納米技術(shù)在抗非選擇性藥物靶向藥物中的應(yīng)用

納米技術(shù)在抗非選擇性藥物靶向藥物中的應(yīng)用

癌癥是世界上最重要的死因之一。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的估計，從2005年到2015年，超過18400萬人將死于癌癥。傳統(tǒng)的化療藥物在體內(nèi)非特異性分布,對正常細(xì)胞和腫瘤細(xì)胞都有一定的影響。癌癥治療的最終目標(biāo)是通過降低化療的全身毒性而增加病人的存活時間,提高他們的生活質(zhì)量。腫瘤是由腫瘤細(xì)胞和多種基質(zhì)細(xì)胞以及非細(xì)胞組分構(gòu)成的有機體,其核心是腫瘤細(xì)胞,而周圍的基質(zhì)細(xì)胞和非細(xì)胞組分構(gòu)成了腫瘤細(xì)胞的生長環(huán)境,即“腫瘤微環(huán)境”,其對腫瘤細(xì)胞的生長和轉(zhuǎn)移發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Paget于100多年前提出了“種子與土壤”的假說:腫瘤細(xì)胞是“種子”,腫瘤微環(huán)境是“土壤”,種子的生長離不開周圍的土壤,形象地揭示了腫瘤微環(huán)境對腫瘤細(xì)胞的重要性。由于腫瘤微環(huán)境細(xì)胞組成穩(wěn)定,其相對于腫瘤細(xì)胞不易產(chǎn)生抗藥性,因此,靶向于腫瘤微環(huán)境越來越引起關(guān)注,納米技術(shù)為其發(fā)展提供了良好的平臺,同時為抗腫瘤的研究提供了新的研究思路。1腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞相互作用早期的腫瘤研究重點是腫瘤細(xì)胞,主要關(guān)注腫瘤細(xì)胞的基因突變、增殖凋亡等方面。隨著研究的深入,腫瘤微環(huán)境對腫瘤的發(fā)生發(fā)展有著很重要的作用。腫瘤細(xì)胞可以重塑腫瘤微環(huán)境,反之重塑的腫瘤微環(huán)境能進(jìn)一步影響腫瘤細(xì)胞的行為和狀態(tài)。腫瘤微環(huán)境是腫瘤細(xì)胞賴以生存的復(fù)雜環(huán)境,主要由不同的基質(zhì)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)構(gòu)成,是由腫瘤細(xì)胞,內(nèi)皮細(xì)胞,細(xì)胞外基質(zhì),免疫細(xì)胞,成纖維細(xì)胞相互作用形成的特殊環(huán)境,具有血供不足、營養(yǎng)缺乏、間質(zhì)壓力高等特點。深入了解腫瘤微環(huán)境的基本特征以及腫瘤微環(huán)境與腫瘤細(xì)胞的相互作用,可以為抗腫瘤藥物的研發(fā)提供有力的理論基礎(chǔ)。在癌癥的治療中,腫瘤微環(huán)境是設(shè)計抗癌新療法所研究的領(lǐng)域之一。更確切地說,研究者基于微環(huán)境與正常組織包括血管畸形、充氧、灌注、pH、代謝狀態(tài)的差異制定不同的研究策略。在此,重點描述腫瘤血管和pH的差異,因為它們是納米載體藥物傳遞系統(tǒng)靶向設(shè)計的重要相關(guān)因素。1.1血管生成過程血管生成是指從現(xiàn)有的血管生成新的血管。血管生成是腫瘤發(fā)展和轉(zhuǎn)移的重要條件,是所有惡性實體瘤的共性。腫瘤血管是腫瘤賴以生長和轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ),腫瘤在沒有血管提供氧氣和營養(yǎng)的情況下一般不會超過2mm3。對于實體瘤(1-2mm3),氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)通過簡單擴散到達(dá)腫瘤的中心。