刺激响应型聚合物纳米药物载体递药的进展与思考

1、刺激响应型聚合物纳米药物载体递药的进展与思考【摘要】 二十世纪70年代时，化学家提出，可将高分子材料应用于生物药物领域，使之成为一种改善药物适用性的有效途径 Yatvin, M. B., Weinstein, J. N., Dennis, W. H. & Blumenthal, R. Design of liposomes for enhanced local release of drugs by hyperthermia. Science 202, 12901293 (1978).。近几十年来，随着纳米科学的极大发展，聚合物纳米材料在生物医用方向如药物传递、医学成像等领域备受关注。其中，刺

2、激响应型聚合物纳米材料是一种可在外界信号刺激下（如pH、磁场、温度、超声、光等）发生形状、结构以及性能等改变的“智能”材料，可利用这种刺激响应的特点来调节其的性状 李永勇，董海青，王康，刺激响应型生物医用聚合物纳米粒子研究进展，中国科学：化学，2010,40，第3期：197209。因其特有的“智能性”，刺激响应型聚合物纳米材料已成为当代生物材料领域的研究热点之一。本文综述了几种不同刺激响应类型聚合物材料在药物载体方面的应用，侧重介绍几种外生型刺激响应体系作为药物载体的原理及应用前景。【关键词】 药物载体 刺激响应 功能高分子 外生型刺激响应1. 引言由于聚合物纳米材料比血红细胞（7-8m）要小

3、得多，故其能够在血液中自由运行。阿霉素(DOX)与紫杉醇(PTX)是广泛使用的抗癌药，可通过物理包埋或化学键合等途径将阿霉素或紫杉醇等药物结合到其上进行药物传递与释放，而这也是目前聚合物纳米材料在生物医用领域最重要的应用之一。目前用于载药的高分子纳米材料通常在10-1000nm间，而且具有多种形态结构如胶束、脂质体、树枝状高分子与聚合物纳米粒子等，由于较小的尺寸,使得其可以较为方便的将药物带入细胞,而药物的释放可通过其在聚合物中的扩散或聚合物自身降解来实现控制,聚合物对药物的包封能够起到保护药物不会提前被代谢掉的作用,而药物释放后,载体材料便可通过聚合物的降解排出体外。最关键的是,聚合物比较容

4、易被化学基团修饰,因此可以把一些具有靶向性、生物活性以及刺激响应性的组分结合到聚合物材料上，而这也是科学家一直致力研究的关键领域。在设计聚合物纳米材料用于载药时，我们希望它同时具有靶向性、生物活性以及刺激响应性，从而相应使药物能最大限度释放在病灶部位，提高载体的生物相容性，并且能在相应刺激下精确响应。刺激响应型纳米材料在外界信号刺激下会产生物理或化学的变化，如分子链结构、表面结构、溶胀、溶解性以及解离等行为。这些刺激信号主要包括一些化学信号，如pH、离子强度、化学物质等，还有一些物理信号，包括温度、磁场、电场与超声等。汪长春教授课题组多年来也一直致力于刺激响应型纳米靶向药物载体的研究并取得了阶

5、段性的成果，如制得了磁性温敏微囊装载阿霉素并进行体外释放试验 Li-Bo Chen, Feng Zhang, and Chang-Chun Wang*，Rational Synthesis of Magnetic Thermosensitive Microcontainers as Targeting Drug Carriers，Small，2009, 5, No. 5, 621628，温度与pH双重刺激响应型聚合物包覆磁性介孔SiO2微球用于阿霉素缓释 Baisong Chang, Xianyi Sha, Jia Guo, Yunfeng Jiao, Changchun Wang and W

6、uli Yang*，Thermo and pH dual responsive, polymer shell coated, magnetic mesoporous silica nanoparticles for controlled drug release，J. Mater. Chem., 2011, 21, 92399247 | 9239，pH与氧化还原双重响应型聚合物胶束用于药物缓释 Chuan Wei, Jia Guo, Changchun Wang，Dual Stimuli-Responsive Polymeric Micelles Exhibiting “AND” Logic

