韓莎莎，趙僧群，劉冰彌,2，劉 宇,3，李 麗,3

(1. 遼寧大學藥學院，遼寧 沈陽 110036)(2. 遼寧大學 遼寧省天然產(chǎn)物制藥工程技術(shù)研究中心，遼寧 沈陽 110036)(3. 遼寧大學 遼寧省新藥研發(fā)重點實驗室，遼寧 沈陽 110036)

1 前 言

金屬有機框架(metal organic frameworks, MOFs)，是一類新興的結(jié)晶微孔材料，是由金屬離子或金屬簇與有機橋連配體通過配位作用構(gòu)筑出二維或三維的具有周期性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的固體材料[1]。MOFs具有極高的比表面積、能夠負載藥物分子的大孔道、良好的生物降解性能，這些特點使得MOFs近年來成為藥物載體重要的候選材料[2]。作為一種藥物傳遞系統(tǒng)(drug delivery systems，DDSs)，MOFs與其它有機DDSs和無機DDSs相比具有自身的潛在優(yōu)勢。有機DDSs(如脂質(zhì)體和聚合物)具有較好的生物相容性，但藥物有效載荷量較低，缺乏藥物傳遞的控制率；無機DDSs(如金納米粒、鐵納米粒和硅納米粒等)雖然可以提供高載藥量，能夠以規(guī)定的速率傳遞藥物，但是生物相容性差、降解率低，導致其積累在肝臟或脾臟，可能會產(chǎn)生一些副作用[3]。MOFs材料則結(jié)合了上面二者的優(yōu)點[4]，由金屬離子(Fe，Zn，Cu，Co等)和有機鏈接劑(羧酸鹽、咪唑酸鹽、磺酸鹽、磷酸鹽等)自組裝而成，并且有機鏈接劑能夠在MOFs自組裝過程中或之后進行表面功能化修飾[5]，這也是MOFs的另一個優(yōu)點。

對MOFs進行表面修飾可以有效控制DDSs的穩(wěn)定性和分散性，調(diào)節(jié)MOFs與生物系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時控制MOFs與細胞和組織靶向、細胞內(nèi)化之間的關(guān)系[6]。通過表面修飾可以提高MOFs的穩(wěn)定性和生物相容性；降低免疫應(yīng)答，賦予MOFs隱身的性能；延長胃腸道滯留時間，提高對細胞膜的透過性；增強靶向性，減輕副作用；克服突釋的行為，實現(xiàn)緩釋給藥；將治療藥物與成像方式相結(jié)合以顯示給藥位點[7]；減輕癌癥患者壓力，實現(xiàn)口服給藥。

2 MOFs表面修飾

MOFs表面修飾方法一般分為兩種：共價鍵結(jié)合方式(即冷凝、點擊化學和共軛反應(yīng))和非共價鍵結(jié)合方式(即靜電相互作用、分散力和氫鍵)[8， 9]，通常根據(jù)MOFs的表面性質(zhì)和修飾分子的性質(zhì)來決定選擇何種方法。隨著MOFs表面修飾方法的不斷完善，各種不同功能的表面修飾材料也不斷地被開發(fā)出來，MOFs作為藥物載體扮演著日益重要的角色。以下將介紹幾種常見的MOFs表面修飾材料。

2.1 聚乙二醇

聚乙二醇(polyethylene glycols，PEGs)作為MOFs的表面修飾材料，可以防止顆粒聚集、提高MOFs的分散性和穩(wěn)定性[9]、減少血液蛋白對MOFs的氧化作用和單核吞噬系統(tǒng)中巨噬細胞對MOFs的吸收，使MOFs在血液中循環(huán)較長的時間，為靶向輸送提供條件。在此基礎(chǔ)上，PEGs還可以與其他具有靶向作用的分子鏈接，對人體的特定部位實現(xiàn)主動靶向給藥。Lin等[10]報道了包覆脂質(zhì)和PEGs的Mn-MOFs，通過包覆后再與靶向基團(對甲氧苯甲酰胺)鏈接，能夠提高藥物靶向性，顯著增強其對人乳腺癌細胞和胰腺癌細胞的毒性，如圖1a～1f所示。