由于血管的非功能性,無血管生成的腫瘤高度依賴他們的微環(huán)境來攝取氧氣和營養(yǎng)。當(dāng)腫瘤達(dá)到2mm3時,細(xì)胞處于缺氧狀態(tài),引發(fā)血管生成。腫瘤血管是腫瘤組織的主要營養(yǎng)和氧氣來源。血管新生主要依賴于血管生成促進(jìn)因子和抑制因子間的平衡。當(dāng)血管生成促進(jìn)因子高于抑制因子時,腫瘤血管開始形成。血管生成過程可以分為五個階段:(1)內(nèi)皮細(xì)胞激活;(2)基底膜與細(xì)胞外基質(zhì)降解;(3)內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)移和增殖;(4)血管形成;(5)血管重塑,延伸至實體瘤內(nèi)部。缺氧增加細(xì)胞誘導(dǎo)因子(hypoxiainduciblefactor,HIF)的轉(zhuǎn)錄,導(dǎo)致促血管生成的蛋白質(zhì)的表達(dá)上調(diào),如血管內(nèi)皮生長因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)、腫瘤壞死因子(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)等。1.2腫瘤血管內(nèi)皮滲流為等溫實體瘤與正常組織相比存在很大差異。正常組織中的微血管內(nèi)皮間隙致密、結(jié)構(gòu)完整,大分子物質(zhì)和脂質(zhì)顆粒不易透過血管壁,而當(dāng)腫瘤細(xì)胞的直徑增長到1-2mm時,為了能夠獲得足夠多的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì),腫瘤血管會快速無序增殖,在實體瘤組織中形成大量內(nèi)皮間隙較大、結(jié)構(gòu)不完整的血管,腫瘤血管異常如血管內(nèi)皮細(xì)胞異常增殖、周細(xì)胞缺乏、基底膜形成異常等特點導(dǎo)致血管通透性增強,除此之外,腫瘤組織中由于淋巴管缺乏而使淋巴液回流受阻,這兩方面媽的作用相結(jié)合使得血液循環(huán)中的大分子物質(zhì)容易滲透進(jìn)入腫瘤組織并長期滯留,這種現(xiàn)象被叫做“高滲透長滯留效應(yīng)(enhancedpermeadilityandretentioneffect,EPR)”,而正常組織血管壁結(jié)構(gòu)完整,不具有EPR效應(yīng)。1.3跨膜ph梯度差異腫瘤部位的pH比正常組織低。腫瘤增生很快,脈管系統(tǒng)提供的營養(yǎng)和氧氣不能滿足其需要,在很多的腫瘤研究中發(fā)現(xiàn),缺氧導(dǎo)致能量不足,從而產(chǎn)生乳酸及ATP水解產(chǎn)物,導(dǎo)致酸性增加。正常健康組織和腫瘤組織細(xì)胞內(nèi)pH相近,而腫瘤組織細(xì)胞外pH值比正常組織較低。盡管腫瘤區(qū)域的pH值不同,細(xì)胞外pH值平均在6.0和7.0之間,而在正常組織和血液中,細(xì)胞外pH值大約是7.4。腫瘤細(xì)胞內(nèi)外的pH梯度也存在于腫塊和宿主組織之間,是不同藥物分布的潛在來源。腫瘤與正常組織的跨膜pH梯度不同,可應(yīng)用于弱電解質(zhì)藥物向腫瘤的靶向傳遞。弱酸性藥物的非電離形式在腫瘤的跨膜pH梯度下,很容易透過細(xì)胞膜,使其在腫瘤細(xì)胞內(nèi)的濃度明顯高于正常組織。細(xì)胞中的細(xì)胞質(zhì)、溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體和細(xì)胞核等都有其獨特的pH值,利用細(xì)胞的跨膜pH梯度,納米載體可以結(jié)合上pH敏感性物質(zhì)將大分子藥物有效的傳遞到相關(guān)細(xì)胞并準(zhǔn)確定位。