1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 理解納米材料與生物系統(tǒng)的相互作用以改善基于納米載體的藥物輸送摘要在注射到靜脈中后，癌癥靶向納米粒子到達他們的反應點并且引起期望的生物反應的能力。這種能力在活體治療上獲得臨床效益來說非常重要。在納米粒子在人體的旅途中，他們必須成功穿過生物環(huán)境例如血液循環(huán)，腫瘤微環(huán)境。發(fā)生在納米粒子與生物組分之間的界面上的相互作用是復雜的，因此，我們需要深入了解這種相互作用，設計出具有多量程治療指數(shù)的納米粒子。這篇文章綜述了納米粒子由于多量程的重要的生物艙導致的一些挑戰(zhàn)。描述了出現(xiàn)在每個階段的重要的生物納米體系相互作用，并討論了克服以上挑戰(zhàn)的潛在策略。本文建議為了獲得能夠最佳的調(diào)整本身

2、的物理化學性能的納米粒子，從而獲得預期的生物反應設計一些注意事項。這些注意事項預計會對化學家、工程師和臨床科學家針對癌癥治療在設計高效輸送平臺方面提供幫助。介紹通過影響癌癥的臨床診斷，預防和治療方法，納米技術在改善癌癥治療方面展現(xiàn)出巨大的潛能。特別是，使用納米規(guī)格的載體的靶向藥物輸送能夠保證合并的藥物分子的治療指數(shù)（藥物的毒性劑量和治療劑量的比值）得到真正的提高；實際上，當前應用于臨床試驗上的很多納米技術已經(jīng)不屬于前沿技術了，或者說他們已經(jīng)應用于臨床裝置中了。盡管人們在這個領域已經(jīng)取得了很大的進展，但仍然存在一些問題使得納米技術不能快速的應用于臨床癌癥治療當中，例如，多變的藥物代謝動力學，納米

3、粒子的弱穩(wěn)定性，選擇性腫瘤積累不足，藥物的過早釋放等。在多變的生理和病理環(huán)境中納米粒子系統(tǒng)可以根據(jù)以上問題進行調(diào)整從而克服他們的主要缺點，即便不能克服所有缺點，以維持他們的期望的生物作用。因此，為了設計一個有效的納米粒子系統(tǒng)，需要對出現(xiàn)在納米材料和物系統(tǒng)（例如，納米-生物體系的相互作用）之間的藥物輸送過程的每一階段有一個全面的了解。圖一：納米粒子向腫瘤細胞輸送藥物時的生物障礙。為了獲得有效的治療結果納米粒子必須（a）在血液循環(huán)系統(tǒng)中存活，（b）穿過腫瘤血管并通過溢出物累積在腫瘤點，（c）通過細胞外基質擴散到腫瘤細胞表面，（d）通過特異性配體受體對結合與靶向細胞表面相互作用，并且（e）通過內(nèi)吞作

4、用內(nèi)化并通過降解路徑到達亞細胞靶點。圖一 描述了納米粒子從注射到人體內(nèi)到到達目標點這段距離遇到的重要的體內(nèi)障礙物。為了得到一個成功的治療結果。納米粒子必須要在血液循環(huán)中保持完整的結構，聚集在腫瘤點，通過細胞外基質擴散，與細胞膜相互作用,內(nèi)化到目標細胞,并達到亞細胞的目標。 在每個階段,周圍的微環(huán)境都扮演了一個重要的,但不同的角色決定NP的命運。每一階段發(fā)生的重要的相互作用的巨大的差異需要納米粒子發(fā)展為在多變的生理環(huán)境下能夠發(fā)揮最佳的作用。本文總結了最近的對發(fā)生在這些階段的nano-bio的相互作用的理解的進展。將這些階段分成多個節(jié)點來描述NPs與腫瘤微環(huán)境,膜和受體以及與細胞內(nèi)的隔間的相互作用

5、。在每一節(jié)中,我們將討論每個生物環(huán)境的化學和結構組成,與NP輸送相關的環(huán)境的挑戰(zhàn),以及實施各種方法來克服形成期望的nanobio相互作用所遇到的的挑戰(zhàn)。我們的目的是對 這些重要的相互作用做一種簡潔的概述 ，并建議關鍵的設計原理，這是由于NPs被認為能夠幫助設計更好的最終用來抗癌治療的納米材料。納米粒子與腫瘤微環(huán)境的相互作用腫瘤微環(huán)境實體腫瘤的微環(huán)境是高度復雜和紊亂的，常會有血管異常和獨特的病理。與健康的組織不同，腫瘤管脈系統(tǒng)的分布是不對稱的，血管結構會發(fā)生擴張，還會出現(xiàn)高水平的混亂現(xiàn)象（圖2a）這些血管的異常加上血管被快速增殖的腫瘤壓縮,就會影響血液流動和削弱腫瘤灌注。為了保持腫瘤的