圖1 共聚焦激光掃描顯微鏡下PEGs修飾的MOFs(a, c, e)和PEG-AA修飾MOFs(b, d, f)的MCF-7細胞培育照片，將靶向集團(AA)連接到修飾PEG的MOFs上，從而提高靶向性(標尺為20 μm)[10]；鈣蛋白在磷酸鹽緩沖液中的釋放圖譜(g, h)[11]Fig.1 MCF-7 cells cultured with PEGs-modified MOFs (a, c, e) and PEG-AA modified MOFs (b, d, f) under confocal laser scanning microscopy (CLSM), link the targeting group (AA) to MOFs modified with PEG to improve targeting, scale bars are 20 μm[10]; the release spectrum of calcium protein in phosphate buffers (g, h)[11]

此外，F(xiàn)organ等[11]將PEGs共軛修飾到UiO-66表面，發(fā)現(xiàn)在pH值為7.4時，PEGs鏈能夠增強MOFs對磷酸鹽的穩(wěn)定性，還可以克服突釋的行為；在pH值為5.5時，則可以實現(xiàn)緩釋給藥，如圖1g和1h所示。

PEGs具有很多優(yōu)良的性能，但仍然存在一些潛在的缺點，例如，PEGs及其合成過程中引入的副產(chǎn)物可能會引起機體的過敏反應(yīng)；經(jīng)PEGs修飾的藥物載體，其體內(nèi)藥動學行為可能會發(fā)生不可預測的變化；PEGs本身的不可生物降解性及其在有氧環(huán)境中的易降解特性都會對其使用產(chǎn)生不利的影響[12]。此外，有文獻[13]報道PEGs還會侵入MOFs的骨架內(nèi)，顯著降低MOFs的多孔性，使之藥物負荷能力下降，不受控地釋放藥物。

2.2 二氧化硅

經(jīng)二氧化硅修飾后，MOFs的水分散性和化學穩(wěn)定性得到了提高，還可以通過硅烷醇的縮合反應(yīng)來進行進一步功能化[9]。2007年，Lin等首次報道可以通過溶膠-凝膠或微乳化方法將二氧化硅涂覆在納米MOFs上，形成一系列納米核殼復合材料，用于金屬成分的控制釋放和吡啶二羧酸的發(fā)光傳感[14]。2008年，該團隊采用二氧化硅表面修飾的MOFs包載抗癌藥物，通過改變二氧化硅外殼的厚度有效地控制了藥物的釋放速率[15]，如圖2a所示。緊接著，該團隊又發(fā)現(xiàn)二氧化硅包裹的MOFs經(jīng)二氧化硅衍生物和羅丹明B功能化后，對血管新生癌細胞具有靶向性，同時具有核磁共振成像的潛力[16]，圖2b為細胞的核磁圖像。共聚焦顯微鏡成像研究進一步證實，與無修飾的顆粒和非靶向基團修飾的顆粒相比，具有靶向基團修飾的顆粒攝取增強，如圖2c～2e所示。

圖2 不同厚度二氧化硅修飾MOFs的藥物釋放速率曲線(a)[15]；HT-29細胞與無修飾的納米MOFs(左)、非靶向基團修飾的納米MOFs(中)、c(RGDfK)修飾的納米MOFs(右)的核磁照片(b)[16]；HT-29細胞與無修飾的納米MOFs(c)、非靶向基團修飾的納米MOFs(d)、c(RGDfK)修飾的納米MOFs(e)的共聚焦激光掃描顯微鏡成像照片[16]Fig.2 Drug release curves of MOFs modified by silica with different thickness (a)[15]; magnetic resonance imaging of HT-29 cells that were incubated with unmodified nano MOFs (left), nontargeted nano MOFs (middle), and c(RGDfK)-targeted nano MOFs (right) (b)[16]; CLSM imaging of HT-29 cells that were incubated with unmodified nano MOFs (c), nontargeted nano MOFs (d), and c(RGDfK)-targeted nano MOFs (e)[16]

