在藥物輸送系統(tǒng)中,不同納米藥物載體的物理化學(xué)特征

隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米材料因其小尺寸效應(yīng)､體積效應(yīng)､表面效應(yīng)和量子效應(yīng)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于藥物遞送體系｡由于EPR效應(yīng),納米材料能夠大量聚集在腫瘤部位從而提高腫瘤的治療效果,降低毒副作用｡同時(shí),納米材料由于其自身的聲､電､光､磁､熱等理化性質(zhì),能夠通過功能化實(shí)現(xiàn)藥物靶向運(yùn)輸和腫瘤聯(lián)合治療等,對(duì)提高腫瘤治療效率具有重要的意義｡

 

圖 在藥物輸送系統(tǒng)中,不同納米藥物載體的物理化學(xué)特征

 

其中,使用功能性納米載體進(jìn)行治療劑靶向遞送的系統(tǒng),我們稱之為納米藥物遞送系統(tǒng)(nano-drug delivery system,NDDS)｡納米載藥系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展,將極大的促進(jìn)化療藥物在腫瘤治療中的應(yīng)用｡相較于傳統(tǒng)抗癌藥物,納米藥物遞送體系主要有以下幾大優(yōu)勢(shì):

(1) 納米藥物載體可增加藥物的可溶性,提高藥物穩(wěn)定性,從而減少藥物用量,提高藥物療效｡

納米載體具有尺寸小,比表面積大,形貌可控,易于修飾等優(yōu)點(diǎn),能有效包埋､吸附或共價(jià)交聯(lián)親/疏水藥物分子,使化療藥物在載體中形成較高的局部濃度｡此外,納米材藥物載體能夠?yàn)樗幬锓肿犹峁┮粋�(gè)穩(wěn)定和隱蔽的儲(chǔ)存空間,在藥物傳輸過程中能有效避免藥物在人體生理環(huán)境的作用下發(fā)生降解和失活等現(xiàn)象,從而維持藥物的活性｡這有利于提高抗癌藥物在病灶部位的濃度､減少給藥次數(shù),降低細(xì)胞產(chǎn)生“耐藥性”的幾率進(jìn)而提高腫瘤治療效果｡同時(shí),同一個(gè)納米藥物載體可以裝載兩種或多種藥物,達(dá)到協(xié)同高效治療的目的｡

(2) 納米藥物載體通過主動(dòng)/被動(dòng)靶向可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療｡

納米藥物遞送體系本身具有獨(dú)特的尺寸效應(yīng),還可以對(duì)其功能化修飾,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)病灶部位的靶向聚集,提高藥物治療效果,減小對(duì)正常組織和細(xì)胞的毒副作用｡納米藥物遞送體系的靶向性傳遞包括被動(dòng)靶向和主動(dòng)靶向兩種方式,被動(dòng)靶向即納米遞送體系通過腫瘤組織EPR效應(yīng)優(yōu)先富集到腫瘤組織的過程;主動(dòng)靶向即納米輸送體系通過偶聯(lián)特異性配體或抗體成分,與細(xì)胞表面特異受體結(jié)合,從而實(shí)現(xiàn)在靶向組織的積累｡腫瘤細(xì)胞可以無限增殖與一些基因､細(xì)胞因子及蛋白質(zhì)的過表達(dá)密切相關(guān),這些信息為設(shè)計(jì)含有智能識(shí)別位點(diǎn)的靶向藥物提供了依據(jù),目前常用的靶向分子包括抗體片段及分子,腫瘤細(xì)胞高表達(dá)的與受體相對(duì)應(yīng)的配體如葉酸(FA)､蛋白質(zhì)(轉(zhuǎn)鐵蛋白等)､多肽分子RGD､TAT、核酸適配體(Aptamer)､多糖(半乳糖､甘露糖)等｡近年來,新發(fā)展起來的包覆了細(xì)胞膜的仿生納米載體能很好地保留外層細(xì)胞膜的天然特性與生物學(xué)功能,是一種有效的腫瘤靶向治療策略例如,癌細(xì)胞膜表面的黏附分子(如黏著斑蛋白､整合素等)賦予其同源識(shí)別和歸巢特性,故癌細(xì)胞膜常被用作殼層包裹在納米顆粒表面,以增強(qiáng)納米載體的靶向及內(nèi)吞能力｡

