靶向药物制剂研究进展*

安琪,李爽,杨德智,吕扬,杜冠华

(北京协和医学院中国医学科学院药物研究所1.晶型药物研究北京市重点实验室;2.药物靶点研究与新药筛选北京市重点实验室,北京 100050)

靶向药物制剂的概念源于1906年德国病理和免疫学家Paul Ehrlich提出的“魔术子弹”构想[1],其设想可以将抗体和具有细胞毒性的化学治疗(化疗)药物结合在一起,从而创造出一种具有高治疗窗口、高选择性和高细胞毒性的癌症治疗方法。靶向药物制剂又称为靶向给药系统(targeted drug delivery system,TDDS),系指采用载体将药物通过循环系统浓集于靶器官、靶组织、靶细胞和细胞内特定结构的一类新制剂[2]。它由药物、导向部分和药物载体三部分组成,三部分相互协调。小分子(抗体、基因、肽等)和纳米载体(脂质体、胶束、聚合物纳米颗粒等)的掺入可以选择性地“靶向”病原体而不伤害宿主生物体[3]。近年来,随着分子生物学、材料学等学科以及纳米技术的发展,靶向药物制剂的概念越来越完善,基于纳米颗粒的靶向给药也越来越受到人们的关注,并逐渐成为靶向治疗的焦点。笔者在本文总结靶向药物制剂相比于普通制剂的优势,分类介绍靶向药物制剂的特点以及在治疗中的应用,并进一步探讨其在临床应用中面临的机遇与挑战,以期为靶向药物制剂的研究提供参考。

1 普通药物制剂与靶向药物制剂比较

药物在体内吸收、分布、代谢和排泄过程中,首先必须跨越多层生物膜,进行多次转运,才能在体内发挥作用,相关转运蛋白在一定程度上决定了药物的血浆和组织浓度[4]。根据生物药剂学分类系统(biopharmaceutics classification system,BCS),外排转运蛋白和摄取转运蛋白会影响BCS Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类药物的递送和药物相互作用[5]。

据统计,最新研发的药物中有60%～70%属于BCS Ⅱ类和Ⅳ类[6],因此多数药物存在水中溶解度低、渗透性差、体内半衰期短、易被转运蛋白外排等问题。普通药物制剂经过溶出或释放过程后,进入体循环的药物会在全身组织器官进行分布,只有少量可以到达靶组织,而要提高药物在靶部位的浓度,就必须提高给药剂量,从而导致药物在体内的过度积聚,产生不良反应。

靶向药物的基本原理是将高浓度药物输送到目标部位,同时尽量减少其在非靶向区域浓度。这一方式有助于优化药物治疗效果,减少由于多靶点相互作用、高药物剂量和非靶点作用所致不良反应[6]。此外,靶向药物制剂使用的纳米材料进行表面修饰的可能性巨大,从而为选择不同靶标进行特异性靶向铺平了道路。靶向药物制剂一般常用的载体有脂质体、微囊、微球、纳米囊、纳米球等,为保证体内安全性,载体通常都是由生物相容、无毒和可生物降解的纳米材料组成[7]。在工业化生产方面,靶向药物制剂的设计考虑到了可能的临床转化,其制备易于规模化生产,理化性质易于控制[8]。

总体来讲,靶向药物制剂具有特异性、靶向性、药物作用时间长、副作用小、载药范围广等特点。与普通制剂相比,还具有增加难溶性药物溶解度、延长半衰期、提高生物利用度、增强药物在体内稳定性等优势。

2 靶向药物制剂的分类

科学家通过对疾病组织处的结构和功能以及人体在疾病状态下各种功能的响应进行研究,制定和设计各种靶向制剂。

根据靶向制剂在体内的作用靶标不同,可将靶向制剂分为一、二、三级靶向制剂。一级靶向制剂以特定的组织和器官为靶标输送药物,例如将碘帕醇装载在纳米球中修饰获得的抗5-羟色胺受体3(5-hydro-xytryptamine receptor 3,5-HT3R)抗体-壳聚糖-纳米球,可以与胃肠道黏膜上高表达的5-HT3R结合,增强造影剂的肠道靶向能力[9];二级靶向制剂是以特定细胞为靶标输送药物的制剂,如LI等[10]将透明质酸纳米胶束作为载体,可以将水飞蓟宾靶向递送至肝纤维化的大鼠肝星状细胞;三级靶向制剂以细胞内特定部位或细胞器为靶标输送药物,例如线粒体靶向治疗的复合修饰金纳米棒[11],实现了靶向线粒体的细胞内输送。