6、快速增殖,腫瘤細胞通過血管生成的過程不斷產(chǎn)生新血管。腫瘤的血管生成是失調(diào)的,或者是生理受損的,由于過多的血管再生催化劑,包括血管內(nèi)皮生長因子(VEGF),基本成纖維細胞生長因子(bFGF)和腫瘤壞死因子-(TNF -),導致有缺陷的內(nèi)皮縫隙連接（一般為200-800nm）生成。這導致實體腫瘤出現(xiàn)血管泄露以及新陳代謝生理變異現(xiàn)象。由于反常的生理和新陳代謝，腫瘤與正常組織相比在PH值，營養(yǎng)物，氧含量以及氧化還原梯度等方面存在明顯的差異（圖2b）。腫瘤的中心的PH值低于其邊緣的PH值，這是因為對快速增殖的腫瘤細胞的氧氣和營養(yǎng)物的供應不足。代謝失調(diào)，包括在養(yǎng)分不足或者含氧量較低的情況下出現(xiàn)高于常規(guī)的糖

7、酵解（厭氧分解葡萄糖），乳酸產(chǎn)量增高，三磷酸腺苷（ATP）發(fā)生水解現(xiàn)象。這些現(xiàn)象會導致腫瘤微環(huán)境酸化。特別基于膜的離子交換的主要激活作用導致PH的改變。例如Na + /H +交換，H+/乳酸轉運蛋白交換。細胞在缺氧的情況下產(chǎn)生的CO2在細胞表面的碳酸酐酶的作用下與H+和HCO3-發(fā)生水和作用，這也會導致腫瘤微環(huán)境酸化。腫瘤內(nèi)發(fā)生氧化還原的過程是各種各樣的，這是由于腫瘤細胞在生長階段及其細胞組成的含氧量與正常細胞相比存在差異。通過氧化還原緩沖網(wǎng)絡的裂解改變細胞搬運自由原子團和活性氧的能力。腫瘤微環(huán)境內(nèi)關于活性氧片段的不平衡加上活性氧生理平衡失調(diào)， 會導致細胞信號網(wǎng)絡異常。影響從細胞增殖和激活到生

8、長抑制和細胞死亡等細胞內(nèi)的過程 ,這將導致基因組不穩(wěn)定，可能導致腫瘤的形成。除了由于脈管系統(tǒng)和各種化學和代謝異常梯度導致腫瘤部位生理失調(diào)外,主要由ECM提供的腫瘤的物理結構也非常混亂。ECM的組成成分如蛋白質、糖蛋白、蛋白聚糖,多糖等的生產(chǎn)過剩也與腫瘤的形成有關。富集的膠原蛋白和與腫瘤相關的纖維化的ECM可以提高生長因子信號,加強與惡性腫瘤相關的表型的發(fā)展,最終導致異常密集的蛋白質網(wǎng)絡的形成。雖然腫瘤微環(huán)境的不同生理對高效的NP藥物輸送產(chǎn)生了有效的阻礙,這仍然有助于發(fā)展用來提高NPs的沉積成腫瘤效率特殊的設計策略。圖2： (a) 血管腫瘤環(huán)境的光學頻域圖像顏色編碼深度:黃色(表面)紅

9、色(深)(比例尺:500m）(b)發(fā)生在腫瘤微環(huán)境各種相互作用:(1)通過血管擴散和對流;(2)與窗孔(穿孔)和發(fā)生泄露的內(nèi)皮連接的相互作用;(3)孔隙壓力高,不宜大規(guī)模生產(chǎn)運輸遠離腫瘤;(4)纖維母細胞和分泌的細胞外基質(ECM)蛋白質網(wǎng)絡;(5)核心細胞外pH值低,從里向邊緣PH增加。(c)HN12腫瘤ECM的掃描電子顯微鏡圖像顯示了致密的膠原網(wǎng)絡(比例尺:10m)。納米粒子向腫瘤微環(huán)境輸送藥物的挑戰(zhàn)如之前所述，腫瘤微環(huán)境對納米粒子的有效輸送藥物存在三個主要的挑戰(zhàn)：（1）有限的可接近性和灌注；（2）與腫瘤相關的化學和新陳代謝梯度異常；（3）富含蛋白質的ECM密集。實體腫瘤的血液流動和灌注的

