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基于透明质酸构筑的药物递送载体及其应用
English
Hyaluronic Acid-Based Drug Delivery Carriers and Their Applications
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Key words:
- Hyaluronic acid
- / Drug controlled release
- / Active targeting ability
- / Tumor therapy
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癌症作为21世纪导致人类死亡的重要原因,严重威胁人类健康,因此实现癌症的有效治疗一直是医学研究的焦点问题。但抗癌药物分子往往具有一定的疏水性,缺乏靶向性,在杀伤肿瘤组织的同时也会不可避免地杀伤人体正常组织和细胞,生物利用率较低,难以有效治疗癌症[1, 2]。为将药物分子有效递送进入肿瘤组织,减少对正常组织的毒副作用,各类纳米载体被广泛研究与应用。常见纳米递送载体主要包括脂质体、聚合物胶束、聚合物纳米微球、无机纳米材料等[3]。脂质体是由脂质双分子层及亲水性空心结构组成的,其最大优点是既能包裹亲水性分子又可以包裹疏水性分子,药物根据溶解度不同可以包载在脂质体的亲水性内核或者脂质体的双分子层之间。聚合物胶束是两亲性聚合物在选择性溶剂中自组装形成的聚集体,是疏水分子的天然纳米载体,使用胶束递送不溶性化疗药物不仅可以提高药物的水溶性,同时还能够避免天然药物在使用时因产生凝聚而导致的血栓。聚合物微球的比表面积大,具有分散性高、力学性能好、稳定性高、均一性好和可多功能化等诸多优良特性。无机纳米材料也属于纳米材料的一种,应用于药物载体领域的无机纳米粒子主要有磁性纳米粒子和介孔二氧化硅纳米粒子等。目前关于上述载体的研究主要集中于使药物的递送和释放过程具有可控性,从而能够实现药物在病变部位富集,降低对正常组织的毒副作用[4]。近年来随着纳米制剂技术的发展,主动靶向型肿瘤内环境刺激响应性药物控释载体的制备成为纳米药物载体领域的研究热点。而基于主客体包合作用构筑的超分子聚合物表现出外界环境刺激下的包合-解包合特性,其因可在合适条件下进行“模块化”组分配比、可自发形成、制备方法简单而被关注。引入透明质酸(Hyaluronic acid,HA)作为亲水端可赋予纳米组装体主动靶向的能力。例如,β-环糊精(CD)是常用的一种大环主体分子,在生物利用率方面能增强细胞膜吸收,具有良好的生物相容性。将单-6-脱氧-6-乙二胺-β-环糊精接枝到HA上,通过β-CD与客体分子(如姜黄素)的主客体包合作用构筑超分子聚合物,并进一步自组装,形成超分子纳米组装体。
HA是一种天然的糖胺聚糖,由葡萄糖醛酸和N-乙酰氨基葡萄糖的双糖单元反复交替连接而成(如图 1所示)。HA具有良好的生物相容性、优异的可降解性,其功能基元丰富,易于进行化学改性,通过接枝功能单元制备的纳米药物递送载体在递送过程中能很好地保持多肽、蛋白、基因等物质的活性。值得注意的是,细胞外基质中的HA还能与一些细胞受体(如CD-44、RHAMM、LYVE-1、IVd4和LEC受体)相互作用,尤其是HA可与部分肿瘤细胞高表达的CD44受体结合,实现受体介导的主动靶向性[5];而且,CD44还与HA的降解有关。