细胞膜仿生纳米粒在肿瘤治疗领域的研究进展

胡楚玲，吴兆勇，顾芬芬，高 申

0 引言

随着纳米材料的发展，纳米载体的应用在医学研究中越来越普遍，特别是在药物输送和基因递送领域[1]。有机和无机纳米粒子被广泛应用于医学研究和临床试验中，如脂质体[2]、聚合物胶束[3]、聚合物纳米粒[4]、金纳米粒[5]、二氧化硅纳米粒等[6]。但由于其易被免疫系统识别并清除，及生物相容性和生物可降解性差，限制了合成纳米材料的实用性[7]。

从细胞衍生的肽修饰到基于细胞的药物递送系统[8]，生物学的发展正在改变药物递送系统的设计。基于细胞的靶向递送系统(Targeting drug deliver systems,TDDS)因免疫原性低、固有突变率[9]、长循环时间、无神经毒性或致瘤性、先天靶向能力而发展成为一种有前景的递送策略[10]。有报道，这种细胞是有效的天然载体，包括红细胞(Red blood cell,RBC)、中性粒细胞、血小板、白细胞、吞噬细胞、干细胞、肿瘤细胞、B淋巴细胞、T淋巴细胞、天然杀伤细胞，甚至病毒和细菌[11]。例如，设计的RBC膜包被的纳米颗粒可延长血液循环时间，以减轻免疫系统的清除[12]。肿瘤细胞膜包被还可实现嗜同性靶向[13-14]。巨噬细胞可用于肿瘤靶向递送，如将巨噬细胞膜包被的纳米颗粒(cskc-PPiP/PTX)用于乳腺癌治疗，可显示较强的治疗效果[15]。本文介绍了细胞膜伪装在药物纳米颗粒应用中的最新研究进展及仿生纳米药物面临的挑战和应用前景。

1 红细胞膜仿生系统

红细胞膜是第一个被用于仿生纳米颗粒的细胞膜，旨在提高纳米颗粒的生物相容性，延长体内循环时间，避免巨噬细胞的摄取和清除[16]。在这项开创性的工作中，将抗肿瘤药物阿霉素(Doxorubicin,DOX)包封于聚乳酸-羟基乙酸共聚物[poly(lactic-co-glycolic acid),PLGA]纳米粒中，并进一步用RBC膜包被。通过这种仿生技术，与传统的PLGA纳米粒相比，可使消除半衰期达40 h，明显延长PLGA纳米粒的体内循环时间。而且可以将具有靶向活性的配体嵌入纳米颗粒系统中[17]。例如，肿瘤靶向肽(RGDyK)修饰的RBC膜仿生纳米系统具有较高的载药量，在体内表现为良好的靶向性，生物相容性，同时可延长保留时间。与非靶向药物制剂相比，此类纳米颗粒具有RBC和肽的特性，具有显著的疗效，同时明显降低毒性[18]。用脂质修饰RGD同样可以嵌入到包载DOX和紫杉醇(Paclitaxel,PTX)的磁性-O-羧甲基-壳聚糖纳米颗粒RBC膜中，以达到抑制肿瘤生长的目的[19]。

除了化学治疗外，基于RBC膜的药物递送系统已迅速扩展到其他肿瘤治疗方法，包括光动力疗法(PDT)、光热疗法(PTT)和免疫疗法。利用RBC独特的天然携氧能力，RBC膜可以改善光动力治疗中缺氧的问题。在一项研究中，由红细胞膜和光敏剂(PS)组成的红细胞膜微型电动机可以有效靶向肿瘤组织，同时提供大量的氧气[20]。另一种有效的设计是通过将RBC膜包被在二氧化锰纳米颗粒上形成氧气前体，以产生氧气并缓解肿瘤缺氧。研究发现，RBC膜包被增加了DOX的负载能力，同时由于产生的氧气破坏RBC膜而加速了DOX的释放。通过结合普鲁士蓝(一种良好的光热剂)，实现了PTT和化学疗法的联合治疗[21]。

近年来，肿瘤免疫疗法得到了越来越多的关注。膜仿生技术在这个新兴领域具有巨大的潜力。针对树突状细胞的抗原靶向是开发肿瘤疫苗的关键瓶颈。为了解决这个问题，红细胞膜通过脂质束缚技术，将载有特异性DC识别配体的卵白蛋白抗原的纳米颗粒与甘露糖结合到一起，以利于DC摄取抗原[22]。纳米疫苗的成功设计能够在预防和治疗转移性黑色素瘤模型中起到促进疫苗转运至引流淋巴结并有效抑制肿瘤生长和抑制肿瘤转移的作用。

