申有青AM最新綜述：納米腫瘤藥物的合理設計：納米特性的整合與同步

【引言】

目前治療癌癥的納米顆粒僅能減輕副作用，不能增強療效。新一代納米顆粒的合理設計應該以增強療效為目的。因此，浙江大學的申有青教授(通訊作者)等人在著名材料類期刊Advanced Materials上發表了題為“Rational Design of Cancer Nanomedicine: Nanoproperty Integration and Synchronization”的綜述文章。從納米顆粒遞送藥物的過程入手，分析總結了五步級聯（CAPIR）以及影響每一步的關鍵性質。該過程中納米顆粒的穩定性、表面性質、粒徑的變化是影響納米顆粒行為的主要因素，簡稱3S轉變。3S轉變為設計高效的納米顆粒和臨床轉化指明了方向。

綜述導覽圖

1 前言

納米顆粒能克服某些藥代動力學性質，使藥物更好的發揮療效。它最大的優勢是通過滲透和滯留效應選擇性蓄積到腫瘤組織。與傳統的化藥相比，納米制劑有很多優勢，如提高藥物溶解度、長循環、提高生物利用度、降低副作用、提高病人生活質量等。目前已經有幾種納米制劑進入臨床，如阿霉素脂質體、紫杉醇白蛋白納米粒、柔紅霉素脂質體，還有很多已進入臨床試驗階段。近日，進入臨床二期的納米制劑BIND-014宣告失敗，該制劑可以明顯提高腫瘤部位藥物濃度，但是沒有提高療效，因此高效靶向腫瘤并提高療效是新一代納米制劑需要解決的關鍵問題。

2 納米粒的藥物遞送過程：CAPIR五步級聯

納米顆粒釋放藥物進入腫瘤細胞必須經歷以下五個過程：靜脈注射進入血液循環（Circulation）；通過滲透和滯留效應蓄積到腫瘤部位（Accumulation）；滲透到腫瘤組織內部（Penetration）；細胞內吞（Internalization）；細胞內釋放藥物（Drug Release）。以上過程簡稱CAPIR五步級聯。要使總遞送效率Q最大就要使每一步的效率最大，如果其中任意一步的效率為零，都會大大降低遞送效率。阿霉素脂質體延長血液循環時間到30h，而且能更多地蓄積到腫瘤，但效果與游離阿霉素相差不大，究其根本原因是一大部分阿霉素脂質體外溢到腫瘤周邊血管，影響它滲透到腫瘤內部。

圖1 CAPIR五步級聯過程圖解

3 高效的納米顆粒需要的性質：2R2SP、3S轉變

為了克服生理屏障和網狀內皮系統等障礙，遞送藥物到腫瘤部位，納米制劑需要以下三個特征：遞藥、表面活性、擴散。遞藥的含義是制劑要包載藥物滲透到腫瘤部位（CAPI過程）并在細胞內快速釋放（drug Retention vs. Release，2R）；表面活性是指納米顆粒要有隱形效果避免被網狀內皮系統吞噬，并且與細胞表面靶點相互作用，快速內吞到細胞內（surface Stealthy vs. Sticky，2S）；此外，納米顆粒需要很好的擴散作用，滲透到腫瘤內部，到達腫瘤細胞（tumor Penetration，P）。以上簡稱2R2SP。

實現這些性質，納米顆粒需要三種轉變即3S轉變：①穩定性：在CAPI過程中穩定存在，到R過程轉變為不穩定的體系以利于藥物釋放；②表面性質：在CAP過程呈中性、聚乙二醇化、隱藏功能基團，到I過程轉變為陽離子、去乙二醇化、暴露功能基團以利于納米顆粒內吞；③粒徑：在CA過程粒徑相對較大，到P過程變小以利于滲透。