2腫瘤微環(huán)境與腫瘤血管生成腫瘤微環(huán)境是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng),有別于正常細(xì)胞與其周圍組織所形成的環(huán)境。目前為止,雖然有很多的與腫瘤微環(huán)境相關(guān)的研究方法,但是關(guān)于腫瘤微環(huán)境的研究還處于起步階段,需要更加深入和細(xì)致的研究。近年來,對腫瘤微環(huán)境的研究更多的集中在腫瘤微環(huán)境與腫瘤的惡變、腫瘤新血管的生成以及腫瘤相關(guān)細(xì)胞的研究等方面。郜明等綜述了微環(huán)境與腫瘤的惡變,微環(huán)境低氧、高壓、大量生長因子和水解蛋白酶產(chǎn)生及其免疫炎性反應(yīng)等是腫瘤組織代謝環(huán)境的主要生物學(xué)特征,其對于腫瘤的生長、侵襲、轉(zhuǎn)移以及血管的新生等具有非常重要的影響。腫瘤細(xì)胞通過產(chǎn)生大量生長因子和蛋白水解酶,調(diào)節(jié)腫瘤的環(huán)境,活化腫瘤基質(zhì),分泌胰島素依賴生長因子、肝細(xì)胞生長因子等多種細(xì)胞因子,這些對腫瘤的惡化起到促進(jìn)作用。腫瘤微環(huán)境與腫瘤血管新生密切相關(guān),腫瘤血管是腫瘤營養(yǎng)輸送的通道,微環(huán)境通過調(diào)節(jié)腫瘤血管的生成,影響腫瘤的生長和轉(zhuǎn)移。腫瘤微環(huán)境就像一個小小的生態(tài)環(huán)境,與腫瘤細(xì)胞密切相關(guān),特別是腫瘤微環(huán)境中慢性炎癥、組織缺氧、酸中毒等特征在腫瘤的轉(zhuǎn)移中發(fā)揮了重要作用。侍文婷等研究了腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞(cancer-associatedfibroblasts,CAFs)與腫瘤微環(huán)境的關(guān)系,體內(nèi)外的生物學(xué)研究均證實腫瘤相關(guān)成纖維細(xì)胞在腫瘤微環(huán)境中發(fā)揮重要作用,是微環(huán)境中最主要的宿主細(xì)胞,靶向CAFs有望成為腫瘤治療的新思路。此外腫瘤微環(huán)境也是多糖抗腫瘤治療、抗血管治療的重要靶點。近年來,納米微粒作為小分子抗腫瘤藥物的研究成為熱門,將抗癌藥物用不同的納米粒包裹,可提高其水溶性、增加藥物在腫瘤組織中的分布、增強抗腫瘤活性、同時減少了對其他組織器官的毒副作用,其研究主要集中在如何靶向腫瘤細(xì)胞、藥物在腫瘤細(xì)胞如何釋放等,本文主要綜述了針對腫瘤微環(huán)境的載抗腫瘤藥物的納米給藥系統(tǒng)的研究進(jìn)展。3納米載體靶向的制備和完成的問題腫瘤微環(huán)境包括腫瘤部位細(xì)胞及其所分泌的活性介質(zhì)等,促進(jìn)腫瘤的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移,為細(xì)胞的快速增殖提供場所。利用腫瘤微環(huán)境作為刺激因子,設(shè)計適合的納米顆粒用于腫瘤給藥,可能顯著提高藥物的治療效果。王均等發(fā)展了將抗癌藥物選擇性輸送到細(xì)菌的人造腫瘤微環(huán)境的策略,注射載藥納米顆粒,由于EPR效應(yīng)載腫瘤組織富集,選擇性釋放包載的藥物殺傷腫瘤細(xì)胞。納米載體的靶向主要分為被動靶向和主動靶向。納米載體的被動靶向主要通過EPR效應(yīng)發(fā)生載體和藥物的選擇性積累。然而,被動到達(dá)腫瘤存在一定的局限性,被動靶向取決于血管生成的程度。納米載體的外滲隨著腫瘤類型和解剖部位的不同而變化。