳米颗粒（GSNO-MNPs），该纳米颗粒的NO释放行为具有pH敏感性和氧化还原响应性。尽管GSNO-MNPs的细胞毒性可以忽略，但纳米颗粒的预处理对DOX的抗癌效用提高了约30%，虽然本研究中没有给出详细的作用机制，但作者提出了纳米颗粒中释放出的NO加速了过氧亚硝酸盐的形成、从而提高了DOX的抗癌效率这一假设。

Song等人[12]以FDA批准的药用辅料TPGS为基础，将其OH端基转化成硝酸酯，制备了TPGS硝酸酯型NO供体（TNO3）。自组装得到的胶束在PBS中、144h后的NO释放量为10%；在DMEM培养基中、96h后的NO释放量为16.6%。然而，由于硝酸酯的氧化还原响应性，胶束在谷胱甘肽（GSH）和HepG2细胞中出现NO的突释，释放量分别为90%和90.5%。释放出的NO不仅在较高浓度（1μMNO）下诱导细胞毒性，而且增强了DOX的体外细胞摄取。尤其是，TNO3和DOX之间的药物相互作用系数（CDI）值低于0.7，这表明：胶束释放的NO和DOX对肿瘤细胞的治疗具有协同效应。体内实验结果证实，在TNO3和DOX的联合给药下，DOX在肿瘤部位前4小时的聚集量是DOX单独给药时的1.4倍，作者认为，这是由于NO会引起实体瘤周围血管的扩张，从而减小间质压力、增加肿瘤灌注，有助于DOX在更短时间内富集于肿瘤之中。本研究还证明了，在TNO3和DOX的共同治疗下，对肿瘤生长的抑制作用相比单独施用TNO3和DOX有显著增强。

Wang等[13]用纳米共沉淀法一步得到含有S-亚硝基硫醇和DOX的载药纳米颗粒：首先在亚硝酸钠的有机溶液中，通过3-巯基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）的酸催化缩合，得到SNO聚硅倍半氧烷，再将该混合物加入到DOX的水溶液中，得到含有S-亚硝基硫醇和DOX的复合纳米粒（SNODOX）。实验表明，SNODOX对MDA-MB-231的细胞毒性分别高于DOX和SNO单独给药的细胞毒性，说明NO和DOX具有协同作用，值得注意的是，对于正常细胞（H9c2大鼠），SNODOX并未表现出细胞毒性的增强。这意味着NO和药物递送系统的结合对肿瘤细胞的靶向治疗有潜在意义。Munaweera等[14]用类似的方法制备了氨基改性的介孔二氧化硅纳米粒子（MSN），然后负载顺铂并用二醇二氮烯翁修饰。该研究也显示：同时包含NO供体和顺铂的MSN的治疗指数均高于单独使用NO供体和顺铂，再次证明了NO和药物的协同作用效果。Sung的团队[15]利用微流体装置和水包油包水（W/O/W）双乳液法制备聚（D,L-乳酸-共-乙醇酸）的中空纳米粒（PLGA HMs）用来负载传输抗癌药物伊立替康（CPT-11），而纳米粒的亲水内核为NO供体——二亚乙基三胺二醇二氮烯翁（DETANONOate）。研究显示，该纳米粒释放NO和药物的行为具有pH响应性，在pH为6的环境下，空心纳米粒（HM）释放出的NO气泡会导致HMs的外壳中产生微孔和缺陷，使得其中负载的CPT-11快速释放；在pH为8.0的环境下，内核的NO供体不会分解出NO，因而CPT-11释放较慢。HMs对于CPT-11的摄取和Pgp转运蛋白的表达与外界的pH值呈负相关，酸性条件下（pH6.6）HMs对CPT-11的载药量增加了100%；而中性条件下（pH7.4）HMs的CPT-11载药量仅增加13%。在动物实验中，HMs对小鼠肿瘤的抑制作用相比游离的CPT-11有显著增强。

Fan J等[16]开发了可联合递送NO和DOX的UV/Vis光响应胶束，制备方法是用PEG-PLGA共聚物同时负载DOX和UV响应性的NO供体——N，N'-二仲丁基-N，N'-二亚硝基-1,4-苯二胺（BNN6），形成复合载药胶束。在黑暗条件下，PBS中的胶束没有被检测到NO释放，而在365nm的紫外线照射下，胶束中的BNN6随即释放出NO。紫外线持续照射2分钟，即可促使胶束内核中的BNN6分解崩塌并随之带来DOX的突释。在无光照的情况下，胶束在96h内未出现NO释放且DOX的释放量仅为28%。mPEG-PLGA-DOX-BNN6对MDR癌细胞表现出显著的抗癌作用（约70%的细胞毒性），而游离的DOX、mPEG-PLGA-DOX和mPEG-PLGA-BNN6均未表现出有效的癌细胞毒性（20-30%的细胞毒性）。该论文提出了利用外部刺激控制NO和药物传输递送、协同治疗的研究思路。

