纳米技术在抗非选择性药物靶向药物中的应用

纳米技术在抗非选择性药物靶向药物中的应用

癌症是世界上最重要的死因之一。根据世界卫生组织的估计，从2005年到2015年，超过18400万人将死于癌症。传统的化疗药物在体内非特异性分布,对正常细胞和肿瘤细胞都有一定的影响。癌症治疗的最终目标是通过降低化疗的全身毒性而增加病人的存活时间,提高他们的生活质量。肿瘤是由肿瘤细胞和多种基质细胞以及非细胞组分构成的有机体,其核心是肿瘤细胞,而周围的基质细胞和非细胞组分构成了肿瘤细胞的生长环境,即“肿瘤微环境”,其对肿瘤细胞的生长和转移发挥着至关重要的作用。Paget于100多年前提出了“种子与土壤”的假说:肿瘤细胞是“种子”,肿瘤微环境是“土壤”,种子的生长离不开周围的土壤,形象地揭示了肿瘤微环境对肿瘤细胞的重要性。由于肿瘤微环境细胞组成稳定,其相对于肿瘤细胞不易产生抗药性,因此,靶向于肿瘤微环境越来越引起关注,纳米技术为其发展提供了良好的平台,同时为抗肿瘤的研究提供了新的研究思路。1肿瘤微环境与肿瘤细胞相互作用早期的肿瘤研究重点是肿瘤细胞,主要关注肿瘤细胞的基因突变、增殖凋亡等方面。随着研究的深入,肿瘤微环境对肿瘤的发生发展有着很重要的作用。肿瘤细胞可以重塑肿瘤微环境,反之重塑的肿瘤微环境能进一步影响肿瘤细胞的行为和状态。肿瘤微环境是肿瘤细胞赖以生存的复杂环境,主要由不同的基质细胞和细胞外基质构成,是由肿瘤细胞,内皮细胞,细胞外基质,免疫细胞,成纤维细胞相互作用形成的特殊环境,具有血供不足、营养缺乏、间质压力高等特点。深入了解肿瘤微环境的基本特征以及肿瘤微环境与肿瘤细胞的相互作用,可以为抗肿瘤药物的研发提供有力的理论基础。在癌症的治疗中,肿瘤微环境是设计抗癌新疗法所研究的领域之一。更确切地说,研究者基于微环境与正常组织包括血管畸形、充氧、灌注、pH、代谢状态的差异制定不同的研究策略。在此,重点描述肿瘤血管和pH的差异,因为它们是纳米载体药物传递系统靶向设计的重要相关因素。1.1血管生成过程血管生成是指从现有的血管生成新的血管。血管生成是肿瘤发展和转移的重要条件,是所有恶性实体瘤的共性。肿瘤血管是肿瘤赖以生长和转移的基础,肿瘤在没有血管提供氧气和营养的情况下一般不会超过2mm3。对于实体瘤(1-2mm3),氧气和营养物质通过简单扩散到达肿瘤的中心。由于血管的非功能性,无血管生成的肿瘤高度依赖他们的微环境来摄取氧气和营养。当肿瘤达到2mm3时,细胞处于缺氧状态,引发血管生成。肿瘤血管是肿瘤组织的主要营养和氧气来源。血管新生主要依赖于血管生成促进因子和抑制因子间的平衡。当血管生成促进因子高于抑制因子时,肿瘤血管开始形成。血管生成过程可以分为五个阶段:(1)内皮细胞激活;(2)基底膜与细胞外基质降解;(3)内皮细胞转移和增殖;(4)血管形成;(5)血管重塑,延伸至实体瘤内部。缺氧增加细胞诱导因子(hypoxiainduciblefactor,HIF)的转录,导致促血管生成的蛋白质的表达上调,如血管内皮生长因子(vascularendothelialgrowthfactor,VEGF)、肿瘤坏死因子(tumornecrosisfactor-α,TNF-α)等。1.2肿瘤血管内皮渗流为等温实体瘤与正常组织相比存在很大差异。正常组织中的微血管内皮间隙致密、结构完整,大分子物质和脂质颗粒不易透过血管壁,而当肿瘤细胞的直径增长到1-2mm时,为了能够获得足够多的氧气和营养物质,肿瘤血管会快速无序增殖,在实体瘤组织中形成大量内皮间隙较大、结构不完整的血管,肿瘤血管异常如血管内皮细胞异常增殖、周细胞缺乏、基底膜形成异常等特点导致血管通透性增强,除此之外,肿瘤组织中由于淋巴管缺乏而使淋巴液回流受阻,这两方面妈的作用相结合使得血液循环中的大分子物质容易渗透进入肿瘤组织并长期滞留,这种现象被叫做“高渗透长滞留效应(enhancedpermeadilityandretentioneffect,EPR)”,而正常组织血管壁结构完整,不具有EPR效应。