腫瘤靶向納米遞釋系統存在問題的分析

·綜述·

腫瘤靶向納米遞釋系統存在問題的分析

李文清,鄒豪,鐘延強 (第二軍醫大學藥學院藥劑學教研室，上海 200433)

[摘要]目的 探究目前腫瘤靶向納米遞釋系統存在的問題。方法在全面搜集查閱有關文獻的基礎上，對腫瘤靶向納米遞釋系統研究現狀進行歸納整理。結果從3個方面對腫瘤靶向納米遞釋系統存在的問題以及新的發展趨勢提出建議與對策。結論要在研究中取得突破，需要對人體生理學及腫瘤生物學進行深入研究，并在現有的給藥策略和實驗方法等方面進行調整。

[關鍵詞]腫瘤靶向；納米遞釋系統；主動靶向；PEG化

[作者簡介]李文清，碩士研究生.Tel：(021)81871288，E-mail:lwqlpp@163.com

[通訊作者]鐘延強，教授.研究方向：藥劑學研究.Tel：(021)81871285；E-mail:yqzhong@smmu.edu.cn

[中圖分類號]R943.42[文獻標志碼]A

DOI[]10.3969/j.issn.1006-0111.2015.02.003

[收稿日期]2014-01-14[修回日期]2014-09-23

Analysis of problems on tumor-targeting drug delivery system

LI Wenqing，ZOU Hao，ZHONG Yanqiang(Department of Pharmaceutics，School of Pharmacy，Second Military Medical University，Shanghai 200433，China)

Abstract[]ObjectiveTo analyze the current problems on tumor-targeting nanoparticle drug delivery system.MethodsRecent researches of tumor-targeting nanoparticle drug delivery system were collected, read and summarized.ResultsThree research fields on tumor-targeting nanoparticle drug delivery system were reviewed in this article.ConclusionNot only a deeper understanding of the human physiology and tumor biology, but changes in strategies and experimental methods are needed to make new achievements on nanoparticle drug delivery system.

[Key words]tumor-targeting; nanoparticle drug delivery system; active targeting; PEGylation

1腫瘤靶向納米給藥系統簡介

20世紀60年代至今，對藥物控釋系統的研究已經獲得了較大進展，其中，腫瘤的靶向給藥系統成為近年來研究的熱點。隨著納米技術的發展和不斷成熟，眾多納米級載體應用于腫瘤靶向給藥，如脂質體、納米乳、高分子膠束、樹枝狀聚合物等。納米給藥系統(nanoparticle drug delivery system，NDDS)是藥物與藥用輔料形成的分散相粒徑為1～1 000 nm的藥物輸送系統。傳統藥物在體內主要以游離分子態被吸收，而納米給藥系統除了傳統分子態吸收之外，相當一部分藥物會以納米聚集態形式被吸收。納米粒子在腫瘤的靶向給藥中的優勢主要體現在以下幾方面：①靶向作用強。實體瘤的增強滲透阻滯效應(enhanced permeability and retention effect，EPR effect)稱為EPR效應。EPR效應促進了大分子類物質在腫瘤組織的選擇性分布，提高藥效并減少副作用，可以說腫瘤的納米靶向給藥系統就是以EPR效應為基石的。在正常組織的血管中，2個內壁細胞之間的距離約為2 nm，而在腫瘤血管中，2個內壁細胞之間的距離為100～150 nm，這種結構特征導致了腫瘤組織具備EPR效應?？鼓[瘤納米粒的粒徑一般為10～150 nm，具有超強的滲透力，可以滲透入腫瘤組織并產生蓄積，對于腫瘤多藥耐藥(multi-drug resistance，MDR)有一定意義，這是納米粒在抗腫瘤治療中最突出的優勢。近年來，研究人員對抗腫瘤納米粒的主動靶向修飾開展了大量研究，包括受體介導類(葉酸、黃素單核苷酸、轉鐵蛋白等)、多肽類(RGD肽、K237肽等)、糖類(肝磷脂、透明質酸)以及抗體類(單鏈抗體片段、單克隆抗體AMG 655)等。②腫瘤靶向納米載體均采用具有生物適應性及可生物降解的材料，如聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)、殼聚糖、腦磷脂等，它們進入體內后不會引起機體免疫反應并且能生物降解，對人體的毒副作用很低；但由于普通納米粒易被單核吞噬細胞系統(mononuclear phagocyte system，MPS)清除，且包裹率并不理想，直接導致了長循環納米粒的出現。長循環納米粒性能更為穩定，循環半衰期更長，可在腫瘤部位富集。最常用的聚合物包膜是聚乙二醇(PEG)，利用PEG對納米粒子進行表面修飾，可減少MPS的吸收，增加在血液中的滯留時間。③通過控制納米粒的粒徑可控制藥物的釋放，粒徑小的納米粒釋放較快，粒徑較大的則釋放較慢。④增加難溶性藥物的溶解度，提高生物利用度。⑤可改變藥物的藥動學特性，延長某些藥物的半衰期；⑥納米粒表面積大，載藥量較高。