10、降低明顯阻礙了納米粒子從血液循環(huán)中到達腫瘤細胞。與正常的生理系統(tǒng)相比，腫瘤缺少有序的血管分支和斷開，因此，想要納米粒子在穿過腫瘤并且均勻分布是很困難的。此外,這些結構性變化改變局部血流量,增加血管粘性和幾何阻力,這進一步限制了NPs在腫瘤部位的積累。當與由于快速增生的腫瘤細胞的血管壓縮結合時,這些力量可以有效阻礙NP接近并在腫瘤中分布。高孔隙流體壓力(IFP)通常與實體腫瘤的核心有關,還能削弱NPs滲透到腫瘤中。此外,血管滲透性的增加和淋巴管阻塞淋巴引流的壓縮,有助于提高腫瘤的孔隙流體壓力。這些生理變化也促使腫瘤相對于正常的生理機能存在代謝和化學梯度的差異。獨特的化學梯度與腫瘤微環(huán)境有關,除了

11、在正常的生理條件下,還需要確保NPs的大分子結構在各種條件下是穩(wěn)定的。尤其是在NPs聚合的情況下，酸性條件由于酸催化水解機制可能促進NP結構的退化。在氧化還原狀態(tài)下敏感元件的改變也可以誘導由于腫瘤微環(huán)境導致納米顆粒降解。對于這些納米顆粒過早降解路徑可導致次優(yōu)的藥物釋放，從而降低其治療效果。這些納米粒子的過早降解路徑可能導致藥物釋放達不到最優(yōu),從而減少其治療效果。此外在腫瘤微環(huán)境中高濃度的蛋白質可能導致自組裝的納米粒子被改變親水-親油平衡的蛋白質的表面吸附破壞。與腫瘤相關的ECM還對NPs通過實體腫瘤的運輸和滲透存在一個明顯的障礙。基質細胞和成纖維細胞分泌膠原蛋白和高密度蛋白質網(wǎng)絡 阻礙納米粒子

12、在腫瘤中的有效擴散和均勻分布。克服這些挑戰(zhàn)的方法為了克服前面所提到的NPS輸送到腫瘤微環(huán)境的挑戰(zhàn),已經(jīng)有很多人在研究改善NP與腫瘤微環(huán)境的相互作用的方法。許多這樣的設計策略已經(jīng)用于一些納米載體并且已達到高級階段的臨床翻譯,包括阿霉素脂質體，凱萊,SGT-53,SGT - 94,BIND- 014,和CALAA-01等。通過納米粒子的大小來達到被動定位 而腫瘤的血管環(huán)境改變，對NP有效的進入腫瘤提出了挑戰(zhàn)，增加通透性已作為一種常用的腫瘤定位策略得到應用。如前文所述，腫瘤部位通常表現(xiàn)出血管滲漏和淋巴引流受損現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為滲透增強和滯留（EPR）效應。EPR效應形成被動定位的基礎，允許適當大小的

13、納米粒子選擇性的積聚在腫瘤部位。人們普遍認為，大小在20200 nm的納米顆粒可以利用這一現(xiàn)象。然而，值得注意的是關于納米粒子可以通過相關機制達到被動定位仍存在爭議。這主要是由于擴散和對流力作為主要的供力，導致納米粒子在腫瘤部位的的被動積累；然而，最近的研究表明，相比血管中集流傳輸和腫瘤內(nèi)壓力增高，這些力量卻是最小的。納米粒子的刺激反應 腫瘤微環(huán)境內(nèi)代謝和化學差異為NPs設計成具有刺激反應屬性提供了獨特的機會,包括pH值、氧化還原電位,和溫度,促進藥物釋放或NP退化等屬性。一些綜述已經(jīng)廣泛的敘述了使用刺激反應材料來達到增強治療有效載荷的輸送。具體來說,使用刺激反應連接器如腙在NPs表面結合藥物

14、分子(如、阿霉素)可以增加藥物在酸性腫瘤微環(huán)境和選擇性對目標細胞的穩(wěn)定性。同時,由于氧化還原狀態(tài)或溫度存在差異導致納米粒子的分子構象發(fā)生改變，NPs可以利用二硫化粘合劑或者聚合物如聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)來調(diào)節(jié)。高效的納米粒子的腫瘤滲透方法 ECM的組成成分如膠原蛋白和其他的結構蛋白對納米粒子的擴散來說是普遍存在的物理障礙（圖2c）。納米粒子對ECM和腫瘤的有效滲透取決于納米粒子的大小，形狀和表面電荷。一般來說更小的，靈活的和電中性的納米粒子比大一些的形狀鋒利的和帶電荷的納米粒子滲透效果更好。 人們認為調(diào)整納米粒子的大小可以控制其對腫瘤的滲透率。黃等人 展示了納米粒子對腫瘤滲透