靶向药物制剂更为常用的分类方法是按作用方法分类,包括被动靶向制剂、主动靶向制剂和物理化学靶向制剂3类。

2.1被动靶向制剂 被动靶向制剂是指由于载体的粒径、表面性质等特殊性使得药物在体内特定靶点或部位富集的制剂,这种称为“被动”的靶向依赖于载体特性和毛细血管通透性,但不具有与特定组织或器官结合的特异性配体[12]。被动靶向制剂主要包括脂质体、纳米粒、微球或微囊以及乳剂等。

2.1.1脂质体 自从BANGHAM等[13]首次发明脂质体以来,此纳米系统领域的研究取得了巨大的进展,被认为是迄今为止最成功的药物载体系统。

脂质体是将药物包封于脂质双分子薄膜中所形成的超微球形制剂,粒径80～200 nm[14],一般由磷脂和胆固醇构成,结构类似于生物膜[7]。胆固醇通常在组装过程中添加到脂质体,其本身不形成脂质双分子层,但能以高浓度方式掺入磷脂膜,改变膜的流动性[15]。脂质体主要靶向在肝、脾、肾等富含网状内皮细胞的组织和器官。

MATSUMURA等[16]在1986年提出,在脂质体包裹药物的情况下,可以减少药物在肾脏的排泄,延长血液半衰期。此外,载药脂质体可以通过渗透与滞留增强效应(enhanced permeability and retention effect,ERP),实现相对更有效和更具选择性的靶向。由于脂质体具有细胞样膜结构、生物相容性优、免疫原性低、保护活性基团多、半衰期长、安全性和有效性好等优势,科研工作者研究开发了许多脂质体靶向制剂。调理素蛋白通常会将脂质体识别为外来颗粒,导致巨噬细胞的摄取。新型聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)树突磷脂使用β-谷氨酸树状分子,将PEG链与二硬脂酰磷酸乙醇胺脂质连接,这种超隐形脂质体不仅具有良好的稳定性,还可以增加血液循环的时间,增强疗效[17]。LI等[18]开发了由叶酸修饰的负载姜黄素的脂质体,显示出更强的细胞毒性作用,能够渗透组织并被叶酸受体特异性识别,从而具有更强的体外抗肿瘤活性。

2.1.2纳米粒 纳米粒是粒径1～100 nm的固体胶体。根据其骨架形态,可将其分为纳米球和纳米囊。纳米粒作为新型药物载体的代表,一直是颗粒给药系统的研究热点。药物制成纳米粒后,可隐藏药物的理化特性,其体内过程依赖于载体的理化性质,而载体的理化性质又可以通过调整组分分子或制备方法改变。不仅如此,纳米粒还可以实现药物的控制释放,在某些情况下,定制药物对特定刺激(如pH值、光、热或酶)作出反应,能极大改善患者的治疗效果。

纳米粒的一个主要限制也是免疫系统的快速和非特异性清除,导致其保留时间缩短,从而限制了生物利用度[19]。PEG是最常用的隐藏材料,PEG共聚物包覆氧化铁纳米粒可以避免网状内皮系统的摄取[20]。然而,PEG修饰的纳米粒在体内吸收和逃逸的不良作用使其在应用过程中受到限制。因此有更多的材料被开发出来代替PEG,如壳聚糖、葡聚糖、玻璃酸等。

CAHALANE等[21]开发了2种基于纳米粒的载体:聚乳酸-羟基乙酸-酪氨酸聚磷酸酯和l-酪氨酸聚磷酸酯,用于包裹磁共振成像造影剂钆-二乙烯三胺五乙酸及抗炎药罗利普兰。这为研究开发纳米粒作为载体、将显像剂和药物输送到神经炎症部位奠定了基础。GAO等[22]研究表明,含硒纳米粒可通过全身给药将化疗药物多柔比星特异性递送至靶部位。同时,辐射可以将含有二硒化物的纳米粒氧化为亚硒酸,发挥协同作用和免疫调节活性。

