培美曲塞纳米制剂研究进展

凌建新 宁倩 唐圣松

[摘要] 培美曲塞（PEM）是对叶酸代谢途径多靶点阻断的新一代抗肿瘤药，疗效高于其他传统抗叶酸类药物。但由于该药缺乏肿瘤特异性，存在剂量依赖性毒副作用，导致其临床应用受限。纳米载体由于靶向给药策略在降低毒性和改善治疗效果方面具有独特的优势而受到广泛关注。近年来，关于PEM的纳米制剂研究，包括脂质体、纳米粒、胶束、纳米乳、水凝胶等，在提高PEM的溶解度、延长体内循环时间、提高靶向性、降低不良反应、增强抗肿瘤活性等方面取得一定进展，并开发出不同的给药方式。本文对PEM纳米制剂研究进展进行综述，为PEM新型纳米制剂的开发和应用提供理论依据。

[关键词] 培美曲塞;纳米制剂;靶向给药;研究进展

[中图分类号] R944          [文献标识码] A          [文章编号] 1673-7210（2019）10（a）-0063-04

Research progress of Pemetrexed nanoformulation

LING Jianxin1，2，3   NING Qian2   TANG Shengsong1，2

1.Institute of Pharmacy and Pharmacology， University of South China， Hu′nan Province， Hengyang   421001， China; 2.Hu′nan Province Key Laboratory for Antibody-based Drug and Intelligent Delivery System， Hu′nan University of Medicine， Hu′nan Province， Huaihua   418000， China; 3.Department of Pharmacy， the First Affiliated Hospital of Hu′nan University of Medicine， Hu′nan Province， Huaihua   418000， China

[Abstract] Pemetrexed （PEM） is a new generation of anti-tumor drug that blocks multiple targets of folate metabolism pathway， and it is more effective than other traditional anti-folate drugs. However， due to the lack of tumor specificity and dose-dependent toxicity， its clinical application is limited. Nanocarriers have attracted wide attention because of their unique advantages in reducing toxicity and improving therapeutic effect. In recent years， studies on PEM nanoparticles， including liposomes， nanoparticles， micelles， nanoemulsions and hydrogels， have made some progress in improving the solubility of PEM， prolonging the circulation time in vivo， improving targeting， reducing adverse reactions and enhancing anti-tumor activity， and different drug delivery methods have been developed. This paper reviews the research progress of PEM nanopreparation， and provides the theoretical basis for the development and application of new PEM nanopreparation.

[Key words] Pemetrexed; Nanoformulation; Targeted drug delivery; Research progress

培美曲塞（Pemetrexed，PEM）是基于經典抗代谢类药物甲氨蝶呤（MTX）和氟尿嘧啶（FU）的基础上研制的，结构上含有吡咯嘧啶为核心基团的新一代抗代谢药。不同的是，MTX主要作用于二氢叶酸还原酶（DHFR），FU主要抑制胸苷酸合成酶（TS），而PEM为多靶点叶酸抑制剂，能够明显抑TS、DHFR和甘氨酰胺核苷甲酰基转移酶（GARFT）的活性，因此具有较好的临床应用效果。现已经证明PEM对恶性胸膜间皮瘤及非小细胞肺癌等多种癌症均有较好的疗效[1-2]。然而，由于肿瘤细胞耐药，及PEM产生的剂量依赖性毒副作用，如贫血、恶心、疲劳、腹泻和口腔炎等[3]，限制了PEM的临床应用。

纳米制剂是特异靶向性和药物控制释放性相结合的新型药物传递系统，其优势在于增强药效、降低药物毒性、改变药物的体内过程，具备口服、局部给药、静脉注射等多种方式给药[4-5]。由于大多数传统的纳米载体对亲水性和负电荷药物PEM的负载量很低且不稳定，关于靶向递送PEM的报道较少。本文综述了近几年PEM的纳米制剂研究进展，包括脂质体、胶束制剂、纳米粒、纳米乳、水凝胶等，为该药物新剂型的开发及应用提供一定的理论依据。笔者目前也正在构建靶向于雌激素受体的长循环PEM脂质体，并初步探索该脂质体对雌激素受体过表达乳腺癌的抗肿瘤作用。