15、率是與其大小相關的，他們發(fā)現(xiàn)2納米和6納米的金納米粒子可以深入滲透到多細胞腫瘤球體（MCTS）中，而15納米的金納米粒子則不能。使用混合聚合物膠束(30、50、70和100 nm直徑),包括1、2-二氨基環(huán)己烷鉑(DACHPt)壓縮的PEG-b聚(谷氨酸)和聚(谷氨酸)對活的動物(活體的)成像研究進一步證明了納米粒子在腫瘤上的滲透率是跟其大小相關的。結果表明,30和70納米膠束在超血管化的腫瘤中表現(xiàn)出類似的滲透深度，測量值多達100m。這種腫瘤與異常大量的血管連接。相反,在低血管化的腫瘤中,只有30納米膠束能夠深入滲透到腫瘤(80m),而70納米膠束24小時后才滲透到血管周圍區(qū)域。此外,Sun

16、oqrot等人也報告說,相比于100nm聚(丙交酯- co-乙交酯)- b聚(乙二醇)(PLGA-PEG NPs，大小5nm的聚酰胺(PAMAM)樹枝狀分子(球形形貌的樹狀聚合物)能夠更有效地滲透穿過MCTS納米粒子的形狀，構象的靈活性和表面電荷都是影響其在腫瘤部位滲透率的傳統(tǒng)參數(shù)。例如，基于熒光量子點的納米粒子比球型納米粒子更容易滲透到腫瘤細胞中，這是因為前者穿過腫瘤毛孔的能力得到了提高。Pluen等人比較水力半徑相同的右旋糖酐,蛋白質相比,聚合物珠,DNA在瓊脂糖凝膠中擴散的能力。這發(fā)現(xiàn)柔性大分子的擴散系數(shù)大于剛性或球形的大分子。這項研究表明,高分子的構象靈活性允許表層塌滑通過ECM網(wǎng)絡對

17、于納米粒子滲透到腫瘤的核心是非常重要的。除了形狀和靈活性外,NP的表面電荷也可以確定其滲透效率。據(jù)報道,在一般情況下,電荷中性粒子比帶電粒子能更有效的滲透到腫瘤中,導致更均勻的腫瘤分布。而陽離子分子也許能夠有效的初步積累,帶電粒子可以非特異性的與腫瘤環(huán)境的組分相互作用,如帶正電荷的膠原蛋白或帶負電荷的透明質酸,這阻礙了他們有效的滲透。此外,有一種方法,在納米粒子的表面表面覆蓋主動降解膠原的膠原酶，可能有助于克服與腫瘤相關的致密膠原網(wǎng)絡。古德曼等人使用MCTS,并觀察到的覆蓋有膠原酶的聚苯乙烯NPs(直徑100納米)與大小相同，沒有表面覆蓋的納米粒子相比交付到球體核心的能力增強四倍。最近提高NP

18、在腫瘤上滲透其他方法 包括腫瘤血管正常化和抗血管生成療法可以通過增加血液流動和恢復正常的血管壁壓力梯度恢復NP接近腫瘤。如之前所述，納米粒子與腫瘤微環(huán)境的相互作用對納米材料與腫瘤微環(huán)境的相互作用在調(diào)節(jié)l材料及其有效載在荷瘤內(nèi)的分布上可以發(fā)揮明顯的作用。NPs克服腫瘤微環(huán)境提出的挑戰(zhàn)的能力使它繼續(xù)到下一個重要的生物相互作用。納米粒子與細胞膜的相互作用細胞膜與其表面受體細胞膜是活細胞的邊界，具有分離細胞內(nèi)的組成成分與周圍的細胞外微環(huán)境的功能。細胞膜由多個組件,特別是磷脂和膽固醇,排列成一個靈活、彈性、高度可變形的雙層結構。膜的外表面裝飾著各種各樣的周邊和內(nèi)在膜蛋白和和受體。作為細胞信號的

