申有青AM最新综述：纳米肿瘤药物的合理设计：纳米特性的整合与同步

【引言】

目前治疗癌症的纳米颗粒仅能减轻副作用，不能增强疗效。新一代纳米颗粒的合理设计应该以增强疗效为目的。因此，浙江大学的申有青教授(通讯作者)等人在著名材料类期刊Advanced Materials上发表了题为“Rational Design of Cancer Nanomedicine: Nanoproperty Integration and Synchronization”的综述文章。从纳米颗粒递送药物的过程入手，分析总结了五步级联（CAPIR）以及影响每一步的关键性质。该过程中纳米颗粒的稳定性、表面性质、粒径的变化是影响纳米颗粒行为的主要因素，简称3S转变。3S转变为设计高效的纳米颗粒和临床转化指明了方向。

综述导览图

1 前言

纳米颗粒能克服某些药代动力学性质，使药物更好的发挥疗效。它最大的优势是通过渗透和滞留效应选择性蓄积到肿瘤组织。与传统的化药相比，纳米制剂有很多优势，如提高药物溶解度、长循环、提高生物利用度、降低副作用、提高病人生活质量等。目前已经有几种纳米制剂进入临床，如阿霉素脂质体、紫杉醇白蛋白纳米粒、柔红霉素脂质体，还有很多已进入临床试验阶段。近日，进入临床二期的纳米制剂BIND-014宣告失败，该制剂可以明显提高肿瘤部位药物浓度，但是没有提高疗效，因此高效靶向肿瘤并提高疗效是新一代纳米制剂需要解决的关键问题。

2 纳米粒的药物递送过程：CAPIR五步级联

纳米颗粒释放药物进入肿瘤细胞必须经历以下五个过程：静脉注射进入血液循环（Circulation）；通过渗透和滞留效应蓄积到肿瘤部位（Accumulation）；渗透到肿瘤组织内部（Penetration）；细胞内吞（Internalization）；细胞内释放药物（Drug Release）。以上过程简称CAPIR五步级联。要使总递送效率Q最大就要使每一步的效率最大，如果其中任意一步的效率为零，都会大大降低递送效率。阿霉素脂质体延长血液循环时间到30h，而且能更多地蓄积到肿瘤，但效果与游离阿霉素相差不大，究其根本原因是一大部分阿霉素脂质体外溢到肿瘤周边血管，影响它渗透到肿瘤内部。

图1 CAPIR五步级联过程图解

3 高效的纳米颗粒需要的性质：2R2SP、3S转变

为了克服生理屏障和网状内皮系统等障碍，递送药物到肿瘤部位，纳米制剂需要以下三个特征：递药、表面活性、扩散。递药的含义是制剂要包载药物渗透到肿瘤部位（CAPI过程）并在细胞内快速释放（drug Retention vs. Release，2R）；表面活性是指纳米颗粒要有隐形效果避免被网状内皮系统吞噬，并且与细胞表面靶点相互作用，快速内吞到细胞内（surface Stealthy vs. Sticky，2S）；此外，纳米颗粒需要很好的扩散作用，渗透到肿瘤内部，到达肿瘤细胞（tumor Penetration，P）。以上简称2R2SP。

实现这些性质，纳米颗粒需要三种转变即3S转变：①稳定性：在CAPI过程中稳定存在，到R过程转变为不稳定的体系以利于药物释放；②表面性质：在CAP过程呈中性、聚乙二醇化、隐藏功能基团，到I过程转变为阳离子、去乙二醇化、暴露功能基团以利于纳米颗粒内吞；③粒径：在CA过程粒径相对较大，到P过程变小以利于渗透。

