影响纳米粒药动学、体内分布及肿瘤渗透率的因素

1、影响纳米粒药动学、体内分布和肿瘤渗透率的因素摘要将载药纳米粒递送至肿瘤部位主要有三个过程：避免被网状内皮系统 （RES）清除和肾脏过滤，在体液中长循环;通过肿瘤部位扩大的血管内皮间隙 进入致密的肿瘤基质，最终到达肿瘤细胞；维持在肿瘤部位的有效滞留时间， 并释放所载药物从而发挥治疗效果。在递送的过程中，会受到多重因素的影响， RES与纳米载体的相互作用以及纳米粒子的物理化学性质、材料、肿瘤和患者的 特点均对递送效率和治疗效果发挥很大的影响。本文对纳米粒的理化性质和生物 因素如何影响递送纳米粒至肿瘤部位的过程做了较为全面的阐述，并讨论了如何 提高递送治疗效率以期达到最佳的治疗效果。最后，对纳米粒在

2、肿瘤治疗中的应 用前景及发展方向进行了展望。关键词纳米递药系统肿瘤基质体内分布药物释放ABSTRACT There are three major phases in nanoparticle drug delivery: nanoparticles must evade clearance by renal filtration and the reticuloendothelial system ; extravasate through the enlarged endothelial gaps in tumors , penetrate through dense stroma in

3、the tumor microenvironment to reach the tumor cells ； remain in the tumor tissue for a prolonged period of time, and finally release the active agent to induce pharmacological effect. Of course , nanoparticle drug delivery to the tumor is impacted by multiple factors : interact between RES and nanop

4、articles and the physicochemical properties of nanoparticles, composition, tumor biology and patient characteristics affect the pharmacokinetics, biodistribution, intratumoral penetration and tumor bioavailability. This review provides a comprehensive summary of how these nanoparticle and biological

5、 factors impact nanoparticle delivery to tumors, with discussion on how the tumor microenvironment can be adjusted and how patients can be stratified by imaging methods to receive the maximal benefit of nanomedicine. Perspectives and future directions are also provided.Keywords Nano-drug deliver sys

6、tem, tumor stroma, vivo biodistribution, drug release.作为一种新型的药物递送系统，纳米粒（nanoparticles）可以提高难溶性药物 的生物利用度，提高治疗效果，降低不良反应，并且可以提高病人的顺应性，因 而被广泛应用于药学的各个领域的研究中。常见的纳米药物载体有脂质体、聚合 纳米粒、树枝状高分子、胶束等。纳米粒包载药物后具有长循环的作用，增加药 物与病变部位的接触，提高疗效1 3。纳米粒递送药物至肿瘤一般有三个阶段： 首先，纳米粒在体内循环，部分被网状内皮系统吞噬；其次，持续的向肿瘤部位 渗透并释放药物；最后，药物成分与靶细胞作用，发

7、挥治疗效果。本文综述了影 响纳米粒载药系统在体内的药动学及体内分布等方面的因素。纳米载体在血液中循环及与网状内皮系统（RES）的作相互用在纳米载体递送药物的第一阶段，其首先进入体液循环，并与网状内皮系统 （主要是指肝、脾和骨髓的巨噬细胞系统）相互作用。在网状内皮系统对纳米粒 的摄取中，主要是肝、脾的巨噬细胞对纳米粒发挥吞噬作用。纳米粒在体循环的 过程中，其表面往往吸附一些可识别的调理素（主要是血清蛋白），从而被吞噬 细胞吞噬45，进而减少纳米粒在血液中的有效循环量。在纳米粒表面连接PEG、 调整粒径的大以及改变电位等均会影响纳米粒与RES的作用，减少被RES的摄 取，延长纳米粒在体内的有效循环

8、时间，可显著提高药物的治疗效果。1.1减少RES对纳米粒摄取的策略1.1.1对纳米粒表面进行化学修饰常用的修饰方法是将纳米粒进行PEG化，从而在纳米粒的表面形成一种非特 异性的立体障碍，进而阻止血清蛋白与纳米粒的结合，最终达到长循环的效果6。 Sadzuko et al.7报道说PEG化的纳米粒被RES所摄取的量可减少3倍多，同时在肿 瘤部位的聚集量提高3倍，从而显著提高治疗效果。不同分子量的PEG修饰后的 纳米粒所达到的效果也会不同。Fang et al.8在纳米粒表面分别修饰了2.5KDa和 10KDa两种不同的PEG，体内结果表明修饰了 10KDa的纳米粒具有更好的效果。 PEG在减少纳