HA的降解是通过透明质酸酶(HYALs)发挥作用的,在人体中存在6种HYALs基因,它们编码的透明质酸酶功能不同,在细胞内的位置也不同。其中编码基因HYAL1、HYAL2和PH-20都具有透明质酸酶活性。HYAL1存在于血清、尿和机体组织中,在低pH条件下活性与溶酶体相似。HYAL2和PH-20通过糖基磷脂酰肌醇锚定在细胞表面。HYAL1和HYAL2分布广泛,通过与CD44作用降解HA。HYAL2是透明质酸酶中唯一可作为逆转录酶病毒的受体,并可以将HA降解为20kDa大小的片段,降解后的片段可以与CD44作用,进一步被溶酶体上的HYAL1分解[2, 5]。此外,HA还可以延长药物在体内的半衰期、增加药物的水溶性、维持一些多肽类等分子的活性和改进药物代谢动力学特征等[6, 7],大大提高治疗效率。基于HA的上述优势和应用前景,本文着重对近年来透明质酸基纳米载体在化学治疗、光热治疗(PTT)、光动力治疗(PDT)以及联合治疗方面的研究进展进行总结和评述。
图 1
图 1. 基于HA构筑的纳米递送载体在肿瘤治疗中的应用Figure 1. Application of nano delivery carrier based on HA in tumor therapy1. 基于透明质酸构筑的化疗纳米载体
化疗即化学药物治疗,是目前最常用的治疗方式,可有效抑制癌细胞的增殖转移并达到杀死癌细胞的目的,例如,广谱性抗肿瘤药物盐酸阿霉素(DOX)常用于治疗多类恶性肿瘤[8]。然而在化疗过程中由于传统给药方式缺乏肿瘤细胞靶向性,治疗过程中正常细胞会不可避免地受到伤害,副作用较大[9, 10]。针对上述问题,基于HA优良的生物相容性、生物降解能力和肿瘤靶向性,HA基纳米组装体在药物稳定递送和癌细胞的主动靶向方面具有巨大优势[11]。例如,Qiu等[12]通过HA的羧基修饰聚组氨酸合成了聚合物(HA-g-PHis),该聚合物在水中可以自组装形成pH敏感的聚合物胶束并可装载疏水药物DOX。细胞实验显示,该载药胶束能够通过受体介导的方式有效递送并释放DOX到CD44受体过表达的MCF-7乳腺癌细胞中,并展示了较好的抗肿瘤活性。Cho等[13]制备了神经酰胺修饰的HA(HA-CE),其在水溶液中自组装形成具有核壳结构的纳米粒子,并装载多西他赛(DTX)制备了纳米载体,实验结果显示,纳米载体可通过CD44受体介导的胞吞被摄入,并在一定程度上逆转了多药耐药性。除上述通过改性制备HA基两亲聚合物继而用于载药制备靶向型纳米治疗载体外,HA丰富的功能基元还可用于制备交联纳米颗粒,例如,Fang等[14]报道了载入DTX的交联型多功能透明质酸纳米颗粒(DTX-CMHN)并用于抑制体内高度转移的4T1乳腺肿瘤(如图 2所示),DTX-CMHN在CD44过度表达的4T1-Luc乳腺癌细胞中表现出良好的抗肿瘤、抗迁移和抗侵袭活性。
图 2
除传统载药型HA基载体外,通过制备聚合物前药的方式也可将抗癌药物分子直接接枝于HA上,制备HA基前药组装体,这种方法可极大提高载体载药率,并提高肿瘤治疗的安全性,实现药物在肿瘤特异性内环境下的刺激释放。例如,Tian等[15]利用二硫键将姜黄素接枝于HA主链,制备纳米载体,并用于治疗神经胶质瘤。该组装体胶束显示出良好的稳定性和安全性,并在G422细胞中表现出增强的细胞毒性。
为进一步提高HA基纳米载体的靶向性和选择性,基于HA和叶酸(FA)双配体靶向特异性和协同效应的纳米载体在近年来也得到了更多关注[16]。Zhong等[17]开发了CD44和叶酸受体(FR)双重靶向的纳米颗粒阿霉素(HA/FA-NP-DOX)。细胞研究证实,HA/FA-NP DOX对CD44和FR都具有很高的选择性,可以通过受体介导的途径将其快速内吞到CD44和FR阳性癌细胞中,并迅速将DOX释放到细胞核中,从而有效地抑制了肿瘤的生长。