图2 高效的纳米颗粒需要的性质

4 实现3S转变的方法

4.1 稳定性

纳米颗粒内吞进入细胞，由于溶酶体内特异的酸性环境，从稳定状态转变为不稳定状态，进而触发药物释放。因此高分子与药物的连接臂可以选用酸敏感键，如腙键、肟键等；由于肿瘤内部高表达谷胱甘肽，也可以使用谷胱甘肽敏感的二硫键；或者一些酶敏感键。响应型胶束纳米系统可以设计成酸敏感、酶敏感、光敏感、热敏感、ATP敏感等等。阳离子聚合物基因递送系统对这个转变的要求更高，阳离子聚合物包载DNA形成纳米颗粒，保护DNA不被降解，并促进摄取和入核。在胞外要稳定存在，不能泄露DNA，到胞内通过一些刺激响应使纳米颗粒解体，释放DNA，保证较高的转染效率。

图3 ATP触发的阿霉素释放纳米系统

4.2 表面性质

4.2.1 去乙二醇化

利用肼键、缩醛键、肽键将聚乙二醇连接到其他亲水性聚合物上，可以避免纳米颗粒被网状内皮系统吞噬，具有长循环的效果。聚乙二醇层在血液循环中非常稳定，通过环境响应，敏感键断裂，聚乙二醇层在细胞内脱落，可以促进胶束类纳米颗粒与溶酶体膜融合，实现溶酶体逃逸。

4.2.2 隐藏/暴露靶向基团

纳米颗粒上的靶向基团可以特异性识别肿瘤细胞，触发受体介导的内吞（I过程）。但是，这些靶向基团的疏水性和电性，可能会影响纳米颗粒的隐形效果、减少血液循环时间，也会影响纳米颗粒的渗透效果。有报道称纳米颗粒表面连接抗体会阻碍渗透，并造成异质性分布。有一些可以促进摄取的多肽，如细胞膜转导肽，但是该多肽富含精氨酸和赖氨酸，使纳米颗粒表面带较多的正电荷，会引起非特异性分布。因此要调整靶向基团到合适的数量，在增强蓄积与渗透的基础上，最小化负面影响。目前，解决这个困难的主要方法是在血液循环时隐藏靶向基团，当纳米颗粒到达肿瘤区域时暴露靶向基团，这样既能保证较长的血液循环时间，也能增强渗透和细胞摄取。

4.2.3 表面电荷反转

中性纳米颗粒更容易渗透到肿瘤组织，正电性或较强负电性的纳米颗粒都会被细胞外基质捕捉。但是正电性的纳米颗粒更容易与负电性的细胞膜融合，触发吸附介导的内吞作用。而且表面正电性的纳米颗粒具有溶酶体逃逸的作用。目前，解决这个困难的主要方法是电荷反转。在CAP过程纳米颗粒呈中性，以利于蓄积与渗透，到I过程使纳米颗粒转变为正电性，以利于内吞、溶酶体逃逸、入核。

图4 酰胺化合物在不同pH下电荷反转动力学

4.3 粒径

粒径在100nm左右的纳米颗粒有很好的长循环与蓄积效果，但不利于扩散，大部分纳米颗粒外溢出肿瘤血管。粒径小于20nm才可以渗透到肿瘤深层，但是容易在血液循环时被清除。目前，解决这一困难的方法是使纳米颗粒在到达肿瘤组织时发生粒径转变，以利于渗透。Tong等人构建一种光刺激粒径转变的纳米颗粒，在365nm的光刺激下，粒径由103转变为49nm。多级纳米系统也能实现粒径转变，Ferrari等人报道一种介孔硅多级纳米颗粒，用介孔硅包载聚谷氨酸阿霉素前药，到肿瘤组织内，聚谷氨酸前药可以自组装成30-80nm的纳米颗粒。介孔硅还可以包载量子点、碳纳米管等小粒径纳米颗粒。

4.4 肿瘤渗透

除了调整粒径，有许多其他的方法增强渗透，如修饰肿瘤渗透肽，调节肿瘤细胞外基质。iRGD、tLyP-1、PFVYLI等肿瘤渗透肽可以明显增强肿瘤蓄积和渗透。研究表明，甲磺酸伊马替尼通过抑制β-血小板生长因子调节肿瘤微环境，使肿瘤血管正常化；环巴胺破坏肿瘤细胞外纤连蛋白；氯沙坦减少肿瘤胶原；吡非尼酮抑制Ⅰ型胶原蛋白和TGF-β的表达。肿瘤相关纤维母细胞是肿瘤组织内一种主要的间质细胞，是形成屏障膜的关键，它阻碍纳米颗粒渗透，影响治疗效果。Nie等人开发一种多肽纳米材料，能够靶向并破坏肿瘤相关纤维母细胞。