（3）降低生理屏障對(duì)藥物的阻礙作用,提高藥物在體內(nèi)的血液循環(huán)時(shí)間｡藥物分子在到達(dá)其作用位點(diǎn)前需經(jīng)歷血液屏障､組織屏障､細(xì)胞屏障以及胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)屏障等一系列生理屏障｡例如,納米藥物遞送系統(tǒng)通過靜脈給藥進(jìn)入血液循環(huán)后,肝､脾等臟器的網(wǎng)狀細(xì)胞和血管的內(nèi)皮細(xì)胞能夠借助偽足吞噬體內(nèi)的異物｡這些吞噬能力極強(qiáng)的細(xì)胞統(tǒng)稱為單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)(Mononuclear phagocyte system,MPS)又稱網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)((Reticuloendothelial system,RES)｡大量研宄表明,對(duì)納米粒子的表面特征進(jìn)行改性,如聚乙二醇修飾,構(gòu)建仿生遞送系統(tǒng),活細(xì)胞作為藥物載體等,可制成“隱形”納米顆粒,阻礙RES系統(tǒng)吞噬,克服此屏障｡而當(dāng)藥物進(jìn)入組織后,需要穿越質(zhì)膜,到達(dá)細(xì)胞內(nèi)的作用位點(diǎn),而在這一過程中,生物大分子藥物一般不能通過滲透作用穿過細(xì)胞膜｡納米藥物載體的尺寸一般在10-1000nm之間,其尺寸與蛋白質(zhì)､核酸等生物大分子相近,同時(shí)又遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)胞和各種細(xì)胞器的尺寸,因此更容易攜帶各種生物大分子或藥物進(jìn)入細(xì)胞或細(xì)胞器｡當(dāng)納米藥物載體經(jīng)過內(nèi)吞途徑進(jìn)入病變組織細(xì)胞后,內(nèi)涵體/溶酶體是細(xì)胞內(nèi)遞送的最主要屏障｡對(duì)于作用靶點(diǎn)在細(xì)胞核的藥物而言,內(nèi)涵體/溶酶體中的酸性環(huán)境和多種酶的存在易使藥物降解或失活｡而對(duì)納米載體進(jìn)行功能化修飾,通過質(zhì)子海綿效應(yīng)等使溶酶體膜破壞､去穩(wěn)定化或膜融合,可以實(shí)現(xiàn)載體和藥物的內(nèi)涵體/溶酶體逃逸

 

圖 納米藥物遞送系統(tǒng)在人體內(nèi)會(huì)遇到一系列的生物屏障

 

（4）納米藥物載體為發(fā)展剌激響應(yīng)型的智能納米給藥系統(tǒng)提供了契機(jī)｡

由于納米材料自身結(jié)構(gòu)和組成的多樣性,且容易功能化修飾等優(yōu)點(diǎn),因此我們可以根據(jù)病變部位一些特殊的物理化學(xué)特征,設(shè)計(jì)刺激響應(yīng)型的納米材料來實(shí)現(xiàn)藥物的響應(yīng)性靶向釋放｡具有剌激響應(yīng)性的納米藥物載體的設(shè)計(jì)主要有兩種方式:一種是納米載體本身具有刺激響應(yīng)性,例如具有pH響應(yīng)性的聚合物納米顆粒､骨架中摻雜易被GSH還原的二硫鍵/二硒鍵的納米顆粒､蛋白酶可降解的納米凝膠等,它們?cè)谕饨缧盘?hào)刺激下會(huì)產(chǎn)生物理或化學(xué)變化,如分子鏈結(jié)構(gòu)､溶脹､溶解性以及解離等行為,從而釋放藥物｡另外一種是將刺激響應(yīng)性基團(tuán)或分子修飾在納米顆粒的內(nèi)外表面,利用修飾基團(tuán)與藥物間的可逆性結(jié)合或者對(duì)顆粒設(shè)立“門控”分子,賦予藥物在不同刺激下的可控釋放｡這些刺激信號(hào)主要包括內(nèi)源性刺激,如pH､GSH､酶和其他生物內(nèi)源性物質(zhì)等化學(xué)信號(hào),以及外源性刺激,如溫度､光照､磁場(chǎng)､電場(chǎng)等物理信號(hào)｡通過構(gòu)建剌激響應(yīng)性的智能納米藥物載體,可以有效避免藥物過早釋放,大大降低了藥物在運(yùn)輸過程中提前泄露而帶來的毒副作用｡

(5) 納米藥物載體可實(shí)現(xiàn)多功能化以及診療一體化｡納米粒子的量子效應(yīng)､小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等基本物理效應(yīng)一方面賦予了納米載體獨(dú)特的光熱磁等特性,這使納米載體本身可以作為疾病診斷探針｡另一方面,納米材料高的表面能和表面反應(yīng)活性,使其可以作為藥物控制釋放載體的同時(shí),又能夠集多種功能性于一體,如下圖所示｡多功能性納米粒子為癌癥的治療提供了新途徑,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤組織的靶向､治療､成像和不蹤等作用,大大提尚了治療的效率。