2 血小板膜仿生系统

由于血小板膜固有的特征，如血管损伤反应和与CTC相互作用的识别，基于血小板细胞膜的仿生系统可用于治疗肿瘤转移。血小板表面特异性受体P-Selectin可以与CD44过表达的肿瘤细胞特异性结合，这是目前发现的在肿瘤转移中起关键作用的机制[23]。血小板与CTC之间的这种特异性识别有利于血小板在CTC周围聚集，并促进其在血流和血液中的循环，最终导致肿瘤转移。利用这一点，Hu等[24]开发了一种血小板膜包衣的核-壳纳米载体，用于靶向原发性肿瘤部位和CTC。研究者将含有DOX的纳米颗粒装载到血小板膜的内部，并在膜的外部修饰了蛋白药物TRAIL，该蛋白可以激活细胞凋亡信号通路，所构建的双重药物系统可实现协同的抗肿瘤效果以及抗肿瘤细胞转移的能力。为了解决多药耐药性，RGD肽修饰的血小板囊泡被用于包被黑色素纳米粒和DOX，通过肿瘤细胞和肿瘤血管的双重靶向有效抑制耐药性肿瘤的生长和转移[25]。其中，血小板膜主要用于免疫逃逸和肿瘤靶向。RGD修饰的纳米系统通过肿瘤细胞和肿瘤脉管系统的双重靶向有效抑制了耐药细胞的生长。

3 免疫细胞膜系统

3.1 巨噬细胞膜 作为先天免疫系统的重要细胞分型，巨噬细胞可以通过alpah-4整合素与肿瘤细胞的VCAM-1受体特异性结合，该机制还参与调节CTC的转移。通过将巨噬细胞膜与脂质体结合以促进药物向转移部位的递送。巨噬细胞膜修饰增加了转移性4T1乳腺癌细胞中曲妥珠单抗脂质体的细胞摄取，并对细胞活力具有抑制作用。在体内巨噬细胞膜使脂质体靶向转移细胞，并对乳腺癌的肺转移产生明显的抑制作用[26]。研究显示，由于巨噬细胞表面蛋白对肿瘤内皮的主动靶向作用，功能化巨噬细胞膜比RBC膜具有更多的优势[27]。Xuan等[28]通过自下而上的组装方法,将巨噬细胞膜伪装在介孔二氧化硅纳米囊上，结果发现，即使经过24 h和48 h后，伪装的纳米囊在体内仍有36%和32%的保留率，而非伪装系统在24 h内几乎完全消除。另外，由于巨噬细胞上表达的某些趋化因子(如CCR2)，巨噬细胞膜可主动与分泌CCL2配体的肿瘤细胞(如乳腺癌)结合。Transwell分析显示，伪装的光热纳米粒子向CCL2阳性组的迁移能力是对照组的5倍。为了使肿瘤细胞对PTT敏感，研究者加入槲皮素(QE，一种HSP70抑制剂)以增强PTT的疗效，结果显示，其在原发性乳腺癌和肺转移癌中的治疗效果明显得到了改善，且不良反应小[29]。

3.2 T细胞膜 T细胞膜含有蛋白质，可以感应炎症和病灶部位。局部低剂量照射可以上调肿瘤血管的黏附分子并释放趋化因子，从而可以将CD8+T细胞募集到肿瘤部位。将人细胞毒T淋巴细胞膜包被的紫杉醇PLGA纳米粒应用于患有胃癌的小鼠，可提高伪装纳米药物的靶向效率。有报道，在低剂量照射下，肿瘤生长的抑制率可以达到88.50%[30]。

3.3 NK细胞膜 由于NK细胞的特异性膜受体，NK细胞膜被用于脂质体递送系统，被称为NKsome，其可用于肿瘤靶向。NKsome具有显著的生物相容性，对肿瘤的亲和力更高，且可延长体内循环时间。装载DOX后，Nksome在MCF-7肿瘤细胞体内表现出显著的抗肿瘤作用[31]。Deng等[32]利用NK细胞膜包裹含TCPP光敏剂的纳米粒，结果发现，NK细胞膜可使NK-NPs靶向肿瘤，并诱导促炎性M1巨噬细胞极化，从而产生抗肿瘤免疫力。此外，NK-NPs中装载的TCPP可以通过光动力疗法诱导肿瘤细胞死亡，从而提高NK细胞膜的抗肿瘤免疫效率。

4 干细胞膜

干细胞具有大量分子识别特性的结构，为肿瘤化疗、PDT和基因治疗的仿生系统提供可能性。Gao等[33]开发了一种DOX负载的明胶纳米凝胶，包被于骨髓来源的间充质干细胞的高效肿瘤靶向药物递送平台。与未包被的纳米凝胶相比，SCMG具有极好的肿瘤靶向能力及在肿瘤部位的积累，SCMG可以保留这些促肿瘤特性并降低网状内皮系统清除率。Yang等[34]构建了人脐带间充质干细胞膜涂覆的携带DOX的PLGA纳米颗粒，该纳米颗粒显著提高了PLGA纳米粒的细胞摄取效率，增强阿霉素对肿瘤细胞的杀伤能力。