1 脂质体制剂

脂质体是指由两亲性磷脂双分子层在水中自组装成的一层或多层的球形囊泡结构，大小为几纳米至几微米不等。脂质体既可以包封亲水性抗癌药物，还可以包载疏水性药物[6]。PEM是一种水溶性药物，用传统脂质水化薄膜法制备时，因脂质体亲水的内核体积小，导致其包封率很低，而pH梯度法可以较好地提高水溶性药物的包封率。P-糖蛋白（P-gp）的外排作用是PEM细胞摄取减少的重要原因，非离子表面活性剂α-生育酚聚乙二醇1000琥珀酸单脂（TPGS）是一种P-gp抑制剂。Bai等[7]设计了一种经TPGS修饰的脂质体来递送PEM（TPGS-PEM脂质体）。采用pH梯度法制备，PEM包封率可达63.5%。在转染多重耐药基因ABCC5的乳腺癌细胞（MCF-7+ABCC5）中，TPGS-PEM脂质体的IC50值比PEM注射剂显著降低。MCF-7+ABCC5异种移植瘤小鼠体内，经TPGS-PEM脂质体治疗后肿瘤体积明显小于PEM注射剂组。此外，Essam Eldin等[8]制备了不同配比PEM脂质体剂型，证实胆固醇的掺入以及增加脂质体总脂浓度可使PEM的包封率增加。Eldin等[9]研究显示，相较于“固体”脂质体（HSPC），将PEM包封在“流体”脂质体（POPC）中可使PEM从脂质体中高效释放，对恶性胸膜间皮瘤细胞MSTO-211H产生更强细胞毒性，而Ando等[10]证实，PEM脂质体的胸腔注射给药可能更有效。脂质体作为PEM的载体，一方面可通过高通透性和滞留效应聚集于肿瘤部位，提高治疗效果，降低毒副作用;另一方面还可通过适当的加工处理，包括物理化学修饰、表面电荷修饰等，利用pH敏感、热敏感、光敏感等实现可控药物释放，开发主动靶向性脂质体，使其临床应用更加广泛。

2 胶束制剂

胶束制剂是由两亲性嵌段共聚物在水溶液中形成的自组装结构，包括亲水链段和疏水链段，疏水链段在水中聚集成核，有利于增加难溶性药物的溶解度，而亲水链段形成壳结构，起到稳定和保护作用。由于PEM主要通过还原叶酸载体（RFC）转运到肿瘤细胞，故RFC的缺失可导致PEM递送减少。Vandana[11]将PEM的羧基与N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）进行羧酸偶联，活化后的药物与氨基聚乙二醇（PEG-NH2）缩合反应，制备了PEG修饰的PEM共轭物胶束（PEG-PEM），PEG-PEM具备不依赖于RFC的有效细胞内化途径。实验证实PEG-PEM不仅对乳腺癌细胞MCF-7有较好的抑制作用，而且对缺乏RFC的乳腺癌细胞MDA-MB-231的抑制作用明显高于PEM注射剂。

胶束制剂因粒径小，且不易被网状内皮系统摄取，具备一定的被动靶向性，目前开发方向旨在提高其主动靶向作用。Yang等[12]采用肺癌靶向功能肽CC9修饰的聚乙二醇-b-聚（三亚甲基碳酸酯-co-二硫戊環三亚甲基碳酸酯）-b-聚乙烯亚胺[PEG-P（TMC-DTC）-PEI]，制得氧化还原敏感型胶束PEM-CC9-RCPs靶向递送PEM，可经高浓度谷胱甘肽触发释放，与游离型PEM相比，其对肺癌细胞H460的抑制作用分别提高10倍，体内循环时间延长22倍，肿瘤部位蓄积量增加9.1倍。明胶酶属于基质金属蛋白酶（MMPs）家族成员，在肿瘤的生长、侵袭过程中起着重要的作用，研究表明[13]，多种肿瘤细胞分泌明胶酶，而明胶酶切割肽可智能靶向明胶酶。Lu等[14]开发了一种由明胶酶切割肽与PEG和聚己内酯（PCL）组成的嵌段共聚物（PEG-Peptide-PCL），经包载PEM形成PEM-TNPs用于肿瘤靶向传递，PEM-TNPs被明胶酶所转化，从而使药物释放和促进肿瘤细胞对PEM的摄取。不足的是，胶束制剂进入人体血液后存在被稀释的可能，在临界胶束浓度以下易解聚，从而导致药物释放增快。PEM的化学结构中含有2个羧基和1个氨基，其中羧基是其发挥抗肿瘤作用的官能基团，因此，利用PEM的氨基进行共轭结合修饰，保障释放后的PEM羧基的完整，将有利于制备出稳定性好和靶向性强的胶束制剂。