 

圖 用于藥物遞送的多功能納米顆粒

 

納米藥物載體種類

納米技術(shù)的進(jìn)步使納米粒子成為靶向藥物遞送系統(tǒng)的有力候選者｡納米粒子通常是指直徑約為10-1000nm的粒子,當(dāng)被用作納米藥物載體時(shí),可增加藥物半衰期,提高對(duì)疏水性藥物的溶解度并以受控或持續(xù)方式釋放藥物來改善藥物的功效｡刺激響應(yīng)型納米顆粒還可以幫助降低生物毒性并實(shí)現(xiàn)藥物的可控釋放｡1964年,脂質(zhì)體被用作藥物和蛋白質(zhì)的載體,是最早開發(fā)的納米藥物輸送系統(tǒng)｡自此之后,越來越多的材料被制成納米顆粒并用作納米藥物遞送系統(tǒng)｡根據(jù)Bobo調(diào)查,在2016年,FDA批準(zhǔn)了51種納米顆粒,還有77種納米產(chǎn)品正在臨床試驗(yàn)中。

圖 癌癥納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主要的發(fā)展歷史

 

納米藥物載體的種類相當(dāng)廣泛,按照納米材料的屬性可分為無機(jī)納米載體,如介孔二氧化硅納米材料､碳納米材料等;有機(jī)納米載體,如脂質(zhì)體､聚乳酸､殼聚糖,樹狀高分子等和金屬納米載體,如金納米顆粒､銀納米顆粒等｡下圖列出了幾種最為常見的納米藥物載體,現(xiàn)分別介紹如下

 

圖 用于藥物遞送的納米材料及其功能化修飾

 

(1) 脂質(zhì)體納米藥物載體:利用磷脂雙分子層膜所形成的納米級(jí)囊泡包裹藥物分子而形成的藥物載體｡由于磷脂分子具有一個(gè)親水的頭部和一個(gè)疏水的尾部,在形成脂質(zhì)體時(shí),親水的頭部位于雙分子層的外面,而疏水的尾部則朝向雙分子層的中間｡這種特殊的結(jié)構(gòu)可同時(shí)負(fù)載脂溶性藥物和水溶性藥物,其中脂溶性藥物可負(fù)載于脂雙層中,而水溶性藥物則負(fù)載在顆粒內(nèi)部｡由于其脂雙層結(jié)構(gòu)類似生物膜且磷脂細(xì)胞自身具有較好的親和性,所以脂質(zhì)體有良好的生物相容性,生物體免疫反應(yīng)較小｡同時(shí)脂質(zhì)體膜表面修飾方法眾多,可根據(jù)需要在脂質(zhì)體表面接枝理想的幫向性分子或者調(diào)節(jié)脂質(zhì)體的表面帶電情況,從而提高藥物遞送效率｡相比普通脂質(zhì)體,納米脂質(zhì)體在包封率､穩(wěn)定性､靶向性､藥物控制釋放性以及減少網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)的吞噬方面有明顯的提高｡關(guān)于脂質(zhì)體的研宄技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,現(xiàn)今己有多種脂質(zhì)體載藥體系被批準(zhǔn)臨床使用｡塞奎斯制藥公司(Sequus Pharmaceuticals)研制了一種納米脂質(zhì)體包裹鹽酸阿霉素(Doxil),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該載體可提髙藥物的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間,己于1995年首次獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)批準(zhǔn)上市｡

脂質(zhì)體藥物載體在高壓微射流均質(zhì)技術(shù)推廣之前，因?yàn)榱�徑控制問題也存在一些缺點(diǎn):1.靜脈注射脂質(zhì)體載體,容易被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除;2.脂質(zhì)體在血流中很不穩(wěn)定,會(huì)發(fā)生解組裝,造成藥物的提前釋放｡目前上市的產(chǎn)品大多經(jīng)過磷脂修飾+高壓微射流技術(shù)制備獲得，粒徑控制更精致，安全性已獲得廣泛驗(yàn)證。