7、Gate for Controlled Release of Adriamycina，Macromol. Rapid Commun. 2011, 32, 451455，以及利用磁性MSPs/Ni-LDH核壳结构微球装载阿霉素用于癌症治疗及荧光成像 Dian Li ,Yu-Ting Zhang, Meng Yu, Jia Guo, Deeptangshu Chaudhary,Chang-Chun Wang，Cancer therapy and fluorescence imaging using the active release of doxorubicin from MSPs/Ni-LDH

8、 folate targeting nanoparticles，Biomaterials，34 (2013) 7913-7922等，这些纳米药物载体的微观设计基于不同的刺激响应信号，在分子水平上通过改变聚合物分子链之间或其与溶剂间的相互作用从而实现药物的释放。因此，结合自己阅读的关于刺激响应型聚合物纳米粒子的文献以及对这类药物载体的认识，我会对其进行一个简单的梳理，并谈谈我对这类药物载体应用前景的一些理解与看法。2. 作用机理刺激响应型聚合物纳米粒子通过设计成能够识别体内微环境或能对刺激进行动态反应的刺激响应系统，来实现On-demand或Switch on/off的药物缓释效果。根据刺激信号

9、的不同来源，可将这些刺激信号分为内生型刺激（endogenous stimuli）与外生型刺激（exogenous stimuli） Simona Mura, Julien Nicolas and Patrick Couvreur，Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery，Nature Materials, VOL 12,November 2013，其中内生型刺激主要有体内pH梯度、氧化还原反应、酶促反应以及针对某种物质（如胰岛素）进行自身调节的系统等，而针对外生性刺激的体系可分为磁响应、超声响应、温度响应以及光响应型等。我将从中选择几

10、种具有代表性的刺激响应体系对其机理做一个简要概括:2.1 内生型刺激响应体系pH触发型响应体系是其中研究最广泛的领域之一。pH响应体系是利用了体内不同组织以及细胞内微环境的pH不相同这一特点，以此来设计聚合物药物载体结构的体系。人体各组织环境的pH各有差异，如人体胃呈酸性 Lee ES, Gao ZG, Bae YH. Recent progress in tumor pH targeting nanotechnology. J Control Release, 2008, 132(3): 164170，血液、肿瘤组织以及肿瘤细胞内环境的pH分别为7.4、6.8与5.06.3。pH敏感聚合物的

11、显著特点是含有可作为质子给体或受体的可电离部分，而pH敏感的聚合物纳米药物载体即通过在载体中引入pH敏感单元来达到pH响应的目的。血液以及肿瘤部位对于载体带电情况倾向也不同，因此pH敏感的聚合物药物载体在经由血液流至肿瘤组织再进入肿瘤细胞需经过电荷反转才能被细胞所吞入。pH敏感聚合物纳米粒子的一个重要应用就是利用肿瘤组织及细胞内涵体、溶酶体的弱酸性将抗癌药物运送到达肿瘤部位。因此，根据pH的变化设计出pH敏感的体系，如腙会在pH=5.05.5（pH范围与细胞内脂质体相配）断链：，Kataoka和Park Bae Y, Fukushima S, Harada A, Kataoka K. Desi

12、gn of environment-sensitive supramolecular assemblies for intracellular drug delivery: Polymeric micelles that are responsive to intracellular pH change. Angew Chem Int Ed, 2003, 42(38): 46404643 Lee Y, Park SY, Mok H, Park TG. Synthesis, characterization, antitumor activity of pluronic mimicking co

13、polymer micelles conjugated with doxorubicin via acid-cleavable linkage. Bioconjugate Chem, 2008, 19(2): 525531等将阿霉素通过pH 敏感的腙键连接于聚合物制得了一系列的pH敏感纳米粒子；缩酮型甲基酯在pH=5.66.3（pH范围与早期内涵体相近）断链：；二甲基酰胺酸在pH=6.06.8（pH范围与细胞内脂质体相配）会发生解体：等。绝大部分的pH刺激响应聚合物纳米粒子随pH的变化, 粒子的粒径发生变化或粒子开始形成或瓦解。而在氧化还原作用响应体系中，二硫键（S-S）会在谷胱甘肽（GSH）