3 纳米粒制剂

纳米粒制剂是一类以高分子材料为载体的固态胶体微粒，其制备材料包括人工合成高分子、天然生物大分子以及无机纳米材料。目前已制备的PEM纳米粒载体包括二氧化硅纳米粒（mesoporous silica nan-oparticles，MSNs）、金纳米粒（gold nanoparticles， GNPs）、白蛋白、壳聚糖等。为提高肿瘤部位的有效积累，降低组织毒性，Stolarczyk等[15]利用PEM的羧基与GNPs结合制备出纳米粒AuNPs-PEM，粒径为9～19 nm，在水中具有较高的稳定性且对正常组织细胞毒性低，对肿瘤细胞具有较高的通透性。为提高靶向性，并实现抗肿瘤药物协同作用，Mohapatra等[16]用磷酸钙模板法合成了粒径为130 nm的介孔空心球形二氧化硅纳米颗粒。内部空间装载包裹有PEM的磁性纳米颗粒CoFe2O4，表面修饰以铂类抗肿瘤药物顺铂、叶酸和荧光染料RITC。在人宫颈癌细胞系（HeLa）的细胞毒性实验表明，该负载双药物纳米粒由于顺铂和PEM的协同作用，以及叶酸受体介导的靶向内吞作用，使其比单一药物具有更强的细胞毒性。

白蛋白具有生物可降解性、生物相容性等优点，可增加难溶性药物的溶解度，明显减轻有机高分子材料在体内的毒性。量子点（QDs）是具有纳米尺寸的半导体发光粒子，是一类理想的荧光探针[17]。Zayed等[18]利用白蛋白纳米粒和QDs的优点，以牛血清白蛋白（BSA）为载体材料，表面修饰CdTe量子点，将PEM与BSA酰胺结合，并包封中药白藜芦醇（RSV），制备出双载药多功能白蛋白纳米粒PEM/RSV-BSA-QDs，在乳腺癌接种小鼠体内，PEM/RSV-BSA-QDs表现出明显的抗肿瘤作用，通过QDs介导的荧光显示，该纳米粒具有良好的肿瘤特异性蓄积。

脂质聚合物纳米粒（LPNs）是近几年来基于脂质体和聚合物纳米粒发展起来的一种新型载体，它由磷脂壳和聚合物核组成，具有壳核结构，兼有脂质体和聚合物纳米粒两者的优点[19]。Kü？觭üktürkmen等[20]设计制备了同时包裹反义核酸miR-21（anti-miR-21）与PEM的共载系统，利用LPNs的性质克服肿瘤组织上的物理障碍，再利用anti-miR-21特异性沉默耐药基因，促进PEM抗癌作用发挥。为进一步提高治疗效果和可大规模生产提供了可能，课题组采用高压重熔法制备了包载上述两种物质的固体脂质纳米粒（SLNs）[21]，其包封率达90%，而且，由于增加了anti-miR-21的负载量，SLNs比LPNs具有更好的肿瘤细胞毒性。随着对PEM纳米粒制备材料和修饰方式的研究和改进，在提供更好疗效且不出现新的副作用的前提下，PEM纳米粒可呈现良好的纳米生物效应，然而不同粒径、形状、表面特性、材料及靶头修饰的纳米粒与体内环境的相互作用有待进一步研究，同时，其安全性问题也不容忽视。

4 水凝胶制剂

水凝胶是线性高分子链通过交联形成三维网状空间结构，具有强吸取水分能力却不溶于水的一类高分子材料。它具有环境敏感性、良好的生物相容性、生物可降解和对多种刺激有响应等特点。由于PEM在核磁共振（MRI）的化学交换饱和转移成像法（CEST）中信號在5.2 ppm的频率时与水发生共振偏移，因此，被认为是一种可作为抗癌药物和MRI对比剂的双重功能药物。此外，Lock等[22]将PEM与包含两种谷氨酸和两种苯丙氨酸组成的短肽序列结合，开发了同时具备双重功能的热敏纤维水凝胶PemFE，由于传统对比剂钆螯合剂中钆离子的渗漏和沉积会引起严重的肾源性系统性纤维化（NSF），PemFE的开发，提供了一种更安全的途径来完成MRI图像介导下的药物传递。