然而，納米給藥系統尚存在一些問題，目前還未完全達到研究人員期望的效果，本綜述從主動靶向效果欠佳、PEG化納米粒存在的問題和腫瘤微環境復雜3個方面，闡述納米給藥系統面臨的問題和針對這些問題取得的最新研究進展。

2主動靶向效果欠佳

腫瘤細胞與正常組織的生理狀態有很大差異，利用這些差異對納米粒材料或者表面進行特定修飾，使納米?？膳c腫瘤組織或細胞實現特異性結合，這就是主動靶向的納米制劑。目前常用的主動靶向納米制劑包括受體介導類、抗體類、多肽類等。經過主動靶向修飾過的納米粒更加智能且靶向性更強，然而其靶向效果卻未能達到我們的預期。

2.1腫瘤異質性導致主動靶向難以實現主動靶向的納米制劑一個很重要的分支就是在納米粒表面連接配體，通過配體與腫瘤細胞表面特定受體的特異性結合實現主動靶向。但是，癌癥是一系列高度異質化的病癥的集合，不可能用某一種癌癥代表全部癌癥。例如，在乳腺癌細胞中會出現葉酸受體的過表達現象[1]，我們可以在納米粒上連接葉酸受體的配體來實現乳腺癌的靶向治療，而在肝癌細胞中則會出現FAT10蛋白的過表達現象[2]，此時再使用對乳腺癌細胞有靶向性的葉酸受體納米粒，其靶向治療效果就未必理想。因此，一種配體往往只能針對某一類腫瘤具備靶向特征。具體到某種特定癌癥來說，個體間的差異也是巨大的。即使在同一患者體內，癌細胞在不同階段也會表現出不同的生理特征[3]。因此，癌細胞的受體在密度或結構上也具有高度特異性。這就是為什么說腫瘤細胞表面靶點的識別僅僅實現了靶向治療的第一步，并不意味著由此推斷它可以對癌癥產生療效。

Lu[4]的實驗表明，納米粒表面的配體可以促進受體介導的胞吞轉運作用，可以有效地將納米粒運輸至距腫瘤脈管系統40～50 μm(3～5層細胞)的外圍。這預示著用配體修飾的納米?？赏ㄟ^胞吞轉運作用到達腫瘤核心。

2.2腫瘤組織特異性靶向差——過表達是個相對概念由于納米粒本身沒有任何動力，那么要實現藥物的靶向遞送，還需依賴靶點附近的血液循環[5]?？梢哉f，藥物在腫瘤部位的蓄積是以血液循環為基礎的。如果腫瘤部位沒有良好的血液循環，連接配體的納米粒對于腫瘤的靶向治療效果也勢必受到影響。另外很重要的一點是，在機體內，腫瘤細胞比起正常組織細胞來說數量很少，而由于正常組織細胞中也可能出現相應受體的表達現象，那么或許很大一部分連接配體的納米粒會被正常組織細胞所攝取，造成藥物的浪費以及較為嚴重的副作用。葉酸是細胞分裂增殖所需的重要原料，所以在細胞分裂增殖活動旺盛的腫瘤組織中會出現葉酸受體的高表達現象。但是，Yoo[6]的研究表明，葉酸偶聯的PLGA納米粒的藥動學及生物消除率與膠束對照組相比并未見顯著性差異，筆者認為可能是由于肝作為過量葉酸的主要儲存器官，攝取了大部分的偶聯了葉酸的納米粒。