14、的氧化还原作用下断裂，从而获得氧化还原刺激响应。由于谷胱甘肽在肿瘤细胞外浓度（2-10M）远低于肿瘤细胞内浓度（2-10mM），故可以利用这一浓度梯度来设计S-S键连接的聚合物纳米载体实现药物缓释，常见的载体设计是在两亲性分子自组装共聚物（疏水基团含S-S键）形成的胶束 Sun, Y. et al. Disassemblable micelles based on reduction-degradable amphiphilic graft copolymers for intracellular delivery of doxorubicin. Biomaterials 31, 712471

15、31 (2010).，或是以S-S键作为连接位点的嵌段共聚物 Wang,Y-C.,Wang,F.，Sun,T-M.& Wang,J. Redox-responsive nanoparticlesfrom the single disulfide bond-bridged block copolymer as drug carriersfor overcoming multidrug resistance in cancer cells. Bioconjugate Chem.22, 19391945 (2011).，如Li Jing等 Li, J. et al. Redox-sensitive

16、micelles self-assembled from amphiphilic hyaluronic acid-deoxycholic acid conjugates for targeted intracellular deliveryof paclitaxel. Biomaterials 33, 23102320 (2012)用二硫键作为连接位点连接了透明质酸（HA）与脱氧胆酸（DOCA），包裹阿霉素自组装成胶束，经EPR效应进入肿瘤细胞内而使得S-S键破坏，进而达到释药的目的，如Figure1所示。2.2 外生型刺激响应体系在外生型刺激响应体系中，首先介绍磁性响应型体系：利用磁场的优势

17、是借助不同磁响应的机理，如在永久磁场下作磁“向导” Yang, H. W. et al. Self-protecting coreshell magnetic nanoparticles for targeted, traceable, long half-life delivery of BCNU to gliomas. Biomaterials 32, 65236532 (2011).，或在交变磁场下因磁滞损耗原理产生热量 Shi DL, Cho HS, Chen Y, Xu H, Gu HC, Lian J, Wang W, Liu GK, Huth C, Wang LM, Ewing

18、RC, Budko S, Pauletti GM, Dong ZY. Fluorescent polystyrene-Fe3O4 composite nanospheres for in vivo imaging and hyperthermia. Adv Mater, 2009, 21(21): 21702173，或二者兼有。一般的设计是将氧化铁包封到聚合物载体内部，对药物进行示踪，在磁场引导下到达病灶部位，通过聚合物降解或药物扩散作用实现药物缓释，同时还可以施以一定频率交变磁场提高磁纳米粒子温度，以此来加热肿瘤组织达到杀死癌细胞的目的。其次，光刺激响应型纳米粒子的研究目前也处于开发阶段。其

19、制备通常是在聚合物主链中引入光敏基团，如偶氮苯、二苯乙烯等，在光照条件下，光敏基团会发生结构、极性等变化进而引起纳米粒子的形态变化，从而引发药物释放。举例来说，偶氮苯及其衍生物在紫外可见光照射下会发生可逆光致异构化，300-380nm时从反式变为顺式，而在可见光范围内又从顺式变为反式 Lu, J., Choi, E., Tamanoi, F. & Zink, J. I. Light-activated nano impellercontrolled drug release in cancer cells. Small 4, 421426 (2008)。如Desponds Desponds A

20、, Freitag R. Synthesis and characterization of photoresponsive N-isopropylacrylamide cotelomers. Langmuir, 2003, 19(15): 62616270等合成了NIPAM和丙烯酰氧基琥珀酰亚胺共聚物, 并在丙烯酰氧基琥珀酰亚胺的侧基上键合生色团3-氨基丙氧基偶氮苯, 通过此方法使共聚物具备了光敏性。最具有代表性的是温度响应型体系，它是目前研究最多的刺激响应载药体系，已广泛应用于肿瘤学研究。温度敏感药物载体主要是由温敏型聚合物如脂质体、聚合物胶束以及纳米粒子等制备而成，这类聚合物一般都有一个

21、临界溶解温度（CST）,在此CST上下，其在溶液中会经历相转变的过程，而这种转变分两种类型，在低于某温度时聚合物是水溶性的，而高于此温度时又变成不溶于水，这类现象成为具有较低临界转变温度LCST,反之则为较高临界转变温度UCST。如Figure 2 Al-Ahmady, Z. S. et al. Lipidpeptide vesicle nanoscale hybrids for triggered drug release by mild hyperthermia in vitro and in vivo. ACS Nano，6, 93359346 (2012).，脂质体上的亮氨酸拉链在43