9、米粒与RES作用的同时，过量的PEG也会增加了载体的不稳定性。 如一种常见的PEG化的粒子DSPE-PEG2000，当其表面修饰的PEG超过8%时会使 脂质体降解。此外，PEG也会引起体内的免疫和过敏反应，特别是含有siRNA和 pDNA等免疫刺激物时，更加明显。尽管修饰PEG后能有所改善纳米粒在体内的药动学特点和肿瘤部位的分布， 但RES的清除作用依然发挥很大的作用，导致纳米粒体内的分布效果并不十分理 想。Rodriguez及其同事通过给纳米粒接上自身肽，使得巨噬细胞对纳米粒的清 除率大大降低，进而增加了纳米粒在肿瘤组织的聚集量。自身肽是一种通过计算 设计出的模拟人体细胞膜蛋白CD47 （具

10、有自我识别作用）的多肽，它可使纳米粒 躲避巨噬细胞的吞噬，从而增强载体的长循环效果。1.1.2调整纳米粒的粒径、形态、电位在特定的形态下，粒径的大小在很大程度上会影响纳米粒与RES作用的效 果。一般而言，粒径越小，被RES清除的越少长循环效果越好，因为粒径小的粒 子其表面的PEG密度大，其躲避能力也越强。但粒径过小也会起到不利的作用， 如50nm以下容易被肝、肾细胞摄取。有文献报道，直径100nm左右的粒子能最大 程度的规避RES的清除作用并充分利用肿瘤的EPR效应（enhanced permeability and retention effect）9。粒子的形态对纳米粒在肿瘤部位的聚集和体

11、内循环时间也有很大的影响，一 般情况下，球形纳米粒更易被巨噬细胞所吞噬。BD. Discher and coworkers】10分 别制备了纤维状和球状的两种胶束，体内实验表明纤维状的胶束具有更好的长循 环效果。粒子表面的静电荷用Zeta电势（6）表示，一般来说，负电（检-10mv）粒子易被 RES摄取，正电粒子（610mv）容易诱导血清蛋白的粘附，中性粒子（大于-10mv， 小于+10mv）的长循环效果最好3。综合以上来看粒径约为100nm的表面亲水的中性纳米粒可以延长药物在血 液中的循环时间并且增大药物在肿瘤部位的浓度。1.1.3优化构建纳米粒材料的组成成分纳米粒在体循环过程中与血液中血浆

12、蛋白的结合很大程度上取决于构建纳 米粒材料的疏水性11,12。据Semple et al.13，14报道，大于C16的中性饱和脂质体比 C14同类脂质体结合更多的血浆蛋白。Moghimi et al.15也表明相比于不含胆固醇 的脂质体，含较多胆固醇的相同载体结合的蛋白会大幅减少，这是由于胆固醇的 存在使得脂质体双分子层的刚性增加。据文献报道，脂质的存在与含量的多少也 会影响纳米载体在体内药动学参数，有实验表明，材料中有脂质的存在会延长脂 质体的半衰期16,17。这可能是由于高含量的脂质会与RES竞争反应从而减少了RES对纳米粒的摄取18。1.2降低皿，的活力及个性化剂量的调整纳米粒在体循环过

13、程中大部分都是被RES所清除3，19削。因此，设法降低RES 的活力将会很大程度延长载体的长循环时间，从而提高纳米粒在肿瘤部位的聚集 量，最终达到较为理想的治疗效果。然而，在延长纳米粒长循环时间的同时也会 带来更多的副作用，这是因为虽然改善了载体的长循环效果，提高了药物在肿瘤 部位的聚集，但同时也增加了药物与正常组织接触的时间，因而对正常组织产生 的损伤也更大。在治疗过程中，我们一方面希望延长纳米粒在体内的循环时间， 另一方面又希望减少不良反应。Mark J. Ernsting.给出以下两个方案：首先，根据 不同患者RES的活力，个性化的调整给药剂量，从而减少副作用；其次，鉴于纳 米粒与RES

14、的双向反应21（即首次给予纳米粒后，一方面载体会对RES的活力存 在抑制作用，减少其对纳米载体的清除；另一方面由于首次给药对RES产生的抑 制作用，会导致接下来多次给药后，增加药物在体内的血药浓度，甚至有可能达 到中毒剂量引起不良发应），在设置多剂量给药方案时应仔细计划，例如，通过 对患者进行测试发现，在第三次给予包载紫杉醇的纳米粒后，体内对其清除率是 第一次给药后的43%,此外，患者的皮肤也相继出现一些毒性反应22。纳米粒从肿瘤血管中外渗及在肿瘤组织中的滞留一般通过静脉将纳米粒注入体内，然后纳米粒便随血液一起进入体循环并到 达肿瘤部位，利用EPR效应，纳米粒从肿瘤部位的血管中渗出，然后进一步