图5 肿瘤相关母细胞靶向和高效肿瘤渗透双功能纳米颗粒

图6 实现3S转变的方法总结

5 设计纳米颗粒中存在的问题

目前，很多环境响应型纳米颗粒、多级纳米颗粒可以高效的将药物递送到肿瘤部位，但是没有同时将3S转变整合到一个纳米系统里，导致疗效不理想。本课题组构建的一种电荷反转纳米系统，在CIA过程能稳定存在，一定程度的提高了抗肿瘤效果，但是该纳米系统没有实现其他两个转变，因此在P和R过程效果不理想。细胞膜包载的纳米颗粒在CA过程表现很好，它可以降低调理素作用，避免被吞噬细胞吞噬，下一步应着重关注它的肿瘤渗透与内吞。近日，本课题组构建不同粒径大小的纳米颗粒来说明粒径对CAPIR的影响，实验表明100-160nm的纳米颗粒血液循环时间较长，肿瘤蓄积较多，而20-30nm的纳米颗粒肿瘤渗透的深度更大。光热纳米颗粒是例外，仅需要CA过程，蓄积到肿瘤部位即可，在近红外激光作用下发挥疗效。光动力纳米颗粒要诱导活性氧产生，杀死肿瘤细胞，所以仍需要CAPIR五步级联和3S转变。

图7 本课题组构建的一种电荷反转纳米系统

6 3S转变实例

目前，本课题组设计的树状大分子-脂质纳米系统可以很好的实现3S转变。该纳米颗粒具有长循环效果，而且肿瘤蓄积明显提高；肿瘤微环境酸性响应，纳米颗粒发生电荷反转，实现快速内吞，并抑制阿霉素的多药耐药。Wang等人设计了类似的纳米颗粒，顺铂与聚酰胺接枝的聚己酸丙酯形成前药，前药与聚酰胺和聚乙二醇修饰的聚己酸丙酯形成共聚物，自组装成100nm的纳米颗粒，肿瘤酸性微环境断裂酰胺键，释放顺铂前药，仅5nm，渗透到肿瘤内部，释放顺铂，发挥抗肿瘤效果。

图8 树状大分子-脂质纳米系统

【总结与展望】

目前，治疗癌症的纳米颗粒仅能减轻副作用，不能增强疗效。新一代纳米粒的合理设计应该以增强疗效为目的。利用本文提供的理念，在考虑CAPIR整个过程的基础上，整合3S转变到一个纳米系统是至关重要的。

CAPIR五步级联是一个完整的生物体药物递送过程，存在很多障碍，简单的纳米颗粒，如PEG-PLA胶束，不能高效的通过整个过程，从而不能产生较好的治疗效果。新一代纳米颗粒要配合并适应CAPIR过程，3S转变是改造纳米颗粒比较灵活的方法。同时，我们要找到限制治疗效果的关键步骤，长循环与细胞内释药已经做得很成功，瓶颈在肿瘤蓄积与渗透。由于肿瘤组织小，只有很小一部分血管，以及较高的间质压都会影响蓄积与渗透。

临床转化是研究纳米颗粒的最终目标。3S转变使纳米颗粒具有很好的疗效，临床安全性与产品的重现性是临床转化的另两个基本因素，简称CES，见下图。纳米颗粒本身的复杂性使其很难进入临床试验，但是不应灰心丧气。病毒载体的批准正是很好的证明，研究者要有信心能够开发出非免疫原性、无毒、效果更好的非病毒载体。

图9 纳米颗粒的临床转化的三个基本因素（CES）

文献连接：Rational Design of Cancer Nanomedicine: Nanoproperty Integration and Synchronization (Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201606628)

本文由材料人生物材料组在河之舟供稿，材料牛编辑整理。

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