2. 基于透明质酸构筑的光热治疗纳米载体
光热治疗(PTT)是一种新兴的肿瘤治疗方法,主要通过将具有光热转换性能的光热治疗剂导入肿瘤部位,该治疗剂能将光能转换为热能,进而产生局部高温来诱导肿瘤细胞凋亡,达到治疗癌症的目的[18~20]。PTT具有良好的特异性和非侵入性、操作简单、成本低等特点,可精确控制光照的位置(患者的病灶如肿瘤),避免损伤患者病灶周围的健康组织[21]。
常用的PTT材料包括无机纳米材料和有机功能小分子。其中具有强抗氧化性的贵金属材料是研究最多的一类无机光热材料,包括Au、Ag、Pt和Pd[22, 23]。这类贵金属光热材料的光热转化效率高,主要通过吸收光能使电子从基态跃迁到激发态,然后通过非辐射衰变将能量以热量的形式释放,引起局部温度升高[24]。但无机材料本身不可降解,会长期滞留在人体内,具有潜在的长期毒性问题。所以,为了实现金属材料在光热疗法方面的应用,研究者通常对其进行表面修饰(如利用HA修饰)使其具有良好的生物相容性。Gotov等[25]将可裂解的短肽(Gly-Phe-Leu-Gly-Cys;GFLGC)接枝在HA上,并在水溶液中自组装进一步包覆AuNPs,以提高AuNPs的生物相容性和靶向能力。在近红外光(NIR)照射下,所得负载DTX的HA-可裂解肽-AuNPs在肿瘤模型中显示出更强的细胞毒性和更高的肿瘤抑制功效,在小鼠体内也并未发现明显的全身和局部毒性作用。Yang等[26]通过在碘化纳米颗粒表面包覆金纳米壳和HA对其进行表面改性,合成的聚(2-甲基丙烯酸(3-酰胺-2, 4, 6-三碘苯甲酸))/聚乙烯亚胺/金纳米壳/HA(PMATIB/PEI/Au纳米壳/HA)纳米粒子具有较高的X射线衰减系数和光热效率。经静脉注射MCF-7荷瘤小鼠后,纳米颗粒有效地聚集在肿瘤内,显著增强了肿瘤的CT成像,并通过在NIR照射下对病变部位进行热处理来消融肿瘤。
虽然通过HA修饰改善了无机材料的生物相容性,但在治疗过程中仍会不可避免地对正常组织有毒害作用。所以研究人员开发了具有NIR吸收的有机功能分子作为光热剂,有效解决了这一问题。吲哚菁绿(ICG)作为已获得美国联邦药品管理局(FDA)批准的临床应用的有机染料[27],在治疗方面具有更高的安全性。ICG在激光照射下可以产生荧光发射和光热效应,使得ICG具有成为荧光成像引导的光热治疗剂的潜质。但ICG稳定性较差,易被机体清除,且易非特异性吸附在蛋白上,这些缺点限制了它在PTT中的应用。为解决这一问题,可用HA构建纳米载体装载ICG用于PTT。Liang等[28]合成了基于可活化HA缀合Cy5.5和IR825的两种NIR染料的多功能纳米颗粒,并同时用作包封全氟辛基溴(PFOB)的载体。获得的PFOB@IR825-HA-Cy5.5的纳米颗粒可用于三重X射线计算机断层扫描以及荧光和光声成像。通过PFOB@IR825-HA-Cy5.5和NIR照射组合进行体内肿瘤治疗实验,在小鼠中实现有效的肿瘤消除。