基于纳米技术的纳米晶体在增加难溶性药物溶解度以及提高治疗效果等方面发挥着重要的作用。纳米晶体属于亚微米胶体分散体系,具有纳米级的粒度分布,平均粒径<1 μm,通常为200～500 nm[23],其大比表面积使得药物饱和溶解度增加,扩散途径减少,从而提高了生物利用度。CHOI[24]制备的西洛他唑(cilostazol,CLT)纳米晶,与CLT在不同介质(纯化水、pH值1.2和pH值6.8缓冲液)中的溶解度相比,CLT纳米晶溶解度24 h内分别显著增加10.7、7.6和10.0倍。STAHR等[25]制备了不同大小的橙皮素纳米晶体,结果表明,随着粒径的减小,表观溶解度不断增加,并在粒径<200 nm时尤其明显,表明橙皮素纳米晶体可有效改善橙皮素较差的水溶性,提高生物利用度。目前发展的智能多功能纳米晶,可以将诊断、治疗和实时监测整合到具有多种功能的单一递送系统中,有助于在个体患者的药物治疗过程中获得即时反馈,对于探索智能和个性化医疗具有重大意义[26]。

2.1.3微球 微球是直径1～100 μm的小球形颗粒,由蛋白质或合成聚合物组成,在自然界中可生物降解。其骨架材料常用明胶、海藻酸钠、壳聚糖和聚乳酸-羟基乙酸共聚物等[27]。微球对药物的适应性强于脂质体,微粉状态的药物可以直接分散在微球材料中,在制备工艺以及材料选择方面,也比脂质体简单得多[28]。ATHAMNEH等[29]使用无毒、可生物降解的海藻酸盐和透明质酸,制备了具有良好空气动力学特征的气凝胶微球。ZHENG等[30]在不使用有机溶剂、表面活性剂和交联剂的情况下,在水性两相体系中通过提高温度进行物理交联,制备了直径10～100 μm羧甲基甲壳素微球,在受控局部给药系统中负载不同药物和缓释药物方面表现出巨大的潜力。

2.2主动靶向制剂 与被动靶向相比,主动靶向依赖于表面配体与靶细胞之间的生物相互作用。此类生物配体通常与靶细胞表面的特定受体结合,并以这种方式增加细胞对药物的摄取,同时提高治疗效果[31]。与单一配体相比,配体密度的增加有利于通过多价效应促进细胞摄取,为此可以使用蛋白质、多糖、核酸、肽和小分子等各种类型的配体[32]。

2.2.1抗体介导的主动TDDS 该系统又称抗体-药物耦联物(antibody-drug conjugate,ADC),其包含一种单克隆抗体,可通过化学方式与相关抗原特异性结合,将有效细胞毒剂导入特定的靶组织或器官。这种给药系统旨在限制正常组织暴露于活性细胞毒性成分的范围,以减少患者的非靶向毒性[33]。

2.2.2受体介导的主动TDDS 受体介导的靶向系统利用载体表面的靶向配体与疾病部位表达的特异性受体之间的相互作用来提高靶向特异性[34],可以根据靶细胞/器官上特定受体/蛋白质的功能表达谱来选择各种配体(例如抗体、肽、叶酸和透明质酸等)。

2.2.3表面修饰的微粒给药系统 生物材料-细胞界面的表面相互作用对于多种细胞功能(如粘附、增殖和分化)至关重要,它能够触发特定的细胞信号传导并导致不同的细胞反应。在细胞水平上,表面修饰能够降低免疫原性,减少蛋白质的非特异性粘附,改善药物在载体上的负载[35]。此外,表面修饰有助于提高生物相容性、电生理稳定性、收缩性和机械性能,增强渗透性[36]。

2.3物理化学靶向制剂 物理化学靶向制剂也称物理或化学条件响应型制剂,即通过设计特定的载体材料和结构,使其能够响应于某些物理化学条件,如pH值、酶活性、氧化还原反应;或者给予外力,如光照、超声、磁场等来影响载药微粒的位置,进而实现药物的靶向释放。它们的一个基本特征是修饰的可逆性,一旦去除修饰物理化学性质的刺激物,它们就能够恢复到初始状态。

2.3.1磁性靶向制剂 磁性靶向制剂由药物、磁性物质和载体材料组成,利用体外局部磁场,引导进入体内的磁性载药微粒到达靶部位。在生物医学领域中载体上的磁性物质主要有四氧化三铁(Fe3O4)磁粉、铁磁流体、磁性合金材料、铁氧体磁性材料、羧基铁等,它们具有良好的磁取向、小尺寸效应、生物降解性和可附加活性官能团等优点[37]。