19、關鍵，具有調(diào)解,綁定和內(nèi)化的作用。具體地講，表面結合的受體對于離子的傳遞和大分子是跨膜是重要的，膜的不可滲透性是因為細胞膜的嚴格控制的組合物通常只允許小的和非極性分子的被動擴散。受體是對特定的化學信號做出反應和作為信號傳遞著的整合膜蛋白。其結構通常由細胞外,跨膜和胞內(nèi)域組成。大多數(shù)哺乳動物細胞的表面覆蓋著成千上萬的調(diào)節(jié)各種細胞表面相互作用的受體,從粘附/綁定現(xiàn)象到細胞間的溝通。重要的是,正常和惡性腫瘤細胞細胞表面受體之間的差異表達,可以作為識別癌細胞一個方法。例如,如葉酸(FA)受體,整合蛋白,前列腺特異膜抗原,CD44(一種細胞表面糖蛋白),人類表皮生長因子受體2,血管內(nèi)皮生長因子(VEGF

20、)、血管細胞粘附蛋白1,表皮生長因子受體都被證明是在特定的癌細胞的表面過度表達。更多的在癌癥細胞中過度表達的受體的擴展單可以在網(wǎng)上方便找到。納米粒子與細胞膜的相互作用的挑戰(zhàn)細胞膜對納米粒子的有效定位輸送藥物的挑戰(zhàn)主要集中在兩個方面：（1）強大的特異性納米粒子與細胞表面的相互作用的形成；（2）納米粒子的靶向配體對目標細胞表面受體的可接近性。我們會敘述由于細胞膜對納米粒子輸送藥物的挑戰(zhàn)造成的問題。設計出能夠與細胞膜形成強大的特異性相互作用的納米粒子，對于獲得納米粒子的高校輸送來說是非常重要的，可以在納米粒子的表面采用特殊的配體修飾，這種配體可以與癌癥細胞的表面受體特異性結合。這種方法可以使得各種治

21、療藥物如，小分子蛋白質、核酸等的靶向效率提高。然而，細胞膜表面覆蓋有的帶電部分和疏水斑塊通常會導致納米粒子與細胞表面受體非特異性結合。另外，癌癥細胞表面的一些特異性受體配體對的弱連接性如，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸（RGD）肽配體，精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸-絲氨酸（GRGDS）與v3整合蛋白的連接（最大抑制濃度的一半( IC50 ) = 1M)）可能會抑制納米粒子的有效攝入。 另一個挑戰(zhàn)是配體對受體的可接近性。如果受體抑制了配體的接近，這將會降低細胞與靶向納米粒子的相互作用。納米粒子表面連接的靶向配體的表面可接近性可被以下兩個因素抑制：（1）蛋白質電暈的形成；（2）由于納米粒子的弱的水溶性導致其

22、表面的配體的呈現(xiàn)性較差。納米粒子注射到血液中后，納米粒子表面會立即形成蛋白質電暈，這會降低納米粒子的自由能。報道說蛋白質電暈與納米粒子的連接較緊，且是不可逆的。蛋白質電暈與納米粒子的結合靶向配體的表面呈現(xiàn)性，阻礙了期望的受體配體對的結合。另外，疏水靶向配體與納米粒子表面的結合會由于溶解性的不同影響配體在納米粒子表面的呈現(xiàn)百分數(shù)導致的納米粒子與細胞表面受體的連接性降低。當設計載藥輸送的納米粒子時，細胞膜與細胞膜表面的受體給納米粒子帶來的挑戰(zhàn)是最難克服的。克服這些挑戰(zhàn)的方法為了克服細胞膜與細胞膜表面受體給納米粒子帶來的挑戰(zhàn)，大量的方法被研究以提高靶向藥物輸送的效率。最小的非特異性攝入的納米粒子與細

23、胞膜的強的特異性結合的形成可以通過納米粒子的物理化學組成的合適的選擇來獲得。為了納米粒子能夠形成特異性細胞相互作用，可以調(diào)整納米粒子的表面功能。納米粒子表面的調(diào)整可以通過化學反應處理，例如氨基和羧基組可以使用多種化學反應來連接具有靶向，成像和治療功能的基團。配體對腫瘤細胞表面受體的可接近性可以通過使得蛋白質電暈的形成最小化和控制納米粒子的疏水性來提高。表面電荷對納米-細胞膜體系的相互作用的影響為了從根本上提高納米粒子對靶向細胞表面受體的特異性，應該詳細的選擇納米粒子表面的配體組。人們已經(jīng)使用大量的納米載體包括無機納米粒子、聚合物納米粒子、樹枝狀分子、脂質體和微膠粒等來研究基于表面電荷的細胞相互