1.3跨膜ph梯度差异肿瘤部位的pH比正常组织低。肿瘤增生很快,脉管系统提供的营养和氧气不能满足其需要,在很多的肿瘤研究中发现,缺氧导致能量不足,从而产生乳酸及ATP水解产物,导致酸性增加。正常健康组织和肿瘤组织细胞内pH相近,而肿瘤组织细胞外pH值比正常组织较低。尽管肿瘤区域的pH值不同,细胞外pH值平均在6.0和7.0之间,而在正常组织和血液中,细胞外pH值大约是7.4。肿瘤细胞内外的pH梯度也存在于肿块和宿主组织之间,是不同药物分布的潜在来源。肿瘤与正常组织的跨膜pH梯度不同,可应用于弱电解质药物向肿瘤的靶向传递。弱酸性药物的非电离形式在肿瘤的跨膜pH梯度下,很容易透过细胞膜,使其在肿瘤细胞内的浓度明显高于正常组织。细胞中的细胞质、溶酶体、内质网、线粒体和细胞核等都有其独特的pH值,利用细胞的跨膜pH梯度,纳米载体可以结合上pH敏感性物质将大分子药物有效的传递到相关细胞并准确定位。2肿瘤微环境与肿瘤血管生成肿瘤微环境是一个复杂的综合系统,有别于正常细胞与其周围组织所形成的环境。目前为止,虽然有很多的与肿瘤微环境相关的研究方法,但是关于肿瘤微环境的研究还处于起步阶段,需要更加深入和细致的研究。近年来,对肿瘤微环境的研究更多的集中在肿瘤微环境与肿瘤的恶变、肿瘤新血管的生成以及肿瘤相关细胞的研究等方面。郜明等综述了微环境与肿瘤的恶变,微环境低氧、高压、大量生长因子和水解蛋白酶产生及其免疫炎性反应等是肿瘤组织代谢环境的主要生物学特征,其对于肿瘤的生长、侵袭、转移以及血管的新生等具有非常重要的影响。肿瘤细胞通过产生大量生长因子和蛋白水解酶,调节肿瘤的环境,活化肿瘤基质,分泌胰岛素依赖生长因子、肝细胞生长因子等多种细胞因子,这些对肿瘤的恶化起到促进作用。肿瘤微环境与肿瘤血管新生密切相关,肿瘤血管是肿瘤营养输送的通道,微环境通过调节肿瘤血管的生成,影响肿瘤的生长和转移。肿瘤微环境就像一个小小的生态环境,与肿瘤细胞密切相关,特别是肿瘤微环境中慢性炎症、组织缺氧、酸中毒等特征在肿瘤的转移中发挥了重要作用。侍文婷等研究了肿瘤相关成纤维细胞(cancer-associatedfibroblasts,CAFs)与肿瘤微环境的关系,体内外的生物学研究均证实肿瘤相关成纤维细胞在肿瘤微环境中发挥重要作用,是微环境中最主要的宿主细胞,靶向CAFs有望成为肿瘤治疗的新思路。此外肿瘤微环境也是多糖抗肿瘤治疗、抗血管治疗的重要靶点。近年来,纳米微粒作为小分子抗肿瘤药物的研究成为热门,将抗癌药物用不同的纳米粒包裹,可提高其水溶性、增加药物在肿瘤组织中的分布、增强抗肿瘤活性、同时减少了对其他组织器官的毒副作用,其研究主要集中在如何靶向肿瘤细胞、药物在肿瘤细胞如何释放等,本文主要综述了针对肿瘤微环境的载抗肿瘤药物的纳米给药系统的研究进展。3纳米载体靶向的制备和完成的问题肿瘤微环境包括肿瘤部位细胞及其所分泌的活性介质等,促进肿瘤的发生、发展和转移,为细胞的快速增殖提供场所。利用肿瘤微环境作为刺激因子,设计适合的纳米颗粒用于肿瘤给药,可能显著提高药物的治疗效果。王均等发展了将抗癌药物选择性输送到细菌的人造肿瘤微环境的策略,注射载药纳米颗粒,由于EPR效应载肿瘤组织富集,选择性释放包载的药物杀伤肿瘤细胞。纳米载体的靶向主要分为被动靶向和主动靶向。纳米载体的被动靶向主要通过EPR效应发生载体和药物的选择性积累。然而,被动到达肿瘤存在一定的局限性,被动靶向取决于血管生成的程度。纳米载体的外渗随着肿瘤类型和解剖部位的不同而变化。在主动靶向中,靶向配体链接在纳米载体的表面用于与肿瘤部位特定表达的受体结合。配体的选择要结合肿瘤细胞或肿瘤血管过度表达的受体,此受体在正常组织中不表达。