然而，使用二氧化硅對MOFs進行表面修飾可能會使其堵塞MOFs的孔隙通道，而且研究發(fā)現(xiàn)二氧化硅納米顆粒會導致肝、脾、肺的損傷[17]，細胞毒性效應(yīng)更高[6]。

2.3 環(huán)糊精

環(huán)糊精金屬有機骨架(CD-MOFs)是一種對環(huán)境無污染、生物相容性好的藥物載體，在藥物傳遞系統(tǒng)中日益受到重視[18]。Agostoni等將帶有磷酸酯的環(huán)糊精分子與納米懸浮液一起孵育，對MOFs進行表面修飾，環(huán)糊精的包覆以及MOFs載藥過程如圖3所示，首先三價鐵離子與三甲基磺酸反應(yīng)制備MOFs，載藥之后，采用環(huán)糊精進行表面修飾，由于環(huán)糊精體積大，封閉MOFs的孔徑，藥物不會流出，而其他的小體積的涂層材料無法阻塞MOFs的孔隙，導致藥物釋放失控。此外，該研究還發(fā)現(xiàn)環(huán)糊精涂層在體液中是穩(wěn)定的，可以與PEGs相鏈接以逃避免疫系統(tǒng)，還可以通過靶向配體對環(huán)糊精進行進一步功能化修飾[19]。Golmohamadpour等將環(huán)糊精包覆的Fe-MIL-88B用羥基磷灰石進一步修飾，提高了載藥量，并使藥物能夠緩慢釋放[20]。

圖3 環(huán)糊精的包覆以及MOFs載藥過程示意圖[19]Fig.3 Schematic diagrams of cyclodextrin coating and MOFs loadingprocess[19]

2.4 肝素

肝素最初因其抗凝作用而廣為人知，最近才被用作納米粒子的表面修飾物[9]。肝素分子結(jié)構(gòu)中存在多種化學基團(硫酸基、羧基、羥基)，容易與MOFs表面發(fā)生相互作用，且肝素的分子尺寸較大，可以避免侵入MOFs的孔隙中。Bellido等[13]利用肝素對MIL-100(Fe)進行表面修飾，發(fā)現(xiàn)其在模擬的生理條件下表現(xiàn)出完整的晶體結(jié)構(gòu)和孔隙度，穩(wěn)定性有所提高，相比于未包覆的MOFs能夠更加緩慢地釋放藥物，如圖4a和4b所示。J774.A1細胞的共聚焦顯微照片(圖5)表明，經(jīng)過1 h或4 h的短期培養(yǎng)，未涂覆肝素的MIL-100(Fe)納米粒子細胞滲透速度很快，肝素包覆的MIL-100(Fe)納米粒子的細胞攝取減少。此外，MOFs納米粒子被攝取后，最初圓形的細胞形態(tài)被重塑成拉長的構(gòu)象，這與巨噬細胞的活化狀態(tài)一致。但是，在培育8 h后，細胞形態(tài)變化就不太明顯了，如圖5所示。上述結(jié)果表明，肝素涂覆可以降低細胞的識別和吸收能力，降低免疫應(yīng)答與細胞內(nèi)化，且能夠在血液中循環(huán)較長的時間，從而使MOFs具有隱身的性能。另外，在體內(nèi)使用這些包裹肝素的納米粒子還有望產(chǎn)生較低的炎癥反應(yīng)。