圖2?高效的納米顆粒需要的性質

4 實現3S轉變的方法

4.1 穩定性

納米顆粒內吞進入細胞，由于溶酶體內特異的酸性環境，從穩定狀態轉變為不穩定狀態，進而觸發藥物釋放。因此高分子與藥物的連接臂可以選用酸敏感鍵，如腙鍵、肟鍵等；由于腫瘤內部高表達谷胱甘肽，也可以使用谷胱甘肽敏感的二硫鍵；或者一些酶敏感鍵。響應型膠束納米系統可以設計成酸敏感、酶敏感、光敏感、熱敏感、ATP敏感等等。陽離子聚合物基因遞送系統對這個轉變的要求更高，陽離子聚合物包載DNA形成納米顆粒，保護DNA不被降解，并促進攝取和入核。在胞外要穩定存在，不能泄露DNA，到胞內通過一些刺激響應使納米顆粒解體，釋放DNA，保證較高的轉染效率。

圖3 ATP觸發的阿霉素釋放納米系統

4.2 表面性質

4.2.1?去乙二醇化

利用肼鍵、縮醛鍵、肽鍵將聚乙二醇連接到其他親水性聚合物上，可以避免納米顆粒被網狀內皮系統吞噬，具有長循環的效果。聚乙二醇層在血液循環中非常穩定，通過環境響應，敏感鍵斷裂，聚乙二醇層在細胞內脫落，可以促進膠束類納米顆粒與溶酶體膜融合，實現溶酶體逃逸。

4.2.2 隱藏/暴露靶向基團

納米顆粒上的靶向基團可以特異性識別腫瘤細胞，觸發受體介導的內吞（I過程）。但是，這些靶向基團的疏水性和電性，可能會影響納米顆粒的隱形效果、減少血液循環時間，也會影響納米顆粒的滲透效果。有報道稱納米顆粒表面連接抗體會阻礙滲透，并造成異質性分布。有一些可以促進攝取的多肽，如細胞膜轉導肽，但是該多肽富含精氨酸和賴氨酸，使納米顆粒表面帶較多的正電荷，會引起非特異性分布。因此要調整靶向基團到合適的數量，在增強蓄積與滲透的基礎上，最小化負面影響。目前，解決這個困難的主要方法是在血液循環時隱藏靶向基團，當納米顆粒到達腫瘤區域時暴露靶向基團，這樣既能保證較長的血液循環時間，也能增強滲透和細胞攝取。

4.2.3 表面電荷反轉

中性納米顆粒更容易滲透到腫瘤組織，正電性或較強負電性的納米顆粒都會被細胞外基質捕捉。但是正電性的納米顆粒更容易與負電性的細胞膜融合，觸發吸附介導的內吞作用。而且表面正電性的納米顆粒具有溶酶體逃逸的作用。目前，解決這個困難的主要方法是電荷反轉。在CAP過程納米顆粒呈中性，以利于蓄積與滲透，到I過程使納米顆粒轉變為正電性，以利于內吞、溶酶體逃逸、入核。

圖4 酰胺化合物在不同pH下電荷反轉動力學

4.3 粒徑

粒徑在100nm左右的納米顆粒有很好的長循環與蓄積效果，但不利于擴散，大部分納米顆粒外溢出腫瘤血管。粒徑小于20nm才可以滲透到腫瘤深層，但是容易在血液循環時被清除。目前，解決這一困難的方法是使納米顆粒在到達腫瘤組織時發生粒徑轉變，以利于滲透。Tong等人構建一種光刺激粒徑轉變的納米顆粒，在365nm的光刺激下，粒徑由103轉變為49nm。多級納米系統也能實現粒徑轉變，Ferrari等人報道一種介孔硅多級納米顆粒，用介孔硅包載聚谷氨酸阿霉素前藥，到腫瘤組織內，聚谷氨酸前藥可以自組裝成30-80nm的納米顆粒。介孔硅還可以包載量子點、碳納米管等小粒徑納米顆粒。

4.4 腫瘤滲透

除了調整粒徑，有許多其他的方法增強滲透，如修飾腫瘤滲透肽，調節腫瘤細胞外基質。iRGD、tLyP-1、PFVYLI等腫瘤滲透肽可以明顯增強腫瘤蓄積和滲透。研究表明，甲磺酸伊馬替尼通過抑制β-血小板生長因子調節腫瘤微環境，使腫瘤血管正常化；環巴胺破壞腫瘤細胞外纖連蛋白；氯沙坦減少腫瘤膠原；吡非尼酮抑制Ⅰ型膠原蛋白和TGF-β的表達。腫瘤相關纖維母細胞是腫瘤組織內一種主要的間質細胞，是形成屏障膜的關鍵，它阻礙納米顆粒滲透，影響治療效果。Nie等人開發一種多肽納米材料，能夠靶向并破壞腫瘤相關纖維母細胞。

