1、刺激響應型聚合物納米藥物載體遞藥的進展與思考【摘要】 二十世紀70年代時，化學家提出，可將高分子材料應用于生物藥物領域，使之成為一種改善藥物適用性的有效途徑 Yatvin, M. B., Weinstein, J. N., Dennis, W. H. & Blumenthal, R. Design of liposomes for enhanced local release of drugs by hyperthermia. Science 202, 12901293 (1978).。近幾十年來，隨著納米科學的極大發展，聚合物納米材料在生物醫用方向如藥物傳遞、醫學成像等領域備受關注。其中，刺

2、激響應型聚合物納米材料是一種可在外界信號刺激下（如pH、磁場、溫度、超聲、光等）發生形狀、結構以及性能等改變的“智能”材料，可利用這種刺激響應的特點來調節其的性狀 李永勇，董海青，王康，刺激響應型生物醫用聚合物納米粒子研究進展，中國科學：化學，2010,40，第3期：197209。因其特有的“智能性”，刺激響應型聚合物納米材料已成為當代生物材料領域的研究熱點之一。本文綜述了幾種不同刺激響應類型聚合物材料在藥物載體方面的應用，側重介紹幾種外生型刺激響應體系作為藥物載體的原理及應用前景。【關鍵詞】 藥物載體 刺激響應 功能高分子 外生型刺激響應1. 引言由于聚合物納米材料比血紅細胞（7-8m）要小

3、得多，故其能夠在血液中自由運行。阿霉素(DOX)與紫杉醇(PTX)是廣泛使用的抗癌藥，可通過物理包埋或化學鍵合等途徑將阿霉素或紫杉醇等藥物結合到其上進行藥物傳遞與釋放，而這也是目前聚合物納米材料在生物醫用領域最重要的應用之一。目前用于載藥的高分子納米材料通常在10-1000nm間，而且具有多種形態結構如膠束、脂質體、樹枝狀高分子與聚合物納米粒子等，由于較小的尺寸,使得其可以較為方便的將藥物帶入細胞,而藥物的釋放可通過其在聚合物中的擴散或聚合物自身降解來實現控制,聚合物對藥物的包封能夠起到保護藥物不會提前被代謝掉的作用,而藥物釋放后,載體材料便可通過聚合物的降解排出體外。最關鍵的是,聚合物比較容

4、易被化學基團修飾,因此可以把一些具有靶向性、生物活性以及刺激響應性的組分結合到聚合物材料上，而這也是科學家一直致力研究的關鍵領域。在設計聚合物納米材料用于載藥時，我們希望它同時具有靶向性、生物活性以及刺激響應性，從而相應使藥物能最大限度釋放在病灶部位，提高載體的生物相容性，并且能在相應刺激下精確響應。刺激響應型納米材料在外界信號刺激下會產生物理或化學的變化，如分子鏈結構、表面結構、溶脹、溶解性以及解離等行為。這些刺激信號主要包括一些化學信號，如pH、離子強度、化學物質等，還有一些物理信號，包括溫度、磁場、電場與超聲等。汪長春教授課題組多年來也一直致力于刺激響應型納米靶向藥物載體的研究并取得了階

5、段性的成果，如制得了磁性溫敏微囊裝載阿霉素并進行體外釋放試驗 Li-Bo Chen, Feng Zhang, and Chang-Chun Wang*，Rational Synthesis of Magnetic Thermosensitive Microcontainers as Targeting Drug Carriers，Small，2009, 5, No. 5, 621628，溫度與pH雙重刺激響應型聚合物包覆磁性介孔SiO2微球用于阿霉素緩釋 Baisong Chang, Xianyi Sha, Jia Guo, Yunfeng Jiao, Changchun Wang and W

6、uli Yang*，Thermo and pH dual responsive, polymer shell coated, magnetic mesoporous silica nanoparticles for controlled drug release，J. Mater. Chem., 2011, 21, 92399247 | 9239，pH與氧化還原雙重響應型聚合物膠束用于藥物緩釋 Chuan Wei, Jia Guo, Changchun Wang，Dual Stimuli-Responsive Polymeric Micelles Exhibiting “AND” Logic

