基于超声靶向微泡破坏技术的纳米给药系统的研究进展

周厚妊 张 月 辛 莹 李诗慧 刘小奇 刘治军

纳米给药系统是指药用材料与药物制备的粒径为1～1000 nm的纳米级药物输送体系，具有靶向、控释、易被细胞摄取及能提高药物稳定性等特点，在疾病的治疗，尤其是在肿瘤的治疗方面具有较好的应用前景。然而，目前其药物输送效率仍有待于提高。超声靶向微泡破坏（ultrasound-targeted microbubble destruction，UTMD）技术是一种安全的物理靶向方法，其产生的微流和辐射力可使血脑屏障、致密结缔组织及细胞膜等坚固屏障破裂，使更多的靶向药物进入细胞和组织，从而显著提高纳米给药系统效率。本文就UTMD 技术及其提高纳米给药系统效率的可能机制、基于UTMD 技术的新型纳米给药系统的分类、影响纳米给药系统靶向性的因素、纳米给药系统与靶向配体耦联的策略，以及UTMD 介导纳米给药系统在肿瘤、糖尿病心肌病、糖尿病肾病、视网膜疾病等多种疾病诊治中的应用等研究进展进行综述。

一、UTMD技术及其相关机制

UTMD 技术是指经超声图像确定载基因或药物的微泡到达靶组织或器官后，给予不同强度的超声辐照，致使微泡发生收缩、振荡、膨胀及破裂，其产生的空化与声孔效应使细胞膜形成小孔，进而促进外源性基因或药物的靶向运输。UTMD 介导纳米给药系统相较于其他基因或药物递送方式具备有如下优势：①具有低毒和低免疫原性；②纳米给药系统通过血管注射入体内，具有非侵入性及高度可重复性；③实现了靶组织及细胞水平的诊疗一体化；④与其他成像方式比较，具有较高的经济实用性；⑤通过UTMD 技术可增强靶向性，提高转染率，药物或基因可被选择性地递送到指定的感兴趣区域，从而降低系统给药的毒性，减少全身性反应［1］。

UTMD 提高纳米给药系统效率的可能机制：①空化效应，包括稳态空化及瞬态空化，稳态空化可产生较小的辐射压和微射流，瞬态空化可产生高能冲击波及巨大切应力。空化效应可使血管内皮细胞间隙增大，细胞膜通透性增加，促进纳米给药系统向血管外靶向位置的渗透；②声孔效应，在瞬态空化的作用下，细胞膜表面形成可持续数秒的短暂开口，纳米给药系统进入细胞并递送基因及药物；③超声波作用下细胞内氧自由基的产生大大增加，提高细胞膜通透性，同时超声波可使细胞膜温度升高，改变膜磷脂流动性，最大幅度地提高了细胞膜的渗透性，进而促进细胞对纳米给药系统的摄取［2］；④超声波可刺激细胞内吞功能［3］并通过产生过氧化氢促进钙离子内流，钙离子依赖的钾离子通道开放，激活细胞膜转运，从而增加纳米给药系统的摄取。

二、基于UTMD技术的新型纳米给药系统的分类

1.载药超声纳泡。载药超声纳泡是由脂质或多聚物包裹惰性气体（多选用氟碳气体）及药物或基因构成。有学者［4］制备了含有全氟丙烷的载基因脂质超声纳泡，并将其注入小鼠体内，结果显示基因摄取仅限于暴露于超声下的区域，表明超声破坏载基因脂质超声纳泡可用于增加DNA转导。近年来，载药超声纳泡的制备和初步应用取得了很好的效果，与微气泡比较，纳米气泡的稳定性和负载量均有了较大提高，并实现了系统的外渗。

2.载药氟碳纳米乳剂。载药氟碳纳米乳剂的外壳多为磷脂分子材料，其可生物降解且可变性，利于特异性配体耦联。内核选用液态全氟化碳，目前使用较多的内核为全氟己烷或过氟辛基溴。Vlaisavljevich 等［5］利用超声（短的高压脉冲）激发载药相变氟碳纳米乳剂转化为微泡，从而通过乳滴声学气化来增强回声。文献［6］报道当外渗的纳米乳在生理温度下转化为微泡时，肿瘤的超声对比度显著增加。UTMD 技术介导载药氟碳纳米乳剂，使药物向所需区域输送，且由于其稳定性佳，使治疗剂的延迟释放成为可能，从而潜在地减少了药物的相关副作用。