2.5 殼聚糖

殼聚糖(chitosan，CS)是甲殼素脫乙?；a(chǎn)物，是一種天然的陽離子聚合物[21]，作為藥物載體可以防止胃腸道低pH值和酶引起的藥物失活和降解，更重要的是，作為滲透促進劑可以調(diào)節(jié)腸道屏障，瞬間打開上皮細胞之間的緊密連接[22]。同時，CS通過與黏液鏈的非共價鍵相互作用(離子相互作用和氫鍵)增強對黏液的粘附行為[23]，并保留在黏膜表面以供后續(xù)清除，是改善口服藥物吸收的典型生物材料。Hidalgo等報道了采用CS修飾的MIL-100裝載布洛芬(ibuprofen, Advil, AI)，首次制備出了一種適合口服給藥的納米MOFs載體，既保留了MOFs的高孔性，又保留了MOFs的晶體結(jié)構(gòu)。CS與MIL-100納米粒子的主要相互作用發(fā)生在CS的羥基與MOFs的鐵原子之間，CS涂層在一定程度上阻止Fe(III)的還原，并具有屏蔽作用，可以保護MOFs不被酶降解。此外，CS具有生物粘附性，適合AI在腸黏膜附近局部釋放藥物。由圖6中Caco-2細胞的共聚焦顯微照片可以看出，與未經(jīng)包覆的MOFs相比，CS包裹MIL-100(Fe)納米粒子的細胞吸收顯著提高。隨著時間的推移，CS包覆MOFs的細胞內(nèi)化性得到了改善，僅孵育2.5 h后，腸道細胞內(nèi)就有一定數(shù)量的CS-MIL-100(Fe)。上述結(jié)果表明，CS可以促進含AI的納米MOFs載體通過黏膜屏障，提高AI的吸收率。表面改性還能提高納米微粒在不同生理介質(zhì)尤其是模擬體液中的化學穩(wěn)定性和膠體穩(wěn)定性，并使MOFs不易被免疫系統(tǒng)所識別。以上特點使CS修飾的MOFs適合用作口服給藥載體[24]。

圖6 用鐵自反射信號(綠色)和DAPI染色(藍色)觀察未包覆和CS包覆的MIL-100(Fe)的Caco-2細胞的共聚焦激光掃描顯微照片[24]Fig.6 Confocal microscopy images of Caco-2 cells containing uncoated and CS-coated MIL-100(Fe) NPs observed by iron self-reflection signal (green channel) and the nucleus stained by DAPI (blue channel) [24]

CS分子結(jié)構(gòu)中包含許多游離的羥基和氨基，在一定條件下，可以通過水解、交聯(lián)、羧基化、烷化、?；?、氧化等方式對CS分子進行修飾改性[21]。例如，在CS結(jié)構(gòu)中引入巰基，與腸黏液層糖蛋白半胱氨酸殘基形成共價鍵[23]，能夠顯著改善其生物粘附性，延長其腸道滯留時間，并抑制酪氨酸磷酸酶的活性，打開細胞間的緊密連接，提高藥物對細胞膜的透過性。CS是MOFs作為口服給藥載體理想的表面修飾材料。

2.6 靶向修飾材料

傳統(tǒng)的給藥方式對病變組織缺乏特異性，需要大量、頻繁地給藥，因而導致很多的副作用[25]。在MOFs表面修飾靶向材料，可以實現(xiàn)藥物在特定部位的富集，還能在腫瘤部位快速釋放化療藥物，從而延緩藥物泄漏到健康的生理環(huán)境，提高治療效果[26]。腫瘤部位的細胞表面存在過度表達的生物受體，能與相應(yīng)的配體產(chǎn)生特異性識別，通過適當?shù)姆椒梢詫邢蛐揎棽牧线B接到MOFs表面，與藥物分子一起構(gòu)筑靶向DDSs[27]，常見的靶向修飾材料有葉酸、DNA、甘草次酸等。

葉酸修飾的MOFs作為腫瘤靶向給藥載體已經(jīng)得到了廣泛的研究[28-30]，將葉酸與其他涂層材料共同修飾到MOFs表面可以起到雙重功能化作用。Shi等報道了葉酸和PEGs共同修飾的MOFs，實現(xiàn)了延長循環(huán)和主動靶向給藥[31]。Nejadshafiee等制備了包覆葉酸-殼聚糖偶聯(lián)物的MOFs，用于腫瘤靶向給藥[32]。Gao等將葉酸與熒光成像劑5-羧基熒光素共價連接到UiO-66-NH2表面，靶向肝癌細胞，并在體外顯示出良好的熒光成像行為[33]。