此外,靶向受体应在所有的癌细胞均匀分布。目前主要研究的癌细胞表面的受体有转铁蛋白受体、叶酸受体、表皮生长因子受体和细胞表面的糖蛋白等。对容易获得靶向的细胞来说,尤其是肿瘤脉管系统,由于其血液的动态环境,优先表现出高亲和力。3.1血管内皮生长因子及其受体由于氧气和营养物质的缺乏导致实体瘤血管内皮细胞的破坏,可能会诱导肿瘤细胞凋亡。1971年Folkman表明阻止肿瘤新血管的生成会抑制癌细胞的生长。这个观察结果是纳米载体主动靶向血管内皮细胞的设计基础。通过阻止血液供应可调节癌细胞的大小和代谢能力。Agemy等将CREKA(两个肿瘤靶点肽)修饰纳米粒使其阻塞肿瘤血管,降低了血流量,从而限制了肿瘤的生长。因而,配体靶向的纳米载体结合并杀死生成的血管,从而间接杀死依赖血管生长的癌细胞。靶向肿瘤血管内皮细胞的优势是:(1)无需纳米载体外渗到达肿瘤部位;(2)静脉注射后可能直接与受体结合;(3)由于内皮细胞比癌细胞的基因稳定性,产生抵抗的潜在危险性消除;(4)任何肿瘤都表达内皮细胞,方法多应用范围广。肿瘤血管内皮细胞的靶向主要包括:VEGF:VEGF对血管内皮细胞的增殖、水解基膜、迁移和血管构建的调控作用较强,特异性高。目前在内皮细胞膜上检出两种VEGF高亲和力酪氨酸激酶受体VEGFR-1和VEGFR-2,血管内皮生长因子和它们的受体在调节肿瘤血管生成和新血管生成发挥重要的功能。肿瘤缺氧和癌基因导致肿瘤细胞中的VEGF水平上调,从而导致肿瘤内皮细胞的肿瘤血管内皮生长因子受体的水平上调。目前通过VEGF靶向血管生成主要集中在两方面:靶向VEGFR-2,降低VEGF结合并诱导内吞;靶向VEGF,抑制配体与VEGFR-2结合。整合素:整合素是一组二价离子依赖性细胞表面糖蛋白,介导细胞之间以及细胞与细胞外基质之间的黏附反应。整合素分子主要通过识别“精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸”(RGD)序列而介导黏附作用。环状或线性RGD是研究最多的结合整合素αvβ3的寡肽。整合素αvβ3属于内皮细胞受体,针对胞外基质蛋白,包括纤维蛋白、纤连蛋白、血小板、骨桥蛋白和纤维连接蛋白。整合素αvβ3在新生血管内皮细胞高度表达,而在成熟的内皮细胞和正常器官表达较少,其在钙介导的迁移至内皮细胞的信号传导通路发挥重要作用。整合素αvβ3在肿瘤细胞和肿瘤血管内皮细胞的表达水平都上调。血管细胞黏附分子:细胞间黏附分子-1(intercellularadhesionmolecule-1,ICAM-1)是表达于正常血管内皮细胞的主要黏附分子,属于CAM免疫球蛋白家族成员,通过介导免疫细胞的黏附,参与集体的炎症和免疫反应。近年来研究发现肿瘤组织的血管内皮细胞表达ICAM-1明显降低。血管细胞黏附分子-1(vascularcelladhesionmolecule-1,VCAM-1)是类似于跨膜糖蛋白的一种免疫球蛋白,在肿瘤内皮细胞表面表达。VCAM-1诱导细胞和细胞的黏附,是血管生成过程的关键步骤。VCAM-1的过度表达在许多癌症中都有发现,包括白血病、肺癌、乳腺癌、黑色素瘤、肾癌和胃癌等。基质金属蛋白酶:近年来发现,基质金属蛋白酶(matrixmetalloproteinases,MMPs)是一类锌离子依赖性的蛋白内切酶,是除内皮生长因子之外的另一类与血管生成密切相关的一个蛋白家族,可降解细胞外基质,在血管生成和转移中发挥重要作用,尤其是血管内皮细胞的迁移、侵袭和毛细管的生成。膜型基质金属蛋白酶1(MT1-MMP)在恶性肿瘤内皮细胞表面表达,包括肺癌、胃癌、结肠癌和宫颈癌、神经胶质瘤和黑色素瘤等。3.2ph敏感型纳米制剂目前所用的药物纳米载体有很多的特性,如延长药物的血液循环时间,使其更好的到达病灶部位;增强细胞内的渗透作用;生理环境敏感的药物释放;靶向作用,直接到达靶部位等。