随着肿瘤光热治疗剂的迅速发展,基于纳米碳材料的光热治疗剂也被广泛研究,例如碳纳米管和石墨烯等光热治疗剂在近红外光范围内具有广泛的吸收[29, 30],但此类材料缺乏肿瘤靶向能力,因此利用HA能特异性靶向肿瘤受体的特点,对纳米碳材料进行包覆或表面修饰,使其在治疗过程中能够准确到达肿瘤部位。Wang等[31]通过将ICG与包裹单壁碳纳米管(SWCNT)的透明质酸纳米颗粒(HANP)偶联,制备了CD44靶向光声(PA)纳米光疗剂ICG-HANP/SWCNT(IHANPT)纳米颗粒。研究表明在NIR下,其对肿瘤生长有明显的抑制作用,并诱导肿瘤细胞凋亡和坏死。Kim等[32]设计了一种新型的靶向光热治疗剂,用NIR染料IR825、共轭聚乙二醇-g-聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙基酯(PEG-g-PDMA,PgP)和HA偶联多巴胺(D-HA)修饰rGO纳米颗粒共组装获得的NIR活性纳米复合材料(PgP/HA-rGO),表现出pH响应性荧光发射和对癌细胞优异的靶向性及近红外辐射细胞毒性。
为了追求更加高效的治疗效果,越来越多的半导体化合物被报道作为光热转换材料用于肿瘤的诊断和治疗中。这些半导体光热试剂一般制备比较简单、价格相对廉价。铜基光热转换材料(主要是一些铜基硫属化合物,如CuS[33, 34])是一类重要的p型半导体,具有铜缺陷,可形成空穴掺杂的结构,因而具有类似金属的表面等离子体共振效应。具有强近红外吸收的CuS是一种优良的光声成像对比剂和光热试剂。然而,CuS纳米粒子由于其肿瘤靶向性差,在癌症诊断和治疗中的应用受到限制。因此将CuS加载到HA基纳米颗粒中,可提高它的靶向能力,并改善它在生理环境中的稳定性。例如,Zhu等[35]将Cy5.5接枝到HA上,制备两亲性HA复合物作为药物载体,并在溶液中自组装形成核-壳纳米粒子用于包裹硫化铜(CuS),获得了可活化的Cy5.5-HANP/CuS(HANPC)纳米复合材料(如图 3所示)。在SCC7荷瘤小鼠体内静脉注射HANPC后,用激光照射肿瘤,第5天肿瘤抑制率达89.74%。
图 3
图 3. HA基纳米光热治疗载体的设计与应用(a)靶向纳米复合物的合成;(b)HANPC在近红外荧光和PA图像光热治疗中的体内应用[35]
Figure 3. Design and application of HA-based carriers for PTT therapy3. 基于透明质酸构筑的光动力治疗纳米载体
光动力治疗(PDT)是一种用激光活化光敏剂治疗肿瘤疾病的新方法。用特定波长光照射肿瘤部位,能使选择性聚集在肿瘤组织的光敏药物活化,引发光化学反应破坏肿瘤。与传统肿瘤疗法相比,PDT的优势在于能够通过对光敏剂化学结构的设计实现对肿瘤的特异性选择和破坏,而对正常组织和细胞几乎没有损伤,所以这种疗法的副作用很小[36]。在PDT中,起主要作用的是光敏剂、特定波长的光和分子氧[37]。当三者共同作用时,通过它们之间的能量传递,生成能够引发细胞损伤或凋亡的激发态氧分子或自由基。一般情况下,其作用机理根据最终产生的有毒物质不同可以分为Ⅰ型——产生自由基,Ⅱ型——产生单线态氧(1O2)[38]。常用光敏剂包括卟啉衍生物、酞菁类、叶绿素、二氧化钛、半导体材料等[39, 40]。但光敏剂共同的缺点是对肿瘤组织的选择性不够理想,限制了药物的治疗效果,同时增加了治疗的副作用。因此需增加药物对肿瘤组织和细胞的选择性。例如,可利用HA靶向肿瘤细胞过表达CD44受体的特点来提高光敏剂在癌细胞中的聚集量。Cai等[41]将DTDPPBr2接枝到HA上,开发了一种新型的光敏剂溴代DPP衍生物(DTDPPBr2-HA)前药分子,克服了光敏剂对肿瘤细胞的疏水性和非特异性靶向性。实验结果表明,DTDPPBr2-HA具有良好的生物相容性和PDT效果。Zhu等[42]通过将光敏剂Ce6物理封装到透明质酸纳米颗粒(HANP)中,构建了一个简单的靶向肿瘤的纳米复合物(HANP/Ce6)。HANP/Ce6复合物在静脉内给药后通过主动CD44靶向和被动增强的EPR效应积聚在肿瘤中,结果表明,这种简单的HANP/Ce6复合物可以有效抑制肿瘤生长,而不会引起器官毒性。该HANP系统也可以用于递送其他光敏剂,特别是那些不易被化学修饰的光敏剂。