22、时因局部过热由折叠状转变为展开状，从而释放出阿霉素。目前最常见的是聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）,其LCST约为32，在溶液中有明显相变过程，PNIPAM的响应温度可以通过共聚的方式调节，当加入疏水共聚物时，LCST下降；当加入亲水共聚物时，所得聚合物LCST上升。在LCST 以下,亲水的外壳可阻止内核与生物实体如蛋白质、细胞以及其他胶束的相互作用。而当温度超过LCST时, 外壳会突然变得疏水, 导致胶束聚集甚至沉淀, 从而起到药物释放的“开关”作用。所以PNIPAM作为温敏材料，组装有PNIPAM链段的两亲嵌段聚合物胶束也因此具有温度敏感性。而对温敏型纳米药物载体，理想状态下希望能

23、在人正常体温（37）下稳定保持载药，而在温度升高至40-43后能迅速释放药物，因此对于微小温度变化能快速做出响应的温敏材料一直是研究的热门。值得注意的是，温敏型脂质体（Thermosensitive liposomes，TSLs）是目前最先进、最有潜力应用于临床的刺激响应型药物载体。1997年美国杜克大学研发出ThermoDox，这是一种热敏感的微小脂质体，微小球体内部是抗癌药物阿霉素，外壳是由特殊温敏型脂质分子组成的。当脂质球体加热到某特定温度（39-42）时，其外壳的物理结构会迅速改变形成多个小开口，抗癌药物会从中快速释放出来。1999年Celsion公司 Celsion Company：

24、获得杜克大学授权，继续开发这一技术，认为这种方法能够将高剂量的阿霉素输送到癌症组织，并有潜力改变传统化疗方案中相关的耐受性的问题。ThermoDox治疗方案已在人体临床第II阶段进行乳腺癌与结肠癌的研究，并进入肝癌研究的临床III阶段 人体临床实验划分为四个阶段（Phase I、II、III、及IV）：Phase I为药物完成动物试验后，首次以人体为试验对象以确定人体忍受范围；Phase II为选择少数病患（约100名）初步观察该药物可能疗效；Phase III为大规模的收纳病患（数百人或数千人）客观的确认药物疗效、适应症、交互作用等；Phase IV是经由药物上市后的监视，对药物产生之不良反

25、应事件，进行长期的追踪。3.结语临床试验：根据Scifinder的统计，仅2013年关于载药的文章就4000多篇，而这一研究领域也是包括汪长春教授课题组在内的多个研究机构多年致力研究的领域。对于各种载药体系，终极目标都是希望能用于人体实现载药释药过程，这一点是无可置疑的。而如Table1所示，目前进入人体临床试验的主要是温度响应型体系以及磁响应型，主要是在临床试验I、II阶段，其中温度敏感的ThermoDox与磁敏感的MTC-DOX已进入了临床试验III阶段，虽然仍未能商业化，但已是载药体系发展的极大突破。载药研究的漫长道路：值得注意的是，进入临床试验的都是外生型刺激响应型体系，如温度响应以及

26、磁响应，而研究很多的内生型刺激响应型体系如pH响应、氧化还原响应与酶响应体系甚至没能进入临床试验I阶段。究其原因，我认为由于载药体系设计的复杂性，使得其制备过程、重现性以及质量保证都异常困难。尤其对于内生型刺激而言，其控制更为复杂，因为病人的身体状况因人而异（如肿瘤组织中pH的差异，血液中还原物质如谷胱甘肽的多寡等）。从这个角度而言，外生型刺激响应体系更有应用前景，目前主要的研究落在了如何提高磁、温度以及光对组织渗透的深度与精确度（以免损害正常组织）等。刺激响应的聚合物纳米载体除修饰相关基团增加其生物相容性外，还要修饰一些特殊配体来实现靶向效果。然而，目前对大多数靶向载药体系而言，受到靶向部位的异质性与靶向组织细胞受限的易通过性等因素影响，只有不到5%的药物剂量能有效到达肿瘤病灶部位或炎症部位，此外，试药阶段的EPR效应（实体瘤的高通性与滞留效应）在临床应用中并不明显。之前提到的开发ThermoDo