5 口服纳米乳制剂

相比于注射给药，口服给药具备简便、患者依从性好、接受程度高等的优点，而包括PEM在内的大部分化疗药物，由于在水中溶解度较低、肠道壁通透性差、体内分布选择性不好，同时又受到肝脏首过代谢和P-gp的外排，使其生物利用度极低。纳米药物递送载体因比表面积较大，有利于增强与胃肠道表面细胞的接触更易被肠黏膜摄取和转运，从而增加吸收。Pangeni等[23]将PEM与2-羟丙基-β-环糊精（HP-β-CD）进行离子络合，再与脱氧胆酸赖氨酸甲酯（DCK）和泊洛沙姆188（P188）混合，然后通过两步乳化法制备出W/O/W型纳米乳HP-β-CD/PEM/DCK/P188-NE。在Lewis肺癌细胞接种小鼠体内实验中，生物利用度为（26.8±2.98）%，与口服游离PEM相比增加2.23倍，肿瘤生长减少61%。同时，Pangeni等[24]将PEM与N-脱氧胆碱-L-赖氨酸甲酯，形成了离子对配合物，并与槲皮素进一步结合，得到共给药纳米乳剂PEM/DCK-QCN-NE。通过DCK与胆汁酸转运蛋白的相互作用以及纳米乳制剂介导的膜结构和流动性的改变，显著改善PEM/DCK和QCN的肠膜渗透性和细胞摄取，使两种药物的口服生物利用度分别增加了4.51倍和23.9倍。口服制剂受胃肠道环境的影响较大，而依据胃肠道中pH梯度和菌群产生的各种酶类，选择不同的纳米材料，将有利于设计出更安全有效的口服PEM纳米乳剂。

综上所述，在PEM的纳米递送系统方面已经有了广泛而深入的研究，一系列纳米制剂在改善PEM的溶解性、提高靶向性和生物利用度、增强疗效等方面取得了较大的进展。然而，目前PEM纳米制剂的研究还处于实验室阶段，未进入临床研究。这主要是因其制备工艺复杂，长期储存物理化学稳定性差。因此，制剂的稳定性，载体材料的生物相容性，体内靶向性及药动学特征等问题还需进一步研究[25]。此外，根据肿瘤微环境的特点，设计环境响应性的纳米制剂，如氧化还原敏感型、光响应型等，或将化疗与免疫治疗、基因治疗、光动力治疗及光热治疗等联合应用，通过多个靶点发挥作用实现恶性肿瘤的精准治疗，是纳米制剂具有巨大潜力的研究方向。总之，PEM纳米制剂在增强靶向作用、改善肿瘤治疗效果的同时，还可以减少耐药、避免大剂量使用带来的全身毒副作用，具有重大的研究价值和临床应用前景。

[参考文献]

[1]  Adjei AA. Pharmacology and Mechanism of Action of Pemetrexed [J]. Clin Lung Cancer，2004，5（supp-S2）：S51-S55.

[2]  Curtin NJ，Hughes AN. Pemetrexed disodium，a novel antifolate with multiple targets [J]. Lancet Oncol，2001，2（5）：298-306.

[3]  Chattopadhyay S，Moran RG，Goldman ID. Pemetrexed：biochemical and cellular pharmacology，mechanisms，and clinical applications [J]. Mol Cancer Ther，2007，6（2）：404-417.

[4]  Dong X，Mumper RJ. Nanomedicinal strategies to treat multidrug resistant tumors：current progress [J]. Nanomedicine （Lond），2010，5（4）：597-615.

[5]  Gao J，Feng SS，Guo Y. Nanomedicine against multidrug resistance in cancer treatment [J]. Nanomedicine （Lond），2012，7（4）：465-468.

[6]  Akbarzadeh A，Rezaei-Sadabady R，Davaran S，et al. Liposome：classification， preparation，and applications [J]. Na-noscale Res Lett，2013，8（1）：102-111.

[7]  Bai F，Yin Y，Chen T，et al. Development of liposomal pemetrexed for enhanced therapy against multidrug resistance mediated by ABCC5 in breast cancer [J]. Int J Nano-medicine，2018，13：1327-1339.

[8]  Essam Eldin N，Elnahas HM，Mahdy MA. Liposomal pemetrexed：formulation，characterization and in vitro cytotoxicity studies for effective management of malignant pleural mesothelioma [J]. Biol Pharm Bull，2015，38（3）：461-469.