另外，其他一些用于納米粒表面修飾的配體也不同程度存在靶向性不足的缺點。如Chung等[7]合成了以肝素衍生物為配體的納米粒，體外實驗證實腫瘤細胞攝取增加，但體內實驗并未發現靶向性明顯改善。Kirportin等[8]描述的一個例子指出，靶向脂質體上的配體與靶向性并無相關。與對照組(非靶向)相比，免疫脂質體上的單克隆抗體(抗HER2)的存在并沒有顯著增加它們在腫瘤部位的蓄積。實驗顯示，對照組和免疫脂質體的藥動學幾乎相同。最近Rooy[9]的研究也表明，許多連接了腦靶向配體的脂質體并沒有在體內真正實現腦靶向作用。設計納米給藥系統的目的是將腫瘤組織中的藥物濃度最大化。因此，細胞攝取得越快越好。受體介導的內吞作用(受體特異性)與胞飲作用(無特異性)之間的比較性研究已經表明前者明顯比后者速率更快，效率也更高[10]。但是，受體介導的內吞作用是可飽和的，所以一旦受體出現飽和，內吞作用的效率勢必會降低。另外，受體再循環速度的快慢能影響藥物的攝取效率。腫瘤組織內葉酸受體的循環時間在6～20 h不等，取決于腫瘤細胞的類型[11]。因此，如何在臨床用藥時確定合適的給藥劑量和給藥間隔將會是一個需要考察多方面因素的復雜工作。

3PEG化納米粒存在的問題

PEG是常用親水性修飾材料，其免疫原性和抗原性極低，且通過FDA認可作為人體內使用的聚合物，已被廣泛研究和使用。研究發現，用PEG對納米粒進行表面修飾后，PEG長鏈的柔韌性使納米粒的空間結構時刻發生著變化，而使巨噬細胞難以對其產生有效識別，從而避免了MPS的吸收和血漿蛋白的調理作用，增加了在血液中的循環時間，有利于順利到達靶位。PEG化是近年來較常用的納米粒表面修飾方法，然而這種方法也有其局限性。

3.1體內藥物滲漏嚴重目前對于納米給藥系統的研究希望獲得這樣的預期結果：納米粒中包載的藥物只有在納米粒隨血液循環到達靶點之后才會釋放。但實驗證實，納米粒中包載的藥物在靜脈注射之后就立即釋放。Smet[12]的研究顯示，PEG化的脂質體包載的多柔比星在靜脈注射后的消除速度比脂質體載體本身要快得多。3 h之后，血液中只殘留注射藥物總量的10%左右，而此時脂質體尚存約50%。藥物比納米粒消除得更快，這是PEG化納米粒面臨的一個較為棘手的問題?；蛟S我們選用脂溶性藥物會不太容易泄漏，但這會大大限制PEG化納米粒的適用范圍。如果納米粒包載的藥物在到達腫瘤靶點前就發生了滲漏，那么即使通過PEG化等方式延長納米粒的滯留時間，給藥效果也未必像預期一樣。況且在給藥24 h之后，血液中的PEG化納米粒含量已經遠小于注射總量的10%，這已經比我們預期的濃度降低了很多。然而，聚合物膠束也存在體內滲漏現象，Chen[13，14]的實驗結果顯示，由于膠束與血液組分的相互作用，膠束中包載的藥物也是在靜注15 min之后就釋放了。

另外，藥物滲漏會導致一部分空白納米粒被腫瘤組織通過EPR效應攝取，而這些空白納米粒在腫瘤處的蓄積會持續數日，它們像屏障一樣，將進一步影響到載藥納米粒的攝取，給靶向給藥帶來困難。

要解決體內藥物滲漏的問題，可選用其他的納米粒優化方式來減少藥物的提前釋放。最近關于聚合物膠粒的研究[15]表明，只要包載的藥物與聚合物膠粒的外殼或者核心進行交聯，藥物就可等到納米粒被腫瘤細胞內吞之后才釋放。該實驗指出，由于EPR效應以及納米?？梢栽谘褐虚L期穩定循環的優點，交聯膠束(DTX-SSCLM)與非交聯的膠束(DTX-NCLM)相比表現出更強的腫瘤特異性和控釋性。從該實驗的結論我們可以預見，藥物與載體的交聯是有效提高納米粒的抗腫瘤療效的一種方法。

3.2加速血液消除PEG化納米粒面臨的另一問題在于脾臟誘導下的加速血液消除(accelerated blood clearance,ABC)。研究表明，PEG化的納米粒在體內可以滯留更久，但在Ishida[16]的多劑量給藥實驗中，由于脾臟的免疫反應，抗PEG的免疫球蛋白M被誘導產生，第二次給藥之后納米粒的穩定性會受到影響，體內滯留時間明顯縮短。Lu[17]的實驗也發現，PEG化的CBSA-NP在多劑量給藥中會出現ABC現象。隨著納米粒PEG化誘導產生ABC現象的機制被進一步闡明，相信我們會找到合適的應對措施來確保納米粒的穩定性，比如在PEG化過程中使用新的聚合物結構，如支鏈的PEG和含PEG的嵌段共聚物等[18]。