7、Gate for Controlled Release of Adriamycina，Macromol. Rapid Commun. 2011, 32, 451455，以及利用磁性MSPs/Ni-LDH核殼結構微球裝載阿霉素用于癌癥治療及熒光成像 Dian Li ,Yu-Ting Zhang, Meng Yu, Jia Guo, Deeptangshu Chaudhary,Chang-Chun Wang，Cancer therapy and fluorescence imaging using the active release of doxorubicin from MSPs/Ni-LDH

8、 folate targeting nanoparticles，Biomaterials，34 (2013) 7913-7922等，這些納米藥物載體的微觀設計基于不同的刺激響應信號，在分子水平上通過改變聚合物分子鏈之間或其與溶劑間的相互作用從而實現藥物的釋放。因此，結合自己閱讀的關于刺激響應型聚合物納米粒子的文獻以及對這類藥物載體的認識，我會對其進行一個簡單的梳理，并談談我對這類藥物載體應用前景的一些理解與看法。2. 作用機理刺激響應型聚合物納米粒子通過設計成能夠識別體內微環境或能對刺激進行動態反應的刺激響應系統，來實現On-demand或Switch on/off的藥物緩釋效果。根據刺激信號

9、的不同來源，可將這些刺激信號分為內生型刺激（endogenous stimuli）與外生型刺激（exogenous stimuli） Simona Mura, Julien Nicolas and Patrick Couvreur，Stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery，Nature Materials, VOL 12,November 2013，其中內生型刺激主要有體內pH梯度、氧化還原反應、酶促反應以及針對某種物質（如胰島素）進行自身調節的系統等，而針對外生性刺激的體系可分為磁響應、超聲響應、溫度響應以及光響應型等。我將從中選擇幾

10、種具有代表性的刺激響應體系對其機理做一個簡要概括:2.1 內生型刺激響應體系pH觸發型響應體系是其中研究最廣泛的領域之一。pH響應體系是利用了體內不同組織以及細胞內微環境的pH不相同這一特點，以此來設計聚合物藥物載體結構的體系。人體各組織環境的pH各有差異，如人體胃呈酸性 Lee ES, Gao ZG, Bae YH. Recent progress in tumor pH targeting nanotechnology. J Control Release, 2008, 132(3): 164170，血液、腫瘤組織以及腫瘤細胞內環境的pH分別為7.4、6.8與5.06.3。pH敏感聚合物的

11、顯著特點是含有可作為質子給體或受體的可電離部分，而pH敏感的聚合物納米藥物載體即通過在載體中引入pH敏感單元來達到pH響應的目的。血液以及腫瘤部位對于載體帶電情況傾向也不同，因此pH敏感的聚合物藥物載體在經由血液流至腫瘤組織再進入腫瘤細胞需經過電荷反轉才能被細胞所吞入。pH敏感聚合物納米粒子的一個重要應用就是利用腫瘤組織及細胞內涵體、溶酶體的弱酸性將抗癌藥物運送到達腫瘤部位。因此，根據pH的變化設計出pH敏感的體系，如腙會在pH=5.05.5（pH范圍與細胞內脂質體相配）斷鏈：，Kataoka和Park Bae Y, Fukushima S, Harada A, Kataoka K. Desi

12、gn of environment-sensitive supramolecular assemblies for intracellular drug delivery: Polymeric micelles that are responsive to intracellular pH change. Angew Chem Int Ed, 2003, 42(38): 46404643 Lee Y, Park SY, Mok H, Park TG. Synthesis, characterization, antitumor activity of pluronic mimicking co

13、polymer micelles conjugated with doxorubicin via acid-cleavable linkage. Bioconjugate Chem, 2008, 19(2): 525531等將阿霉素通過pH 敏感的腙鍵連接于聚合物制得了一系列的pH敏感納米粒子；縮酮型甲基酯在pH=5.66.3（pH范圍與早期內涵體相近）斷鏈：；二甲基酰胺酸在pH=6.06.8（pH范圍與細胞內脂質體相配）會發生解體：等。絕大部分的pH刺激響應聚合物納米粒子隨pH的變化, 粒子的粒徑發生變化或粒子開始形成或瓦解。而在氧化還原作用響應體系中，二硫鍵（S-S）會在谷胱甘肽（GSH）

14、的氧化還原作用下斷裂，從而獲得氧化還原刺激響應。由于谷胱甘肽在腫瘤細胞外濃度（2-10M）遠低于腫瘤細胞內濃度（2-10mM），故可以利用這一濃度梯度來設計S-S鍵連接的聚合物納米載體實現藥物緩釋，常見的載體設計是在兩親性分子自組裝共聚物（疏水基團含S-S鍵）形成的膠束 Sun, Y. et al. Disassemblable micelles based on reduction-degradable amphiphilic graft copolymers for intracellular delivery of doxorubicin. Biomaterials 31, 712471