尽管PDT在癌症治疗中有广泛的应用,但其疗效受到肿瘤中内源性氧缺乏的限制而显示出低疗效。为此有研究人员利用过氧化氢酶原位生成氧气来克服肿瘤中有限的氧气供应,过氧化氢酶对过H2O2具有自反应性,并且不需要用O2进行预处理。但因其在体内不稳定且半衰期短,可利用具有良好生物相容性的HA对其进行共价修饰。例如,Phua等[43]将β-CD接枝到HA上,然后与过氧化氢酶偶联形成HA-CAT NP,再通过β-CD和金刚烷之间的主客体识别将aCe6光敏剂加载到HA-CAT中,得到HA-CAT@aCe6(如图 4所示)。在具有过度表达的CD44受体的MDA-MB-231细胞系中证明了HA-CAT@aCe6的摄取和靶向特性。体内实验显示,HA-CAT@aCe6选择性地在肿瘤部位蓄积,负载的过氧化氢酶能够有效地催化H2O2生成O2,缓解肿瘤组织的缺氧,从而改善PDT疗效。
图 4
4. 基于透明质酸构筑联合治疗纳米载体
PTT与PDT作为肿瘤治疗的新型手段,被认为是极具潜力的治疗方式,但追求更高的治疗效率依然是研究人员关注的重要指标。研究发现,将PTT、PDT以及传统的化疗中的两种或三种治疗手段结合起来用于肿瘤联合治疗,其治疗效率远高于单一的治疗方法。
4.1 透明质酸基化疗/光热联合治疗载体
光热材料虽然能在PTT消除肿瘤的过程中发挥优良的光热转换效率,但是单独使用PTT并不能达到完全治愈肿瘤的目的,比如机体容易产生热耐受性、对转移瘤的治疗效果不佳、容易复发等问题。为了解决此类问题,研究人员将化疗和光热两种治疗方式结合起来,使其发挥协同增效的治疗效果。但由于化疗药物的疏水性以及光热剂的生物降解能力、稳定性较差,因此可将药物接枝到HA上,并修饰光热剂,从而改善递送载体的水溶性和化学稳定性。Zhang等[44]基于HA的亲水性和疏水性二硫键连接的CPT/Nap通过主客体相互作用构建前药纳米载体,在细胞内还原环境下,CPT-HA@IR825纳米粒子能够释放出抗癌药物喜树碱(CPT)用于化疗,同时,IR825将吸收的光转换成局部热量,实现协同治疗。Li等[45]开发了一种基于磁性聚多巴胺(MPDA)的治疗学纳米平台。以Fe3O4为核,PDA作为负载化疗药物DOX的多功能外壳,用HA-甲氨蝶呤共轭物(MPDA@HA-MTX)修饰,构建纳米前体药物,以同时实现药物控释和PTT的共同作用。
4.2 透明质酸基化疗/光动力联合治疗载体
针对光敏剂的水溶性差以及缺乏肿瘤靶向功能,有研究者将光敏剂与化疗药物结合进行联合治疗。如将光敏剂通过活性氧(ROS)反应性连接物与药物结合,并用HA对其进行修饰,改善纳米药物递送载体的生物相容性,延长在人体内的循环时间,并通过增强的渗透和保留(EPR)效应和CD44介导的内吞作用来提高治疗效率。Phua等[46]用HA与β-CD结合生成HA-CD,其中CD可以与金刚烷修饰的光敏剂和前药形成包合物,所形成的包合物使聚合物具有两亲性,能够自组装成超分子纳米粒(HA-aPS-aCPT)。静脉注射HA-aPS-aCPT纳米粒后,在光照下观察到显著的肿瘤消退。