5 肿瘤细胞膜

肿瘤细胞膜从源细胞继承了同源靶向和抗原库的功能，已应用于肿瘤靶向治疗和免疫治疗。该领域的第一项研究表明，肿瘤细胞包被的PLGA纳米粒与红细胞包被及裸露纳米粒相比，在摄取上分别增加40倍和20倍。通过添加FDA批准的单磷酸脂A，显著上调了CD40、CD80和CD86的表达水平[35]。从这项最初的工作开始，使用肿瘤细胞膜包被纳米颗粒已成为当今抗肿瘤治疗和免疫治疗领域的新兴话题。

在肿瘤治疗中，肿瘤细胞膜包被于各种纳米粒上，并进一步与各种治疗方法整合以靶向肿瘤部位。例如，采用FDA批准的PLGA装载化疗药物如PTX，包被4T1细胞膜。与裸露的纳米粒相比，肿瘤的靶向能力及PTX在血浆中的半衰期分别高4.3倍和2倍，成功抑制了乳腺癌细胞的生长和肺转移[36]。

然而，整个细胞膜包被纳米颗粒可能会影响药物的释放，光热加速等方法可用于解决这一问题。光敏剂吲哚菁绿(ICG)和DOX纳米粒共同包封于细胞膜内。体外实验证明，激光照射72 h，可以使药物释放增加4倍，从而实现体内协同抗肿瘤作用[37]。

细胞膜PEG化被用于插入膜脂质层，以进一步降低肿瘤细胞膜和血清之间的非特异性相互作用。有报道，在体内相互作用会引起不必要的聚集、调节和吞噬纳米粒[38]。如PLGA包裹ICG较没有细胞膜包被的纳米粒在肿瘤部位有高达3.1倍的集聚。同时，在肝脏和肾脏的积累分别减少了51%和34%。ICG的包封为系统提供了荧光/光声成像特性和光热效应。在治疗方面，该多功能系统仅单次剂量即可完全消融MCF-7细胞。

肿瘤细胞膜仿生的纳米粒在肿瘤治疗效果上同样受肿瘤微环境的影响。为了改善耐药性和较差的化疗结果，肿瘤细胞膜包被的载血红蛋白和DOX的PLGA聚合物纳米系统被开发。血红蛋白通过抑制缺氧诱导因子-1a(一种多药耐药基因1)和p-糖蛋白，促进了O2干扰化学治疗，以克服缺氧诱导的化学耐药性，从而增加了DOX的累积，提高了肿瘤治疗效果[39]。此外，4T1细胞膜包裹的MnO2纳米粒中和了肿瘤微环境中过量的谷胱甘肽(GSH)，同时将抗血管生成作用药物(阿帕替尼)包裹于纳米粒中，以减弱促肿瘤血管生成作用。该多功能系统同时解决了两大问题，即在PDT过程中过量的GSH和促血管作用[40]。

除肿瘤靶向治疗外，免疫治疗同样利用细胞膜作为抗原来解决很多问题。原则上，细胞膜可单纯作为一个抗原，其可被APCs捕获。一种肿瘤细胞膜包被免疫刺激佐剂的PLGA纳米粒被开发用于肿瘤疫苗。该纳米疫苗可促进抗原递呈并激活下游免疫反应。为发挥抗肿瘤免疫反应，免疫检查点封闭(抗CTLA4和抗PD-1)以缓解免疫抑制肿瘤微环境。通过这种设计，肿瘤生长得到有效控制，显示出肿瘤细胞膜用于免疫治疗的潜能[41]。

6 机遇与挑战

混合细胞膜是一种有前景的仿生纳米递送系统应用方法，具有较多优点，如循环时间长和主动定位。已报道的混合生物膜系统包括肿瘤细胞和RBC膜、血小板和红细胞膜、血小板和肿瘤细胞膜，以及血小板和白细胞膜等。其具有较为广阔的应用前景，但是，需要注意混合膜可能会进一步降低膜的取向分子，从而破坏膜性能。

肿瘤免疫治疗支撑起仿生纳米系统研究的一半天地。除了靶向能力，肿瘤细胞膜、宿主抗原库使仿生纳米颗粒用于肿瘤纳米疫苗的研发。这种方法克服了特异性抗原筛选和复杂的疫苗制备过程，这些发展都进一步刺激了“仿生”免疫疗法的发展。需要注意的是：①使用肿瘤细胞膜或细菌膜的安全性问题。不恰当的免疫原性暴露可能诱导有害的免疫反应，即使对正常的细胞类型，也需要考虑其长期安全性[42]。②细胞的高度异质性膜和纳米颗粒合成的困难可能会给大规模生产带来挑战。

7 结论

细胞膜仿生技术已在纳米医学领域取得了重要进展，主要优点在于其天然细胞特性。本文概述了其在肿瘤治疗方面的应用。自然界细胞膜功能广泛，将使仿生纳米技术得到更进一步的发展。