15、31 (2010).，或是以S-S鍵作為連接位點的嵌段共聚物 Wang,Y-C.,Wang,F.，Sun,T-M.& Wang,J. Redox-responsive nanoparticlesfrom the single disulfide bond-bridged block copolymer as drug carriersfor overcoming multidrug resistance in cancer cells. Bioconjugate Chem.22, 19391945 (2011).，如Li Jing等 Li, J. et al. Redox-sensitive

16、micelles self-assembled from amphiphilic hyaluronic acid-deoxycholic acid conjugates for targeted intracellular deliveryof paclitaxel. Biomaterials 33, 23102320 (2012)用二硫鍵作為連接位點連接了透明質酸（HA）與脫氧膽酸（DOCA），包裹阿霉素自組裝成膠束，經EPR效應進入腫瘤細胞內而使得S-S鍵破壞，進而達到釋藥的目的，如Figure1所示。2.2 外生型刺激響應體系在外生型刺激響應體系中，首先介紹磁性響應型體系：利用磁場的優勢

17、是借助不同磁響應的機理，如在永久磁場下作磁“向導” Yang, H. W. et al. Self-protecting coreshell magnetic nanoparticles for targeted, traceable, long half-life delivery of BCNU to gliomas. Biomaterials 32, 65236532 (2011).，或在交變磁場下因磁滯損耗原理產生熱量 Shi DL, Cho HS, Chen Y, Xu H, Gu HC, Lian J, Wang W, Liu GK, Huth C, Wang LM, Ewing

18、RC, Budko S, Pauletti GM, Dong ZY. Fluorescent polystyrene-Fe3O4 composite nanospheres for in vivo imaging and hyperthermia. Adv Mater, 2009, 21(21): 21702173，或二者兼有。一般的設計是將氧化鐵包封到聚合物載體內部，對藥物進行示蹤，在磁場引導下到達病灶部位，通過聚合物降解或藥物擴散作用實現藥物緩釋，同時還可以施以一定頻率交變磁場提高磁納米粒子溫度，以此來加熱腫瘤組織達到殺死癌細胞的目的。其次，光刺激響應型納米粒子的研究目前也處于開發階段。其

19、制備通常是在聚合物主鏈中引入光敏基團，如偶氮苯、二苯乙烯等，在光照條件下，光敏基團會發生結構、極性等變化進而引起納米粒子的形態變化，從而引發藥物釋放。舉例來說，偶氮苯及其衍生物在紫外可見光照射下會發生可逆光致異構化，300-380nm時從反式變為順式，而在可見光范圍內又從順式變為反式 Lu, J., Choi, E., Tamanoi, F. & Zink, J. I. Light-activated nano impellercontrolled drug release in cancer cells. Small 4, 421426 (2008)。如Desponds Desponds A

20、, Freitag R. Synthesis and characterization of photoresponsive N-isopropylacrylamide cotelomers. Langmuir, 2003, 19(15): 62616270等合成了NIPAM和丙烯酰氧基琥珀酰亞胺共聚物, 并在丙烯酰氧基琥珀酰亞胺的側基上鍵合生色團3-氨基丙氧基偶氮苯, 通過此方法使共聚物具備了光敏性。最具有代表性的是溫度響應型體系，它是目前研究最多的刺激響應載藥體系，已廣泛應用于腫瘤學研究。溫度敏感藥物載體主要是由溫敏型聚合物如脂質體、聚合物膠束以及納米粒子等制備而成，這類聚合物一般都有一個

21、臨界溶解溫度（CST）,在此CST上下，其在溶液中會經歷相轉變的過程，而這種轉變分兩種類型，在低于某溫度時聚合物是水溶性的，而高于此溫度時又變成不溶于水，這類現象成為具有較低臨界轉變溫度LCST,反之則為較高臨界轉變溫度UCST。如Figure 2 Al-Ahmady, Z. S. et al. Lipidpeptide vesicle nanoscale hybrids for triggered drug release by mild hyperthermia in vitro and in vivo. ACS Nano，6, 93359346 (2012).，脂質體上的亮氨酸拉鏈在43