[9]  Eldin NE，Abu Lila AS，Kawazoe K，et al. Encapsulation in a rapid-release liposomal formulation enhances the anti-tumor efficacy of pemetrexed in a murine solid mesothelioma-xenograft model [J]. Eur J Pharm Sci，2016，81：60-66.

[10]  Ando H，Kobayashi S，Abu Lila AS，et al. Advanced therapeutic approach for the treatment of malignant pleural mesothelioma via the intrapleural administration of liposomal pemetrexed [J]. J Control Release，2015，220（Pt A）：29-36.

[11]  Vandana M. Reduced folate carrier independent internalization of PEGylated pemetrexed：a potential nanomedicinal approach for breast cancer therapy [J]. Mol Pharm，2012，9（10）：2828-2843.

[12]  Yang W，Yang L，Xia Y，et al. Lung cancer specific and reduction-responsive chimaeric polymersomes for highly efficient loading of pemetrexed and targeted suppression of lung tumor in vivo [J]. Acta Biomater，2018，70：177-185.

[13]  Gialeli C，Theocharis AD. Roles of matrix metalloproteinases in cancer progression and their pharmacological targeting [J]. FEBS J，2011，278（1）：16-27.

[14]  Lu N，Liu Q，Li R，et al. Superior antimetastatic effect of pemetrexed-loaded gelatinase-responsive nanoparticles in a mouse metastasis model [J]. Anticancer Drugs，2012， 23（10）：1078-1088.

[15]  Stolarczyk EU，Stolarczyk K，？覵aszcz M，et al. Pemetrexed conjugated with gold nanoparticles-Synthesis，characterization and a study of noncovalent interactions [J]. Eur J Pharm Sci，2017，109：13-20.

[16]  Mohapatra S，Rout SR，Narayan R. Multifunctional mesoporous hollow silica nanocapsules for targeted co-delivery of cisplatin-pemetrexed and MR imaging [J]. Dalton Trans，2014，43（42）：15841-15850.

[17]  Zhao MX，Zhu BJ，Yao WJ，et al. Therapeutic effect of quantum dots for cancer treatment [J]. RSC Adv，2016，6（114）：113791-113795.

[18]  Zayed DG，Ebrahim SM，Helmy MW，et al. Combining hydrophilic chemotherapy and hydrophobic phytotherapy via tumor-targeted albumin-QDs nano-hybrids：covalent coupling and phospholipid complexation approaches [J]. J Nanobiotechnology，2019，17（1）：7-26.

[19]  Krishnamurthy S，Vaiyapuri R，Zhang L. Lipid-coated polymeric nanoparticles for cancer drug delivery [J]. Biomater Sci，2015，3（7）：923-936.

[20]  Kü？觭üktürkmen B，Devrim B，Saka OM，et al. Co-delivery of pemetrexed and miR-21 antisense oligonucleotide by lipid-polymer hybrid nanoparticles and effects on glioblastoma cells [J]. Drug Dev Ind Pharm，2017，43（1）：12-21.

[21]  Kü？觭üktürkmen B. Development and characterization of cationic solid lipid nanoparticles for co-delivery of pemetrexed and miR-21 antisense oligonucleotide to glioblastoma cells [J]. Drug Dev Ind Pharm，2018，44（2）：306-315.

[22]  Lock LL，Li Y，Mao X，et al. One-Component Supramolecular Filament Hydrogels as Theranostic Label-Free Magnetic Resonance Imaging Agents [J]. ACS Nano，2017，11（1）：797-805.

[23]  Pangeni R，Choi JU，Panthi VK，et al. Enhanced oral absorption of pemetrexed by ion-pairing complex formation with deoxycholic acid derivative and multiple nanoemulsion formulations：preparation，characterization，and in vivo oral bioavailability and anticancer effect [J]. Int J Nanomedicine，2018，13：3329-3351.

[24]  Pangeni R，Panthi VK，Yoon IS，et al. Preparation，Characterization，and In Vivo Evaluation of an Oral Multiple Nanoemulsive System for Co-Delivery of Pemetrexed and Quercetin [J]. Pharmaceutics，2018，10（3）.pii：E158.

[25]  Service RF. Nanotechnology.Nanoparticle Trojan horses gallop from the lab into the clinic [J]. Science，2010，330（6002）：314-315.

（收稿日期：2018-04-16  本文編辑：刘永巧）