在主動靶向中,靶向配體鏈接在納米載體的表面用于與腫瘤部位特定表達(dá)的受體結(jié)合。配體的選擇要結(jié)合腫瘤細(xì)胞或腫瘤血管過度表達(dá)的受體,此受體在正常組織中不表達(dá)。此外,靶向受體應(yīng)在所有的癌細(xì)胞均勻分布。目前主要研究的癌細(xì)胞表面的受體有轉(zhuǎn)鐵蛋白受體、葉酸受體、表皮生長因子受體和細(xì)胞表面的糖蛋白等。對容易獲得靶向的細(xì)胞來說,尤其是腫瘤脈管系統(tǒng),由于其血液的動態(tài)環(huán)境,優(yōu)先表現(xiàn)出高親和力。3.1血管內(nèi)皮生長因子及其受體由于氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)的缺乏導(dǎo)致實體瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的破壞,可能會誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞凋亡。1971年Folkman表明阻止腫瘤新血管的生成會抑制癌細(xì)胞的生長。這個觀察結(jié)果是納米載體主動靶向血管內(nèi)皮細(xì)胞的設(shè)計基礎(chǔ)。通過阻止血液供應(yīng)可調(diào)節(jié)癌細(xì)胞的大小和代謝能力。Agemy等將CREKA(兩個腫瘤靶點肽)修飾納米粒使其阻塞腫瘤血管,降低了血流量,從而限制了腫瘤的生長。因而,配體靶向的納米載體結(jié)合并殺死生成的血管,從而間接殺死依賴血管生長的癌細(xì)胞。靶向腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的優(yōu)勢是:(1)無需納米載體外滲到達(dá)腫瘤部位;(2)靜脈注射后可能直接與受體結(jié)合;(3)由于內(nèi)皮細(xì)胞比癌細(xì)胞的基因穩(wěn)定性,產(chǎn)生抵抗的潛在危險性消除;(4)任何腫瘤都表達(dá)內(nèi)皮細(xì)胞,方法多應(yīng)用范圍廣。腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的靶向主要包括:VEGF:VEGF對血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、水解基膜、遷移和血管構(gòu)建的調(diào)控作用較強,特異性高。目前在內(nèi)皮細(xì)胞膜上檢出兩種VEGF高親和力酪氨酸激酶受體VEGFR-1和VEGFR-2,血管內(nèi)皮生長因子和它們的受體在調(diào)節(jié)腫瘤血管生成和新血管生成發(fā)揮重要的功能。腫瘤缺氧和癌基因?qū)е履[瘤細(xì)胞中的VEGF水平上調(diào),從而導(dǎo)致腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞的腫瘤血管內(nèi)皮生長因子受體的水平上調(diào)。目前通過VEGF靶向血管生成主要集中在兩方面:靶向VEGFR-2,降低VEGF結(jié)合并誘導(dǎo)內(nèi)吞;靶向VEGF,抑制配體與VEGFR-2結(jié)合。整合素:整合素是一組二價離子依賴性細(xì)胞表面糖蛋白,介導(dǎo)細(xì)胞之間以及細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)之間的黏附反應(yīng)。整合素分子主要通過識別“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”(RGD)序列而介導(dǎo)黏附作用。環(huán)狀或線性RGD是研究最多的結(jié)合整合素αvβ3的寡肽。