4腫瘤微環境不利于納米粒攝取

靶向給藥的最終目的是實現器官和細胞的雙重靶向。除非納米粒被直接注射到靶細胞，否則細胞靶向只有在成功進行器官靶向之后才能實現。因此，對器官靶向的研究更為重要。然而，器官靶向之后的藥物遞釋仍存在重重阻力。

4.1腫瘤細胞外基質致密腫瘤微環境跟正常組織的細胞外基質有很大差異。眾所周知，腫瘤細胞會產生抗藥性，這與腫瘤周圍的細胞外基質以及它的再生性有關[19]。比起正常組織，腫瘤微環境有更為稠密的細胞外基質，這導致藥物的滲透更加困難。靶向給藥另一個需要考慮的因素是細胞堆積密度，Grantab[20]在實驗中使用了不同細胞堆積密度的癌細胞來組成多細胞層，并通過4種抗癌藥物(紫杉醇、多柔比星、甲氨蝶呤和氟尿嘧啶)滲透過多細胞層的難易來衡量細胞堆積密度的大小。結果表明，即便對小分子藥物來說，緊密堆積的上皮細胞也比松散堆積的球形細胞更加難以滲透。那么，比藥物分子大得多的納米粒要擴散穿透腫瘤微環境以及緊密堆積的腫瘤細胞，其難度可想而知。

4.2腫瘤間質液壓高腫瘤間質液壓的提升以及異常的細胞堆積密度會造成藥物運輸障礙，這使靶向給藥的難度進一步增大[21，22]。固體瘤的間質液壓較高，在腫瘤外圍急劇減小。盡管機制沒有被完全闡明，我們認為間質液壓的升高是由血管瘤的異常特性導致的：血管通透性較高以及正常淋巴管較少。間質液壓的升高減少了有效藥物的滲透，隨之帶來的腫瘤外層間質液放射狀的外滲進一步降低了藥物濃度。兩者直接導致了輸送到腫瘤內部的藥物不足，并限制了藥物滲透出腫瘤部位。

因此，腫瘤間質液壓的升高使腫瘤間隙的藥物遞釋主要靠擴散進行。但膠原蛋白及膠原纖維組織含量越高，有效藥物含量就越低。并且，Ramanujan[23]和Alexandrakis[24]通過實驗指出，由于藥物分子粒徑越大擴散就越難，膠束和納米粒的轉運就被很大程度地限制在腫瘤組織內部。

綜上兩點，要成功實現間質內藥物的轉運，就必須解決這些代謝動力學問題。研究人員已經提出了多種方法以促進間質內藥物轉運，主要策略包括使用抗血管生成藥物作用于腫瘤血管、使用抗前列腺素生成劑作用于間質成纖維細胞，以及降低細胞堆積密度等[25]。然而，由于機體內的物質吸收、分布、代謝、儲存與轉運復雜，如何有效實現這些策略仍需進一步深入細致的研究。

5展望

納米給藥系統是目前靶向給藥研究的熱點之一。但靶向給藥的實驗不能只使用體外培養的細胞模型，因為這些模型缺少復雜的生物轉運過程。我們將納米粒直接引入細胞時，由于物理性質相似，它們之間的相互作用會變得很容易，納米粒上的配體促進了癌細胞對納米粒的內吞作用，但這并不是筆者期望的靶向給藥。靶向給藥的評估必須要建立體內模型，注入活體內的納米粒需要經過網狀內皮系統的消除以及在體內正常組織和腫瘤組織中分布以后，筆者才能進行靶向性好壞的評估。腫瘤異體移植模型是目前研究體內分布和靶向給藥最常用的模型，它在保留人體腫瘤生物特性的同時具有很強的再生性[26]。在腫瘤異體移植模型中，納米?？梢悦黠@增強腫瘤靶向給藥的效果。但實際上，很大比例的藥物最終還是在正常組織處消除。

與任何其他給藥策略相同，靶向給藥的另一個挑戰是有效藥物要產生療效必須達到足夠的釋放速率。真正的靶向給藥系統不僅僅是簡單的實現控制釋放，而且要嘗試將大部分藥物釋放到腫瘤組織，要想在研究中獲得突破，我們必須在現有的給藥策略、實驗方法和成功靶向的評價標準等方面進行調整。腫瘤靶向給藥的難點并不在于新類型納米粒的制備。納米粒需要滲透高度復雜的腫瘤細胞外間質，即使在同一部位、同一階段，這些基質在不同患者體內的生物、機械及化學特性上也不盡相同，這才是研究者目前面臨的真正困難之一。隨著人體生理學和腫瘤生物學的進一步深入研究，納米靶向給藥系統必定會有新的發展。

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[本文編輯]李睿旻