研究表明[34]，DNA修飾的MOFs表現(xiàn)出了更強的穩(wěn)定性和細胞攝取能力。Ning等通過表面配位化學的方法將DNA固定在納米MOFs表面，以靶向特定的癌細胞[35]。Chen等采用核酸基聚丙烯酰胺水凝膠修飾的MOFs裝載阿霉素，該藥物遞送系統(tǒng)表面含有游離的核酸鏈，能與特定的細胞靶向配體相結(jié)合，對癌細胞的選擇性和滲透性增強[36]。為克服卵巢癌細胞的耐藥性，Lin等首次將順鉑前體藥物——cis, cis, trans-[Pt(NH3)2Cl2(OEt)(OCOCH2CH2COOH)]，包封到納米MOFs的孔隙內(nèi)，構(gòu)建載藥系統(tǒng)UiO-Cis，將小干擾素siRNA與納米MOFs表面金屬位點相結(jié)合(如圖7所示)，從而使耐藥基因不能表達，同時也使耐藥的卵巢癌細胞對順鉑的治療重新變得敏感，以此來增強治療效果[37]。

圖7 siRNA/UiO-Cis合成及載藥原理示意圖[37]Fig.7 Schematic presentation of siRNA/UiO-Cis synthesis and drug loading[37]

此外，肝細胞表面存在甘草次酸(glycyrrhetinic acid，GA)結(jié)合位點[38]，甘草次酸修飾的DDSs可以將藥物傳遞至肝臟部位從而發(fā)揮其特有的主動肝靶向效應(yīng)，與抗癌藥物形成的復合物也表現(xiàn)出明顯的肝靶向特性[39]。

隨著對抗癌機制研究的不斷深入，MOFs表面修飾材料也在不斷更新。腫瘤細胞還可能通過自噬來阻斷凋亡通路，進而保護癌細胞不受抗腫瘤藥物的侵襲。Chen等報道了納米MOFs包覆自噬抑制劑用以克服腫瘤的耐藥性，增強抗癌效果[40]。Filippousi等將載藥MOFs包封在經(jīng)修飾的聚(ε-己內(nèi)酯)中，并用D-α-生育酚聚乙二醇琥珀酸酯聚合物基體進行包封，發(fā)現(xiàn)表面修飾的MOFs能夠克服突釋行為，提高緩釋效果，具有更好的抗癌活性[41]。此外，有些研究選用磁性金屬材料構(gòu)建納米顆粒，使其具有核磁共振成像的潛力[42， 43]，同時再對其表面進行功能化修飾，以賦予多種治療功能[44]。

3 結(jié) 語

自從Ferey等首次報道了MOFs在生物醫(yī)學上的應(yīng)用以來，大量對MOFs的開發(fā)工作都在進行中。MOFs具有超高的孔隙率、極大的比表面積、生物可降解性、結(jié)構(gòu)可裁性和易功能化等特征，已得到越來越多的關(guān)注，但是其本身存在的一些固有缺陷，如較差的生物相容性、釋藥過程存在突釋現(xiàn)象等，限制了它的開發(fā)和利用。另外，目前的研究大多集中在MOFs對藥物的包載能力方面，而且多是以MOFs作為靜脈注射載體，而作為藥物口服載體的報道極少。對MOFs進行表面修飾可以克服一些不良特性，優(yōu)化性能，擴展其在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。引入生物相容性好的成分對MOFs進行表面功能化，可以實現(xiàn)更長的血液循環(huán)，減少細胞內(nèi)化，具有更好的細胞和組織特異性；利用生物粘附聚合物對MOFs表面進行修飾，可以延長其在腸道內(nèi)的停留時間，顯著改善藥物的口服吸收；另外，在MOFs內(nèi)部裝載藥物的同時，還可以用顯影劑對其表面進行修飾，達到治療和診斷同時進行的目的。隨著MOFs表面修飾方法的不斷完善及功能化修飾材料的不斷更新，MOFs作為藥物載體的潛力也逐漸被開發(fā)出來，在精準治療、靶向給藥、緩控釋給藥、口服給藥、醫(yī)學成像等方面應(yīng)用前景廣闊。