对这些载体进行表面修饰,把多种功能结合起来,是我们现在研究的热点。多功能纳米载体利用肿瘤微环境与正常的组织环境的不同,对抗肿瘤的靶向性研究提供了新的平台。其中pH敏感型纳米制剂是目前研究的重点之一。pH敏感型纳米制剂是一个很有希望的靶向给药系统,利用正常组织与病理组织生理pH的不同,将药物靶向于病灶部位。其类型有pH敏感聚合物纳米粒、脂质体、胶束及树枝状聚合物等。,有文献报道,pH敏感型的β-氨基酯可构成生物降解的阳离子聚合物载体,在肿瘤的酸性环境下(pH<6.5),β-氨基酯会很快溶出,并释放出包载的药物。Cho等人研究了一种pH-敏感型聚合物脂质体,该脂质体由甲基丙烯酸硬脂酰异丁烯酯共聚物、卵磷脂及胆固醇组成。该脂质体在pH高于6条件下很稳定,pH值一旦低于5,脂质体完全破裂,将生物活性药物更有效的载入到细胞内,提高疗效。另有文献报道,细胞内pH-敏感聚合物胶束在核内体(pH5.0-6.0)和溶酶体(pH4.0-5.0)条件下,释放抗癌药物阿霉素,大大提高了阿霉素向肿瘤组织的传递效率。王均等报道发展了肿瘤酸度响应的电位反转纳米颗粒,这些纳米颗粒载血液中长循环,一旦富集载肿瘤部位后,受肿瘤组织酸度刺激实现电位转变,从而加强了肿瘤细胞的摄取,提高了治疗效果。段晓品等实验组合成了pH响应性的聚苯乙烯马来酸酐-己二酸二酰肼-阿霉素偶联物,制备了新型pH响应性及时序控制释放的胶束系统,逆转肿瘤的MDR。3.3温度敏感的纳米载体释放药物研究发现,肿瘤组织和炎症组织经常有高热现象,这是由于正常组织血流量大、流速快、散热较快,而肿瘤细胞增殖快、密度高、新生血管异常、易形成血栓,散热困难,其环境温度高于正常组织。通过热疗外部加热,肿瘤内细胞可与正常组织形成5℃-10℃的温差,造成肿瘤细胞凋亡。通过磁感应、超声波、热水浴等给肿瘤部位加热,肿瘤细胞血流量增大和血管渗透性增强使肿瘤部位产生药物的增溶作用,因此温度敏感纳米载体得到快速发展。温度敏感的纳米载体含有具有低临界溶解温度(lowercriticalsolutiontemperature,LCST)的聚合物。当温度超过LCST(在肿瘤),聚合物沉淀,纳米载体的结构被破坏,从而释放药物具有温敏性的高分子胶束在肿瘤靶向方面具有很好的前景。聚N-异丙基丙烯酰胺、聚乙二醇、聚氧乙烯和聚氧丙烯等聚合物具有较显著的温度敏感性。N-异丙基丙烯酰胺聚合物是最广泛使用的温度敏感型纳米载体。WeiH等合成了聚(N-异丙基丙烯酰胺-b-甲基丙烯酸甲酯)嵌段共聚物(PNIPAAm-b-PMMA),并以此为温度敏感性材料制得负载醋酸泼尼松的粒径约为190nm的温度敏感性纳米胶束,该纳米胶束的LCST为33℃。研究表明当温度高于LCST时药物的释放速度较快,40h时累积释放量近100%;当温度低于LCST时药物释放速度明显较慢,40h累积释放约为40%。结果表明此聚合物胶束的释放行为快慢响应外界温度的高低。设计循环NGR肽热敏感型脂质体与肿瘤血管表面过度表达的氨肽酶结合,这些脂质体在41℃(肿瘤细胞)释放多柔比星,其释放的温度最小是37℃。这个系统提高了药物的释放和在肿瘤部位的积累。3.4磁纳米凝胶载肿瘤靶向给药磁性纳米粒子除了具有一般纳米粒的特征外,在外磁场的作用下,可有效的避免RES的吞噬,有望作为实体瘤的显像剂。磁性纳米粒子首先通过被动靶向用于磁共振设计成像。目前,一些超顺氧化铁纳米粒子(SPION)用于早期临床试验,几个配方已被批准用于医疗成像。磁性纳米粒子也进行了药物靶向应用的研究,磁靶向给药系统是在一般载药微球的基础上加入磁性材料而形成的新型靶向给药系统,通过外磁场,纳米微球被磁化聚集在一起,可以引起癌变组织的缺血、缺氧、血管栓塞。段存贤综述了磁性纳米凝胶载肿瘤靶向给药中的应用,磁性纳米凝胶同时具备磁响应性能和纳米凝胶的特点。此外,磁性可以与pH