15、渗入 肿瘤组织。这是纳米载体递送药物过程的第二阶段。2.1肿瘤血管的渗透性与纳米粒的外渗正常组织部位的血液与组织之间隔着连续完整的血管壁，阻止了大分子和粗 粒子的进入，避免了对组织的损伤作用23。然而与正常组织相比，肿瘤组织部 位的血管更加致密、成熟度差、管腔较大以及具有很多杂乱的分支24。在早期 的肿瘤研究中，研究者观察到有蛋白质等大分子从肿瘤组织中溢出的现象，表明 肿瘤血管具有高渗透性25,26。人体和动物的肿瘤生物学研究已证明，这种选择 性的外渗作用有利于长循环的纳米粒被动转运入肿瘤组织。尽管基于肿瘤血管的独特性，长循环的纳米粒能显著改善体内的药动学、体 内分布以及对临床前动物模型的有效

16、性和安全性，但与一般化学疗法相比，其并 不能提高大多数患者的总体存活时间27Ernsting et al28.报道肿瘤细胞摄取纳米 粒以及纳米粒释放药物发挥效用与肿瘤血管的密度呈线性相关。由于不同的患 者，其肿瘤血管的特点不尽相同，在实际治疗过程中因而会导致不同的治疗结果。 研究表明，仅那些肿瘤血管具有较高渗透性能的患者能通过纳米载体递药获得较 好的疗效。2.2增强纳米粒进入肿瘤的策略2.2.1降低纳米粒的粒径研究表明纳米粒的最佳粒径为100nm左右，此粒径范围能较好的避免肝、脾、 肾的清除作用。然而，对于渗透力不同的肿瘤而言，其药物载体的最佳粒径大小 不尽相同。Cabral et al.29

17、以荷高渗透性结肠癌小鼠为模型，分别给以30nm、 50nm、70nm和100nm四种粒径的载药胶束，最后比较了它们在肿瘤部位的聚集 以及疗效。结果表明，肿瘤对以上四种纳米粒的摄取量并无明显区别。同样的实 验方法给以荷低渗透性胰腺癌小鼠模型，却有着不同的实验结果，只有低于50nm 的载药胶束才能在穿透血管进入肿瘤，其中粒径为30nm的胶束发挥最佳的治疗 效果。2.2.2通过对肿瘤血管的影响达到对治疗作用的调节肿瘤血管无序、扭曲和高渗透性的特点对纳米粒在肿瘤组织部位的转运起到 很大的阻碍作用30-32。血管内皮生长因子（VEGF）是肿瘤新生血管的主要驱动 因子，因而限制VEGF的表达，就能阻碍血管

18、内皮细胞的分裂，从而减小血管管 腔的直径，达到增大血流灌注，提高小分子药物的递送能力的目的33O然而， 减小肿瘤血管管腔，使血管趋于正常化，对纳米递药系统而言却是不利的Tanaka et al.34采用前列腺素类似物Beroprost降低肿瘤血管的血压以增大肿瘤的EPR效 应。这是由于前列腺素能使血管舒张，降低肿瘤毛细血管壁的厚度，进而增加大 分子的血管外渗率。Seki et al,35表明硝酸甘油能维持肿瘤对PEG化锌原卟啉保 持较高的EPR效应超过24小时。Kanoet al.36研究发现对患者预周细胞在肿瘤血 管内皮层的覆盖率，进而增加纳米粒的渗透率。此外，诸多对实体瘤的研究表明，放射治

19、疗也能有效的增加肿瘤血管的渗透 性能，进而显著增强载药纳米粒的递送效果。Li et al.37以OCa-1卵巢癌为模型， 分别给以原形紫杉醇和聚谷氨酸（PG）连接的紫杉醇先给予TGF- /W制剂，能有效 的减少，然后再给予5-15Gy辐射，实验结果表明，PG-TXL组的效果非常明显， 接受辐射后肿瘤血管的渗透率提高了 26%，PG-TXL的肿瘤外渗提高了 30%，而 对于PTX组，却并未发现相同的结果。纳米粒渗入肿瘤以及在肿瘤部位释放药物高度的组织间隙压、致密的肿瘤基质以及纳米粒与巨噬细胞、纤维细胞和肿 瘤细胞的复杂反应是纳米载体进入肿瘤的另一个主要的障碍。肿瘤的生理因素对纳米粒渗透率的影响肿