3.微泡-载药纳米粒复合给药系统。该纳米给药系统是将微泡与载药纳米粒相结合的复合体系。张霞等［3］以肝素为原料制备生物素化包裹紫杉醇的肝素纳米粒，采用机械震荡法制备生物素化脂质微泡，并借助桥联亲和素-生物素将两者耦联，制备了一种新型复合纳米给药系统。超声破坏普通载药微泡可增加靶组织药物浓度，但普通载药微泡药物包载率低，体内稳定性差，半衰期短；以肝素为载体的纳米粒药物包载率高，但因粒径小，其易与靶组织以外的组织聚积，降低靶组织浓度的同时增大全身不良反应。微泡-载药纳米粒的复合纳米给药体系，成功地结合了微泡与纳米药物递送两种系统的优势，并避开了各自的不足。

三、影响纳米给药系统靶向性的因素

1.纳米给药系统表面电荷。人体的体内环境为负电性的，纳米给药系统表面的负电荷限制了它们与靶组织和细胞，特别是与肿瘤细胞的结合［7］。

2.免疫系统监测。进入人体的纳米给药系统可以被肝脏和脾脏网状内皮系统的单核吞噬细胞当作异物清除，从而影响纳米给药系统向靶组织或器官的聚积［8］。

3.纳米给药系统的大小。不同大小的纳米给药系统对不同肿瘤组织具有选择性。直径20～30 nm 的纳米给药系统通常在进入靶组织前被肾脏清除；30～150 nm 的纳米给药系统易在心脏、肾脏和骨髓中积累；150～300 nm的纳米给药系统易在肝、脾中积累。

4.肿瘤细胞表面特异性抗原或受体的高表达。这些于肿瘤细胞表面高表达的抗原或抗体，在正常细胞为中表达甚至不表达的，从而使连接特定靶头的纳米给药系统能更好地靶向至肿瘤组织［9］。纳米给药系统与靶向配体耦联的策略有两种形式。①被动靶向：肿瘤新生血管内皮细胞间隙增大（通常为380～780 nm），使纳米级给药系统外渗；淋巴引流不良及静脉回流缓慢进一步增加纳米给药系统在血管外间隙的滞留及积聚。这种高渗透长滞留效应的积累称为被动靶向，通常发生于10～200 nm的纳米系统中［10］。但此方式靶向性略显不足，要达到满意疗效必须增加给药剂量，势必导致成本及毒副作用的增加。②主动靶向：能克服基因治疗靶向性低的缺点，增加疗效并减少对其他器官或组织的毒副作用。壳膜表面连接的配体通常是多肽类、聚合物或抗体等，连接方式中生物素（非共价）或通过羧酸基、巯基或马来酰亚胺的共价耦联是最常见的［11］。共价耦联不需要外源蛋白，产生免疫反应的几率较低。共价靶向方法取决于暴露在纳米给药系统表面的官能团类型。碳二亚胺可以激活靶向纳米给药系统壳上的羧基，形成活性酯，与蛋白质氨基发生反应，形成酰胺键。但其导致耦合率相对较低［12］。另外，壳上的马来酰亚胺与配体上的巯基也可实现耦联（反之亦然），形成硫醚键［13］。马来酰亚胺-硫醇耦联的优点是定向耦联，显著提高了耦合率。非共价靶向方法的基础是将蛋白质，脂质等靶向配体掺入到纳米给药系统的壳中。常用的非共价靶向方法之一是将磷脂酰丝氨酸结合到磷脂微泡的壳中，从而赋予微泡对活化白细胞的靶向性。另一常见方法即利用聚乙二醇间隔臂将亲和素结合到微泡表面，然后利用桥联亲和素-生物素连接病理特异性配体［14］。该方法非常灵活，有利于临床前检测，但由于亲和素的免疫原性，尚不能应用于临床。