24、作用。一般情況下，正電荷的表面配體可以誘導納米粒子與表面呈負電荷的細胞膜非特異性靜電相互作用的形成。例如，帶正電的胺終端的PAMAM樹突分子呈現(xiàn)出與細胞膜形成強的非特異性相互作用，而呈負電荷以及電中性的PAMAM樹突分子則不可以。我們最近研究發(fā)現(xiàn)樹突膠束顯示出最弱的非特異性相互作用是由于高密度的PEG層，低表面基團的對分子量比率，以及胺端粒的隔離進入PEG支柱。雖然如此，研究的結果通常支持使用表面暴露有正電荷的配體的納米粒子會增強與細胞表面形成非特異性相互作用，并且通常會產(chǎn)生毒性。對于靶向載體來說這類現(xiàn)象是不理想的。通過在納米粒子表面并入配體達到主動靶向 為了獲得與低水平的非特異性細胞發(fā)生靶向

25、特異性連接相互作用，納米粒子的表面更傾向于呈現(xiàn)負電荷或者電中性，并且與靶向配體連接。這種輸送方法利用特異性受體配體對的相互作用使得納米粒子能夠主動定位腫瘤細胞。鑒于主動靶向是最普遍的有效的靶向策略之一，一系列的報道中提到大量的納米粒子都采用了這種方法。在很多有潛力的系統(tǒng)中，Kiziltepe等人，研究出一種非常先進的抗-4（VLA4）-靶向膠束納米粒子能夠對具有細胞粘性介導的抗藥性的多發(fā)性骨髓瘤細胞進行定位。在MM異種移植模型中，人們發(fā)現(xiàn)靶向藥物的在腫瘤細胞表面的積累量是非靶向藥物的10倍之多，這在抑制腫瘤生長方面有著深遠的意義。Acharya等人研究雷帕霉素-密封的EGF-靶向PLGA納米粒

26、子針對惡性MCF-7細胞的接近性并計算納米粒子的攝入量和毒性。結果表明雷帕霉素的治療指數(shù)有所提高，即與非靶向PLGA納米粒子相比，細胞攝入量和爆炸釋放率都有增強（在24小時內(nèi)，非靶向納米粒子的爆炸釋放率只有18%）。與密封藥物結合提高納米粒子的細胞攝入量對未來設計出應用于臨床應用的有效的靶向納米粒子提供了一個機會。多價結合 最有潛力的方法之一是利用多價相互作用來提高特異性受體配體對的相互作用。多價結合定義為同時在納米粒子表面綁定多個配體，這可以明顯提高低親和性的配體的特異性處理。這種親和力的優(yōu)點使得大量的配體靶向藥物輸送體系得以發(fā)展并用于治療各種疾病。其中，利用多價綁定的的樹突分子被認為是促進

27、多價綁定相互作用最理想的納米材料之一。用FA或抗上皮細胞粘附分子（aEpCAM）對葉酸分別結合蛋白質或者EpCAM功能化的PAMAM樹突分子的結合動力學通過使用表面等離子共振來評估。人們發(fā)現(xiàn)樹突分子能夠有效的調(diào)整多價結合，導致離散常數(shù)明顯的提高（KD）（與無FA和aEpCAM相比分別增大了和1百萬倍）。使用線性樹突狀嵌段共聚物膠束，多價約束力效應也被用來提高他們的靶向效率。Bea等人也證明了由于多價結合相互作用，由葉酸-PEG-聚（天冬氨酸腙阿霉素）聚合物構成的膠束的細胞攝入量明顯增強了10倍。附加注意事項：蛋白質電暈和配體的溶解性 納米粒子表面配體對其相應受體的相互作用的能力本質上影響特異性

28、結合相互作用。對納米粒子來說首要克服的挑戰(zhàn)是細胞表面形成特異性蛋白質電暈。納米粒子進入生物流體中生物分子（特別是蛋白質）會立即吸附在納米粒子表面形成蛋白質電暈。蛋白質電暈的特點是使用聚苯乙烯和大小不同的二氧化硅納米粒子在其表面功能化。研究發(fā)現(xiàn)在30s內(nèi)超過300種蛋白質吸附在納米粒子的表面，并且隨著時間的增加蛋白質的數(shù)量減少。在不同的時間吸附在納米粒子表面的相關蛋白質被發(fā)現(xiàn)能夠影響生物性質，如溶血現(xiàn)象(血紅細胞破裂），血小板激活（促進凝固），攝入，內(nèi)皮細胞死亡。最近的一些研究都集中在探索蛋白質電暈的影響以及其如何影響生物相互作用。Salvation等人在50nm的熒光二氧化硅的納米粒子表面連接