(2) 聚合物膠束藥物載體:是一些天然的聚合物如殼聚糖葡聚糖等,或者是人工合成的聚合物如聚乳酸(PLA)､聚乳酸一羥基乙酸共聚物(PLGA)等,它們通過團(tuán)聚成微納尺寸的顆粒來負(fù)載藥物分子｡聚合物納米顆粒一般由兩親性聚合物構(gòu)成,通過自組裝形成膠束作為納米藥物載體｡主要由具有親水性頭部及疏水性尾部的雙親性分子在水溶液中自組裝形成“核-殼”結(jié)構(gòu)｡聚合物納米顆粒可以將疏水性藥物非共價(jià)包埋在膠束的疏水內(nèi)核中或是將藥物共價(jià)連接在聚合物上,在受到一定外界信號(hào)刺激的況下,聚合物骨架構(gòu)型的變化使得膠束解體或是誘導(dǎo)切斷聚合物上連接藥物分子的連接臂實(shí)現(xiàn)藥物的釋放｡聚合物膠束的大小､形貌可以通過調(diào)節(jié)親水/疏水片段的長(zhǎng)度及比例進(jìn)行調(diào)控聚合物膠束的疏水內(nèi)核可以增大疏水藥物的溶解性,親水外殼可以和溶液中的水分子形成大量氫鍵,在膠束外部形成緊致的保護(hù)性外殼,減少蛋白質(zhì)吸附和細(xì)胞粘附,增強(qiáng)膠束在血液中的循還時(shí)間｡

(3) 樹枝狀分子載體:樹枝狀分子是由己知形狀､大小及保留有納米粒子物理化學(xué)性質(zhì)的蛋白質(zhì)通過化學(xué)合成的一種具有多厚級(jí)結(jié)構(gòu)的有機(jī)大分子｡它的內(nèi)核有一些亞納米級(jí)的孔洞可用來負(fù)載藥物分子,它的表面像樹枝一樣伸出多種功能基團(tuán),如胺基､羧基等,既保證了樹枝狀分子在水中的穩(wěn)定性,又可用于修飾多種靶向性分子和顯影分子,甚至是藥物分子｡樹枝狀大分子可以由多肽､脂質(zhì)､多糖及其他合成物質(zhì)制成用樹枝狀大分子進(jìn)行藥物運(yùn)輸可以提高藥物的藥物動(dòng)力學(xué),并能夠瞄準(zhǔn)標(biāo)記組織控制藥物釋放｡同時(shí)由于樹枝狀分子極小的尺寸(<5nm),可經(jīng)由血管,從腎臟排出體外,具有極低的生理毒性｡但是,復(fù)雜的設(shè)計(jì)與合成工藝,以及高昂的成本是樹枝狀分子難以在臨床應(yīng)用的主要原因

綜上,有機(jī)藥物載體是一些有機(jī)分子通過自組裝過程形成的脂質(zhì)體､多聚體膠束顆粒,或者是設(shè)計(jì)制備的樹枝狀分子､聚合物顆粒｡這些有機(jī)載體設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單,通過自身的形變或降解實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載藥物的控制釋放｡但是有機(jī)納米粒子在生物體內(nèi)穩(wěn)定性較差,且易被網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)清除,自身有機(jī)分子成分產(chǎn)生的毒副作用大,有機(jī)體分子量､尺寸不易控制,藥物釋放動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定等缺點(diǎn)大大限制了其應(yīng)用范圍｡

與有機(jī)納米粒子相比較,無機(jī)納米粒子由于其尺寸均一可控､穩(wěn)定性好､比表面積大､易于表面功能化,同時(shí)無機(jī)納米粒子自身具有的獨(dú)特光熱､電磁等性質(zhì),可賦予其潛在的協(xié)同治療和靶向示蹤成像等功能｡因此,無機(jī)材料如二氧化硅､碳材料､金納米顆粒等在納米載藥系統(tǒng)中的應(yīng)用得到廣泛的關(guān)注和重視但是對(duì)于無機(jī)載體,一方面是載體自身的降解性能有待改善,進(jìn)一步降低生物毒性｡另一方面,需進(jìn)行載體表面的修飾以實(shí)現(xiàn)良好的生物相容性也很重要,例如,修飾PEG可以提高無機(jī)納米粒子在血液中的分散度､穩(wěn)定性,延長(zhǎng)粒子血液循環(huán)時(shí)間,促進(jìn)其通過EPR效應(yīng)進(jìn)入腫瘤組織;或者修飾靶向分子促進(jìn)無機(jī)納米粒子特異性､高效地進(jìn)入腫瘤細(xì)胞等｡

有機(jī)納米藥物遞送系統(tǒng)的制備目前國際上使用最多的是微射流高壓均質(zhì)設(shè)備，更多相關(guān)詳情請(qǐng)參考

微射流高壓均質(zhì)機(jī)工作原理與特性介紹