圖5 腫瘤相關母細胞靶向和高效腫瘤滲透雙功能納米顆粒

圖6 實現3S轉變的方法總結

5 設計納米顆粒中存在的問題

目前，很多環境響應型納米顆粒、多級納米顆粒可以高效的將藥物遞送到腫瘤部位，但是沒有同時將3S轉變整合到一個納米系統里，導致療效不理想。本課題組構建的一種電荷反轉納米系統，在CIA過程能穩定存在，一定程度的提高了抗腫瘤效果，但是該納米系統沒有實現其他兩個轉變，因此在P和R過程效果不理想。細胞膜包載的納米顆粒在CA過程表現很好，它可以降低調理素作用，避免被吞噬細胞吞噬，下一步應著重關注它的腫瘤滲透與內吞。近日，本課題組構建不同粒徑大小的納米顆粒來說明粒徑對CAPIR的影響，實驗表明100-160nm的納米顆粒血液循環時間較長，腫瘤蓄積較多，而20-30nm的納米顆粒腫瘤滲透的深度更大。光熱納米顆粒是例外，僅需要CA過程，蓄積到腫瘤部位即可，在近紅外激光作用下發揮療效。光動力納米顆粒要誘導活性氧產生，殺死腫瘤細胞，所以仍需要CAPIR五步級聯和3S轉變。

圖7 本課題組構建的一種電荷反轉納米系統

6 3S轉變實例

目前，本課題組設計的樹狀大分子-脂質納米系統可以很好的實現3S轉變。該納米顆粒具有長循環效果，而且腫瘤蓄積明顯提高；腫瘤微環境酸性響應，納米顆粒發生電荷反轉，實現快速內吞，并抑制阿霉素的多藥耐藥。Wang等人設計了類似的納米顆粒，順鉑與聚酰胺接枝的聚己酸丙酯形成前藥，前藥與聚酰胺和聚乙二醇修飾的聚己酸丙酯形成共聚物，自組裝成100nm的納米顆粒，腫瘤酸性微環境斷裂酰胺鍵，釋放順鉑前藥，僅5nm，滲透到腫瘤內部，釋放順鉑，發揮抗腫瘤效果。

圖8?樹狀大分子-脂質納米系統

【總結與展望】

目前，治療癌癥的納米顆粒僅能減輕副作用，不能增強療效。新一代納米粒的合理設計應該以增強療效為目的。利用本文提供的理念，在考慮CAPIR整個過程的基礎上，整合3S轉變到一個納米系統是至關重要的。

CAPIR五步級聯是一個完整的生物體藥物遞送過程，存在很多障礙，簡單的納米顆粒，如PEG-PLA膠束，不能高效的通過整個過程，從而不能產生較好的治療效果。新一代納米顆粒要配合并適應CAPIR過程，3S轉變是改造納米顆粒比較靈活的方法。同時，我們要找到限制治療效果的關鍵步驟，長循環與細胞內釋藥已經做得很成功，瓶頸在腫瘤蓄積與滲透。由于腫瘤組織小，只有很小一部分血管，以及較高的間質壓都會影響蓄積與滲透。

臨床轉化是研究納米顆粒的最終目標。3S轉變使納米顆粒具有很好的療效，臨床安全性與產品的重現性是臨床轉化的另兩個基本因素，簡稱CES，見下圖。納米顆粒本身的復雜性使其很難進入臨床試驗，但是不應灰心喪氣。病毒載體的批準正是很好的證明，研究者要有信心能夠開發出非免疫原性、無毒、效果更好的非病毒載體。

圖9 納米顆粒的臨床轉化的三個基本因素（CES）

文獻連接：Rational Design of Cancer Nanomedicine: Nanoproperty?Integration and Synchronization (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201606628)

本文由材料人生物材料組在河之舟供稿，材料牛編輯整理。

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