29、鐵傳遞蛋白，觀察蛋白質電暈與靶向細胞的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)靶向納米粒子的特異性消失了。這是由于蛋白質電暈利用轉鐵蛋白受體來篩選納米粒子轉鐵蛋白的特異性相互作用。研究結果顯示納米粒子的靶向能力應該根據(jù)他們在生物活體內(nèi)的行為來對其進行修正，以確保盡可能獲得最精準的結果。 除了蛋白質電暈的形成之外，配體溶解度也會影響其在納米粒子表面的呈現(xiàn)性，潛在的改變納米粒子的靶向能力。研究發(fā)現(xiàn)，使用由PLGA-PEG組成的納米粒子時，將近100%的具有親水性的靶向配體PEG呈現(xiàn)在納米粒子的表面。然而，當使用疏水的FA時，納米粒子上所有配體只有20%呈現(xiàn)在納米粒子的表面。克服這個問題的方法是在從納米粒子的表面的配體的

30、終端連接PEG,來擴展靶向配體使得配體能夠更有效的接近受體。納米粒子與胞內(nèi)環(huán)境的相互作用納米粒子進入細胞及胞內(nèi)環(huán)境 一個細胞的胞內(nèi)組成與胞外環(huán)境有著顯著的差別，以一個真核細胞為例，脂類膜將細胞器與細胞質分開，因此就會存在許多小的信號傳遞物質。與可以將不帶電的小分子進行跨膜運輸?shù)谋粍舆\輸機制不同，納米粒子通常可以通過一個通道或者與內(nèi)吞作用結合的通道將分子內(nèi)化到細胞內(nèi)。依賴于非特異性的或特異性的相互作用的類型，納米粒子在細胞表面存在需要能量的和不需要能量的兩種機制使得納米粒子內(nèi)化到細胞內(nèi)。文獻中提到的每一個內(nèi)化路徑的相關細節(jié)都已經(jīng)被進行了擴展性研究。可以將內(nèi)吞作用或者需要能量的細胞攝入分為兩類：吞

31、噬作用和吞飲作用。一般來說，吞噬作用是受體調(diào)節(jié)的，并且作為人體固有免疫系統(tǒng)的一部分，它具有將病原體移出體外的作用。只有一些特殊的細胞才具有這種作用，例如嗜中性粒子細胞，巨噬細胞，樹突細胞，單核細胞和肥大細胞（圖3a）。相比于吞噬作用，吞飲作用幾乎出現(xiàn)在所有類型的細胞中，并且是分子進入細胞的主要的耗能機制。通常會有四種吞飲作用：大胞飲（圖3b），胞膜窖調(diào)節(jié)的內(nèi)吞作用（圖3c），網(wǎng)格蛋白調(diào)節(jié)的內(nèi)吞作用（圖3d）以及獨立于胞膜窖和網(wǎng)格蛋白的內(nèi)吞機制（圖3e）。這四種機制彼此之間都存在明顯的差異，特別是它們表面覆蓋的涂層的成分，血管的大小以及內(nèi)化分子的退化結果不同。 圖三：有代表性的納米粒子內(nèi)化機制。

32、（a）大顆粒通過吞噬作用內(nèi)化，（b）小顆粒通過非特異性大胞飲內(nèi)化，小于1微米，別的多種內(nèi)吞作用有（c）胞膜窖調(diào)節(jié)的內(nèi)吞作用，（d）網(wǎng)格蛋白調(diào)節(jié)的內(nèi)吞作用，（e）獨立于胞膜窖和網(wǎng)格蛋白的內(nèi)吞機制。 大胞飲內(nèi)化粒子是非特異性的，并且通過內(nèi)溶酶體路徑將粒子運輸至退化，胞膜窖控制的內(nèi)吞作用采用覆蓋有胞膜窖-1或者胞膜窖的血管內(nèi)化分子。特異性配體（例如，F(xiàn)A）或確定的病原體，例如猿腎病毒可以通過一個胞膜窖控制機制誘導內(nèi)化作用。胞膜窖的精確胞內(nèi)運輸路線仍然存在爭議，但一般人們對于這個運輸路線是非酸化的，可自由分解的是認可的，即使溶酶體路徑不能被完全忽視。相比之下，網(wǎng)格蛋白控制的內(nèi)吞作用則通過形成覆蓋有網(wǎng)格