3 展望

一氧化氮供体型药物传输系统及其在抗肿瘤方面的应用研究尚处于起步阶段，但近年来日渐升温，能够将NO和其它抗癌药物联合传输至肿瘤部位进行协同治疗是它的一大特点和优势。相比小分子的NO供体型抗癌药物，该智能传输系统的适用范围更广、可以负载多种药物、更容易实现靶向功能和外部环境响应性。但NO供体型药物传输系统仍存在一定的局限性，如：NO和药物协同效应的分子学和药理学机制尚未完全明确；NO体内释放的稳定性和可控性有待提高等，还需要我们进一步的探索。未来关于NO供体型药物传输系统的研究可能主要集中在NO和抗癌药物匹配治疗方案的优化、如何更好地克服多药耐药效应（MDR）和NO释放时间和浓度的把控等几个方面，这些研究推动了智能型药物纳米制剂的开发与进展，具有潜在的临床意义。

[1]Kim J,Yung B C,Kim W J,et al. Combination of nitric oxide and drug delivery systems: tools for overcoming drug resistance in chemotherapy☆ [J]. Journal of Controlled Release,2016.

[2]邱相君,丁保金.一氧化氮供体药物的研究进展与应用前景[J].中国临床药理学与治疗学,2003,8(01):118-120.

[3]王兰,赵广荣,王未东,等.抗肿瘤一氧化氮供体药物研究进展[J].中国新药杂志,2006,15(21):1818-1823.

[4]白成锋,黄张建,张奕华.一氧化氮供体型抗耐药肿瘤药物的研究进展[J].药学进展,2016(07):527-534.

[5]Carpenter AW,Schoenfisch MH: Nitric oxide release:Part II. Therapeutic applications.Chemical Society Reviews 2012,41:3742-3752.

[6]Saraiva J,Marotta-Oliveira SS, Cicillini SA,et al.Nanocarriers for nitric oxide delivery.Journal of Drug Delivery,2011:1-16.

[7]Jennie LW,Simona B,Izhar H,et al.Nitric oxide-releasing nonsteroidal anti-inflammatory drugs(NSAIDs) alter the kinetics of human colon cancer cell lines more effectively than traditional NSAIDs:Implication for colon cancer chemoprevention.Cancer Research,2001,61:3285-3289.

[8]Santo C,Serafini P,Marigo I,et al.Nitroaspirin corrects immune dysfunction in tumor-bearing hosts and promotes tumor eradication by cancer vaccination [J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,2005,11:4185-4190.

[9]Cai TB,Tang X,Nagorski J,et al.Synthesis and cytotoxicity of 5-fluorouracil/diazeniumdiolare conjugates.Bioorganic & Medicinal Chemistry,2003,11:4971-4975.

[10]Duong H T,Kamarudin Z M,Erlich R B,et al.Intracellular nitric oxide delivery from stable NO-polymeric nanoparticle carriers[J].Chemical Communicatio ns,2013,49(39):4190-2.

[11]Lee H J,Kim d E,Park D J,et al.pH-Responsive mineralized nanoparticles as stable nanocarriers for intracellular nitric oxide delivery[J]. Colloids & Surfaces B Biointerfaces,2016,146:1.

[12]Song Q,Tan S,Zhuang X,et al.Nitric oxide-releasing D-α-tocopheryl polyethylene glycol succinate (TPGS) for enhancing antitumor activity of doxorubicin[J].Molecular Pharmace utics,2014,11(11):4118-4129.

[13]Wang M R,Chiu S J,Chou H C,et al.An efficient S-NO-polysilsesquioxane nanoplatform for the co-delivery of nitric oxide and an anticancer drug[J]. Chemical Communicatio ns,2015,51(86):15649-52.

[14]Munaweera I,Shi Y,Koneru B,et al.Nitric oxide- and cisplatinreleasing silica nanoparticles for use against non-small cell lung cancer.[J].Journal of Inorganic Biochemistry,2015,153:23-31.

[15]M.F.Chung,H.Y.Liu,K.J.Lin,W. T. Chia,H.W.Sung.A pH-responsive carrier system that generates NO bubbles to trigger drug release and reverse P-glycoproteinmediated multidrug resistance[J].Angew. Chem.Int.Ed.2015,54:9890-9893.

[16]Fan J,He Q,Liu Y,et al.Light-Responsive Biodegradable Nanomedicine Overcomes Multidrug Resistance via NOEnhanced Chemosensitization[J]. Acs Applied Materials & Interfaces,2016,8(22):13804.

浙江中医药大学2017年度校级科研基金项目（2017ZY22）。