整合素αvβ3屬于內(nèi)皮細(xì)胞受體,針對胞外基質(zhì)蛋白,包括纖維蛋白、纖連蛋白、血小板、骨橋蛋白和纖維連接蛋白。整合素αvβ3在新生血管內(nèi)皮細(xì)胞高度表達(dá),而在成熟的內(nèi)皮細(xì)胞和正常器官表達(dá)較少,其在鈣介導(dǎo)的遷移至內(nèi)皮細(xì)胞的信號傳導(dǎo)通路發(fā)揮重要作用。整合素αvβ3在腫瘤細(xì)胞和腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞的表達(dá)水平都上調(diào)。血管細(xì)胞黏附分子:細(xì)胞間黏附分子-1(intercellularadhesionmolecule-1,ICAM-1)是表達(dá)于正常血管內(nèi)皮細(xì)胞的主要黏附分子,屬于CAM免疫球蛋白家族成員,通過介導(dǎo)免疫細(xì)胞的黏附,參與集體的炎癥和免疫反應(yīng)。近年來研究發(fā)現(xiàn)腫瘤組織的血管內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)ICAM-1明顯降低。血管細(xì)胞黏附分子-1(vascularcelladhesionmolecule-1,VCAM-1)是類似于跨膜糖蛋白的一種免疫球蛋白,在腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞表面表達(dá)。VCAM-1誘導(dǎo)細(xì)胞和細(xì)胞的黏附,是血管生成過程的關(guān)鍵步驟。VCAM-1的過度表達(dá)在許多癌癥中都有發(fā)現(xiàn),包括白血病、肺癌、乳腺癌、黑色素瘤、腎癌和胃癌等。基質(zhì)金屬蛋白酶:近年來發(fā)現(xiàn),基質(zhì)金屬蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)是一類鋅離子依賴性的蛋白內(nèi)切酶,是除內(nèi)皮生長因子之外的另一類與血管生成密切相關(guān)的一個蛋白家族,可降解細(xì)胞外基質(zhì),在血管生成和轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用,尤其是血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、侵襲和毛細(xì)管的生成。膜型基質(zhì)金屬蛋白酶1(MT1-MMP)在惡性腫瘤內(nèi)皮細(xì)胞表面表達(dá),包括肺癌、胃癌、結(jié)腸癌和宮頸癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤和黑色素瘤等。3.2ph敏感型納米制劑目前所用的藥物納米載體有很多的特性,如延長藥物的血液循環(huán)時間,使其更好的到達(dá)病灶部位;增強細(xì)胞內(nèi)的滲透作用;生理環(huán)境敏感的藥物釋放;靶向作用,直接到達(dá)靶部位等。對這些載體進(jìn)行表面修飾,把多種功能結(jié)合起來,是我們現(xiàn)在研究的熱點。多功能納米載體利用腫瘤微環(huán)境與正常的組織環(huán)境的不同,對抗腫瘤的靶向性研究提供了新的平臺。其中pH敏感型納米制劑是目前研究的重點之一。pH敏感型納米制劑是一個很有希望的靶向給藥系統(tǒng),利用正常組織與病理組織生理pH的不同,將藥物靶向于病灶部位。其類型有pH敏感聚合物納米粒、脂質(zhì)體、膠束及樹枝狀聚合物等。,有文獻(xiàn)報道,pH敏感型的β-氨基酯可構(gòu)成生物降解的陽離子聚合物載體,在腫瘤的酸性環(huán)境下(pH<6.5),β-氨基酯會很快溶出,并釋放出包載的藥物。