33、蛋白的血管來內(nèi)化分子。覆蓋有網(wǎng)格蛋白的血管最終將粒子通過內(nèi)溶酶體運轉路線退化。特異性配體（如，低密度脂蛋白LDL，鐵傳遞蛋白，EGF和胰島素）可以通過這個路徑誘導吸收。雖然存在不依賴于胞膜窖和網(wǎng)格蛋白的內(nèi)吞機制存在，但是想要完全理解他們?nèi)孕枰M一步探究。 在所有的細胞器中，細胞核是重要的組成之一。因為DNA在細胞核中發(fā)生轉錄和復制。細胞核被雙層核膜所包圍，使其與細胞液（即胞內(nèi)流體）隔開。當分子小于核孔復合物（9nm）時，例如DNA，分子就可能會由于自由擴散進入細胞核中，而大分子則需要通核輸入受體主動運轉介導進入核內(nèi)。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一些作為核定位信號的蛋白質可使核膜上的蛋白受體發(fā)生活化并引起核內(nèi)化

34、作用。傳統(tǒng)的nls包括SV40，T抗原nls和核漿nls, N-terminus包含四個或更多的重復的堿性氨基酸的群集,這可以通過導入受體來辨別。在真核細胞中線粒體占了很大的體積，其主要的作用就是產(chǎn)生能量。同時線粒體也參與細胞內(nèi)的信號傳遞、細胞分化和細胞凋亡等細胞過程。各種各樣的疾病，包括神經(jīng)退行性疾病、心血管疾病、糖尿病和癌癥都與線粒體功能紊亂有關。這為這些疾病的治療提供了較清晰的方向。納米粒子與細胞內(nèi)環(huán)境的相互作用的挑戰(zhàn)細胞內(nèi)組成對納米粒子的傳遞有很大的挑戰(zhàn)。（1）內(nèi)逃脫；（2）納米粒子的亞細胞靶向效率。依賴于內(nèi)化機制，納米粒子可以通過內(nèi)溶酶體通道傳遞。在這種情況下，納米粒子和其

35、負載的藥物會被溶酶體倉內(nèi)嚴酷的環(huán)境，如較低的PH值和各種各樣的酶所降解，這就會使得治療效果大打折扣。例如，粒質DNA/糖基化的多熔素與允許有效的內(nèi)逃脫的膜融合肽配合的轉染效率是與HepG2細胞配合的轉染效率的10倍。同樣,當由于配合物無法有效的通過膜融合逃避核內(nèi)體，用到耐酸的聚乙二醇脂質時，聚乙二醇陽離子脂質體/ DNA配合物的轉染效率明顯減少。因此,納米粒子在受到溶酶體介導的消化之前逃避核內(nèi)體是非常重要的（圖4）。圖四：期望的納米粒子胞內(nèi)傳遞，通過核內(nèi)體逃脫使得納米粒子累積在細胞質基質中，并且允許亞細胞靶向。選擇合適的納米材料的設計納米粒子如利用質子海綿效應或者與膜融合肽結合都可以減緩納米粒

36、子在溶酶體內(nèi)降解（點狀納米粒子所示）。從核內(nèi)體中逃脫之后，納米粒子積累在細胞質基質中，并且向更多的特殊的亞細胞組成如線粒體或者細胞核釋放負載藥物以達到更有效的靶向作用。根據(jù)所交付的藥物,亞細胞定位可能是必要的。引入外源質粒DNA,例如,達到核導致蛋白表達。在這種情況下,NPs需要穿過細胞質,找到有靶向細胞器,誘發(fā)他們的藥物發(fā)生跨核膜易位。雖然這種傳遞策略可能會進一步提高治療效率,這也進一步使得NPs的設計考慮變得復雜了。幸運的是,克服與細胞內(nèi)的隔間相關的挑戰(zhàn)的策略也已經(jīng)被開發(fā)出來。解決挑戰(zhàn)的方法納米粒子有效的內(nèi)逃脫的方法為了克服胞內(nèi)環(huán)境給納米粒子帶來的挑戰(zhàn)，科學家們發(fā)展了一些方法。由于納米粒子主要通過內(nèi)吞作用來內(nèi)化到細胞內(nèi)，內(nèi)溶酶體運載的藥物釋放對于有效的治療是非常重要的。最普遍的就是采用質子海綿效應來增強內(nèi)逃脫。基礎的聚合物如聚乙烯亞胺和PAMAM聚合物有將氫離子注入核內(nèi)體的作用，這是由于他們的化學結構中存在許多二、三級胺團體。結果,這使得囊泡內(nèi)的滲透壓增加,導致大量的水涌入囊泡中。囊泡的滲透腫脹最終導致內(nèi)吞作用的泡破裂,從而釋放夾NPs。兩親性pH敏感的膜融合(促進融合)化合物也被證明能提高NPs通過膜融合和隨后的內(nèi)體膜的不穩(wěn)定性從核內(nèi)體逃脫。這兩種機制導致部分退化的NPs被釋放到細胞的胞質中,這在許多情