20、瘤脉管系统的异常和异构化与正常组织相比，肿瘤部位的血管具有高度的不规则性，包括异构化的空间 分布，不均等的灌注和渗透性能等特点。Yuan et al.38制备了人腺癌转移模型， 并观察了肿瘤血管的结构特点以及荧光素PE标记的PEG-DSPE在肿瘤部位的渗 透行为。结果表明与正常组织相比，PE标记的PEG-DSPE在肿瘤部位会有更多的 聚集，但其主要分布在肿瘤的血管周边，只有少量会深入肿瘤内部Lee at al.39 用MicroSPECT成像系统观察，比较了 111In标记的聚合胶束分别在 MCF-7和 MDA-MB-468肿瘤中的分布情况，最终得到与Yuan et al.的实验类似的分布结

21、果。以上两个实验均显示纳米粒大多被肿瘤的扩散边缘所摄取，这表明纳米粒渗 入肿瘤的障碍主要来自于肿瘤边缘部位的扩散.间质液压（IFP）从血管中渗出的纳米粒依赖于间质液的对流而进入肿瘤实质。正常组织中， 血管与胞间隙间存在着净负压降，使得间质液流入胞间隙并最终进入淋巴导管， 但在肿瘤部位，由于渗透率异常化、淋巴液回流障碍、间质纤维化、基质纤维细 胞的增殖而引起的间质组织收缩以及肿瘤细胞的快速增殖而带来的挤压使得肿 瘤部位的间质液压显著升高35,40，最高能达到60mmHg41，42。较高的间质液压 扰乱了正常的间质液对流，从而导致大分子物质包括纳米载体难以进入肿瘤实 质。研究表明，增强的渗透率使得

22、纳米粒趋于分布在肿瘤外周部位，然而较高的 间质液压阻碍了纳米粒向肿瘤内部进一步的渗入。基质密度肿瘤细胞的四周围绕着纤维细胞、免疫细胞、基膜和细胞外基质，我们将其 统称为基质，它是肿瘤实质的主要组成部分43，44，肿瘤内的纤维细胞具有不规 则性、持续增殖和生命力强的特点。间质液对流和扩散转运是纳米粒进入肿瘤的 主要途径，然而，由活化纤维细胞产生的细胞外基质对这条途径形成了很大的阻 碍，此外，基质纤维细胞的增殖增加了肿瘤内部的收缩力，从而提高了 IFP,进 一步对纳米粒的转运和渗透形成了不利因素。Jain et al.30通过研究证实，致密的 胶原网络阻碍纳米载体在肿瘤内部的转运，并将其分布主要限

23、制在肿瘤血管附 近。3.1.4.肿瘤组织中的巨噬细胞（TAM）肿瘤组织富含巨噬细胞，在有些肿瘤中甚至占到整个细胞数的60%45,46。关 于TAM在免疫抑制、促进肿瘤生长和肿瘤转移等方面的作用已有广泛研究。已 经证实，TAM对纳米粒在肿瘤部位的转运及药物释放均产生重要的影响47。以 多聚谷氨酸紫杉醇（PG-TAXOL）和放射性元素标记的药物为研究对象，实验结 果表明TAM为药物的主要代谢场所，其他地方的代谢量则为TAM的100-1000分 之一，进一步对PG-DTPA-Gd进行研究观察，发现在TAM分布较多的肿瘤核心部 位，PG-DTPA-Gd被摄取的量最多，表明TAM确实对载体在瘤内的分布转

24、运发挥 重要的影响48,49。纳米粒的性状对其在肿瘤内灌注的影响粒径和电位的影响Lee et al.39 报道25nm的粒子从血管渗入肿瘤的量是60nm粒子的两倍，这是 由于胶原网络的存在，使得粒径大于60nm的粒子难以渗入肿瘤内部50。然而许 多研究表明，对于不同粒径的粒子，其在肿瘤部位的聚集量不尽相同，并且在一 定的时间范围内，粒径较大的粒子能达到较小粒径粒子相同的肿瘤聚集量。中性粒子（10 mVA肿瘤内部的距离是同类带电粒子的三倍，并且在肿瘤 中的分布更加趋于同质性。这是由于正电粒子（10 mV）会与带负电的基质聚合 物如透明质酸反应，相反，负电粒子（10 mV）则会与正电基质聚合物如胶

25、原反 应，而这些反应对纳米粒在肿瘤内部的转运会起到很大的阻碍作用51。Nomura et al.52通过实验证实电位在-2至-5 mV之间的粒子渗入肿瘤的速率是+48mV相 同粒子的14倍之多。靶向配体的影响Lee et al.53 研究了 25nm大小的嵌段共聚胶束渗入肿瘤内部的效果，结果表 明，与具有靶向血管内皮生长因子受体（EGFR ）功能的胶束相比，未具有靶向 功能的同类胶束反而有更好的渗入效果。Lee et al.对这一现象做了解释：这是由 于“结合点位阻”效应（靶向配体的存在使得被靶向细胞对纳米粒有更强的亲和 力，反而阻碍了纳米粒进一步深入肿瘤内部）的存在。调节治疗药物有效进入肿瘤