22、時因局部過熱由折疊狀轉變為展開狀，從而釋放出阿霉素。目前最常見的是聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）,其LCST約為32，在溶液中有明顯相變過程，PNIPAM的響應溫度可以通過共聚的方式調節，當加入疏水共聚物時，LCST下降；當加入親水共聚物時，所得聚合物LCST上升。在LCST 以下,親水的外殼可阻止內核與生物實體如蛋白質、細胞以及其他膠束的相互作用。而當溫度超過LCST時, 外殼會突然變得疏水, 導致膠束聚集甚至沉淀, 從而起到藥物釋放的“開關”作用。所以PNIPAM作為溫敏材料，組裝有PNIPAM鏈段的兩親嵌段聚合物膠束也因此具有溫度敏感性。而對溫敏型納米藥物載體，理想狀態下希望能

23、在人正常體溫（37）下穩定保持載藥，而在溫度升高至40-43后能迅速釋放藥物，因此對于微小溫度變化能快速做出響應的溫敏材料一直是研究的熱門。值得注意的是，溫敏型脂質體（Thermosensitive liposomes，TSLs）是目前最先進、最有潛力應用于臨床的刺激響應型藥物載體。1997年美國杜克大學研發出ThermoDox，這是一種熱敏感的微小脂質體，微小球體內部是抗癌藥物阿霉素，外殼是由特殊溫敏型脂質分子組成的。當脂質球體加熱到某特定溫度（39-42）時，其外殼的物理結構會迅速改變形成多個小開口，抗癌藥物會從中快速釋放出來。1999年Celsion公司 Celsion Company：

24、獲得杜克大學授權，繼續開發這一技術，認為這種方法能夠將高劑量的阿霉素輸送到癌癥組織，并有潛力改變傳統化療方案中相關的耐受性的問題。ThermoDox治療方案已在人體臨床第II階段進行乳腺癌與結腸癌的研究，并進入肝癌研究的臨床III階段 人體臨床實驗劃分為四個階段（Phase I、II、III、及IV）：Phase I為藥物完成動物試驗后，首次以人體為試驗對象以確定人體忍受范圍；Phase II為選擇少數病患（約100名）初步觀察該藥物可能療效；Phase III為大規模的收納病患（數百人或數千人）客觀的確認藥物療效、適應癥、交互作用等；Phase IV是經由藥物上市后的監視，對藥物產生之不良反

25、應事件，進行長期的追蹤。3.結語臨床試驗：根據Scifinder的統計，僅2013年關于載藥的文章就4000多篇，而這一研究領域也是包括汪長春教授課題組在內的多個研究機構多年致力研究的領域。對于各種載藥體系，終極目標都是希望能用于人體實現載藥釋藥過程，這一點是無可置疑的。而如Table1所示，目前進入人體臨床試驗的主要是溫度響應型體系以及磁響應型，主要是在臨床試驗I、II階段，其中溫度敏感的ThermoDox與磁敏感的MTC-DOX已進入了臨床試驗III階段，雖然仍未能商業化，但已是載藥體系發展的極大突破。載藥研究的漫長道路：值得注意的是，進入臨床試驗的都是外生型刺激響應型體系，如溫度響應以及

26、磁響應，而研究很多的內生型刺激響應型體系如pH響應、氧化還原響應與酶響應體系甚至沒能進入臨床試驗I階段。究其原因，我認為由于載藥體系設計的復雜性，使得其制備過程、重現性以及質量保證都異常困難。尤其對于內生型刺激而言，其控制更為復雜，因為病人的身體狀況因人而異（如腫瘤組織中pH的差異，血液中還原物質如谷胱甘肽的多寡等）。從這個角度而言，外生型刺激響應體系更有應用前景，目前主要的研究落在了如何提高磁、溫度以及光對組織滲透的深度與精確度（以免損害正常組織）等。刺激響應的聚合物納米載體除修飾相關基團增加其生物相容性外，還要修飾一些特殊配體來實現靶向效果。然而，目前對大多數靶向載藥體系而言，受到靶向部位的異質性與靶向組織細胞受限的易通過性等因素影響，只有不到5%的藥物劑量能有效到達腫瘤病灶部位或炎癥部位，此外，試藥階段的EPR效應（實體瘤的高通性與滯留效應）在臨床應用中并不明顯。之前提到的開發ThermoDo