四、UTMD介导纳米给药系统在疾病诊治中的应用进展

1.肿瘤。恶性肿瘤是目前患病死亡的主要原因之一，全身化疗是治疗肿瘤的主要方法。加强肿瘤组织的局部药物递送，同时最大限度减少全身副作用是化疗成功的关键。UTMD 介导的纳米给药系统，是一种新的肿瘤靶向药物递送策略，通过增加肿瘤血管及细胞膜通透性，提高病灶区域的药物释放浓度，达到靶向治疗并减小副作用的目的。王翔［15］制备的微泡-载甲氨蝶呤纳米粒给药系统结合UTMD 技术，微泡在超声波的作用下产生空化作用，引起血脑屏障紧密连接开放，明显增加了甲氨蝶呤跨大鼠血脑屏障转运，进而有效抑制颅内肿瘤细胞的增殖。Teng 等［16］制备包载乳腺癌耐药蛋白siRNA 的超声纳泡，其基因包封率高于98%，结合UTMD 技术，大大地提高了siRNA转染率，相应的蛋白表达相对于裸siRNA显著下调。Gao等［17］制备的载酸解阿霉素前药的氟碳纳米乳剂超声触发纳米给药系统，通过UTMD 的超声空化作用，可达到高成像对比度，并大大增强肿瘤细胞对药物的摄取，从而获得更好的抗肿瘤治疗效果。Chumakova 等［18］报道，由UTMD 触发的聚乳酸-羟基乙酸共聚物和聚乙烯亚包载DNA 的超声纳泡在体内成功递送到肿瘤细胞，且其基因转染效率至少提高了8 倍。UTMD 介导纳米递送系统仍处于细胞和动物实验阶段，但极具前景，未来将大大改善肿瘤患者的预后和生活质量。

2.其他。UTMD介导纳米给药系统在肿瘤治疗中的应用前景推动了其在其他疾病治疗中的实验研究。越来越多的临床研究证明了UTMD 介导纳米给药系统在多种疾病中的治疗作用。张明等［19］制备微泡-包载碱性成纤维细胞生长因子（basic fibroblast growth factor，bFGF）纳米粒的复合纳米给药系统，结合UTMD 技术，实现了高效bFGF 心脏靶向转运，其减少全身给药副作用的同时，可有效促进血管内皮细胞分裂增殖，诱导血管新生，增加心脏灌注，改善心肌功能，有望成为治疗糖尿病心肌病的一种新方法。DU 等［20］报道，UTMD 介导的载siRNA 超声纳泡可更有效下调mRNA 及血小板源性生长因子的蛋白表达，且组织学检查未见明显的组织损伤，证明UTMD 可安全地促进载siRNA 的单甲氧基聚（乙二醇）-聚（乳酸-乙醇酸）-聚-L-赖氨酸（mPEG-PLGA-PLL）超声纳泡在大鼠视网膜的转染率。Sheng 等［21］研究发现，糖尿病肾病大鼠经包载bFGF的纳米给药系统结合UTMD 治疗后，肾脏中bFGF 浓度明显高于单纯bFGF的纳米给药系统治疗（均P＜0.05）；且经B超检查及组织学分析显示，前者大鼠肾脏形态和功能均明显恢复。总之，UTMD介导纳米给药系统可促进基因或药物的靶点释放，降低系统给药毒性，减少全身反应并增强基因转染，为很多疾病提供了新的相对安全有效的递送方式。

五、小结与展望

总之，UTMD 结合纳米给药系统通过延长药物在体内的循环时间，增加了药物在靶组织的聚积浓度，从而大大提高了药物的递送效率，是目前最具潜力的靶向治疗方法，有望广泛地应用于人类各种疾病。但此项技术尚处于研究阶段，仍存在不足：①靶向纳米给药系统的制备技术尚需完善；②UTMD的空化效应在发挥作用的同时也会产生一些负面生物学效应，因而需要确定适宜的微泡剂量和超声参数，使其最大化发挥正面效能的同时尽可能地降低对细胞的损伤；③UTMD 介导纳米给药系统仅停留在细胞和动物实验阶段，尚未进行临床研究，仍不能确切说明该给药系统的功能特性。尽管当前的UTMD介导的纳米给药系统研究存在诸多问题，但随着国内外专家不断地深入探索，UTMD介导的纳米给药系统必将拥有更广阔的应用前景。