2.3.2热敏靶向制剂 热响应性聚合物靶向制剂通过改变纳米材料的相变温度来实现药物释放,但其在靶向性、稳定性和包封效率方面存在不足。聚丙烯酰胺有一个可控的溶胀温度,可以在一定温度以上快速释放药物。D'AMORA等[38]将叶酸进行功能化,合成聚丙烯酰胺-叶酸纳米球,数据表明纳米颗粒的溶胶-凝胶转变温度为41 ℃,可有效实现药物在癌症部位的释放。

2.3.3pH敏感靶向制剂 pH敏感靶向制剂通过结构和性质变化,例如表面活性、链结构、构象、溶解度和构型,对环境pH变化作出响应[39]。一般pH敏感聚合物包含酸性或碱性基团,可接受或提供质子以响应环境pH的波动,变化的性质取决于pH敏感材料[40]。此外将pH敏感脂质体与PEG连接,合成长循环pH敏感脂质体,该方法既保留了pH敏感脂质体的特性,又解决了其在体内停留时间短的问题。

2.3.4光敏靶向制剂 光敏靶向制剂的原理是使用对光敏感的纳米载体装载药物,待药物到达靶部位时给予适当波长的光照射,使光敏感键发生断裂或者光敏聚合物载体迅速发生相变,从而释放药物[41]。常用的递送系统有聚合物、脂质体、油乳剂、某些金属、一些蛋白质和碳基纳米粒子。MEEROVICH等[42]用磷脂酰-l-丝氨酸制备脂质体,负载钙黄绿素和多柔比星。研究发现用12～15 mW·(cm2)-1的远红外光照射此二元系统,可以使脂质体释放的有效药量增加5～15倍。

2.3.5超声定位靶向释药微囊 超声定位靶向释药微囊是一种利用超声波进行定位和释药的靶向药物制剂[43-44]。其最大特点是可以通过超声成像直观地确定微囊运行到靶部位的情况。利用超声空化效应可使微囊破裂、释放药物,从而达到靶向给药的目的。例如林凤云等[45]制备的更昔洛韦超声定位靶向释药微囊,未加超声影响时微囊具有良好的缓释作用,在超声影响下微囊可在25 min内将药物释放完毕,具有潜在的应用价值。

3 靶向药物制剂在医药领域中的应用与展望

靶向药物制剂在稳定性、靶向性、缓释性和长周期性等方面具有独特的特点,为基于转运机制的药物开发提供了突破点,广泛用作抗肿瘤药、蛋白质和多肽、抗菌药物等的有效递送途径。纳米晶在提高药物生物利用度、溶出速率和溶解度方面表现优越,具有巨大的发展潜力与广阔的应用前景。随着纳米技术和生物医学的快速发展,设计合适尺寸和表面性质的纳米载体可以有效改善治疗药物的药动学和生物分布。目前开发的许多其他使纳米载体在靶部位聚集的新方法,以某种方式减少纳米药物的外排,不仅可以克服多药耐药性,还可以延长纳米载体的保留时间。

当然,靶向药物制剂目前的研究与应用也存在一些问题,例如在体内的分布不理想,靶向性较差,容易杀伤正常组织或细胞;一些磁性靶向制剂中的磁性物质存在潜在的毒性;形成的制剂本身稳定性、载药量、包封率较差等,使得它们在临床转化中存在挑战。此外,由于体内环境的复杂性和多样性,TDDS从实验室到临床的转化仍然需要大量的时间和精力。在工业化生产方面,建立制备可控、使用安全和有效的质量标准也是面临的又一挑战。

因此,今后靶向制剂将朝着合成和发现新的无毒、生物相容性好、可生物降解的高分子纳米载体材料;根据药物的不同性质,不断探索和优化制备工艺,设计多重靶向的新剂型;充分利用病变组织微环境的特点,进行新型、高效靶向制剂的研究等方向发展[46]。基因治疗是近年发展起来的一种补充人体缺失基因或关闭异常基因的新疗法,对于恶性肿瘤、先天性遗传病、艾滋病、糖尿病等疾病的治疗具有重大价值。研究携带治疗基因片段或杂合体重组DNA质粒,保持其不被核酸酶降解,顺利地转导入人体靶位的载体也将是靶向药物制剂研究领域的重要课题。

毫无疑问,靶向药物治疗是一种很有前途的治疗策略。相信在不久的将来,经过科研人员的不断努力探索,新材料与新技术的不断开发与应用,靶向药物制剂将会发挥更为重要的作用,造福于更多患者。