Cho等人研究了一種pH-敏感型聚合物脂質(zhì)體,該脂質(zhì)體由甲基丙烯酸硬脂酰異丁烯酯共聚物、卵磷脂及膽固醇組成。該脂質(zhì)體在pH高于6條件下很穩(wěn)定,pH值一旦低于5,脂質(zhì)體完全破裂,將生物活性藥物更有效的載入到細(xì)胞內(nèi),提高療效。另有文獻(xiàn)報道,細(xì)胞內(nèi)pH-敏感聚合物膠束在核內(nèi)體(pH5.0-6.0)和溶酶體(pH4.0-5.0)條件下,釋放抗癌藥物阿霉素,大大提高了阿霉素向腫瘤組織的傳遞效率。王均等報道發(fā)展了腫瘤酸度響應(yīng)的電位反轉(zhuǎn)納米顆粒,這些納米顆粒載血液中長循環(huán),一旦富集載腫瘤部位后,受腫瘤組織酸度刺激實現(xiàn)電位轉(zhuǎn)變,從而加強了腫瘤細(xì)胞的攝取,提高了治療效果。段曉品等實驗組合成了pH響應(yīng)性的聚苯乙烯馬來酸酐-己二酸二酰肼-阿霉素偶聯(lián)物,制備了新型pH響應(yīng)性及時序控制釋放的膠束系統(tǒng),逆轉(zhuǎn)腫瘤的MDR。3.3溫度敏感的納米載體釋放藥物研究發(fā)現(xiàn),腫瘤組織和炎癥組織經(jīng)常有高熱現(xiàn)象,這是由于正常組織血流量大、流速快、散熱較快,而腫瘤細(xì)胞增殖快、密度高、新生血管異常、易形成血栓,散熱困難,其環(huán)境溫度高于正常組織。通過熱療外部加熱,腫瘤內(nèi)細(xì)胞可與正常組織形成5℃-10℃的溫差,造成腫瘤細(xì)胞凋亡。通過磁感應(yīng)、超聲波、熱水浴等給腫瘤部位加熱,腫瘤細(xì)胞血流量增大和血管滲透性增強使腫瘤部位產(chǎn)生藥物的增溶作用,因此溫度敏感納米載體得到快速發(fā)展。溫度敏感的納米載體含有具有低臨界溶解溫度(lowercriticalsolutiontemperature,LCST)的聚合物。當(dāng)溫度超過LCST(在腫瘤),聚合物沉淀,納米載體的結(jié)構(gòu)被破壞,從而釋放藥物具有溫敏性的高分子膠束在腫瘤靶向方面具有很好的前景。聚N-異丙基丙烯酰胺、聚乙二醇、聚氧乙烯和聚氧丙烯等聚合物具有較顯著的溫度敏感性。N-異丙基丙烯酰胺聚合物是最廣泛使用的溫度敏感型納米載體。WeiH等合成了聚(N-異丙基丙烯酰胺-b-甲基丙烯酸甲酯)嵌段共聚物(PNIPAAm-b-PMMA),并以此為溫度敏感性材料制得負(fù)載醋酸潑尼松的粒徑約為190nm的溫度敏感性納米膠束,該納米膠束的LCST為33℃。研究表明當(dāng)溫度高于LCST時藥物的釋放速度較快,40h時累積釋放量近100%;當(dāng)溫度低于LCST時藥物釋放速度明顯較慢,40h累積釋放約為40%。結(jié)果表明此聚合物膠束的釋放行為快慢響應(yīng)外界溫度的高低。設(shè)計循環(huán)NGR肽熱敏感型脂質(zhì)體與腫瘤血管表面過度表達(dá)的氨肽酶結(jié)合,這些脂質(zhì)體在41℃(腫瘤細(xì)胞)釋放多柔比星,其釋放的溫度最小是37℃。這個系統(tǒng)提高了藥物的釋放和在腫瘤部位的積累。3.4磁納米凝膠載腫瘤靶向給藥磁性納米粒子除了具有一般納米粒的特征外,在外磁場的作用下,可有效的避免RES的吞噬,有望作為實體瘤的顯像劑。磁性納米粒子首先通過被動靶向用于磁共振設(shè)計成像。目前,一些超順氧化鐵納米粒子(SPION)用于早期臨床試驗,幾個配方已被批準(zhǔn)用于醫(yī)療成像。磁性納米粒子也進(jìn)行了藥物靶向應(yīng)用的研究,磁靶向給藥系統(tǒng)是在一般載藥微球的基礎(chǔ)上加入磁性材料而形成的新型靶向給藥系統(tǒng),通過外磁場,納米微球被磁化聚集在一起,可以引起癌變組織的缺血、缺氧、血管栓塞。段存賢綜述了磁性納米凝膠載腫瘤靶向給藥中的應(yīng)用,磁性納米凝膠同時具備磁響應(yīng)性能和納米凝膠的特點。此外,磁性可以與pH