Huang等[47]用具有还原性响应的二硫键作为连接分子,将光敏剂BFVPBT偶联到HA上,开发了一种新的HA衍生物(HA-ss-BFVPBT),两亲性HA-ss-BFVPBT在水溶液中易于自组装成纳米颗粒(HSBNPs),可包裹疏水性抗癌药物CPT。体外研究证明了CPT加载的HSBNPs的特异性细胞摄取和出色的双光子PDT/化学疗法协同作用。此外,由于癌细胞中的还原性谷胱甘肽(GSH)和过表达的透明质酸酶(Hyal-1)的降解,可以激活负载CPT的HSBNPs的荧光,并加快细胞内药物释放速率,从而提高了精确定位的可能性。
4.3 透明质酸基光热/光动力联合治疗载体
PTT与PDT作为光学治疗手段,两者作用机理相似,依赖于光热转换材料和光敏剂,将这两种疗法结合起来形成协同治疗被认为是提高治疗效率的一种可行途径。这种治疗方式不含化疗药物,在激光照射下,利用纳米颗粒负载的光热剂和光敏剂产生的热量和单线态氧来杀死肿瘤细胞。目前用于肿瘤治疗的光热剂和光敏剂大都缺乏肿瘤靶向能力,治疗效果并不理想,因此有科学家利用HA的良好生物相容性和易于改性的优点,将HA作为表面改性剂对载体进行表面修饰。Zhou等[48]将配位化合物普鲁士蓝(PB)接枝到HA上制备的纳米立方体(HA@PB)在水溶液和生理溶液中具有高度分散性,并且在808nm近红外光激发下表现出出色的光热/光动力活性。Song等[49]基于HA掺杂聚吡咯涂层硒化铋负载锌酞菁纳米盘复合物的智能纳米结构平台(Bi2Se3@HAPPy/ZnPc)开发了多模式成像引导的联合光疗。利用HA的CD44靶向效应,其在肿瘤部位可有效聚集,与PTT(68.0%)或PDT(24.3%)相比,联合光疗对肿瘤抑制率高达96.4%,显示出良好的联合治疗效果。
此外,Liu等[50]合成了二维光热/光敏剂材料-超薄Ti3C2 MXene纳米片,通过用DOX和HA进行逐层表面修饰,建立了多功能纳米平台(Ti3C2-DOX)(如图 5所示)。体外和体内实验表明,Ti3C2-DOX具有良好的生物相容性,肿瘤特异性积累和刺激反应性药物释放行为,并通过光热/光动力/化学协同疗法实现了有效的癌细胞杀伤和肿瘤组织破坏。
图 5
5. 结论与展望
本文根据HA在药物递送载体应用领域的不同,从四个方面对其研究进行了总结和评述。化疗作为传统的肿瘤治疗手段,毒副作用较大,但适用面依然广阔;PTT与PDT作为肿瘤治疗的新型手段,靶向性高,几乎不损伤人体正常组织和器官。将HA作为化疗、PTT、PDT的载体,不仅能够延长纳米药物在体内的循环时间,而且还能提高靶向能力,增加药物在肿瘤部位的浓度,提高疗效。
基于目前的研究,协同多模治疗仍是未来HA基纳米载体的发展趋势,但HA仍有一些难点需要攻克。采用化学法对HA进行疏水修饰可能影响HA的生物学性能。而且由于肝和肾内也存在HA受体,所以HA给药系统容易在肝和肾内大量蓄积。因此,在不改变HA良好生物学功能基础上,尽量避免HA给药系统在肝脾内蓄积,提高HA的肿瘤靶向性,降低毒副作用成为以后HA在肿瘤治疗研究中的热点。
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图 3 HA基纳米光热治疗载体的设计与应用
Figure 3 Design and application of HA-based carriers for PTT therapy
(a)靶向纳米复合物的合成;(b)HANPC在近红外荧光和PA图像光热治疗中的体内应用[35]
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