26、细胞的策略降低皿通过降低IFP，使肿瘤内部的间质液流动性恢复正常，从而达到促进纳米粒 子转运的目的。Mark J. Ernsting给出了三种降低IFP的方法：第一个方法是用贝 伐单抗和西地尼布等抗新生血管药靶向肿瘤血管，从而使IFP下降到一个较低的 水平30,31,54；第二个方法是靶向肿瘤基质纤维母细胞，通过使用前列腺素抑制 剂如伊马替尼，减少前列腺素与基质纤维细胞的反应，从而降低IFP，进而显著 增加小分子物质和小粒径纳米载体在肿瘤的渗入率；第三个方法是用透明质酸酶 和胶原酶等细胞基质降解酶使基质细胞和细胞外基质发生降解，从而达到IFP降 低的目的。使肿瘤基质降解目前，以肿瘤基质为靶点的

27、方案逐渐成为了新的研究热点，主要是通过破坏 肿瘤基质从而达到抗肿瘤、降低肿瘤诱发几率、缓和较高的IFP以及增强纳米载 体的肿瘤渗入量和药物递送的效果。Murakami et al.55用乳腺癌模型进行实验， 在给予PEG化载紫杉醇的乙酰化羧甲基纤维素纳米粒后，发现载体会选择性的与 肿瘤基质纤维细胞作用，并且有超过85%的纳米粒被处于肿瘤微环境中的纤维细 胞所摄取。优化构建纳米粒的材料成分，调节载体对药物的释放在肿瘤部位释放所包载药物从而达到良好的治疗效果是纳米递药系统的最 终目的，一般而言，纳米粒主要在两个部位释放药物：其一是在细胞间隙，之后 药物进一步被细胞摄取发挥治疗作用；其二是肿瘤细胞直

28、接摄取纳米载体，然后 载体在胞内释药。不管是在胞内还是胞间，都要求构建纳米粒的材料具有良好的 生物相容性以及纳米粒有较好的缓释功能。纳米载体的缓释功能与构建材料的稳定性有直接关系，稳定性过高或过低均 会对纳米粒释药产生不好的影响。稳定性过高会过度减缓释药的速度，如阿霉素 脂质体能够递送比一般给药方法要高出10-15倍量的阿霉素，但它在肿瘤组织中 释药极其缓慢，生物相容性低，导致其综合治疗效果并没有得到有效的提升 56-58。相反，稳定性过低，会造成纳米粒在未递送至肿瘤组织之前就被降解释 药，一方面影响疗效，另一方面会带来不良反应。以常用抗肿瘤药物紫杉醇为例， 有实验将其制备成NK105和Gen

29、exo l两种聚合物胶束，在给患者注入体内后观察 发现，其在血液循环过程中就有很多紫杉醇从胶束中漏出，最终得到的PK与Taxol 相比没有很大的改进59-61。总结与展望纳米载药系统利用EPR效应，可以进入血管内皮间隙疏松的肿瘤部位。纳米 粒的理化性质(包括粒径，所带电荷，表面化学等)会极大的影响所载药物的药 动学和体内分布，通过对这些条件的控制(粒径，zeta电位，纳米粒表面的化学 修饰)可减少巨噬细胞系统对纳米粒的摄取，从而延长纳米粒在血液循环中的滞 留时间。其次，通过优化构建纳米粒的材料以及接上适合的靶向配体，使得载体 的释药特性能够得到有效改善。虽然近年来，通过纳米载药系统给药取得了很

30、多重大的进展，但是依然有很 多的问题和挑战有待解决，如纳米粒的长循环效果不理想，在肿瘤部位的聚集量 不高，容易导致不良反应等等。此外，目前关于纳米载药系统的研究依然仅是集 中在肿瘤EPR效应的渗透方面，而对肿瘤损伤的淋巴引流引起的滞留效应却很少 见到有关研究报道。未来，应当发展更多具有定量性能的成像技术用来研究肿瘤部位的淋巴功 能，探究其如何影响IFP以及纳米粒的渗透与滞留。在此基础上，设计出更加完 善的纳米给药系统，获得最大的治疗效果，并实现从实验室走向临床的转变。 参考文献J. Fang, H. Nakamura, H. Maeda, The EPR effect: unique feat

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